URDF模型

    URDF模型用于反映机器人各个组件之间的位置关系，包括车体、驱动轮、相机、激光雷达等，是ROS的robot_state_publisher用来给机器人发布tf关系的。
    URDF模型使用xml格式编写，可以使用网格模型网格对象(STL或Collada)、简单的方体或圆柱体等组件。

URDF描述文件

    以下用一个实例来描述URDF文件的构成。

    我们先写一个link作为基础：
01-myrobot.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot name="myrobot">
	<link name="link_1">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.6" radius="0.1"/>
			</geometry>
		</visual>
	</link>
</robot>

第一行：声明xml格式，以及版本号
第二行：<robot>标签定义了机器人的name：myrobot
第三行：<link>标签定义了link的name:link_1
第四行：<visual>标签定义link的可视化属性其包括：geometry、origin、material三个属性
第五行：<geometry>标签定义link的几何属性，可以是cylinder、box等，还可以是STL文件
第六行：<cylinder>定义了link为圆柱体

    我们再定义两个link、一个joint：joint描述的是两个joint之间的连接关系。
02-myrobot.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot name='myrobot'>
	<link name="link_1">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.6" radius="0.1"/>
			</geometry>
		</visual>
	</link>
	<link name="link_2">
		<visual>
			<geometry>
				<box size="0.6 0.1 0.2"/>
			</geometry>
			<origin rpy="0 1.57075" xyz="0 0 -0.3"/>
		</visual>
	</link>
	<joint name="joint_1" type="fixed">
		<parent link="link_1"/>
		<child link="link_2"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.22 0.25"/>
		<axis xyz="0 0 0"/>
	</joint>
</robot>

第十五行：<origin>标签定义了link_2的方向与位置
第十八行：<joint>标签定义了joint的name：joint_1，类型fixed
第十九行：<parent>标签指定了joint的父link
第十九行：<child>标签指定了joint的子link
第二十行：<origin>标签定义了两个link之间的位置关系
第二十一行：<axis>标签定义了两个link之间的旋转轴，一般joint属性为continuous需要定义旋转轴
简单了解了URDF描述文件的写法后，在这里编写一个简易的四轮小车模型并在rviz中显示。
03-myrobot.urdf

<?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
<robot name="myroobt">
	<link name="base_link">
		<visual>
			<geometry>
				<box size="0.6 0.4 0.2"/>
			</geometry>
		</visual>
	</link>
	<link name="left_front_wheel_link">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
			</geometry>
			<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
		</visual>
	</link>
	<joint name="left_front_joint" type="continuous">
		<parent link="base_link"/>
		<child link="left_front_wheel_link"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="0.25 0.225 -0.05"/>
		<axis rpy="0 0 0" xyz="0 1 0"/>
	</joint>

	<link name="right_front_wheel_link">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
			</geometry>
			<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
		</visual>
	</link>
	<joint name="right_front_joint" type="continuous">
		<parent link="base_link"/>
		<child link="right_front_wheel_link"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="0.25 -0.225 -0.05"/>
		<axis rpy="0 0 0" xyz="0 1 0"/>
	</joint>
	<link name="left_rear_wheel_link">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
			</geometry>
			<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
		</visual>
	</link>
	<joint name="left_rear_joint" type="continuous">
		<parent link="base_link"/>
		<child link="left_rear_wheel_link"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.25 0.225 -0.05"/>
		<axis rpy="0 0 0" xyz="0 1 0"/>
	</joint>
	<link name="right_rear_wheel_link">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
			</geometry>
			<origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
		</visual>
	</link>
	<joint name="right_rear_joint" type="continuous">
		<parent link="base_link"/>
		<child link="right_rear_wheel_link"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.25 -0.225 -0.05"/>
		<axis rpy="0 0 0" xyz="0 1 0"/>
	</joint>
</robot>

URDF编写完成后，我们编写一个launch文件来启动rviz、robot_state_publisher、joint_state_publisher，观察我们的机器人模型（rviz配置文件：启动rviz，添加组件后，另存为配置文件即可）。launch文件名称为display.launch:

<launch>
  <arg name="model" default="$(find urdf_tutorial)/urdf/03-myrobot.urdf"/>
  <arg name="gui" default="true" />
  <arg name="rvizconfig" default="$(find urdf_tutorial)/rviz/urdf.rviz" />

  <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(arg model)" />

  <node if="$(arg gui)" name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" />
  <node unless="$(arg gui)" name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
  <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
  <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(arg rvizconfig)" required="true" />

</launch>

启动launch文件：

$ cd ros_ws
$ source devel/setup.bash
$ roslaunch urdf_tutorial display.launch

运行界面如图所示：

xacro描述文件

xacro相比URDF具有更好的灵活性，可以定义宏、引入变量，也可以引入其他urdf/xacro文件。接下来我们新建一个urdf文件和一个xacro文件分别描述激光雷达和IMU并与上一节的urdf文件组成一个新的xacro文件。具体xacro语法可以参考wiki。
04-laser.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot>
	<link name="laser_link">
		<visual>
			<geometry>
				<cylinder length="0.06" radius="0.03"/>
			</geometry>
			<material name="black">
				<color rgba="0.1 0.1 0.1 1"/>
			</material>
			<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0 "/>
		</visual>
	</link>
</robot>

05-imu.urdf.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
	<xacro:macro name="imu" params="name:=imu parent:=base_link *origin">
		<link name="${name}_link">
			<visual>
				<geometry>
					<box size="0.03 0.03 0.01"/>
				</geometry>
				<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
				<material name="yellow">
					<color rgba="0.5 0.5 0 1"/>
				</material>
			</visual>
		</link>
		<joint name="${name}_joint" type="fixed">
			<xacro:insert_block name="origin"/>
			<parent link="${parent}"/>
			<child link="${name}_link"/>
		</joint>
	</xacro:macro>
</robot>

06-myrobot.urdf.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
	<!--引入其他描述文件-->
	<xacro:include filename="$(find urdf_tutorial)/urdf/03-myrobot.urdf"/>
	<xacro:include filename="$(find urdf_tutorial)/urdf/04-laser.urdf"/>
	<xacro:include filename="$(find urdf_tutorial)/urdf/05-imu.urdf.xacro"/>
	<!--定义变量-->
	<xacro:property name="use_imu" value="true"/>

	<!--imu-->
	<xacro:if value="${use_imu}">
		<xacro:imu name="imu" parent="base_link">
			<origin xyz="0.0 0 0.105" rpy="0 0 0"/>
		</xacro:imu>
	</xacro:if>

	<!--laser-->
	<joint name="laser_joint" type="fixed">
		<parent link="base_link"/>
		<child link="laser_link"/>
		<origin rpy="0 0 0" xyz="0.25 0 0.13"/>
		<axis xyz="0 0 0"/>
	</joint>
</robot>

运行launch文件启动rviz观察机器人模型如图所示：

URDF生成工具

除了编写URDF文件外，官方提供了URDF的solidworks插件，可以通过SolidWorks直接生成可用的URDF描述文件，具体步骤方法如下：

• 第一步：安装插件
  安装sw2urdfSetup.exe插件，下载地址。

• 第二步：坐标系设置
  1）设置base_link坐标系，机器人base_link坐标系定在底盘底板中心，首先打开solidwork-打开3D模型-插入-参考几何体-点，选中底盘底板，生成一个点，该点一般默认为底盘中心；继续插入-参考几何体-坐标系，设定坐标系Ｘ、Ｙ、Ｚ方向，Ｘ方向向前及雷达所在方向，Ｙ方向向左，Ｚ方向向上，设置完成后，在左侧下拉菜单中将该坐标系名字命名为base_link。
  2）对转动关节以及传感器坐标系进行设定，设定方式参考base_link。设置结果如下：
  右前轮：front_right_wheel_Link;
  左前轮：front_left_wheel_Link;
  右后轮：back_right_wheel_Link;
  左后轮：back_left_wheel_Link;
  雷达：laser_Link;
  前gps: gps1_Link;
  后gps: gps2_Link;
  注：该模型轮子坐标点均应该选择轮子外侧点。
  3）对转动关节进行旋转轴设置：插入-参考几何体-基准轴，选择你需要设计的旋转环节，该模型需要选种轮子宽度方向的面，并重命名如下：
  右前轮：front_right_wheel;
  左前轮：front_left_wheel;
  右后轮：back_right_wheel;
  左后轮：back_left_wheel;
  设置完成后的在软件右栏中的结果如下图所示：
• 第三步：详细内容设置
  1)按步骤一安装完插件后，在工具-File-Export as URDF

如上图所示:
设置Link Name(base_link);Global Origin Coordinate System(base_link);Link Components(选择整体模型)；Number of child links(7);
2)对转动关节以及传感器坐标系进行设定
设置Link Name(front_right_wheel_Link);
Global Origin Coordinate System(front_right_wheel_Link);
Refernce Coordinate System (front_right_wheel_Link);
Refernce Axis(front_right_wheel)；
Joint Type(contionous);
Link Components(选择右前轮)；
Number of child links(0);
结果如下图：

其他关节设计同上,雷达与gps的Joint Type为(fixed);
第三步：Preview and Export
1)点击Preview and Export按钮，进入到如下界面

挨个点击如下分支，完成后，点击Next

生成如下界面：

挨个点击如下分支：

完成后，点击Finish保存。将保存的文件夹拷贝至工作空间中，运行display.launch文件即可以看到机器人模型。