添加基础形状 | Bistol Lab

在本章中，我们将学习如何构建机器人模型。在开始之前，请确保已安装 joint_state_publisher 功能包。如果你之前安装过 urdf_tutorial 二进制文件，该功能包通常已包含在内。若未安装，请执行以下命令：

sudo apt update
sudo apt install ros-jazzy-urdf-tutorial

本章涉及的所有机器人模型示例及源文件均可在 /opt/ros/jazzy/share/urdf_tutorial 中找到。此外，运行这些示例还需要 urdf_launch 功能包。

构建机器人模型

添加形状和材质

本节代码文件位于 /opt/ros/jazzy/share/urdf_tutorial/urdf/ 目录下，主要通过 XML 标签定义机器人的外观结构。

1. 添加形状

首先，使用 URDF 定义一个简单的几何形状：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="myfirst">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</robot>

这段代码定义了一个名为 myfirst 的机器人。它仅包含一个 link（部件），即一个长 0.6 米、半径 0.2 米的圆柱体。

link 与坐标系：在 URDF 中，每个 link 对应一个坐标系。圆柱体的长度沿 Z 轴分布，几何中心默认与世界坐标系原点重合，因此圆柱体的一半会位于网格下方。

使用以下命令在 RViz 中查看模型：

cd ~/ros2_ws

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf

启动 display.launch.py 后，会在 Rviz 中看到以下内容：

图 1: 加载URDF

2. 添加多个形状

创建完单个模型后，下一步是将多个link组合起来。机器人本质上是由多个 link 通过关节（Joint） 连接而成的链式结构。

首先，我们在 URDF 中增加一个名为 right_leg 的长方体 link，并通过一个固定关节（Fixed Joint）将其连接到主体上：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="multipleshapes">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
  </joint>
</robot>

代码解析：

定义了一个长 0.6m、宽 0.1m、高 0.2m 的长方体 (box)。
定义了一个关节，父级是 base_link，子级是 right_leg。

使用以下命令启动 RViz 查看效果：：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/02-multipleshapes.urdf

图 2: 显示多个形状

会看到圆柱体和长方体“重叠”在了一起（俗称“穿模”），这是因为在 URDF 中，如果不指定偏移量，所有 link 的中心都默认位于坐标系的原点 (0,0,0)。要构建正确的机器人外形，我们需要设置坐标原点（Origin）。

为了把“腿”安在正确的位置，可以分两步走：

移动关节（Joint Origin）：确定“腿”安装在“身体”的哪个部位。
移动视觉（Visual Origin）：确定“腿的形状”相对于“安装点”的位置。

修改如下代码，引入 <origin> 标签：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="multipleshapes">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
     <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>

  </joint>
</robot>

这一部分是 URDF 学习的重难点，需要明白：

关节原点（Joint Origin）

在 <joint> 标签中的 <origin> 定义了子坐标系相对于父坐标系的位置。

xyz="0 -0.22 0.25"：这意味着我们将关节的安装点（也就是 right_leg 的参考原点）移动到了 base_link 中心上方 0.25米、右侧（Y轴负方向）0.22米的位置。因为没有设置 rpy（Roll, Pitch, Yaw），子坐标系的轴向方向默认与父坐标系保持一致。

视觉原点（Visual Origin）

在 <link> 的 <visual> 标签中的 <origin> 定义了几何形状相对于自身关节原点的位置。

旋转 (rpy="0 1.57075 0")：
- 长方体的默认长边是沿 X 轴的。我们需要让它充当“腿”，所以需要将其竖起来。
- 这里我们将长方体绕 Y 轴旋转了 1.57075 弧度（即 $\pi/2$ 或 90度）。旋转后，长边变为了沿 Z 轴方向。
平移 (xyz="0 0 -0.3")：
- 长方体的长度是 0.6米，几何中心在中间。如果不平移，关节会连接在腿的中间位置（就像跷跷板一样）。
- 为了让关节连接在腿的顶部，我们需要把长方体向下移动一半的长度，即 -0.3米。

运行修改后的文件：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/03-origins.urdf

此时，在 RViz 中应该能看到一个结构合理的机器人：腿部正确地连接在身体的右上方，且垂直向下。

启动文件 (launch file) 会根据 URDF 中的关节信息自动发布 TF (Transform) 变换树。RViz 正是读取了这些 TF 信息，才能知道如何在 3D 空间中正确地画出每一个部件的位置

3. 添加材质

在 URDF 中，我们可以通过 <material> 标签为机器人添加颜色或纹理，使其看起来更逼真。此外，为了让机器人更完整，本节添加另一条腿（left_leg），并介绍利用坐标对称性来快速构建模型。下面的代码在文件顶部定义了颜色，并在具体的 link 中使用了它们：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="materials">

  <material name="blue">
    <color rgba="0 0 0.8 1"/>
  </material>

  <material name="white">
    <color rgba="1 1 1 1"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_leg"/>
    <origin xyz="0 0.22 0.25"/>
  </joint>
</robot>

为了代码整洁，通常会在 <robot> 标签的最上方集中定义材质。URDF 使用红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)、透明度 (A) 来定义颜色，数值范围是 0 到 1。例如 <color rgba="0 0 0.8 1"/> 表示：无红色，无绿色，80% 蓝色，100% 不透明。在 link 内部，只需要使用 <material name="blue"/> 即可引用之前定义的颜色。这样做的好处是，如果要把机器人从蓝色改成红色，只需要修改顶部的定义，不需要逐个修改 link。

不要忘记最后一位的透明度（Alpha），如果设为 0，物体就会变成透明看不见！

本段代码增加了一个 left_leg，它和 right_leg 几乎一模一样，唯一的区别在于关节的位置：

Right Leg Joint: <origin xyz="0 -0.22 0.25"/> （在 Y 轴负方向，即右侧）
Left Leg Joint: <origin xyz="0 0.22 0.25"/> （在 Y 轴正方向，即左侧）

这是机器人建模中常用的技巧：利用几何对称性，只需要反转坐标轴的数值，就能快速创建对称的部件。运行以下命令，将在 RViz 中看到一个蓝白相间、拥有双腿的机器人：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/04-materials.urdf

现在，机器人已经初具雏形，不再是单调的白色几何体了。

完成机器人的外形

现在的机器人只有身体和腿，看起来还很简陋。为了让它看起来像一个真正的机器人（比如 R2D2），我们需要添加更多的细节：

头部：使用球体（Sphere）几何体。
轮子：使用旋转过的圆柱体。
夹爪：使用网格文件（Mesh） 来引入复杂的 3D 模型。

查看以下机器人定义，请注意新加的 <sphere> 标签和 <mesh> 标签：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="visual">

  <link name="base_link"> ... </link>
  <link name="right_leg"> ... </link>

  <joint name="gripper_extension" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="gripper_pole"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
  </joint>

  <link name="gripper_pole">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.2" radius="0.01"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0 " xyz="0.1 0 0"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_gripper_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="left_gripper"/>
  </joint>

  <link name="left_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <link name="head">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="head_swivel" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="head"/>
    <origin xyz="0 0 0.3"/>
  </joint>

</robot>

提示：完整的代码文件位于 urdf_tutorial 包的 urdf/05-visual.urdf 中，可以直接查看源文件。

除了立方体（Box）和圆柱体（Cylinder），URDF 还支持球体，添加球体方法如下：

<link name="head">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.2"/>
    </geometry>
    <material name="white"/>
  </visual>
</link>

球体非常简单，只需要定义 radius（半径）。简单的几何体无法表示复杂的机械结构（如机械爪、激光雷达外壳）。这时，我们需要导入外部的 3D 模型文件。

<link name="left_gripper">
  <visual>
    <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <geometry>
      <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
    </geometry>
  </visual>
</link>

路径格式：必须使用 package://功能包名/文件路径 的格式。ROS2 会根据功能包名自动查找安装路径。
文件格式：
- STL：最通用的 3D 格式，只有形状，没有颜色。如果在 URDF 中使用 STL，需要在 <visual> 标签中再指定 <material> 颜色。
- DAE (Collada)：不仅包含形状，还包含颜色和纹理数据。如代码中的 .dae 文件，它自带了深灰色，因此不需要在 URDF 中再指定 <material>。
缩放 (Scale)：如果导入的模型太大或太小，可以使用 <mesh filename="..." scale="1 1 1"/> 进行 X/Y/Z 轴的缩放。

运行以下命令，在 Rviz 中可以看到看到一个拥有完整细节的机器人：

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/05-visual.urdf

现在，我们的机器人已经拥有了类似 R2D2 的外观。但所有的关节都是 fixed（固定）类型，机器人无法移动。在下一节中，我们将修改关节类型，让它真正“动”起来。

构建机器人模型​

添加形状和材质​

完成机器人的外形​

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