Appearance

ROS2基础教程 - 13 URDF机器人建模 ​

URDF（Unified Robot Description Format）是 ROS 2 中用于描述机器人模型的一种 XML 格式文件，它提供了一种标准化的方式来表示机器人的结构、关节、链接以及各种属性。

我们为什么要进行机器人建模呢？

  • 在仿真环境中，我们可以定义机器人模型，来模拟真实的机器人进行开发（仿真环境后面再介绍）。
  • 通过定义机器人模型，可以建立机器人各个部件或传感器的关系，实现 TF 坐标系的转换。

URDF 文件就是一个 XML 文件，其中核心组件包括：

  • Link（链接）：表示机器人的一个部分，定义了其几何形状、质量、惯性等，例如用来定义底盘、轮子、摄像头。
  • Joint（关节）：连接两个链接的方式，定义了它们之间的关系及运动模式（如固定、旋转、滑动）。


下面就来介绍如何使用 URDF 来定义一个机器人模型，最终显示如下：

13.1 URDF的使用 ​

1 新建功能包 ​

shell
ros2 pkg create --build-type ament_python robot_model

2 创建URDF模型 ​

在 功能包/urdf 目录下（没有就创建），创建一个 robot.urdf 文件（名称自定义），内容如下：

首先从机器人的身体开始定义，先不添加轮子。

xml
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<robot name="robot">

    <link name="base_footprint">
        <!-- visual描述外观 -->
        <visual>
            <!-- geometry 设置连杆的形状 -->
            <geometry>
                <!-- sphere球体 -->
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
  
  	<link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder length="0.12" radius="0.14"/>
        </geometry>
        <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
        
        <!-- metrial 设置材料属性 -->
        <material name="black_color">
          <color rgba="0 0 0 1"/>
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint"/>
      <child link="base_link"/>
      <origin xyz="0 0 0.1"/>
    </joint>
    
</robot>

解释一下上面的定义：

  • 首先使用 <robot> 标签定义机器人，这里的 name 属性是自定义的，然后在 <robot> 标签中定义各个组件。

  • 在上面使用 <link> 标签定义了两个组件，一个是 base_link 表示的是机器人的身体，这里还定义了一个 base_footprint ，为什么要定义 base_footprint 呢，因为如果使用 base_link 坐标系作为机器人的根坐标系，那么因为轮子和机器人身体体积的原因，那么 base_link 中心点肯定不在地面上，为了简化坐标转换，所以将添加了一个 base_footprint 节点，就相当于是机器人在地面上的投影，它位于机器人的底部或与地面齐平，而且将其体积设置为很小，看不见。这样与全局地图 map 和 里程计 odm 坐标系的转换会方便一些。所以一般情况下，创建机器人模型，都是添加一个 base_footprint ，在 base_footprint 节点上构建机器人模型。

  • 在 <link> 标签中，使用 <visual> 标签描述外观，使用 <geometry> 标签定义形状。

    xml
    <!-- 形状 -->
<geometry>
  	<!-- 球体，半径-->
    <sphere radius="0.01" />
  
    <!-- 长方体的长宽高 -->
    <!-- <box size="0.4 0.2 0.1" /> -->
  
    <!-- 圆柱，半径和长度 -->
    <!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->
</geometry>

  • 使用 <joint> 标签，定义各个组件如何连接的，指定 父link 和 子link，并使用 <origin> 定义 子link 相对于 父 link 的偏移和旋转，joint 在模型中是不显示的。

  • 在 <link> 标签和 <joint> 标签中都有 <origin> 标签，可以定义偏移和旋转，<link> 的 <origin> 改变的是 <link> 的坐标系相对于默认坐标系的姿态位置，例如部件内部的某个东西（比如“外壳”或“重心”）相对于这个部件的中心点的位姿。而 <joint> 的 <origin> 是改变 <link> 在父坐标系的位置，所以设置相对于父组件的位置和角度，通过 <joint> 中的 <origin> 来设置，设置偏移和旋转弧度（ROS中用到的单位都是米和弧度）。上面设置了 <origin xyz="0 0 0.1"/> ，也就是 base_link 基于 base_footprint 中心在 Z 轴偏移 0.1 ， base_link 高度的一般是 0.06，所以 base_link 离地面高度是 0.04 米，用于后面安装轮子。

  • <material> 用来设置材料属性，上面通过 <color> 设置RGB值和透明度。

  • <joint> 标签中 type 有如下的值：

continuous : 允许绕指定轴的无限制旋转（如车轮）。
revolute : 允许绕指定轴的有限旋转运动，机械臂的肘部或肩部，不能无限旋转。
prismatic : 滑动关节，允许沿指定轴的线性运动。
fixed : 将两个链接固定在一起，不允许任何相对运动。
floating : 允许6个自由度的运动（3个旋转和3个平移），用于定义完全自由的运动，一般较少使用。
planar : 允许在一个平面内的两个平移和一个旋转运动。

3 创建launch文件 ​

下面使用 rviz 将模型显示出来。

在 功能包/launch 目录下创建一个 robot_model_launch.py 文件，内容如下：

python
import os
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.substitutions import FindPackageShare
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory

def generate_launch_description():
    package_name = 'robot_model'
    urdf_name = "robot_model.urdf"

    # 获取功能包路径
    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(
        package='robot_state_publisher',
        executable='robot_state_publisher',
        arguments=[urdf_model_path]
    )

    joint_state_publisher = Node(
        package='joint_state_publisher',
        executable='joint_state_publisher',
        name='joint_state_publisher',
        arguments=[urdf_model_path]
    )

    rviz_config_path = os.path.join(
        get_package_share_directory(package_name),
        'rviz',
        'model.rviz'
    )

    rviz = Node(
        package='rviz2',
        executable='rviz2',
        name='rviz2',
        #arguments=[   # 在第一次运行后，保存配置后，指定配置文件的路径
        #    '-d', rviz_config_path
        #],
        output='screen'
    )

    return LaunchDescription([
        robot_state_publisher,
        joint_state_publisher,
        rviz
    ])

上面启动了三个节点、 ros-humble-joint-state-publisher 、 ros-humble-robot-state-publisher 、rviz 。

首先需要安装一下 ros-humble-joint-state-publisher 和 ros-humble-robot-state-publisher

shell
sudo apt install ros-humble-joint-state-publisher   # 我这里是humble版本
sudo apt install ros-humble-robot-state-publisher

  • joint_state_publisher ：负责发布机器人关节数据信息，通过 joint_states 话题发布

  • robot_state_publisher ：负责发布机器人模型信息 robot_description ，并将 joint_states 数据转换 TF 信息发布。

  • rviz ：负责数据可视化，可以显示机器人模型

4 配置launch文件(重要) ​

在 setup.py 中新增 launch 相关配置：

python
from setuptools import find_packages, setup
import os
from glob import glob

package_name = 'robot_model'

setup(
    # ...其他配置
    data_files=[
        # ...其他配置
      
        (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*_launch.py'))),
        (os.path.join('share', package_name, 'config'), glob(os.path.join('config','*.*'))),
        (os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.*'))),
        (os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob(os.path.join('urdf', '*.*'))),  # urdf
    ],
    # ...其他配置
)

上面新增了三行配置，主要作用是安装 launch、config、rviz、urdf 目录中的文件到编译的 install 目录中，这样在运行的时候，能找到这些目录下的文件。（否则运行launch文件找不到）

注意，后面使用了通配符进行了文件的匹配，你需要按照规则命令launch文件，我这里launch文件需要以 _launch.py 结尾。

5 构建项目 ​

现在代码已经编写完成了，需要构建项目。

在工作空间下执行如下命令：

shell
colcon build

构建完成，会在 install 目录下生成文件。

6 运行节点 ​

首先执行 source 命令，在工作空间下执行：

shell
source install/local_setup.sh

上面的命令是让 ROS 找到我们的功能包，已经在 HelloWorld 章节说过了。


启动 launch ：

shell
ros2 launch robot_model robot_model_launch.py

运行后，会打开 rviz，打开后，Global Options -> Fixed Frame 选择 base_footprint。

然后添加 RobotModel ：


选择RobotModel后，Description Topic 选择 /robot_description ，就可以显示刚才 urdf 中定义的模型了。

为了看的清楚，可以不显示 TF。

上面会显示 base_footprint 和 base_link。

每次打开 rviz，都需要手动添加 RobotModel，可以保存配置，然后在 launch 文件中启动 rviz 的时候，指定配置文件的路径。

13.2 继续完善模型 ​

下面继续在上面的 urdf 的基础上，继续完善机器人模型，包括左右两个驱动轮、前后两个支撑轮，摄像头，雷达支架、雷达。

1 添加左右驱动轮 ​

驱动轮是圆柱体，需要旋转90度（弧度），然后与 base_link 连接。

xml
<!-- 左轮 -->
<link name="left_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.03" radius="0.04"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="yellow_color">
      <color rgba="1 1 0 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>
<joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="left_wheel"/>
  <origin xyz="0 -0.155 -0.06" rpy='1.57 0 0' />
</joint>

<!-- 右轮 -->
<link name="right_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.03" radius="0.04"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="yellow_color">
      <color rgba="1 1 0 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>
<joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="right_wheel"/>
  <origin xyz="0 0.155 -0.06" rpy='-1.57 0 0' />
</joint>

轮子是基于 base_link 中心点进行偏移的，base_link 的半径是 0.14 ，加上轮子的厚度的一半 0.015，所以在 Y 轴上平移 0.155；base_link 高度是 0.12，一半是 0.06，所以设置为 <origin xyz="0 0.155 -0.06" rpy='-1.57 0 0' /> ，-1.57 表示旋转90度。

添加完成，重新编译项目运行，显示效果：

2 添加前后支撑轮 ​

前后支撑轮使用一个球体来代替。

轮子都定义成黄色，那么好多地方用到，那么可以在全局使用 <material> 标签用于定义材质和颜色，然后在 <visual> 标签中引用即可。

xml
<material name="yellow_color">
  <color rgba="1 1 0 1"/>
</material>

<!-- 前支撑轮，定义为一个圆球 -->
<link name="front_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.02"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="yellow_color" />
  </visual>
</link>
<joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="front_wheel"/>
  <origin xyz="0.12 0 -0.08"/>
</joint>

<!-- 前支撑轮，定义为一个圆球 -->
<link name="back_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.02"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="yellow_color" />
  </visual>
</link>
<joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="back_wheel"/>
  <origin xyz="-0.12 0 -0.08"/>
</joint>

base_link 离地 0.04，所以设置了支撑轮的半径为 0.02，并设置到 base_link 的前方和后方。因为是相对于 base_link 中心移动的，所以 Z 轴向下移动 base_link 高度的一半 加上 支撑轮的半径，也就是 0.08 。

添加完成，重新编译项目运行，显示效果：

3 添加雷达 ​

我们先添加一个支架，然后将雷达安装在支架上。

所以雷达支架是相对于 base_link，雷达是相对于雷达支架进行定位。

xml
<!-- 雷达支架 -->
<link name="laser_bracket_link">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.1" radius="0.01"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="gray_color">
      <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>

<joint name="laser_bracket_link2base_link" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="laser_bracket_link"/>
  <origin xyz="0 0 0.11"/>
</joint>

<!-- 雷达 -->
<link name="laser_link">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.05" radius="0.03"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="red_color">
      <color rgba="1 0 0 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>

<joint name="laser_link2laser_bracket_link" type="fixed">
  <parent link="laser_bracket_link"/>
  <child link="laser_link"/>
  <origin xyz="0 0 0.075"/>
</joint>

雷达基于支架向上移动，所以是支架高度的一半加上雷达高度的一半，0.05 + 0.025 = 0.075 。

添加完成，重新编译项目运行，显示效果：

4 添加摄像头 ​

在底盘上方的前面，添加一个摄像头，使用一个长方体表示。

xml
<!-- 摄像头 -->
<link name="camera_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.02 0.05 0.02"/>
    </geometry>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <material name="green_color">
      <color rgba="0 1 0 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>

<joint name="camera_link2base_link" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="camera_link"/>
  <origin xyz="0.13 0 0.07"/>
</joint>

添加完成，重新编译项目运行，显示效果：

最终的 robot_model.urdf 内容如下：

xml
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="robot">

  <material name="yellow_color">
    <color rgba="1 1 0 1"/>
  </material>

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

  <!-- 底盘 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.12" radius="0.14"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="black_color">
        <color rgba="0 0 0 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
    <parent link="base_footprint"/>
    <child link="base_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.1"/>
  </joint>

  <!-- 左轮 -->
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.03" radius="0.04"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>

      <material name="yellow_color" />
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="0 -0.155 -0.06" rpy='1.57 0 0' />
  </joint>

  <!-- 右轮 -->
  <link name="right_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.03" radius="0.04"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="yellow_color" />
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_wheel"/>
    <origin xyz="0 0.155 -0.06" rpy='-1.57 0 0' />
  </joint>

  <!-- 前支撑轮，定义为一个圆球 -->
  <link name="front_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.02"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="yellow_color" />
    </visual>
  </link>
  <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="front_wheel"/>
    <origin xyz="0.12 0 -0.08"/>
  </joint>

  <!-- 前支撑轮，定义为一个圆球 -->
  <link name="back_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.02"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="yellow_color" />
    </visual>
  </link>
  <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="back_wheel"/>
    <origin xyz="-0.12 0 -0.08"/>
  </joint>
  
  <!-- 雷达支架 -->
  <link name="laser_bracket_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.01"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="gray_color">
        <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="laser_bracket_link2base_link" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="laser_bracket_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.11"/>
  </joint>

  <!-- 雷达 -->
  <link name="laser_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.05" radius="0.03"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="red_color">
        <color rgba="1 0 0 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="laser_link2laser_bracket_link" type="fixed">
    <parent link="laser_bracket_link"/>
    <child link="laser_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.075"/>
  </joint>

  <!-- 摄像头 -->
  <link name="camera_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.02 0.05 0.02"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="green_color">
        <color rgba="0 1 0 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="camera_link2base_link" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="camera_link"/>
    <origin xyz="0.13 0 0.07"/>
  </joint>
</robot>