URDF学习（一）什么是URDF以及怎么理解一个URDF文件

1.什么是URDF？ URDF全称（United Robotics Description Format）统一机器人描述格式，是一个XML语法框架下用来描述机器人的语言格式，URDF在ROS界很流行。我们可以  

1. 通过URDF对机器人建模然后放到ROS里面进行仿真与分析
2. 把一个URDF文件转换成simscape模型，在Simulink里面进行仿真分析或者控制器设计。
3. 把simscape模型转化成urdf格式

  2.URDF文件长啥样？ URDF文件里面有着与XML语言格式。要定义好一个机器人，首先你得知道机器人有什么。一个机器人主要由连杆（link）和关节（joint）组成， URDF具有类似XML树状结构的，比如下面的例子：  

<robot>
	<link>
		...
	</link>
	<link>
		...
	</link>
	<joint>
		...
	</joint>
</robot>

  上面的 link 与 joint 是 robot 下面的子分量（应该有比‘子分量’更好的描述），换句话说 joint 和 link 隶属于 robot 。知道了机器人的基本构成之后还不够，还需要知道基本组成部分的一些物理信息，例如连杆的质量属性，惯量属性，颜色，以及关节的种类，这到底是转动关节还是平动关节。因此 link 和 joint 也要有自己的子分量，比如 inertial 和 visual ， visual 下面还可以再次细分子分量 geometry 和 material ，然后 material 下面还可以有自己的子分量，由此往复我们就可以用URDF来充分定义好一个机器人的各个信息。所以一个增加了这些额外信息的URDF文件内容例子如下  

<robot>
	<link>
		<inertial>
			...
		</inertial>
		<visual>
			<geometry>
				...
			</geometry>
			<material>
				<color />
			</material>
		</visual>
	</link>
	...
</robot>

  我们定义好了机器人的组成部分以及各个部分所具有的信息，接着还需要有属性描述这些量。比如 robot，link，joint 都有 name属性，一个用来辨识模块的字符串。 color 有 rgba 属性，用来定义连杆的外表颜色。添加了相关信息的URDF文件长这个样子：  

<robot name = "linkage">
	<link name = "root link">
		<inertial>
			...
		</inertial>
		<visual>
			<geometry>
				...
			</geometry>
			<material>
				<color rgba = "1 0 0 1" />
			</material>
		</visual>
	</link>
	...
</robot>

  把这些属性附上对应的数值之后，一个机器人的 urdf 模型中各个模块的外表和物理属性就建立好了。 接下来我们来描述关节连杆之间的关系。   3.URDF的层次结构以及动力学树 URDF文件里，就像XML一样，link 通过 joint 按一定的层次一个个联系在一起。 joint 通过 parent-child 关系把上下 link 联系起来，parent link可以同时作为其他 link 的child link，而child link也可以同时作为其他link的parent link，举例：  

<parent> and <child> Joint Elements
<robot name = "linkage">
	<joint name = "joint A ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link B" />
	</joint>
	<joint name = "joint B ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link C" />
	</joint>
	<joint name = "joint C ... >
		<parent link = "link C" />
		<child link = "link D" />
	</joint>
</robot>

  上述URDF语法建立了一个这样的连杆模型：  

• 连杆A通过关节A连接着连杆B，连杆A是父连杆
• 连杆C通过关节B连接着连杆A，连杆A是父连杆
• 连杆D通过关节C连接着连杆C，连杆C是父连杆

  我们可以通过connectivity graph来展示 link 之间的从属和连接关系，用圆代表link，箭头代表joint，joint 从 parent link流出，指向child link，于是上述URDF文件可以用图表示为：  
  描述好关系之后，一个加上上面所说的物理和外表属性，一个完整的机器人 URDF 模型就建立好了。 但是在URDF里面，模型的拓扑结构也受到着一定的限制：那就是URDF不能定义一个闭环的连杆模型。翻译成URDF说法就是：  

• 一个child 只能有一个parent link
• 只有root link（也就是connectivity graph的起源）可以有多个分支
• 一个模型只能由一个root link

  举例： Kinematic Loop URDF Example  

<robot name = "linkage">
	<joint name = "joint A ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link B" />
	</joint>
	<joint name = "joint B ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link C" />
	</joint>
	<joint name = "joint C ... >
		<parent link = "link C" />
		<child link = "link D" />
	</joint>
	<joint name = "joint D ... >
		<parent link = "link B" />
		<child link = "link D" />
	</joint>
</robot>

  上述URDF的连线图如下所示：  
  它有一个child link D具有两个parent link， 因此该模型不能用URDF来建模   4. URDF里必要的和可选的部分   URDF里面并不是所有的信息都需要定义，一些信息比如 link 下面的 inertial 信息就是可选的，可以定义也可以不定义。下面的例子中绿色代表可选的信息，可填可不填：