机器人入门（四）—— 创建你的第一个虚拟小车
- 一、小车建立过程
- 1.1 dd_robot.urdf —— 建立身体
- 1.2 dd_robot2.urdf —— 添加轮子
- 1.3 dd_robot3.urdf —— 添加万向轮
- 1.4 dd_robot4.urdf —— 添加颜色
- 1.5 dd_robot5.urdf —— 添加碰撞检测(Collision Detection)
- 1.6 使用gui模式转动小车车轮
- 1.7 dd_robot6.urdf —— 添加惯性属性
- 二、Gazebo仿真实验
- 2.1 环境预备与问题处理
- 2.2 dd_robot.gazebo
- 三、其它仿真手段
- 3.1 Matlab
- 3.2 Stage
- 3.3 Virtual Robot Experimentation Platform (V-REP)
- 四、六大关节种类
- 无限旋转关节(continous)
- 固定关节(fixed)
- 有限旋转关节(revolute)
- 滑动关节(prismatic)
- 浮动关节(floating)
- 平面关节(planar)
- 总结
参考书籍为：ROS Robotics By Example (Second Edition) —— Carol Fairchild Dr.Thomas L.Harman，微信读书可免费阅读。
一、小车建立过程
首先，在catkin_ws工作空间下，使用catking_create_pkg建立package目录ros_robotics
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src$ catkin_create_pkg ros_robotics
Created file ros_robotics/package.xml
Created file ros_robotics/CMakeLists.txt
Successfully created files in /home/programmer/catkin_ws/src/ros_robotics. Please adjust the values in package.xml.
然后，使用catkin_make进行编译
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src$ cd ~/catkin_ws
programmer@ubuntu:~$ catkin_make
再建立urdf目录，用来存放描述机器人的文件
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics$ cd ~/catkin_ws/src/ros_robotics
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics$ mkdir urdf
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics$ cd urdf
本节的代码文件都可以直接从github下载，不想阅读源码可通过该链接下载 ROS-Robotics-By-Example-2nd-Edition/Chapter2_code/ros_robotics/urdf/，，如果不想下载全部，只下载指定的文件内容，看这篇文章《如何从 GitHub 上下载指定项目的单个文件或文件夹》。
1.1 dd_robot.urdf —— 建立身体
并在urdf目录下，建立一份dd_robot.urdf文件，但记得拷贝进去时，内容里不要有中文，经实践，中文不在其支持的字符范围内，解析会出错，内容为：
<?xml version='1.0'?>
<robot name="dd_robot">
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<!--放置的位置在(x,y,z) = (0,0,0)处，摆放方式有roll(滚动), pitch(俯仰), yaw(偏向)-->
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<!--形状是box，长宽高是0.5 0.5 0.25，单位m-->
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
</visual>
</link>
</robot>
然后前往ros_robotics目录下，建立一个子目录launch，并在此目录下建立一份ddrobot_rviz.launch文件
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics/urdf$ cd ..
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics$ mkdir launch
programmer@ubuntu:~/catkin_ws/src/ros_robotics$ vim ddrobot_rviz.launch
<!--ddrobot_rviz.launch-->
<launch>
<!-- values passed by command line input -->
<arg name="model" />
<arg name="gui" default="False" />
<!-- set these parameters on Parameter Server -->
<param name="robot_description"
textfile="$(find ros_robotics)/urdf/$(arg model)"
/>
<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
<!-- Start 3 nodes: joint_state_publisher,
robot_state_publisher and rviz -->
<node name="joint_state_publisher"
pkg="joint_state_publisher"
type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher"
pkg="robot_state_publisher"
type="state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz"
args="-d $(find ros_robotics)/urdf.rviz"
required="true" />
</launch>
然后在终端执行以下命令，就会弹出一个rviz窗口
$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot.urdf
点击Displays工具栏右下角的Add，添加组件，并编辑Fixed Frame为base_link
然后就有
1.2 dd_robot2.urdf —— 添加轮子
然后添加轮子，仿照dd_robot.urdf，在相同目录下建立第二份文件dd_robot2.urdf，在dd_robot.urdf文件的基础上，加了两个轮子，具体内容为：
<?xml version='1.0'?>
<!--dd_robot2.urdf-->
<robot name="dd_robot">
<!-- Old Content -->
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<!-- New Content -->
<!-- Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="joint_right_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<!-- Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="joint_left_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
</robot>
保存好后，关闭上一个rviz窗口，执行
$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot2.urdf
就会看到，红色轴是X轴，绿色轴是Y轴，蓝色轴是Z轴。TF - ROS Wiki
1.3 dd_robot3.urdf —— 添加万向轮
再建一份dd_robot3.urdf文件，在底部添加一个万向轮
<?xml version='1.0'?>
<!--dd_robot3.urdf-->
<robot name="dd_robot">
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
</visual>
<!-- New Content -->
<!-- Caster -->
<visual name="caster">
<origin xyz="0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<sphere radius="0.05" />
</geometry>
</visual>
</link>
<!-- Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="joint_right_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<!-- Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="joint_left_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
</robot>
dd_robot3.urdf效果图
1.4 dd_robot4.urdf —— 添加颜色
新建一份dd_robot4.urdf，修改各模块颜色，可以看到left wheel只简单引用了一个<material>标签也产生了效果，所以这个标签可以一次定义，全局起效，定义位置不影响其生效的先后关系，定义在文件末尾也一样，rgba属性值里的a代表alpha，表示透明度，1不透明，0透明。
<?xml version='1.0'?>
<!--dd_robot4.urdf-->
<robot name="dd_robot">
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
<!-- New Content -->
<material name="blue">
<color rgba="0 0.5 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Caster -->
<visual name="caster">
<origin xyz="0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<sphere radius="0.05" />
</geometry>
</visual>
</link>
<!-- Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
<!-- New Content -->
<material name="black">
<color rgba="0.05 0.05 0.05 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="joint_right_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<!-- Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
<!-- New Content -->
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="joint_left_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
</robot>
1.5 dd_robot5.urdf —— 添加碰撞检测(Collision Detection)
给各个link添加<collision>属性，用来之后在Gazebo中进行碰撞检测
<?xml version='1.0'?>
<!--dd_robot5.urdf-->
<robot name="dd_robot">
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<!-- Base collision -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
</collision>
<material name="blue">
<color rgba="0 0.5 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Caster -->
<visual name="caster">
<!-- Caster collision -->
<collision>
<origin xyz="0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<sphere radius="0.05" />
</geometry>
</collision>
</visual>
</link>
<!-- Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</collision>
<material name="black">
<color rgba="0.05 0.05 0.05 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="joint_right_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<!-- Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</collision>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="joint_left_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
</robot>
1.6 使用gui模式转动小车车轮
提前安装gui相关ros包
sudo apt update
#sudo apt install ros-<your_ros_version>-joint-state-publisher-gui，我的ros_version是kinetic，根据版本决定
sudo apt install ros-kinetic-joint-state-publisher-gui
然后执行
roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5.urdf gui:=True
效果如图，random随机赋予旋转角度，center是位置归零按键
1.7 dd_robot6.urdf —— 添加惯性属性
给物体添加了inertia惯性属性
<?xml version='1.0'?>
<robot name="dd_robot">
<!-- Base Link -->
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0.5 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Base collision, mass and inertia -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.25"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="5"/>
<inertia ixx="0.13" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.21" iyz="0.0" izz="0.13"/>
</inertial>
<!-- Caster -->
<visual name="caster">
<origin xyz="0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<sphere radius="0.05" />
</geometry>
</visual>
<!-- Caster collision, mass and inertia -->
<collision>
<origin xyz="0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<sphere radius="0.05" />
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.5"/>
<inertia ixx="0.0001" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.0001" iyz="0.0" izz="0.0001"/>
</inertial>
</link>
<!-- Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
<material name="darkgray">
<color rgba=".2 .2 .2 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Right Wheel collision, mass and inertia -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.5"/>
<inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.005" iyz="0.0" izz="0.005"/>
</inertial>
</link>
<!-- Right Wheel joint -->
<joint name="joint_right_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<!-- Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
<material name="darkgray">
<color rgba=".2 .2 .2 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Left Wheel collision, mass and inertia -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.570795 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.1" radius="0.2" />
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.5"/>
<inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.005" iyz="0.0" izz="0.005"/>
</inertial>
</link>
<!-- Left Wheel joint -->
<joint name="joint_left_wheel" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
</robot>
二、Gazebo仿真实验
2.1 环境预备与问题处理
在使用下面的命令运行gazebo时，我遇到了一个错误，可能你也会遇到，一个什么都没有的empty_world也还是需要阳光和大地，就像我的世界初始化一样。
$ roslaunch gazebo_ros empty_world.launch
Error [parser.cc:581] Unable to find uri[model://sun]
Error [parser.cc:581] Unable to find uri[model://ground_plane]
解决方案：Unable to find uri[model://sun]、uri[model://ground_plane] 错误解决，只要下载好对应的model包并放到指定位置即可，这里有两个下载源：gazebo_models - gitee和gazebo_models - github，使用DownGit工具，从github上下载指定内容会比全部下载更快些，我这里暂时只需要下载这两个。另外，如果遇到Gazebo闪退，请看控制台打印的信息，是否与该文章说明内容相同：《VMware: vmw_ioctl_command error Invalid argument解决办法》，若不同请找其它解决方案，记得source文件起效。
2.2 dd_robot.gazebo
文件后缀从.urdf变成了.gazebo，文件内容不贴了，以免文章过于冗长，请从github上下载，下载地址请往上翻阅，有些属性被替换成了gazebo中特有的。
书本上使用以下命令，判断是否能从urdf格式转换成sdf格式
$ gzsdf –p dd_robot.gazebo
但我的机器上出现了以下错误，查看专栏《ROS采坑记录》下的文章，原因是 gzsdf 在 gazebo3后的版本取消了，啊，妸荷甘与神农同学于老龙吉。
gzsdf: command not found
用以下命令替代，执行后会打印出很长的一段内容，没报错就先不管它。
gz sdf -p dd_robot.gazebo
在launch目录下建立一份ddrobot_gazebo.launch文件，内容为
<launch>
<!-- We resume the logic in gazebo_ros package
empty_world.launch,
changing only the name of the
world to be launched -->
<include file="$(find
gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name"
value="$(find ros_robotics)/worlds/ddrobot.world"/>
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>
</include>
<!-- Spawn dd_robot into Gazebo -->
<node name="spawn_urdf" pkg="gazebo_ros"
type="spawn_model" output="screen"
args="-file
$(find ros_robotics)/urdf/dd_robot.gazebo
-urdf -model ddrobot" />
</launch>
在launch的同级目录下，建立一个worlds目录，不清楚具体目录和文件结构，可以看书本发布在github上的源码。并在worlds目录下，建立一份ddrobot.world文件，内容为
<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.4">
<world name="default">
<include>
<uri>model://ground_plane</uri>
</include>
<include>
<uri>model://sun</uri>
</include>
<include>
<uri>model://construction_cone</uri>
<name>construction_cone</name>
<pose>-3.0 0 0 0 0 0</pose>
</include>
<include>
<uri>model://construction_cone</uri>
<name>construction_cone</name>
<pose>3.0 0 0 0 0 0</pose>
</include>
</world>
</sdf>
然后执行以下命令，效果如下。有model少的话，按之前的方法去下载。
$ roslaunch ros_robotics ddrobot_gazebo.launch
三、其它仿真手段
3.1 Matlab
除了Gazebo，Matlab Simulink通过 Robotics System Toolbox的加持，也支持对ROS进行仿真，见 Robot Operating System (ROS) Support from ROS Toolbox，Matlab也提供了例子，见 Get Started with ROS - MathWorks
3.2 Stage
Stage是一个针对移动机器人与传感器的开源2D仿真器，见 The Player Project - Free Software tools for robot and sensor applications
3.3 Virtual Robot Experimentation Platform (V-REP)
虚拟机器人实验平台，商用，由Coppelia Robotics公司开发，V-REP官网。
四、六大关节种类
在上面的例子中，只用到了一种Continous的连接关节，但这不是所有，还有其它5种，将以代码+动图形式，分别展示效果。
【ROS URDF模型中的6种joint类型】
无限旋转关节(continous)
首先，是我们在上文已经见过的continous关节
固定关节(fixed)
配图，配上关节的动图
有限旋转关节(revolute)
找到之前的dd_robot5.urdf文件，并复制一份命名为dd_robot5_revolute.urdf，并做出如下修改
...
<joint name="joint_right_wheel" type="revolute">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<!--New content-->
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-1.00" upper="1.00" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
...
<joint name="joint_left_wheel" type="revolute">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<!--New content-->
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-1.00" upper="1.00" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
...
然后执行
roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5_revolute.urdf gui:=True
效果如下
滑动关节(prismatic)
也称平移关节，找到之前的dd_robot5.urdf文件，并复制一份命名为dd_robot5_prismatic.urdf，并做出如下修改，看上去和revolute关节一样，但它们的lower和upper的单位一个是角度，一个是距离。
...
<joint name="joint_right_wheel" type="revolute">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.30 0" rpy="0 0 0" />
<!--New content-->
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-3" upper="3" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
...
<joint name="joint_left_wheel" type="revolute">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.30 0" rpy="0 0 0" />
<!--New content-->
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-3" upper="3" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
...
然后执行
roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5_prismatic.urdf gui:=True
效果如下，看上去有些不伦不类，但只是效果演示，但你要真说它是不伦不类还有点牵强，谁规定汽车轮子不能横移的呢？
浮动关节(floating)
//@TODO
平面关节(planar)
//@TODO
总结
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| 固定关节(Fixed) | //@TODO |
| 有限旋转关节(Revolute) | //@TODO |
| 无限旋转关节(Continous) | //@TODO |
| 滑动关节(Prismatic) | //@TODO |
| 浮动关节(Float) | //@TODO |
| 平面关节(Planar) | //@TODO |
