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连杆¶

你已经创建了第一个只有单一元素的机器人模型，也就是一个连杆。那么，一个连杆由哪些部分组成呢？

每个连杆都必须包含以下属性：

惯性属性¶

它包含 质量（kg）、原点（m） 和 惯性矩阵（kg·m²）。

<inertial>
    <mass value="10" />
    <origin
        xyz="0 0 0.3"
        rpy="0 0 0" />
    <inertia
         ixx="1.5417"
         ixy="0"
         ixz="0"
         iyy="3.467"
         iyz="0"
         izz="4.742" />
</inertial>

碰撞与可视属性¶

在这个例子中，collision 和 visual 看起来是相同的，但它们的用途不同。模拟器使用 collision 来计算连杆之间的物理交互；visual 仅用于渲染显示，不会影响连杆与其他对象的交互方式。

如果你的可视网格非常复杂，但又不希望在物理交互上做不必要的高强度计算，或者想节省算力，就可以让 collision 和 visual 使用不同的几何定义。

<collision>
    <geometry>
        <box size="2 1.3 0.4" />
    </geometry>
</collision>

<visual>
    <geometry>
        <box size="2 1.3 0.4" />
    </geometry>
</visual>

关节¶

关节用于连接各个连杆，并在它们之间建立运动关系。在本单元中，你要构建的是移动机器人，因此接下来要给你创建的底盘加上一只车轮。

继续在 robot.urdf 文件中，在 </link> 结束标签之后添加以下代码：

  复制并粘贴

车轮连杆定义¶

这里你有两组 collision 和 visual 标签，它们各自对应不同的部分。一个连杆中可以包含多组这样的标签，数量并不受限。它们都会按照关节的位置关系显示出来。

在这个例子里，你分别为车轮本体和它的轮轴创建了一组可视与碰撞定义。

重新启动 rviz.launch.py 文件。

  在 Web Shell 1 中执行

你应该得到如下结果：

但是等等……车轮去哪了？这里发生了什么？

这是因为你当前只运行了 Robot State Publisher 和 RViz。这个节点只会发布机器人固定关节的状态（这里是底盘），不会发布可动关节的状态（例如车轮）。如果想把这些可动关节显示出来，你还需要一个能够提供关节状态的节点，这就是 Joint State Publisher GUI 的作用。

要启动 Joint State Publisher GUI，请在一个新的 web shell 中运行以下命令：

提示： 如果系统提示找不到 joint_state_publisher_gui，请先执行：

sudo apt install ros-humble-joint-state-publisher-gui

  在 Web Shell 2 中执行

现在你会看到类似下面的界面：

注意，现在你已经可以通过滑块来控制车轮旋转了。

当然，这还不是车轮期望的安装位置或旋转方式。那么问题出在哪里呢？

关节定义¶

来看一下关节定义：

<joint name="joint_chassis_left_wheel" type="continuous">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.5 0.88 0" />
    <child link="link_left_wheel" />
    <parent link="link_chassis" />
    <axis rpy="0 0 0" xyz="0 1 0" />
    <limit effort="10000" velocity="1000" />
    <joint_properties damping="1.0" friction="1.0" />
</joint>

第一个属性 type 用来定义该连杆能够进行哪一种运动。常见类型包括 continuous、revolute、prismatic 和 fixed。除此之外还有其他类型，你可以在这里查看完整参考：http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint。

origin 属性用于定义关节相对于底盘的位置。底盘连杆起始于 0 0 0，长度为 2 米，宽度为 1.3 米。底盘会向两侧延伸，因此它的侧边界位于 1.3/2，也就是 0.65 米 的位置。

接着，需要定义 child 和 parent 连杆。再比如 axis，它用来指定转动轴。你还可以通过 limit 设置最大力矩和速度，不过现在这部分并不是重点。当前阶段你主要是在设计机器人的几何结构，而与运动动力学相关的 joint properties 会在后续再讨论。

最后来看 axis 定义。这里决定该连杆绕哪一个坐标轴旋转。在这个例子中，你希望它绕 Y 轴旋转，这个设置是正确的。

修正连杆定义以匹配关节旋转¶

问题在于，你的这个 link 圆柱几何体（长度和半径）是按照 Z 轴方向定义的，因此需要绕 X 轴旋转一下才能修正。

回到左轮的连杆定义，把 collision 和 visual 标签中的 origin 属性改成绕 X 轴旋转 90 度：

<link name="link_left_wheel">
    ...
    <collision>
        <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0 0.18 0" />
        <geometry>
            <cylinder length="0.12" radius="0.4"/>
        </geometry>
    </collision>
    <visual>
        <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0 0.18 0" />
        <geometry>
            <cylinder length="0.12" radius="0.4"/>
        </geometry>
    </visual>

    <collision>
        <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0 0.06 0" />
        <geometry>
            <cylinder length="0.12" radius="0.08"/>
        </geometry>
    </collision>
    <visual>
        <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0 0.06 0" />
        <geometry>
            <cylinder length="0.12" radius="0.08"/>
        </geometry>
    </visual>
    ...

重新启动 rviz.launch，并同时运行 Joint State Publisher GUI。

  在 Web Shell 1 中执行

  在 Web Shell 2 中执行

查看下图中的机器人尺寸，你会更容易理解为什么 XML 定义里使用的是这些数值：

完善当前模型并把它补全！

在这个练习中，再补充以下几个部分，让机器人更完整：

• 添加右侧车轮
• 给两个车轮都添加新的 visual 元素，让旋转效果更明显（例如轮毂盖）
• 在机器人前方添加一个通过 fixed 关节连接的脚轮
• 修改并补充底盘和车轮的材质颜色，让它看起来尽量接近下图

请参考下图来创建脚轮的固定关节以及可视部件。

注意： 当前 ROS2 RVIZ2 中存在一个 Bug：URDF 中父连杆的颜色会传递到子连杆上，因此 RVIZ 中显示的颜色可能与 URDF 文件中的定义并不完全一致。更多信息请参考 RVIZ2 的颜色 Bug。

在你自己尝试完成练习之前，不要先看答案。完成之后再回头对照参考答案，会更有助于比较和检查自己的实现。

如果你在完成练习时遇到问题，可以到论坛寻求支持。

robot.urdf

参考资料¶

你可以在下面查看连杆和关节的完整规范（链接指向 ROS1 文档）：

• http://wiki.ros.org/urdf/XML/link
• http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint

在使用 XML 为 ROS2 定义机器人模型时，这些说明依然适用。