1：在rviz显示红色小方块

可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度.....,该文件可以被 C++ 内置的解释器转换成可视化的机器人模型，是 ROS 中实现机器人仿真的重要组件。

安装git

sudo apt install git

下载课中要用到的文件

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

得到如下文件：

本节所需要实现任务：在rviz显示红色小方块

1：新建功能包，导入依赖：urdf与xacro

2：在当前功能包下，再新建几个目录:

    urdf: 存储 urdf 文件的目录

    meshes:机器人模型渲染文件(暂不使用)

    config: 配置文件

    launch: 存储 launch 启动文件

如图所示：

3：创建launch与urdf文件

urdf：

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

launch：

<launch>

    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01)/urdf/urdf/demo01_hello.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

</launch>

启动launch文件

roslaunch urdf01 demo1_hello.launch 

4：rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下:

• Fixed Frame: 要与launch文件设置的保持一致： <link name="base_link">。设置为base_link→ 表示 RViz 的 “固定坐标系” 是你 URDF 中定义的base_link（机器人的基础连杆坐标系），所有数据都会基于这个坐标系显示。

• Background Color: 48;48;48→ RViz 的背景色是深灰色（RGB 值为 48,48,48）。

• Frame Rate: 30→ RViz 的渲染帧率为 30 帧 / 秒。

• Grid: 已勾选→ 会在 RViz 中显示 “网格地面”，方便观察机器人的位置。

• RobotModel: 已勾选→ 用于显示你定义的 URDF 机器人模型。

5：重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:

首先，将当前配置保存进config目录

launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数:args,值设置为-d 配置文件路径

<launch>

    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01)/urdf/urdf/demo_link.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01)/config/car_stl.rviz" />

</launch>

2：link语法

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。

1.属性

• name ---> 为连杆命名

2.子标签

• visual ---> 描述外观(对应的数据是可视的)

  • geometry 设置连杆的形状

    • 标签1: box(盒状)

      • 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)

    • 标签2: cylinder(圆柱)

      • 属性:radius=半径 length=高度

    • 标签3: sphere(球体)

      • 属性:radius=半径

    • 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)

      • 属性: filename=资源路径(格式:package://<packagename>/<path>/文件)

  • origin 设置偏移量与倾斜弧度

    • 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移

    • 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)

  • metrial 设置材料属性(颜色)

    • 属性: name

    • 标签: color

      • 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])

• collision ---> 连杆的碰撞属性

• Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

代码如下：

<robot name="mycar">
<!--不同形状的机器人部件-->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <!-- 形状 -->
            <geometry>
                <!-- 长方体的长宽高 -->
                <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->

                <!-- 圆柱，半径和长度 -->
                <!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->

                <!-- 球体，半径-->
                <!-- <sphere radius="0.3" /> -->

                <!-- 导入stl文件 -->
                <mesh filename="package://urdf01/meshes/autolabor_mini.stl" />

            </geometry>
            <!-- 偏移量与倾斜弧度 -->
             <origin xyz="1 2 0" rpy="1.57 0 0" />

            <!-- 材料颜色 -->
            <material name="black">

                <color rgba="0.2 0.5 0 0.5" />

            </material>
        </visual>
    </link>
</robot>

显示结果：

3：joint语法

rdf 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，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。

1.属性

• name ---> 为关节命名

• type ---> 关节运动形式

  • 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

2.子标签

• parent(必需的)

  parent link的名字是一个强制的属性：

  • link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• child(必需的)

  child link的名字是一个强制的属性：

  • link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• origin

  • 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。

• axis

  • 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。

launch文件：

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01)/urdf/urdf/demo_join.urdf" />

    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01)/config/car_stl.rviz" />

</launch>

第一行：rviz会根据demo_join的内容去画出机器人，robot_description会存入机器人参数

第二行：负责读取 robot_description，找到机器人有哪些关节（Joint）。结合角度和模型尺寸，利用正运动学公式，算出每一个部件（Link）相对于世界坐标系的精确位置。发布：将计算结果以 /tf（坐标变换）的形式广播出去。

第三行：出现小滑块，当拖动滑块时，它也会向 /joint_states 话题发布关节角度信息。

第四行：pkg="rviz" type="rviz"：启动 Rviz 软件。args：是加载启动参数

joint文件：

<!-- 
    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

 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 摄像头 -->
    <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="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

4：实践

创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)

实现如图效果

代码：

<robot name="mycar">
    <!-- 设置 base_footprint  -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 添加底盘 -->
         <!-- 
        参数
            形状:圆柱 
            半径:10     cm  
            高度:8      cm 
            离地:1.5    cm

        -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.1" length="0.08" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.055" />
    </joint>
    <!-- 添加驱动轮 -->
    <!--
        驱动轮是侧翻的圆柱
        参数
            半径: 3.25 cm
            宽度: 1.5  cm
            颜色: 黑色
        关节设置:
            x = 0
            y = 底盘的半径 + 轮胎宽度 / 2
            z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)
            axis = 0 1 0
    -->
    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0 0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>


    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>

    <!-- 添加万向轮(支撑轮) -->
<!-- 添加万向轮(支撑轮) -->
    <!--
        参数
            形状: 球体
            半径: 0.75 cm
            颜色: 黑色

        关节设置:
            x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)
            y = 0
            z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475 
            axis= 1 1 1

    -->
    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="front_wheel" />
        <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

    <link name="back_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="back_wheel" />
        <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>
</robot>

主要是采用上述link与joint的知识点，进行完整的建立模型。采用了经典的三层架构（base_footprint -> base_link -> wheels），包含一个圆柱体底盘、两个驱动轮和两个万向支撑轮。

<link name="base_footprint">
    <visual>
        <geometry> <sphere radius="0.001" /> </geometry>
    </visual>
</link>

使用了一个极小半径（1mm）的球体，几乎不可见，仅用于定位原点。

launch文件：

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01)/urdf/urdf/demo04_test.urdf" />

    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01)/config/car_stl.rviz" />

</launch>

5：urdf_to_graphiz

sudo apt install liburdfdom-tools安装工具，可以通过pdf直接看不同link的对应关系