URDF概述

机器人组件结构

一个典型的机器人可以由多个 link 和 joint 组成，连接各个部件。以下是一个简单的机器人模型，由6个 link 和5个 joint 构成：

Robot Links（机器人部件）：

• left_wheel_link: 左轮
• base_link: 躯体
• right_wheel_link: 右轮
• imu_link: IMU（惯性测量单元）
• laser_link: 雷达
• caster_link: 支撑轮

Robot Joints（机器人关节）：

• left_wheel_joint: 左轮与躯体之间的旋转关节
• right_wheel_joint: 右轮与躯体之间的旋转关节
• imu_joint: IMU与躯体之间的连接关节
• laser_joint: 雷达与躯体之间的连接关节
• caster_joint: 支撑轮与躯体之间的连接关节

整体概括

robot

• 定义：robot 元素是URDF文件的根元素，定义了整个机器人的结构。所有的 link（链接）和 joint（关节）元素都包含在该元素中。每个URDF文件只能有一个 robot 元素。

• 主要属性：name 属性指定机器人模型的名称。

• 格式:

  <robot name="robot_name">
  
  </robot>
  

Link

link 是机器人模型中的基本组成部分，通常表示机器人的各个部件，如车轮、传感器、躯体等。每个 link 包含其几何形状、材质、碰撞属性等。

常用子标签：

• visual: 用于定义物理外观的几何形状。常用几何形状有：

  • : 长方体，使用 size 属性定义长、宽、高。
  • : 圆柱体，使用 radius 和 length 属性定义半径和高度。
  • : 球体，使用 radius 属性定义半径。
  • : 用于导入第三方模型，filename 属性指定模型文件路径。

  举例：

  <visual>
    <geometry>
      <box size="1 1 1"/>
    </geometry>
  </visual>
  

• origin: 定义物体的坐标系原点，相对于父对象的位置。常用属性为 xyz（位置）和 rpy（姿态，单位为弧度）。

  举例：

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

• material: 设置物体的材质，使用 color 属性来指定颜色和透明度（rgba）。

  举例：

  <material name="white">
    <color rgba="1.0 1.0 1.0 0.5"/>
  </material>
  

• collision: 定义碰撞检测的几何形状，通常与 visual 类似，但用于仿真。

• inertial: 定义物体的惯性参数（质量、惯性矩阵等），用于动态仿真。

Joint

joint 连接机器人中的不同 link，定义了它们之间的运动关系。每个 joint 包含多个属性，描述关节类型、旋转轴、运动范围等。

常用关节类型：

• revolute: 旋转关节，沿一个固定轴旋转，适用于需要角度限制的情况（例如舵机）。
• prismatic: 滑动关节，允许沿某一轴线移动，适用于有位置限制的情况。
• continuous: 连续旋转关节，绕轴无限旋转，适用于如轮子的旋转。
• fixed: 固定关节，不允许运动，通常用于将两个 link 固定在一起。

不常用关节类型：

• screw：螺旋关节，结合了旋转和平移的运动。
• planar: 平面关节，允许在二维平面内进行运动。
• floating: 浮动关节，允许在三维空间内进行自由的平移和旋转。

常用子标签：

• parent: 父 link 的名称，定义该关节的起始 link。
• child: 子 link 的名称，定义该关节的结束 link。
• origin: 定义 parent 和 child 之间的相对位置与姿态。
• axis: 定义旋转或滑动关节的运动轴。

举例：

<joint name="left_wheel_joint" type="revolute">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="left_wheel_link"/>
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
</joint>

传感器和视觉元素

• 传感器：可以通过 sensor 元素添加各种传感器（如相机、激光雷达等）。
• 视觉：可以为每个 link 添加 visual 元素，控制物体的颜色、材质和纹理.

<sensor type="camera" name="camera_link">
    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 0"/>
    <camera>
        <horizontal_fov value="1.0"/>
        <image width="640" height="480"/>
    </camera>
</sensor>

urdf的构建

功能包的构建

• ros2 pkg create fishbot_description --build-type ament_python
  

创建urdf文件和launch文件

• cd fishbot_description && mkdir urdf && cd urdf 
  touch fishbot_base.urdf
  cd .. && mkdir launch && cd launch
  touch display_rviz2.launch.py
  

fishbot_base.urdf

• <?xml version="1.0"?>
  <robot name="fishbot">
      
    <!-- base link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
        <origin xyz="0 0 0.0" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
          <cylinder length="0.12" radius="0.10"/>
        </geometry>
      </visual>
    </link>
      
    <!-- laser link -->
    <link name="laser_link">
        <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
          <cylinder length="0.02" radius="0.02"/>
        </geometry>
        <material name="black">
            <color rgba="0.0 0.0 0.0 0.8" /> 
        </material>
      </visual>
    </link>
      
    <!-- laser joint -->
      <joint name="laser_joint" type="fixed">
          <parent link="base_link" />
          <child link="laser_link" />
          <origin xyz="0 0 0.075" />
      </joint>
  
  </robot>
  

display_rviz2.launch.py

• import os
  from launch import LaunchDescription
  from launch.substitutions import LaunchConfiguration 
  from launch_ros.actions import Node
  from launch_ros.substitutions import FindPackageShare
  
  def generate_launch_description():
      package_name = 'fishbot_description'
      urdf_name = 'fishbot_base.urdf'
  
      ld = LaunchDescription()
      pkg_share = FindPackageShare(package=package_name).find(package_name)
      urdf_model_path = os.path.join(pkg_share , f'urdf/{urdf_name}')
  
      robot_state_publisher_node = Node(
          package='robot_state_publisher',
          executable='robot_state_publisher',
          arguments=[urdf_model_path]
      )
  
      joint_state_publisher_node = Node(
          package='joint_state_publisher_gui',
          executable='joint_state_publisher_gui',
          name='joint_state_publisher_gui',
          arguments=[urdf_model_path]
      )
  
      rviz2_node = Node(
          package='rviz2',
          executable='rviz2',
          name = 'rviz2',
          output='screen'
      )
  
      ld.add_action(robot_state_publisher_node)
      ld.add_action(joint_state_publisher_node)
      ld.add_action(rviz2_node)
  
      return ld
  

  导入必要的模块

  import os
  from launch import LaunchDescription
  from launch.substitutions import LaunchConfiguration
  from launch_ros.actions import Node
  from launch_ros.substitutions import FindPackageShare
  

  • LaunchDescription: 用于定义和管理要启动的节点。
  • LaunchConfiguration: 可用于在启动时传递配置参数（虽然在此例中未使用）。
  • Node: 用于定义一个 ROS 2 节点，指定它的包和可执行文件。
  • FindPackageShare: 查找一个包的共享目录，通常用来查找 URDF 等文件。

  定义启动描述

  def generate_launch_description():
      package_name = 'fishbot_description'
      urdf_name = 'fishbot_base.urdf'
  
      ld = LaunchDescription()
  

  • generate_launch_description: 启动文件的核心函数，负责返回启动的所有描述信息。
  • package_name 和 urdf_name: 定义了要加载的包名和 URDF 文件名。

  查找 URDF 文件路径

      pkg_share = FindPackageShare(package=package_name).find(package=package_name)
      urdf_model_path = os.path.join(pkg_share , f'urdf/{urdf_name}')
  

  • FindPackageShare: 查找指定包的共享目录。这里通过该方法找到 fishbot_description 包的目录，并拼接出 URDF 文件的路径。
  • 路径拼接: 使用 os.path.join() 来确保跨平台的路径兼容性。

  定义并启动节点

      robot_state_publisher_node = Node(
          package='robot_state_publisher',
          executable='robot_state_publisher',
          arguments=[urdf_model_path]
      )
  
      joint_state_publisher_node = Node(
          package='joint_state_publisher_gui',
          executable='joint_state_publisher_gui',
          name='joint_state_publisher_gui',
          arguments=[urdf_model_path]
      )
  
      rviz2_node = Node(
          package='rviz2',
          executable='rviz2',
          name='rviz2',
          output='screen'
      )
  

  • 每个Node对象代表一个 ROS 2 节点。你需要指定：
    • package: 包名
    • executable: 可执行文件名
    • arguments: 节点需要的参数或文件路径（这里是 URDF 模型路径）

  将节点添加到启动描述中

      ld.add_action(robot_state_publisher_node)
      ld.add_action(joint_state_publisher_node)
      ld.add_action(rviz2_node)
  
      return ld
  

  • add_action: 将节点添加到 LaunchDescription 中，指示 ROS 2 启动时运行这些节点。

  难点解析

  • LaunchConfiguration 的使用：用于动态地从启动时传递的参数中读取配置。虽然在该示例中未使用，但通常用于需要在启动时指定的参数，如 URDF 文件路径等。
  • URDF 文件路径拼接：使用 os.path.join() 而不是直接字符串拼接，可以确保在不同操作系统上都能正确处理路径分隔符。

setup.py

• import os
  from glob import glob
  from setuptools import find_packages, setup
  
  package_name = 'fishbot_description'
  
  setup(
      name=package_name,
      version='0.0.0',
      packages=find_packages(exclude=['test']),
     #packages=[package_name]
      data_files=[
          ('share/ament_index/resource_index/packages',
              ['resource/' + package_name]),
          ('share/' + package_name, ['package.xml']),
          (os.path.join('share',package_name,'launch'),glob('launch/*.launch.py')),
          (os.path.join('share',package_name,'urdf'),glob('urdf/**')),
      ],
      install_requires=['setuptools'],
      zip_safe=True,
      maintainer='dw',
      maintainer_email='dw@todo.todo',
      description='TODO: Package description',
      license='TODO: License declaration',
      tests_require=['pytest'],
      entry_points={
          'console_scripts': [
          ],
      },
  )
  

  主要是在这里修改(date_files)

  • 原来

    • data_files=[
              ('share/ament_index/resource_index/packages',
                  ['resource/' + package_name]),
              ('share/' + package_name, ['package.xml']),
      ],
      

  • 后来

    • data_files=[
              ('share/ament_index/resource_index/packages',
                  ['resource/' + package_name]),
              ('share/' + package_name, ['package.xml']),
              (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob('launch/*.launch.py')),
              (os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob('urdf/**')),
          ],
      

  同时注意一下packages

  • 在humble中是packages=[package_name],

编译运行

• 在~/.zshrc中添加source ~/ros2_ws/install/setup.zsh

• 然后在工作空间中（不是功能包）执行

  • colcon build
    source ~/.zshrc
    ros2 launch fishbot_description display_rviz2.launch.py