【ROS1】20-URDF标签

Zhichao_97

744人浏览 · 2025-12-03 11:41:25

Zhichao_97 · 2025-12-03 11:41:25 发布

一、准备

通过如下指令（或：https://download.csdn.net/download/ChaoChao66666/92359149?spm=1001.2014.3001.5503）下载所需素材

git clone https://github.com/zx595306686/sim_demo.git

素材内容如下：

概念

URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）是 ROS 中用于描述机器人几何结构、运动学、惯性、可视化属性的核心 XML 格式文件。它是机器人模型的 “蓝图”，ROS 的运动学求解器（如 KDL）、可视化工具（RViz）、仿真环境（Gazebo）等都依赖 URDF 解析机器人的结构和约束。

标签简介

核心标签按功能可分为「根标签、连杆相关、关节相关、可视化 / 碰撞、惯性、工具类」六大类。可参考链接：https://wiki.ros.org/urdf/XML

一、根标签：`<robot>`

作用：URDF 文件的根节点，所有其他标签都必须嵌套在其中，用于定义机器人的整体信息。

属性：

name：机器人名称（必填），用于唯一标识机器人模型。

示例：

<robot name="my_robot">
  <!-- 所有其他标签（link、joint等）都在这里 -->
</robot>

二、连杆相关标签：`<link>`

连杆（Link）是机器人的刚体单元（如底座、手臂、轮子、夹爪等），每个 <link> 对应机器人的一个物理刚体，描述其几何形状、惯性、可视化外观和碰撞属性。

1. 核心标签：`<link>`

作用：定义单个连杆的基础信息，是连杆相关所有子标签的容器。

属性：

name：连杆名称（必填），需唯一（如 base_link、arm_link1）。

示例：

<link name="base_link">
  <!-- 子标签：<visual>、<collision>、<inertial> 等 -->
</link>

2. 子标签 1：`<visual>`（可视化外观）

作用：定义连杆的可视化模型（仅用于显示，不参与物理碰撞或运动学计算），比如颜色、形状、纹理。

常用子标签：

<geometry>：定义可视化的几何形状（必填），支持 4 种基础形状：
- <box size="x y z">：长方体（尺寸为 x/y/z 轴长度，单位：米）。
- <cylinder length="h" radius="r">：圆柱体（h 为高度，r 为半径）。
- <sphere radius="r">：球体（r 为半径）。
- <mesh filename="package://功能包名/路径/模型文件.stl/.dae">：导入外部 3D 模型（STL/DAE 格式，需用 package:// 路径）。
<material name="材质名">：定义连杆颜色 / 纹理（可选），子标签 <color rgba="r g b a">（rgba 取值 0~1，a 为透明度）。
<origin xyz="x y z" rpy="roll pitch yaw">：定义可视化模型相对于连杆坐标系的位置偏移（xyz）和姿态旋转（rpy，单位：弧度），默认无偏移（xyz=0 0 0，rpy=0 0 0）。

示例：

<visual>
  <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>  <!-- 向上偏移 0.1m -->
  <geometry>
    <box size="0.5 0.5 0.2"/>  <!-- 长0.5m、宽0.5m、高0.2m的长方体 -->
  </geometry>
  <material name="blue">
    <color rgba="0 0 1 1"/>  <!-- 不透明蓝色 -->
  </material>
</visual>

4. 子标签 3：`<inertial>`（惯性属性）

作用：定义连杆的惯性参数（质量、转动惯量），用于动力学仿真（如 Gazebo 仿真、力控算法），无此标签则默认惯性为 0（静态刚体）。

常用子标签

<mass value="m">：连杆质量（必填，单位：kg）。
<inertia ixx="Ixx" ixy="Ixy" ixz="Ixz" iyy="Iyy" iyz="Iyz" izz="Izz">：惯性张量矩阵（必填），描述刚体绕各轴的转动惯量和耦合项，需根据连杆形状计算（如长方体、圆柱体有固定公式）。
<origin xyz="x y z" rpy="r p y">：惯性坐标系相对于连杆坐标系的偏移（可选，默认与连杆坐标系重合），通常设置为连杆的质心位置。

示例（长方体连杆的惯性）

<inertial>
  <mass value="2.0"/>  <!-- 质量 2kg -->
  <origin xyz="0 0 0.1"/>  <!-- 质心在连杆中心（与可视化模型偏移一致） -->
  <inertia ixx="0.017" ixy="0" ixz="0"  <!-- 长方体惯性张量公式：Ixx = m*(y²+z²)/12 -->
           iyy="0.017" iyz="0"
           izz="0.008"/>
</inertial>

三、关节相关标签：`<joint>`

关节（Joint）是连接两个连杆的运动约束单元，定义连杆之间的相对运动方式（如旋转、平移）、限位、阻尼等属性。

1. 核心标签：`<joint>`

作用：定义两个连杆的连接关系和运动特性，是机器人运动学的核心。

核心属性：

name：关节名称（必填，唯一，如 joint_arm1、wheel_joint）。
type：关节类型（必填），ROS 支持 6 种常用类型：

关节类型	作用（相对运动）	自由度（DOF）	示例场景
`fixed`	固定关节，无相对运动	0	底座与地面、焊接结构
`revolute`	旋转关节（绕单轴旋转）	1	机械臂关节、舵机连接
continuous	连续旋转关节（绕单轴无限旋转）	1	轮子、螺旋桨
`prismatic`	移动关节（沿单轴平移）	1	伸缩臂、线性滑台
`spherical`	球关节（绕三轴旋转，如球铰）	3	肩膀、髋关节
`planar`	平面关节（沿两轴平移 + 绕一轴旋转）	3	机器人在平面移动
`floating`	浮动关节（三轴平移 + 三轴旋转）	6	无人机、自由移动物体

常用子标签：

<parent link="父连杆名"/>：关节的父连杆（必填），通常是固定 / 更靠近底座的连杆（如 base_link）。
<child link="子连杆名"/>：关节的子连杆（必填），相对于父连杆运动的连杆（如 arm_link1）。
<origin xyz="x y z" rpy="r p y"/>：关节坐标系相对于父连杆坐标系的位置和姿态（必填），关节的运动围绕此坐标系进行。
<axis xyz="x y z"/>：关节的运动轴（仅对 revolute/prismatic 有效，必填），如 xyz="1 0 0" 表示沿 X 轴旋转 / 平移。
<limit>：关节运动限位（可选，对 revolute/prismatic 常用）：
- lower：最小运动范围（旋转：弧度；平移：米）。
- upper：最大运动范围（旋转：弧度；平移：米），fixed 关节无需设置。
- effort：关节最大输出力 / 力矩（单位：N/N・m，用于仿真）。
- velocity：关节最大运动速度（单位：rad/s/m/s，用于仿真）。
<dynamics>：关节动力学参数（可选，用于仿真）：
- damping：关节阻尼系数（阻碍运动，模拟摩擦）。
- friction：关节静摩擦系数。

示例（旋转关节）

<joint name="joint_arm1" type="revolute">
  <parent link="base_link"/>  <!-- 父连杆：底座 -->
  <child link="arm_link1"/>   <!-- 子连杆：大臂 -->
  <origin xyz="0.2 0 0.2" rpy="0 0 0"/>  <!-- 关节位置：底座前端上方 -->
  <axis xyz="0 1 0"/>        <!-- 绕 Y 轴旋转（上下摆动） -->
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="0.5"/>  <!-- 限位 ±90°，最大力矩10N·m -->
  <dynamics damping="0.1" friction="0.05"/>  <!-- 阻尼和摩擦 -->
</joint>

四、工具类标签（辅助描述）

1. `<material>`（材质定义）

作用：定义可复用的材质（颜色、纹理），避免重复编写 <visual> 中的材质信息，可嵌套在 <robot> 下全局定义，也可在 <visual> 内局部定义。

示例（全局材质）：

<robot name="my_robot">
  <!-- 全局材质定义 -->
  <material name="red">
    <color rgba="1 0 0 1"/>  <!-- 不透明红色 -->
  </material>
  <material name="gray">
    <texture filename="package://my_pkg/textures/metal.png"/>  <!-- 纹理图片 -->
  </material>

  <!-- 连杆中复用材质 -->
  <link name="arm_link1">
    <visual>
      <geometry><cylinder length="0.8" radius="0.05"/></geometry>
      <material name="red"/>  <!-- 引用全局材质 -->
    </visual>
  </link>
</robot>

2. `<xacro:include>`/`<xacro:property>`（Xacro 扩展标签）

说明：URDF 本身不支持参数化、循环等逻辑，需通过 Xacro（XML Macro） 扩展（ROS 内置支持），常用标签：

<xacro:include filename="package://功能包名/路径/其他文件.xacro"/>：导入其他 Xacro/URDF 文件，实现模块化（如分文件定义连杆、关节）。
<xacro:property name="参数名" value="值" />：定义参数（如尺寸、质量），便于统一修改（如 <xacro:property name="arm_length" value="0.8"/>）。
<xacro:macro>：自定义宏指令，批量生成重复结构（如多轮机器人的轮子连杆 + 关节）。

注意：Xacro 文件后缀为 .xacro，使用时需先转换为 URDF（rosrun xacro xacro my_robot.xacro > my_robot.urdf）或直接在 Launch 文件中加载（command="$(find xacro)/xacro '$(find my_pkg)/urdf/my_robot.xacro'"）。

3. `<gazebo>`（仿真扩展标签）

作用：URDF 本身仅描述机器人结构，若需在 Gazebo 中仿真，需通过 <gazebo> 标签添加仿真专属属性（如摩擦力、阻尼、插件），嵌套在 <robot> 下。

示例（设置连杆摩擦系数）：

<gazebo reference="wheel_link1">  <!-- reference 关联连杆名 -->
  <mu1 value="0.8"/>  <!-- 滑动摩擦系数 -->
  <mu2 value="0.8"/>
  <kp value="1000.0"/>  <!-- 接触刚度 -->
  <kd value="10.0"/>    <!-- 接触阻尼 -->
</gazebo>

案例

需求：

创建一个底盘为长方体的机器人模型，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以绕Z轴360°旋转。

实现步骤：

在上一篇（在Rviz中渲染URDF模型的基本流程）中，我们已经创建了功能包“urdf01_rviz”，本案例在此基础上继续实现上述需求。

新建一个urdf文件

该urdf文件内容如下，定义了机器人及其搭载的摄像头的外观，以及两者之间的连接关系

<!-- 需求:设置机器人底盘，并添加摄像头 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 1.底盘link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <!-- 长宽高分为0.3、0.2、0.1m的长方体 -->
                <box size="0.3 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <!-- 设置平移和旋转 -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="base_link_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 2.摄像头link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 3.关节 -->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!-- 父级 link -->
        <parent link="base_link" />
        <!-- 子级 link -->
        <child link="camera" />
        <!-- 子级Link相对于父级Link的偏移量 -->
        <origin xyz="0.12 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <!--设置关节旋转参考的坐标轴为Z轴 -->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

为了在rviz中显示urdf模型，这里创建一个launch文件

文件内容如下：

<launch>
    <!-- 1.在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_joint.urdf" />
    <!-- 2.启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
</launch>

此时运行“roslaunch urdf01_rviz demo02_joint.launch”可以看到效果如下，摄像头的位置不太对，并且显示“No transform from [camera] to [base_link]”的错误。这是因为rviz 显示 URDF 时，必须发布不同部件之间的坐标系关系。

在launch启动文件中加入关节和机器人状态发布节点

重新使用该launch文件启动后可以看到摄像机位置正常了

如果想让摄像机转动，我们需要再添加一个控制关节运动的节点

<launch>
    <!-- 1.在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_joint.urdf" />
    <!-- 2.启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!-- 关节状态发布节点 -->
    <!-- <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" /> -->
    <!-- 机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <!-- 控制关节运动的节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>

此时就可以使用小窗口中的滑条来控制摄像机的转动了