从零构建 URDF 可视模型

目标： 学习如何构建一个可在 RViz 中查看的机器人可视模型

教程级别： 中级

预计用时： 20 分钟

注意：本教程假设你已经掌握了编写格式良好的 XML 代码的基础知识。

在本教程中，我们将构建一个外观隐约像 R2D2 的机器人可视模型。在后续教程中，你将学习如何让模型运动起来、添加物理属性，以及使用 xacro 生成更整洁的代码，但现在我们先专注于正确设置可视几何体。

在继续之前，请确保已安装 joint_state_publisher 包。如果你安装了 urdf_tutorial 的二进制文件，这应该已经安装好了。如果没有，请更新安装以包含该包（使用 rosdep 检查）。

本教程中提到的所有机器人模型（及源文件）都可以在 urdf_tutorial 包中找到。

单个形状

首先，我们来探索一个简单的形状，这是你能制作的最简单的 URDF。源码：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>

用自然语言描述这段 XML：这是一个名为 myfirst 的机器人，只包含一个 link（即零件），其可视组件只是一个长 0.6 米、半径 0.2 米的圆柱体。对于一个简单的「hello world」示例来说，这些嵌套标签看起来可能有点多。

要查看模型，启动 display.launch.py 文件：

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

这会做三件事：

加载指定的模型并将其设置为 robot_state_publisher 节点的参数。
运行节点发布 sensor_msgs/msg/JointState 消息和坐标变换（稍后详细介绍）。
使用配置文件启动 RViz。

启动 display.launch.py 后，你应该会在 RViz 中看到以下画面：

my first image

需要注意以下几点：

固定坐标系（fixed frame）是网格中心所在的变换坐标系。在这里，它是由我们的一个 link——base_link 定义的坐标系。
可视元素（圆柱体）的默认原点位于其几何体的中心，因此圆柱体有一半在网格下方。

多个形状

现在来看看如何添加多个形状/link。如果只是给 URDF 添加更多的 link 元素，解析器将不知道它们应该放在哪里，因此必须添加关节（joint）。关节元素既可以表示可动关节，也可以表示不可动（刚性）关节。我们先从刚性关节，即固定关节（fixed joint）开始。源码：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>

注意这里定义了一个 0.6m × 0.1m × 0.2m 的长方体。
关节通过父（parent）和子（child）来定义。URDF 最终是一个具有一个根 link 的树结构，因此腿的位置取决于 base_link 的位置。

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

Multiple Shapes

两个形状相互重叠，因为它们共享同一个原点。如果不希望它们重叠，就必须定义更多的原点。

原点

R2D2 的腿连接在躯干的上半部分侧面，所以需要在关节处指定原点。此外，连接点不在腿的中间而是在上部，所以也要偏移腿的原点。同时还要旋转腿使其直立。源码：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>

先看关节的原点。它在父 link 的参考系中定义，y 方向偏移 -0.22 米（向左，但相对于坐标轴朝右），z 方向偏移 0.25 米（向上）。因此子 link 的原点会在右上方，无论子 link 的可视 origin 标签如何设置。由于没有指定 rpy（roll pitch yaw）属性，子坐标系默认与父坐标系方向一致。
再看腿的可视原点，它同时有 xyz 和 rpy 偏移，定义了可视元素的中心相对于其原点的位置。因为希望腿从顶部连接，所以将 z 偏移设为 -0.3 米来向下偏移原点。又因为希望腿的长边平行于 z 轴，所以将可视部分绕 Y 轴旋转 PI/2。

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

Origins Screenshot

launch 文件运行的包会根据你的 URDF 为模型中的每个 link 创建 TF 坐标系。RViz 利用这些信息来确定每个形状的显示位置。
如果给定的 URDF link 不存在对应的 TF 坐标系，它将以白色显示在原点处（相关问题）。

材质

「好吧，」我听到你说，「那很可爱，但不是每个人都有一台 B21。我的机器人和 R2D2 一样不是红色的！」说得对，让我们来看看 material 标签。源码：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>

身体现在是蓝色的。我们定义了一个名为「blue」的新材质，其红、绿、蓝和透明度（alpha）通道分别设为 0、0、0.8 和 1，所有值都在 [0,1] 范围内。然后 base_link 的可视元素引用了这个材质。白色材质的定义方式类似。
你也可以在可视元素内直接定义 material 标签，甚至在其他 link 中引用它。即使重新定义也没关系。
还可以使用纹理（texture）来指定一个用于给物体着色的图像文件。

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/04-materials.urdf

Materials Screenshot

完成模型

现在用更多的形状来完成模型：脚、轮子和头部。值得注意的是，我们添加了球体和一些网格（mesh），同时还会添加一些稍后会用到的部件。源码：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

Visual Screenshot

如何添加球体应该很容易理解：

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

这里的网格（mesh）是从 PR2 借用的，它们是独立的文件，需要指定路径。请使用 package://NAME_OF_PACKAGE/path 的格式。本教程的网格位于 urdf_tutorial 包中一个名为 meshes 的文件夹里。

<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>

网格可以导入多种不同格式。STL 相当常见，引擎也支持 DAE，后者可以自带颜色数据，因此无需指定颜色/材质。颜色数据通常放在不同的文件中，这些网格引用了同样位于 meshes 文件夹中的 .tif 文件。
网格也可以通过相对缩放参数或边界框尺寸来调整大小。
还可以引用完全不同包中的网格。

这就是了——一个类似 R2D2 的 URDF 模型。现在你可以继续下一步，让它运动起来。