用ＲＯＳ製作我們的機器人小車（一）： URDF簡介_ROS

相信許多愛好者止步於昂貴的機器人價格。雖然有了Arduino，但一個載重能力很弱的機器人小車成本也得一兩百塊錢。搭建自己的機器人更是費時費力。

所以如果你只是普通機器人愛好者，或者還沒想好要拿機器人做什麼，那我們還是從模擬器開始吧……

URDF

為了製作我們的模擬器，首先我們得瞭解下什麼是URDF

什麼是ＵＲＤＦ。 Unified Robot Description Format——統一機器人描述格式。總覺得這和Sensor支援才是ROS的精華所在，通訊frameworks的並不見得出彩。

可能大部分讀者都像我這樣窮<bi~背景聲>沒錢買ROS支援的機器人，不過ROS還是很Nice的考慮到了這一群體，提供了模擬器支援。(明明是為了更快速的軟體開發，喂。)

本想從ROS網站的培訓教程開始http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials開始的，不過本著實踐為本的目的，我們還是以《Learning ROS for Robostic Programming》為基礎吧。

參考文獻

1. ROS urdf教程：http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials

2. 《Learning ROS for Robostic Programming》

準備工作

安裝urdf_tutorial包

sudo apt-get install ros-hydro-urdf-tutorial

執行

rosrun rviz rviz

當然，沒有運行roscore你的rviz也無法啟動。不過如果錯誤顯示你的rviz找不到執行檔案的話，請參照http://wiki.ros.org/rviz

URDF基本文法

統一機器人描述格式URDF，其實就是為了能夠抽象描述一個機器人的硬體。而且URDF是基於XML的，所以閱讀起來應該非常容易。

筆者以為要理解URDF用自頂向下的方式更快。即從為瞭解決一個怎樣的問題開始。在這裡我們先用一個簡單情境熟悉一下會用到的工具。

不得不說小車是最簡單實用的機器人， 一個車身加四個輪子就組成了最基本的小車結構，而且具備一定載重能力的小車也不會太貴。

見如下圖片。

（圖一）

第一版

在URDF語言中，機器人都會由各個組件(Link)通過關節(Joint)串連而成。而這裡的關鍵就是描述組件和關節之間的關係。

在這個簡單的小車模型中，一共有5個組件： 車身 + 4個輪子。 4個關節： 每個輪子一個。

於是，我們得到了最初了URDF版本 01_car_skeleton.urdf

<robot name="test_robot">  <link name="base_link" />  <link name="wheel_1" />  <link name="wheel_2" />  <link name="wheel_3" />  <link name="wheel_4" />  <joint name="joint_base_wheel1" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_1"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel2" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_2"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel3" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_3"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel4" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_4"/>  </joint></robot>

很簡單對吧。

用<link> tag描述各個組件，<joint> tag描述各個關節。用<parent>和<child>描述關節串連的組件。

只要描述了Link和Joint之間的關係，我們很容易就能構建機器人的架構。

我們可以用如下命令來檢查urdf檔案是否有文法問題。

check_urdf 01_skeleton.urdf

只要得到如下結果就表明文法沒問題。

robot name is: test_robot---------- Successfully Parsed XML ---------------root Link: base_link has 4 child(ren)    child(1):  wheel_1    child(2):  wheel_2    child(3):  wheel_3    child(4):  wheel_4

但請注意這雖然描述了各個組件之間的關係，但仍是一個不完整的URDF，無法在模擬器中顯示。

第二版

<visual>tag用來描述模組的視覺效果。

<geometry>tag 用來描述模組的形狀和大小。

<origin>tag用來描述模組的位置。

加上模組大小之後的小車檔案如下所示。02_visual.urdf

<robot name="test_robot">  <link name="base_link">    <visual>       <geometry>         <box size="0.2 .3 .1"/>       </geometry>       <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.05"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_1">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 0.1 0"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_2">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 0.1 0"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_3">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 -0.1 0"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_4">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 -0.1 0"/>    </visual>  </link>  <joint name="joint_base_wheel1" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_1"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel2" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_2"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel3" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_3"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel4" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_4"/>  </joint></robot>

現在通過如下命令，你就通過rviz查看你的小車模型啦。

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=02_visual.urdf

第三步： 上色

Ｍｍｍ，我們的小車就快完成了，但全是紅色總覺得怪怪的而且很難辨認。

不過上色同樣很簡單。使用<material> tag並且設定<color> tag

我們得到第三個版本：03_color.urdf

<robot name="test_robot">  <link name="base_link">    <visual>       <geometry>         <box size="0.2 .3 .1"/>       </geometry>       <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.05"/>       <material name="white">         <color rgba="1 1 1 1"/>       </material>    </visual>  </link>  <link name="wheel_1">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 0.1 0"/>      <material name="black">        <color rgba="0 0 0 1"/>      </material>    </visual>  </link>  <link name="wheel_2">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 0.1 0"/>      <material name="black"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_3">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 -0.1 0"/>      <material name="black"/>    </visual>  </link>  <link name="wheel_4">    <visual>      <geometry>        <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>      </geometry>      <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 -0.1 0"/>      <material name="black"/>    </visual>  </link>  <joint name="joint_base_wheel1" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_1"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel2" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_2"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel3" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_3"/>  </joint>  <joint name="joint_base_wheel4" type="fixed">    <parent link="base_link"/>    <child link="wheel_4"/>  </joint></robot>

我們可以看到rviz的結果，如圖一所示。

這下我們差不多完成了。我們馬上就可以移動我們的小車啦。

但是等等，在我們的URDF檔案中，內嵌了關於各個組件的大小參數以及位置。這些當然是我們根據草圖用計算機算出來的。

但是這樣的擴充性也太差了吧。難道對每個模型我們都得這麼計算嗎。對於相同模型的不同尺寸我們還得重新計算一次。

第四步： Xacro

什麼是Xacro? 我們可以把它理解成為針對URDF的擴充性和配置性而設計的宏語言(macro language)。

有了Xacro，我們就可以像編程一樣來寫URDF檔案了。

首先我們來看Xacro檔案的變數定義：

<xacro:property name="body_width" value=".2" />

只要定義了body_width，我們就可以通過${body_width}來引用其值了。有了這個，至少我們可以把需要配置的變數進行統一管理。

其次，我們來看一下Xacro如何進行宏定義。

這裡的宏和C語言的宏很像，在轉換成URDF檔案時編譯器會將其展開。其基本文法為：

  <xacro:macro name="wheel" params="param1 param2">  </xacro:macro>

我們來看下URDF檔案中關於車身和車輪的大小描述。

<box size="0.2 .3 .1"/>

<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.05"/>

<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>

<origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 0.1 0"/>

這裡涉及到的參數有：

車身的大小（body_size），車身中心的位置(body_pos)。

車輪半徑(wheel_radius)和輪胎寬度(wheel_width)，車輪圓心的位置(wheel1_pos, wheel2_pos, wheel3_pos, wheel4_pos)。

相應的在Xacro中定義參數的文法為：

  <xacro:property name="body_size" value=".2 .3 .1" />  <xacro:property name="body_pos" value="0 0 0.05" />  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05" />  <xacro:property name="wheel_length" value="0.05" />  <xacro:property name="wheel1_pos" value="0.1 0.1 0" />  <xacro:property name="wheel2_pos" value="-0.1 0.1 0" />  <xacro:property name="wheel3_pos" value="0.1 -0.1 0" />  <xacro:property name="wheel4_pos" value="-0.1 -0.1 0" />

並且每個輪子和串連的代碼也基本相同。

基於上述亮點，我們可以得到以下xacro檔案。04_xacro.xacro

<?xml version="1.0"?><robot xmlns:sensor="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#sensor"         xmlns:controller="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#controller"         xmlns:interface="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#interface"         xmlns:xacro="http://playerstage.sourceforge.net/gazebo/xmlschema/#interface" name="test_robot">  <xacro:property name="body_size" value=".2 .3 .1" />  <xacro:property name="body_pos" value="0 0 0.05" />  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05" />  <xacro:property name="wheel_length" value="0.05" />  <xacro:property name="wheel1_pos" value="0.1 0.1 0" />  <xacro:property name="wheel2_pos" value="-0.1 0.1 0" />  <xacro:property name="wheel3_pos" value="0.1 -0.1 0" />  <xacro:property name="wheel4_pos" value="-0.1 -0.1 0" />  <xacro:macro name="wheel" params="wheelname position">    <link name="${wheelname}">      <visual>        <geometry>          <cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>        </geometry>        <origin rpy="0 1.5 0" xyz="${position}"/>        <material name="black">          <color rgba="0 0 0 1"/>        </material>      </visual>    </link>    <joint name="joint_base_${wheelname}" type="fixed">      <parent link="base_link"/>      <child link="${wheelname}"/>    </joint>  </xacro:macro>  <xacro:wheel wheelname="wheel1" position="${wheel1_pos}"/>  <xacro:wheel wheelname="wheel2" position="${wheel2_pos}"/>  <xacro:wheel wheelname="wheel3" position="${wheel3_pos}"/>  <xacro:wheel wheelname="wheel4" position="${wheel4_pos}"/>  <link name="base_link">    <visual>       <geometry>         <box size="${body_size}"/>       </geometry>       <origin rpy="0 0 0" xyz="${body_pos}"/>       <material name="white">         <color rgba="1 1 1 1"/>       </material>    </visual>  </link></robot>

驗證該檔案的正確性可以有兩種方法。

1. 轉換成URDF檔案，使用check_urdf

rosrun xacro xacro.py 04_xacro.xacro > 04_xacro.urdf

2. 使用xacrodisplay.launch

roslaunch urdf_tutorial xacrodisplay.launch model:=04_xacro.xacro

我們都會得到和圖1一樣的小車模型。這下我們就可以用Xacro來構建機器人模型了。