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）；
  

1.3 URDF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：

1. <?xml version="1.0"?>
2. <?xml-model href="https://raw.githubusercontent.com/ros/urdfdom/master/xsd/urdf.xsd" ?>
3. <robot name="pr2" xmlns="http://www.ros.org">
4.   <link> ... </link>
5.   <link> ... </link>
6.   <link> ... </link>
8.   <joint>  ....  </joint>
9.   <joint>  ....  </joint>
10.   <joint>  ....  </joint>
11. </robot>

复制代码

可以看到，URDF格式的根元素是一个  元素。
1.3.1 link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：

1. <link name="my_link">
2.   <inertial>
3.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
4.     <mass value="1"/>
5.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
6.   </inertial>
8.   <visual>
9.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
10.     <geometry>
11.       <box size="1 1 1" />
12.     </geometry>
13.     <material name="Cyan">
14.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
15.     </material>
16.   </visual>
18.   <collision>
19.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
20.     <geometry>
21.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
22.     </geometry>
23.   </collision>
24. </link>

复制代码

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  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  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：
  
  
  
  • 
    
    
    
    • size属性包含长方体的三个边长，长方体的原点位于其中心；
      
    
    
  • 
    
    
    
    • 指定半径和长度。圆柱体的原点位于其中心；
      
    
    
  • 
    
    
    
    • 指定半径。球体的原点位于其中心；
      
    
    
  • 
    
    
    
    • 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:/// 可以使网格文件的路径相对于包 。
      
    
    
  
  
• 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；
  
  
  
  • (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]；
      
    
    
  • (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，里边的内容似乎和一样，也有和，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。
  

1.3.2 joint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：

1. <joint name="my_joint" type="floating">
2.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
3.    <parent link="link1"/>
4.    <child link="link2"/>
6.    <calibration rising="0.0"/>
7.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
8.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
9.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
10. </joint>

复制代码

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。
1.3.2.1 origin

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。
  

1.3.2.2 parent

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。
  

1.3.2.3 child

child描述子连杆名称，元素属性有：

• link：作为子连杆的连杆名称。
  

1.3.2.4 calibration

关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置。
1.3.2.5 dynamics  

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。
1.3.2.6 limit   

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。
1.3.2.7 mimic   

描述该关节与已有关节的关系。
1.3.2.8 safety_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；

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

复制代码

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：

1. import os
2. from glob import glob
4.     ...
6.     data_files=[
7.         ('share/ament_index/resource_index/packages',
8.             ['resource/' + package_name]),
9.         ('share/' + package_name, ['package.xml']),
10.         (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*.launch.py'))),
11.         (os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob(os.path.join('urdf', '*.*'))),
12.         (os.path.join('share', package_name, 'urdf/sensors'), glob(os.path.join('urdf/sensors', '*.*'))),
13.         (os.path.join('share', package_name, 'meshes'), glob(os.path.join('meshes', '*.*'))),
14.         (os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.rviz'))),
15.     ],
17.     ...

复制代码

2.1 模型文件

在urdf下新建文件mbot_base.urdf；

1. <link name="my_link">
2.   <inertial>
3.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
4.     <mass value="1"/>
5.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
6.   </inertial>
8.   <visual>
9.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
10.     <geometry>
11.       <box size="1 1 1" />
12.     </geometry>
13.     <material name="Cyan">
14.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
15.     </material>
16.   </visual>
18.   <collision>
19.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
20.     <geometry>
21.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
22.     </geometry>
23.   </collision>
24. </link><link name="my_link">
25.   <inertial>
26.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
27.     <mass value="1"/>
28.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
29.   </inertial>
31.   <visual>
32.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
33.     <geometry>
34.       <box size="1 1 1" />
35.     </geometry>
36.     <material name="Cyan">
37.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
38.     </material>
39.   </visual>
41.   <collision>
42.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
43.     <geometry>
44.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
45.     </geometry>
46.   </collision>
47. </link><link name="my_link">
48.   <inertial>
49.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
50.     <mass value="1"/>
51.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
52.   </inertial>
54.   <visual>
55.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
56.     <geometry>
57.       <box size="1 1 1" />
58.     </geometry>
59.     <material name="Cyan">
60.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
61.     </material>
62.   </visual>
64.   <collision>
65.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
66.     <geometry>
67.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
68.     </geometry>
69.   </collision>
70. </link><link name="my_link">
71.   <inertial>
72.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
73.     <mass value="1"/>
74.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
75.   </inertial>
77.   <visual>
78.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
79.     <geometry>
80.       <box size="1 1 1" />
81.     </geometry>
82.     <material name="Cyan">
83.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
84.     </material>
85.   </visual>
87.   <collision>
88.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
89.     <geometry>
90.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
91.     </geometry>
92.   </collision>
93. </link><link name="my_link">
94.   <inertial>
95.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
96.     <mass value="1"/>
97.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
98.   </inertial>
100.   <visual>
101.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
102.     <geometry>
103.       <box size="1 1 1" />
104.     </geometry>
105.     <material name="Cyan">
106.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
107.     </material>
108.   </visual>
110.   <collision>
111.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
112.     <geometry>
113.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
114.     </geometry>
115.   </collision>
116. </link><link name="my_link">
117.   <inertial>
118.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
119.     <mass value="1"/>
120.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
121.   </inertial>
123.   <visual>
124.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
125.     <geometry>
126.       <box size="1 1 1" />
127.     </geometry>
128.     <material name="Cyan">
129.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
130.     </material>
131.   </visual>
133.   <collision>
134.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
135.     <geometry>
136.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
137.     </geometry>
138.   </collision>
139. </link><link name="my_link">
140.   <inertial>
141.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
142.     <mass value="1"/>
143.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
144.   </inertial>
146.   <visual>
147.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
148.     <geometry>
149.       <box size="1 1 1" />
150.     </geometry>
151.     <material name="Cyan">
152.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
153.     </material>
154.   </visual>
156.   <collision>
157.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
158.     <geometry>
159.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
160.     </geometry>
161.   </collision>
162. </link><link name="my_link">
163.   <inertial>
164.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
165.     <mass value="1"/>
166.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
167.   </inertial>
169.   <visual>
170.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
171.     <geometry>
172.       <box size="1 1 1" />
173.     </geometry>
174.     <material name="Cyan">
175.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
176.     </material>
177.   </visual>
179.   <collision>
180.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
181.     <geometry>
182.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
183.     </geometry>
184.   </collision>
185. </link><link name="my_link">
186.   <inertial>
187.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
188.     <mass value="1"/>
189.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
190.   </inertial>
192.   <visual>
193.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
194.     <geometry>
195.       <box size="1 1 1" />
196.     </geometry>
197.     <material name="Cyan">
198.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
199.     </material>
200.   </visual>
202.   <collision>
203.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
204.     <geometry>
205.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
206.     </geometry>
207.   </collision>
208. </link><link name="my_link">
209.   <inertial>
210.     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
211.     <mass value="1"/>
212.     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
213.   </inertial>
215.   <visual>
216.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
217.     <geometry>
218.       <box size="1 1 1" />
219.     </geometry>
220.     <material name="Cyan">
221.       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
222.     </material>
223.   </visual>
225.   <collision>
226.     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
227.     <geometry>
228.       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
229.     </geometry>
230.   </collision>
231. </link>        

复制代码

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。
2.1.1 1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。
2.1.2 2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；
  

2.1.3 2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）。
  

2.2 launch文件

在launch文件夹下创建display.launch.py文件；

1. from ament_index_python.packages import get_package_share_pathfrom launch import LaunchDescriptionfrom launch.actions import DeclareLaunchArgumentfrom launch.conditions import IfCondition, UnlessConditionfrom launch.substitutions import Command, LaunchConfigurationfrom launch_ros.actions import Nodefrom launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValuedef 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'],<joint name="my_joint" type="floating">
2.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
3.    <parent link="link1"/>
4.    <child link="link2"/>
6.    <calibration rising="0.0"/>
7.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
8.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
9.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
10. </joint>               description='Flag to enable joint_state_publisher_gui')        # 命令行参数：--model ，指定URDF文件路径    model_arg = DeclareLaunchArgument(name='model', default_value=str(default_model_path),<joint name="my_joint" type="floating">
11.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
12.    <parent link="link1"/>
13.    <child link="link2"/>
15.    <calibration rising="0.0"/>
16.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
17.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
18.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
19. </joint>                 description='Absolute path to robot urdf file')        # 命令行参数：--rvizconfig ，指定RViz配置文件    rviz_arg = DeclareLaunchArgument(name='rvizconfig', default_value=str(default_rviz_config_path),<joint name="my_joint" type="floating">
20.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
21.    <parent link="link1"/>
22.    <child link="link2"/>
24.    <calibration rising="0.0"/>
25.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
26.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
27.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
28. </joint>                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')]),<joint name="my_joint" type="floating">
29.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
30.    <parent link="link1"/>
31.    <child link="link2"/>
33.    <calibration rising="0.0"/>
34.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
35.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
36.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
37. </joint>                  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    ])

复制代码

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:

1. 用户通过滑动条/GUI或程序 → joint_state_publisher(_gui)<joint name="my_joint" type="floating">
2.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
3.    <parent link="link1"/>
4.    <child link="link2"/>
6.    <calibration rising="0.0"/>
7.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
8.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
9.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
10. </joint>                ↓ 发布/joint_states话题<joint name="my_joint" type="floating">
11.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
12.    <parent link="link1"/>
13.    <child link="link2"/>
15.    <calibration rising="0.0"/>
16.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
17.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
18.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
19. </joint>   robot_state_publisher<joint name="my_joint" type="floating">
20.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
21.    <parent link="link1"/>
22.    <child link="link2"/>
24.    <calibration rising="0.0"/>
25.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
26.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
27.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
28. </joint>                ↓ 计算并发布TF变换<joint name="my_joint" type="floating">
29.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
30.    <parent link="link1"/>
31.    <child link="link2"/>
33.    <calibration rising="0.0"/>
34.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
35.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
36.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
37. </joint>         rviz2 和其他节点<joint name="my_joint" type="floating">
38.    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
39.    <parent link="link1"/>
40.    <child link="link2"/>
42.    <calibration rising="0.0"/>
43.    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
44.    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
45.    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
46. </joint>                ↓ 接收TF并可视化

复制代码

2.3 urdf.rviz

在rviz目录下新建urdf.rviz文件；

1. Panels:
2.   - Class: rviz_common/Displays
3.     Name: Displays
4.   - Class: rviz_common/Views
5.     Name: Views
6. Visualization Manager:
7.   Class: ""
8.   Displays:
9.     - Class: rviz_default_plugins/Grid
10.       Name: Grid
11.       Value: true
12.     - Alpha: 0.8
13.       Class: rviz_default_plugins/RobotModel
14.       Description Source: Topic
15.       Description Topic:
16.         Value: /robot_description
17.       Enabled: true
18.       Name: RobotModel
19.       Value: true
20.     - Class: rviz_default_plugins/TF
21.       Name: TF
22.       Value: true
23.   Global Options:
24.     Fixed Frame: base_link
25.     Frame Rate: 30
26.   Name: root
27.   Tools:
28.     - Class: rviz_default_plugins/MoveCamera
29.   Value: true
30.   Views:
31.     Current:
32.       Class: rviz_default_plugins/Orbit
33.       Distance: 1.7
34.       Name: Current View
35.       Pitch: 0.33
36.       Value: Orbit (rviz)
37.       Yaw: 5.5
38. Window Geometry:
39.   Height: 800
40.   Width: 1200

复制代码

2.4 编译运行

编译程序：

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

复制代码

2.4.1 可视化

启动终端，运行如下命令；

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

复制代码

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，这个机器人由五个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;

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

复制代码

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)

来源：程序园用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除
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新版吗？好像是停更了吧。

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