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由浅到深理解ROS URDF教程

發布時間：2023/12/10 编程问答 41 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了由浅到深理解ROS URDF教程小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

創建自己的URDF文件
1.1創建樹形結構文件
在這部分教程中要創建的將是下面的圖形所描述的機器人的urdf文件

圖片中這個機器人是一個樹形結構的。讓我們開始非常簡單的創建這個樹型結構的描述文件，不用擔心維度等的問題。創建一個my_robot.urdf文件，內容如下：

所以，這里是僅僅創建了一個非常簡單的結構。現在我們來看一看我們能否解讀這個文件。可以使用一些簡單的命令行工具，來檢查你的語法是否正確。
需要安裝urdfdom作為一個上游的ROS獨立包

sudo apt-get install liburdfdom-tools

現在運行檢查命令（基于indigo）

check_urdf my_robot.urdf

如果一切順利的話，將會看到的是

1.2添加坐標系（維度）信息
現在有了一個基本的樹形結構，讓我們來添加合適的坐標系信息。如你在圖片中看到的，每一個連接的參考系都在連接的底部，而且關節的參考系是完全相同的。所以，要添加維度到我們的樹上，我們要確認的就是從一個連接到自己子連接的關機的偏移量。為了完成這一部分，我們將會為每一個關節添加.
比如，我們來看第二個關節。joint2是link1在Y方向上的偏移，在X軸負方向上有一點點偏移，而且繞Z軸旋轉了90度，所以我們需要添加下面的元素。

在每一個關節重復這一改變，這個urdf文件看起來就是這樣子的：

更新你的my_robot.urd文件，并通過解析器運行它。

check_urdf my_robot.urdf

1.3 完成運動學部分
我們現在還不確定的部分就是關節繞著哪個軸旋轉。一旦我們添加了這個部分，我們實際上有了這個機器人完整的運動學模型。我們要做的就是添加元素到每一個joint中。axis確定在局部的旋轉軸。
所以，如果你看joint2，你會看到它是繞著Y軸正方向旋轉。所以，需要簡單添加下面的內容到關節元素中：

相似的，需要向joint1中添加下面的內容：

如果向所有關節中添加了這一元素的話，這個urdf文件看起來就是下面這樣的：

更新你的my_robot.urdf文件，并用解析器運行它

check_urdf my_robot.urdf

到這里為止，你就創建了你的第一個URDF機器人描述。現在你可以嘗試用graphiz將你的URDF可視化。

urdf_to_graphiz my_robot.urdf

打開產生的文件，比如用evince test_robot.pdf

解析一個URDF文件
2.1解析一個URDF文件
首先，我們創建一個依賴于urdf解析器的包。

$ cd ~/catkin_ws/src$ catkin_create_pkg testbot_description urdf$ cd testbot_description

現在我們來創建一個urdf文件夾來存儲我們剛剛創建的urdf文件。

mkdir urdf

按照一般的慣例，urdf文件是在一個名為MYROBOT_description的包中，它的標準的子文件夾還包括有/meshes, /media 和/cd，就像是下面這樣：

/MYROBOT_descriptionpackage.xmlCMakeLists.txt/urdf/meshes/materials/cad

接下來，將我們創建的my_robot.urdf拷貝到我們剛剛創建的文件夾中。

$ cp /path/to/.../testbot_description/urdf/my_robot.urdf

創建一個src文件夾，并創建src/parser.cpp文件

#include <urdf/model.h> #include "ros/ros.h"int main(int argc, char** argv){ros::init(argc, argv, "my_parser");if (argc != 2){ROS_ERROR("Need a urdf file as argument");return -1;}std::string urdf_file = argv[1];urdf::Model model;if (!model.initFile(urdf_file)){ROS_ERROR("Failed to parse urdf file");return -1;}ROS_INFO("Successfully parsed urdf file");return 0; }

真正的動作是發生在 urdf::Model model;
if (!model.initFile(urdf_file)){這兩行。如果URDF文件能夠成功解析的話initFile方法返回true。
然后我們來嘗試運行這個程序，首先向CmakeList.txt文件中添加這兩行

add_executable(parser src/parser.cpp) target_link_libraries(parser ${catkin_LIBRARIES})

構建你的包，并運行它

$ catkin_make$ .<path>/parser <path>my_robot.urdf# ./devel/lib/robot_description/parser /src/robot_description/urdf/my_robot.urdf (for example)

輸出應該看起來是這樣的：

[ INFO] 1254520129.560927000: Successfully parsed urdf file

現在，可以看一下code API（http://docs.ros.org/api/urdf/html/）來看看如何使用你剛剛創建的URDF模型。一個很好的URDF模型類的例子在
https://github.com/ros-visualization/rviz/blob/groovy-devel/src/rviz/robot/robot.cpp
- 在自己的機器人上使用robot state publisher
這部分教程將解釋如何使用機器人狀態發布者來發布機器人狀態到tf。
當你的機器人是有很多關聯坐標系的機器人時，把它們全部發布到tf也是一項相當可觀的任務。robot state publisher是一個可以幫助你處理這項任務的工具。

robot state publisher幫助你把你的機器人狀態發布到tf轉換庫中。robot state publisher內部有一個機器人的運動學模型，所以給定機器人位置，robot state publisher能夠計算和發布機器人每一個link的3D位姿。
你可以用robot state publisher作為一個單獨的節點或者一個庫。
3.1 作為一個單獨的ROS節點運行
3.1.1 robot_state_publisher
運行機器人狀態發布者最簡單的方式就是作為一個節點運行。對于一般使用者來說，我們推薦這樣使用。你需要兩樣東西來運行機器人狀態發布者：
- 一個從Parameter Server下載的urdf xml機器人描述。
- 一個將關節位置用sensor_msgs/JointState格式發布的源。
如何為robot_state_publisher配置參數和主題，請閱讀下面的部分。
3.1.1.1 訂閱的主題：
joint_states(sensor_msgs/JointState)
關節位置信息
3.1.1.2 參數
robot_description(urdf map)
urdf xml機器人描述。這可以通過urdf_model::initParam來完成。
tf_prefix(string)
為命名空間發布變化設置tf前綴。
publish_frequency(double)
狀態發布者的發布頻率，默認50赫茲。
3.1.2 例子launch文件
一旦已經設置了XML機器人描述文件和一個關節位置信息源文件，簡單創建一個launch文件如下：

3.2 作為一個庫運行
高級用戶也可以將機器人狀態發布者在他們自己的C++代碼中作為一個庫來使用。在你包含了頭文件之后:

#include <robot_state_publisher/robot_state_publisher.h>

你需要的就是一個采用了KDL樹的構造函數：

RobotStatePublisher(const KDL::Tree& tree);

現在，每次你想要發布你的機器人狀態，你調用publishTransform函數即可：

//publish moving joints void publishTransforms(const std::map<std::string, double>& joint_positions, const ros::Time& time): //publish fixed joints void publishFixedTransforms();

第一個變量是一個關節名稱和關節位置的map，第二個參數是關節位置記錄的時間。如果這個map不包括所有的關節名稱也是沒有問題的。如果這個map包含了一些關節名稱，而這些關節名稱不是運動模型的一部分，也是沒有問題的。要是注意，如果你不告訴關節狀態發布者你運動模型的一些關節，你的tf樹將不能完成。
4.開始使用KDL解析器
4.1 構建KDL解析器

rosdep install kdl_parser

這條命令將會安裝kdl_parser所有的外部依賴包。構建包，運行：

rosmake kdl_parser

4.2 使用你的代碼
首先，添加KDL解析器作為一個依賴包，到你的package.xml文件中

在你的C++代碼開始階段，添加KDL解析器，包括下面的文件

#include <kdl_parser/kdl_parser.hpp>

現在，有不同的方法來繼續進行，你可以從一個urdf用多種方法構建一個KDL樹。
4.2.1從一個文件

KDL::Tree my_tree;if (!kdl_parser::treeFromFile("filename", my_tree)){ROS_ERROR("Failed to construct kdl tree");return false;}

創建PR2的urdf文件，運行下面的命令

rosrun xacro xacro.py `rospack find pr2_description`/robots/pr2.urdf.xacro > pr2.urdf

4.2.2 從一個參數服務器

KDL::Tree my_tree;ros::NodeHandle node;std::string robot_desc_string;node.param("robot_description", robot_desc_string, string());if (!kdl_parser::treeFromString(robot_desc_string, my_tree)){ROS_ERROR("Failed to construct kdl tree");return false;}

4.2.3 從一個xml元素

KDL::Tree my_tree;TiXmlDocument xml_doc;xml_doc.Parse(xml_string.c_str());xml_root = xml_doc.FirstChildElement("robot");if (!xml_root){ROS_ERROR("Failed to get robot from xml document");return false;}if (!kdl_parser::treeFromXml(xml_root, my_tree)){ROS_ERROR("Failed to construct kdl tree");return false;}

4.2.4 從一個URDF模型

KDL::Tree my_tree;urdf::Model my_model;if (!my_model.initXml(....)){ROS_ERROR("Failed to parse urdf robot model");return false;}if (!kdl_parser::treeFromUrdfModel(my_model, my_tree)){ROS_ERROR("Failed to construct kdl tree");return false;}

關于更多地細節，可以參考API文檔：
http://docs.ros.org/api/kdl_parser/html/namespacekdl__parser.html
5.用robot_state_publisher使用URDF
這部分教程完整的機器人URDF模型使用robot_state_publisher的例子。首先，我們創建所有URDF模型的需要的部分。然后我們寫一個節點來發布關鍵狀態和轉換信息。最后，我們運行所有的部分。
5.1 創建URDF文件
這里有一個7自由度的接近R2-D2的模型。

5.2 發布狀態
現在我們需要一個方法來確定機器人是在哪個狀態下。為了完成這個目標，我們必須確定所有三個關節和全部的里程。從創建一個包開始：

cd %TOP_DIR_YOUR_CATKIN_WS%/src catkin_create_pkg r2d2 roscpp rospy tf sensor_msgs std_msgs

然后打開編輯器，添加下面的內容到src/state_publisher.cpp文件中：

#include <string> #include <ros/ros.h> #include <sensor_msgs/JointState.h> #include <tf/transform_broadcaster.h>int main(int argc, char** argv) {ros::init(argc, argv, "state_publisher");ros::NodeHandle n;ros::Publisher joint_pub = n.advertise<sensor_msgs::JointState>("joint_states", 1);tf::TransformBroadcaster broadcaster;ros::Rate loop_rate(30);const double degree = M_PI/180;// robot statedouble tilt = 0, tinc = degree, swivel=0, angle=0, height=0, hinc=0.005;// message declarationsgeometry_msgs::TransformStamped odom_trans;sensor_msgs::JointState joint_state;odom_trans.header.frame_id = "odom";odom_trans.child_frame_id = "axis";while (ros::ok()) {//update joint_statejoint_state.header.stamp = ros::Time::now();joint_state.name.resize(3);joint_state.position.resize(3);joint_state.name[0] ="swivel";joint_state.position[0] = swivel;joint_state.name[1] ="tilt";joint_state.position[1] = tilt;joint_state.name[2] ="periscope";joint_state.position[2] = height;// update transform// (moving in a circle with radius=2)odom_trans.header.stamp = ros::Time::now();odom_trans.transform.translation.x = cos(angle)*2;odom_trans.transform.translation.y = sin(angle)*2;odom_trans.transform.translation.z = .7;odom_trans.transform.rotation = tf::createQuaternionMsgFromYaw(angle+M_PI/2);//send the joint state and transformjoint_pub.publish(joint_state);broadcaster.sendTransform(odom_trans);// Create new robot statetilt += tinc;if (tilt<-.5 || tilt>0) tinc *= -1;height += hinc;if (height>.2 || height<0) hinc *= -1;swivel += degree;angle += degree/4;// This will adjust as needed per iterationloop_rate.sleep();}return 0; }

5.3 Launch文件
這個launch文件假設你正在使用的包名稱為“r2d2”節點名稱為“state_publisher”，你已經保存了上面的urdf文件到r2d2包中

5.4 查看結果
首先我們應該編輯一下我們上面的代碼所在的Cmake.txt文件。確認添加tf依賴。

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS roscpp rospy std_msgs tf)

注意roscpp是用來解析我們編寫和產生的state_publisher節點的代碼。也需要添加下面的內容到Cmakelists.txt文件的末尾以用來產生state_publisher節點：

include_directories(include ${catkin_INCLUDE_DIRS}) add_executable(state_publisher src/state_publisher.cpp) target_link_libraries(state_publisher ${catkin_LIBRARIES})

現在運行這個包現在，我們應該到工作空間文件夾下構建包：

catkin_make roslaunch r2d2 display.launch

在一個新的終端中運行rviz：

rosrun rviz rviz

選擇odom作為你的固定坐標系。然后選擇”Add Display“并添加一個機器人模型顯示和一個TF顯示。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的由浅到深理解ROS URDF教程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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