ROS中階筆記（二）：機器人系統設計—URDF機器人建模

ROS中階筆記（二）：機器人系統設計—URDF機器人建模

目錄

• 01 URDF理論
  • 1.1 什麼是URDF
  • 1.2 模型< robot >
    • 1.2.1 < link > element
    • 1.2.2 < joint > element
• 02 URDF 實踐
  • 2.1 建立機器人描述的功能包
  • 2.2 編輯launch啓動文件
  • 2.3 配置config文件
  • 2.4 建立URDF模型
  • 2.5 檢查URDF模型總體結構
  • 2.6 啓動launch文件
  • 2.7 URDF建模存在的問題
• 03 參考資料

01 URDF理論

1.1 什麼是URDF

• Unified Robot Description Format，統一機器人描述格式；
• ROS中一個很是重要的機器人模型描述格式；
• 能夠解析URDF文件中使用XML格式描述的機器人模型；
• ROS同時也提供URDF文件的C++解析器（能夠在C++代碼中直接解析URDF機器人模型，好處：在基於模型的計算算法中，能夠在代碼中調用模型的信息，方便模型計算）

1.2 模型< robot >

官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/model

一個完整的機器人模型，由一系列< link >和< joint >組成

• 完整機器人模型的最頂層標籤
• < link > 和 < joint >標籤必須包含在 < robot > 標籤內

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

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

1.2.1 < link > element

官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/link

• 描述機器人某個剛體部分的外觀和物理屬性；
• 尺寸（size）、顏色（color）、形狀（shape）、慣性矩陣（inertial matrix）、碰撞屬性（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個子標籤

• < inertial >：描述link的慣性參數，主要用到機器人動力學的運算部分；
• < visual >：描述機器人link部分的外觀參數, 尺寸、顏色、形狀等的外觀信息；
• < collision >：描述link的碰撞屬性，

link還有一個比較關鍵的部分，就是座標系

Link origin 是起始座標，整個link建立的時候都是相對 Link origin座標系建立的；

1.2.2 < joint > element

官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint

joint就是用來鏈接兩個具體的link部分的；

• 描述機器人關節的運動學和動力學屬性
• 包括關節運動的位置和速度限制
• 根據關節的運動形式，能夠將其分爲六種類型。

關節類型	描述
continuous	旋轉關節，能夠圍繞單軸無限旋轉
revolute	旋轉關節，相似於continuous，可是有旋轉的角度極限
prismatic	滑動關節，沿某一軸線移動的關節，帶有位置極限
planar	平面關節，容許在平面正交方向上平移或者旋轉
floating	浮動關節，容許進行平移、旋轉運動
fixed	固定關節，不容許運動的特殊關節

<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>

下面圖中，藍色關節表示出一個運動的軸，藍色關節是能夠圍繞藍色的軸旋轉的，也就是child這個link是能夠圍繞joint上下旋轉。

joint是鏈接兩個link，須要分一個主次關係，主關節是parent link，子關節是child link， 在xml形式的描述中這個兩個 link是必須存在的

子標籤：

• < calibration >：關節的參考位置，用來校準關節的絕對位置；
• < dynamics >：描述關節的物理屬性，例如阻尼值、物理靜摩擦力等，常常在動力學仿真中用到；
• < limit >：描述運動的一些極限值，包括關節運動的上下限位置、速度限制、力矩限制等；
• < mimic >：描述該關節與已有關節的關係；
• <safety_controller>：描述安全控制器參數。保護機器人關節的運動

02 URDF 實踐

2.1 建立機器人描述的功能包

第一步，進入工做空間中的src 功能包目錄下，

$ cd ./catkin_ws/src/

第二步，建立一個機器人建模的功能包

$ catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro

# 機器人模型、描述文件在ROS裏，一般的以 機器人名_description
# 而且須要依賴urdf功能包，解析模型 和 xacro（優化urdf用的）依賴

第三步，在mbot_description功能包下建立幾個不一樣做用的文件夾，以下圖所示：

• urdf：存放機器人模型的URDF或xacro文件
• meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件，機器人外觀紋理，讓外觀和實際更類似，經過三維設計軟件導出，放置此文件夾下
• launch：保存相關啓動文件
• config：保存rviz的配置文件、功能包的配置文件

2.2 編輯launch啓動文件

主要是加載urdf 並在rviz中顯示
顯示機器人模型，基本上修改第一行 urdf文件的路徑，便可；

下面display_mbot _base_urdf.launch文件是在rviz中顯示機器人的一種固定形態

<launch>
    <!-- param是要加載ros的一個參數：robot_description （描述機器人的具體模型）-->
	<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />

	<!-- 設置GUI參數，顯示關節控制插件 -->
	<param name="use_gui" value="true"/>
	
	<!-- 運行joint_state_publisher節點，發佈機器人的關節狀態  -->
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
	
	<!-- 運行robot_state_publisher節點，發佈tf  -->
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
	
	<!-- 運行rviz可視化界面 -->
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>

• joint_state_publisher：發佈每一個joint（除fixed類型）的狀態，並且能夠經過UI界面對joint進行控制
• robot_state_publisher：將機器人各個links、joints之間的關係，經過TF的形式，整理成三維姿態信息發佈

2.3 配置config文件

在config文件夾下，建立.rviz 配置文件，保存。

2.4 建立URDF模型

在urdf文件夾下，建立.urdf文件，保存。

第一步：使用圓柱體建立一個車體模型

第二步：使用圓柱體建立左側車輪

第三步：使用圓柱體建立右側車輪

第四步：使用球體建立先後支撐輪

第五步：建立傳感器——攝像頭camera、激光雷達laser、Kinect；

關於Kinect，在meshes文件夾下，建立建立紋理描述文件

2.5 檢查URDF模型總體結構

在urdf文件夾下，執行 urdf_to_graphiz+要檢查的urdf文件

$ urdf_to_graphiz mbot_with_kinect.urdf

會在當前路徑下建立一個pdf文件，把機器人全部的link和joint的關係分析出來；

2.6 啓動launch文件

注意：在運行launch文件時，URDF文件中不能有中文註釋，刪除掉中文註釋，否正會報錯誤；

$ roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch

問題一：啓動錯誤

[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

問題二：警告

這時候可能還會存在一個警告，若是有的話把launch文件中的joint_state_publisher用joint_state_publisher_gui所有替換掉，便可。

2.7 URDF建模存在的問題

• 模型冗長，重複內容過多
• 參數修改麻煩，不便於二次開發
• 沒有參數計算功能

03 參考資料

官方教程：http://wiki.ros.org/cn/urdf

​ http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials

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

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