1. URDF建模原理
URDF是一种使用XML格式描述的机器人模型文件
- Links：坐标系与几何关系
- Joints：Links之间的关系
<link>标签
- 描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性；
- 描述连杆尺寸、颜色、形状、惯性矩阵、碰撞属性等；
- 每个link会成为一个坐标系
一个典型的link标签如下：
<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>
（注意长度单位是米，角度单位是弧度）
<collision>标签描述了碰撞属性，如下图红色框（圆柱体）所示，当进入框内时就会认为发生碰撞，这是为了加速碰撞检测做的一种简化
link.png
<joint>标签
- 描述两个link之间的关系，分为六种类型；
- 包括关节运动的位置和速度限制；
- 描述机器人关节的运动学和动力学属性
<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>
每个joint连接两个link，其中的origin是相对于上一个joint的origin描述的，而上面的<link>标签中的origin是相对于joint坐标系表达的，也就是说在机器人运动过程中，每个连杆的joint和link坐标系是相对静止的，理解这一点很重要。
joint.png
<robot>标签
整个模型由<robot>根标签包含，一个完整的机器人模型，由一系列<link>和<joint>组成
<robot name="pr2">
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
</robot>
robot.png
URDF建模存在的问题
- 模型冗长，重复内容过多
- 参数修改麻烦，不便于二次开发
- 没有参数自动计算功能
由此产生了URDF的改进版本：xacro模型文件，它具有如下优点：
- 精简模型代码：
创建宏定义
文件包含 - 提供可编程接口：
常量}
变量
数学计算
条件语句
常量定义
<xacro:property name="the_radius" value="2.1" />
<xacro:property name="the_length" value="4.5" />
常量使用
<geometry type="cylinder" radius="${the_radius}" length="${the_length}" />
数学计算
<!-- + - * /运算-->
<xacro:property name="radius" value="4.3" />
<circle diameter="${2 * radius}" />
宏定义
<xacro:macro name="pr2_caster" params="suffix *origin **content **anothercontent">
<joint name="caster_${suffix}_joint">
<axis xyz="0 0 1" />
</joint>
<link name="caster_${suffix}">
<xacro:insert_block name="origin" />
<xacro:insert_block name="content" />
<xacro:insert_block name="anothercontent" />
</link>
</xacro:macro>
宏调用
<xacro:pr2_caster suffix="front_left">
<pose xyz="0 1 0" rpy="0 0 0" />
<container>
<color name="yellow"/>
<mass>0.1</mass>
</container>
<another>
<inertial>
<origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="100" ixy="0" ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
</inertial>
</another>
</xacro:pr2_caster>
文件包含
比如传感器一个文件，机器人本体一个文件，移动底盘一个文件，用一个文件include三个文件拼在一起
<xacro:include filename="$(find package)/other_file.xacro" />
<xacro:include filename="other_file.xacro" />
<xacro:include filename="$(cwd)/other_file.xacro" />
2. 机械臂URDF建模
以一个6轴机器人为例，下图是在rviz中加载xacro文件后的显示
6 DOF robot
颜色定义
<material name="Black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
<material name="White">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
<material name="Blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
<material name="Red">
<color rgba="1 0 0 1"/>
</material>
link定义
包含可视化，惯性矩阵，碰撞检测三个部分
<link name="link0">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
</geometry>
<material name="White" />
</visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
</geometry>
</collision>
<cylinder_inertial_matrix m="${link0_mass}" r="${link0_radius}" h="${link0_length}"/>
</link>
joint定义
<joint name="joint1" type="revolute">
<parent link="link0"/>
<child link="link1"/>
<origin xyz="0 0 ${link0_length/2}" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
<axis xyz="-1 0 0" />
<limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}"/>
</joint>
参数定义
<!-- Constants -->
<xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>
<!-- link1 properties -->
<xacro:property name="link0_radius" value="0.05" />
<xacro:property name="link0_length" value="0.04" />
<xacro:property name="link0_mass" value="1" />
下面是在rviz中可视化该模型的launch文件，
<launch>
<arg name="model" />
<!-- 加载机器人模型参数 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder $(find marm_description)/urdf/marm.xacro" />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find marm_description)/urdf.rviz" required="true" />
</launch>
3. 从SolidWorks三维模型导出URDF
真实的机械臂不会是这样的圆柱、方块组成的简单模型，真实场景是购买到厂商机械臂本体后，对方给你一个3D模型文件，如.stp文件，需要solidworks转成urdf导入ROS中使用。
步骤如下：
-
在solidworks里加载模型（以UR3的STP模型文件为例）
导入3D模型 -
安装插件sw2urdfSetup做配置，link的部分，joint关系
插件下载地址
a) 插入基准轴，如图共6个axis
插入旋转轴
b) 工具--->File--->Export as URDF
依次添加7个link（多出来的一个是基座base_link）和6个joint，如图：
添加joint和link
添加完成后，点击preview and export，在弹出来的窗口中，依次配置joint限位参数，当然留到URDF文件中手动添加tag也可以。
配置joint限位
最后next，finish，选择功能包保存路径，这个功能包将会在ROS中使用。
导出的功能包
c) 修复一些小问题
直接编译功能包会出现一些错误，还需要修改一些小的问题：
（1）email地址，如下图的第10行，需改为xxx@xxx.xxx的形式
修改email地址
（2）修改display.launch文件中的urdf文件路径
修改urdf文件路径
- 测试模型显示
得到正确的模型功能包后，在rviz中测试一下模型是否正确显示以及各个关节运动是否正常。
i5@i5-ThinkPad-T460p:~/ws_moveit$ catkin_make
i5@i5-ThinkPad-T460p:~/ws_moveit$ roslaunch ur3 display.launch
打开rviz后，将Fixed frame更改为base_link，点击Add，添加RobotModel
rviz
