夜雨聆风URDF（统一机器人描述格式）是一种用于指定 ROS 中机器人几何结构和组织的文件格式。URDF 文件遵循 XML 格式。
- 从头构建可视化机器人模型
- 构建可移动机器人模型
- 添加物理和碰撞属性
- 使用 Xacro 清理代码
- 使用 robot_state_publisher 与 URDF（C++）（后续再补充）
- 使用 robot_state_publisher 与 URDF（Python）
- 生成 URDF 文件
从头构建可视化机器人模型
目标： 学习如何构建一个可以在 Rviz 中查看的机器人可视化模型。
教程级别： 中级
时间： 20 分钟
目录
单个形状
多个形状
原点
材质
完成模型
注意： 本教程假定您知道如何编写格式良好的 XML 代码。
在本教程中，我们将构建一个看起来有点像 R2D2 的机器人可视化模型。在后续教程中，您将学习如何使模型可关节运动、添加一些物理属性，以及使用 xacro 生成更整洁的代码，但现在，我们专注于使可视化几何正确。
在继续之前，请确保您已安装 joint_state_publisher 包。如果您安装了 urdf_tutorial 二进制文件，这应该已经是这样了。如果没有，请更新您的安装以包含该包（使用 rosdep 检查）。
本教程中提到的所有机器人模型（以及源文件）都可以在 urdf_tutorial 包中找到。
单个形状
首先，我们只探讨一个简单的形状。这是您可以制作的最简单的 urdf。源文件：01-myfirst.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="myfirst">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</visual>
</link>
</robot>将 XML 翻译成英文，这是一个名为 myfirst 的机器人，只包含一个 link（即零件），其可视化组件只是一个长 0.6 米、半径 0.2 米的圆柱体。对于一个简单的“hello world”类型的示例来说，这似乎有很多封闭标签。
要检查该模型，请启动 display.launch.py 文件：
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf这做了三件事：
- 加载指定的模型并将其保存为
robot_state_publisher节点的参数。 - 运行节点以发布
sensor_msgs/msg/JointState和变换（稍后会详细介绍） - 使用配置文件启动 Rviz
启动 display.launch.py 后，您应该会看到 Rviz 显示如下：
需要注意的事项：
- 固定帧是网格中心所在的变换帧。这里，它是由我们的单个 link
base_link定义的帧。 - 可视化元素（圆柱体）默认将其原点定位在其几何中心。因此，圆柱体的一半在网格下方。
多个形状
现在让我们看看如何添加多个形状/link。如果我们只是在 urdf 中添加更多的 link 元素，解析器将不知道把它们放在哪里。因此，我们必须添加关节。关节元素可以指柔性关节和刚性关节。我们将从刚性关节或固定关节开始。源文件：02-multipleshapes.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="multipleshapes">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<link name="right_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_leg"/>
</joint>
</robot>- 注意我们定义了一个 0.6m x 0.1m x 0.2m 的盒子
- 关节是根据父 link 和子 link 来定义的。URDF 最终是一个具有一个根 link 的树形结构。这意味着腿的位置依赖于
base_link的位置。
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/02-multipleshapes.urdf
两个形状彼此重叠，因为它们共享相同的原点。如果我们希望它们不重叠，我们必须定义更多的原点。
原点
R2D2 的腿连接到他躯干的上半部分，在侧面。所以这就是我们指定关节原点的位置。此外，它不是连接到腿的中间，而是连接到上部，所以我们也必须偏移腿的原点。我们还旋转腿使其直立。源文件：03-origins.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="origins">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<link name="right_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_leg"/>
<origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
</joint>
</robot>- 让我们从检查关节的原点开始。它是相对于父 link 的参考系定义的。所以我们在 y 方向（向左，但相对于轴来说是向右）偏移 -0.22 米，在 z 方向（向上）偏移 0.25 米。这意味着子 link 的原点将向上并向右，无论子 link 的可视化原点标签如何。由于我们没有指定 rpy（滚转-俯仰-偏航）属性，子帧将默认具有与父帧相同的方向。
- 现在，查看腿的可视化原点，它同时具有 xyz 和 rpy 偏移。这定义了可视化元素的中心应相对于其原点的位置。由于我们希望腿连接到顶部，我们通过将 z 偏移设置为 -0.3 米来向下偏移原点。并且由于我们希望腿的长部分平行于 z 轴，我们将可视化部分绕 Y 轴旋转 PI/2。
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/03-origins.urdf
- 启动文件运行包，这些包将根据您的 URDF 为模型中的每个 link 创建 TF 帧。Rviz 使用此信息来确定在哪里显示每个形状。
- 如果给定的 URDF link 不存在 TF 帧，则它将放置在原点的白色位置。
材质
“好吧，”我听到你说。“那很可爱，但不是每个人都拥有一台 B21。我的机器人和 R2D2 不是红色的！”这是一个很好的观点。让我们来看看 material 标签。源文件：04-materials.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="materials">
<material name="blue">
<color rgba="0 0 0.8 1"/>
</material>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="blue"/>
</visual>
</link>
<link name="right_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_leg"/>
<origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
</joint>
<link name="left_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_leg"/>
<origin xyz="0 0.22 0.25"/>
</joint>
</robot>- 主体现在是蓝色的。我们定义了一种名为“blue”的新材质，其红、绿、蓝和 alpha 通道分别定义为 0、0、0.8 和 1。所有值都可以在 [0,1] 范围内。然后
base_link的可视化元素引用此材质。白色材质类似地定义。 - 您也可以在 visual 元素内部定义 material 标签，甚至可以在其他 link 中引用它。不过，如果您重新定义它，也不会有人抱怨。
- 您还可以使用纹理来指定用于为对象着色的图像文件。
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/04-materials.urdf
完成模型
现在我们用更多的形状来完成模型：脚、轮子和头。最值得注意的是，我们添加了一个球体和一些网格。我们还将添加一些稍后使用的其他部件。源文件：05-visual.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="visual">
<material name="blue">
<color rgba="0 0 0.8 1"/>
</material>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="blue"/>
</visual>
</link>
<link name="right_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_leg"/>
<origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
</joint>
<link name="right_base">
<visual>
<geometry>
<box size="0.4 0.1 0.1"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="right_base_joint" type="fixed">
<parent link="right_leg"/>
<child link="right_base"/>
<origin xyz="0 0 -0.6"/>
</joint>
<link name="right_front_wheel">
<visual>
<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="right_front_wheel_joint" type="fixed">
<parent link="right_base"/>
<child link="right_front_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
</joint>
<link name="right_back_wheel">
<visual>
<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="right_back_wheel_joint" type="fixed">
<parent link="right_base"/>
<child link="right_back_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
</joint>
<link name="left_leg">
<visual>
<geometry>
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_leg"/>
<origin xyz="0 0.22 0.25"/>
</joint>
<link name="left_base">
<visual>
<geometry>
<box size="0.4 0.1 0.1"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="left_base_joint" type="fixed">
<parent link="left_leg"/>
<child link="left_base"/>
<origin xyz="0 0 -0.6"/>
</joint>
<link name="left_front_wheel">
<visual>
<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="left_front_wheel_joint" type="fixed">
<parent link="left_base"/>
<child link="left_front_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
</joint>
<link name="left_back_wheel">
<visual>
<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="left_back_wheel_joint" type="fixed">
<parent link="left_base"/>
<child link="left_back_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
</joint>
<joint name="gripper_extension" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="gripper_pole"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
</joint>
<link name="gripper_pole">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.2" radius="0.01"/>
</geometry>
<origin rpy="0 1.57075 0 " xyz="0.1 0 0"/>
</visual>
</link>
<joint name="left_gripper_joint" type="fixed">
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
<parent link="gripper_pole"/>
<child link="left_gripper"/>
</joint>
<link name="left_gripper">
<visual>
<origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="left_tip_joint" type="fixed">
<parent link="left_gripper"/>
<child link="left_tip"/>
</joint>
<link name="left_tip">
<visual>
<origin rpy="0.0 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="right_gripper_joint" type="fixed">
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 -0.01 0"/>
<parent link="gripper_pole"/>
<child link="right_gripper"/>
</joint>
<link name="right_gripper">
<visual>
<origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="right_tip_joint" type="fixed">
<parent link="right_gripper"/>
<child link="right_tip"/>
</joint>
<link name="right_tip">
<visual>
<origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<link name="head">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
</link>
<joint name="head_swivel" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="head"/>
<origin xyz="0 0 0.3"/>
</joint>
<link name="box">
<visual>
<geometry>
<box size="0.08 0.08 0.08"/>
</geometry>
<material name="blue"/>
</visual>
</link>
<joint name="tobox" type="fixed">
<parent link="head"/>
<child link="box"/>
<origin xyz="0.1814 0 0.1414"/>
</joint>
</robot>ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/05-visual.urdf
如何添加球体应该相当不言自明：
<link name="head">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
</link>这里的网格是从 PR2 借用的。它们是单独的文件，您必须指定其路径。您应该使用 package://NAME_OF_PACKAGE/path 表示法。本教程的网格位于 urdf_tutorial 包中，名为 meshes 的文件夹中。
<link name="left_gripper">
<visual>
<origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
</geometry>
</visual>
</link>- 网格可以以多种不同的格式导入。STL 相当常见，但引擎也支持 DAE，它可以有自己的颜色数据，这意味着您不必指定颜色/材质。通常这些在单独的文件中。这些网格引用
meshes文件夹中的.tif文件。 - 网格也可以使用相对缩放参数或边界框大小来调整大小。
- 我们也可以引用完全不同的包中的网格。
就是这样。一个类似 R2D2 的 URDF 模型。现在您可以继续下一步，使其运动起来。
本文档完整翻译自 ROS 2 Lyrical 官方文档，仅用于学习交流。