创建真实机器人
在URDF中定义可移动关节
前一节将所有关节都定义为了 fixed（固定）类型。但在现实世界中，机器人的车轮需要滚动，头部需要转动，机械臂需要伸缩。
在本节中，我们将修改模型，探索三种最重要的活动关节：
(1). Continuous（连续关节）：如车轮。
(2). Revolute（旋转关节）：如手臂肘关节（有角度限制）。
(3). Prismatic（滑动关节）：如直线伸缩杆。
本节的完整代码已包含在教程包中，运行以下命令启动示例：
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/06-flexible.urdf
启动后，会看到一个带有滑块控制面板（GUI）的窗口。试着拖动滑块，观察 RViz 中机器人的运动变化。
图 3: 显示真实的机器人
1. 连续关节 (Continuous Joint)
这种关节可以绕着轴进行无限旋转（从负无穷到正无穷），最典型的应用就是机器人的头部和车轮。
<joint name="head_swivel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="head"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
<origin xyz="0 0 0.3"/>
</joint>
-
type="continuous"：定义关节类型为连续旋转。 -
<axis xyz="0 0 1"/>：这是关键的标签。它定义了旋转轴的方向向量。-
0 0 1表示围绕 Z 轴 旋转（头部左右转动）。 -
如果是车轮，通常会围绕 Y 轴 旋转，即设置为
0 1 0。
-
2. 旋转关节 (Revolute Joint)
这种关节类似于连续关节，但它有严格的角度限制（即不能转满一圈），通常用它来模拟机器人的左右夹爪。
<joint name="left_gripper_joint" type="revolute">
<axis xyz="0 0 1"/>
<limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
<parent link="gripper_pole"/>
<child link="left_gripper"/>
</joint>
-
type="revolute"：定义为有限位的旋转关节。 -
<limit>：这是旋转关节必须包含的标签。-
lower="0.0"/upper="0.548"：关节的下限和上限（单位：弧度）。 -
velocity：关节最大旋转速度（弧度/秒）。 -
effort：关节最大力矩（牛顿·米）。在纯可视化示例中，这两个值不影响显示，但在物理仿真中至关重要。
-
3. 滑动关节 (Prismatic Joint)
这是一种直线滑动的关节，它不再是绕轴旋转，而是沿轴平移，用它来模拟伸缩臂。
<joint name="gripper_extension" type="prismatic">
<parent link="base_link"/>
<child link="gripper_pole"/>
<limit effort="1000.0" lower="-0.38" upper="0" velocity="0.5"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
</joint>
-
type="prismatic"：定义为直线滑动关节。 -
运动方向：同样由
<axis>标签决定。如果没有指定，有些解析器默认沿 X 轴移动，但建议显式指定。 -
<limit>的变化： 对于棱柱关节，lower和upper的单位是米 (m)，而不是弧度。limit限制了伸缩臂能伸多长、缩多短。
补充知识：其他关节类型
- Planar（平面关节）：允许在平面内移动。
- Floating（浮动关节）：允许在 3D 空间中自由移动和旋转。
为链接添加碰撞和惯性属性
到目前为止，我们在 <visual> 标签中定义的一切都只是为了“好看”。但在 Gazebo 等物理仿真器中，机器人需要遵循牛顿力学定律——它必须有质量，会发生碰撞，且运动会受到惯性的影响。
1. 碰撞体(Collision)
<visual> 标签定义了机器人的外观（皮肤），而 <collision> 标签定义了机器人的物理边界（骨骼/肌肉）。
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 .8 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</collision>
</link>
<collision> 是 <link> 的直接子标签，它的语法结构（<geometry>, <origin>）与 <visual> 完全一致。虽然可以直接复制 <visual> 的几何形状到 <collision> 中，但在以下两种情况下，我们通常会修改碰撞体：
(1) . 简化计算：
当机器人的外观是一个拥有数万个面的复杂网格时（Mesh文件，如精细的人手模型）。通常在 <collision> 中使用简单的长方体 (Box) 或 圆柱体 (Cylinder) 来代替。物理引擎检测两个简单几何体的碰撞只需要几微秒，而检测复杂网格的碰撞则极其消耗计算资源。仿真中“看不见”碰撞体，所以简单粗暴即可。
(2). 安全缓冲（安全区域）： 当我们希望保护机器人头部的昂贵摄像头时，可以将头部的碰撞体做得比实际外观大一圈。这样在障碍物还没碰到摄像头本身时，物理引擎就会判定发生碰撞并阻止运动，从而起到保护作用。
2. 惯性属性(Inertial)
每个被仿真的link标签都需要一个惯性标签。以下是一个简单的例子:
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 .8 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="10"/>
<inertia ixx="1e-3" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1e-3" iyz="0.0" izz="1e-3"/>
</inertial>
</link>
参数详解：
-
<mass>：物体的质量，单位为千克 (kg)。 -
<inertia>：描述物体绕轴旋转的难易程度。这是一个 3x3 的对称矩阵，我们只需要填写 6 个数值：[ ixx ixy ixz ]
[ ixy iyy iyz ]
[ ixz iyz izz ]
如何获取这些数值？
(1). 理想方法：使用 CAD 软件（如 SolidWorks, Fusion 360）或 MeshLab，导入模型后软件会自动计算出质量和惯性矩阵。
(2). 估算方法：对于规则几何体（球、圆柱、方块），可以查阅维基百科的“转动惯量列表”公式进行计算。
(3). “万能”填法： 如果实在不知道填什么，且不想让物理引擎报错，可以使用一个极小的值：ixx=iyy=izz=1e-3 (即 0.001)，其余为 0。这相当于一个质量轻、体积小的方块。
警告：千万不要填 0！如果将
<mass>或<inertia>设为 0（或非常接近 0），物理引擎在计算除法时会产生“除以零”的错误，导致模型在仿真中瞬间崩溃、乱飞或消失。即使是固定不动的物体，也建议给一个非零的惯性值。
3. 高级物理属性 (Advanced Dynamics)
除了基础的碰撞和惯性，URDF 还支持更精细的物理参数调节。
(1). 接触系数 (Contact Coefficients)
当两个物体碰撞或摩擦时，可以通过 <collision> 下的 <surface> 属性来定义：
-
mu (Friction)：摩擦系数。决定物体在表面滑动的难易程度。
-
kp (Stiffness)：刚度系数。决定物体是像石头一样硬（高 kp），还是像橡胶一样软（低 kp）。
-
kd (Damping)：阻尼系数。决定碰撞后振动消失的快慢。
(2). 关节动力学 (Joint Dynamics)
在 <joint> 标签下，我们可以定义关节的物理特性：
<joint name="..." type="...">
<dynamics damping="0.1" friction="0.05"/>
</joint>
-
friction (物理静摩擦)：关节转动时内部的摩擦力。旋转关节单位为 ，棱柱关节为 。
-
damping (物理阻尼)：与运动速度成正比的阻力（类似在水中移动的感觉）。阻尼可以防止关节像钟摆一样永远摆动下去，使运动更真实平稳。旋转关节单位为 ，棱柱关节为 。
若不指定这些值，默认为 0，这意味着关节是“完美光滑”的，在现实中这是不存在的。