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ROS理论与实践——三、机器人系统设计_urdf机器人建模
作者：很楠不爱3 | 2024-06-10 20:01:18
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urdf机器人建模
ROS理论与实践——三、机器人系统设计
前言
本文是我在18年深蓝学院上课的第二讲内容，过去两年了，我重新整理了下，并结合当时课程布置的作业，在文中给出。本文主要介绍简单的机器人URDF模型的建模。
一、机器人的定义与组成
1 机器人的定义
人们印象中的机器人形象是类似《变形精钢》、《钢铁侠》影片中出现的机器人，类似人形，但十分智能。而现实生活中，我们常见到的机器人形象却是这样的，它们也是机器人。
图中从左到右分别是PR2、TurtleBot2、TurtleBot3（右侧三种）。
当然，除了上述的机器人外，在其他领域也有各种机器人，比如：
- 机械手臂
- 移动机器人
- 自动驾驶汽车
- 人形机器人
- 无人驾驶飞机
- 无人潜艇
- 无人水面艇
在之后的实践中，主要是以TurtleBot2 作为实体，进行演示。
2 机器人的组成
从控制的角度分析机器人的组成，主要由4部分组成：
- 控制系统：控制系统类似人的大脑，除了要进行各种算法计算，还要实现关节控制、人机交互、系统监督等功能，因此要求根据相应的功能需求配置相应的处理器。
- 驱动系统：动力源，分这样几种，电驱动、液压驱动、气压驱动
- 传感器系统：实时获取自身位姿和外部环境，分为内部传感器系统和外部传感器系统，内部传感器包含里程计、陀螺仪、加速度计等，外部传感器包括摄像头、红外摄像、激光雷达、麦克风等。
- 执行机构：控制系统发出的控制信号要最终传递给执行机构去执行操作，分为电机、伺服、传动机构等。
二、URDF机器人建模
1 URDF是什么？
Unified Robot Description Format 统一机器人描述格式的缩写形式
之后的机器人模型文件都使用的是XML格式来进行描述，一种优势是可以很方便的使用标签、属性来描述机器人的很多相关的属性，另一个好处就是看起来直观一点。
URDF模型中按组成，主要分成两大类：link和joint
1.1 URDF模型中的link标签
< link >：连杆，用来描述机器人某刚体部分的外观和物理属性，它的子属性，包括了尺寸、颜色、形状、惯性矩阵、碰撞检测参数等。用相应的子标签来描述。
< visual >：描述机器人link部分的外观参数
< inertial > :描述link的惯性参数
< collision >：描述link的碰撞属性
相应的格式为：
1.2 URDF模型中的joint标签
< joint >：用来连接两个连杆，关节标签，用于描述关节的运动学和动力学属性，内容包括关节运动的位置和速度限制，其中根据关节的运动形式，分成了六种类型。
重点理解和把握两种关节的类型：
（1）continuous：旋转关节，可以围绕单轴无限旋转；
（2）revolute：旋转关节，但是有旋转的角度极限。
注意的是在连接两个link时，需要标明parent link和child link，相应的格式如下：
图中子标签的描述的含义如下：
< calibration >：描述关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置；
< dynamic >：描述关节的物理属性，在动力学仿真中会用到
< limit >：描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置、速度限制、力矩限制
…
1.3 URDF模型中的根标签
< robot >：是根标签，也是顶层标签，以上两个标签< link >和< joint >标签都必须包含在< robot >标签内。
相应的形式为：
2 URDF建模
在上次新建的catkin_ws工作空间的目录下，在src文件夹下，新建一个机器人建模的功能包。
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
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生成功能包后，需要在其路径下，创建几个文件夹：
- urdf：存放机器人模型的URDF或xacro文件
- meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件
- launch：用于保存相关启动文件
- config：保存rviz的配置文件
2.1 launch启动文件的编写
在launch文件夹下，编写launch启动文件display_mbot_base_urdf.launch
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
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2.2 URDF模型文件的编写
1.使用圆柱体创建一个车体模型
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
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2.使用圆柱体创建左侧车轮
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
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3.使用圆柱体创建右侧车轮
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
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4.使用球体创建前后支撑轮
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
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创建完成后的模型如图所示：
5.创建摄像头
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
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创建完成的模型如图所示：
6.创建Kinect
<link name="kinect_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708"/>
<geometry>
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="kinect_link_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="kinect_link"/>
</joint>
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创建完成的模型如图所示：
7.创建激光雷达
<link name="laser_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0 0.105" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</joint>
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创建完成的模型，如图所示：
三、创建自己的机器人模型
1 创建带有Camera的机器人模型
1.创建机器人建模功能包
catkin_create_pkg smartcar_description urdf xacro
- 1
2.创建urdf模型
在smartcar_description文件夹下建立urdf文件夹，创建智能车的描述文件smartcar.urdf，描述代码如下：
1. <?xml version="1.0"?>
2. <robot name="smartcar">
3. <link name="base_link"> //基座
4. <visual>
5. <geometry>
6. <box size="0.25 .16 .05"/> //长方体的长、宽、高
7. </geometry>
8. <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/> //z向旋转9
9. <material name="blue">
10. <color rgba="0 0 .8 1"/> //蓝色
11. </material>
12. </visual>
13. </link>
14.
15. <link name="right_front_wheel"> //右前轮
16. <visual>
17. <geometry>
18. <cylinder length=".02" radius="0.025"/> //圆柱长0.02m，半径0.025m
19. </geometry>
20. <material name="black">
21. <color rgba="0 0 0 1"/> //黑色
22. </material>
23. </visual>
24. </link>
25.
26. <joint name="right_front_wheel_joint" type="continuous"> //右前轮关节
27. <axis xyz="0 0 1"/>
28. <parent link="base_link"/>
29. <child link="right_front_wheel"/>
30. <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 0.1 -0.03"/>
31. <limit effort="100" velocity="100"/>
32. <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>
33. </joint>
34.
35. <link name="right_back_wheel"> //右后轮
36. <visual>
37. <geometry>
38. <cylinder length=".02" radius="0.025"/> //圆柱长0.02m，半径0.025m
39. </geometry>
40. <material name="black">
41. <color rgba="0 0 0 1"/>
42. </material>
43. </visual>
44. </link>
45.
46. <joint name="right_back_wheel_joint" type="continuous"> //右后轮关节
47. <axis xyz="0 0 1"/>
48. <parent link="base_link"/>
49. <child link="right_back_wheel"/>
50. <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 -0.1 -0.03"/>
51. <limit effort="100" velocity="100"/>
52. <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>
53. </joint>
54.
55. <link name="left_front_wheel"> //左前轮
56. <visual>
57. <geometry>
58. <cylinder length=".02" radius="0.025"/>
59. </geometry>
60. <material name="black">
61. <color rgba="0 0 0 1"/>
62. </material>
63. </visual>
64. </link>
65.
66. <joint name="left_front_wheel_joint" type="continuous"> //左前轮关节
67. <axis xyz="0 0 1"/>
68. <parent link="base_link"/>
69. <child link="left_front_wheel"/>
70. <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 0.1 -0.03"/>
71. <limit effort="100" velocity="100"/>
72. <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>
73. </joint>
74.
75. <link name="left_back_wheel"> //左后轮
76. <visual>
77. <geometry>
78. <cylinder length=".02" radius="0.025"/>
79. </geometry>
80. <material name="black">
81. <color rgba="0 0 0 1"/>
82. </material>
83. </visual>
84. </link>
85.
86. <joint name="left_back_wheel_joint" type="continuous"> //左后轮关节
87. <axis xyz="0 0 1"/>
88. <parent link="base_link"/>
89. <child link="left_back_wheel"/>
90. <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 -0.1 -0.03"/>
91. <limit effort="100" velocity="100"/>
92. <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>
93. </joint>
94.
95. <link name="head"> //摄像头
96. <visual>
97. <geometry>
98. <box size=".02 .03 .03"/> //长0.02m，宽0.03m，高0.03m
99. </geometry>
100. <material name="white">
101. <color rgba="1 1 1 1"/>
102. </material>
103. </visual>
104. </link>
105.
106. <joint name="tobox" type="fixed">
107. <parent link="base_link"/>
108. <child link="head"/>
109. <origin xyz="0 0.08 0.025"/> //放在底座的顶面
110. </joint>
111. </robot>
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3.建立launch文件
在smartcar_description文件夹下建立launch文件夹，创建智能车的描述文件display_smartcar.launch，描述代码如下：
1. <launch>
2. <param name="robot_description" textfile="$(find smartcar_description)/urdf/smartcar.urdf" />
3. <param name="use_gui" value="true"/>
4. <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
5. <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
6. <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find smartcar_description) / config / smartcar_urdf.rviz" required="true" />
7. </launch>
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4.运行
roslaunch smartcar_description smartercar.launch
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效果如图所示：
2 创建带有Kinetic的机器人模型
其余都一样，只是在urdf模型中添加了传感器模型。
创建智能车的描述文件smartcar_with_kinect.urdf，添加代码：
<link name="kinect_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0.04 0.05" rpy="0 0 -3.14"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="kinect_link"/>
</joint>
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同理修改launch文件，效果显示如下：
3 创建带有laser的机器人模型
创建智能车的描述文件smartcar_with_laser.urdf，添加代码：
<link name="laser_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="cyan"> //青色
<color rgba="0 1 1 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0.04 0.05" rpy="0 0 3.14"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</joint>
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同理修改launch文件，显示效果如图：
总结
本篇文章的内容不是很多，主要是讲有关URDF建模的流程，但是其中一些比如坐标计算的细节以及link标签和joint标签的写法都需要注意，以防出现错误。
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