ROS进阶：使用URDF和Xacro构建差速轮式呆板人模型

前言

本篇文章先容的是ROS高效进阶内容，使用URDF 语言（xml格式）做一个差速轮式呆板人模型，并使用URDF的增强版xacro，对呆板人模型文件举行二次优化。
差速轮式呆板人：两轮差速底盘由两个动力轮位于底盘左右两侧，两轮独立控制速率，通过给定差别速率实现底盘转向控制。一般会配有一到两个辅助支持的万向轮。
此次建模，不引入算法，只是把呆板人模型的样子做出来，以是只使用 rivz 举行可视化体现。
呆板人的定义和构成

• 呆板人定义：呆板人是一种自动化的呆板，所差别的是这种呆板具备一些与人或生物相似的智能本领，如感知本领、规划本领、动作本领和协同本领，是一种具有高级机动性的自动化呆板。目前，自动驾驶汽车也被认为是一种呆板人。
  
• 呆板人构成：呆板人通常分为四大部分，即执行机构，驱动系统，传感系统和控制系统。以自动驾驶汽车为例，执行机构就是油门，转向和刹车；驱动系统就是电动机；传感系统就是各种传感器：lidar，radar，camera，uss，imu，GNSS；控制系统就是智驾算法系统：感知，定位，规划和控制。
  
• 呆板人四大部分的控制回路，大致如图：
  

URDF建模套路

• URDF：Unified Robot Description Format，同一的呆板人描述文件格式。urdf 文件使用 xml 格式。
  
• 用 urdf 描述呆板人，套路如下：每个呆板人都是由多个 link（连杆） 和 joint（关节）构成。这里的 link 和joint 很宽泛，形状不一定是杆和轴。比如桌子，桌面和腿都是link，连接处是固定的 joint。
  

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="name of robot">
3.         <link> ... </link>
4.         <joint> ... </joint>
5.         ...
6. </robot>

复制代码

• link：描述呆板人某个刚体部分的外观和物理属性。外观包括：尺寸，颜色，形状。物理属性包括：惯性矩阵（inertial matrix）和碰撞参数（collision properties）。在呆板人建模中，每个link 都是一个坐标系。下面是差速轮式呆板人底盘的建模，底盘一般称为 base。
  

1.   <link name="base_link">
2.           // visual 标签就是外观
3.     <visual>
4.       // base_link本身是个坐标系，这也是差速轮式机器人各组成部分的根坐标系，一般会把他的坐标原点设置在rviz的中心处
5.       // origin表示底盘在其base_link坐标系下的原始位置和旋转状态
6.       // xyz表示底盘质心在base_link坐标系的偏移位置，rpy（roll，pitch，yaw）是底盘绕base_link的x,y,z三个轴的旋转值
7.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
8.       // geometry是物体几何外形
9.       <geometry>
10.               // 这里的底盘，用圆柱体表示，length值为高度，radius是半径值
11.         <cylinder length="0.16" radius="0.2"/>
12.       </geometry>
13.       // material是材料，这里指定底盘颜色为红色，rgba是三色+透明度表示法，三色的范围是0~1，而不是0-255
14.       <material name="red">
15.         <color rgba="1 0 0 1"/>
16.       </material>
17.     </visual>
18.   </link>

复制代码

这里我们只举行外观建模，因此暂不涉及物理属性配置。

• joint：描述两个 link 之间的关系，包括运动学和动力学属性，这里暂时只关注运动学属性。通常情况下，两个 link 的关系一般分为六种：
  

   continuous：旋转关节，可以围绕单轴360度无穷旋转，比如轮子的轴
  revolute：旋转关节，但是有旋转角度的范围限定，比如钟摆
  prismatic：滑动关节，也叫活塞关节，沿某一轴线移动的关节，有位置限定，夸大一维，比如打气筒
  planar：平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转，夸大平面，比如抽屉表里滑动
  floating：浮动关节，允许举行平移和旋转运动，比如人体的肩关节
  fixed：固定关节，比如桌子腿和桌面
  下面是差速轮式呆板人自动轮与底盘的 joint 样例：

1.   // joint标签就是关节，type表示链接关系
2.   <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
3.     // origin表示轮子在base_link坐标系下的偏移和旋转
4.     <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0" />
5.     // 根link是底盘，子link是轮子
6.     <parent link="base_link" />
7.     <child link="left_wheel_link" />
8.     // axis描述的轮子相对于其自身坐标系的 y 轴旋转，=
9.     <axis xyz="0 1 0" />
10.   </joint>
11.   
12.   // 这是轮子link
13.   <link name="left_wheel_link">
14.     <visual>
15.       // 轮子相当于其x轴，旋转90度，也就是立起来
16.       <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
17.       <geometry>
18.         <cylinder length="0.06" radius="0.06"/>
19.       </geometry>
20.       <material name="white">
21.         <color rgba="1 1 1 0.9"/>
22.       </material>
23.     </visual>
24.   </link>

复制代码

使用URDF做一个差速轮式呆板人模型

• 创建 mbot_description 软件包及相关文件
  

1. cd ~/catkin_ws/src
2. catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
4. cd mbot_description
5. mkdir -p config doc launch meshes urdf/sensor
6. touch launch/display_mbot_urdf.launch launch/display_mbot_xacro.launch
7. touch urdf/mbot_base.urdf urdf/mbot_base.xacro
8. touch urdf/sensor/camera.xacro urdf/sensor/kinect.xacro urdf/sensor/laser.xacro

复制代码

• mbot_base.urdf ：这是整个mbot建模的文件，包括底盘，两个动力伦，两个万向轮，一个camera，一个kinect（深度相机），一个lidar。
  

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="mbot">
4.   <link name="base_link">
5.     <visual>
6.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
7.       <geometry>
8.         <cylinder length="0.16" radius="0.2"/>
9.       </geometry>
10.       <material name="red">
11.         <color rgba="1 0 0 1"/>
12.       </material>
13.     </visual>
14.   </link>
16.   <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
17.     <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0" />
18.     <parent link="base_link" />
19.     <child link="left_wheel_link" />
20.     <axis xyz="0 1 0" />
21.   </joint>
23.   <link name="left_wheel_link">
24.     <visual>
25.       <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
26.       <geometry>
27.         <cylinder length="0.06" radius="0.06"/>
28.       </geometry>
29.       <material name="white">
30.         <color rgba="1 1 1 0.9"/>
31.       </material>
32.     </visual>
33.   </link>
35.   <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
36.     <origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0" />
37.     <parent link="base_link" />
38.     <child link="right_wheel_link" />
39.     <axis xyz="0 1 0" />
40.   </joint>
42.   <link name="right_wheel_link">
43.     <visual>
44.       <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
45.       <geometry>
46.         <cylinder length="0.025" radius="0.06" />
47.       </geometry>
48.       <material name="white">
49.         <color rgba="1 1 1 0.9"/>
50.       </material>
51.     </visual>
52.   </link>
54.   <joint name="front_caster_joint" type="continuous">
55.     <origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0" />
56.     <parent link="base_link"/>
57.     <child link="front_caster_link" />
58.     <axis xyz="0 1 0" />
59.   </joint>
61.   <link name="front_caster_link">
62.     <visual>
63.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
64.       <geometry>
65.         <sphere radius="0.015" />
66.       </geometry>
67.       <material name="white">
68.         <color rgba="1 1 1 0.9"/>
69.       </material>
70.     </visual>
71.   </link>
73.   <joint name="back_caster_joint" type="continuous">
74.     <origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0" />
75.     <parent link="base_link"/>
76.     <child link="back_caster_link" />
77.     <axis xyz="0 1 0" />
78.   </joint>
80.   <link name="back_caster_link">
81.     <visual>
82.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
83.       <geometry>
84.         <sphere radius="0.015" />
85.       </geometry>
86.       <material name="white">
87.         <color rgba="1 1 1 0.9"/>
88.       </material>
89.     </visual>
90.   </link>
92.   <joint name="camera_joint" type="fixed">
93.     <origin xyz="-0.17 0 0.1" rpy="0 0 0" />
94.     <parent link="base_link"/>
95.     <child link="camera_link" />   
96.   </joint>
98.   <link name="camera_link">
99.     <visual>
100.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
101.       <geometry>
102.         <box size="0.03 0.04 0.04" />
103.       </geometry>
104.       <material name="grey">
105.         <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
106.       </material>
107.     </visual>
108.   </link>
110.   <joint name="stage_joint" type="fixed">
111.     <origin xyz="0 0 0.14" rpy="0 0 0" />
112.     <parent link="base_link"/>
113.     <child link="stage_link" />   
114.   </joint>
116.   <link name="stage_link">
117.     <visual>
118.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
119.       <geometry>
120.         <cylinder length="0.12" radius="0.1"/>
121.       </geometry>
122.       <material name="red">
123.         <color rgba="1 0 0 1"/>
124.       </material>
125.     </visual>
126.   </link>
128.   <joint name="laser_joint" type="fixed">
129.     <origin xyz="0 0 0.085" rpy="0 0 0" />
130.     <parent link="stage_link"/>
131.     <child link="laser_link" />   
132.   </joint>
134.   <link name="laser_link">
135.     <visual>
136.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
137.       <geometry>
138.         <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
139.       </geometry>
140.       <material name="grey">
141.         <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
142.       </material>
143.     </visual>
144.   </link>
146.   <joint name="kinect_joint" type="fixed">
147.     <origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0" />
148.     <parent link="base_link"/>
149.     <child link="kinect_link" />   
150.   </joint>
152.   <link name="kinect_link">
153.     <visual>
154.       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708" />
155.       <geometry>
156.         // 使用三维软件导出的模型文件
157.         <mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
158.       </geometry>
159.     </visual>
160.   </link>
161. </robot>

复制代码

• display_mbot_urdf.launch
  

1. <launch>
2.   // 设置ros的全局参数robot_description，指定机器人模型文件
3.   <param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />
5.         <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
6.         // 用这个可以控制机器人关节，但本文的demo没看到这个，有点遗憾
7.         <param name="use_gui" value="true"/>
9.         <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
10.         <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
12.         <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
13.         <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
15.         // robot_state_publisher结合joint_state_publisher可以实时把机器人各关节和各坐标系关系发布出来，让rviz显示。如果不设置，rviz无法完整加载机器人模型。
16.         // rviz显示后会生成配置文件，保存后再打开，就不用频繁设置了。
17.         <!-- 运行rviz可视化界面 -->
18.         <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
20. </launch>

复制代码

• 使用 urdf_to_graphiz 命令行工具可以把 urdf 文件的内容，以树的样子dump出来，格式是pdf。使用这个可以快速读取 urdf 的 link 和 joint，下图是上面例子的节点树状图。
  

1. cd ~/catkin_ws/
2. urdf_to_graphiz src/mbot_description/urdf/mbot_base.urdf

复制代码

• 编译和运行
  

1. cd ~/catkin_ws/
2. catkin_make --source src/mbot_description
3. source devel/setup.bash
4. roslaunch mbot_description display_mbot_urdf.launch

复制代码

使用xacro优化差速轮式呆板人模型

• 原始的urdf语法比较简单，导致呆板人模型文件比较冗长啰嗦，比如两个动力轮，两个万向轮的编写就非常重复。ROS 提出了xacro语法，让呆板人模型文件具有可编程本领，比如设置参数，定义宏函数并调用，文件包罗等。下面举行分类举例：设置并调用参数：
  

1.    // xacro:property设置参数
2.   <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926" />
3.   // 引用参数用${}
4.   <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>

复制代码

设置宏函数并调用：

1.   // xacro:macro设置宏函数，名字是wheel，参数是prefix 和 reflect
2.   <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
3.     <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
4.       <origin xyz="${wheel_joint_x} ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0" />
5.       <parent link="base_link" />
6.       <child link="${prefix}_wheel_link" />
7.       <axis xyz="0 1 0" />
8.     </joint>
10.     <link name="${prefix}_wheel_link">
11.       <visual>
12.         <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>
13.         <geometry>
14.           <cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>
15.         </geometry>
16.         <material name="white" />
17.       </visual>
18.     </link>
19.   </xacro:macro>
20.   // 调用wheel宏函数
21.   <xacro:wheel prefix="left"  reflect="1"/>  
22.   <xacro:wheel prefix="right"  reflect="-1"/>  

复制代码

文件包罗

1.   // xacro:include是文件包含，camera.xacro里面定义了一个宏函数
2.   <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/camera.xacro" />
3.   // 调用camera.xacro里面的宏函数
4.   <xacro:usb_camera joint_x="${camera_joint_x}" joint_y="${camera_joint_y}" joint_z="${camera_joint_z}"/>  

复制代码

• 这里的几个文件是对上面的mbot_base.urdf的重写，使用xacro，具体语法看上面的解释。mbot_base.xacro
  

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
3.   <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926" />
5.   <xacro:property name="wheel_joint_x" value="0" />
6.   <xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19" />
7.   <xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05" />
9.   <xacro:property name="wheel_length" value="0.06" />
10.   <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06" />
12.   <xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18" />
13.   <xacro:property name="caster_joint_y" value="0" />
14.   <xacro:property name="caster_joint_z" value="0.095" />  
16.   <xacro:property name="caster_radius" value="0.015" />
18.   <xacro:property name="base_length" value="0.16" />
19.   <xacro:property name="base_radius" value="0.2" />
21.   <xacro:property name="stage_length" value="0.12" />
22.   <xacro:property name="stage_radius" value="0.1" />
24.   <xacro:property name="camera_joint_x" value="0.17" />
25.   <xacro:property name="camera_joint_y" value="0" />
26.   <xacro:property name="camera_joint_z" value="0.1" />  
28.   <xacro:property name="kinect_joint_x" value="0.15" />
29.   <xacro:property name="kinect_joint_y" value="0" />
30.   <xacro:property name="kinect_joint_z" value="0.11" />  
32.   <xacro:property name="laser_joint_x" value="0" />
33.   <xacro:property name="laser_joint_y" value="0" />
34.   <xacro:property name="laser_joint_z" value="0.085" />  
36.   <material name="white">
37.     <color rgba="1 1 1 0.9"/>
38.   </material>
39.   <material name="red">
40.     <color rgba="1 0 0 1"/>
41.   </material>
43.   <material name="grey">
44.     <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
45.   </material>
47.   <xacro:macro name="base_stage">
48.     <link name="base_link">
49.       <visual>
50.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
51.         <geometry>
52.           <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
53.         </geometry>
54.         <material name="red" />
55.       </visual>
56.     </link>
58.     <joint name="stage_joint" type="fixed">
59.       <origin xyz="0 0 ${(base_length + stage_length)/2}" rpy="0 0 0" />
60.       <parent link="base_link"/>
61.       <child link="stage_link" />   
62.     </joint>
64.     <link name="stage_link">
65.       <visual>
66.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
67.         <geometry>
68.           <cylinder length="${stage_length}" radius="${stage_radius}"/>
69.         </geometry>
70.         <material name="red" />
71.       </visual>
72.     </link>
73.   </xacro:macro>
75.   <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
76.     <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
77.       <origin xyz="${wheel_joint_x} ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0" />
78.       <parent link="base_link" />
79.       <child link="${prefix}_wheel_link" />
80.       <axis xyz="0 1 0" />
81.     </joint>
83.     <link name="${prefix}_wheel_link">
84.       <visual>
85.         <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>
86.         <geometry>
87.           <cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>
88.         </geometry>
89.         <material name="white" />
90.       </visual>
91.     </link>
92.   </xacro:macro>
94.   <xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
95.     <joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous">
96.       <origin xyz="${reflect*caster_joint_x} ${caster_joint_y} ${-caster_joint_z}" rpy="0 0 0" />
97.       <parent link="base_link"/>
98.       <child link="${prefix}_caster_link" />
99.       <axis xyz="0 1 0" />
100.     </joint>
102.     <link name="${prefix}_caster_link">
103.       <visual>
104.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
105.         <geometry>
106.           <sphere radius="${caster_radius}" />
107.         </geometry>
108.         <material name="white" />
109.       </visual>
110.     </link>
111.   </xacro:macro>
113.   <xacro:base_stage />  
114.   <xacro:wheel prefix="left"  reflect="1"/>  
115.   <xacro:wheel prefix="right"  reflect="-1"/>  
117.   <xacro:caster prefix="front"  reflect="1"/>  
118.   <xacro:caster prefix="back"  reflect="-1"/>  
120.   <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/camera.xacro" />
121.   <xacro:usb_camera joint_x="${camera_joint_x}" joint_y="${camera_joint_y}" joint_z="${camera_joint_z}"/>  
123.   <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/kinect.xacro" />
124.   <xacro:kinect joint_x="${kinect_joint_x}" joint_y="${kinect_joint_y}" joint_z="${kinect_joint_z}"/>  
126.   <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/laser.xacro" />
127.   <xacro:laser joint_x="${laser_joint_x}" joint_y="${laser_joint_y}" joint_z="${laser_joint_z}"/>  
129. </robot>

复制代码

camera.xacro

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
3.   <xacro:macro name="usb_camera" params="joint_x joint_y joint_z">
4.     <joint name="camera_joint" type="fixed">
5.       <origin xyz="${-joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" />
6.       <parent link="base_link"/>
7.       <child link="camera_link" />   
8.     </joint>
10.     <link name="camera_link">
11.       <visual>
12.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
13.         <geometry>
14.           <box size="0.03 0.04 0.04" />
15.         </geometry>
16.         <material name="grey" />
17.       </visual>
18.     </link>
19.   </xacro:macro>
20. </robot>

复制代码

kinect.xacro

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
4.   <xacro:macro name="kinect" params="joint_x joint_y joint_z">
5.     <joint name="kinect_joint" type="fixed">
6.       <origin xyz="${joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" />
7.       <parent link="base_link"/>
8.       <child link="kinect_link" />   
9.     </joint>
11.     <link name="kinect_link">
12.       <visual>
13.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708" />
14.         <geometry>
15.           <mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
16.         </geometry>
17.       </visual>
18.     </link>
19.   </xacro:macro>
21. </robot>

复制代码

laser.xacro

1. <?xml version="1.0" ?>
2. <robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
4.   <xacro:macro name="laser" params="joint_x joint_y joint_z">
5.     <joint name="laser_joint" type="fixed">
6.       <origin xyz="${joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" />
7.       <parent link="stage_link"/>
8.       <child link="laser_link" />   
9.     </joint>
11.     <link name="laser_link">
12.       <visual>
13.         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
14.         <geometry>
15.           <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
16.         </geometry>
17.         <material name="grey"/>
18.       </visual>
19.     </link>
20.   </xacro:macro>
21. </robot>

复制代码

• display_mbot_xacro.launch
  

1. <launch>
2.         // 引入xacro的解释器，不然无法读取 .xacro文件
3.         <arg name="model" default="$(find xacro)/xacro '$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.xacro'" />
5.         <param name="robot_description" command="$(arg model)" />
7.         <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
8.         <param name="use_gui" value="true"/>
10.         <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
11.         <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
13.         <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
14.         <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
16.         <!-- 运行rviz可视化界面 -->
17.         <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_xacro.rviz" required="true" />
19. </launch>

复制代码

• 运行结果如下，这里体现了坐标系轴
  

部分配置代码

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