ROS入门(五)——仿真机器人一（URDF+Rviz）

所用的学习链接：

【奥特学园】ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程P229-251

【以上视频笔记见http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/】

一、使用工具

• URDF 用于创建机器人模型：以XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度。可被 C++ 内置的解释器转换成可视化的机器人模型。

• Gzebo 用于搭建仿真环境：3D动态模拟器，显示机器人模型并创建仿真环境,能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。

• Rviz 图形化显示传感器感知到的环境信息：ROS的三维可视化工具。以三维方式显示ROS消息，将数据进行可视化表达。例如:可以显示机器人模型，可以无需编程就能表达激光测距仪（LRF）传感器中的传感 器到障碍物的距离，RealSense、Kinect或Xtion等三维距离传感器的点云数据（PCD， Point Cloud Data），从相机获取的图像值等

官方文档：

• https://wiki.ros.org/urdf

• http://wiki.ros.org/rviz

• http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_overview

使用建议：

• 如果非仿真环境，使用 URDF 结合 Rviz 直接显示感知的真实环境信息

• 如果是仿真环境，使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息

二、介绍

1.URDF语法

• robot：作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称
• link：描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头...每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性

# link子标签
visual（属性name） ---> 描述外观(对应的数据是可视的)
    geometry 设置连杆的形状
        标签1: box(盒状)
        属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)
        标签2: cylinder(圆柱)
        属性:radius=半径 length=高度
        标签3: sphere(球体)
        属性:radius=半径
        标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
        属性: filename=资源路径(格式:package:////文件)
    origin 设置偏移量与倾斜弧度
        属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移
        属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)
    metrial 设置材料属性(颜色)
        属性: name
        标签: color
        属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])
    collision ---> 连杆的碰撞属性
    Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

# 案例

    
        
        
            
            
            
            
            
            
        
        
        
        
        
            
        
    

• joint：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。【各个组件之间需要使用关节连接，如机器人的手和身体、车轮和车体，关节的头和尾通常来说是两个组件的中心】

# 属性
name ---> 为关节命名
type ---> 关节运动形式
    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

# 子标签
parent(必需的)
parent link的名字是一个强制的属性：
    link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
child(必需的)【child link的名字是一个强制的属性】
    link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
origin
    属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。
axis
    属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。

# 案例


    
    
    
    
    
    
     

2.实验目标

1.新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
2.搭建一个极小的基底（基于该基底构造机器人，则机器人躯干不会嵌入地板）
3.搭建底盘（底盘下有一个极小极小的伪基底，）
4.在底盘上添加两个驱动轮
5.在底盘上添加两个万向轮

三、URDF创建机器人模型【.urdf文件】

1.配置

可参考ROS入门(三)——VSCode安装和运行(c/python)

（1）创造工作空间

# mkdir -p 空间名称/src   # 必须得有 src
mkdir -p 7.19_demo1/src  
cd 7.19_demo1
catkin_make
 
# 启动
code .

（2）配置takes.json

打开后，ctrl+shift+b，点击catkin_make:build右边的齿轮，打开takes.json。【如果没有catkin_make:build就“配置生成任务...”→创建takes.json文件】以下代码内容替换原tak.json文件。

{
    // 有关 tasks.json 格式的文档，请参见
        // https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
        "version": "2.0.0",
        "tasks": [
            {
                "label": "catkin_make:debug", //代表提示的描述性信息
                "type": "shell",  //可以选择shell或者process,如果是shell代码是在shell里面运行一个命令，如果是process代表作为一个进程来运行
                "command": "catkin_make",//这个是我们需要运行的命令
                "args": [],//如果需要在命令后面加一些后缀，可以写在这里，比如-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=“pac1;pac2”
                "group": {"kind":"build","isDefault":true},
                "presentation": {
                    "reveal": "always"//可选always或者silence，代表是否输出信息
                },
                "problemMatcher": "$msCompile"
            }
        ]
}

（3）创建文件夹和依赖

右键src ---> create catkin package→自定义package name（例urdf_rviz）→dependencies：urdf xacro

（4）功能包

在新生成的urdf_rviz文件夹下，新建功能包文件夹urdf、launch、config

urdf文件夹下再新建文件夹urdf和xacro（后面会用到xacro）

（5）source配置

相当于配置环境变量，不然每次在一个新终端运行都要执行source命令

# sudo gedit ~/.bashrc
gedit ~/.bashrc

# 打开文件后拉到倒数第二行，添加一行
# source ~/工作空间路径/devel/setup.bash
source ~/ROS/7.19_demo1/devel/setup.bash

# 执行命令
source ~/.bashrc

 2.创建机器人模型（编辑urdf文件）

在urdf/urdf文件夹下新建一个urdf文件【t1_car.urdf】，用于描述机器人结构，写入以下代码

四、launch启动RVIZ【.launch文件】

1.创建launch文件

在launch文件夹下创建一个launch文件，用于载入urdf文件和启动rviz【t1_car.launch】

 2.运行

（1）打开rviz

先进行ctrl+shift+b编译，编译后打开一个新终端，运行ros，再打开一个新终端，运行launch文件

# 新终端1
roscore

# 新终端2
# source ./devel/setup.bash
# roslaunch 包名 文件名
roslaunch urdf_rviz t1_car.launch

（2）组件添加 

①Fixed name标签改为base_footprint。运行成功将会出现rviz的软件界面，但是这里左侧会有一个报错，是因为参考坐标系不存在。将Fixed name改为前面urdf文件中所写的base_footprint

②左下角add→RobotModel、TF、Axis

• RobotModel：用于显示机器人模型
• TF，各个组件的坐标系，TF参数种，Frame点开是完整的坐标内容，可根据需要关闭部分
• Axis是基底的坐标，机器人的根坐标

③打开rviz的同时会有一个旋转窗口，可自行调试轮子转动，观察TF坐标的变化

（3）保存配置

①左上角File→Save Config As→保存到工作空间下我们创建的config文件夹中（t1_car.rviz）

②保存完成后，在launch文件中修改一句话，使每次打开rviz时会导入该配置

# 原句子
# 

# 更新后
# 

 重新运行 

roslaunch urdf_rviz t1_car.launch

发现没有报错了，也自动加载了配置 。以后在rviz中有调整也要及时保存

五、URDF工具

1.安装工具

sudo apt install liburdfdom-tools

2.check_urdf 语法检查 

右键urdf文件夹，打开一个新终端

# check_urdf urdf文件
check_urdf t1_car.urdf

 没有报错并输出了机器人结构 

3.urdf_to_graphiz 结构查看

# 将会生成一个pdf文件
urdf_to_graphiz t1_car.urdf 
# 查看，显示连接关系和相关属性
evince mycar.pdf