ROS中阶笔记（二）：机器人系统设计—URDF机器人建模

ROS中阶笔记（二）：机器人系统设计—URDF机器人建模

目录

01 URDF理论

1.1 什么是URDF

  • Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式；
  • ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式；
  • 可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型；
  • ROS同时也提供URDF文件的C++解析器（可以在C++代码中直接解析URDF机器人模型，好处：在基于模型的计算算法中，可以在代码中调用模型的信息，方便模型计算）

1.2 模型< robot >

官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/model

一个完整的机器人模型，由一系列< link >和< joint >组成

  • 完整机器人模型的最顶层标签
  • < link > 和 < joint >标签必须包含在 < robot > 标签内
<robot name="pr2">
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>

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

1.2.1 < link > element

官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/link

  • 描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性；
  • 尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞属性（collision properties）等。
<link name="my_link">
   <inertial>
     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
     <mass value="1"/>
     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
   </inertial>

   <visual>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
     <geometry>
       <box size="1 1 1" />
     </geometry>
     <material name="Cyan">
       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
     </material>
   </visual>

   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
     </geometry>
   </collision>
 </link>

包括3个子标签

  • < inertial >：描述link的惯性参数，主要用到机器人动力学的运算部分；
  • < visual >：描述机器人link部分的外观参数, 尺寸、颜色、形状等的外观信息；
  • < collision >：描述link的碰撞属性，

link还有一个比较关键的部分，就是坐标系

Link origin 是起始坐标，整个link创建的时候都是相对 Link origin坐标系创建的；

1.2.2 < joint > element

官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint

joint就是用来连接两个具体的link部分的；

  • 描述机器人关节的运动学和动力学属性
  • 包括关节运动的位置和速度限制
  • 根据关节的运动形式，可以将其分为六种类型。
关节类型 描述
continuous 旋转关节，可以围绕单轴无限旋转
revolute 旋转关节，类似于continuous，但是有旋转的角度极限
prismatic 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，带有位置极限
planar 平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转
floating 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
fixed 固定关节，不允许运动的特殊关节 
 <joint name="my_joint" type="floating">
    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>

    <calibration rising="0.0"/>
    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
 </joint>

下面图中，蓝色关节表示出一个运动的轴，蓝色关节是可以围绕蓝色的轴旋转的，也就是child这个link是可以围绕joint上下旋转。

joint是连接两个link，需要分一个主次关系，主关节是parent link，子关节是child link， 在xml形式的描述中这个两个 link是必须存在的

子标签：

  • < calibration >：关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置；
  • < dynamics >：描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到；
  • < 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、力矩限制等；
  • < mimic >：描述该关节与已有关节的关系；
  • <safety_controller>：描述安全控制器参数。保护机器人关节的运动

02 URDF 实践

2.1 创建机器人描述的功能包

第一步，进入工作空间中的src 功能包目录下，

$ cd ./catkin_ws/src/

第二步，创建一个机器人建模的功能包

$ catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro

# 机器人模型、描述文件在ROS里，通常的以 机器人名_description
# 并且需要依赖urdf功能包，解析模型 和 xacro（优化urdf用的）依赖

第三步，在mbot_description功能包下创建几个不同作用的文件夹，如下图所示：

  • 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，机器人外观纹理，让外观和实际更相似，通过三维设计软件导出，放置此文件夹下
  • launch：保存相关启动文件
  • config：保存rviz的配置文件、功能包的配置文件

2.2 编辑launch启动文件

主要是加载urdf 并在rviz中显示
显示机器人模型，基本上修改第一行 urdf文件的路径，即可；

下面display_mbot _base_urdf.launch文件是在rviz中显示机器人的一种固定形态

<launch>
    <!-- param是要加载ros的一个参数：robot_description （描述机器人的具体模型）-->
	<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>
  • joint_state_publisher：发布每个joint（除fixed类型）的状态，而且可以通过UI界面对joint进行控制
  • robot_state_publisher：将机器人各个links、joints之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态信息发布

2.3 配置config文件

在config文件夹下，创建.rviz 配置文件，保存。

2.4 创建URDF模型

在urdf文件夹下，创建.urdf文件，保存。

第一步：使用圆柱体创建一个车体模型

第二步：使用圆柱体创建左侧车轮

第三步：使用圆柱体创建右侧车轮

第四步：使用球体创建前后支撑轮

第五步：创建传感器——摄像头camera、激光雷达laser、Kinect；

关于Kinect，在meshes文件夹下，创建创建纹理描述文件

2.5 检查URDF模型整体结构

在urdf文件夹下，执行 urdf_to_graphiz+要检查的urdf文件

$ urdf_to_graphiz mbot_with_kinect.urdf

会在当前路径下创建一个pdf文件，把机器人所有的link和joint的关系分析出来；

2.6 启动launch文件

注意：在运行launch文件时，URDF文件中不能有中文注释，删除掉中文注释，否正会报错误；

$ roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch

问题一：启动错误

[ERROR] [1589109861.881993]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package

$ sudo apt-get install ros-kinetic-joint-state-publisher-gui

问题二：警告

这时候可能还会存在一个警告，如果有的话把launch文件中的joint_state_publisher用joint_state_publisher_gui全部替换掉，即可。

2.7 URDF建模存在的问题

  • 模型冗长，重复内容过多
  • 参数修改麻烦，不便于二次开发
  • 没有参数计算功能

03 参考资料

官方教程：http://wiki.ros.org/cn/urdf

​ http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials

ARM端安装ROS:http://wiki.ros.org/indigo/Installation/UbuntuARM

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