ROS进阶：使用URDF和Xacro构建差速轮式机器人模型

前言

本篇文章介绍的是ROS高效进阶内容，使用URDF 语言（xml格式）做一个差速轮式机器人模型，并使用URDF的增强版xacro，对机器人模型文件进行二次优化。

差速轮式机器人：两轮差速底盘由两个动力轮位于底盘左右两侧，两轮独立控制速度，通过给定不同速度实现底盘转向控制。一般会配有一到两个辅助支撑的万向轮。

此次建模，不引入算法，只是把机器人模型的样子做出来，所以只使用 rivz 进行可视化显示。

机器人的定义和构成

机器人定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高级灵活性的自动化机器。目前，自动驾驶汽车也被认为是一种机器人。
机器人构成：机器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。
机器人四大部分的控制回路，大致如图：

URDF建模套路

URDF：Unified Robot Description Format，统一的机器人描述文件格式。urdf 文件使用 xml 格式。
用 urdf 描述机器人，套路如下：每个机器人都是由多个 link（连杆）和 joint（关节）组成。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。

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="name of robot"><link> ... </link><joint> ... </joint>...
</robot>

link：描述机器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）。在机器人建模中，每个link 都是一个坐标系。下面是差速轮式机器人底盘的建模，底盘一般称为 base。

  <link name="base_link">// visual 标签就是外观<visual>// 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// origin表示底盘在其base_link坐标系下的原始位置和旋转状态// 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<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>// geometry是物体几何外形<geometry>// 这里的底盘，用圆柱体表示，length值为高度，radius是半径值<cylinder length="0.16" radius="0.2"/></geometry>// 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<material name="red"><color rgba="1 0 0 1"/></material></visual></link>

这里我们只进行外观建模，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度无限旋转，比如轮子的轴

revolute：旋转关节，但是有旋转角度的范围限制，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，有位置限制，强调一维，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，强调平面，比如抽屉内外滑动

floating：浮动关节，允许进行平移和旋转运动，比如人体的肩关节

fixed：固定关节，比如桌子腿和桌面

下面是差速轮式机器人主动轮与底盘的 joint 样例：

  // joint标签就是关节，type表示链接关系<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">// origin表示轮子在base_link坐标系下的偏移和旋转<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0" />// 根link是底盘，子link是轮子<parent link="base_link" /><child link="left_wheel_link" />// axis描述的轮子相对于其自身坐标系的 y 轴旋转，=<axis xyz="0 1 0" /></joint>// 这是轮子link<link name="left_wheel_link"><visual>// 轮子相当于其x轴，旋转90度，也就是立起来<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/><geometry><cylinder length="0.06" radius="0.06"/></geometry><material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material></visual></link>

使用URDF做一个差速轮式机器人模型

创建 mbot_description 软件包及相关文件

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacrocd mbot_description 
mkdir -p config doc launch meshes urdf/sensor
touch launch/display_mbot_urdf.launch launch/display_mbot_xacro.launch
touch urdf/mbot_base.urdf urdf/mbot_base.xacro
touch urdf/sensor/camera.xacro urdf/sensor/kinect.xacro urdf/sensor/laser.xacro

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。

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot"><link name="base_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="0.16" radius="0.2"/></geometry><material name="red"><color rgba="1 0 0 1"/></material></visual></link><joint name="left_wheel_joint" type="continuous"><origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link" /><child link="left_wheel_link" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><link name="left_wheel_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/><geometry><cylinder length="0.06" radius="0.06"/></geometry><material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material></visual></link><joint name="right_wheel_joint" type="continuous"><origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link" /><child link="right_wheel_link" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><link name="right_wheel_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/><geometry><cylinder length="0.025" radius="0.06" /></geometry><material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material></visual></link><joint name="front_caster_joint" type="continuous"><origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="front_caster_link" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><link name="front_caster_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><sphere radius="0.015" /></geometry><material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material></visual></link><joint name="back_caster_joint" type="continuous"><origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="back_caster_link" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><link name="back_caster_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><sphere radius="0.015" /></geometry><material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material></visual></link><joint name="camera_joint" type="fixed"><origin xyz="-0.17 0 0.1" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="camera_link" />    </joint><link name="camera_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><box size="0.03 0.04 0.04" /></geometry><material name="grey"><color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/></material></visual></link><joint name="stage_joint" type="fixed"><origin xyz="0 0 0.14" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="stage_link" />    </joint><link name="stage_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="0.12" radius="0.1"/></geometry><material name="red"><color rgba="1 0 0 1"/></material></visual></link><joint name="laser_joint" type="fixed"><origin xyz="0 0 0.085" rpy="0 0 0" /><parent link="stage_link"/><child link="laser_link" />    </joint><link name="laser_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><cylinder length="0.05" radius="0.05"/></geometry><material name="grey"><color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/></material></visual></link><joint name="kinect_joint" type="fixed"><origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="kinect_link" />    </joint><link name="kinect_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708" /><geometry>// 使用三维软件导出的模型文件<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" /></geometry></visual></link>
</robot>

display_mbot_urdf.launch

<launch>// 设置ros的全局参数robot_description，指定机器人模型文件<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" /><!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->// 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<param name="use_gui" value="true"/><!-- 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" />// 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。// 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。<!-- 运行rviz可视化界面 --><node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" /></launch>

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。

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

编译和运行

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

使用xacro优化差速轮式机器人模型

原始的urdf语法比较简单，导致机器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，让机器人模型文件具有可编程能力，比如设置参数，定义宏函数并调用，文件包含等。下面进行分类举例：设置并调用参数：

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

设置宏函数并调用：

  // xacro:macro设置宏函数，名字是wheel，参数是prefix 和 reflect<xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect"><joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous"><origin xyz="${wheel_joint_x} ${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 length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/></geometry><material name="white" /></visual></link></xacro:macro>// 调用wheel宏函数<xacro:wheel prefix="left"  reflect="1"/>  <xacro:wheel prefix="right"  reflect="-1"/>

文件包含

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

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

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:property name="M_PI" value="3.1415926" /><xacro:property name="wheel_joint_x" value="0" /><xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19" /><xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05" /><xacro:property name="wheel_length" value="0.06" /><xacro:property name="wheel_radius" value="0.06" /><xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18" /><xacro:property name="caster_joint_y" value="0" /><xacro:property name="caster_joint_z" value="0.095" />  <xacro:property name="caster_radius" value="0.015" /><xacro:property name="base_length" value="0.16" /><xacro:property name="base_radius" value="0.2" /><xacro:property name="stage_length" value="0.12" /><xacro:property name="stage_radius" value="0.1" /><xacro:property name="camera_joint_x" value="0.17" /><xacro:property name="camera_joint_y" value="0" /><xacro:property name="camera_joint_z" value="0.1" />  <xacro:property name="kinect_joint_x" value="0.15" /><xacro:property name="kinect_joint_y" value="0" /><xacro:property name="kinect_joint_z" value="0.11" />  <xacro:property name="laser_joint_x" value="0" /><xacro:property name="laser_joint_y" value="0" /><xacro:property name="laser_joint_z" value="0.085" />  <material name="white"><color rgba="1 1 1 0.9"/></material><material name="red"><color rgba="1 0 0 1"/></material><material name="grey"><color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/></material><xacro:macro name="base_stage"><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="red" /></visual></link><joint name="stage_joint" type="fixed"><origin xyz="0 0 ${(base_length + stage_length)/2}" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="stage_link" />    </joint><link name="stage_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="${stage_length}" radius="${stage_radius}"/></geometry><material name="red" /></visual></link></xacro:macro><xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect"><joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous"><origin xyz="${wheel_joint_x} ${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 length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/></geometry><material name="white" /></visual></link></xacro:macro><xacro:macro name="caster" params="prefix reflect"><joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous"><origin xyz="${reflect*caster_joint_x} ${caster_joint_y} ${-caster_joint_z}" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="${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="white" /></visual></link></xacro:macro><xacro:base_stage />  <xacro:wheel prefix="left"  reflect="1"/>  <xacro:wheel prefix="right"  reflect="-1"/>  <xacro:caster prefix="front"  reflect="1"/>  <xacro:caster prefix="back"  reflect="-1"/>  <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/camera.xacro" /><xacro:usb_camera joint_x="${camera_joint_x}" joint_y="${camera_joint_y}" joint_z="${camera_joint_z}"/>  <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/kinect.xacro" /><xacro:kinect joint_x="${kinect_joint_x}" joint_y="${kinect_joint_y}" joint_z="${kinect_joint_z}"/>  <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/sensor/laser.xacro" /><xacro:laser joint_x="${laser_joint_x}" joint_y="${laser_joint_y}" joint_z="${laser_joint_z}"/>  </robot>

camera.xacro

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:macro name="usb_camera" params="joint_x joint_y joint_z"><joint name="camera_joint" type="fixed"><origin xyz="${-joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="camera_link" />    </joint><link name="camera_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><box size="0.03 0.04 0.04" /></geometry><material name="grey" /></visual></link></xacro:macro>
</robot>

kinect.xacro

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:macro name="kinect" params="joint_x joint_y joint_z"><joint name="kinect_joint" type="fixed"><origin xyz="${joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" /><parent link="base_link"/><child link="kinect_link" />    </joint><link name="kinect_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708" /><geometry><mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" /></geometry></visual></link></xacro:macro></robot>

laser.xacro

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:macro name="laser" params="joint_x joint_y joint_z"><joint name="laser_joint" type="fixed"><origin xyz="${joint_x} ${joint_y} ${joint_z}" rpy="0 0 0" /><parent link="stage_link"/><child link="laser_link" />    </joint><link name="laser_link"><visual><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><geometry><cylinder length="0.05" radius="0.05"/></geometry><material name="grey"/></visual></link></xacro:macro>
</robot>

display_mbot_xacro.launch

<launch>// 引入xacro的解释器，不然无法读取 .xacro文件<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro '$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.xacro'" /><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="true"/><!-- 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_xacro.rviz" required="true" /></launch>