ROS中階筆記（二）：機器人系統設計—URDF機器人建模
01 URDF理論
1.1 什么是URDF
- Unified Robot Description Format，統一機器人描述格式；
- ROS中一個非常重要的機器人模型描述格式；
- 可以解析URDF文件中使用XML格式描述的機器人模型；
- ROS同時也提供URDF文件的C++解析器（可以在C++代碼中直接解析URDF機器人模型，好處：在基於模型的計算算法中，可以在代碼中調用模型的信息，方便模型計算）
1.2 模型< robot >
官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/model
一個完整的機器人模型，由一系列< link >和< joint >組成
- 完整機器人模型的最頂層標簽
- < link > 和 < joint >標簽必須包含在 < robot > 標簽內
<robot name="pr2">
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
</robot>
1.2.1 < link > element
官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/link
- 描述機器人某個剛體部分的外觀和物理屬性；
- 尺寸（size）、顏色（color）、形狀（shape）、慣性矩陣（inertial matrix）、碰撞屬性（collision properties）等。
<link name="my_link">
<inertial>
<origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="100" ixy="0" ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
</inertial>
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="1 1 1" />
</geometry>
<material name="Cyan">
<color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
</material>
</visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder radius="1" length="0.5"/>
</geometry>
</collision>
</link>
包括3個子標簽
- < inertial >：描述link的慣性參數，主要用到機器人動力學的運算部分；
- < visual >：描述機器人link部分的外觀參數, 尺寸、顏色、形狀等的外觀信息；
- < collision >：描述link的碰撞屬性，
link還有一個比較關鍵的部分，就是坐標系
Link origin 是起始坐標，整個link創建的時候都是相對 Link origin坐標系創建的；
1.2.2 < joint > element
官網：http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint
joint就是用來連接兩個具體的link部分的；
- 描述機器人關節的運動學和動力學屬性
- 包括關節運動的位置和速度限制
- 根據關節的運動形式，可以將其分為六種類型。
| 關節類型 | 描述 |
|---|---|
| continuous | 旋轉關節，可以圍繞單軸無限旋轉 |
| revolute | 旋轉關節，類似於continuous，但是有旋轉的角度極限 |
| prismatic | 滑動關節，沿某一軸線移動的關節，帶有位置極限 |
| planar | 平面關節，允許在平面正交方向上平移或者旋轉 |
| floating | 浮動關節，允許進行平移、旋轉運動 |
| fixed | 固定關節，不允許運動的特殊關節 |
<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>
下面圖中，藍色關節表示出一個運動的軸，藍色關節是可以圍繞藍色的軸旋轉的，也就是child這個link是可以圍繞joint上下旋轉。
joint是連接兩個link，需要分一個主次關系，主關節是parent link，子關節是child link， 在xml形式的描述中這個兩個 link是必須存在的
子標簽：
- < calibration >：關節的參考位置，用來校准關節的絕對位置；
- < dynamics >：描述關節的物理屬性，例如阻尼值、物理靜摩擦力等，經常在動力學仿真中用到；
- < limit >：描述運動的一些極限值，包括關節運動的上下限位置、速度限制、力矩限制等；
- < mimic >：描述該關節與已有關節的關系；
- <safety_controller>：描述安全控制器參數。保護機器人關節的運動
02 URDF 實踐
2.1 創建機器人描述的功能包
第一步，進入工作空間中的src 功能包目錄下，
$ cd ./catkin_ws/src/
第二步，創建一個機器人建模的功能包
$ catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
# 機器人模型、描述文件在ROS里，通常的以 機器人名_description
# 並且需要依賴urdf功能包，解析模型 和 xacro（優化urdf用的）依賴
第三步，在mbot_description功能包下創建幾個不同作用的文件夾，如下圖所示：
- urdf：存放機器人模型的URDF或xacro文件
- meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件，機器人外觀紋理，讓外觀和實際更相似，通過三維設計軟件導出，放置此文件夾下
- launch：保存相關啟動文件
- config：保存rviz的配置文件、功能包的配置文件
2.2 編輯launch啟動文件
主要是加載urdf 並在rviz中顯示
顯示機器人模型，基本上修改第一行 urdf文件的路徑，即可；
下面display_mbot _base_urdf.launch文件是在rviz中顯示機器人的一種固定形態
<launch>
<!-- param是要加載ros的一個參數：robot_description （描述機器人的具體模型）-->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />
<!-- 設置GUI參數，顯示關節控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 運行joint_state_publisher節點，發布機器人的關節狀態 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 運行robot_state_publisher節點，發布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 運行rviz可視化界面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
- joint_state_publisher：發布每個joint（除fixed類型）的狀態，而且可以通過UI界面對joint進行控制
- robot_state_publisher：將機器人各個links、joints之間的關系，通過TF的形式，整理成三維姿態信息發布
2.3 配置config文件
在config文件夾下，創建.rviz 配置文件，保存。
2.4 創建URDF模型
在urdf文件夾下，創建.urdf文件，保存。
第一步：使用圓柱體創建一個車體模型
第二步：使用圓柱體創建左側車輪
第三步：使用圓柱體創建右側車輪
第四步：使用球體創建前后支撐輪
第五步：創建傳感器——攝像頭camera、激光雷達laser、Kinect；
關於Kinect，在meshes文件夾下，創建創建紋理描述文件
2.5 檢查URDF模型整體結構
在urdf文件夾下，執行 urdf_to_graphiz+要檢查的urdf文件
$ urdf_to_graphiz mbot_with_kinect.urdf
會在當前路徑下創建一個pdf文件，把機器人所有的link和joint的關系分析出來；
2.6 啟動launch文件
注意：在運行launch文件時，URDF文件中不能有中文注釋，刪除掉中文注釋，否正會報錯誤；
$ roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
問題一：啟動錯誤
[ERROR] [1589109861.881993]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package
$ sudo apt-get install ros-kinetic-joint-state-publisher-gui
問題二：警告
這時候可能還會存在一個警告，如果有的話把launch文件中的joint_state_publisher用joint_state_publisher_gui全部替換掉，即可。
2.7 URDF建模存在的問題
- 模型冗長，重復內容過多
- 參數修改麻煩，不便於二次開發
- 沒有參數計算功能
03 參考資料
官方教程：http://wiki.ros.org/cn/urdf