一、URDF集成Rviz基本流程

URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。

需求描述:

在 Rviz 中显示一个盒状机器人

实现流程：

  1. 准备：新建功能包，导入依赖
  2. 核心：编写 urdf 文件
  3. 核心：在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz
  4. 在 Rviz 中显示机器人模型创建功能包，导入依赖

1、创建功能包，导入依赖

创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包:urdf与xacro

在当前功能包下，再新建几个文件夹:

urdf: 存储 urdf 文件的目录

meshes:机器人模型渲染文件(暂不使用)，给皮肤用的

config: 配置文件

launch: 存储 launch 启动文件

2、编写URDF文件

新建一个自己文件夹urdf，新建urdf文件：demo01_helloworld.urdf

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

3、在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

新建launch文件：demo01_helloworld.launch

<launch>
    <!--
        1、在参数服务器载入urdf文件
        2、启动rviz，并将当前配置保存进config目录
    -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
</launch>

4、在 Rviz 中显示机器人模型

启动launch文件之后，启动rviz文件

二、URDF语法详解

URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单，可以主要简化为两部分:连杆(link标签) 与 关节(joint标签)，接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:

  • robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签
  • link 连杆标签
  • joint 关节标签
  • gazebo 集成gazebo需要使用的标签

关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，但是该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置

1、robot

urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称

相当于launch标签

（1）属性

name: 指定机器人模型的名称

（2）子标签

其他标签都是子级标签

2、link

urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头...每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性

（1）属性

  • name ---> 为连杆命名

（2）子标签

  • visual ---> 描述外观(对应的数据是可视的)
    • geometry 设置连杆的形状
      • 标签1: box(盒状)
        • 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)
      • 标签2: cylinder(圆柱)
        • 属性:radius=半径 length=高度
      • 标签3: sphere(球体)
        • 属性:radius=半径
      • 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
        • 属性: filename=资源路径(格式:package://<packagename>/<path>/文件)
    • origin 设置偏移量与倾斜弧度
      • 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移
      • 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)
    • metrial 设置材料属性(颜色)
      • 属性: name
      • 标签: color
        • 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])
  • collision ---> 连杆的碰撞属性
  • Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

（3）实例

<!--设置不同形状的机器人部件-->
<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <!--可视化标签-->
        <visual>

            <!--1、形状-->
            <geometry>
                <!--立方体-->
                <!-- <box size="0.3 0.2 0.1"/> -->
                <!--圆柱体-->
                <!-- <cylinder radius="0.1" length="2"/> -->
                <!--球体-->
                <!-- <sphere radius="0.5"/> -->
                <!--皮肤-->
                <mesh filename="package://urdf01_rviz/meshes/autolabor_mini.stl"/>

            </geometry>

            <!--2、偏移量和弧度-->
            <!--
                xyz设置机器人模型在xyz上的偏移量
                rpy设置倾斜弧度 x：翻滚 y：俯仰 z：偏航
            -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 1.57"/>

            <!--3、颜色-->
            <!--
                rgba: r=red g=green b=blue a=透明度
                都在0-1之间
            -->
            <material name="car_color" >
                <color rgba="0 0 1 1" />
            </material>

        </visual>
    </link>
</robot>

备注：xml注释是 ctrl+?

3、joint

urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以"关节"的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制....,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。

joint标签对应的数据在模型中是不可见的

（1）属性

  • name ---> 为关节命名
  • type ---> 关节运动形式
    • continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
    • revolute: 旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制
    • prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
    • planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
    • 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

（2）子标签

  • parent(必需的)
    parent link的名字是一个强制的属性：
    • link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
  • child(必需的)
    child link的名字是一个强制的属性：
    • link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
  • origin
    • 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。
  • axis
    • 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。
  • collision ---> 连杆的碰撞属性
  • Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

（3）案例

需求：创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。

新建urdf文件：demo03_joint.urdf

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

新建launch文件：demo03_join.launch

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /> 

    <!-- 添加关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 添加机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

运行launch文件

（4）可能出现的错误

问题1:

命令行输出如下错误提示

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128)
[joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log].
log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log

rviz中提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常

原因：编码问题导致的

解决：去除URDF中的中文注释

问题2：[ERROR] [1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package

解决：sudo apt install ros-noetic-joint-state-publisher-gui

（5）base_footprint优化urdf

<robot name="mycar">

    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>


    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="link2footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint"/>
        <child link="base_link" />
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
    </joint>


    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

三、URDF练习

1、需求描述

创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)

2、新建urdf以及launch文件

新建urdf文件：

<robot name="mycar">

    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>



    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.1" length="0.08"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
            </material>
        </visual>                                                                    
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint"/>
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.055"/>
    </joint>


    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0 0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>

     <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>

    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="front_wheel" />
        <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

    <link name="back_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="back_wheel" />
        <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>
</robot>

新建launch文件：

<launch>
    <!--将urdf文件内容设置进参数服务器-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo05_test.urdf" />
    <!--启动rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

    <!--启动机器人状态和关节状态发布节点-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>

    <!--启动图形化的控制关节运动节点-->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui"/>

</launch>

运行：

四、URDF工具

1、check_urdf 语法检查

进入urdf文件所属目录，调用:check_urdf urdf文件，如果不抛出异常，说明文件合法,否则非法

2、urdf_to_graphiz 结构查看

进入urdf文件所属目录，调用:urdf_to_graphiz urdf文件，当前目录下会生成 pdf 文件

参考：

6.3 URDF语法详解 · GitBook​www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/di-6-zhang-ji-qi-ren-xi-tong-fang-zhen/62-fang-zhen-urdf-ji-cheng-rvi