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

1.

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。

2.

3.

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。

4.

5.

机器人四大部分的控制回路，大致如图：

6.

URDF建模套路

1.

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。

2.

3.

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。

4.

<?xml version="1.0" ?>

<robot name="name of robot">

    <link> ... </link>

    <joint> ... </joint>

    ...

</robot>

1.

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。

2.

<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。

1.

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：

2.

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

1.

创建 mbot_description 软件包及相关文件

2.

cd ~/catkin_ws/src

catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro

cd 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

1.

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。

2.

<?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>

1.

display_mbot_urdf.launch

2.

<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>

1.

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。

2.

cd ~/catkin_ws/

urdf_to_graphiz src/mbot_description/urdf/mbot_base.urdf

1.

编译和运行

2.

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

1.

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：

2.

// 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}"/>

1.

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

2.

<?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>

1.

display_mbot_xacro.launch

2.

<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>

1.

运行效果如下，这里显示了坐标系轴

2.

部分配置代码