机器人操作系统（ROS）课件10.1机器人模型构建与仿真

机器人操作系统（ROS）机器人操作系统（ROS）机器人模型构建与仿真10.1机器人操作系统（ROS）10.1.1URDF介绍URDF（UnifiedRobotDescriptionFormat，统一机器人描述格式）是一个XML语法框架下用来描述机器人的语言格式，主要用于存储模型的形状、尺寸、颜色等基本属性。在构建机器人模型之前，我们需要了解URDF的语法和常用的标签。（1）URDF语法在URDF中编辑文件需要一定的编写语法，语言要求包含本体、关节、节点的定义以及节点间各关节的连接关系。下面将详细介绍URDF中几种常用的标签。（2）常用标签<link>标签<link>标签描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，包括连杆尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertialmatrix）、碰撞属性（collisionproperties）等。机器人中每个link都会成为一个坐标系。link结构机器人操作系统（ROS）10.1.1URDF介绍一个典型的link标签如下：<linkname="my_link"><inertial><originxyz="000.5"rpy="000"/><massvalue="1"/><inertiaixx="100"ixy="0"xz="0"iyy="100"iyz="0"izz="100"/></inertial><visual><originxyz="000"rpy="000"/><geometry><boxsize="111"/></geometry><materialname="Cyan"><colorrgba="01.01.01.0"/></material></visual><collision><originxyz="000"rpy="000"/><geometry><cylinderradius="1"length="0.5"/></geometry></collision></link>首先，定义该link的名字（linkname），<inertial>标签用于描述link部分的惯性参数，这个标签是可选的，如果未指定，则默认为零质量和零惯性。originxyz和rpy分别为为惯性参考系相对于link参考系的位置和姿态，rpy以弧度表示固定轴滚动、俯仰和偏航角。此外，还可以设置质量（massvalue）、惯性矩阵（inertia）。<visual>标签用于描述link的外观参数，<visual>标签用于描述link的外观参数（可选），<collision>标签用于描述link的碰撞属性（可选），同一个link可以存在多个<collision>标签。它们所定义的几何图形的并集构成了link的碰撞描述。通常，使用更简单的碰撞模型来减少计算时间。机器人操作系统（ROS）10.1.1URDF介绍<joint>标签与人的关节相似，<joint>标签用于描述机器人关节，包括关节运动的位置和速度限制。joint结构一个典型的<joint>标签如下：<jointname="my_joint"type="floating"><originxyz="001"rpy="003.1416"/><parentlink="link1"/><childlink="link2"/><calibrationrising="0.0"/><dynamicsdamping="0.0"friction="0.0"/><limiteffort="30"velocity="1.0"lower="-2.2"upper="0.7"/></joint>每一个joint连接两个link，其中的origin是从parentlink到childlink的转换。接头位于parentlink的原点，是相对于上一个joint的origin描述的，而上面的<link>标签中的origin是相对于joint坐标系表达的。除了必须指定的两个link，关节的其他属性为可选属性，如<calibration>，作用是设置joint的参考位置，用于校准joint的绝对位置；<dynamics>的作用是描述关节的物理属性，如阻尼值、物理静摩擦力等。<dynamics>用于描述运动极限值，仅用于revolute（旋转关节）prismatic（滑动关节）的joint类型。机器人操作系统（ROS）<robot>标签<robot>是URDF中机器人描述文件的根标签，所有其他元素必须封装在其中。一个完整的机器人模型由一系列的<link>和<joint>等标签组成，典型的robot结构如图。在<robot>标签里可以设置该机器人的名称。robot结构10.1.1URDF介绍机器人操作系统（ROS）10.1.2创建URDF模型并校验创建模型（本书配套的机器人模型放在myrobot_description功能包下）创建模型文件myrobot_description/urdf/myrobot.urdf：<?xmlversion="1.0"encoding="utf-8"?><robotname="myrobot_description"><linkname="base_link"><inertial><originxyz="000"rpy="000"/><inertiaixx="0.0029446"ixy="-1.0694E-05"ixz="8.6442E-05"iyy="0.0086395"iyz="-7.9718E-07"izz="0.0097467"/></inertial><visual><originxyz="000"rpy="000"/>……该机器人底盘模型包括6个link和5个joint。6个link包括1个机器人底板、一个与底盘连接的放置激光雷达的台架和4个驱动轮，4个joint负责将驱动轮安装到机器人底板上，并设计了fixed和continuous类型的连接方式，fixed是固定关节，continuous类型的关节围绕单轴无限旋转。这样，一个比较基本的四轮实验小车模型就建立好了。机器人操作系统（ROS）URDF文件校验编程创建URDF文件后，必须进行文件校验，查看是否存在语法错误。对于我们这次创建的机器人模型，可以使用简单的命令工具来分析建立的结构是否存在语法错误，输入以下命令在终端安装工具：$sudoapt-getinstallliburdfdom-tools进入myrobot_description/urdf目录下，然后运行如下命令对myrobot.urdf文件进行检查：$check_urdfmyrobot.urdfcheck_urdf命令将解析myrobot.urdf文件，并显示在解析过程中检查出的错误。如果文件没有错误，终端将打印如图所示的信息。终端信息10.1.2创建URDF模型并校验机器人操作系统（ROS）准备工作在终端运行如下命令，显示所构建的URDF结构关系：$urdf_to_graphizmy_robot.Urdf终端执行完毕后会得到一个PDF文件，展示了编程构建的机器人模型的URDF关系文件：

机器人模型的URDF关系10.1.2创建URDF模型并校验机器人操作系统（ROS）10.1.3在rviz中显示模型可以使用rviz将已创建的机器人模型可视化显示出来，用来检查构建你的模型是否符合设计预期。启动文件目录为myrobot_description/launch/display_urdf.launch，launch文件详细内容如下：<launch><paramname="robot_description"textfile="$(findlingao_description)/urdf/myrobot.urdf"/><!—设置GUI参数，显示关节控制插件--><paramname="use_gui"value="true"/><!—设置joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态--><nodename="joint_state_publisher"pkg="joint_state_publisher"type="joint_state_publisher"><paramname="rate"value="20.0"/></node><!—设置robot_state_publisher节点，发布TF转换--><nodename="robot_state_publisher"pkg="robot_state_publisher"type="robot_state_publisher"> <paramname="rate"value="20.0"/></node><!--运行rviz可视化界面--><nodename="rviz"pkg="rviz"type="rviz"args="/></launch>创建启动文件机器人操作系统（ROS）运行启动文件在终端输入以下命令运行该启动文件：$roslaunchmyrobot_descriptiondisplay_urdf.launch若出现如下报错：CouldnotfindtheGUI,installthe‘joint_state_publisher_gui’package则使用下面命令进行安装：$sudoapt-getinstallros-melodic-joint-state-publisher-gui若运行成功，则会出现如下界面：10.1.3在rviz中显示模型rviz界面机器人操作系统（ROS）10.1.3在rviz中显示模型在rviz界面中点击Add，添加RobotModel和TF，如图所示，并将FixedFrame修改为base_link，此时将会在rviz中显示之前构建好的机器人模型。添加机器人模型添加TF机器人操作系统（ROS）10.1.3在rviz中显示模型rviz界面中的机器人模型机器人操作系统（ROS）10.1.4在仿真环境中控制小车运动在本节中，我们使用rviz界面来实现机器人运动的仿真控制。需要安装软件包rbx1和ArbotiX功能包。rbx1软件包（来源于《ROSbyExample》），包括路径规划，视觉，语音识别和其他功能的一些程序包。ArbotiX是一款控制电机、舵机的控制板，提供相应的ROS功能包arbotix_ros，该功能包不仅可以驱动真实的驱动板，还提供了一个控制器，通过接收速度控制指令更新机器人的joint状态，从而帮助我们实现仿真机器人的运动控制。机器人操作系统（ROS）首先安装rbx1的软件包，通过执行如下命令将rbx1克隆到本地或拷贝本书配套的源码到工作空间：$gitclone/pirobot/rbx1.git$cdrbx1$gitcheckoutmelodic-devel通过以下命令下载arbotix_ros的源码或复制本书源码至工作空间中：$gitclone/vanadiumlabs/arbotix_ros.git下载完成后编译功能包。软件基础10.1.4在仿真环境中控制小车运动机器人操作系统（ROS）接下来，需要将虚拟机器人启动文件（fake_turtlebot.launch）中修改成自己的urdf文件，修改后的文件如下所示：<launch><paramname="/use_sim_time"value="false"/><!--LoadtheURDF/Xacromodelofourrobot--><!--argname="urdf_file"default="$(findxacro)/xacro.py'$(findrbx1_description)/urdf/turtlebot.urdf.xacro'"/--><argname="urdf_file"default="$(findxacro)/xacro.py'$(findmyrobot_description)/urdf/myrobot.urdf'"/><paramname="robot_description"command="$(argurdf_file)"/><nodename="arbotix"pkg="arbotix_python"type="arbotix_driver"output="screen"clear_params="true"><rosparamfile="$(findrbx1_bringup)/config/fake_turtlebot_arbotix.yaml"command="load"/><paramname="sim"value="true"/></node><nodename="robot_state_publisher"pkg="robot_state_publisher"type="state_publisher"><paramname="publish_frequency"type="double"value="20.0"/></node><!--Weneedastatictransformsforthewheels--><nodepkg="tf"type="static_transform_publisher"name="base_link_to_footprint"args="000000/base_footprint/base_link100"/></launch>软件基础10.1.4在仿真环境中控制小车运动机器人操作系统（ROS）运行如下指令启动仿真机器人和rviz：$roslaunchrbx1_bringupfake_turtlebot.launch$rosrunrvizrviz-d`rospackfindrbx1_nav`/sim.rviz在rviz界面中点击Add，添加RobotModel，将FixedFrame修改为odom，会出现如图界面。rviz界面中的机器人模型10.1.4在仿真环境中控制小车运动机器人操作系统（ROS）使用以下指令通过命令行发送机器人控制命令：$rostopicpub-r10/cmd_velgeometry_msgs/Twist{linear:{x:0.1,y:0,z:0},angular:{x:0,y:0,z:-0.5}}”若想可视化机器人的运动，点击Add，添加Odometry，将Topic修改为/odom。这时，可以看到机器人在做圆周运动。发送机器人控制命令可视化机器人圆周运动10.1.4在仿真环境中控制小车运动机器人操作系统（ROS）除了命令行的方式外，我们还可以通过编写脚本的方式控制机器人移动。创建Python脚本文件timed_out_and_back.py，该节点实现的功能是让小车模型先前进1米，再旋转180度，重复两次。部分内容如下：#-*-coding:utf-8-*-#!/usr/bin/envpythonimportrospyfromgeometry_msgs.msgimportTwistfrommathimportpiclassOutAndBack():def__init__(self):rospy.init_node('ou