【ROS进阶篇】第八讲(下) URDF的编程优化Xacro使用

【ROS进阶篇】第八讲(下) URDF的编程优化Xacro使用

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文章目录

  • 【ROS进阶篇】第八讲(下) URDF的编程优化Xacro使用
  • 前言
    • 一、Xacro的基本概念
    • 二、Xacro的语法详解
    • 三、实际机器人模型示例
  • 总结

前言

在上一节博客中我们系统的学习了URDF的具体使用方法和实例练习,但是在学习的过程中我们也能够发现直接编辑URDF文件存在诸多问题,例如关节参数问题和代码复用性问题,本节博客就主要介绍一种关于XML语言的编程优化方法,Xacro,在实际的URDF编程中热门的优化方法,从基本概念、语法讲解到实际机器人举例进行深入探讨。在这里插入图片描述

一、Xacro的基本概念

  • 概念:XML Macros的缩写,本质上是一种XML宏语言,是可编程的XML

  • 目的:解决URDF在构建机器人模型过程中存在的固有问题:

1. 连杆、关节的重要参数计算问题:手动通过固定公式计算,容易出现失误,且效率很低;
2. 内容高度重复性:对于相同的机器人部件,URDF文件代码相同,但是需要重复编程,缺乏复用性;

  • 原理:通过变量和函数优化代码构建过程

1. 声明变量:通过数学运算计算重要参数,将数据记录在变量中,提高效率及安全性;
2. 封装函数:使用流程控制顺序,封装固定逻辑,提高代码复用性

  • 作用:提高编写效率,通过使用宏命令构建更精悍短小但又具有更高可读性的XML文件,扩展达到更大的XML表达范围

  • 特点:
    \qquad 1. 提供了可编程接口,包含变量声明调用、函数声明与调用等语法实现;
    \qquad 2. 在使用xacro生成文件时,根标签robot必须包含命名空间声明:xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"


二、Xacro的语法详解


1. 属性与算术运算:

\qquad 作用:封装URDF中的字段,例如小车尺寸、轮子半径等

\qquad 属性定义:即声明变量,定义格式如下

		<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />

\qquad 属性调用:变量调用格式:${属性名称}

\qquad 算术运算:变量计算格式:${数学表达式}


2. 宏:

\qquad 作用:函数实现,提高代码复用率,优化代码结构,提高安全性

\qquad 宏定义:即函数定义,定义格式如下

		<xacro:macro name="宏名称" params="参数列表(多参数之间使用空格分隔)">
		    .....
		
		    参数调用格式: ${参数名}
		xacro:macro>

\qquad 宏调用:函数调用格式:

		<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>

3. 文件包含集成:

\qquad 作用:将机器人的不同部件封装为单独的xacro文件,将文件集成组成为完整机器人,可以使用文件包含实现

\qquad 文件包含格式 :

		<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
		      <xacro:include filename="my_base.xacro" />
		      <xacro:include filename="my_camera.xacro" />
		      <xacro:include filename="my_laser.xacro" />
		      ....
		robot>

三、实际机器人模型示例


1. 目标机器人与实现流程:

  • 目标:拥有两个驱动轮、两个支撑轮的圆柱状小车,并添加摄像头和雷达传感器,效果如下图:

【ROS进阶篇】第八讲(下) URDF的编程优化Xacro使用_第1张图片

  • 实现流程:

1. 编写底盘的xacro文件;
2. 编写摄像头和雷达的xacro文件;
3. 编写组合文件,组合小车各部分;
4. 编写launch文件启动Rviz显示模型;


2. 编写xacro文件:

  • 小车底盘实现:


<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    
    <xacro:property name="PI" value="3.141"/>
    
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    material>
    
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> 
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> 
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> 
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> 

    
    <link name="base_footprint">
      <visual>
        <geometry>
          <sphere radius="${base_footprint_radius}" />
        geometry>
      visual>
    link>

    <link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
        geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow">
          <color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
        material>
      visual>
    link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint" />
      <child link="base_link" />
      <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
    joint>

    
    
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" />
    
    <xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
          <geometry>
            <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
          geometry>
          <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
          <material name="black" />
        visual>
      link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="${name}_wheel" />
        <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
        <axis xyz="0 1 0" />
      joint>
    xacro:macro>
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />
    
    
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> 

    
    <xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" >
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="${support_wheel_radius}" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black" />
        visual>
      link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
          <parent link="base_link" />
          <child link="${name}_wheel" />
          <origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
          <axis xyz="1 1 1" />
      joint>
    xacro:macro>

    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

robot>
  • 摄像头xacro文件:

<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    
    <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> 
    <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> 
    <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> 
    <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> 
    <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> 

    
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        visual>
    link>

    <joint name="camera2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
    joint>
robot>
  • 雷达xacro文件:

<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    
    <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> 
    <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> 
    <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> 

    <link name="support">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" />
            material>
        visual>
    link>

    <joint name="support2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="support" />
        <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
    joint>


    
    <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> 
    <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> 
    <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> 

    
    <link name="laser">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        visual>
    link>

    <joint name="laser2support" type="fixed">
        <parent link="support" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
    joint>
robot>

3. 组合与启动:

  • 组合小车模型文件:

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
robot>
  • 集成launch文件:

\qquad 1) 先转换成urdf文件后集成:

  1. 先将 xacro 文件解析成 urdf 文件:
rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf
  1. 直接整合launch文件:
<launch>
   <param name="robot_description" textfile="$(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />" />
   <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" />
   <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
   <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
   <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
launch>

\qquad 2) 在 launch 文件中直接加载 xacro

<launch>
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" />
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
launch>

总结

  • 声明:本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程,本文主要介绍了URDF文件的一种优化编程方法,即Xacro,通过声明变量和函数提高代码安全性、效率和复用性,分别从基本概念、语法详解和最终的实际机器人实例进行了详细分析,在之后的教程中还会推出关于URDF文件与RVIZ和Gazebo组件联合仿真的教程以及关于传感器和导航的内容,敬请期待。

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