Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法详细讲解及如何从零构建一个机械臂模型（二）

Robot_Tiger_

分类：ROS

发布时间 2021.07.21阅读数 4139 评论数 0

Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法详细讲解及如何从零构建一个机械臂模型（二）

建立工作空间

打开Terminal，依次运行以下命令创建工作空间：

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace

编译工作空间：

cd ~/catkin_ws/
catkin_make

设置环境变量：

source devel/setup.bash

å¨è¿éæå¥å¾çæè¿°

创建功能包

运行以下命令：

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg Robot_Arm rospy roscpp
cd ..
catkin_make
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

注意：同一个工作空间下,不允许存在同名功能包；不同工作空间下,允许存在同名功能包。

正式开始机械臂建模

文件结构准备

以上准备工作做好之后，就可以正式开始机械臂建模步骤，首先，在新建立的功能包下，新建launch和urdf两个文件夹（虽然文件夹名称可以自定，但是使用Ros默认文件夹名称命名可避免后续出现不必要的bug），分别存放之后用来启动RosMaster，运行机械臂模型的launch文件（launch文件的详解在个人主页有相关介绍），以及用于机械臂仿真的urdf仿真文件。

cd ~/catkin_ws/src/Robot_Arm
mkdir launch
mkdir urdf

之后分别在两个文件夹内新建空白launch文件与urdf文件

cd urdf
touch Arm_Model.xacro
cd launch
touch Display_Model.launch

机械臂模型文件Arm_Model.xacro

依据上一篇文章关于xacro语法和搭建机器人模型方法的介绍，下面给出已经编写好的一个六轴机械臂（7Links+6Joints）的模型文件，读者可根据上一篇文章的介绍分段学习。
打开Arm_Model.xacro文件，将以下内容复制进去：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="marm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

    <!-- Defining the colors used in this robot -->
    <material name="Black">
        <color rgba="0 0 0 1"/>
    </material>
    <material name="White">
        <color rgba="1 1 1 1"/>
    </material>
    <material name="Blue">
        <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
    <material name="Red">
        <color rgba="1 0 0 1"/>
    </material>

    <!-- Constants -->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>

    <!-- link1 properties -->
    <xacro:property name="link0_radius" value="0.05" />
    <xacro:property name="link0_length" value="0.04" />
    <xacro:property name="link0_mass" value="1" />

    <!-- link1 properties -->
    <xacro:property name="link1_radius" value="0.03" />
    <xacro:property name="link1_length" value="0.10" />
    <xacro:property name="link1_mass" value="1" />

    <!-- link2 properties -->
    <xacro:property name="link2_radius" value="0.03" />
    <xacro:property name="link2_length" value="0.14" />
    <xacro:property name="link2_mass" value="0.8" />

    <!-- link3 properties -->
    <xacro:property name="link3_radius" value="0.03" />
    <xacro:property name="link3_length" value="0.15" />
    <xacro:property name="link3_mass" value="0.8" />

    <!-- link4 properties -->
    <xacro:property name="link4_radius" value="0.025" />
    <xacro:property name="link4_length" value="0.06" />
    <xacro:property name="link4_mass" value="0.7" />

    <!-- link5 properties -->
    <xacro:property name="link5_radius" value="0.03" />
    <xacro:property name="link5_length" value="0.06" />
    <xacro:property name="link5_mass" value="0.7" />

    <!-- link6 properties -->
    <xacro:property name="link6_radius" value="0.04" />
    <xacro:property name="link6_length" value="0.02" />
    <xacro:property name="link6_mass" value="0.6" />

    <!-- gripper -->
    <!-- 夹爪 -->
    <xacro:property name="gripper_length" value="0.03" />
    <xacro:property name="gripper_width" value="0.01" />
    <xacro:property name="gripper_height" value="0.06" />
    <xacro:property name="gripper_mass" value="0.5" />

    <!-- Gripper frame -->
    <xacro:property name="grasp_frame_radius" value="0.001" />

    <!-- Macro for inertia matrix -->
    <!-- 定义宏macro，宏里的函数名为cylinder_inertial_matrix，参数为"m r h",关于惯性矩阵的宏-->
    <xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h">
        <inertial>
            <mass value="${m}" />
            <!-- 圆柱体惯性矩阵的标准计算公式 -->
            <inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
                iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"
                izz="${m*r*r/2}" /> 
        </inertial>
    </xacro:macro>

    <xacro:macro name="box_inertial_matrix" params="m w h d">
        <inertial>
            <mass value="${m}" />
            <!-- 长方体惯性矩阵的标准计算公式 -->
            <inertia ixx="${m*(h*h+d*d)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
                iyy="${m*(w*w+d*d)/12}" iyz = "0"
                izz="${m*(w*w+h*h)/12}" /> 
        </inertial>
    </xacro:macro>

    <!-- /   ARM BASE    // -->
    <!-- 底盘 -->
    <!-- base-link可以不需要碰撞检测和惯性矩阵两个模块内容 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <joint name="base_joint" type="fixed">
        <origin xyz="0 0 ${link0_length/2}" rpy="0 0 0" />        
        <parent link="base_link"/>
        <child link="link0" />
    </joint>

    <!-- /    LINK0    // -->
    <link name="link0">
        <!-- visual：可视化部分 -->
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
            </geometry>
            <material name="White" />
        </visual>
        <!-- collision：碰撞检测部分 -->
        <!-- collision的物理模型和坐标与visual部分保持一致 -->
        <collision>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <!-- 通过函数名cylinder_inertial_matrix来调用之前定义的用来计算惯性矩阵的宏 -->
        <cylinder_inertial_matrix m="${link0_mass}" r="${link0_radius}" h="${link0_length}"/>
    </link>

    <joint name="joint1" type="revolute">
        <parent link="link0"/>
        <child link="link1"/>
        <origin xyz="0 0 ${link0_length/2}" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
        <axis xyz="-1 0 0" />
        <!-- 关节限制 -->
        <!-- effort：关节受力极限 -->
        <!-- velocity：最大速度 -->
        <!-- lower/upper：最大旋转角度(弧度制) -->
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}"/>
    </joint>

    <!-- /   LINK1  // -->
    <link name="link1" >
        <visual>
            <origin xyz="-${link1_length/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link1_radius}" length="${link1_length}"/>
            </geometry>
            <material name="Blue" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="-${link1_length/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link1_radius}" length="${link1_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link1_mass}" r="${link1_radius}" h="${link1_length}"/>
    </link>

    <joint name="joint2" type="revolute">
        <parent link="link1"/>
        <child link="link2"/>
        <origin xyz="-${link1_length} 0 0.0" rpy="-${M_PI/2} 0 ${M_PI/2}" />
        <axis xyz="1 0 0" />
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}" />
    </joint>

    <!-- ///   LINK2  // -->
    <link name="link2" >
        <visual>
            <origin xyz="0 0 ${link2_length/2}" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link2_radius}" length="${link2_length}"/>
            </geometry>
            <material name="White" />
        </visual>

        <collision>
            <origin xyz="0 0 ${link2_length/2}" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link2_radius}" length="${link2_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link2_mass}" r="${link2_radius}" h="${link2_length}"/>
    </link>

    <joint name="joint3" type="revolute">
        <parent link="link2"/>
        <child link="link3"/>
        <origin xyz="0 0 ${link2_length}" rpy="0 ${M_PI} 0" />
        <axis xyz="-1 0 0" />
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}" />
    </joint>

    <!-- /   LINK3  / -->
    <link name="link3" >
        <visual>
            <origin xyz="0 0 -${link3_length/2}" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link3_radius}" length="${link3_length}"/>
            </geometry>
            <material name="Blue" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="0 0 -${link3_length/2}" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link3_radius}" length="${link3_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link3_mass}" r="${link3_radius}" h="${link3_length}"/>
    </link>

    <joint name="joint4" type="revolute">
        <parent link="link3"/>
        <child link="link4"/>
        <origin xyz="0.0 0.0 -${link3_length}" rpy="0 ${M_PI/2} ${M_PI}" />
        <axis xyz="1 0 0" />
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}" />
    </joint>

    <!-- ///   LINK4   -->
    <link name="link4" >
        <visual>
            <origin xyz="${link4_length/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link4_radius}" length="${link4_length}"/>
            </geometry>
            <material name="Black" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="${link4_length/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link4_radius}" length="${link4_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link4_mass}" r="${link4_radius}" h="${link4_length}"/>
    </link>

    <!-- revolute:带上下限的旋转关节 -->
    <joint name="joint5" type="revolute">
        <parent link="link4"/>
        <child link="link5"/>
        <origin xyz="${link4_length} 0.0 0.0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
        <axis xyz="1 0 0" />
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}" />
    </joint>

    <!-- //   LINK5  / -->
    <link name="link5">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 ${link4_length/2}" rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link5_radius}" length="${link5_length}"/>
            </geometry>
            <material name="White" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="0 0 ${link4_length/2} " rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link5_radius}" length="${link5_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link5_mass}" r="${link5_radius}" h="${link5_length}"/>
    </link>

    <joint name="joint6" type="revolute">
        <parent link="link5"/>
        <child link="link6"/>
        <origin xyz="0 0 ${link4_length}" rpy="${1.5*M_PI} -${M_PI/2} 0" />
        <axis xyz="1 0 0" />
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-2*M_PI}" upper="${2*M_PI}" />
    </joint>

    <!--    LINK6  / -->
    <link name="link6">
        <visual>
            <origin xyz="${link6_length/2} 0 0 " rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link6_radius}" length="${link6_length}"/>
            </geometry>
            <material name="Blue" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="${link6_length/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="${link6_radius}" length="${link6_length}"/>
            </geometry>
        </collision>
        <cylinder_inertial_matrix m="${link6_mass}" r="${link6_radius}" h="${link6_length}"/>
    </link>

    <!-- prismatic：带上下限的直线平移关节 -->
    <joint name="finger_joint1" type="prismatic">
        <parent link="link6"/>
        <child link="gripper_finger_link1"/>
        <origin xyz="${link6_length} -0.03 0" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
        <limit effort="100" lower="0" upper="0.06" velocity="0.02"/>
    </joint>

    <!-- //   gripper   // -->
    <!-- LEFT GRIPPER AFT LINK -->
    <link name="gripper_finger_link1">
        <visual>
            <origin xyz="${gripper_height/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <box size="${gripper_length} ${gripper_width} ${gripper_height}" />
            </geometry>
            <material name="White" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="${gripper_height/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <box size="${gripper_length} ${gripper_width} ${gripper_height}" />
            </geometry>
        </collision>
        <box_inertial_matrix m="${gripper_mass}" w="${gripper_width}" h="${gripper_height}" d="${gripper_length}"/>
    </link>

    <joint name="finger_joint2" type="fixed">
        <parent link="link6"/>
        <child link="gripper_finger_link2"/>
        <origin xyz="${link6_length} 0.03 0" rpy="0 0 0" />
    </joint>

    <!-- RIGHT GRIPPER AFT LINK -->
    <link name="gripper_finger_link2">
        <visual>
            <origin xyz="${gripper_height/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <box size="${gripper_length} ${gripper_width} ${gripper_height}" />
            </geometry>
            <material name="White" />
        </visual>
        <collision>
            <origin xyz="${gripper_height/2} 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
            <geometry>
                <box size="${gripper_length} ${gripper_width} ${gripper_height}" />
            </geometry>
        </collision>
        <box_inertial_matrix m="${gripper_mass}" w="${gripper_width}" h="${gripper_height}" d="${gripper_length}"/>
    </link>

    <!-- Grasping frame -->
    <link name="grasping_frame"/>

    <joint name="grasping_frame_joint" type="fixed">
        <parent link="link6"/>
        <child link="grasping_frame"/>
        <origin xyz="${gripper_height} 0 0" rpy="0 0 0"/>
    </joint>

</robot>

启动模型文件Display_Model.launch文件

打开Display_Model.launch文件，将以下内容复制进去，同样，在个人主页中分为三篇文章详细讲解了launch文件的原理、语法结构及使用方法，供读者参考,以下launch语句有相关注释，可以与主页相应文章的介绍进行对比学习。

<launch>
    <arg name="model" />
    <!-- 加载机器人模型参数（机器人模型路径保存在robot_description变量中，后续访问这个变量就可以获取该路径） -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder $(find Robot_Arm)/urdf/Arm_Model.xacro" />

    <!-- 设置GUI参数，显示关节滑动条控制插件 -->
    <param name="use_gui" value="true"/>

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态（发布关节角度)  -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
    
    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf坐标系变换  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

    <!-- 运行rviz可视化界面 -->
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find Robot_Arm)/urdf.rviz" required="true" />
</launch>

使用launch文件启动rviz运行仿真文件

经过以上步骤，一个简单的六轴机械臂的建模已经全部完成，接下来只需运行该launch文件即可启动rviz运行仿真文件：

roslaunch Robot_Arm Display_Model.launch

首次启动后的rviz界面可能如下图所示，没有出现机械臂模型：

å¨è¿éæå¥å¾çæè¿°

这时我们需要进行相关选项的设置

在左边Display选项栏中点击Global Options–Fixed Frame选中下拉栏选项中的base_link，这样模型会从底盘坐标开始在模拟器中进行显示；
点击左下方Add按钮，找到RobotModel选项双击后，rviz便会导入launch文件中已保存机器人模型文件的参数robot_description，找到并启动机器人模型。

å¨è¿éæå¥å¾çæè¿°

至此，我们就完成了如何在Ros中从零搭建起一个完整的六轴机械臂模型，后续我们可以根据rviz中的更多组件和功能包进行仿真开发，以及结合Gazebo完成机器人与世界模型感知+数据融合测试的相关内容！

机械臂 ROS rviz 建模仿真 URDF模型

转载原出处：https://blog.csdn.net/CH_monsy/article/details/107726149

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Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法详细讲解及如何从零构建一个机械臂模型（二）

Robot_Tiger_

Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法详细讲解及如何从零构建一个机械臂模型（二）

建立工作空间

创建功能包

正式开始机械臂建模

机械臂模型文件Arm_Model.xacro

启动模型文件Display_Model.launch文件

使用launch文件启动rviz运行仿真文件

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建立工作空间

创建功能包

正式开始机械臂建模

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启动模型文件Display_Model.launch文件

使用launch文件启动rviz运行仿真文件

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