机器人控制系列教程之URDF文件语法介绍

前两期推文：机器人控制系列教程之动力学建模(1)、机器人控制系列教程之动力学建模(2)，我们主要从数学的角度介绍了机器人的动力学建模的方式，随着机器人技术的不断发展，机器人建模成为了机器人系统设计中的一项关键任务。URDF（Unified Robot Description Format）是一种用于描述机器人结构和属性的XML文件格式。它提供了一种标准化的方式，使得不同的机器人系统能够共享和交换机器人模型的信息。在ROS（Robot Operating System，后续将重点讲解）机器人操作系统中，URDF模型是机器人导航、仿真和感知等功能的基础。

< link > 标签

< link >标签用于描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，包括尺寸（size)、颜色（color、形状(shape)入、惯性矩阵(inertial matrix.)、入碰撞参数(collision properties)等。机器人的1ink结构一般如下图所示，其基本的URDF描述语法如下：

<link name="<link name>">
<inertial> . . . . . . </ inertial>
<visual> . . . . . . </visual>
<collision> . . . . . . </coll ision>
</link>

< visual >标签用于描述机器人link部分的外观参数，< inertial >标签用于描述link的惯性参数，而< collision >标签用于描述link的碰撞属性。从图中可以看到，检测碰撞的1ink区域大于外观可视的区域，这就意味着只要有其他物体与collision区域相交，就认为link发生碰撞。

< joint标签 >

< joint >标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，包括关节运动的位置和速度限
制。根据机器人的关节运动形式，可以将其分为六种类型（如下表所示）。

<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>

其中必须指定joint的parent link和child link，还可以设置关节的其他属性。

• < calibration >：关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置；
• < dynamics >：描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到；
• < limit >：描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置、速度限制、力矩限制等；
• < mimic >：描述该关节与已有关节的关系；
• <safety_controller>：描述安全控制器参数。保护机器人关节的运动；

与人的关节样，机器人关节的主要作用是连接两个刚体1ink,这两个link分别称为parent link和child link.

< robot >标签

< robot >是完整机器人模型的最顶层标签，< link >和< joint >标签都必须包含在< robot >标签内。一个完整的机器人模型由一系列< link >和< joint >组成。
< robot >标签内可以设置机器人的名称，其基本语法如下：

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

URDF文件里面有着与XML语言格式。要定义好一个机器人，首先你得知道机器人有什么。一个机器人主要由连杆（link）和关节（joint）组成，URDF具有类似XML树状结构的。link与 joint是robot下面的子分量，换句话说joint和link隶属于robot。知道了机器人的基本构成之后还不够，还需要知道基本组成部分的一些物理信息，例如连杆的质量属性，惯量属性，颜色，以及关节的种类，这到底是转动关节还是平动关节。因此link和joint也要有自己的子分量，比如inertial和visual， visual 下面还可以再次细分子分量geometry和material，然后material下面还可以有自己的子分量，由此往复我们就可以用URDF来充分定义好一个机器人的各个信息。所以一个增加了这些额外信息的URDF文件内容例子如下:

<robot><link><inertial>...</inertial><visual><geometry>...</geometry><material><color /></material></visual></link>...
</robot>

我们定义好了机器人的组成部分以及各个部分所具有的信息，接着还需要有属性描述这些量。比如robot,link,joint都有name属性，一个用来辨识模块的字符串。color有rgba属性，用来定义连杆的外表颜色。添加了相关信息的URDF文件长这个样子：

<robot name = "linkage"><link name = "root link"><inertial>...</inertial><visual><geometry>...</geometry><material><color rgba = "1 0 0 1" /></material></visual></link>...
</robot>

自定义模型及导入MATLAB

下面我们将通过URDF格式创建两个连杆，并创建运动副将这两个连杆固定起来。具体代码如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name='TechM_Robot'><link name="link_1"><visual><geometry><cylinder length="0.6" radius="0.1"/></geometry><inertial><origin rpy="0 0 0.3" xyz="0.0002 0.0002 0.1264"/>     <mass value="5.6431"/><inertia ixx="0.1183" ixy="-0.0001" ixz="0.0001" iyy="0.1182" iyz="0.0001" izz="0.0140"/>  </inertial></visual></link><link name="link_2"><visual><geometry><box size="0.6 0.1 0.2"/></geometry><origin rpy="0  0 1.57075" xyz="0 0 -0.3"/></visual></link><joint name="joint_1" type="fixed"><parent link="link_1"/><child link="link_2"/><origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.22 0.25"/><axis xyz="0 0 0"/></joint>
</robot>

打开MATLAB软件，输入

TechM_Robot=importrobot('test.urdf');
show(TechM_Robot)

即可看到刚才创建的两个连杆的机器人以及机器人的各种属性。

对于通过URDF文件建立机器人的模型来说，相关的参数设置属实较为麻烦，明天得推文我们将讲解如何利用URDF生成工具来自动导出URDF文件。

参考资料

1. https://blog.csdn.net/zhelijun/article/details/102709150
2. https://www.guyuehome.com/34641

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