基于 ROS 对 URDF 建模进行 xacro 优化【机器人仿真入门教程二】

本文内容：对 URDF 机器人建模进行优化。

• 上篇文章：基于 ROS 进行 URDF 机器人建模详细步骤【机器人仿真入门教程一】

一、绪论

• URDF 建模存在哪些问题？
  1. 模型冗长，重复内容过多；
  2. 参数修改麻烦，不便于二次开发；
  3. 没有参数计算的功能；
  4. …
• 所以本篇文章就是要对上篇文章建的模进行优化。
• URDF 模型的进化版本——xacro 模型文件，它有以下优点：
  • 精简模型代码
    1. 创建宏定义
    2. 文件包括
  • 提供可编程接口
    1. 常量
    2. 变量
    3. 数学计算
    4. 条件语句

二、xacro 的使用方法简介

• 常量定义：

<xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>
<!--其中 name 是定义的常量名，value 是常量的值-->

• 常量使用

<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>
<!--常量在 ${ } 括号里使用常量 在括号里面可以进行运算-->

• 数学计算

<origin xyz="0 ${(motor_length+wheel_length)/2} 0" rpy="0 0 0"/>
<!--括号里面可以进行运算，所有数学运算都会转换成浮点数进行，以保证运算精度-->

• 宏定义

<!--name 是宏定义的名字类似函数名，params 是类似函数参数，可以是字符串-->
<xacro:macro name="name" params="A B C">
   ......具体模型定义（类似函数内容）
</xacro:macro>

• 宏调用

<name A="A_value" B="B_value" C="C_value" />
<!--A_value，B_value，C_value是宏的名称-->

• 文件包括

<xacro:include filename="$(find mbot_descripiton)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" />
<!--$(find+功能包)=包的具体路径-->

• 更多 xacro 的知识请参考：ROS官方教程[翻译]—xacro的介绍与使用

三、xacro 创建机器人模型

3.1 创建机器人模型文件

• 在 urdf 下创建一个文件，进入该文件中再创建一个 mbot_base.xacro 文件。

cd ~/catkin_ws/src/mbot_description/urdf
mkdir xacro
cd xacro
sudo gedit mbot_base.xacro

• 复制粘贴如下代码（记得删除注释，否则编译不过）：

<!--声明xml文件及版本-->
<?xml version="1.0"?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
	<!--定义相关机器人常量-->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/>
    <xacro:property name="base_radius" value="0.20"/>
    <xacro:property name="base_length" value="0.16"/>

    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.025"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05"/>

    <xacro:property name="caster_radius" value="0.015"/> 
    <xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18"/>
   <!--定义相关机器人颜色常量-->
    <material name="yellow">
        <color rgba="1 0.4 0 1"/>
    </material>
    <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 0.95"/>
    </material>
    <material name="gray">
        <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
    </material>
    <!--定义驱动轮的宏定义--> 
    <!--prefix（左轮还是右轮） reflect（镜像关系）-->
    <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_wheel_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_wheel_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}"  length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
                <material name="gray" />
            </visual>
        </link>
    </xacro:macro>
   <!--定义支撑轮的宏定义-->
   <!--prefix（前轮还是后轮） reflect（镜像关系）-->
    <xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_caster_joint" type="fixed">
            <origin xyz="${reflect*caster_joint_x} 0 ${-(base_length/2 + caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_caster_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_caster_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
                <material name="black" />
            </visual>
        </link>
    </xacro:macro>
    <!--定义主体base -->
        <xacro:macro name="mbot_base">  <!-- 宏定义 -->
        <link name="base_footprint">   <!-- 主要作用可以修改机器人主体的整体位置 -->
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.001 0.001 0.001" />
                </geometry>
            </visual>
        </link>

        <joint name="base_footprint_joint" type="fixed"><!-- 让机器人的base_link上移，至车轮与水平线平齐 -->
            <origin xyz="0 0 ${base_length/2 + caster_radius*2}" rpy="0 0 0" />        
            <parent link="base_footprint"/>
            <child link="base_link" />
        </joint>

        <link name="base_link">
            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
                <material name="yellow" />
            </visual>
        </link>

        <wheel prefix="left" reflect="-1"/> <!-- 调用驱动轮子宏定义 -->
        <wheel prefix="right" reflect="1"/> <!-- 调用驱动轮子宏定义 -->

        <caster prefix="front" reflect="-1"/> <!-- 调用支撑轮子宏定义 -->
        <caster prefix="back" reflect="1"/> <!-- 调用支撑轮子宏定义 -->
    </xacro:macro>
</robot>

• 紧接着继续在该目录下创建 mbot.xacro 文件。

sudo gedit mbot.xacro

• 复制粘贴以下代码：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="arm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" /> <!-- 包含文件 -->
    <mbot_base/>    <!-- 调用宏定义 -->
</robot>

3.2 创建 launch 启动文件

• 在 launch 下创建 display_mbot_base_xacro.launch 启动文件。

cd ~/catkin_ws/src/mbot_description/launch
mkdir xacro
cd xacro
sudo gedit display_mbot_base_xacro.launch

• 复制粘贴以下代码（记得删除注释，否则编译不过）：

<launch>
	<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot.xacro'" />
	<arg name="gui" default="true" />
	<param name="robot_description" command="$(arg model)" />
    <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
	<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
	<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
    <!-- 运行rviz可视化界面 -->
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot.rviz" required="true" />
</launch>

3.3 在 RViz 显示模型

• 使用以下命令：

roslaunch mbot_description display_mbot_base_xacro.launch

• 再次提醒，要修改这两个地方，上篇文章已经讲过，这里不再赘述。
  

四、总结

• 在与上篇文章 URDF 建模相比，使用 xacro 建模要精简得多，且修改代码方便，易进行第二次开发，主要的一点是有参数计算功能，这对于机器人的灵活性有了一定提升。
• 总的来说，建模就需要三步：创建一个模型文件，创建一个启动文件，显示模型。
• 下篇文章：基于 ROS 使用 ArbotiX + RViz 功能仿真【机器人仿真入门教程三】

五、参考资料

[1] ROS——UDRF机器人模型优化（xacro）