ROS实践（二）构建Gazebo机器人模型文件urdf
目录
一、基础语法
1. urdf文件组成
2. robot根标签
3. link 和 joint标签
4. sensor标签
二、 实验：使用launch文件启动rviz查看机器人模型
1. 编写机器人模型的urdf文件。
2. 编写launch文件。
3. 运行launch，查看效果。
URDF（Unified Robot Description Format）是一种基于XML的格式，用于描述机器人模型的结构、关节、连杆和传感器信息，并可以与Gazebo、RViz等仿真环境结合使用。
一、基础语法
1. urdf文件组成
URDF 主要由以下几个核心元素（标签）组成：
（1）一级标签（根标签）
<robot> <!--根标签-->（2）二级标签
根标签是
robot，而二级标签通常是在robot标签内定义的具体组件和元素。以下是一些常见的二级标签：<link> <!-- 定义一个刚体部分 --> <joint> <!-- 定义两个链接之间的连接及其运动方式 --> <sensor> <!-- 定义传感器 --> <transmission> <!-- 定义传动方式，主要用于控制器与电机连接 --> <material> <!-- 定义材质属性 --> <geometry> <!-- 定义几何形状，用于可视化 --> <visual> <!-- 定义视觉表示，用于渲染和模拟 --> <collision> <!-- 定义碰撞体积，用于物理引擎 --> <inertial> <!-- 定义惯性矩阵，用于物理仿真 --> <frame> <!-- 定义坐标系 -->（3）三级标签
在 URDF 中，三级标签通常是用于具体配置和描述某个二级标签的更多详细信息。以下是一些常见的三级标签，它们一般位于二级标签内部。
<geometry> <!-- 用于定义物体的几何形状 --><box> <!-- 定义立方体的几何形状 --><cylinder> <!-- 定义圆柱体的几何形状 --><sphere> <!-- 定义球形几何形状 --><mesh> <!-- 定义网格形状 --> </geometry><visual> <!-- 定义可视化表示 --><material> <!-- 定义可视化的材质 --><ambient> <!-- 环境光 --><diffuse> <!-- 漫反射光 --><specular> <!-- 高光反射 --></material> </visual><collision> <!-- 定义碰撞体积 --><geometry> <!-- 定义碰撞体积的几何形状 --><box> <!-- 立方体 --><cylinder><!-- 圆柱体 --><sphere> <!-- 球体 --></geometry> </collision><inertial> <!-- 定义惯性属性 --><mass> <!-- 质量 --><inertia> <!-- 惯性矩阵 --> </inertial><origin> <!-- 定义元素在坐标系中的位置和姿态 --><xyz> <!-- 定义位置 --><rpy> <!-- 定义旋转角度 --> </origin><transmission> <!-- 定义传动系统 --><actuator> <!-- 定义执行器 --><hardwareInterface> <!-- 定义硬件接口 --></actuator> </transmission>
2. robot根标签
URDF 中为了保证 XML 语法的完整性，使用
<robot>标签作为根标签，所有的<link>和<joint>以及其他标签都必须包含在<robot>标签内。在该标签内，可以通过name属性设置机器人模型的名称。所有其他标签（如<link>、<joint>、<material>、<transmission>等）都是<robot>的子级标签。<?xml version="1.0"?> <robot name="simple_robot"> <!-- 名称自定 --><!-- 这里是机器人模型的内容 --> </robot>
3. link 和 joint标签
简述：在机器人模型中，link1 和 link2 分别代表类似于人的大臂和小臂的刚体部分，而 joint 则类似于肘关节，负责连接这两个部件并允许它们相对运动（例如，肘部的弯曲）。
（1）<link>
link代表机器人中的一个刚性部件，例如机械臂的一个关节、轮式机器人的车轮等。link主要包含以下元素：
<inertial>：描述link的惯性，包括质量、质心和惯性矩阵。<visual>：定义link的外观（几何形状、颜色、材质）。<collision>：定义物理仿真中link的碰撞形状（通常比visual简化）。<?xml version="1.0"?> <robot name="simple_robot"><!-- 定义一个 link --><link name="simple_link"><!-- 定义惯性属性 --><inertial><mass value="1.0"/> <!-- 质量 --><origin xyz="0 0 0"/> <!-- 相对坐标 --><inertia ixx="0.1" iyy="0.1" izz="0.1" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/> <!-- 惯性矩阵 --></inertial><!-- 定义可视化属性 --><visual><geometry><box size="1 1 1"/> <!-- 立方体形状，尺寸为 1x1x1 --></geometry><material name="green"/> <!-- 绿色 --></visual><!-- 定义碰撞属性 --><collision><geometry><box size="1 1 1"/> <!-- 碰撞盒子，尺寸为 1x1x1 --></geometry></collision></link> </robot>
（2）<joint>
joint用于连接两个link，并定义它们的相对运动方式，例如固定连接、旋转或滑动等。joint主要包含以下元素：
<parent>：定义joint连接的父link。<child>：定义joint连接的子link。<type>：定义joint的类型（fixed、revolute、prismatic、continuous等）。
<origin>：定义joint相对于parent的初始位置。<axis>（可选）：如果是revolute或prismatic关节，则定义运动轴。<limit>（可选）：定义joint的运动范围、速度和力矩限制。<?xml version="1.0"?> <robot name="simple_robot"><!-- 第一个 link --><link name="link1"><visual><geometry><box size="1 1 1"/></geometry></visual></link><!-- 第二个 link --><link name="link2"><visual><geometry><box size="1 1 1"/></geometry></visual></link><!-- 定义关节，连接 link1 和 link2 --><joint name="simple_joint" type="revolute"><parent link="link1"/><child link="link2"/><axis xyz="0 1 0"/> <!-- 旋转轴：绕 y 轴旋转 --><limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1"/> <!-- 旋转范围限制 --></joint> </robot>
4. sensor标签
<sensor>标签在 URDF 中用于定义机器人上的传感器，例如激光雷达、相机、IMU（惯性测量单元）等。传感器用于模拟机器人感知环境的能力，在 Gazebo 等仿真环境中非常常见。传感器类型如下所示：<sensor type="camera"/> <!-- 相机传感器 --> <sensor type="ray"/> <!-- 激光雷达传感器 --> <sensor type="proximity"/> <!-- 接近传感器 --> <sensor type="imu"/> <!-- 惯性测量单元传感器 --> <sensor type="force_torque"/> <!-- 力与扭矩传感器 --> <sensor type="gps"/> <!-- 全球定位系统传感器 --> <sensor type="contact"/> <!-- 接触传感器 --> <sensor type="barometer"/> <!-- 气压计传感器 --> <sensor type="ultrasonic"/> <!-- 超声波传感器 --> <sensor type="range"/> <!-- 距离传感器 -->不同类型的传感器（如相机、IMU、激光雷达等）会有不同的子标签和配置项，具体内容会根据传感器的类型而变化。这里将不太过多介绍标签，详细查看其他博客，这里主要是为了让读者了解其结构框架。激光雷达传感器如下所示：
<robot name="example_robot"><!-- 定义一个 Link --><link name="base_link"><visual><geometry><box size="1 1 1"/></geometry></visual></link><!-- 定义一个传感器 (激光雷达) --><sensor name="laser_sensor" type="ray"><origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 0"/> <!-- 定义传感器相对于 link 的位置和姿态 --><ray><scan><horizontal><samples value="720"/> <!-- 扫描样本数量 --><resolution value="1"/> <!-- 扫描分辨率 --><min_angle value="-1.5708"/> <!-- 最小扫描角度 (单位: 弧度) --><max_angle value="1.5708"/> <!-- 最大扫描角度 (单位: 弧度) --></horizontal></scan><range><min value="0.1"/> <!-- 最小测距距离 --><max value="10.0"/> <!-- 最大测距距离 --><resolution value="0.01"/> <!-- 测距分辨率 --></range></ray></sensor> </robot>
<sensor>标签
这是根标签，定义了一个传感器的相关信息。
name：传感器的名称（在本例中为laser_sensor）。type：传感器的类型（在本例中为ray，表示激光雷达）。
<origin>标签
这个标签定义了传感器相对于父link的位置和姿态。
xyz="0 0 1"：表示传感器在父link坐标系中的位置。x、y和z表示位置的偏移量。rpy="0 0 0"：表示传感器的旋转姿态，rpy表示滚转（roll）、俯仰（pitch）、偏航（yaw）的角度，这里都是 0，表示没有旋转。
<ray>标签
这个标签用于定义激光传感器的具体扫描行为。
<scan>标签：定义扫描的相关参数。
<horizontal>标签：定义水平扫描的参数。
<range>标签：定义传感器的测距范围。
二、 实验：使用launch文件启动rviz查看机器人模型
注意：什么类型的文件就要放在功能包的什么目录下，没有则手动创建该目录。
1. 编写机器人模型的urdf文件。
my_car.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="mybot"> <!-- 定义机器人名称为mybot --><link name="base_footprint"/> <!-- 基础脚印链接，用于表示机器人基座的参考框架 --><joint name="base_joint" type="fixed"> <!-- 固定关节，连接base_footprint和base_link --><parent link="base_footprint"/> <!-- 父链接，表示基座 --><child link="base_link"/> <!-- 子链接，表示机器人主体 --><origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <!-- 定义关节的相对位置与姿态 --></joint> <link name="base_link"> <!-- 机器人主体链接 --><inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 质量中心的位置与姿态 --><mass value="0.1"/> <!-- 质量 --><inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.001" /> <!-- 惯性矩阵 --></inertial><visual> <geometry> <box size="0.25 0.16 0.05"/> <!-- 机器人主体的可视化几何形状，长宽高 --></geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <!-- 可视化位置与姿态 --><material name="blue"> <color rgba="0 0 0.8 1"/> <!-- 可视化颜色，蓝色 --></material> </visual> <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 碰撞模型的相对位置与姿态 --><geometry><box size="0.25 0.16 0.05"/> <!-- 碰撞模型的几何形状 --></geometry></collision></link> <link name="right_wheel_link"> <!-- 右轮链接 --><inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 右轮的质量中心位置与姿态 --><mass value="0.1"/> <!-- 右轮质量 --><inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" /> <!-- 右轮惯性矩阵 --></inertial><visual> <geometry> <cylinder length="0.02" radius="0.025"/> <!-- 右轮的可视化几何形状，圆柱 --></geometry> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 1"/> <!-- 右轮的颜色，黑色 --></material> </visual> <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 碰撞模型的位置与姿态 --><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/> <!-- 碰撞模型为圆柱 --></geometry></collision></link> <joint name="right_wheel_joint" type="continuous"> <!-- 右轮关节，连续旋转 --><axis xyz="0 0 -1"/> <!-- 旋转轴，垂直于地面 --><parent link="base_link"/> <!-- 父链接为机器人主体 --><child link="right_wheel_link"/> <!-- 子链接为右轮 --><origin rpy="1.5707 0 0" xyz=" 0.1 -0.09 -0.03"/> <!-- 关节相对于父链接的相对位置与姿态 --></joint> <link name="left_wheel_link"> <!-- 左轮链接 --><inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 左轮质量中心的位置与姿态 --><mass value="0.1"/> <!-- 左轮质量 --><inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" /> <!-- 左轮惯性矩阵 --></inertial><visual> <geometry> <cylinder length="0.02" radius="0.025"/> <!-- 左轮可视化几何形状，圆柱 --></geometry> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 1"/> <!-- 左轮颜色，黑色 --></material> </visual> <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 左轮碰撞模型的位置与姿态 --><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/> <!-- 碰撞模型为圆柱 --></geometry></collision> </link> <joint name="left_wheel_joint" type="continuous"> <!-- 左轮关节，连续旋转 --><axis xyz="0 0 -1"/> <!-- 旋转轴，垂直于地面 --><parent link="base_link"/> <!-- 父链接为机器人主体 --><child link="left_wheel_link"/> <!-- 子链接为左轮 --><origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 0.09 -0.03"/> <!-- 关节相对于父链接的相对位置与姿态 --></joint> <link name="ball_wheel_link"> <!-- 小球轮链接 --><inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 小球轮的质量中心位置与姿态 --><mass value="0.1"/> <!-- 小球轮质量 --><inertia ixx="0" ixy="0" ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0" /> <!-- 小球轮惯性矩阵，设为零 --></inertial><visual> <geometry> <sphere radius="0.025"/> <!-- 小球轮的可视化几何形状，球形 --></geometry> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 1"/> <!-- 小球轮颜色，黑色 --></material> </visual> <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <!-- 小球轮的碰撞模型的位置与姿态 --><geometry><sphere radius="0.025"/> <!-- 碰撞模型为球形 --></geometry></collision> </link> <joint name="ball_wheel_joint" type="fixed"> <!-- 小球轮的固定关节 --><axis xyz="0 0 1"/> <!-- 旋转轴，沿Z轴 --><parent link="base_link"/> <!-- 父链接为机器人主体 --><child link="ball_wheel_link"/> <!-- 子链接为小球轮 --><origin rpy="0 0 0" xyz="-0.10 0 -0.03"/> <!-- 关节相对于父链接的相对位置与姿态 --></joint> </robot>
2. 编写launch文件。
mycar_rviz.launch
<launch><!-- 传入参数，决定是否启用图形界面 --><arg name="gui" default="true" /><!-- 加载 URDF 机器人模型 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find my_package)/urdf/my_car.urdf"/><!-- 机器人状态发布器 --><node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"><param name="use_sim_time" value="false"/></node><!-- 关节状态发布器（如果机器人有 Revolute/Prismatic 关节） --><node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher"><param name="use_gui" value="false"/> <!-- 这里设置为 false，避免重复图形化界面 --></node><!-- 关节状态发布器图形界面（可选，基于 "gui" 参数） --><node name="joint_state_publisher_gui" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" if="$(arg gui)" /><!-- 启动 RViz --><node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" required="true"><param name="config" value="$(find my_package)/rviz/robot.rviz"/></node>
</launch>3. 运行launch，查看效果。
运行完后，界面中没有机器人模型，我们需要先添加模型。
注意：如果没有下面base_link的选项，则关闭重新启动一下launch文件。
