機器人系統仿真(三)——URDF語法詳解之join

參考視頻：【奧特學園】ROS機器人入門課程《ROS理論與實踐》零基礎教程_嗶哩嗶哩_bilibili

參考文檔：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/

joint

urdf 中的 joint 標簽用於描述機器人關節的運動學和動力學屬性，還可以指定關節運動的安全極限，機器人的兩個部件(分別稱之為 parent link 與 child link)以"關節"的形式相連接，不同的關節有不同的運動形式: 旋轉、滑動、固定、旋轉速度、旋轉角度限制....,比如:安裝在底座上的輪子可以360度旋轉，而攝像頭則可能是完全固定在底座上。

joint標簽對應的數據在模型中是不可見的

1.屬性

• name ---> 為關節命名

• type ---> 關節運動形式

  • continuous: 旋轉關節，可以繞單軸無限旋轉

  • revolute: 旋轉關節，類似於 continues,但是有旋轉角度限制

  • prismatic: 滑動關節，沿某一軸線移動的關節，有位置極限

  • planer: 平面關節，允許在平面正交方向上平移或旋轉

  • 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

2.子標簽

• parent(必需的)

  parent link的名字是一個強制的屬性：

  • link:父級連桿的名字，是這個link在機器人結構樹中的名字。

• child(必需的)

  child link的名字是一個強制的屬性：

  • link:子級連桿的名字，是這個link在機器人結構樹中的名字。

• origin

  • 屬性: xyz=各軸線上的偏移量 rpy=各軸線上的偏移弧度。

• axis

• 屬性: xyz用於設置圍繞哪個關節軸運動。

案例

需求:創建機器人模型，底盤為長方體，在長方體的前面添加一攝像頭，攝像頭可以沿着 Z 軸 360 度旋轉。

demo03_joint.launch

<launch>
    <!--1.在參數服務器載入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.啟動 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
</launch>

 demo03_joint.urdf

<!--需求：設置機器人底盤，並添加攝像頭-->
<robot name="mycar">
    <!-- 1.底盤link-->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <!--1.1 立方體-->
                <box size="0.3 0.2 0.1"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 2.攝像頭link-->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05"/>
            </geometry>
            <!--先使用默認（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!--3.關節-->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!--父級 link-->
        <parent link="base_link" />
        <!--子級 link-->
        <child link="camera" />
        <!--設置偏移量-->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
        <!--設置關節旋轉參考的坐標系-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

 攝像頭在小車內部了，應該要在小車頂部，還報錯

 

launch只有上述兩條語句：

表現：設置頭顯示位置與顏色異常
提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐標變換
原因：rviz 中顯示 urdf 時，必須發布不同部件之間的 坐標系 關系
解決：ROS 中提供了關於機器人模型顯示的坐標系發布相關節點（兩個）

demo03_joint.launch 改為

<launch>
    <!--1.在參數服務器載入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.啟動 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述兩條語句：
            表現：設置頭顯示位置與顏色異常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐標變換
            原因：rviz 中顯示 urdf 時，必須發布不同部件之間的 坐標系 關系
            解決：ROS 中提供了關於機器人模型顯示的坐標系發布相關節點（兩個）
    -->
    <!--關節狀態發布節點-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--機器人狀態發布節點-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

攝像頭有半截在里面

            <!--先使用默認（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />

 讓關節轉動起來

在 launch 中還需啟動新的結點

<launch>
    <!--1.在參數服務器載入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.啟動 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述兩條語句：
            表現：設置頭顯示位置與顏色異常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐標變換
            原因：rviz 中顯示 urdf 時，必須發布不同部件之間的 坐標系 關系
            解決：ROS 中提供了關於機器人模型顯示的坐標系發布相關節點（兩個）

    -->
    <!--關節狀態發布節點-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--機器人狀態發布節點-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
    <!--添加控制關節運動的節點-->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui"  type="joint_state_publisher_gui"  name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>

base_footprint優化urdf

前面實現的機器人模型是半沉到地下的，因為默認情況下: 底盤的中心點位於地圖原點上，所以會導致這種情況產生，可以使用的優化策略，將初始 link 設置為一個尺寸極小的 link(比如半徑為 0.001m 的球體，或邊長為 0.001m 的立方體)，然后再在初始 link 上添加底盤等剛體，這樣實現，雖然仍然存在初始link半沉的現象，但是基本可以忽略了。這個初始 link 一般稱之為 base_footprint

demo04_base_footprint.urdf

<!--需求：設置機器人底盤，並添加攝像頭-->
<robot name="mycar">

    <!--添加一個尺寸績效的 link，再去關聯初始 link 與 base_link，
    關節的高度剛好和 base_link 下沉的高度一致（半個底盤高度）-->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 1.底盤link-->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <!--1.1 立方體-->
                <box size="0.3 0.2 0.1"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 2.攝像頭link-->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05"/>
            </geometry>
            <!--先使用默認（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!--關聯 base_footprint 與 base_link-->
    <joint name="link2footprint" type="fixed">
        <!--父級 link-->
        <parent link="base_footprint" />
        <!--子級 link-->
        <child link="base_link" />
        <!--設置偏移量-->
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
    </joint>

    <!--3.關節-->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!--父級 link-->
        <parent link="base_link" />
        <!--子級 link-->
        <child link="camera" />
        <!--設置偏移量-->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
        <!--設置關節旋轉參考的坐標系-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

demo04_base_footprint.launch

<launch>
    <!--1.在參數服務器載入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_base_footprint.urdf" />
    <!--2.啟動 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述兩條語句：
            表現：設置頭顯示位置與顏色異常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐標變換
            原因：rviz 中顯示 urdf 時，必須發布不同部件之間的 坐標系 關系
            解決：ROS 中提供了關於機器人模型顯示的坐標系發布相關節點（兩個）

    -->
    <!--關節狀態發布節點-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--機器人狀態發布節點-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

遇到問題以及解決

問題1:

命令行輸出如下錯誤提示

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128) [joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log]. log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log 

rviz中提示坐標變換異常，導致機器人部件顯示結構異常

原因:編碼問題導致的

解決:去除URDF中的中文注釋

問題2:[ERROR] [1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package

解決:

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