本文在Ubuntu18.04 + ROS melodic环境下完成，其他ROS版本类似。

一、urdf简介

urdf是ROS用于描述机器人所有元素的模型文件，采用XML格式书写。

• urdf：统一机器人描述格式；
• xacro：升级版的urdf，简化了urdf模型，用于复杂机器人的建模。xacro语法请参考：
• https://link.zhihu.com/?target=https%3A//wiki.ros.org/xacro
• 使用前先下载软件包：

• $ sudo apt-get install ros-melodic-urdf
  $ sudo apt-get install ros-melodic-xacr
  urdf所有的标签：
  
  详细使用方法请参考：
  https://link.zhihu.com/?target=https%3A//wiki.ros.org/urdf/XML
  常用标签有<robot>，<link>，<joint>，语法如下：

  <robot name="my_robot">
    <link> ......</link>
    <link>......</link>
    ......
    <joint>......</joint>
    <joint>......</joint>
  </robot>

• 二、urdf与gazebo

  除了上述的标签，要在gazebo中使用urdf模型，还必须添加一些特定用于仿真的标签。而gazebo在后台会自动将urdf转换为sdf。要使urdf在gazebo中正常工作，需要注意以下几点：

  （1）必须的部分（Required）

  • 必须正确指定和配置每个<link>标签中的<inertia>元素

  （2）可选的部分（Optional）

  • 为每个<link>标签添加<gazebo>元素
  • 将视觉颜色转换为gazebo格式
  • 将stl文件转换为dae文件以获得更好的纹理
  • 添加传感器插件
  • 为每个<joint>标签添加<gazebo>元素
  • 设置适当的阻尼动力学
  • 添加执行器控制插件
  • 为<robot>标签添加<gazebo>元素
  • 如果将机器人固定在world/base_link，需要添加<link name="world"/>连杆

  （3）<gazebo>元素

  <gazebo>元素是urdf的扩展，用于指定在gazebo中进行仿真所需的其他属性。<gazebo>元素内的所有元素都不是必需的，因为将自动包含默认值。

  <gazebo>元素有三种不同类型：一种用于<robot>标签，一种用于<link>标签，另一种用于<joint>标签。如果使用<gazebo>元素而没有reference=""属性，则假定<gazebo>元素适用于整个机器人模型。

  三、urdf标签详解

  1、<robot>标签

  gazebo和所需的urdf格式已进行了许多API更改，其中之一不再需要gazebo xml-schema命名空间。 如果您的urdf具有以下内容：

• <robot xmlns:sensor="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#sensor"
         xmlns:controller="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#controller"
         xmlns:interface="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#interface"
         xmlns:xacro="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#xacro"
         name="pr2" >

• 您可以删除它们。在<robot>标签中，您需要的只是机械手的名称，如果使用xacro，则还可以选择xacro的xml名称空间：

• <robot name="rrbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

• 如果使用<gazebo>元素而没有reference =""属性，则假定<gazebo>元素适用于整个机器人模型。下表列出了<robot>标签内<gazebo>元素。

• 
  2、<link>标签以下是RRBot的<link>示例：

  <!-- Base Link -->
  <link name="link1">
    <collision>
      <origin xyz="0 0 ${height1/2}" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="${width} ${width} ${height1}"/>
      </geometry>
    </collision>
  
    <visual>
      <origin xyz="0 0 ${height1/2}" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="${width} ${width} ${height1}"/>
      </geometry>
      <material name="orange"/>
    </visual>
  
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="1"/>
      <inertia
        ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0"
        iyy="1.0" iyz="0.0"
        izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>

• 注意：根据ROS REP 103规定的标准计量单位和坐标公约，gazebo中应以m和kg为单位。 如果手动更改重力等常数，则gazebo可能会与英制单位一起使用，但默认情况下，重力为9.81 m/ s^2。 指定质量时，请以kg为单位。

• （1）<collision>和<visual>元素

  这些标签在gazebo中的工作原理与在rviz中相同。不过，务必同时指定两者，如果您未明确指定<collision>元素，则gazebo不会将<visual>元素用作<collision>元素。 相反，当使用激光扫描仪检测物体时，gazebo会将您的连杆视为“不可见”，即检测不到。

  • 简化碰撞模型

  我们可以简化碰撞模型，可以为<collision>和<visual>元素使用相同的几何图形或网格，但是为了提高性能，强烈建议您为碰撞几何图形提供简化的模型/网格。 Blender是简化网格的一个很好的开源工具。 有许多封闭源工具，例如Maya和3DS Max，它们也可以简化网格。

  • 材料：使用适当的颜色和纹理

  标准urdf可以使用诸如RRBot中的标签指定的颜色：

• <material name="orange"/>

• 使用自定义的橙色：

• <material name="orange">
    <color rgba="${255/255} ${108/255} ${10/255} 1.0"/>
  </material>

• 不幸的是，这种指定连杆颜色的方法在gazebo中不起作用，必须为每个连杆指定一个gazebo材料标签，例如：

• <gazebo reference="link1">
    <material>Gazebo/Orange</material>
  </gazebo>

• 如前所述，在RRBot示例中，我们选择将所有gazebo的特定标签包含在名为rrbot.gazebo的辅助文件中。您可以在其中找到<link>和<material>元素。

  gazebo中的默认可用材料可以在gazebo源代码中找到，该源代码在gazebo/media/ materials/scripts/gazebo.material。

  对于更高级或自定义的材料，您可以创建自己的OGRE颜色或纹理：The <material> SDF documentation 、OGRE materials documentation。

  • STL和Collada文件

  像在rviz中一样，gazebo可以同时使用STL和Collada文件。通常建议您使用Collada（.dae）文件，因为它们支持颜色和纹理，而对于STL文件，您只能使用纯色连杆。

  （2）<inertial>元素

  为了使gazebo物理引擎正常工作，必须提供<inertial>元素。为使连杆在gazebo中不被忽略，连杆的质量必须大于零。 另外，主惯性矩（ixx，iyy，izz）为零的连杆在任何有限转矩应用下都可能导致无限加速。

  为在gazebo中获得精确的物理近似值，需要确定每个连杆的正确值。 这可以通过对机器人零件进行各种测量，或使用诸如Solidworks之类的CAD软件来实现，这些软件包含用于近似这些值的功能。

  RRBot第一个<link>的<inertial>示例：：

• <inertial>
    <origin xyz="0 0 ${height1/2}" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="1"/>
    <inertia
      ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0"
      iyy="1.0" iyz="0.0"
      izz="1.0"/>
  </inertial>

• 原点标签表示此连杆的质心。 通过将质心设置为RRBot矩形连杆高度的一半，我们将质心居中。 您可以在gazebo内通过单击“View”菜单并选择“Wireframe”和“Center of Mass”来直观地检查您的质心是否正确。

  （3）用于<link>标签的<gazebo>元素

• 2、<joints>标签

  首先，确保您熟悉urdf joint文档。 其次，并非为所有元素都适用于gazebo。

  • <origin>，<parent>和<child>是必需的
  • <calibration>和<safety_controller>被忽略
  • 在<dynamics>元素中，只有阻尼属性用于gazebo4和更早版本。 Gazebo5及更高版本也使用了摩擦特性。
  • <limit>元素中的所有属性都是可选的

  以下是RRBot中使用的关节：

• <joint name="joint2" type="continuous">
    <parent link="link2"/>
    <child link="link3"/>
    <origin xyz="0 ${width} ${height2 - axel_offset*2}" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
    <dynamics damping="0.7"/>
  </joint>

• 请注意，动力学元件的粘性阻尼系数为0.7 N*m*s/rad，阻尼只是一个简单的反作用力，用于“减慢”运动关节的任何关节速度（在此情况下为单位角速度的扭矩）。

  0.7 N*m*s/rad的值是通过测试不同的阻尼量并观察摆动摆的“真实性”来确定的。我们可以通过增加/减少该值，以了解它如何影响物理引擎。

  用于<joints>标签的<gazebo>元素：

• 四、验证gazebo模型能够工作

  安装了gazebo后，可以使用一个简单的工具来检查您的urdf是否可以正确转换为sdf。 只需运行以下命令：

    # gazebo2 and below
    $ gzsdf print MODEL.urdf
    # gazebo3 and above
    $ gz sdf -p MODEL.urdf

  这将显示输入urdf生成的sdf，以及有关sdf所需信息丢失的任何警告。

  五、在gazebo中查看urdf模型

  上一教程，我们已经学会如何在gazebo中查看RRBot。对于自己的定制机器人，我们要如何导入gazebo中进行仿真呢？

  下一个教程，我们将学习如何使用roslaunch启动gazebo并导入urdf模型。

  六、urdf其他注意事项

  如果您希望将urdf模型永久地附加到世界框架（地平面），则必须创建一个“world”连杆和一个将其固定到模型base连杆的关节。 RRBot通过以下步骤完成此任务：

• <!-- Used for fixing robot to Gazebo 'base_link' -->
  <link name="world"/>
  
  <joint name="fixed" type="fixed">
    <parent link="world"/>
    <child link="link1"/>
  </joint>

• 但是，如果您有移动基座或其他移动机器人，则不需要此连杆和关节。