# 8.1 URDF统一机器人建模语言
URDF（Unified Robot Description Format）统一机器人描述格式，URDF使用XML格式描述机器人文件。
> XML是 **被设计用来传输和存储数据的可扩展标记语言**，注意语言本身是没有含义的，只是规定了其数据格式
>
> 比如说下面这段信息：
>
> ```
>
> 小鱼
> 鱼粉
> 100万
> 收到来自鱼粉的100万打赏!
>
> ```
>
> 其中的``等标签都是自定义的，只要符合xml格式即可
>
> XML格式在线校验工具:[在线代码格式化 (oschina.net)](https://tool.oschina.net/codeformat/xml)
>
> XML格式注释：
>
> robot标签的属性`name`: ``
>
> robot标签的子标签`link`: `link>`
使用XML定义的一个最简单的URDF模型可以像下面这样
```xml
```
接着我们从下面四个方面介绍URDF：
1. URDF的组成介绍
2. URDF-Link介绍
3. URDF-Joint介绍
4. 创建一个简单的URDF并在RVIZ2中可视化
## 1.URDF的组成介绍
一般情况下，URDF由`一个声明信息`和`两种关键组件`共同组成
### 1.1 声明信息
声明信息包含两部分，第一部分是xml的声明信息，放在第一行
```
```
第二部分是机器人的声明，通过robot标签就可以声明一个机器人模型
```
```
## 1.2 两种关键组件
观察下图机器人的结构
可以简化为如下五个部件组成：
- 躯体
- 左右轮子
- 支撑轮
- 雷达激光
- IMU模块
这五个部件之间的固定方式为：
```mermaid
graph
A[左轮] -->C[躯体]
B[右轮] -->C[躯体]
D[IMU] -->C[躯体]
E[雷达] -->C[躯体]
F[支撑轮子] -->C[躯体]
```
我们把左轮，右轮、支撑轮子，IMU和雷达部件称为机器人的Link
**而Link和Link之间的连接部分称之为Joint关节**
接着我们给每个link和joint取个名字。
```mermaid
graph
A[左轮:left_wheel_link] --left_wheel_joint-->C[躯体]
B[右轮:right_wheel_link] --right_wheel_joint-->C[躯体]
D[IMU:imu_link] --imu_joint-->C[躯体]
E[雷达:laser_link] --laser_joint-->C[躯体]
F[支撑轮子:caster_link] --caster_joint-->C[躯体:base_link]
```
所以我们就可以使用6个link和5个joint来描述这个机器人，接着我们分别对link和joint进行详细的介绍。
## 2.Link介绍
上面我们介绍完了link，那一个link该怎么写呢？
我们来看一个base_link的，通过link标签即可声明一个link,属性name指定部件名字
```xml
```
通过两行代码就可以定义好base_link，但现在的base_link是空的，我们还要声明我们的base_link长什么样，通过`visual`子标签就可以声明出来机器人的visual形状。
```xml
```
### 2.1 link标签定义
link的子标签列表
- visual 显示形状
- ` `(几何形状)
- `` 长方体
- 标签属性: `size`-长宽高
- 举例：``
- `` 圆柱体
- 标签属性:`radius` -半径 `length`-高度
- 举例：``
- `sphere` 球体
- 属性：`radius` -半径
- 举例：``
- `mesh` 第三方导出的模型文件
- 属性：filename
- 举例:` `
- origin (可选：默认在物体几何中心)
- 属性 `xyz`默认为零矢量 `rpy`弧度表示的翻滚、俯仰、偏航
- 举例：``
- material 材质
- 属性 `name` 名字
- color
- 属性 `rgba`
- 举例：` `
- collision 碰撞属性，仿真章节中讲解
- inertial 惯性参数 质量等，仿真章节中讲解
## 3.Joint介绍
joint为机器人关节，机器人关节用于连接两个机器人部件，主要写明父子关系
- 父子之间的连接类型，是否固定的，可以旋转的等
- 父部件名字
- 子部件名字
- 父子之间相对位置
- 父子之间的旋转轴，绕哪个轴转
比如我们再建立一个雷达部件`laser_link`，然后将`laser_link`固定到`base_link`
```xml
```
### 3.1 joint标签详解
#### joint属性
- name 关节的名称
- type 关节的类型
- **revolute: 旋转关节，绕单轴旋转,角度有上下限,比如舵机0-180**
- **continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转,比如自行车的前后轮**
- **fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节**
- prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
- planer: 平面关节，允许在xyz，rxryrz六个方向运动
- floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
#### joint的子标签
- `parent` 父link名称
- ` `
- `child`子link名称
- ``
- `origin` 父子之间的关系xyz rpy
- ` `
- `axis` 围绕旋转的关节轴
- ``
## 4.URDF可视化
讲完joint和link，我们来把我们上面定义的简单的URDF(包含身体和雷达)用RVIZ2显示出来，直观的感受下，我们的机器人模型。
URDF可视化的步骤如下：
1. 建立机器人描述功能包
2. 建立`urdf`文件夹编写urdf文件
3. 建立`launch`文件夹，编写launch文件
4. 修改`setup.py`配置，编译测试
### 4.1 建立功能包
轻车熟路，先创建一个`fishbot_ws`工作空间，然后建立功能包，包的类型选`ament_python`
```shell
ros2 pkg create fishbot_description --build-type ament_python
```
### 4.2 建立URDF文件
建立文件夹，创建urdf文件
```
cd fishbot_description && mkdir urdf
touch fishbot_base.urdf
```
编辑`fishbot_base.urdf`
```xml
```
### 4.3 建立launch文件
```
mkdir launch
touch display_rviz2.launch.py
```
```python
import os
from launch import LaunchDescription
from launch.substitutions import LaunchConfiguration
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.substitutions import FindPackageShare
def generate_launch_description():
package_name = 'fishbot_description'
urdf_name = "fishbot_base.urdf"
ld = LaunchDescription()
pkg_share = FindPackageShare(package=package_name).find(package_name)
urdf_model_path = os.path.join(pkg_share, f'urdf/{urdf_name}')
robot_state_publisher_node = Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
arguments=[urdf_model_path]
)
joint_state_publisher_node = Node(
package='joint_state_publisher_gui',
executable='joint_state_publisher_gui',
name='joint_state_publisher_gui',
arguments=[urdf_model_path]
)
rviz2_node = Node(
package='rviz2',
executable='rviz2',
name='rviz2',
output='screen',
)
ld.add_action(robot_state_publisher_node)
ld.add_action(joint_state_publisher_node)
ld.add_action(rviz2_node)
return ld
```
想要可视化模型需要三个节点参与
- `joint_state_publisher_gui` 负责发布机器人关节数据信息，通过`joint_states`话题发布
- `robot_state_publisher_node`负责发布机器人模型信息`robot_description`，并将`joint_states`数据转换tf信息发布
- `rviz2_node`负责显示机器人的信息
```mermaid
graph
A[joint_state_publisher]--joint_states-->B
B[robot_state_publisher]--robot_de-->C
C[rviz2]
```
### 4.4 修改setup.py
导入头
```python
from glob import glob
import os
```
加入目录安装
```python
('share/ament_index/resource_index/packages',
['resource/' + package_name]),
('share/' + package_name, ['package.xml']),
```
完整
```python
from setuptools import setup
from glob import glob
import os
package_name = 'fishbot_description'
setup(
name=package_name,
version='0.0.0',
packages=[package_name],
data_files=[
('share/ament_index/resource_index/packages',
['resource/' + package_name]),
('share/' + package_name, ['package.xml']),
(os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob('launch/*.launch.py')),
(os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob('urdf/**')),
],
install_requires=['setuptools'],
zip_safe=True,
maintainer='root',
maintainer_email='root@todo.todo',
description='TODO: Package description',
license='TODO: License declaration',
tests_require=['pytest'],
entry_points={
'console_scripts': [
],
},
)
```
### 4.5 编译测试
编译
```
colcon build
```
运行测试
```
source install/setup.bash
ros2 launch fishbot_description display_rviz2.launch.py
```
添加robotmodel模块，分别选择link名称如下，即可看到机器人的模型显示
此时看看节点关系图
## 5.本节练习
练习1：尝试将机器人的雷达固定位置向车体的y轴负方向移动5cm，并在rviz中显示出来
练习2：尝试在URDF中添加imu_link并使用imu_joint将其固定在车体的上表面中心，imu采用的几何形状为box。长宽高各是1cm
参考文档
- [urdf/XML/link - ROS Wiki](http://wiki.ros.org/urdf/XML/link)
- http://docs.ros.org/en/foxy/Tutorials/URDF/URDF-Main.html
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