ROS-机械臂——从零构建机器人模型

URDF建模

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URDF

URDF，全称为 Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是一种用于描述机器人几何结构和运动学属性的标准文件格式。URDF 文件通常用于机器人模拟、路径规划、控制算法开发和可视化等领域，特别是在 ROS（Robot Operating System）环境中非常常见。

URDF 建模主要关注以下方面：

Link（链接）：表示机器人中的刚体部分，如机器人的手臂、腿或任何静态部件。每个链接都有自己的惯性属性，如质量和转动惯量，以及几何形状，如碰撞体（colliders）和视觉表示（visuals）。
Joint（关节）：描述链接之间的连接方式，包括关节类型（如revolute旋转关节、prismatic直线关节等）、关节轴线、限制条件（如关节限位）和动力学属性（如摩擦力）。
Inertial（惯性）：描述链接的质量和转动惯量等物理属性。
Collision（碰撞）：用于物理模拟和碰撞检测的几何形状，通常较为简单。
Visual（视觉）：用于渲染和可视化的几何形状，可能比碰撞形状更复杂，以提供更真实的外观。
Material（材质）：定义颜色和纹理，用于视觉表示。
Actuator（执行器）：描述驱动关节的设备，如电机或液压缸的属性。
Transmissions（传动装置）：定义执行器如何影响关节的运动。
Gazebo Plugins（Gazebo 插件）：用于在 Gazebo 模拟器中扩展机器人的行为，如传感器模型。
URDF 建模过程涉及创建和配置上述组件，以准确地反映机器人的结构和动力学。URDF 文件通常是 XML 格式的，可以通过文本编辑器手动编写，也可以使用工具辅助生成。

URDF 与 DH 参数（Denavit-Hartenberg 参数）有联系，DH 参数用于描述关节间的相对位置和方向，而 URDF 可以基于这些参数来构建机器人的结构模型。然而，URDF 提供了更为丰富和详细的描述，包括几何形状、物理属性和传感器信息等。

机器人组成

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内部关系

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Links 与 Joints

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Links

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Joint

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UDRF建模弊端

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xacro模型文件

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常量定义与使用

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数学计算

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宏定义、宏调用

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文件包含

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定义排版

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launch文件

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#三维模型导出URDF

网上找到UR3机械臂的资源，把 “.step” 后缀结尾的文件，在solidwork中打开如图

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link和joint的配置

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生成模型功能包

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测试修改bug

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结果展示

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solid works

SolidWorks 是一款广泛使用的三维 CAD 软件，主要用于机械设计。要将 SolidWorks 的模型转换为 URDF（Unified Robot Description Format）格式，用于机器人仿真和控制，你需要一个插件或者工具来辅助这个过程。虽然 SolidWorks 本身并不直接支持 URDF 格式，但有一些第三方插件可以实现这一功能，比如 sw2urdf。

选择哪一款 SolidWorks 版本对于 URDF 转换而言，主要取决于以下几点：

插件兼容性：确保你所选择的 SolidWorks 版本与你打算使用的 URDF 插件兼容。不同的插件可能支持不同版本的 SolidWorks。
功能需求：如果你的模型非常复杂，可能需要使用更高版本的 SolidWorks，因为较新版本往往包含更多功能和改进的性能，这可以帮助你更高效地创建和管理复杂的装配体。
硬件要求：SolidWorks 的高版本通常需要更强的硬件配置。如果您的计算机硬件不够强大，可能会影响软件运行的流畅性和稳定性。
许可成本：SolidWorks 不同版本的价格不同，且功能也有差异。你需要评估成本效益，选择最适合你预算和需求的版本。
技术支持：较新的 SolidWorks 版本通常会获得更好的技术支持和更新。
用户熟悉度：如果你已经熟悉某个版本的 SolidWorks，除非有特别的功能需求，否则继续使用熟悉的版本可能会更加高效。
对于 URDF 导出而言，关键在于找到一个稳定且功能全面的插件，它能够准确地将你的 SolidWorks 模型转换为 URDF 文件。sw2urdf 插件能够处理 SolidWorks 的零件和装配体，自动识别关节类型、变换和轴，这对于 URDF 建模是非常重要的。

目录架构

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相关文件

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)

project(UR3)

find_package(catkin REQUIRED)

catkin_package()

find_package(roslaunch)

foreach(dir config launch meshes urdf)
	install(DIRECTORY ${dir}/
		DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}/${dir})
endforeach(dir)

package.xml

<package format="2">
  <name>UR3</name>
  <version>1.0.0</version>
  <description>
    <p>URDF Description package for UR3</p>
    <p>This package contains configuration data, 3D models and launch files
for UR3 robot</p>
  </description>
  <author>TODO</author>
  <maintainer email="TODO@email.com" />
  <license>BSD</license>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <depend>roslaunch</depend>
  <depend>robot_state_publisher</depend>
  <depend>rviz</depend>
  <depend>joint_state_publisher_gui</depend>
  <depend>gazebo</depend>
  <export>
    <architecture_independent />
  </export>
</package>

display.launch

<launch>
  <arg
    name="model" />
  <param
    name="robot_description"
    textfile="$(find UR3)/urdf/UR3.urdf" />
  
  <node
    name="joint_state_publisher_gui"
    pkg="joint_state_publisher_gui"
    type="joint_state_publisher_gui" />
  
  <node
    name="robot_state_publisher"
    pkg="robot_state_publisher"
    type="robot_state_publisher" />
  
  <node
    name="rviz"
    pkg="rviz"
    type="rviz"
    args="-d $(find UR3)/urdf.rviz" />
</launch>

gazebo.launch

<launch>
  <include
    file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
  <node
    name="tf_footprint_base"
    pkg="tf"
    type="static_transform_publisher"
    args="0 0 0 0 0 0 base_link base_footprint 40" />
  <node
    name="spawn_model"
    pkg="gazebo_ros"
    type="spawn_model"
    args="-file $(find UR3)/urdf/UR3.urdf -urdf -model UR3"
    output="screen" />
  <node
    name="fake_joint_calibration"
    pkg="rostopic"
    type="rostopic"
    args="pub /calibrated std_msgs/Bool true" />
</launch>

ur3.urdf

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!-- This URDF was automatically created by SolidWorks to URDF Exporter! Originally created by Stephen Brawner (brawner@gmail.com) 
     Commit Version: 1.6.0-4-g7f85cfe  Build Version: 1.6.7995.38578
     For more information, please see http://wiki.ros.org/sw_urdf_exporter -->
<robot
  name="UR3">
  <link
    name="base_link">
    <inertial>
      <origin
        xyz="2.105E-05 0.098059 -0.0036545"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="1.371" />
      <inertia
        ixx="0.0018288"
        ixy="4.4582E-07"
        ixz="-2.0556E-07"
        iyy="0.0019082"
        iyz="0.00013405"
        izz="0.0017646" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/base_link.STL" />    
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.89804 0.91765 0.92941 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/base_link.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <link
    name="link1">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-6.5885E-06 0.055927 0.0072937"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.75521" />
      <inertia
        ixx="0.0010675"
        ixy="-9.4953E-08"
        ixz="1.0255E-07"
        iyy="0.00090525"
        iyz="-0.00013058"
        izz="0.00099003" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link1.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.79216 0.81961 0.93333 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link1.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint1"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0 0.0844"
      rpy="1.5708 0 -3.1416" />
    <parent
      link="base_link" />
    <child
      link="link1" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link2">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-2.6778E-06 0.060634 0.09327"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="1.6559" />
      <inertia
        ixx="0.0025822"
        ixy="-8.909E-08"
        ixz="1.019E-07"
        iyy="0.002419"
        iyz="-9.301E-05"
        izz="0.0016021" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link2.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.79216 0.81961 0.93333 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link2.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint2"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0.0675 0.05235"
      rpy="1.5708 0 -3.1416" />
    <parent
      link="link1" />
    <child
      link="link2" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link3">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-0.0050453 -0.11121 3.4154E-06"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.96204" />
      <inertia
        ixx="0.0010146"
        ixy="4.5981E-05"
        ixz="6.2628E-08"
        iyy="0.00054242"
        iyz="-4.3697E-08"
        izz="0.0010724" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link3.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link3.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint3"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 -0.02535 0.24365"
      rpy="-1.5708 0 -1.5708" />
    <parent
      link="link2" />
    <child
      link="link3" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link4">
    <inertial>
      <origin
        xyz="0.0059208 -0.0007977 2.6694E-07"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.32519" />
      <inertia
        ixx="0.00019459"
        ixy="1.8337E-05"
        ixz="1.3898E-10"
        iyy="0.00019909"
        iyz="1.2329E-09"
        izz="0.00022621" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link4.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link4.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint4"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="-0.0834 -0.213 0"
      rpy="-3.1416 0 0" />
    <parent
      link="link3" />
    <child
      link="link4" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link5">
    <inertial>
      <origin
        xyz="0.0059208 0.00079771 -2.3761E-07"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.32519" />
      <inertia
        ixx="0.00019459"
        ixy="-1.8338E-05"
        ixz="-2.0382E-10"
        iyy="0.00019909"
        iyz="1.211E-09"
        izz="0.00022621" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link5.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link5.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint5"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0.0834 0"
      rpy="0 0 -1.5708" />
    <parent
      link="link4" />
    <child
      link="link5" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link6">
    <inertial>
      <origin
        xyz="4.7334E-10 0.00010334 -0.021073"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.11536" />
      <inertia
        ixx="4.2469E-05"
        ixy="1.5688E-12"
        ixz="1.7329E-12"
        iyy="4.2681E-05"
        iyz="1.0324E-07"
        izz="5.9067E-05" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link6.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link6.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint6"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 -0.0409 0"
      rpy="1.5708 0.2207 3.1416" />
    <parent
      link="link5" />
    <child
      link="link6" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
</robot>