用ＲＯＳ制作我们的机器人小车（一）： URDF简介

相信许多爱好者止步于昂贵的机器人价格。虽然有了Arduino，但一个载重能力很弱的机器人小车成本也得一两百块钱。搭建自己的机器人更是费时费力。

所以如果你只是普通机器人爱好者，或者还没想好要拿机器人做什么，那我们还是从模拟器开始吧……

URDF

为了制作我们的模拟器，首先我们得了解下什么是URDF

什么是ＵＲＤＦ？ Unified Robot Description Format——统一机器人描述格式。总觉得这和Sensor支持才是ROS的精华所在，通信frameworks的并不见得出彩。

可能大部分读者都像我这样穷<bi~背景声>没钱买ROS支持的机器人，不过ROS还是很Nice的考虑到了这一群体，提供了模拟器支持。(明明是为了更快速的软件开发，喂！)

本想从ROS网站的培训教程开始http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials开始的，不过本着实践为本的目的，我们还是以《Learning ROS for Robostic Programming》为基础吧。

参考文献

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

2. 《Learning ROS for Robostic Programming》

准备工作

安装urdf_tutorial包

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

执行

rosrun rviz rviz

当然，没有运行roscore你的rviz也无法启动。不过如果错误显示你的rviz找不到执行文件的话，请参照http://wiki.ros.org/rviz

URDF基本语法

统一机器人描述格式URDF，其实就是为了能够抽象描述一个机器人的硬件。而且URDF是基于XML的，所以阅读起来应该非常容易。

笔者以为要理解URDF用自顶向下的方式更快。即从为了解决一个怎样的问题开始。在这里我们先用一个简单场景熟悉一下会用到的工具。

不得不说小车是最简单实用的机器人， 一个车身加四个轮子就组成了最基本的小车结构，而且具备一定载重能力的小车也不会太贵。

见如下图片。

（图一）

第一版

在URDF语言中，机器人都会由各个部件(Link)通过关节(Joint)连接而成。而这里的关键就是描述部件和关节之间的关系。

在这个简单的小车模型中，一共有5个部件： 车身 + 4个轮子。 4个关节： 每个轮子一个。

于是，我们得到了最初了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>

很简单对吧？

用<link> tag描述各个部件，<joint> tag描述各个关节。用<parent>和<child>描述关节连接的部件。

只要描述了Link和Joint之间的关系，我们很容易就能构建机器人的框架。

我们可以用如下命令来检查urdf文件是否有语法问题。

check_urdf 01_skeleton.urdf

只要得到如下结果就表明语法没问题。

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

但请注意这虽然描述了各个部件之间的关系，但仍是一个不完整的URDF，无法在模拟器中显示。

第二版

<visual>tag用来描述模块的视觉效果。

<geometry>tag 用来描述模块的形状和大小。

<origin>tag用来描述模块的位置。

加上模块大小之后的小车文件如下所示。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>

现在通过如下命令，你就通过rviz查看你的小车模型啦。

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

第三步： 上色

Ｍｍｍ，我们的小车就快完成了，但全是红色总觉得怪怪的而且很难辨认。

不过上色同样很简单。使用<material> tag并且设置<color> tag

我们得到第三个版本：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>

我们可以看到rviz的结果，如图一所示。

这下我们差不多完成了。我们马上就可以移动我们的小车啦。

但是等等，在我们的URDF文件中，内嵌了关于各个部件的大小参数以及位置。这些当然是我们根据草图用计算器算出来的。

但是这样的扩展性也太差了吧？难道对每个模型我们都得这么计算吗？对于相同模型的不同尺寸我们还得重新计算一次？

第四步： Xacro

什么是Xacro? 我们可以把它理解成为针对URDF的扩展性和配置性而设计的宏语言(macro language)。

有了Xacro，我们就可以像编程一样来写URDF文件了。

首先我们来看Xacro文件的变量定义：

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

只要定义了body_width，我们就可以通过${body_width}来引用其值了。有了这个，至少我们可以把需要配置的变量进行统一管理。

其次，我们来看一下Xacro如何进行宏定义。

这里的宏和C语言的宏很像，在转换成URDF文件时编译器会将其展开。其基本语法为：

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

我们来看下URDF文件中关于车身和车轮的大小描述。

<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"/>

这里涉及到的参数有：

车身的大小（body_size），车身中心的位置(body_pos)。

车轮半径(wheel_radius)和轮胎宽度(wheel_width)，车轮圆心的位置(wheel1_pos, wheel2_pos, wheel3_pos, wheel4_pos)。

相应的在Xacro中定义参数的语法为：

  <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" />

并且每个轮子和连接的代码也基本相同。

基于上述亮点，我们可以得到以下xacro文件。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>

验证该文件的正确性可以有两种方法。

1. 转换成URDF文件，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

我们都会得到和图1一样的小车模型。这下我们就可以用Xacro来构建机器人模型了。