从头开始构建一个可视化的机器人模型

目标: 学习如何构建一个机器人的可视化模型，可以在 Rviz 中查看

教程级别： 中级

**时间：**20分钟

注解

本教程假设您已经知道如何编写格式良好的 XML 代码

在本教程中，我们将构建一个类似 R2D2 的机器人的可视化模型。在后续的教程中，您将学习如何：描述模型，添加一些物理属性，和 使用 xacro 生成更整洁的代码，但现在，我们将专注于确保视觉几何正确。

在继续之前，请确保您已安装了 joint_state_publisher 包。如果您安装了 urdf_tutorial 的二进制文件，这应该已经是满足条件的。如果没有，请更新您的安装以包含该包（使用 rosdep 进行检查）。

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。

一个形状

首先，我们将只探索一个简单的形状。以下是一个最简单的 URDF 示例。[来源：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>

要将 XML 翻译成英文，这是一个名为``myfirst``的机器人，它只包含一个链接（即部件），其可视组件只是一个长为 0.6 米、半径为 0.2 米的圆柱体。对于一个简单的“hello world”类型的示例来说，这可能看起来有很多封闭标签，但信任我，它会变得更加复杂。

要查看模型，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参数

• 运行节点以发布`sensor_msgs/msg/JointState <https://github.com/ros2/common_interfaces/blob/eloquent/sensor_msgs/msg/JointState.msg>`_和变换（稍后会介绍更多相关内容）

• 使用配置文件启动Rviz

请注意，上面的启动命令假设您是从`urdf_tutorial <https://index.ros.org/p/urdf_tutorial>`_包目录中执行的（即：``urdf``目录是当前工作目录的直接子目录）。如果不是这种情况，``01-myfirst.urdf``的相对路径将无效，并且当启动程序尝试将urdf作为参数加载时，您将收到错误提示。

稍作修改的参数使其可以在任何当前工作目录下正常工作：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share urdf_tutorial`/urdf/01-myfirst.urdf

如果您不是从``urdf_tutorial``包位置运行这些教程，请更改所有示例启动命令。

在启动``display.launch.py``之后，您将看到RViz显示如下内容：

需要注意的事项：

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

• 可视元素（圆柱体）的原点默认位于其几何形状的中心。因此，圆柱体的一半位于网格下方。

多个形状

现在让我们看一下如何添加多个形状/链接。如果我们只是向URDF添加更多的链接元素，解析器将不知道如何安排它们。因此，我们必须添加关节。关节元素可以引用灵活关节和不可弯曲关节。我们将从不可弯曲或固定关节开始。[来源：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>

• 请注意我们如何定义一个0.6米 x 0.1米 x 0.2米的盒子

• 关节是由父节点和子节点定义的。URDF最终是一棵树状结构，只有一个根链接。这意味着腿的位置取决于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起点。如果我们不想让它们重叠，我们必须定义更多的起点。

起点

R2D2的腿连接到他的上半身的侧面。所以我们要指定关节的起点。另外，它不是连接到腿的中间部分，而是连接到上部分，所以我们必须为腿的起点偏移。我们还将腿旋转，使其直立。[来源：03-origins.urdf](https://github.com/ros/urdf_tutorial/blob/ros2/urdf/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>

• 让我们从关节的起点开始分析。它是以父节点的参考坐标系为基准来定义的。所以我们在y方向向左偏移0.22米（相对于坐标轴向右），在z方向向上偏移0.25米。这意味着无论子链接的可视起点标签如何，子链接的起点都将位于右上方。由于我们没有指定rpy（滚转俯仰）属性，子坐标系的方向将默认与父坐标系相同。

• 现在，看一下腿的可视起点，它具有xyz和rpy偏移量。这定义了可视元素的中心相对于其起点的位置。由于我们希望腿连接在顶部，我们通过将z偏移设置为-0.3米来偏移起点向下。由于我们希望腿的长部分与z轴平行，我们将可视部分绕Y轴旋转PI/2。

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

• 启动文件会运行一些包，这些包将根据URDF为模型的每个链接创建TF帧。Rviz使用这些信息来确定每个形状的显示位置。

• 如果给定的URDF链接没有TF帧，则会将其放置在白色的原点位置上（参考`相关问题<http://answers.ros.org/question/207947/how-do-you-use-externally-defined-materials-in-a-urdfxacro-file/>`_）。

Material Girl

“好吧，”你们会说，“这很可爱，但并不是每个人都拥有一台B21。我的机器人和R2D2不是红色的！” 这是个好观点。让我们看一下材质标签。[来源：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。我们定义了一个名为“蓝色”的新材质，红色、绿色、蓝色和透明度通道分别定义为0、0、0.8和1。所有的值都可以在范围[0,1]内。然后，这个材质被base_link的可视元素引用。白色的材质定义方式类似。

• 你还可以在可视元素内定义材质标签，甚至在其他链接中引用它。如果重新定义它，也没有人会抱怨。

• 你还可以使用纹理来指定用于给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，我们用一些其他形状来完成模型：脚、轮子和头部。值得注意的是，我们添加了一个球体和一些网格。我们还会添加一些稍后会用到的其他零件。[来源：05-visual.urdf](https://github.com/ros/urdf_tutorial/blob/ros2/urdf/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

如何添加球体应该是相当容易理解的：

<link name="head">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.2"/>
    </geometry>
    <material name="white"/>
  </visual>
</link>

这里的网格是从PR2借来的。它们是单独的文件，您需要指定路径。您应该使用``package://NAME_OF_PACKAGE/path``的表示方法。本教程中的网格位于``urdf_tutorial``包中的一个名为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>

• 这些网格可以以多种不同的格式导入。STL是相当常见的，但引擎还支持DAE，它可以具有自己的颜色数据，这意味着您不必指定颜色/材质。通常这些是在单独的文件中。这些网格还引用了meshes文件夹中的``.tif``文件。

• 网格还可以使用相对缩放参数或边界框大小进行调整。

• 我们还可以引用完全不同包中的网格。

就是这样。一个类似R2D2的URDF模型。现在您可以继续下一步，使其移动。