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前言

?

?

一、robot

1.1?<robot> 元素

機器人描述文件的根元素必須是 robot ，所有其他元素都必須封裝在其中。

1.2 元素

?

1.3 屬性

name

主文件必須有 name 屬性。在包含文件中，name 屬性是可選的。如果在附加的包含文件中指定了屬性名稱，其值必須與主文件中的相同。

1.4 示例

<robot name="pr2">
  <!-- pr2 robot links and joints and more -->
</robot>

二、link

2.1?<link> 元素

link 元素描述了一個具有慣量（inertia）、視覺特征（visual features）和碰撞屬性（collision properties）的剛體（rigid body）。

下面是一個 link?元素的示例：

 <link name="my_link">
   <inertial>
     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
     <mass value="1"/>
     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
   </inertial>

   <visual>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
     <geometry>
       <box size="1 1 1" />
     </geometry>
     <material name="Cyan">
       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
     </material>
   </visual>

   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
     </geometry>
   </collision>
 </link>

2.2 屬性

name（必需）

剛體（link）本身的名稱。

2.3 元素

2.3.1?<inertial>（可選：如果未指定，默認質(zhì)量為零，慣量為零）

剛體（link）的質(zhì)量、質(zhì)心位置和中心慣量特性。

2.3.1.1?<origin>（可選：如未指定，默認為單位元）

?這個姿態(tài)（平移、旋轉(zhuǎn)）描述了剛體（link）的質(zhì)心坐標系（center of mass frame）?C 相對于剛體（link）坐標系 L 的位置和方向。

xyz（可選：默認為 0 向量）

表示從 Lo（剛體坐標系原點）到 Co（剛體質(zhì)量中心）的位置矢量為 x L?x + y L?y + z L?z，其中 L?x、L?y、L?z 為鏈接框架 L 的正交單位矢量。

rpy（可選：如果未指定，默認為單位元）

表示質(zhì)心坐標系 C 的單位矢量 ?x、?y、?z 相對于剛體坐標系 L 的方向，是以弧度為單位的歐拉旋轉(zhuǎn)序列 (r p y)。注意： ?x、?y、?z 不需要與剛體的慣性主軸對齊。

2.3.1.2?<mass>

?剛體的質(zhì)量由該元素的 value 屬性表示

2.3.1.3?<inertia>

固定在質(zhì)心坐標系 C 中的單位向量?x、?y、?z 相對于 Co（剛體質(zhì)心）的慣性矩 ixx、iyy、izz 和慣性積 ixy、ixz、iyz。

注意：?x、?y、?z 相對于 L?x、L?y、L?z 的方向由 <origin> 標簽中的 rpy 值指定。一些原始形狀的屬性 ixx、ixy、ixz、iyy、iyz、izz 在這里。URDF 假定慣性積為負值（更多信息，請參閱有關使用 CAD 工具的 MathWorks 文檔）。要避免與慣性積負號約定相關的兼容性問題，最簡單的方法是將?x、?y、?z 與主慣性方向?qū)R，使所有慣性積為零。

2.3.2?<visual>（可選）

剛體（link）的可視化屬性。該元素用于指定對象的形狀（方框、圓柱等），以便實現(xiàn)可視化。注意：同一剛體（link）可存在多個 <visual> 標記實例。它們定義的幾何形狀的組合構成了剛體（link）的可視化表示。?

2.3.2.1 name（可選）

指定剛體幾何體部分的名稱。這對引用剛體幾何圖形的特定的位非常有用。

2.3.2.2?<origin>（可選：如未指定，默認為單位元）?

?visual 元素相對于剛體參照系的參照系。

xyz（可選：默認為 0 向量）

表示 x、y、z 偏移量。

rpy（可選：如果未指定，默認為單位元）

表示以弧度為單位的固定軸滾動角、俯仰角和偏航角。

2.3.2.3?<geometry>

視覺對象的形狀?？梢允且韵滦螤钪唬?/p>

<box>

size 屬性包含方框的三個邊長。方框的原點位于其中心。

<cylinder>

指定半徑和長度。圓柱體的原點位于其中心。

<sphere>

指定半徑。球體的原點位于其中心。

2.3.2.4?<mesh>

由文件名和可選的縮放比例指定的 trimesh 元素，縮放比例用于縮放網(wǎng)格的軸對齊包圍盒。任何幾何體格式都可接受，但具體應用的兼容性取決于實施情況。為獲得最佳紋理和顏色支持，推薦使用 Collada .dae 文件格式。網(wǎng)格文件不會在引用同一模型的機器之間傳輸。它必須是本地文件。在文件名前加上 package://<packageagename>/<path>，使網(wǎng)格文件的路徑相對于軟件包 <packageagename>。

2.3.2.5?<material>

視覺元素的材質(zhì)?？梢栽?"link "對象之外的頂層?"robot?"元素中指定材質(zhì)元素。在 link 元素中，您可以通過名稱來引用材料。

name

材料名稱

<color>

rgba 材料的顏色，由代表紅/綠/藍/阿爾法的四個數(shù)字組成，每個數(shù)字的范圍為 [0,1]。

<texture>

材料的紋理由文件名指定

?2.3.4?<collision>

剛體的碰撞屬性。請注意，這可能與剛體的視覺屬性不同，例如，為了減少計算時間，通常會使用更簡單的碰撞模型。注意：同一剛體可以存在多個 <collision> 標記實例。它們定義的幾何體的組合構成了剛體的碰撞表示。

2.3.4.1?name

指定剛體幾何體部分的名稱。這對引用剛體幾何圖形的特定的位非常有用。

2.3.4.2?<origin>

?碰撞元素相對于剛體參照系的參照系。

xyz（可選：默認為 0 向量）

表示 x、y、z 偏移量。

rpy（可選：如果未指定，默認為單位元）

表示以弧度為單位的固定軸滾動角、俯仰角和偏航角。

2.3.4.3?<geometry>

參見上述視覺元素中的幾何描述。?

2.4?推薦的網(wǎng)格分辨率

在使用 ROS 運動規(guī)劃軟件包進行碰撞檢測時，建議在 URDF 中添加的碰撞網(wǎng)格每個鏈接的面數(shù)越少越好（最好少于 1000 個）。如果可能，我們鼓勵使用其他基元近似網(wǎng)格。

2.5 多碰撞體

會議決定，URDF 不應支持多組碰撞體，盡管有時會有這方面的應用。URDF 僅用于表示機器人的實際屬性，而不是用于控制器碰撞檢查等外部用途的碰撞。在 URDF 中，<visual> 元素應盡可能與真實機器人保持一致，而 <collision> 元素則應與真實機器人接近，盡管網(wǎng)格中的三角形數(shù)量要少得多。

如果您確實需要更粗粒度、更大尺寸的碰撞幾何圖形來進行碰撞檢查和控制器等操作，您可以將這些網(wǎng)格/幾何圖形移動到自定義 XML 元素中。例如，如果您的控制器需要一些特殊的粗糙碰撞檢查幾何體，您可以在 <collision> 元素后添加 <collision_checking> 標簽：

  <link name="torso">
    <visual>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://robot_description/meshes/base_link.DAE"/>
      </geometry>
    </visual>
    <collision>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.065 0 0.0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://robot_description/meshes/base_link_simple.DAE"/>
      </geometry>
    </collision>
    <collision_checking>
      <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.065 0 0.0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.7" radius="0.27"/>
      </geometry>
    </collision_checking>
    <inertial>
      ...
    </inertial>
  </link>  

?URDF 將忽略這些自定義元素，如 "collision_checking"，而您的特定程序可以自行解析 XML 來獲取這些信息。

三、Joint

3.1 <Joint> 元素

關節(jié)元素描述了關節(jié)的運動學和動力學特性，還規(guī)定了關節(jié)的安全限制。

下面是一個關節(jié)元素的示例：

 <joint name="my_joint" type="floating">
    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>

    <calibration rising="0.0"/>
    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
 </joint>

?

?

3.2 屬性

關節(jié)元素有兩個屬性：

name（必填）

指定接頭的唯一名稱

type（必填）

指定關節(jié)類型，其中類型可以是以下之一：
revolute?- 沿軸線旋轉(zhuǎn)的鉸鏈接頭，其范圍由上下限指定。

continuous - 一種繞軸旋轉(zhuǎn)的連續(xù)鉸鏈接頭，沒有上下限。

prismatic - 沿軸線滑動的滑動接頭，其范圍受上下限的限制。

fixed - 這不是真正意義上的關節(jié)，因為它不能移動。所有自由度都被鎖定。這種關節(jié)不需要 <axis>、<calibration>、<dynamics>、<limits> 或 <safety_controller>。

floating - 這種關節(jié)允許所有 6 個自由度的運動。

planar - 這種關節(jié)允許在垂直于軸的平面內(nèi)運動。

3.3 元素

joint 元素包含以下元素：

3.3.1 <origin> （可選：如果未指定，默認為 identity）

這是從父剛體（link）到子剛體（link）的轉(zhuǎn)換。如上圖所示，關節(jié)點位于子剛體（link）的原點。

xyz（可選：默認為零向量）

代表 x、y、z 偏移量。所有位置的單位都是米。

rpy（可選：默認為零向量）

代表繞固定軸的旋轉(zhuǎn)：首先繞 x 軸旋轉(zhuǎn)，然后繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，最后繞 z 軸旋轉(zhuǎn)。

3.3.2 <parent>（必填）

帶有強制屬性的父剛體（link）名稱：

link

該剛體（link）在機器人樹結(jié)構中的父剛體（link）名稱。

3.3.3 <child>（必填）

帶有強制屬性的子剛體（link）名稱：

link

作為子剛體（link）的剛體（link）名稱。

3.3.4 <axis>（可選：默認為（1,0,0）

關節(jié)坐標系中指定的關節(jié)軸。對于旋轉(zhuǎn)關節(jié)，這是旋轉(zhuǎn)軸；對于棱柱關節(jié)，這是平移軸；對于平面關節(jié)，這是表面法線。軸在關節(jié)參考坐標系中指定。固定關節(jié)和浮動關節(jié)不使用軸字段。

xyz（必填）

代表矢量的（x、y、z）分量。矢量應進行歸一化處理。

3.3.5 <calinration>（可選）

關節(jié)的參考位置，用于校準關節(jié)的絕對位置。

rising（可選）

當關節(jié)向正方向移動時，該參考位置將觸發(fā)一個上升沿。

falling（可選）

當關節(jié)向正方向移動時，該參考位置將觸發(fā)下降沿。

3.3.6 <dynamics>（可選）

指定關節(jié)物理屬性的元素。這些值用于指定關節(jié)的建模屬性，對仿真特別有用。

damping（可選，默認為 0）

關節(jié)的物理阻尼值（對于棱柱關節(jié)，單位為牛頓-秒/米[N?s/m]；對于旋轉(zhuǎn)關節(jié)，單位為牛頓-米-秒/弧度[N?m?s/rad]）。

friction（可選，默認為 0）

關節(jié)的物理靜摩擦力值（對于棱柱形關節(jié)，單位為牛頓[N]；對于反卷形關節(jié)，單位為牛頓-米[N?m]）。

3.3.7 <limit>（僅外旋式和棱柱式接頭需要）

元素可包含以下屬性：

lower （可選，默認為 0）

指定關節(jié)下限的屬性（對于旋轉(zhuǎn)關節(jié)，單位為弧度；對于棱柱關節(jié)，單位為米）。如果關節(jié)是連續(xù)的，則省略。

upper （可選，默認為 0）

指定關節(jié)上限的屬性（對于旋轉(zhuǎn)關節(jié)以弧度為單位，對于棱柱關節(jié)以米為單位）。如果關節(jié)是連續(xù)的，則省略。

effort（必填）

用于執(zhí)行最大關節(jié)力的屬性（|applied effort| < |effort|）。請參閱安全限制。

velocity（必填）

用于執(zhí)行最大關節(jié)速度的屬性（對于旋轉(zhuǎn)關節(jié)，單位為弧度/秒 [rad/s]；對于棱柱關節(jié)，單位為米/秒 [m/s]）。請參閱安全限制。

3.3.8 <mimic>（可選）（ROS Groovy 的新功能，參見問題）

該標簽用于指定已定義的關節(jié)模仿另一個現(xiàn)有關節(jié)。該關節(jié)的值可計算為：value = multiplier * other_joint_value + offset。

預期和可選屬性：

joint（必填）

指定要模仿的關節(jié)名稱。

multiplier（可選）

指定上述公式中的乘法因子。

offset（可選）

指定在上述公式中添加的偏移量。默認值為 0（外旋關節(jié)為弧度，棱柱關節(jié)為米）

<safety_controller>（可選）

元素可包含以下屬性：

soft_lower_limit （可選，默認為 0）

指定安全控制器開始限制關節(jié)位置的下關節(jié)邊界的屬性。該限制必須大于關節(jié)下限（見上文）。更多詳情，請參閱安全限制。

soft_upper_limit （可選，默認為 0）

指定接頭上限邊界的屬性，安全控制器從此處開始限制接頭位置。該限制必須小于關節(jié)上限（見上文）。詳情請參閱安全限制。

k_position（可選，默認為 0）

指定位置和速度限制之間關系的屬性。詳情請參閱安全限值。

k_velocity （必填）

指定力度和速度限制之間關系的屬性。詳情請參閱安全限制。

四、model

統(tǒng)一機器人描述格式（URDF）是一種描述機器人的 XML 規(guī)范。我們試圖盡可能保持該規(guī)范的通用性，但該規(guī)范顯然無法描述所有機器人。目前的主要限制是只能表示樹形結(jié)構，排除了所有并聯(lián)機器人。此外，本規(guī)范假定機器人由通過關節(jié)連接的剛性連接組成；不支持柔性元素。規(guī)范包括

• 機器人的運動學和動力學描述
• 機器人的可視化表示
• 機器人的碰撞模型

?

機器人的描述由一組剛體（link）元素和一組將剛體（link）連接在一起的關節(jié)元素組成。因此，典型的機器人描述是這樣的

<?xml version="1.0"?>
<?xml-model  ?>
<robot name="pr2" xmlns="http://www.ros.org">
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>

  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
</robot>

可以看到，URDF 格式的根元素是 <robot> 元素。

?

五、常見幾何體的慣量矩陣

描述	圖形	慣量張量矩
實心球，半徑為r，質(zhì)量為m
空心球，半徑為r，質(zhì)量為m
實心橢球，半軸為a、b、c，質(zhì)量為m
圓錐，半徑為r，高為h，質(zhì)量為m		?
實心長方體，高為h，寬為w，長為d，質(zhì)量為m		?
端點繞y軸旋轉(zhuǎn)的細棒，長為l，質(zhì)量為m
中心繞y軸旋轉(zhuǎn)的細棒，長為l，質(zhì)量為m
實心圓柱，半徑為r，高為h，質(zhì)量為m
兩端開通的厚圓柱，內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，高為h，質(zhì)量為m

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到了這里，關于URDF - 通用機器人描述格式 - XML 規(guī)范的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！