ROS教程——1.9 机器人仿真模型URDF

1.9.1 使用URDF构建机器人模型

统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format , URDF）是一种XML格式，用于描述机器人模型。在此XML文件中，作如下定义：

• 机器人的运动学和动力学描述；

• 机器人的视觉表示；

• 机器人碰撞模型；

参考链接：

http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials

http://wiki.ros.org/urdf/Examples

机器人描述由一组链接（零件）元素和一组将链接连接在一起的关节元素组成。典型的机器人描述如下：

<robot name="pr2">
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>

  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
</robot>

我们将建立一个看起来像R2D2的机器人模型。此处，提到的所有机器人模型和启动文件都可以在urdf_tutorial包中找到（已与ROS一起安装）。

图1 R2D2机器人

首先，创建一个简单的形状，具体查看01-myfirst.urdf（位于urdf_tutorial包中）：

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

可知，创建了一个名为myfirst的机器人，该机器人仅包含一个链接，其视觉组件是一个0.6米长，半径为0.2米的圆柱体。使用rviz观察3D模型，查看display.launch(在urdf_tutorial包中)文件：

<launch>
       <arg name="model" />
       <arg name="gui" default="False" />
       <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />
       <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
       <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher"></node>
       <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
       <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find urdf_tutorial)/urdf.rviz" />
</launch>

该launch文件执行三件事：

• 将指定的模型加载到参数服务器中；

• 运行节点以发布JointState和变换(transforms)；

• 用配置文件启动rviz；

根据不同情况，运行launch文件的方式如下所示：

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

图2 使用rviz观察3D模型

为了向urdf添加更多链接元素，我们需要定义关节（joints），关节连接父子链接，关节有不同类型，首先介绍固定关节。详情查阅文件：02-multipleshapes.urdf

<?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 0.2 0.1"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

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

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/02-multipleshapes.urdf'

图3 多个链接元素

由上图可知，两种形状彼此重叠，因为它们共享相同的起点，为避免它们重叠，则必须定义各自的起点。此外，链接和关节都包含起点标签。

链接（Link）原点标签

origin: 定义视觉组件的中心相对于其原点的位置，如果未指定，则默认为单位元素。

Properties：

• xyz: 代表偏移量，默认为零向量；

• rpy: 表示旋转（滚动，俯仰，偏航），默认为单位元素。

关节（Joint）原点标签

origin:  表示父链接到子链接的变换。关节位于子链接的原点，如果未指定，则默认为单位元素。具有与链接原点标签（xyz和rpy）相同的属性。

图4 关节原点标签

对应文件: 03-origins.urdf

<?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 .2 .1"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0.22 0 0.25"/>
  </joint>
</robot>

关节原点根据父链接参照系定义。根据上述文件，子链接原点在x方向（右）为0.22米，在z方向（上）为0.25米。视觉原点定义了视觉组件的中心相对于其原点的位置。此处，我们希望将腿连接到顶部，因此通过将z偏移设置为-0.3米来向下偏移原点，并且由于我们希望腿的长部分平行于z轴，因此我们视觉组件绕Y轴旋转PI/2。

通过如下命令查看模型：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/03-origins.urdf'

图5 查看模型

视觉元素的材料标签，用于指定链接元素使用的材料，属性包括：

• name: 材料名称， 可以参考先前定义的材料；

• color（可选）：

• rgba由一组代表red/green/blue/alpha的四个数字指定的材料的颜色，每个数字的范围为[0,1]。

• texture（可选）：材质的纹理由文件名指定。

示例文件：04-materials.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot name="materials">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0 0 0.8 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.2 0.1"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white">
        <color rgba="1 1 1 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0.22 0 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.2 0.1"/>
      </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="-0.22 0 0.25"/>
  </joint>

</robot>

通过如下命令查看模型：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/04-materials.urdf'

图6 再次查看模型

使用网格(mesh)文件可定义更多逼真的元素，而不仅仅是使用基本的几何对象/块。可以加载由我们生成的网格或使用其它模型的网格。对于我们的模型，我们将使用PR2的抓爪（gripper）。

<link name="left_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
</link>

为借用PR2的网格(meshes)，我们需要安装pr2_description软件包：

sudo apt-get install ros-kinetic-pr2-description

该软件包，包含PR2的机械臂的描述文件，有以下子目录：“urdf/”: 包含PR2各个部分的urdf描述（手臂，躯干等）;“robots/”: 包含完整机器人的urdf描述，引用了”urdf /”中的宏;“gazebo/”: 包含仿真PR2组件的urdf描述，例如仿真电池控制器；“meshes/”: 包含用于可视化和碰撞属性的网格物体文件（.stl，.dae）

让我们通过添加一些组件来完成模型设计：左和右底座，四个轮子和带有抓手的手臂；最终的urdf文件：05-visual.urdf。

通过如下命令查看：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/05-visual.urdf'

图7 完成模型创建

1.9.2 使用URDF构建可移动机器人模型

要将模型转换为可以实际移动的机器人，需要考虑模型使用的关节类型。上述步骤创建的模型，所有关节都是固定的，现在我们将探索不同类型的活动关节：

• 旋转(revolute )：沿轴旋转并具有上限和下限指定的有限范围的铰链接头;

• 连续(continuous )：绕轴旋转的连续铰链接头，没有上限和下限;

• 棱柱形(prismatic )：沿轴滑动的滑动关节，其上限和下限指定了有限的范围;

• 固定(fixed )：这实际上不是关节，因为它无法移动;

• 浮动(floating )：该关节允许在所有6个自由度上运动;

• 平面(planar )：此关节允许在垂直于轴的平面内运动;

类比人体关节类型：

图8 人体关节类型

(1)头部

<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>

身体与头部之间的连接是一个连续关节，这意味着它可以采用从-∞到+∞的任意角度。我们唯需要添加的信息是旋转轴（<axis>标签），该轴指定了头部围绕其旋转的向量，例如，向量“ 0 0 1”表示它将绕z轴旋转。

(2)车轮

<joint name="right_front_wheel_joint" type="continuous">
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <parent link="right_base"/>
    <child link="right_front_wheel"/>
    <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0.133333333333 -0.085"/>
    <limit effort="100" velocity="100"/>
    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
</joint>

车轮也被建模为连续关节，因此它们可以永远在两个方向上滚动。

(3)夹爪

<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>

将左、右抓爪关节建模为旋转关节，意味着它们以连续关节相同的方式旋转，但是它们具有严格的限制。因此，我们必须包含<limit>标签，以指定关节的上限和下限（以弧度为单位）；我们还必须为此关节指定最大速度和最大力度。

(4)夹臂

<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 1.57075" xyz="0 0.19 .2"/>
</joint>

将”夹臂”建模为棱柱形关节，意味着它沿着轴移动，而不是绕轴移动。这种位移运动使我们的机器人模型可以伸展和缩回其夹臂，棱柱形臂的极限以与旋转关节相同的方式指定，除了单位是米而非弧度。具有柔性关节的新型urdf文件: 06_flexible.urdf。

(5)joint_state_publisher

该软件包包含用于设置和发布给定URDF的关节状态值的工具，为机器人的所有非固定关节发布sensor_msgs / JointState消息，可以与robot_state_publisher节点结合使用，发布所有关节状态的变换。

参考链接: http://wiki.ros.org/joint_state_publisher

可视化和控制机器人模型，命令如下：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/06-flexible.urdf' gui:=True

这还将弹出一个GUI，允许您控制所有非固定关节的值；试一下模型，看看它如何运动。

图9 使用joint_state_publisher

1.9.3 添加物理和碰撞属性

如果要在Gazebo或任何其他模拟软件上模拟机器人，则必须添加物理和碰撞属性。我们需要在每个链接上设置几何尺寸，以计算可能发生的碰撞，赋予我们惯性的权重等等。07-physics.urdf是具有物理属性的新URDF文件。

(1)碰撞

碰撞元素是链接对象的直接子元素，与视觉标签处于同一级别。碰撞元素以与视觉元素相同的方式定义其形状，并带有一个几何标签；几何标签的格式在这里与视觉格式完全相同。我们可以使用与碰撞标签的子元素相同的方式指定原点（与视觉标签一样）。碰撞元素示例：

<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>
</link>

通常，碰撞几何的定义与视觉几何完全相同，但存在两种特殊情况：

• 更快的处理，与两个简单的几何体相比，对两个网格进行碰撞检测的计算复杂度要高得多。因此，您可能需要在碰撞元素中用更简单的几何形状替换网格。

• 安全区，您可能希望限制移动靠近敏感设备。例如，如果我们不希望任何东西与R2D2的头部碰撞，则可以将碰撞几何定义为圆柱体，将其头部包裹住，以防止任何东西靠近他的头部。

(2)惯性

惯性是任何物理物体抵抗其运动状态的任何改变的能力，包括其速度和方向的改变。这是物体以恒定速度保持直线运动的趋势，惯性张量取决于物体的质量和质量分布，  关于惯性张量的一个很好的解释可以在这里找到：inertia.tensor.summary.pdf

3×3旋转惯量矩阵由惯性元素指定:

性元素示例：

<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="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>

(3)链接元素小结

链接元素描述了刚体的惯性，视觉和碰撞等特征。

图10 链接元素小结

(4)关节元素小结

关节元素描述了关节的运动学和动力学，还指定了关节的安全极限。

图11 关节元素小结

1.9.4 使用Xacro清理URDF文件

本节介绍一些技巧，以使用Xacro减少URDF文件中的代码量。

注意07-physics.urdf文件的大小，它具有414行代码来定义我们的机器人！想象一下，如果您开始添加摄像头和其他几何图形，该文件将开始增大，并且其维护将变得更加复杂。Xacro有助于减小URDF文件的整体大小，并使其更易于阅读和维护。它还允许我们创建模块并重用它们来创建重复的结构，例如几个手臂或腿。

(1)使用Xacro

顾名思义，xacro是一种宏语言，xacro程序运行所有宏并将结果输出为urdf文件。典型用法：

rosrun xacro xacro.py model.xacro > model.urdf

您还可以在启动文件中自动生成urdf：

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

在xacro文件中，必须指定名称空间才能正确解析文件。例如，以下是有效的xacro文件的前两行：

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="robot1_xacro">

(2)常量

我们可以使用xacro声明常量。这样，我们可以避免将相同的值放在很多行中，并易于维护值的改变。您可以使用<xacro：property>标签定义常量，通常位于文件顶部然后，要使用常量的值，您可以编写$ {name_of_variable}，常量示例：

<xacro:property name="width" value=".2" />
<xacro:property name="bodylen" value=".6" />
<link name="base_link">
        <visual>
                <geometry>
                        <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
                </geometry>
                <material name="blue">
                        <color rgba="0 0 .8 1"/>
                </material>
        </visual>
        <collision>
                <geometry>
                        <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
                </geometry>
        </collision>
</link>

(3)数学

您可以使用四个基本操作（+，-，*，/），一元减号和括号在$ {}构造中构建任意复杂的表达式。但是，不支持幂和模。例子：

<cylinder radius="${wheeldiam/2}" length=".1"/>
<origin xyz="${reflect*(width+.02)} 0 .25" />

(4)宏命令

宏是xacro软件包中最有用的组件，一个简单宏的示例：

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

此代码将生成以下内容：

<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

(5)参数化宏命令

您还可以参数化宏，以便它们每次不会生成完全相同的文本。与数学函数结合使用时，它的功能更加强大。惯性宏示例：

<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>
<xacro:default_inertial mass="10"/>

腿宏示例:

<xacro:macro name="leg" params="prefix reflect">
        <link name="${prefix}_leg">
                <visual>
                        <geometry>
                                <box size="${leglen} .2 .1"/>
                        </geometry>
                        <origin xyz="0 0 -${leglen/2}" rpy="0 ${pi/2} 0"/>
                        <material name="white">
                                <color rgba="1 1 1 1"/>
                        </material>
                </visual>
                <collision>
                        <geometry>
                                <box size="${leglen} .2 .1"/>
                        </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="${prefix}_leg"/>
                <origin xyz="${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" />

检查Xacro

这是R2D2模型中使用的xacro：08-macroed.urdf.xacro 。行数从414减少至236，要查看xacro文件生成的模型，请运行：

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:='$(find urdf_tutorial)/urdf/08-macroed.urdf.xacro'

图12 检查使用Xacro

机器人模型堆栈包含命令行工具check_urdf，通过命名文件的单个命令行参数调用。它尝试将文件解析为URDF描述，并打印所得运动链的描述或错误消息。

例如，要在R2D2 urdf上运行此工具：

roscd urdf_tutorial
cd urdf/
check_urdf 07-physics.urdf

图13 验证URDF

要获取您的urdf文件的graphviz图，请输入：

cp 07-physics.urdf /tmp
urdf_to_graphiz /tmp/07-physics.urdf
evince /tmp/physics.pdf

结果是一个名为physics.pdf的文件，如图所示：

图14 urdf_to_graphiz

转自公众号：
Robot404