从零开始构建可视机器人模型

目标 了解如何构建可在 Rviz 中查看的机器人可视化模型

辅导水平： 中级

时间 20 分钟

备注

本教程假定您知道如何编写格式规范的 XML 代码

在本教程中，我们将制作一个外形酷似 R2D2 的机器人视觉模型。在后面的教程中，您将学习如何 阐明模式, 加入一些物理特性和 使用 xacro 生成更整洁的代码但现在，我们要把重点放在正确的几何图形上。

在继续之前，请确保您有 联合国家出版商 软件包。如果您安装了 urdf_tutorial 二进制文件，情况应该已经如此。如果没有，请更新您的安装以包含该软件包（使用 rosdep 来检查）。

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 包装

一种形状

首先，我们只探讨一个简单的形状。这是一个最简单的 urdf。 [来源：01-myfirst.urdf]

<?xml版本="1.0"?>；
机器人 名称"我的第一次"；>；
  链接 名称"base_link"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.6"； 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；
</机器人>；

将 XML 翻译成英文，这是一个名为 我的第一，只包含一个链接（又称部件），其视觉组件只是一个长 0.6 米、半径 0.2 米的圆柱体。对于一个简单的 "hello world"（你好世界）类型的示例来说，这看起来似乎有很多外层标签，但它会变得更加复杂，相信我。

要检查模型，请启动 display.launch.py 锉刀

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf

这样做有三个目的：

• 加载指定的模型，并将其保存为 机器人状态发布者 节点。

• 运行节点进行发布 sensor_msgs/msg/JointState 和变换（稍后详述）

• 使用配置文件启动 Rviz

启动后 display.launch.py然后，RViz 就会向您显示以下内容：

需要注意的事项

• 固定框架是网格中心所在的变换框架。在这里，它是由我们的一个链接（base_link）定义的框架。

• 默认情况下，视觉元素（圆柱体）的原点位于其几何中心。因此，圆柱体的一半位于网格下方。

多种形状

现在我们来看看如何添加多个形状/链接。如果我们只是在 urdf 中添加更多链接元素，解析器将不知道把它们放在哪里。因此，我们必须添加关节。关节元素既可以指灵活的关节，也可以指不灵活的关节。我们先从不灵活或固定的关节开始。 [来源：02-multipleshapes.urdf]

<?xml版本="1.0"?>；
机器人 名称"多重形状"；>；
  链接 名称"base_link"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.6"； 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  链接 名称"right_leg"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_to_right_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="right_leg"；/>；
  </joint>；

</机器人>；

• 请注意我们是如何定义 0.6 米 x 0.1 米 x 0.2 米方框的

• 连接是以父节点和子节点来定义的。URDF 最终是一个只有一个根链接的树形结构。这意味着腿的位置取决于根链接的位置。

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/02-multipleshapes.urdf

这两个图形相互重叠，因为它们共享同一个原点。如果我们想让它们不重叠，就必须定义更多的原点。

起源

R2D2 的腿连接到躯干上半部分的侧面。因此，我们要在这里指定 JOINT 的原点。此外，R2D2 的腿并不是连接在中间，而是连接在上半部分，因此我们也必须偏移腿的原点。我们还可以旋转腿部，使其直立。 [来源：03-origins.urdf]

<?xml版本="1.0"?>；
机器人 名称"起源"；>；
  链接 名称"base_link"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.6"； 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  链接 名称"right_leg"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0"； xyz="0 0 -0.3"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_to_right_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="right_leg"；/>；
    原产地 xyz="0 -0.22 0.25"；/>；
  </joint>；

</机器人>；

• 我们先来看看关节的原点。它是根据父参照系定义的。因此，我们在 y 方向的距离是-0.22 米（在我们的左侧，但相对于坐标轴是在右侧），在 z 方向的距离是 0.25 米（向上）。这意味着，无论子链接的视觉原点标签是什么，子链接的原点都将是向上和向右。由于我们没有指定 rpy（滚动俯仰偏航）属性，子帧将默认具有与父帧相同的方向。

• 现在，我们来看看这条腿的视觉原点，它有 xyz 和 rpy 偏移。这定义了视觉元素相对于原点的中心位置。由于我们希望支腿连接在顶部，因此我们将 Z 偏移量设置为-0.3 米，从而将原点向下偏移。由于我们希望腿的长部分与 Z 轴平行，因此我们将视觉部分绕 Y 轴旋转 PI/2。

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/03-origins.urdf

• 启动文件运行的软件包将根据 URDF 为模型中的每个链接创建 TF 框架。Rviz 会使用这些信息来确定每个形状的显示位置。

• 如果给定的 URDF 链路不存在 TF 帧，那么它将被置于白色的原点（参考文献）。 相关问题).

物质女孩

"好吧，"我听到你说。"这很可爱，但不是每个人都有 B21。我的机器人和 R2D2 都不是红色的！"说得好让我们来看看材料标签。 [来源：04-materials.urdf]

<?xml版本="1.0"?>；
机器人 名称"材料"；>；

  材料 名称蓝色；>；
    颜色 rgba="0 0 0.8 1"；/>；
  </material>；

  材料 名称"白色"；>；
    颜色 rgba="1 1 1 1"；/>；
  </material>；

  链接 名称"base_link"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.6"； 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称蓝色；/>；
    </visual>；
  </link>；

  链接 名称"right_leg"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0"； xyz="0 0 -0.3"；/>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_to_right_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="right_leg"；/>；
    原产地 xyz="0 -0.22 0.25"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"左腿"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0"； xyz="0 0 -0.3"；/>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_too_left_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="左腿"；/>；
    原产地 xyz="0 0.22 0.25"；/>；
  </joint>；

</机器人>；

• 身体现在是蓝色的。我们定义了一个名为 "蓝色 "的新材质，红色、绿色、蓝色和 alpha 通道分别定义为 0、0、0.8 和 1。所有值的范围都是 [0,1]。然后，base_link 的视觉元素就会引用该材质。白色材质的定义与此类似。

• 你也可以在视觉元素中定义材质标签，甚至在其他链接中引用它。不过，如果你重新定义它，根本不会有人抱怨。

• 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，我们再为模型添加一些形状：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会用到的其他部件。 [来源：05-visual.urdf]

<?xml版本="1.0"?>；
机器人 名称"视觉"；>；

  材料 名称蓝色；>；
    颜色 rgba="0 0 0.8 1"；/>；
  </material>；
  材料 名称"黑色"；>；
    颜色 rgba="0 0 0 1"；/>；
  </material>；
  材料 名称"白色"；>；
    颜色 rgba="1 1 1 1"；/>；
  </material>；

  链接 名称"base_link"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.6"； 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称蓝色；/>；
    </visual>；
  </link>；

  链接 名称"right_leg"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0"； xyz="0 0 -0.3"；/>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_to_right_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="right_leg"；/>；
    原产地 xyz="0 -0.22 0.25"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"right_base"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.4 0.1 0.1"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"right_base_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="right_leg"；/>；
    孩子 link="right_base"；/>；
    原产地 xyz="0 0 -0.6"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"right_front_wheel"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="1.57075 0 0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        气缸 长度="0.1"； 半径="0.035"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"黑色"；/>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"right_front_wheel_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="right_base"；/>；
    孩子 link="right_front_wheel"；/>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="0.133333333333 0 -0.085"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"right_back_wheel"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="1.57075 0 0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        气缸 长度="0.1"； 半径="0.035"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"黑色"；/>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"right_back_wheel_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="right_base"；/>；
    孩子 link="right_back_wheel"；/>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="-0.133333333333 0 -0.085"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"左腿"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.6 0.1 0.2"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0"； xyz="0 0 -0.3"；/>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"base_too_left_leg"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="左腿"；/>；
    原产地 xyz="0 0.22 0.25"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"left_base"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.4 0.1 0.1"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"left_base_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="左腿"；/>；
    孩子 link="left_base"；/>；
    原产地 xyz="0 0 -0.6"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"left_front_wheel"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="1.57075 0 0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        气缸 长度="0.1"； 半径="0.035"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"黑色"；/>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"left_front_wheel_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="left_base"；/>；
    孩子 link="left_front_wheel"；/>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="0.133333333333 0 -0.085"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"left_back_wheel"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="1.57075 0 0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        气缸 长度="0.1"； 半径="0.035"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"黑色"；/>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"left_back_wheel_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="left_base"；/>；
    孩子 link="left_back_wheel"；/>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="-0.133333333333 0 -0.085"；/>；
  </joint>；

  <joint 名称"gripper_extension"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="gripper_pole"；/>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="0.19 0 0.2"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"gripper_pole"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        气缸 长度="0.2"； 半径="0.01"；/>；
      </geometry>；
      原产地 rpy="0 1.57075 0 "； xyz="0.1 0 0"；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"left_gripper_joint"； type="固定"；>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="0.2 0.01 0"；/>；
    <parent link="gripper_pole"；/>；
    孩子 link="left_gripper"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"left_gripper"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="0.0 0.0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"left_tip_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="left_gripper"；/>；
    孩子 link=quot;left_tip"；/>；
  </joint>；

  链接 名称quot;left_tip"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="0.0 0.0"； xyz="0.09137 0.00495 0"；/>；
      <几何>；
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"right_gripper_joint"； type="固定"；>；
    原产地 rpy="0 0 0"； xyz="0.2 -0.01 0"；/>；
    <parent link="gripper_pole"；/>；
    孩子 link="right_gripper"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"right_gripper"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="-3.1415 0 0"； xyz="0 0 0"；/>；
      <几何>；
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"right_tip_joint"； type="固定"；>；
    <parent link="right_gripper"；/>；
    孩子 link="right_tip"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"right_tip"；>；
    视觉效果
      原产地 rpy="-3.1415 0 0"； xyz="0.09137 0.00495 0"；/>；
      <几何>；
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"；/>；
      </geometry>；
    </visual>；
  </link>；

  链接 名称"head"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <sphere 半径="0.2"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称"白色"；/>；
    </visual>；
  </link>；
  <joint 名称"head_swivel"； type="固定"；>；
    <parent link="base_link"；/>；
    孩子 link="head"；/>；
    原产地 xyz="0 0 0.3"；/>；
  </joint>；

  链接 名称"box"；>；
    视觉效果
      <几何>；
        <box size="0.08 0.08 0.08"；/>；
      </geometry>；
      材料 名称蓝色；/>；
    </visual>；
  </link>；

  <joint 名称"tobox"； type="固定"；>；
    <parent link="head"；/>；
    孩子 link="box"；/>；
    原产地 xyz="0.1814 0 0.1414"；/>；
  </joint>；
</机器人>；

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/05-visual.urdf

如何添加球体应该不难解释：

链接 名称"head"；>；
  视觉效果
    <几何>；
      <sphere 半径="0.2"；/>；
    </geometry>；
    材料 名称"白色"；/>；
  </visual>；
</link>；

这里的网格是从 PR2 中借用的。它们是独立的文件，需要指定路径。您应该使用 package://NAME_OF_PACKAGE/path 符号。本教程的网格位于 urdf_tutorial 包中名为 meshes 的文件夹。

链接 名称"left_gripper"；>；
  视觉效果
    原产地 rpy="0.0 0.0"； xyz="0 0 0"；/>；
    <几何>；
      <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"；/>；
    </geometry>；
  </visual>；
</link>；

• 网格可以多种不同格式导入。STL 是比较常见的格式，但引擎也支持 DAE，它可以有自己的颜色数据，这意味着你不必指定颜色/材料。通常这些都是单独的文件。这些网格参照 .tif 文件也在网格文件夹中。

• 也可以使用相对缩放参数或边界框尺寸来调整网格大小。

• 我们也可以在完全不同的软件包中引用网格。

就是这样。一个类似 R2D2 的 URDF 模型。现在你可以继续下一步了、 使其移动.