URDF – 通用机器人描述格式 – XML 规范

系列文章目录

前言

一、robot

1.1 <robot> 元素

机器人描述文件的根元素必须是 robot ，所有其他元素都必须封装在其中。

1.2 元素

1.3 属性

name

主文件必须有 name 属性。在包含文件中，name 属性是可选的。如果在附加的包含文件中指定了属性名称，其值必须与主文件中的相同。

1.4 示例

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

二、link

2.1 <link> 元素

link 元素描述了一个具有惯量（inertia）、视觉特征（visual features）和碰撞属性（collision properties）的刚体（rigid body）。

下面是一个 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 属性

name（必需）

刚体（link）本身的名称。

2.3 元素

2.3.1 <inertial>（可选：如果未指定，默认质量为零，惯量为零）

刚体（link）的质量、质心位置和中心惯量特性。

2.3.1.1 <origin>（可选：如未指定，默认为单位元）

 这个姿态（平移、旋转）描述了刚体（link）的质心坐标系（center of mass frame） C 相对于刚体（link）坐标系 L 的位置和方向。

xyz（可选：默认为 0 向量）

表示从 Lo（刚体坐标系原点）到 Co（刚体质量中心）的位置矢量为 x L̂x + y L̂y + z L̂z，其中 L̂x、L̂y、L̂z 为链接框架 L 的正交单位矢量。

rpy（可选：如果未指定，默认为单位元）

表示质心坐标系 C 的单位矢量 Ĉx、Ĉy、Ĉz 相对于刚体坐标系 L 的方向，是以弧度为单位的欧拉旋转序列 (r p y)。注意： Ĉx、Ĉy、Ĉz 不需要与刚体的惯性主轴对齐。

2.3.1.2 <mass>

 刚体的质量由该元素的 value 属性表示

2.3.1.3 <inertia>

固定在质心坐标系 C 中的单位向量Ĉx、Ĉy、Ĉz 相对于 Co（刚体质心）的惯性矩 ixx、iyy、izz 和惯性积 ixy、ixz、iyz。

注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz 相对于 L̂x、L̂y、L̂z 的方向由 <origin> 标签中的 rpy 值指定。一些原始形状的属性 ixx、ixy、ixz、iyy、iyz、izz 在这里。URDF 假定惯性积为负值（更多信息，请参阅有关使用 CAD 工具的 MathWorks 文档）。要避免与惯性积负号约定相关的兼容性问题，最简单的方法是将Ĉx、Ĉy、Ĉz 与主惯性方向对齐，使所有惯性积为零。

2.3.2 <visual>（可选）

刚体（link）的可视化属性。该元素用于指定对象的形状（方框、圆柱等），以便实现可视化。注意：同一刚体（link）可存在多个 <visual> 标记实例。它们定义的几何形状的组合构成了刚体（link）的可视化表示。 

2.3.2.1 name（可选）

指定刚体几何体部分的名称。这对引用刚体几何图形的特定的位非常有用。

2.3.2.2 <origin>（可选：如未指定，默认为单位元） 

 visual 元素相对于刚体参照系的参照系。

xyz（可选：默认为 0 向量）

表示 x、y、z 偏移量。

rpy（可选：如果未指定，默认为单位元）

表示以弧度为单位的固定轴滚动角、俯仰角和偏航角。

2.3.2.3 <geometry>

视觉对象的形状。可以是以下形状之一：

<box>

size 属性包含方框的三个边长。方框的原点位于其中心。

<cylinder>

指定半径和长度。圆柱体的原点位于其中心。

<sphere>

指定半径。球体的原点位于其中心。

2.3.2.4 <mesh>

由文件名和可选的缩放比例指定的 trimesh 元素，缩放比例用于缩放网格的轴对齐包围盒。任何几何体格式都可接受，但具体应用的兼容性取决于实施情况。为获得最佳纹理和颜色支持，推荐使用 Collada .dae 文件格式。网格文件不会在引用同一模型的机器之间传输。它必须是本地文件。在文件名前加上 package://<packageagename>/<path>，使网格文件的路径相对于软件包 <packageagename>。

2.3.2.5 <material>

视觉元素的材质。可以在 “link “对象之外的顶层 “robot “元素中指定材质元素。在 link 元素中，您可以通过名称来引用材料。

name

材料名称

<color>

rgba 材料的颜色，由代表红/绿/蓝/阿尔法的四个数字组成，每个数字的范围为 [0,1]。

<texture>

材料的纹理由文件名指定

 2.3.4 <collision>

刚体的碰撞属性。请注意，这可能与刚体的视觉属性不同，例如，为了减少计算时间，通常会使用更简单的碰撞模型。注意：同一刚体可以存在多个 <collision> 标记实例。它们定义的几何体的组合构成了刚体的碰撞表示。

2.3.4.1 name

指定刚体几何体部分的名称。这对引用刚体几何图形的特定的位非常有用。

2.3.4.2 <origin>

 碰撞元素相对于刚体参照系的参照系。

xyz（可选：默认为 0 向量）

表示 x、y、z 偏移量。

rpy（可选：如果未指定，默认为单位元）

表示以弧度为单位的固定轴滚动角、俯仰角和偏航角。

2.3.4.3 <geometry>

参见上述视觉元素中的几何描述。 

2.4 推荐的网格分辨率

在使用 ROS 运动规划软件包进行碰撞检测时，建议在 URDF 中添加的碰撞网格每个链接的面数越少越好（最好少于 1000 个）。如果可能，我们鼓励使用其他基元近似网格。

2.5 多碰撞体

会议决定，URDF 不应支持多组碰撞体，尽管有时会有这方面的应用。URDF 仅用于表示机器人的实际属性，而不是用于控制器碰撞检查等外部用途的碰撞。在 URDF 中，<visual> 元素应尽可能与真实机器人保持一致，而 <collision> 元素则应与真实机器人接近，尽管网格中的三角形数量要少得多。

如果您确实需要更粗粒度、更大尺寸的碰撞几何图形来进行碰撞检查和控制器等操作，您可以将这些网格/几何图形移动到自定义 XML 元素中。例如，如果您的控制器需要一些特殊的粗糙碰撞检查几何体，您可以在 <collision> 元素后添加 <collision_checking> 标签：

  <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 将忽略这些自定义元素，如 “collision_checking”，而您的特定程序可以自行解析 XML 来获取这些信息。

三、Joint

3.1 <Joint> 元素

关节元素描述了关节的运动学和动力学特性，还规定了关节的安全限制。

下面是一个关节元素的示例：

 <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 属性

关节元素有两个属性：

name（必填）

指定接头的唯一名称

type（必填）

指定关节类型，其中类型可以是以下之一：
revolute – 沿轴线旋转的铰链接头，其范围由上下限指定。

continuous – 一种绕轴旋转的连续铰链接头，没有上下限。

prismatic – 沿轴线滑动的滑动接头，其范围受上下限的限制。

fixed – 这不是真正意义上的关节，因为它不能移动。所有自由度都被锁定。这种关节不需要 <axis>、<calibration>、<dynamics>、<limits> 或 <safety_controller>。

floating – 这种关节允许所有 6 个自由度的运动。

planar – 这种关节允许在垂直于轴的平面内运动。

3.3 元素

joint 元素包含以下元素：

3.3.1 <origin> （可选：如果未指定，默认为 identity）

这是从父刚体（link）到子刚体（link）的转换。如上图所示，关节点位于子刚体（link）的原点。

xyz（可选：默认为零向量）

代表 x、y、z 偏移量。所有位置的单位都是米。

rpy（可选：默认为零向量）

代表绕固定轴的旋转：首先绕 x 轴旋转，然后绕 y 轴旋转，最后绕 z 轴旋转。

3.3.2 <parent>（必填）

带有强制属性的父刚体（link）名称：

link

该刚体（link）在机器人树结构中的父刚体（link）名称。

3.3.3 <child>（必填）

带有强制属性的子刚体（link）名称：

link

作为子刚体（link）的刚体（link）名称。

3.3.4 <axis>（可选：默认为（1,0,0）

关节坐标系中指定的关节轴。对于旋转关节，这是旋转轴；对于棱柱关节，这是平移轴；对于平面关节，这是表面法线。轴在关节参考坐标系中指定。固定关节和浮动关节不使用轴字段。

xyz（必填）

代表矢量的（x、y、z）分量。矢量应进行归一化处理。

3.3.5 <calinration>（可选）

关节的参考位置，用于校准关节的绝对位置。

rising（可选）

当关节向正方向移动时，该参考位置将触发一个上升沿。

falling（可选）

当关节向正方向移动时，该参考位置将触发下降沿。

3.3.6 <dynamics>（可选）

指定关节物理属性的元素。这些值用于指定关节的建模属性，对仿真特别有用。

damping（可选，默认为 0）

关节的物理阻尼值（对于棱柱关节，单位为牛顿-秒/米[N∙s/m]；对于旋转关节，单位为牛顿-米-秒/弧度[N∙m∙s/rad]）。

friction（可选，默认为 0）

关节的物理静摩擦力值（对于棱柱形关节，单位为牛顿[N]；对于反卷形关节，单位为牛顿-米[N∙m]）。

3.3.7 <limit>（仅外旋式和棱柱式接头需要）

元素可包含以下属性：

lower （可选，默认为 0）

指定关节下限的属性（对于旋转关节，单位为弧度；对于棱柱关节，单位为米）。如果关节是连续的，则省略。

upper （可选，默认为 0）

指定关节上限的属性（对于旋转关节以弧度为单位，对于棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。

effort（必填）

用于执行最大关节力的属性（|applied effort| < |effort|）。请参阅安全限制。

velocity（必填）

用于执行最大关节速度的属性（对于旋转关节，单位为弧度/秒 [rad/s]；对于棱柱关节，单位为米/秒 [m/s]）。请参阅安全限制。

3.3.8 <mimic>（可选）（ROS Groovy 的新功能，参见问题）

该标签用于指定已定义的关节模仿另一个现有关节。该关节的值可计算为：value = multiplier * other_joint_value + offset。

预期和可选属性：

joint（必填）

指定要模仿的关节名称。

multiplier（可选）

指定上述公式中的乘法因子。

offset（可选）

指定在上述公式中添加的偏移量。默认值为 0（外旋关节为弧度，棱柱关节为米）

<safety_controller>（可选）

元素可包含以下属性：

soft_lower_limit （可选，默认为 0）

指定安全控制器开始限制关节位置的下关节边界的属性。该限制必须大于关节下限（见上文）。更多详情，请参阅安全限制。

soft_upper_limit （可选，默认为 0）

指定接头上限边界的属性，安全控制器从此处开始限制接头位置。该限制必须小于关节上限（见上文）。详情请参阅安全限制。

k_position（可选，默认为 0）

指定位置和速度限制之间关系的属性。详情请参阅安全限值。

k_velocity （必填）

指定力度和速度限制之间关系的属性。详情请参阅安全限制。

四、model

统一机器人描述格式（URDF）是一种描述机器人的 XML 规范。我们试图尽可能保持该规范的通用性，但该规范显然无法描述所有机器人。目前的主要限制是只能表示树形结构，排除了所有并联机器人。此外，本规范假定机器人由通过关节连接的刚性连接组成；不支持柔性元素。规范包括

• 机器人的运动学和动力学描述
• 机器人的可视化表示
• 机器人的碰撞模型

机器人的描述由一组刚体（link）元素和一组将刚体（link）连接在一起的关节元素组成。因此，典型的机器人描述是这样的

<?xml version="1.0"?>
<?xml-model href="https://raw.githubusercontent.com/ros/urdfdom/master/xsd/urdf.xsd" ?>
<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、常见几何体的惯量矩阵

描述	图形	惯量张量矩
实心球，半径为r，质量为m
空心球，半径为r，质量为m
实心椭球，半轴为a、b、c，质量为m
圆锥，半径为r，高为h，质量为m
实心长方体，高为h，宽为w，长为d，质量为m
端点绕y轴旋转的细棒，长为l，质量为m
中心绕y轴旋转的细棒，长为l，质量为m
实心圆柱，半径为r，高为h，质量为m
两端开通的厚圆柱，内半径为r1，外半径为r2，高为h，质量为m

代码007普通

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