机器人建模和控制必须掌握坐标系和坐标变换等基础知识。机器人在空间中运动主要有两种形式：
平移和旋转也就是线速度和角速度。
坐标关系不仅包括机器人和外部环境，也包括机器人自身各部件，如本体，传感器（摄像头），控制器，执行器（电机）等。
TF概念如下图所示：
在日常生活中，如果将现实环境建立数学或物理模型必然也离不开坐标系，如下图：
常见的如GPS全局坐标，室内定位局部坐标等，在机器人领域示例如下：
教程不仅有理论介绍，还有云平台实践环境：
分别展示了两款机器人模型中的TF。
下面我们先把坐标系基本概念过一遍：
示例演示：
roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo_cpp.launch使用键盘控制控制第一个turtle，第二个跟随，如下图所示：
<launch> <!-- Turtlesim Node--> <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/> <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/> <!-- Axes --> <param name="scale_linear" value="2" type="double"/> <param name="scale_angular" value="2" type="double"/> <node name="turtle1_tf2_broadcaster" pkg="turtle_tf2" type="turtle_tf2_broadcaster" respawn="false" output="screen" > <param name="turtle" type="string" value="turtle1" /> </node> <node name="turtle2_tf2_broadcaster" pkg="turtle_tf2" type="turtle_tf2_broadcaster" respawn="false" output="screen" > <param name="turtle" type="string" value="turtle2" /> </node> <node name="turtle_pointer" pkg="turtle_tf2" type="turtle_tf2_listener" respawn="false" output="screen" > </node> </launch>注意：由于noetic版本仅支持python3。
为了更方便的调试和查看坐标，ROS-TF2提供了大量的工具：
import rospy import tf2_py as tf2 import yaml import subprocess from tf2_msgs.srv import FrameGraph import tf2_ros def main(): rospy.init_node('view_frames') # listen to tf for 5 seconds rospy.loginfo('Listening to tf data during 5 seconds...') rospy.sleep(0.00001) buffer = tf2_ros.Buffer() listener = tf2_ros.TransformListener(buffer) rospy.sleep(5.0) rospy.loginfo('Generating graph in frames.pdf file...') rospy.wait_for_service('~tf2_frames') srv = rospy.ServiceProxy('~tf2_frames', FrameGraph) data = yaml.safe_load(srv().frame_yaml) with open('frames.gv', 'w') as f: f.write(generate_dot(data)) subprocess.Popen('dot -Tpdf frames.gv -o frames.pdf'.split(' ')).communicate() def generate_dot(data): if len(data) == 0: return 'digraph G { "No tf data received" }' dot = 'digraph G {\n' for el in data: map = data[el] dot += '"'+map['parent']+'" -> "'+str(el)+'"' dot += '[label=" ' dot += 'Broadcaster: '+map['broadcaster']+'\\n' dot += 'Average rate: '+str(map['rate'])+'\\n' dot += 'Buffer length: '+str(map['buffer_length'])+'\\n' dot += 'Most recent transform: '+str(map['most_recent_transform'])+'\\n' dot += 'Oldest transform: '+str(map['oldest_transform'])+'\\n' dot += '"];\n' if not map['parent'] in data: root = map['parent'] dot += 'edge [style=invis];\n' dot += ' subgraph cluster_legend { style=bold; color=black; label ="view_frames Result";\n' dot += '"Recorded at time: '+str(rospy.Time.now().to_sec())+'"[ shape=plaintext ] ;\n' dot += '}->"'+root+'";\n}' return dot if __name__ == '__main__': main()坐标为静态关系：
坐标为动态关系：
坐标与时间关系：
坐标与机器人关系：
这个坐标变换TF2工具的意义如上所示，但是可能会觉得不是很清楚，下面举个例子：
观察上图绿点的位置，通常我们需要机器人本体坐标，但是传感器并非安装在本体中心，而传感器获取的各类信息都是相对传感器的数据，而非机器人本体，TF2工具可以直接维护这些位置姿态坐标关系，将其转换为机器人本体坐标。
tf2常用功能包：
examples-tf2-py: 使用tf2库的Python API示例。
geometry2: 用于在ros，tf2中引入默认软件包第二代坐标变换库的元软件包。
robot-state-publisher: 状态发布后，对于使用tf2的系统中的所有组件都可用。 该包使用机器人的运动学树模型将机器人的关节角度作为输入，并发布机器人链接的3D姿势。
ros-base: 一个扩展“ ros_core”并包含其他基本功能（如tf2和urdf）的软件包。
tf2: tf2保持时间缓冲的树结构中的坐标系之间的关系，并允许用户在任意所需的时间点在任意两个坐标系之间转换点，向量等。
tf2-ros: 该软件包包含适用于Python和C ++的tf2库的ROS绑定。
其他库：tf2-bullet, tf2-eigen, tf2-geometry-msgs, tf2-kdl, tf2-msgs, tf2-py, tf2-sensor-msgs, tf2-tools。
ROS1（noetic，melodic，kinetic，indigo）：
注意：xacro,sdf等格式适合Gazebo，urdf格式适合rviz。
rosrun xacro xacro -o model_out.urdf model_in.urdf.xacro使用如下命令打开一个机器人模型（此处不要求掌握，后续详细介绍）：
roslaunch robot1_description display.launch model:=robot1_base1.urdf
rqt-tf-tree:
rosrun tf2_tools echo.py base_link wheel_1
rosrun tf2_tools view_frames.py
ROS2（foxy，dashing）：
机器人urdf模型通用！！！
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=src/urdf/robot1_base1.urdf
下图和ros1几乎一样：
同样也能使用各类工具：
ros2 run tf2_tools view_frames.py
ROS1和ROS2几乎一致！
下一节，将通过URDF构建机器人模型，以ROS2（foxy）讲解为主！主要是ROS1相关URDF功能如何顺利移植到ROS2中！
display.launch.py
import launch from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration import launch_ros import os def generate_launch_description(): pkg_share = launch_ros.substitutions.FindPackageShare(package='urdf_tutorial').find('urdf_tutorial') default_model_path = os.path.join(pkg_share, 'urdf/01-myfirst.urdf') default_rviz_config_path = os.path.join(pkg_share, 'rviz/urdf.rviz') robot_state_publisher_node = launch_ros.actions.Node( package='robot_state_publisher', executable='robot_state_publisher', parameters=[{'robot_description': Command(['xacro ', LaunchConfiguration('model')])}] ) joint_state_publisher_node = launch_ros.actions.Node( package='joint_state_publisher', executable='joint_state_publisher', name='joint_state_publisher', condition=launch.conditions.UnlessCondition(LaunchConfiguration('gui')) ) joint_state_publisher_gui_node = launch_ros.actions.Node( package='joint_state_publisher_gui', executable='joint_state_publisher_gui', name='joint_state_publisher_gui', condition=launch.conditions.IfCondition(LaunchConfiguration('gui')) ) rviz_node = launch_ros.actions.Node( package='rviz2', executable='rviz2', name='rviz2', output='screen', arguments=['-d', LaunchConfiguration('rvizconfig')], ) return launch.LaunchDescription([ launch.actions.DeclareLaunchArgument(name='gui', default_value='True', description='Flag to enable joint_state_publisher_gui'), launch.actions.DeclareLaunchArgument(name='model', default_value=default_model_path, description='Absolute path to robot urdf file'), launch.actions.DeclareLaunchArgument(name='rvizconfig', default_value=default_rviz_config_path, description='Absolute path to rviz config file'), joint_state_publisher_node, joint_state_publisher_gui_node, robot_state_publisher_node, rviz_node ])robot1_base1.urdf
<?xml version="1.0" ?> <robot name="robot1_xacro" xmlns:controller="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#controller" xmlns:interface="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#interface" xmlns:sensor="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#sensor"> <link name="base_footprint"> <visual> <geometry> <box size="0.001 0.001 0.001"/> </geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> </visual> <inertial> <mass value="0.0001"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <gazebo reference="base_footprint"> <material>Gazebo/Green</material> <turnGravityOff>false</turnGravityOff> </gazebo> <joint name="base_footprint_joint" type="fixed"> <origin xyz="0 0 0"/> <parent link="base_footprint"/> <child link="base_link"/> </joint> <link name="base_link"> <visual> <geometry> <box size="0.2 .3 .1"/> </geometry> <origin rpy="0 0 1.54" xyz="0 0 0.05"/> <material name="white"> <color rgba="1 1 1 1"/> </material> </visual> <collision> <geometry> <box size="0.2 .3 0.1"/> </geometry> </collision> <inertial> <mass value="10"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <link name="wheel_1"> <visual> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <material name="black"> <color rgba="0 0 0 1"/> </material> </visual> <collision> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> </collision> <inertial> <mass value="1"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <link name="wheel_2"> <visual> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <material name="black"/> </visual> <collision> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> </collision> <inertial> <mass value="1"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <link name="wheel_3"> <visual> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <material name="black"/> </visual> <collision> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> </collision> <inertial> <mass value="1"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <link name="wheel_4"> <visual> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <material name="black"/> </visual> <collision> <geometry> <cylinder length="0.05" radius="0.05"/> </geometry> </collision> <inertial> <mass value="1"/> <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/> </inertial> </link> <joint name="base_to_wheel1" type="continuous"> <parent link="base_link"/> <child link="wheel_1"/> <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 0.15 0"/> <axis xyz="0 0 1"/> </joint> <joint name="base_to_wheel2" type="continuous"> <axis xyz="0 0 1"/> <anchor xyz="0 0 0"/> <limit effort="100" velocity="100"/> <parent link="base_link"/> <child link="wheel_2"/> <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="-0.1 0.15 0"/> </joint> <joint name="base_to_wheel3" type="continuous"> <parent link="base_link"/> <axis xyz="0 0 1"/> <child link="wheel_3"/> <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 -0.15 0"/> </joint> <joint name="base_to_wheel4" type="continuous"> <parent link="base_link"/> <axis xyz="0 0 1"/> <child link="wheel_4"/> <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="-0.1 -0.15 0"/> </joint> </robot>～Fin～
zhangrelay 认证博客专家 不合格高校讲师 LoveRobot，Go！！！！人工智能和机器人粉，从事机器人工程专业本科教学和科研工作，研究方向包括多机器人仿真技术，控制与协作，机器人系统软硬件开发等。
