构建可动的 URDF 模型

目标： 学习如何在 URDF 中定义可动关节。

教程级别： 中级

预计用时： 10 分钟

本教程将在上一个教程制作的 R2D2 模型基础上添加可动关节。之前的模型中所有关节都是固定的，这次我们将引入另外三种重要的关节类型：连续关节（continuous）、旋转关节（revolute）和棱柱关节（prismatic）。

开始之前，请确保已安装所有依赖，具体要求请参阅上一个教程。

同样，本教程中提到的所有机器人模型都可以在 urdf_tutorial 包中找到。

这里是包含柔性关节的新版 URDF。你可以将它与之前的版本对比查看完整变化，下面我们只关注三个示例关节。

可视化和控制模型的命令与上一个教程相同：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/06-flexible.urdf

这次启动后还会弹出一个 GUI 窗口，让你控制所有非固定关节的值。动手拖动试试，看看模型如何运动，然后我们再来看具体实现。

Screenshot of Flexible Model

头部

<joint name="head_swivel" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="head"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <origin xyz="0 0 0.3"/>
</joint>

身体和头部之间的连接是一个连续关节（continuous joint），它可以取从负无穷到正无穷的任意角度。轮子也是这样建模的，能够在两个方向上无限滚动。

此外只需指定旋转轴，这里用一个 xyz 三元组来定义头部围绕哪条向量旋转。因为我们希望它绕 z 轴旋转，所以指定向量「0 0 1」。

夹爪

<joint name="left_gripper_joint" type="revolute">
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/>
  <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
  <parent link="gripper_pole"/>
  <child link="left_gripper"/>
</joint>

右夹爪和左夹爪关节都被建模为旋转关节（revolute joint）。它们和连续关节一样可以旋转，但有严格的角度限制。因此必须用 limit 标签指定关节的上下限（单位为弧度），还需要指定最大速度和力矩——不过这里的数值只是示例，具体取值对本教程并不重要。

夹爪臂

<joint name="gripper_extension" type="prismatic">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="gripper_pole"/>
  <limit effort="1000.0" lower="-0.38" upper="0" velocity="0.5"/>
  <origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
</joint>

夹爪臂使用了另一种关节类型——棱柱关节（prismatic joint）。它沿一个轴平移，而不是围绕轴旋转，从而让机器人模型能够伸缩夹爪臂。

棱柱臂的限制指定方式与旋转关节相同，但单位是米而不是弧度。

其他类型的关节

还有两种可以在空间中移动的关节。棱柱关节只能沿一维移动，而平面关节（planar joint）可以在一个平面上做二维移动。浮动关节（floating joint）则完全不受约束，可以在三维空间中任意移动。这两种关节无法仅用一个数字来描述，因此不在本教程的讨论范围内。

指定姿态

当你在 GUI 中拖动滑块时，模型在 RViz 中也会同步移动。原理是这样的：首先 GUI 会解析 URDF，找到所有非固定关节及其限位，然后用滑块的值发布 sensor_msgs/msg/JointState 消息。robot_state_publisher 接收这些消息后，计算出各个部件之间的变换，生成的变换树最终用于在 RViz 中渲染所有几何形状。

构建可动的 URDF 模型

头部

夹爪

夹爪臂

其他类型的关节

指定姿态

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