本文档是URDF的入门参考，进阶参考见：以并联腿为例学习实车URDF
¶ 1. XML
XML 是一种用来传输和存储数据的标记语言。
在 ROS 中，XML 用来
- 书写机器人统一描述文件 urdf，以及进一步的 xacro
- 实现进程间通信（XML-rpc）
在 rm_control 的代码中可以看见不少 XML 的身影，之后再来补充其用意
XML 语法的核心是树结构，以下面的 urdf 文件为例：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<robot name="myfirst">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<link name="link1">
...
</link>
</robot>
robot 是根，随后有 base_link 和 link 两个分叉，分叉往后又有别的枝叶。
这里引出元素和属性的概念：
- 以上面的文件为例，
robot,link,visual等就是元素。元素指的是从（且包括）开始标签直到（且包括）结束标签的部分。一个元素可以包含：- 其他元素
- 文本
- 属性
- 或混合以上所有...
- 在元素后面的，如
name,radius是属性。属性的数值一定要用双引号围着，不同的属性用空格分隔
进一步看该文档的整体结构，最开始的 <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> 声明了文件的 XML 版本和所使用的编码，这是可选的。
下一行就是文件的根元素，说明了本文档描述了一个机器人。元素的属性 name 说明了机器人名称。
需要明确的是，正如一棵树只有一个根，一个 XML 文件需要一个包裹一切（除了声明）的根元素，它是所有其他元素的父元素。
所有的 XML 元素一般都有一个关闭标签。以 visual 为例：有代表开始的 <visual>，以及代表结束的 </visual>
但 XML 也允许单标签的使用，写法如下：
<elementName attribute="value" />
现在我们回到 XML 的目的，用来存储和传输数据，通过以上的学习，可以尝试用一个 XML 文件来描述一个图书馆的数据：
首先我们需要一个根元素，想必就是 library 了
<library>
</library>
里面需要一些书：
<library>
<book name="Harry Potter">
</book>
<book name="Learning XML">
</book>
</library>
我还想记录书的作者，出版年份等信息：
<library>
<book name="Harry Potter">
<author>J K. Rowling</author>
<year>2005</year>
<price>29.99</price>
</book>
<book name="Learning XML">
<author>Erik T. Ray</author>
<year>2003</year>
<price>39.95</price>
</book>
</library>
很好，就是如此，我们得到了一个形式良好的 XML 文件，记录了图书馆的数据。
请记住以下书写形式良好的 XML 文件的要求：
- XML 文档必须有一个根元素
- XML元素都必须有一个关闭标签
- XML 标签对大小写敏感
- XML 元素必须被正确的嵌套
- XML 属性值必须加引号
¶ 2 .URDF
官方 URDF 文档
翻译 URDF 文档
虽然上述文档是 ros 2 的，但他们在 ros 1 中同样适用
URDF XML 规范总览主页 (ROS Wiki)：该页面列出了构成机器人模型的所有核心 XML 元素。
古月居的一篇记录帖
xacro文档
要写一个机器人，主要是以下的流程：
- 创建一个根元素
<robot> - 为机器人创建很多
link：base_link一般作为车的底盘，接着 1 轮子是一个link，云台是一个link...类比人体，link 就是大腿、小腿之类的部位 - 接着为机器人创建关节 joint，joint 会连接两个 link，就像膝盖连接着大腿和小腿
- 为 joint 创建 transmission，这是控制器控制机器人的关键
- 还有一个 gazebo 拓展标签
¶ 2.1 根元素 <robot>
根元素包裹着其他所有元素，有一个 name 属性，代表我们机器人的名字
值得注意的是，如果要用 xacro，则需要加上 xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" 这一属性。
综上，根元素的一个例子是：
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
</robot>
¶ 2 .2 <link>
描述具有惯性、视觉特征和碰撞属性的刚体（由这句话我们可以知道 link 元素内部就是这几个东西），如下图所示
这里给出一个 link 的例子：
<link name="gimbal">
<inertial>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0"/>
<mass value="0.1"/>
<inertia ixx="0.0000175" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.0000175" iyz="0.0" izz="0.00002"/>
</inertial>
<visual name="">
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0"/>
<geometry>
<cylinder length="${gimbal_height}" radius="${gimbal_radius}"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
<collision>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0"/>
<geometry>
<cylinder length="${gimbal_height}" radius="${gimbal_radius}"/>
</geometry>
</collision>
</link>
¶ 2.2.1 惯性 <inertial>
本元素描述了物体的物理属性
<origin> 描述了物体质心相对于这个 link 坐标系的偏移，我们一般创建的都是标准的几何体，质心就在原点，所以全填 0 就好
<mass> 描述了物体的质量，urdf 中所有的数值单位都是国际单位，这里为 kg
<inertia> 3x3 转动惯量矩阵，我这次是让 ai 生一份填进去。以下引用嗣音的笔记内容：
我对这个没什么研究，只是平时都将ixx、iyy、izz设置为0.1或者0.001，如果仿真模型加载到gazebo里后原地乱飞就得想想这个是不是设置太小了。
¶ 2.2.2 视觉 <visual>
本元素描述了物体的视觉属性
<origin> 描述了视觉几何元素的坐标系相对于这个link坐标系的位姿，这个一般也全填写 0。刚开始尝试时我选择修改并统一 visual 和 collision 元素的 origin 元素来修改物体位置，但是这样并不是好的实现，应当在 joint 的 origin 元素里定义
<geometry> 描述了这物体看起来是个什么形状，有几个可选标签：
- box（立方体）
- cylinder（圆柱）
- sphere（球体）
- mesh（自定义文件）
几何形状的具体参数在属性里给出：
<cylinder length="${gimbal_height}" radius="${gimbal_radius}"/>
这里使用了一点 xacro
<material> 描述了物体的外观材料
在 urdf 前半部分我们可以统一定义各种颜色，如：
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
我们给 <material> 元素设置属性 name="while"，在 gazebo 以及 rviz 里这看起来就是白色的了。
还可以从文件加载材质。
¶ 2.2.3 碰撞箱 <collision>
<origin> 描述了碰撞箱几何元素的坐标系相对于这个 link 坐标系的位姿，这个一般也全填写 0。
<geometry> 描述了这物体碰撞箱是个什么形状，设置的与visual一样即可。
我们可以通过此项来设置安全区，假设有个机器人头部是半球形，我们希望整个区域都不能靠近，那么可以把碰撞箱设置得更大，如设置为一个长方体
¶ 2 .3 <joint>
joint是链接link的关节，如下图所示，joint 描述了连接的 link 分别是谁，link 旋转的方向以及最为关键的，被之相连的 link 之间的坐标变换。
以下给出一个 joint 例:
<joint name="gimbal_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.035 0 0.15" rpy="0 0.0 0.0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="gimbal"/>
<axis xyz="0.0 0.0 1"/>
<limit effort="1000" velocity="1000"/>
</joint>
type="continuous" 给出了关节的类型，轮子就用这个。更多类型参附录
<origin> 描述的是从父连杆（Parent Link）坐标系到子连杆（Child Link）坐标系的静态空间变换。通俗理解就是，我们现在研究两个 link 的坐标原点，从父 link 原点出发，走过 xyz 描述的距离就到了子 link 的坐标轴原点。进一步按 rpy 旋转，两个坐标系就重合了。
综上，我们 link与 link的关系不用自身的视觉和碰撞箱的位姿描述，而应该用 joint的位姿描述。
<axis> 描述了关节的运动轴。具体来说，是定义在子 link 坐标系下的。表明了 joint 是沿哪个轴运动。
xyz为一个正交向量。对revolute、continuous旋转关节为旋转轴，对prismatic滑动关节为平移轴，对planar平面关节为平面的法线。这个轴向是相对于两个link的接触面的。
¶ 2.4 <tranmission>
定义了执行器（Actuator，如电机）与关节（Joint）之间的机械关系。
以下给出示例：
<transmission name="gimbal_trans">
<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
<joint name="gimbal_joint">
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
</joint>
<actuator name="gimbal_motor">
<mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
</actuator>
</transmission>
<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type> 表示电机和关节之间是简单的线性缩放关系
<joint name="gimbal_joint"> 名字要匹配前面定义的 joint
<hardwareInterface> 定义了关节支持的控制模式：
EffortJointInterface：力矩控制VelocityJointInterface：速度控制PositionJointInterface：位置控制
<mechanicalReduction> 减速比，这里填 n就表示执行器转 n 圈关节才转 1 圈。
¶ 2.5 gazebo插件
通过以下代码段包含 libgazebo_ros_control.so 插件，这将硬件和 ros_control 连接在一起：
<gazebo>
<plugin name="gazebo_ros_control" filename="libgazebo_ros_control.so">
<robotNamespace>/</robotNamespace>
</plugin>
</gazebo>
¶ 3. xacro
这是一个用来命名和封装的工具，可以减少许多重复的工作。比如在画差速小车的过程中，我通过 xacro定义了轮子，然后分别对左轮和右轮实例化。
我还通过 xacro定义了车辆的各种参数，减少计算量以及方便统一更改。
属性定义
一般用于定义轮宽，轮半径之类的参数，定义方法为：
<xacro:property name="my_name" value="0.05" />
调用的时候将其写为${my_name}，比如
<origin rpy="0 0 ${my_name}" xyz="0 0 0"/>
宏定义
类似于函数封装，定义方法为：
<xacro:macro name="default_inertial" params="mass">
<inertial>
<mass value="${mass}" />
<inertia ixx="0.1" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.1" iyz="0.0" izz="0.1" />
</inertial>
</xacro:macro>
params可以包含多个参数，用空格隔开就行。也可以设置默认值，加上:=即可。 调用方法为
<xacro:default_inertial mass="0.0001"/>
使用宏的时候可以仔细思考参数如何设置，譬如对于对称于车体两端的轮子，可以设置一个 reflect参数等于 1 或 -1，然后在计算 joint 的位姿的时候乘上。
以下给出差速小车的宏用例：
<xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect num">
<link name="${prefix}_wheel">
<inertial>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0"/>
<mass value="0.2"/>
<inertia ixx="0.00014" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.00014" iyz="0.0" izz="0.00025"/>
</inertial>
<visual>
<geometry>
<cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>
</geometry>
</collision>
</link>
<joint name="wheel_${num}_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.035 ${reflect*(width/2+wheel_length/2)} 0.1" rpy="${-pi/2} 0.0 0.0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="${prefix}_wheel"/>
<axis xyz="0.0 0.0 1"/>
<limit effort="1000" velocity="1000"/>
</joint>
<transmission name="wheel_${num}_trans">
<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
<joint name="wheel_${num}_joint">
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
</joint>
<actuator name="wheel_${num}_motor">
<mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
</actuator>
</transmission>
</xacro:macro>
<xacro:wheel prefix="left" num="0" reflect="1"/>
<xacro:wheel prefix="right" num="1" reflect="-1"/>
这样通过 xacro，我们很方便地完成了两个轮子 link，joint和 transmission的定义。
xacro还有别的用法，参官方文档
¶ 关节类型表
¶ 1. 固定关节 (Fixed)
- 描述：不允许任何相对运动。父子连杆被“焊死”在一起。
- 适用范围：
- 将传感器（如雷达、摄像头）固定在底盘上。
- 将机器人底座固定在世界坐标系（world）中。
- 将复杂的机器人零件拆分成多个 Link 以便分配不同的质量或惯性。
¶ 2. 旋转关节 (Revolute)
- 描述：绕着一个轴转动，但有角度限制（必须指定
upper和lower限制）。 - 适用范围：
- 机械臂的关节（如手肘、肩膀）。
- 舵机驱动的结构。
- 有活动范围限制的摆动机构。
¶ 3. 连续旋转关节 (Continuous)
- 描述：绕着一个轴转动，但没有角度限制。可以 360 度无限旋转。
- 适用范围：
- 轮式机器人的车轮。
- 风扇叶片。
- 某些可以无限旋转的工业转台。
¶ 4. 滑动关节 (Prismatic)
- 描述：沿着一个轴进行线性平移，有行程限制。
- 适用范围：
- 升降台。
- 数控机床（CNC）的 X/Y/Z 轴。
- 伸缩杆结构。
¶ 5. 浮动关节 (Floating)
- 描述：允许在 3D 空间中进行 6 个自由度（全向移动和全向旋转）的运动。
- 适用范围：
- 无人机（相对于世界坐标系的运动）。
- 水下机器人。
- 模拟未固定在地面上的物体。
¶ 6. 平面关节 (Planar)
- 描述：允许在某个平面内进行平移和绕该平面法线的旋转。
- 适用范围：
- 在平地上移动且能自转的扫地机器人。
- 在气垫桌上滑动的物体。
¶ 连接ros_control
加载 libgazebo_ros_control.so 插件实现了以下 4个核心功能
¶ 1. 解析 URDF 中的 Transmission 标签
- 这个插件会扫描整个 URDF，读取所有的
transmission定义。 - 它会识别出哪些关节需要被控制，以及它们使用的是什么接口（位置、速度或力矩）。
¶ 2. 硬件抽象化（Hardware Abstraction Layer）
该插件充当了虚拟硬件接口。
- 在实车上，需要写驱动程序来读写电机的编码器值和电压（rm_hw, rm_ecat）。
- 在 Gazebo 中，这个插件模拟了这些行为。它从 Gazebo 物理引擎获取关节状态（位置、速度、受力），并将其包装成
ros_control能够理解的标准格式。
¶ 3. 连接 ROS Controller Manager
这是最关键的一步。插件启动后，会初始化一个 controller_manager。
- 它可以让你通过 ROS 服务（如
switch_controller或load_controller）动态地加载、启动或停止控制器。
¶ 4. 同步仿真时钟与控制频率
- 时间同步：它确保控制循环与 Gazebo 的物理步进同步。如果仿真变慢了（Real Time Factor < 1），控制频率也会相应调整，防止控制器因为时间偏差而发散。
- 闭环控制：它以特定的频率（通常在插件配置中设定，如 100Hz 或 1000Hz）执行：
- 从 Gazebo 读取当前关节状态。
- 调用
ros_control计算控制输出。 - 将计算后的力矩/速度/位置指令写回 Gazebo 物理引擎。