ros2 基础学习 15- URDF：机器人建模方法

URDF：机器人建模方法

ROS是机器人操作系统，当然要给机器人使用啦，不过在使用之前，还得让ROS认识下我们使用的机器人，如何把一个机器人介绍给ROS呢？

为此，ROS专门提供了一种机器人建模方法——URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式），用来描述机器人外观、性能等各方面属性。

机器人的组成

建模描述机器人的过程中，我们自己需要先熟悉机器人的组成和参数，比如机器人一般是由硬件结构、驱动系统、传感器系统、控制系统四大部分组成，市面上一些常见的机器人，无论是移动机器人还是机械臂，我们都可以按照这四大组成部分进行分解。

• 硬件结构 就是底盘、外壳、电机等实打实可以看到的设备；

• 驱动系统 就是可以驱使这些设备正常使用的装置，比如电机的驱动器，电源管理系统等；

• 传感系统 包括电机上的编码器、板载的IMU、安装的摄像头、雷达等等，便于机器人感知自己的状态和外部的环境；

• 控制系统 就是我们开发过程的主要载体了，一般是树莓派、电脑等计算平台，以及里边的操作系统和应用软件。

机器人建模的过程，其实就是按照类似的思路，通过建模语言，把机器人每一个部分都描述清楚，再组合起来的过程。

URDF

ROS中的建模方法叫做URDF，全称是统一机器人描述格式，不仅可以清晰描述机器人自身的模型，还可以描述机器人的外部环境，比如这里的桌子，也可以算作一个模型。

URDF模型文件使用的是XML格式，右侧就是一个机器人的URDF描述，乍看上去，有点像网页开发的源代码，都是由一系列尖括号包围的标签和其中的属性组合而成。

如何使用这样一个文件描述机器人呢？比如这个机械臂，大家可以看下自己的手臂，我们的手臂是由大臂和小臂组成，他们独自是无法运动的，必须通过一个手肘关节连接之后，才能通过肌肉驱动，产生相对运动。

在建模中，大臂和小臂就类似机器人的这些独立的刚体部分，称为连杆Link，手肘就类似于机器人电机驱动部分，称为关节joint。

所以在URDF建模过程中，关键任务就是通过这里的和，理清楚每一个连杆和关节的描述信息。

连杆Link的描述

标签用来描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，外观包括尺寸、颜色、形状，物理属性包括质量、惯性矩阵、碰撞参数等。

以这个机械臂连杆为例，它的link描述如下：

link标签中的name表示该连杆的名称，我们可以自定义，未来joint连接link的时候，会使用到这个名称。

link里边的部分用来描述机器人的外观，比如：

表示几何形状，里边使用调用了一个在三维软件中提前设计好的蓝色外观，就是这个stl文件，看上去和真实机器人是一致的

表示坐标系相对初始位置的偏移，分别是x、y、z方向上的平移，和roll、pitch、raw旋转，不需要偏移的话，就全为0。

第二个部分，描述碰撞参数，里边的内容似乎和一样，也有和，看似相同，其实区别还是比较大的。

部分重在描述机器人看上去的状态，也就是视觉效果；

部分则是描述机器人运动过程中的状态，比如机器人与外界如何接触算作碰撞。在这个机器人模型中，蓝色部分是通过来描述的。

在实际控制过程中，这样复杂的外观在计算碰撞检测时，要求的算力较高，为了简化计算，我们将碰撞检测用的模型简化为了绿色框的圆柱体，也就是里边描述的形状。

坐标系偏移也是类似，可以描述刚体质心的偏移。

如果是移动机器人的话，link也可以用来描述小车的车体、轮子等部分。

关节Joint描述

机器人模型中的刚体最终要通过关节joint连接之后，才能产生相对运动。

URDF中的关节有六种运动类型。

continuous，描述旋转运动，可以围绕某一个轴无限旋转，比如小车的轮子，就属于这种类型。

revolute，也是旋转关节，和continuous类型的区别在于不能无限旋转，而是带有角度限制，比如机械臂的两个连杆，就属于这种运动。

prismatic，是滑动关节，可以沿某一个轴平移，也带有位置的极限，一般直线电机就是这种运动方式。

fixed，固定关节，是唯一一种不允许运动的关节，不过使用还是比较频繁的，比如相机这个连杆，安装在机器人上，相对位置是不会变化的，此时使用的连接方式就是Fixed。

Floating是浮动关节，第六种planar是平面关节，这两种使用相对较少。

在URDF模型中，每一个link都使用这样一段xml内容描述，比如关节的名字叫什么，运动类型是哪一种。

parent标签：描述父连杆；

child标签：描述子连杆，子连杆会相对父连杆发生运动；

origin：表示两个连杆坐标系之间的关系，也就是图中红色的向量，可以理解为这两个连杆该如何安装到一起；

axis表示关节运动轴的单位向量，比如z等于1，就表示这个旋转运动是围绕z轴的正方向进行的；

limit就表示运动的一些限制了，比如最小位置，最大位置，和最大速度等。