6.4 URDF使用语法【万字解析赶紧码住】
6.4 URDF使用语法
URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单的，可以主要简化为两部分:连杆(link标签) 与 关节(joint标签)，本节会介绍这些标签的使用语法，并通过相关案例强化大家对标签的认识，主要标签如下：
robot 标签，这是整个 urdf 文件的根标签；
link 标签，用于描述机器人刚体部分的标签；
joint 标签，是用于连接不同刚体的“关节”。
除了 URDF 的使用语法之外，本节还会介绍一些常用的 urdf 工具，通过工具可以验证 urdf 文件是否存在语法或逻辑异常。
6.4.1 URDF语法01_robot
1.简介
urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了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。
2.属性
name：主文件必须具有名称属性， name 属性在被包含的文件中是可选的。如果在被包含文件中指定了属性名称，则它必须具有与主文件中相同的值。
3.子标签
其他标签都是其子级标签。
4.示例
6.4.2 URDF语法02_link
1.简介
urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头...每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性。
2.属性
name（必填）：为连杆命名。
3.子标签
<visual>（可选）：用于描述link的可视化属性，可以设置link的形状（立方体、球体、圆柱等）。
name（可选）：指定link名称，此名称会映射为同名坐标系，还可以通过引用该值定位定位link。
<geometry>（必填）：用于设置link的形状，比如：立方体、球体或圆柱。
<box>：立方体标签，通过size属性设置立方体的边长，原点为其几何中心。
<cylinder>：圆柱标签，通过radius属性设置圆柱半径，通过length属性设置圆柱高度，原点为其几何中心。
<sphere>：球体标签，通过radius属性设置球体半径，原点为其几何中心。
<mesh>：通过属性filename引用“皮肤”文件，为link设置外观，该文件必须是本地文件。使用 package://<packagename>/<path>为文件名添加前缀。
<origin>（可选）：用于设置link的相对偏移量以及旋转角度，如未指定则使用默认值（无偏移且无旋转）。
xyz：表示x、y、z三个维度上的偏移量（以米为单位），不同数值之间使用空格分隔，如未指定则使用默认值（三个维度无偏移）。
rpy：表示翻滚、俯仰与偏航的角度（以弧度为单位），不同数值之间使用空格分隔，如未指定则使用默认值（三个维度无旋转）。
<material>（可选）：视觉元素的材质。也可以在根标签robot中定义material标签，然后，可以在link中按名称进行引用。
name（可选）：为material指定名称，可以通过该值进行引用。
<color>（可选）：rgba 材质的颜色，由代表red/green/blue/alpha 的四个数字组成，每个数字的范围为 [0,1]。
<texture>（可选）：材质的纹理，可以由属性filename设置。
<collision>（可选）：link的碰撞属性。可以与link的视觉属性一致，也可以不同，比如：我们会通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间，或者设置的值大于link的视觉属性，以尽量避免碰撞。另外，同一链接可以存在多个 <collision>标签实例，多个几何图形组合表示link的碰撞属性。
name（可选）：为collision设置名称。
<geometry>（必须）：请参考visual标签的geometry使用规则。
<origin>（可选）：请参考visual标签的origin使用规则。
<inertial>（可选）：用于设置link的质量、质心位置和中心惯性特性，如果未指定，则默认为质量为0、惯性为0。
<origin>（可选）：该位姿（平移、旋转）描述了链接的质心框架 C 相对于链接框架 L 的位置和方向。
xyz：表示从 Lo（链接框架原点）到 Co（链接的质心）的位置向量为 x L̂x + y L̂y + z L̂z，其中 L̂x、L̂y、L̂z 是链接框架 L 的正交单位向量。
rpy：将 C 的单位向量 Ĉx、Ĉy、Ĉz 相对于链接框架 L 的方向表示为以弧度为单位的欧拉旋转序列 (r p y)。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz 不需要与连杆的惯性主轴对齐。
<mass>（必填）：通过其value属性设置link的质量。
<inertia>（必填）：对于固定在质心坐标系 C 中的单位向量 Ĉx、Ĉy、Ĉz，该连杆的惯性矩 ixx、iyy、izz 以及关于 Co（连杆的质心）的惯性 ixy、ixz、iyz 的乘积。
注意：<collision> 和 <inertial> 在仿真环境下才需要使用到，如果只是在 rviz2 中集成 urdf，那么不必须为 link 定义这两个标签。
4.示例
1.需求
分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo02_link.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
6.4.3 URDF语法03_joint
1.简介
urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以”关节“的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制....,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。
2.属性
name（必填）：为关节命名，名称需要唯一。
type（必填）：设置关节类型，可用类型如下：
continuous：旋转关节，可以绕单轴无限旋转。
revolute：旋转关节，类似于 continues，但是有旋转角度限制。
prismatic：滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限。
planer：平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转。
floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动。
fixed：固定关节，不允许运动的特殊关节。
3.子标签
<parent>（必填）：指定父级link。
link（必填）：父级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
<child>（必填）：指定子级link。
link（必填）：子级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
<origin>（可选）：这是从父link到子link的转换，关节位于子link的原点。
xyz：各轴线上的偏移量。
rpy：各轴线上的偏移弧度。
<axis>（可选）：如不设置，默认值为（1，0，0）。
xyz：用于设置围绕哪个关节轴运动。
<calibration>（可选）：关节的参考位置，用于校准关节的绝对位置。
rising（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发上升沿。
falling（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发下降沿。
<dynamics>（可选）：指定接头物理特性的元素。这些值用于指定关节的建模属性，对仿真较为有用。
damping（可选）：关节的物理阻尼值，默认为0。
friction（可选）：关节的物理静摩擦值，默认为0。
<limit>（关节类型是revolute或prismatic时为必须的）：
lower（可选）：指定关节下限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。
upper（可选）：指定关节上限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。
effort（必填）：指定关节可受力的最大值。
velocity（必填）：用于设置最大关节速度（旋转关节以弧度每秒 [rad/s] 为单位，棱柱关节以米每秒 [m/s] 为单位）。
<mimic>（可选）：此标签用于指定定义的关节模仿另一个现有关节。该关节的值可以计算为value = multiplier * other_joint_value + offset。
joint（必填）：指定要模拟的关节的名称。
multiplier（可选）：指定上述公式中的乘法因子。
offset（可选）：指定要在上述公式中添加的偏移量，默认为 0（旋转关节的单位是弧度，棱柱关节的单位是米）。
<safety_controller>（可选）：安全控制器。
soft_lower_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的下关节边界，此限制需要大于joint下限。
soft_upper_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的关节上边界的属性，此限制需要小于joint上限。
k_position（可选）：指定位置和速度限制之间的关系。
k_velocity（必填）：指定力和速度限制之间的关系。
4.示例
1.需求
创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo03_joint.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
执行指令后，会弹出一个新的窗口，在该窗口中有一个”进度条“，通过拖拽进度条可以控制相机旋转。
5.使用base_footprint优化urdf
1.需求
前面实现的机器人模型是半沉到地下的，因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了，这个初始 link 一般称之为 base_footprint。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo04_basefootprint.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
编译后，工作空间终端下调用如下命令执行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo04_basefootprint.urdf
执行指令后，在 rviz2 将Fixed Frame设置为base_footprint，机器人模型将正常显示在”地面“上。
6.4.4 URDF练习
1.需求
创建一个四轮机器人模型，机器人参数如下：底盘为长方体状，长20cm宽12cm高7cm，车轮半径为2.5cm，车轮厚度为2cm，底盘离地间距为 1.5cm。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo05_exercise.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
编译后，工作空间终端下调用如下命令执行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo05_exercise.urdf
命令执行后，rviz2 中可以显示与需求类似的机器人模型。
6.4.5 URDF工具
在 ROS2 中，提供了一些URDF文件相关的工具，比如:
check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题；
urdf_to_graphviz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系。
当然，要使用工具之前，请先安装，安装命令：sudo apt install liburdfdom-tools。
1.check_urdf 语法检查
进入urdf文件所属目录，调用：check_urdf urdf文件，如果不抛出异常，说明文件合法，否则非法。
示例，终端下进入功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录，执行如下命令：
check_urdf demo05_exercise.urdf
urdf 文件如无异常，将显示urdf中link的层级关系，如下图所示：
否则将会给出错误提示。
2.urdf_to_graphviz 结构查看
进入urdf文件所属目录，调用:urdf_to_graphviz urdf文件，当前目录下会生成 pdf 文件。
示例，终端下进入功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录，执行如下命令：
urdf_to_graphviz demo05_exercise.urdf
当前目录下，将生成以urdf中robot名称命名的.pdf和.gv文件，打开pdf文件会显示如下图内容：
在上图中会以树形结构显示link与joint的关系。
注意：该工具以前名为urdf_to_graphiz现建议使用urdf_to_graphviz替代。
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