6.4.3 URDF语法03_joint
1.简介
urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以”关节“的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制....,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。
2.属性
name（必填）：为关节命名，名称需要唯一。
type（必填）：设置关节类型，可用类型如下：
continuous：旋转关节，可以绕单轴无限旋转。
revolute：旋转关节，类似于 continues，但是有旋转角度限制。
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，允许在平面正交方向上平移或旋转。
floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动。
fixed：固定关节，不允许运动的特殊关节。
3.子标签
<parent>（必填）：指定父级link。
- link（必填）：父级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
<child>（必填）：指定子级link。
- link（必填）：子级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
<origin>（可选）：这是从父link到子link的转换，关节位于子link的原点。
- xyz：各轴线上的偏移量。
- rpy：各轴线上的偏移弧度。
<axis>（可选）：如不设置，默认值为（1，0，0）。
- xyz：用于设置围绕哪个关节轴运动。
<calibration>（可选）：关节的参考位置，用于校准关节的绝对位置。
rising（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发上升沿。
falling（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发下降沿。
<dynamics>（可选）：指定接头物理特性的元素。这些值用于指定关节的建模属性，对仿真较为有用。
damping（可选）：关节的物理阻尼值，默认为0。
friction（可选）：关节的物理静摩擦值，默认为0。
<limit>（关节类型是revolute或prismatic时为必须的）：
lower（可选）：指定关节下限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。
upper（可选）：指定关节上限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。
effort（必填）：指定关节可受力的最大值。
velocity（必填）：用于设置最大关节速度（旋转关节以弧度每秒 [rad/s] 为单位，棱柱关节以米每秒 [m/s] 为单位）。
<mimic>（可选）：此标签用于指定定义的关节模仿另一个现有关节。该关节的值可以计算为value = multiplier * other_joint_value + offset。
joint（必填）：指定要模拟的关节的名称。
multiplier（可选）：指定上述公式中的乘法因子。
offset（可选）：指定要在上述公式中添加的偏移量，默认为 0（旋转关节的单位是弧度，棱柱关节的单位是米）。
<safety_controller>（可选）：安全控制器。
soft_lower_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的下关节边界，此限制需要大于joint下限。
soft_upper_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的关节上边界的属性，此限制需要小于joint上限。
k_position（可选）：指定位置和速度限制之间的关系。
k_velocity（必填）：指定力和速度限制之间的关系。
4.示例
1.需求
创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo03_joint.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
<!--
需求：创建机器人模型，底盘为长方体，
在长方体的前面添加一摄像头，
摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转
-->
<robot name="joint_demo">
<!-- 定义颜色 -->
<material name="yellow">
<color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
</material>
<material name="red">
<color rgba="0.8 0.1 0.1 0.8" />
</material>
<link name="base_link">
<visual>
<!-- 形状 -->
<geometry>
<box size="0.5 0.3 0.1" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="yellow"/>
</visual>
</link>
<!-- 摄像头 -->
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="red" />
</visual>
</link>
<!-- 关节 -->
<joint name="camera2baselink" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera" />
<!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
<origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
</joint>
</robot>
编译后，工作空间终端下调用如下命令执行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo03_joint.urdf
执行指令后，在 rviz2 中会显示机器人模型。
然后再新建终端，执行如下命令：
ros2 run joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui
执行指令后，会弹出一个新的窗口，在该窗口中有一个”进度条“，通过拖拽进度条可以控制相机旋转。
5.使用base_footprint优化urdf
1.需求
前面实现的机器人模型是半沉到地下的，因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了，这个初始 link 一般称之为 base_footprint。
2.实现
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo04_basefootprint.urdf，并编辑文件，输入如下内容：
<!--
需求：为机器人模型添加 base_footprint
-->
<robot name="base_footprint_demo">
<!-- 定义颜色 -->
<material name="yellow">
<color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
</material>
<material name="red">
<color rgba="0.8 0.1 0.1 0.8" />
</material>
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.001"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<link name="base_link">
<visual>
<!-- 形状 -->
<geometry>
<box size="0.5 0.3 0.1" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="yellow"/>
</visual>
</link>
<joint name="baselink2basefootprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint"/>
<child link="base_link"/>
<origin xyz="0.0 0.0 0.05"/>
</joint>
<!-- 摄像头 -->
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="red" />
</visual>
</link>
<!-- 关节 -->
<joint name="camera2baselink" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera" />
<!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
<origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
</joint>
</robot>
编译后，工作空间终端下调用如下命令执行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo04_basefootprint.urdf
执行指令后，在 rviz2 将Fixed Frame设置为base_footprint，机器人模型将正常显示在”地面“上。