ROS理论与实践学习笔记——5 ROS机器人系统仿真之URDF(Unified Robot Description Format)语法详解

        URDF 文件是一个标准的 XML 文件格式，用于在 ROS 中描述机器人模型的结构。URDF 通过预定义的一系列标签，简洁地表达机器人的组成和运动关系。虽然机器人模型可能非常复杂，但在 URDF 中可以主要简化为两个核心部分：

        连杆（link标签）：描述机器人各个部件的形状、尺寸、质量、惯性等物理属性。连杆是机器人的“基本组成单元”，每个部件都由一个连杆表示。

        关节（joint标签）：定义各个连杆之间的连接关系和运动方式。关节描述了连杆的运动类型（如旋转、平移等）以及其在三维空间中的位置和方向。

        通过合理使用link和joint标签，可以构建出符合物理和运动特性的机器人模型，并结合其他ROS工具进行仿真和可视化。这种简化使得复杂机器人模型在URDF中也能轻松描述并应用于多种仿真任务。

        参考学习资料：urdf/XML - ROS Wiki

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。

1 URDF语法详解-robot

        在 URDF 文件中，robot标签是整个文件的根标签，用于确保XML语法的完整性。所有描述机器人的标签（如link和joint等）都必须嵌套在robot标签内。该标签的作用是定义机器人模型的整体框架，并通过name属性为机器人模型命名。 

（1）属性

        name：用于指定机器人模型的名称，方便在不同的仿真环境中进行标识和引用。

（2）子标签

        所有其他的标签（如link、joint、material、sensor 等）都是robot标签的子标签，用来定义机器人的物理结构、运动方式、材质等属性。

2 URDF语法详解-link

        在 URDF 文件中，link标签用于描述机器人某个部件（即刚体部分）的外观和物理属性。每一个机器人部件都由一个link标签表示，例如机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头等。通过link标签，可以详细定义该部件的形状、尺寸、颜色、质量属性，以及与仿真相关的惯性、碰撞和视觉参数。

（1）属性

        name: 用于为该连杆命名，确保在机器人模型中唯一识别该部件。

（2）子标签

visual ---> 描述外观(对应的数据是可视的)，定义连杆的视觉外观，包括形状、颜色和材质等，用于 Rviz 等工具中的可视化。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偏移 z偏移属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)material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 ---> 连杆的碰撞属性了，定义碰撞模型，用于物理仿真，描述与其他物体碰撞时的行为。
Inertial ---> 连杆的惯性矩阵，定义连杆的质量和惯性矩阵属性，用于动力学仿真。
geometry --->  用于定义连杆的几何形状，可以是简单的形状（如盒子、圆柱体、球体）或者通过网格文件指定复杂模型（如 .stl 文件）。

3 URDF语法详解-joint

        在URDF文件中，joint标签用于定义机器人关节的运动学和动力学属性。它描述了两个连杆（分别称为父连杆 parent link和子连杆child link）通过关节的连接方式。joint标签还可以指定关节的运动范围、限制以及运动方式。关节的运动形式可以多样，如旋转、滑动、固定等，具体取决于机器人的设计需求。

（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。

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。

        base_footprint 优化 URDF 是为了解决机器人模型在仿真中“半沉入地面”的问题。通常情况下，机器人模型的底盘中心点会默认位于地图原点，这就会导致部分机器人部件渗入地面，影响仿真效果。为了解决这一问题，可以采取以下优化策略：

优化策略：

• 设置初始 link 为尺寸极小的连杆: 将初始link定义为一个非常小的几何形状，如半径为 0.001m 的球体或边长为 0.001m 的立方体。
• 添加底盘等主要连杆: 在这个尺寸极小的初始link上，再添加实际的底盘或其他机器人部件。通过这种方式，即便初始link仍然存在“半沉”的情况，但由于其尺寸极小，对整体仿真效果的影响可以忽略不计。

        base_footprint 的作用：该初始 link 一般被称为 base_footprint，它用作机器人模型的参考起点或基座，确保机器人在仿真中保持合理的初始位置，并避免大范围的部件渗入地面的现象。

遇到问题以及解决：

问题1： 编码问题导致的URDF显示异常

错误提示：

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position xxx-xxx……

Rviz问题：提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常。

原因： 这是由于 URDF 文件中的中文注释引发的编码问题。默认情况下，某些系统或程序无法处理非 ASCII 字符，因此会出现编码错误，导致仿真环境中的坐标变换出现问题，最终影响机器人的显示结构。

解决方法：

• 去除 URDF 文件中的中文注释，确保文件内容全部为 ASCII 字符。
• 确保文件保存为 UTF-8 编码格式，这有助于避免其他潜在的编码问题。

问题2：缺少 joint_state_publisher_gui 包

错误提示：

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

原因： 缺少joint_state_publisher_gui包，这是一个用于在 Rviz 中可视化和调试机器人关节状态的工具。

解决方法： 运行以下命令安装缺失的包

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

安装完成后，再次运行仿真程序，即可解决此问题。

4 URDF练习-创建四轮圆柱状机器人模型的 URDF 文件

        根据需求描述，机器人模型将包括一个圆柱状底盘、两个驱动轮和两个万向轮。底盘的离地间距为 1.5 cm。以下是满足需求的 URDF 文件的简化代码示例：

• 底盘（base_link）: 使用半径为 10 cm，高度为 8 cm 的圆柱体。
• 驱动轮: 两个驱动轮位于机器人底盘的前端，半径为 3.25 cm，轮胎宽度为 1.5 cm。
• 万向轮: 两个球状万向轮位于机器人底盘的后方，半径为 0.75 cm。
• 底盘离地间距: 万向轮的直径为 1.5 cm，因此机器人底盘离地间距为 1.5 cm。

5 URDF工具

 check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题

urdf_to_graphiz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系