【ROS学习笔记16】ROS常用仿真组件URDF集成Xacro

文章目录

• 【ROS学习笔记16】ROS常用仿真组件URDF集成Xacro
• • 前言
  • 1. URDF优化Xacro
  • • 1.1 Xacro快速体验
    • 1.2 Xacro语法详解
    • 1.3 Xacro完整使用流程示例
    • 1.4 Xacro实操
  • 2. Arbotix控制机器人运动
  • • 2.1 Arbotix使用流程
  • Reference

写在前面，本系列笔记参考的是AutoLabor的教程，具体项目地址在 这里

前言

前面 URDF 文件构建机器人模型的过程中，存在若干问题。

问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。

问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。

…

如果在编程语言中，可以通过变量结合函数直接解决上述问题，在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为:Xacro

概念

Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。

原理

Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。

作用

较之于纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件，且可以提高编写效率。

另请参考:

http://wiki.ros.org/xacro

1. URDF优化Xacro

1.1 Xacro快速体验

**目的:**简单了解 xacro 的基本语法。

需求描述:

使用xacro优化上一节案例中驱动轮实现，需要使用变量封装底盘的半径、高度，使用数学公式动态计算底盘的关节点坐标，使用 Xacro 宏封装轮子重复的代码并调用宏创建两个轮子(注意: 在此，演示 Xacro 的基本使用，不必要生成合法的 URDF )。

准备:

创建功能包，导入 urdf 与 xacro。

1.Xacro文件编写

编写 Xacro 文件，以变量的方式封装属性(常量半径、高度、车轮半径…)，以函数的方式封装重复实现(车轮的添加)。

2.Xacro文件转换成 urdf 文件

命令行进入 xacro文件 所属目录，执行:

rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf

会将 xacro 文件解析为 urdf 文件，内容如下:

注意: 该案例编写生成的是非法的 URDF 文件，目的在于演示 Xacro 的极简使用以及优点。

示例结果：

1.2 Xacro语法详解

xacro 提供了可编程接口，类似于计算机语言，包括变量声明调用、函数声明与调用等语法实现。在使用 xacro 生成 urdf 时，根标签robot中必须包含命名空间声明:xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"

1.属性与算数运算

用于封装 URDF 中的一些字段，比如: PAI 值，小车的尺寸，轮子半径 …

属性定义

属性调用

${属性名称}

算数运算

${数学表达式}

2.宏

类似于函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性

宏定义

.....参数调用格式: ${参数名}

宏调用

3.文件包含

机器人由多部件组成，不同部件可能封装为单独的 xacro 文件，最后再将不同的文件集成，组合为完整机器人，可以使用文件包含实现

文件包含

....

1.3 Xacro完整使用流程示例

需求描述:

使用 Xacro 优化 URDF 版的小车底盘模型实现

结果演示:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FDA664JA-1678760635723)(ROS Tutorial.assets/URDF_test.PNG)]

1.编写 Xacro 文件

2.集成launch文件

**方式1:**先将 xacro 文件转换出 urdf 文件，然后集成

先将 xacro 文件解析成 urdf 文件:

rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf

然后再按照之前的集成方式直接整合 launch 文件,内容示例:

**方式2:**在 launch 文件中直接加载 xacro(建议使用)

launch 内容示例:

核心代码:

加载robot_description时使用command属性，属性值就是调用 xacro 功能包的 xacro 程序直接解析 xacro 文件。

一个示例结果：

1.4 Xacro实操

需求描述:

在前面小车底盘基础之上，添加摄像头和雷达传感器。

结果演示:

实现分析:

机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。

实现流程:

1. 首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
2. 然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
3. 最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

1.摄像头和雷达 Xacro 文件实现

摄像头 xacro 文件:

雷达 xacro 文件:

2.组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件

3.launch 文件

示例结果：

2. Arbotix控制机器人运动

通过 URDF 结合 rviz 可以创建并显示机器人模型，不过，当前实现的只是静态模型，如何控制模型的运动呢？在此，可以调用 Arbotix 实现此功能。

简介

**Arbotix:**Arbotix 是一款控制电机、舵机的控制板，并提供相应的 ros 功能包，这个功能包的功能不仅可以驱动真实的 Arbotix 控制板，它还提供一个差速控制器，通过接受速度控制指令更新机器人的 joint 状态，从而帮助我们实现机器人在 rviz 中的运动。

这个差速控制器在 arbotix_python 程序包中，完整的 arbotix 程序包还包括多种控制器，分别对应 dynamixel 电机、多关节机械臂以及不同形状的夹持器。

2.1 Arbotix使用流程

接下来，通过一个案例演示 arbotix 的使用。

需求描述:

控制机器人模型在 rviz 中做圆周运动

结果演示:

实现流程:

1. 安装 Arbotix
2. 创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
3. 添加 Arbotix 配置文件
4. 编写 launch 文件配置 Arbotix
5. 启动 launch 文件并控制机器人模型运动

1.安装 Arbotix

方式1: 命令行调用

sudo apt-get install ros-<>-arbotix

将 <> 替换成当前 ROS 版本名称，如果提示功能包无法定位，请采用方式2。

方式2: 源码安装

先从 github 下载源码，然后调用 catkin_make 编译

git clone https://github.com/vanadiumlabs/arbotix_ros.git

2.创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro

urdf 和 xacro 调用上一讲实现即可

3.添加 arbotix 所需的配置文件

添加 arbotix 所需配置文件

# 该文件是控制器配置,一个机器人模型可能有多个控制器，比如: 底盘、机械臂、夹持器(机械手)....
# 因此，根 name 是 controller
controllers: {# 单控制器设置base_controller: {#类型: 差速控制器type: diff_controller,#参考坐标base_frame_id: base_footprint, #两个轮子之间的间距base_width: 0.2,#控制频率ticks_meter: 2000, #PID控制参数，使机器人车轮快速达到预期速度Kp: 12, Kd: 12, Ki: 0, Ko: 50, #加速限制accel_limit: 1.0 }
}

另请参考: http://wiki.ros.org/arbotix_python/diff_controller

4.launch 文件中配置 arbotix 节点

launch 示例代码

代码解释:

调用了 arbotix_python 功能包下的 arbotix_driver 节点

arbotix 驱动机器人运行时，需要获取机器人信息，可以通过 file 加载配置文件

5.启动 launch 文件并控制机器人模型运动

**启动launch:**roslaunch xxxx …launch

配置 rviz:

控制小车运动:

此时调用 rostopic list 会发现一个熟悉的话题: /cmd_vel

也就说我们可以发布 cmd_vel 话题消息控制小车运动了，该实现策略有多种，可以另行编写节点，或者更简单些可以直接通过如下命令发布消息:

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0.5}}'

现在，小车就可以运动起来了。

另请参考:

http://wiki.ros.org/arbotix

示例结果：

Reference

http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/di-2-zhang-ros-jia-gou-she-ji/23-fu-wu-tong-xin/224-fu-wu-tong-xin-zi-ding-yi-srv-diao-yong-b-python.html