ROS2之URDF建模

ROS是机器人操作系统，当然要给机器人使用啦，不过在使用之前，还得让ROS认识下我们使用的机器人，如何把一个机器人介绍给ROS呢？

为此，ROS专门提供了一种机器人建模方法——URDF，用来描述机器人外观、性能等各方面属性。

一、URDF语法

1.1 机器人的组成

建模描述机器人的过程中，我们自己需要先熟悉机器人的组成和参数，比如机器人一般是由硬件结构、驱动系统、传感器系统、控制系统四大部分组成，市面上一些常见的机器人，无论是移动机器人还是机械臂，我们都可以按照这四大组成部分进行分解。

其中：

• 硬件结构就是底盘、外壳、电机等实打实可以看到的设备；
• 驱动系统就是可以驱使这些设备正常使用的装置，比如电机的驱动器，电源管理系统等；
• 传感系统包括电机上的编码器、板载的IMU、安装的摄像头、雷达等等，便于机器人感知自己的状态和外部的环境；
• 控制系统就是我们开发过程的主要载体了，一般是树莓派、电脑等计算平台，以及里边的操作系统和应用软件。

机器人建模的过程，其实就是按照类似的思路，通过建模语言，把机器人每一个部分都描述清楚，再组合起来的过程。

1.2 什么是URDF

URDF(Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式)是一种XML格式的文件，用于从物理和逻辑上描述一个机器人模型。

你可以把它理解为机器人的数字说明书或三维装配图，它告诉计算机：

• 机器人由哪些零件(连杆、关节)组成；
• 这些零件长什么样(形状、尺寸、颜色)；
• 零件之间如何连接(位置、旋转、运动类型)；
• 零件的物理属性(质量、惯性)；

1.3URDF组成

URDF主要描述两大核心元素：

• 连杆(Link)：代表机器人的刚性部件，如机械臂的每一节臂杆、底盘、轮子、传感器支架等，包括：
  • 视觉属性：形状(立方体、圆柱体、网格模型)、尺寸、颜色、纹理；
  • 碰撞属性：用于物理仿真的简化几何形状；
  • 惯性属性：质量、转动惯量(对仿真至关重要)。
• 关节(Joint)：定义连杆之间的连接方式和运动关系，主要类型：
  • 固定关节(fixed)：完全固定连接；
  • 旋转关节(revolute)：绕单轴旋转，有角度限制(如机械臂关节)；
  • 连续关节(continuous)：无限旋转(如轮子)；
  • 平移关节(prismatic)：线性滑动；
  • 平面关节(planar)：在平面内运动；
  • 浮动关节(floating)：完全自由(6自由度)。

机器人描述由一组连杆元素和一组将连杆连接起来的关节元素组成；

因此，典型的机器人描述大致如下所示：

<?xml version="1.0"?> <?xml-model href="https://raw.githubusercontent.com/ros/urdfdom/master/xsd/urdf.xsd" ?> <robot name="pr2" xmlns="http://www.ros.org"> <link> ... </link> <link> ... </link> <link> ... </link> <joint> .... </joint> <joint> .... </joint> <joint> .... </joint> </robot>

可以看到，URDF格式的根元素是一个<robot>元素。

1.3.1link元素

link元素描述了一个具有惯性、视觉特征和碰撞属性的刚体。以下是一个link元素的示例：

<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>

link元素有一个属性，即name(必选)：用来描述连杆本身的名称.。此外，link包含若干部元素，接下来我们一一介绍。

1.3.1.1 惯性属性inertial

inertial(可选)：用于描述连杆的质量、其质心的位置以及其中心惯性属性。

其下可以包含如下元素：

• origin(可选)：此位姿(平移、旋转)描述了连杆质心坐标系C相对于连杆坐标系L的位置和方向。
  • xyz(可选)：表示从Lo(连杆坐标系原点)到Co(连杆质心)的位置向量，形式为x L̂x + y L̂y + z L̂z，其中L̂x、L̂y、L̂z是连杆坐标系L的正交单位向量；
  • rpy(可选)：表示C的单位向量Ĉx、Ĉy、Ĉz相对于连杆坐标系L的方向，以欧拉旋转(横滚roll、俯仰pitch、偏航yaw)序列表示，单位为弧度。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz不需要与连杆的惯性主轴对齐；
• mass：连杆的质量由该元素的value属性表示；
• inertia：此连杆关于Co(连杆质心)的惯性矩ixx、iyy、izz和惯性积ixy、ixz、iyz，这些值对应于固定在质心坐标系C中的单位向量Ĉx、Ĉy、Ĉz。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz相对于L̂x、L̂y、L̂z的方向由<origin>标签中的rpy值指定。

1.3.1.2 视觉属性visual

visual(可选)：连杆的视觉属性，此元素指定了用于可视化目的的对象形状(长方体、圆柱体等)。

注意：同一个连杆可以存在多个<visual>标签实例。它们定义的几何体的并集形成了该连杆的视觉表示。

其下可以包含如下元素：

• origin(可选)：视觉元素相对于连杆坐标系的参考坐标系；
  • xyz(可选)：分别是x、y、z方向上的平移；
  • py(可选)：表示固定轴的横滚、俯仰和偏航角度，单位为弧度；
• geometry(必选)：表示几何形状，可以是以下之一：
  • <box>
    • size属性包含长方体的三个边长，长方体的原点位于其中心；
  • <cylinder>
    • 指定半径和长度。圆柱体的原点位于其中心；
  • <sphere>
    • 指定半径。球体的原点位于其中心；
  • <mesh>
    • 由文件名指定的三角网格元素，以及一个可选的缩放比例，用于缩放网格的轴对齐边界框。任何几何格式都可以接受，但具体应用程序的兼容性取决于实现。对于最佳纹理和颜色支持，推荐的格式是Collada .dae文件。引用同一模型的机器之间不会传输网格文件。它必须是本地文件。在文件名前加上package://<packagename>/<path>可以使网格文件的路径相对于包<packagename>。
• material(可选)：视觉元素的材质，其name属性可以用于指定材质的名称；
  • <color>(可选)
    • rgba由一组四个数字(代表红/绿/蓝/透明度alpha)指定的材质颜色，每个数字的范围为 [0,1]；
  • <texture>(可选)
    • 材质的纹理由文件名指定。

1.3.1.3 碰撞属性collision

collision用于描述碰撞参数，里边的内容似乎和<visual>一样，也有<geometry>和<origin>，看似相同，其实区别还是比较大的；

• origin(可选)：碰撞元素相对于连杆坐标系的参考坐标系；
  • xyz(可选)：分别是x、y、z方向上的平移；
  • py(可选)：表示固定轴的横滚、俯仰和偏航角度，单位为弧度；
• geometry：请参见上述视觉元素中的几何描述。

1.3.2joint元素

joint元素描述了关节的运动学和动力学特性，并指定了关节的安全限制。

以下是一个joint元素的示例：

<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>

下面图中，蓝色关节表示出一个运动的轴，蓝色关节是可以围绕蓝色的轴旋转的，也就是child这个link是可以围绕joint上下旋转。

joint连接两个link，需要分一个主次关系，主关节是parent link，子关节是child link， 在xml形式的描述中这个两个link是必须存在的。

joint元素有两个属性：

• name(必须)：指定关节的唯一名称；

• type(必须)：指定关节的类型，类型可以是以下之一；

  • revolute：旋转关节，和continuous类型的区别在于不能无限旋转，而是带有角度限制，比如机械臂的两个连杆，就属于这种运动；

  • continuous：旋转关节，可以围绕单轴无限旋转；比如小车的轮子，就属于这种类型；

  • prismatic：滑动关节，可以沿某一个轴平移，也带有位置的极限，一般直线电机就是这种运动方式；

  • fixed：固定关节，是唯一一种不允许运动的关节，不过使用还是比较频繁的，比如相机这个连杆，安装在机器人上，相对位置是不会变化的，此时使用的连接方式就是fixed；

  • floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动；

  • planar：平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转；

此外，joint包含若干部元素，接下来我们挑选部分介绍介绍。

1.3.2.1origin

origin(可选)：表示从父连杆到子连杆的变换，元素属性有：

• xyz(可选)：表示x、y、z偏移量，所有位置均以米为单位指定；
• rpy(可选)：表示绕固定轴的旋转：先绕x轴横滚(roll)，然后绕y轴俯仰(pitch)，最后绕z轴偏航(yaw)，所有角度均以弧度为单位指定。

1.3.2.2parent

parent描述父连杆名称，元素属性有：

• link：在机器人树结构中作为此连杆父连杆的连杆名称。

1.3.2.3child

child描述子连杆名称，元素属性有：

• link：作为子连杆的连杆名称。

1.3.2.4calibration

关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置。

1.3.2.5dynamics

描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到。

1.3.2.6limit

描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置、速度限制、力矩限制等。

1.3.2.7mimic

描述该关节与已有关节的关系。

1.3.2.8safety_controller

描述安全控制器参数。保护机器人关节的运动。

二、URDF案例

创建my_learning_urdf的Python版本的功能包；

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ cd src pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src$ ros2 pkg create --build-type ament_python my_learning_urdf

在包中创建如下文件夹：

• urdf：存放机器人模型的URDF或xacro文件；
• meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件；
• launch：保存相关启动文件；
• rviz：保存rviz的配置文件。

我们需要修改setup.py文件，添加配置文件：

import os from glob import glob ... data_files=[ ('share/ament_index/resource_index/packages', ['resource/' + package_name]), ('share/' + package_name, ['package.xml']), (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*.launch.py'))), (os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob(os.path.join('urdf', '*.*'))), (os.path.join('share', package_name, 'urdf/sensors'), glob(os.path.join('urdf/sensors', '*.*'))), (os.path.join('share', package_name, 'meshes'), glob(os.path.join('meshes', '*.*'))), (os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.rviz'))), ], ...

2.1 模型文件

在urdf下新建文件mbot_base.urdf；

<?xml version="1.0" ?> <robot name="mbot"> <link name="base_link"> <visual> <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" /> <!-- 机器人中心，坐标系原点 --> <geometry> <cylinder length="0.16" radius="0.20"/> <!-- 直径0.4m，高0.16m的圆柱 --> </geometry> <material name="yellow"> <color rgba="1 0.4 0 1"/> <!-- 橙黄色 --> </material> </visual> </link> <joint name="left_wheel_joint" type="continuous"> <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/> <!-- 位置：Y轴+0.19，Z轴-0.05 --> <parent link="base_link"/> <child link="left_wheel_link"/> <axis xyz="0 1 0"/> <!-- 绕Y轴旋转 --> </joint> <link name="left_wheel_link"> <visual> <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" /> <!-- 旋转90度(π/2=1.5707) --> <geometry> <cylinder radius="0.06" length = "0.025"/> <!-- 半径0.06m，厚0.025m --> </geometry> <material name="white"> <color rgba="1 1 1 0.9"/> </material> </visual> </link> <joint name="right_wheel_joint" type="continuous"> <origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/> <parent link="base_link"/> <child link="right_wheel_link"/> <axis xyz="0 1 0"/> </joint> <link name="right_wheel_link"> <visual> <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" /> <geometry> <cylinder radius="0.06" length = "0.025"/> </geometry> <material name="white"> <color rgba="1 1 1 0.9"/> </material> </visual> </link> <joint name="front_caster_joint" type="continuous"> <origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/> <parent link="base_link"/> <child link="front_caster_link"/> <axis xyz="0 1 0"/> </joint> <link name="front_caster_link"> <visual> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <geometry> <sphere radius="0.015" /> </geometry> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 0.95"/> </material> </visual> </link> <joint name="back_caster_joint" type="continuous"> <origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/> <parent link="base_link"/> <child link="back_caster_link"/> <axis xyz="0 1 0"/> </joint> <link name="back_caster_link"> <visual> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/> <geometry> <sphere radius="0.015" /> </geometry> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 0.95"/> </material> </visual> </link> </robot>

这将会创建一个两轮差分驱动机器人的URDF模型，包含若干个部分。

2.1.11个主体base_link

圆柱体(直径0.4米，高0.16米)，橙黄色，机器人中心，坐标系原点。

2.1.22个驱动轮(左右轮)

分别为left_wheel_link、right_wheel_link：

• left_wheel_link：
  • 圆柱体(半径0.06米，厚度0.025米)；
  • 在基座坐标系中(0, 0.19, -0.05)；
  • 关节类型：continuous(连续旋转关节，无限旋转)；
  • 旋转轴：绕Y轴(0, 1, 0)；
  • 视觉旋转：rpy="1.5707 0 0"将圆柱旋转90度，使其直立(假设原始圆柱是平放的)；
• right_wheel_link：与左轮对称布置，Y坐标为负；

2.1.32个万向轮(前后脚轮，用于支撑)

分别为front_caster_link、back_caster_link：

• front_caster_link：
  • 形状：小球体(半径0.015米)，模拟万向轮；
  • 在基座坐标系中前方(0.18, 0, -0.095)；
  • 颜色：黑色；
• back_caster_link：与前万向轮对称布置，X坐标为负(-0.18)。

2.2launch文件

在launch文件夹下创建display.launch.py文件；

from ament_index_python.packages import get_package_share_path from launch import LaunchDescription from launch.actions import DeclareLaunchArgument from launch.conditions import IfCondition, UnlessCondition from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration from launch_ros.actions import Node from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue def generate_launch_description(): urdf_tutorial_path = get_package_share_path('my_learning_urdf') # 设置默认的URDF文件和RViz配置文件路径 default_model_path = urdf_tutorial_path / 'urdf/mbot_base.urdf' default_rviz_config_path = urdf_tutorial_path / 'rviz/urdf.rviz' # 命令行参数：--gui true/false，控制是否使用GUI界面发布关节状态 gui_arg = DeclareLaunchArgument(name='gui', default_value='false', choices=['true', 'false'], description='Flag to enable joint_state_publisher_gui') # 命令行参数：--model <路径>，指定URDF文件路径 model_arg = DeclareLaunchArgument(name='model', default_value=str(default_model_path), description='Absolute path to robot urdf file') # 命令行参数：--rvizconfig <路径>，指定RViz配置文件 rviz_arg = DeclareLaunchArgument(name='rvizconfig', default_value=str(default_rviz_config_path), description='Absolute path to rviz config file') # 关键：使用xacro命令解析URDF文件(支持参数化、宏等高级特性) robot_description = ParameterValue(Command(['xacro ', LaunchConfiguration('model')]), value_type=str) # robot_state_publisher 节点 robot_state_publisher_node = Node( package='robot_state_publisher', executable='robot_state_publisher', parameters=[{'robot_description': robot_description}] ) # 关节状态发布器(二选一) # 文本版本(无GUI) joint_state_publisher_node = Node( package='joint_state_publisher', executable='joint_state_publisher', condition=UnlessCondition(LaunchConfiguration('gui')) ) # GUI版本(带滑动条控制) joint_state_publisher_gui_node = Node( package='joint_state_publisher_gui', executable='joint_state_publisher_gui', condition=IfCondition(LaunchConfiguration('gui')) ) # rviz2 可视化节点 rviz_node = Node( package='rviz2', executable='rviz2', name='rviz2', output='screen', arguments=['-d', LaunchConfiguration('rvizconfig')], ) return LaunchDescription([ gui_arg, model_arg, rviz_arg, joint_state_publisher_node, joint_state_publisher_gui_node, robot_state_publisher_node, rviz_node ])

这个Launch文件主要做三件事：

• 加载机器人URDF模型(支持xacro格式)；
• 发布机器人的状态变换(TF)；
• 在rviz2中可视化机器人。

2.2.1 节点

脚本运行会创建以下几个节点：

• joint_state_publisher：发布每个joint(除fixed类型)的状态，一个无界面的、基础版的关节状态发布器；
• joint_state_publisher_gui：发布每个joint(除fixed类型)的状态，可以通过UI界面对joint进行控制；
• robot_state_publisher：将机器人各个links、joints之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态信息发布。
• rviz2：在rviz2中可视化机器人；

joint_state_publisher这是一个官方ROS2包，主要功能：

• 输入：

  • 读取URDF中的关节定义；

  • 接收用户或程序指定的关节角度；

• 输出：

  • 发布/joint_states话题，消息类型为sensor_msgs/msg/JointState；

  • 包含所有关节的名称、位置、速度、力等信息。

2.2.2 数据流与节点关系

数据流与节点关系:

用户通过滑动条/GUI或程序 → joint_state_publisher(_gui) ↓ 发布/joint_states话题 robot_state_publisher ↓ 计算并发布TF变换 rviz2 和其他节点 ↓ 接收TF并可视化

2.3urdf.rviz

在rviz目录下新建urdf.rviz文件；

Panels: - Class: rviz_common/Displays Name: Displays - Class: rviz_common/Views Name: Views Visualization Manager: Class: "" Displays: - Class: rviz_default_plugins/Grid Name: Grid Value: true - Alpha: 0.8 Class: rviz_default_plugins/RobotModel Description Source: Topic Description Topic: Value: /robot_description Enabled: true Name: RobotModel Value: true - Class: rviz_default_plugins/TF Name: TF Value: true Global Options: Fixed Frame: base_link Frame Rate: 30 Name: root Tools: - Class: rviz_default_plugins/MoveCamera Value: true Views: Current: Class: rviz_default_plugins/Orbit Distance: 1.7 Name: Current View Pitch: 0.33 Value: Orbit (rviz) Yaw: 5.5 Window Geometry: Height: 800 Width: 1200

2.4 编译运行

编译程序：

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ colcon build --paths src/my_learning_urdf pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ source install/setup.sh

2.4.1 可视化

启动终端，运行如下命令；

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ ros2 launch my_learning_urdf display.launch.py

很快就可以看到rviz中显示的机器人模型啦，大家可以使用鼠标拖拽观察；

从可视化的效果来看，这个机器人由5个link和4个joint组成。

2.4.2 查看URDF模型结构

我们分析的对不对呢，可以在模型文件的路径下，使用urdf_to_graphviz这个小工具来分析下;

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src/my_learning_urdf/urdf$ urdf_to_graphviz mbot_base.urdf WARNING: OUTPUT not given. This type of usage is deprecated!Usage: urdf_to_graphviz input.xml [OUTPUT] Will create either $ROBOT_NAME.gv & $ROBOT_NAME.pdf in CWD or OUTPUT.gv & OUTPUT.pdf. Created file mbot.gv Created file mbot.pdf pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src/my_learning_urdf/urdf$ ls mbot_base.urdf mbot.gv mbot.pdf

运行成功后会产生一个pdf文件，打开之后就可以看到URDF模型分析的结果啦，是不是和我们的猜测完全相同呢！

参考文章

[1] 古月居ROS2入门教程学习笔记

[2]ROS中阶笔记(二)：机器人系统设计—URDF机器人建模

[3]XML Robot Description Format(URDF)