机器人的组成：建模描述机器人的过程中，我们自己需要先熟悉机器人的组成和参数，比如机器人一般是由硬件结构、驱动系统、传感器系统、控制系统四大部分组成，市面上一些常见的机器人，无论是移动机器人还是机械臂，我们都可以按照这四大组成部分进行分解。

硬件结构就是底盘、外壳、电机等实打实可以看到的设备；

驱动系统就是可以驱使这些设备正常使用的装置，比如电机的驱动器，电源管理系统等；

传感系统包括电机上的编码器、板载的IMU、安装的摄像头、雷达等等，便于机器人感知自己的状态和外部的环境；

控制系统就是我们开发过程的主要载体了，一般是树莓派、电脑等计算平台，以及里边的操作系统和应用软件。

机器人建模的过程，其实就是按照类似的思路，通过建模语言，把机器人每一个部分都描述清楚，再组合起来的过程。

ROS中的建模方法叫做URDF，全称是统一机器人描述格式，不仅可以清晰描述机器人自身的模型，还可以描述机器人的外部环境（桌子等）。

URDF模型文件使用的是XML格式。

在建模中，大臂和小臂就类似机器人的这些独立的刚体部分，称为连杆Link，手肘就类似于机器人电机驱动部分，称为关节joint。

所以在URDF建模过程中，关键任务就是通过这里的<link>和<joint>，理清楚每一个连杆和关节的描述信息。

连杆Link：

描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性。

描述连杆尺寸、颜色、形状，物理属性包括质量、惯性矩阵、碰撞参数等。

每个Link会成为一个坐标系。

以一个机械臂连杆为例，它的link描述如下：

<link name="link_4">
    <visual>
        <geometry>
            <mesh filename="link_4.stl"/>
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder length="0.5" radius="0.1"/>
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 -0.05″ rpy="0 0 0" />
    </collision>
</1ink>

link标签中的name表示该连杆的名称，我们可以自定义，未来joint连接link的时候，会使用到这个名称。

link里边的<visual>部分用来描述机器人的外观，比如：

• <geometry>表示几何形状，里边使用<mesh>调用了一个在三维软件中提前设计好的蓝色外观，是一个stl文件，看上去和真实机器人是一致的
• <origin>表示坐标系相对初始位置的偏移，分别是x、y、z方向上的平移，和roll、pitch、raw三个方向上的旋转，不需要偏移的话，就全为0。

第二个部分<collision>，描述碰撞参数，里边的内容似乎和<visual>一样，也有<geometry>和<origin>，看似相同，其实区别还是比较大的。

• <visual>部分重在描述机器人看上去的状态，也就是视觉效果；
• <collision>部分则是描述机器人运动过程中的状态，比如机器人与外界如何接触算作碰撞。

在这个机器人模型中，蓝色部分是通过<visual>来描述的，在实际控制过程中，这样复杂的外观在计算碰撞检测时，要求的算力较高，为了简化计算，我们将碰撞检测用的模型简化为了绿色框的圆柱体，也就是<collision>里边<geometry>描述的形状。<origin>坐标系偏移也是类似，可以描述刚体质心的偏移。

对于移动机器人的话，link也可以用来描述小车的车体、轮子等部分。

机器人的刚体之间要通过<joint>相连接后才可以产生相对运动。

关节joint：

描述两个link之间的关系，分为六种类型；
包括关节运动的位置和速度限制；
描述机器人关节的运动学和动力学属性。

URDF的<joint>有六种运动类型：

1. continuous，描述旋转运动，可以围绕某一个轴无限旋转，比如小车的轮子，就属于这种类型。
2. revolute，也是旋转关节，和continuous类型的区别在于不能无限旋转，而是带有角度限制，比如机械臂的两个连杆，就属于这种运动。
3. prismatic，是滑动关节，可以沿某一个轴平移，也带有位置的极限，一般直线电机就是这种运动方式。
4. fixed，固定关节，是唯一一种不允许运动的关节，不过使用还是比较频繁的，比如相机这个连杆，安装在机器人上，相对位置是不会变化的，此时使用的连接方式就是Fixed。
5. Floating是浮动关节，第六种planar是平面关节，这两种使用相对较少。
6. planar是平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转。

在URDF模型中，每一个link都使用这样一段xml内容描述，比如关节的名字叫什么，运动类型是哪一种。以下即是一个joint的示例：

<joint name="joint_2" type="revolute">
    <parent link="link_i"/>
    <child link="link2"/>
    <origin xyz="0.2 0.2 0" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" velocity="1.0"/>
</joint>

• parent标签：描述父连杆；
• child标签：描述子连杆，子连杆会相对父连杆发生运动；
• origin：表示两个连杆坐标系之间的关系，也就是图中红色的向量，可以理解为这两个连杆该如何安装到一起；
• axis表示关节运动轴的单位向量，比如z等于1，就表示这个旋转运动是围绕z轴的正方向进行的；
• limit就表示运动的一些限制了，比如最小位置，最大位置，和最大速度等。

最终所有的link和joint标签完成了对机器人每个部分的描述和组合，全都放在一个robot标签中，就形成了完整的机器人模型。

机器人robot：

完整机器人模型的最顶层标签
<link>和<joint>标签都必须包含在<robot>标签内
一个完整的机器人模型，由一系列<link>和<joint>组成

一个机器人的示例如下：

<robot name="<name of the robot>">
    <link>......</link>
    <link>......</link>
    <joint>......</joint>
    <joint>......</joint>
</robot>

遇到一个机器人，在看代码前，应该先找link和joint，再去看细节。

可以使用以下语句查看URDF模型结构：

urdf_to_graphviz mbot_base.urdf  # 在模型文件夹下运行