3D建模与仿真（ROS URDF & Gazebo）

一、创建URDF文件

（一）URDF简介

URDF（Unified Robot Description Format）是一种用于描述机器人模型的XML格式文件。它定义了机器人的各个部件（links）和连接这些部件的关节（joints），以及它们的物理和视觉属性。

（二）基本结构

一个URDF文件通常包含以下部分：

声明XML版本：

<?xml version="1.0" ?>

定义机器人：

<robot name="my_robot">

定义部件（Link）：

<link name="base_link">
    <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <geometry>
            <box size="0.1 0.1 0.1" />
        </geometry>
        <material name="red">
            <color rgba="1 0 0 1"/>
        </material>
    </visual>
</link>

定义关节（Joint）：

<joint name="joint1" type="revolute">
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0" />
    <parent link="base_link"/>
    <child link="link1"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="10" velocity="1"/>
</joint>

结束机器人定义：

</robot>

二、使用Xacro文件

（一）Xacro简介

Xacro（XML Macros）是一种用于生成URDF文件的宏语言。它允许在URDF文件中使用变量、宏、条件语句等，使得模型的描述更加灵活和模块化。

（二）基本结构

一个Xacro文件通常包含以下部分：

声明XML版本和Xacro命名空间：

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

定义属性（Property）：

<xacro:property name="M_PI" value="3.1415926" />
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.06" />

定义宏（Macro）：

<xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
    <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="${wheel_joint_x} ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0" />
        <parent link="base_link" />
        <child link="${prefix}_wheel_link" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>
    <link name="${prefix}_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="${wheel_length}" radius="${wheel_radius}"/>
            </geometry>
            <material name="white" />
        </visual>
    </link>
</xacro:macro>

调用宏：

<xacro:wheel prefix="left"  reflect="1"/>
<xacro:wheel prefix="right"  reflect="-1"/>

结束机器人定义：

</robot>

（三）转换Xacro文件为URDF

xacro my_robot.xacro > my_robot.urdf

三、使用Gazebo进行仿真

（一）安装Gazebo

sudo apt-get install ros-noetic-gazebo-ros-pkgs
sudo apt-get install ros-noetic-gazebo-ros-control

（二）启动Gazebo

roscore
rosrun gazebo_ros gazebo

（三）加载机器人模型

使用spawn_entity.py脚本加载URDF模型：

rosrun gazebo_ros spawn_entity.py -entity my_robot -file my_robot.urdf -x 0 -y 0 -z 0.5

使用robot_state_publisher发布模型描述：

rosparam load my_robot.urdf robot_description
rosrun robot_state_publisher robot_state_publisher

（四）配置Gazebo属性和控制器插件

在URDF文件中添加Gazebo属性和控制器插件：

<gazebo>
    <plugin name="gazebo_ros_control" filename="libgazebo_ros_control.so">
        <robotNamespace>/my_robot</robotNamespace>
    </plugin>
</gazebo>

（五）创建自定义环境

在功能包中新建一个world文件夹，放入自定义的环境模型文件myworld.world，并通过命令启动：

gazebo --verbose -s libgazebo_ros_init.so -s libgazebo_ros_factory.so $(find mbot_description)/worlds/myworld.world

（六）使用Launch文件启动Gazebo并加载模型

创建一个Launch文件display_mbot_xacro.launch：

<launch>
    <arg name="model" default="$(find xacro)/xacro '$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.xacro'" />
    <param name="robot_description" command="$(arg model)" />
    <param name="use_gui" value="true"/>
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
    <node name="spawn_entity" pkg="gazebo_ros" type="spawn_entity.py" args="-entity my_robot -file $(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf -x 0 -y 0 -z 0.5" />
</launch>

启动Launch文件：

roslaunch mbot_description display_mbot_xacro.launch

视频讲解

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