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ROS-2-URDF_pr2description

作者：笔触狂放9 | 2024-08-14 09:11:58

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pr2description

1.创建.xml文件形式的模型
首先确保安装了 joint_state_publisher package
简单的urdf模型代码如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="myfirst">
  <link name="base_link"> //底座
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/> //圆柱体的半径和高度
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</robot>

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$ roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/01-myfirst.urdf

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上面的代码将会执行以下的任务：
将制定的模型载入parameter server；运行一些nodes来发布sensor_msgs/JointState消息以及坐标变化；运行Rviz
roslaunch假定我们是在urdf_tutorial directory情况下启动的，此时urdf是当前工作目录的直接子目录，如果不是这样的话01-myfirst.urdf的相对路径将无效，并且一旦roslaunch尝试将urdf加载到参数服务器，您就会收到错误。所以可以做如下更改：

$ roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/01-myfirst.urdf'

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为模型添加joint来使两个part连接：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="multipleshapes">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
  </joint>

</robot>

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roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/02-multipleshapes.urdf 

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但是这样建立的模型有问题，因为新添加的part是以原来的基座原点为自己的中心，所以下面我们要为它指定一个新的中心:

<?xml version="1.0"?>
<robot name="origins">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>//part绕原点旋转pi/2,沿Z向下平移0.3m
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>  坐标原点沿y移动-0.22，z移动0.25
  </joint>

</robot>

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roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/03-origins.urdf 

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之后为机器人添加材料属性

<?xml version="1.0"?>
<robot name="materials">

  <material name="blue"> //调制颜色[0，1]
    <color rgba="0 0 0.8 1"/>
  </material>

  <material name="white">
    <color rgba="1 1 1 1"/>
  </material>


  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_leg"/>
    <origin xyz="0 0.22 0.25"/>
  </joint>

</robot>

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roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/04-materials.urdf 

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之后为机器人添加一些mesh

<?xml version="1.0"?>
<robot name="visual">

<material name="blue">
    <color rgba="0 0 0.8 1"/>
  </material>
  <material name="black">
    <color rgba="0 0 0 1"/>
  </material>
  <material name="white">
    <color rgba="1 1 1 1"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="right_base">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.1 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="right_base_joint" type="fixed">
    <parent link="right_leg"/>
    <child link="right_base"/>
    <origin xyz="0 0 -0.6"/>
  </joint>

  <link name="right_front_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_front_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="right_base"/>
    <child link="right_front_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="right_back_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_back_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="right_base"/>
    <child link="right_back_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_leg"/>
    <origin xyz="0 0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_base">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.1 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_base_joint" type="fixed">
    <parent link="left_leg"/>
    <child link="left_base"/>
    <origin xyz="0 0 -0.6"/>
  </joint>

  <link name="left_front_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_front_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="left_base"/>
    <child link="left_front_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="left_back_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_back_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="left_base"/>
    <child link="left_back_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <joint name="gripper_extension" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="gripper_pole"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
  </joint>

  <link name="gripper_pole">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.2" radius="0.01"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0 " xyz="0.1 0 0"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_gripper_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="left_gripper"/>
  </joint>

  <link name="left_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_tip_joint" type="fixed">
    <parent link="left_gripper"/>
    <child link="left_tip"/>
  </joint>

  <link name="left_tip">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_gripper_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 -0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="right_gripper"/>
  </joint>

  <link name="right_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="right_tip_joint" type="fixed">
    <parent link="right_gripper"/>
    <child link="right_tip"/>
  </joint>

  <link name="right_tip">
    <visual>
      <origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="head">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="head_swivel" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="head"/>
    <origin xyz="0 0 0.3"/>
  </joint>

  <link name="box">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.08 0.08 0.08"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="tobox" type="fixed">
    <parent link="head"/>
    <child link="box"/>
    <origin xyz="0.1814 0 0.1414"/>
  </joint>
</robot>

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roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/05-visual.urdf 

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添加mesh文件的后缀名可以是多种的例如STL,DAE，实例中的mesh存放在urdf_tutorial的mesh文件夹中
也可以使用其他package中的mesh文件如：

package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger.dae 

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2.建立可移动的模型
之前我们添加的joint都是fixed类型的，但是joint实际上有：continuous, revolute ，prismatic类型，以下对这些进行介绍。执行以下代码：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/06-flexible.urdf 

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之后跳出来调控面板GUI，其中各个位置所用的joint类型如下所示：
Head: 像滚轮一样的joint,可以360°旋转，不过需要再axis中指定旋转轴

  <joint name="head_swivel" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="head"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <origin xyz="0 0 0.3"/>
  </joint>

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Gripper:有旋转角度限制的continous,因此我们必须再limit effort下面添加最高和最低角度，同时添加最大速度

  <joint name="left_gripper_joint" type="revolute">
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="left_gripper"/>
  </joint>

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Gripper Arm: 沿直线运行的滑块类，limit effort限制：力量，手臂伸出和缩回的距离，最大移动速度

  <joint name="gripper_extension" type="prismatic">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="gripper_pole"/>
    <limit effort="1000.0" lower="-0.38" upper="0" velocity="0.5"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
  </joint>

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除了这些之外还有planar joint, floating joint等
当滑动GUI上面的滑块时，他将会发送sensor_msgs/JointState类型的消息，这些消息会被robot_state_publisher所使用，并且计算出机器人不同parts之间应有的transform，计算出的transform TREE 会被Rviz所使用，从而显示出机器人的状态。
3. 添加质量和转动惯量矩阵：

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0 0 .8 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="10"/>
      <inertia ixx="0.4" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.4" iyz="0.0" izz="0.2"/>
    </inertial>
  </link>

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惯性张量取决于物体的质量和质量分布，如果不确定放置什么，ixx / iyy / izz = 1e-3或更小的矩阵通常是中型链路的合理默认值，使用实时控制器时，零（或几乎为零）的惯性元素可能导致机器人模型在没有警告的情况下崩溃，并且所有link将显示其原点与世界原点一致。
还有一些其他的参数，如：
mu-Friction coefficient
kp - Stiffness coefficient
kd - Dampening coefficient
使用命令

  1. 使用Xacro文件简化urdf文件
    Xacro使用macro语言，使用这种文件需要将文件转换为urdf文件，用法如下：
 rosrun xacro xacro model.xacro > model.urdf 

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也可以通过在launch文件中设置，从而避免再次调用rosrun命令，如下所示：

<param name="robot_description"
  command="$(find xacro)/xacro '$(find pr2_description)/robots/pr2.urdf.xacro'" />

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在Xacro文件的顶部，需要建立命名空间以便文件进行编译，如下所示：

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="firefighter">

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之后可以编写文件内容，如下所示:

<xacro:property name="width" value="0.2" />
<xacro:property name="bodylen" value="0.6" />
<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
        </geometry>
        <material name="blue"/>
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

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property是初始化变量的关键字，可以通过符号${width}来进行调用，之后该符号以及括号内的东西会被name所对应的value进行文本替换，在这个符号内的运算以浮点数进行。
之后可以使用宏来进一步替换文本，宏的关键字是macro，如下所示，name为宏的名称

<xacro:macro name="default_origin">
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
</xacro:macro>
<xacro:default_origin />

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在宏中还可以添加参数，只需要在调用宏的时候给参数赋值，如下所示就是一个宏：

    <xacro:macro name="default_inertial" params="mass">
        <inertial>
                <mass value="${mass}" />
                <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0"
                     iyy="1.0" iyz="0.0"
                     izz="1.0" />
        </inertial>
    </xacro:macro>

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调用它的命令为：

<xacro:default_inertial mass="10"/>

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在宏中还可以添加指针类型来引用一个块，调用的方法为insert_block name,如下所示：

<xacro:macro name="blue_shape" params="name *shape">
    <link name="${name}">
        <visual>
            <geometry>
                <xacro:insert_block name="shape" />
            </geometry>
            <material name="blue"/>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <xacro:insert_block name="shape" />
            </geometry>
        </collision>
    </link>
</xacro:macro>

<xacro:blue_shape name="base_link">
    <cylinder radius=".42" length=".01" />
</xacro:blue_shape>

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可以通过执行以下代码查看实例中的模型：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=urdf/08-macroed.urdf.xacro

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对于一些对称形状的物体，我们可以使用一些数学方法来缩短代码，如下面的代码所示：

<xacro:macro name="leg" params="prefix reflect">
    <link name="${prefix}_leg">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${leglen} 0.1 0.2"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 -${leglen/2}" rpy="0 ${pi/2} 0"/>
            <material name="white"/>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="${leglen} 0.1 0.2"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 -${leglen/2}" rpy="0 ${pi/2} 0"/>
        </collision>
        <xacro:default_inertial mass="10"/>
    </link>

    <joint name="base_to_${prefix}_leg" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="${prefix}_leg"/>
        <origin xyz="0 ${reflect*(width+.02)} 0.25" />
    </joint>
    <!-- A bunch of stuff cut -->
</xacro:macro>
<xacro:leg prefix="right" reflect="1" />
<xacro:leg prefix="left" reflect="-1" />

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