ROS实践（三）机器人描述文件xacro（urdf扩展）

目录

一、定义

二、xacro 文件常见组成部分

1. 命名空间声明

2. 定义宏

3. 调用宏

4. 定义参数

5. 条件语句 

6. 转换 xacro 文件为 urdf

7. gazebo标签

三、代码示例

 1. gazebo标签使用（仿真参数配置）

 2. 引用仿真配置并定义机器人模型（结构）

 四、加载仿真模型（含传感器的机器人）

1. 编写launch文件。

2. 实际效果。

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一、定义

        通俗来说，xacro 就是 urdf 文件的一种“进阶版”，它是用来简化和优化机器人的描述文件，使得多个机器人可以共享同样的部件和结构，避免重复编写相同的代码。

        假设你有很多机器人，它们的结构相似，比如都有轮子、传感器、臂部等部件。每次你需要为这些机器人写 urdf 文件时，都要重复描述每个部件（比如轮子、关节、传感器等）。这样写非常繁琐且容易出错。

   xacro 的作用 ：就是通过封装和参数化这些部件，使得你可以更方便地重用已有的结构，只需要少量的修改就可以生成不同机器人的 urdf 文件。类似C语言中函数的封装。

二、xacro 文件常见组成部分

1. 命名空间声明

        该命名空间的定义使得文件中的 xacro 特性能够正常工作，让你在模型中使用宏和其他 xacro 相关的功能。

<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="robot">

2. 定义宏

        宏用于封装可复用的结构，例如机器人关节、链接等。你可以定义一个宏并在多个地方调用它，宏可以带有参数，这样就可以创建不同配置的部件。

<xacro:macro name="wheel" params="name x_offset y_offset"><!-- 定义轮子的link和joint -->
</xacro:macro>

3. 调用宏

        宏定义完成后，可以在 xacro 文件的任意位置调用宏来生成相应的部件。调用时，可以传递参数值来定制生成的部件。

<xacro:wheel name="right_wheel" x_offset="0.1" y_offset="-0.09"/>
<xacro:wheel name="left_wheel" x_offset="0.1" y_offset="0.09"/>

4. 定义参数

        你可以在 xacro 文件中定义变量（参数），这些变量可以在宏中使用，也可以传递给其它部分。这使得配置变得更加灵活和动态。

        在这个例子中，wheel_radius 是一个参数，表示轮子的半径。在后续的代码中，可以直接使用这个参数。

<xacro:property name="wheel_radius" value="0.025"/>

5. 条件语句 

  xacro 支持条件语句，你可以根据不同的条件生成不同的机器人模型或某些部件。例如，如果你希望某个部件只有在某个参数为 true 时才创建，你可以使用 xacro:if 和 xacro:else。

<xacro:if value="${robot_type == 'mobile'}"><!-- 如果是移动机器人，添加特定部件 -->
</xacro:if>

6. 转换 xacro 文件为 urdf

        你可以使用 ROS 提供的工具来将 xacro 文件转换为 URDF 文件，生成的 URDF 文件可以直接用于机器人仿真、控制等。

rosrun xacro xacro mybot.xacro > mybot.urdf

7. gazebo标签

        在 XACRO 文件中，<gazebo> 标签用于定义与 Gazebo 仿真环境 相关的设置和插件。Gazebo 是一个强大的仿真工具，用于模拟机器人、传感器以及与环境的交互。当你在 XACRO 中使用 gazebo 标签时，通常是为了控制仿真中的物理属性、传感器和控制插件。这里将不再过多介绍该标签的用法，详细请查看其他博客。

三、代码示例

 1. gazebo标签使用（仿真参数配置）

        功能：用于描述一些物体以及传感器在gazebo仿真中的一些数据，例如摩擦系数、速度等等。

mybot_gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"><!-- 定义了3个参数：激光、相机和IMU的可视化开关 --><xacro:arg name="laser_visual" default="false"/><xacro:arg name="camera_visual" default="false"/><xacro:arg name="imu_visual"   default="false"/><!-- Gazebo仿真环境中为 base_link 设置物理材质 --><gazebo reference="base_link"><material>Gazebo/DarkGrey</material>  <!-- 使用 DarkGrey 材质 --></gazebo><!-- 为左轮设置物理属性，包括摩擦系数、刚度等 --><gazebo reference="left_wheel_link"><mu1>0.5</mu1>   <!-- 摩擦系数 --><mu2>0.5</mu2>   <!-- 摩擦系数 --><kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 --><kd>10.0</kd>    <!-- 阻尼 --><minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 --><maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 --><fdir1>1 0 0</fdir1> <!-- 摩擦方向 --><material>Gazebo/DarkGrey</material>  <!-- 使用 DarkGrey 材质 --></gazebo><!-- 为右轮设置物理属性 --><gazebo reference="right_wheel_link"><mu1>0.5</mu1>   <!-- 摩擦系数 --><mu2>0.5</mu2>   <!-- 摩擦系数 --><kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 --><kd>10.0</kd>    <!-- 阻尼 --><minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 --><maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 --><fdir1>1 0 0</fdir1> <!-- 摩擦方向 --><material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 --></gazebo><!-- 为球形支撑轮设置物理属性 --><gazebo reference="ball_wheel_link"><mu1>0.1</mu1>   <!-- 摩擦系数 --><mu2>0.1</mu2>   <!-- 摩擦系数 --><kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 --><kd>100.0</kd>   <!-- 阻尼 --><minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 --><maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 --><material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 --></gazebo><!-- 定义 IMU 传感器的Gazebo设置 --><gazebo reference="imu"><sensor type="imu" name="imu"><always_on>true</always_on> <!-- IMU 始终开启 --><visualize>$(arg imu_visual)</visualize> <!-- 根据 imu_visual 参数来显示/隐藏 IMU --></sensor><material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 --></gazebo><!-- 定义机器人控制插件，用于ROS控制 --><gazebo><plugin name="mybot_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so"><commandTopic>cmd_vel</commandTopic>   <!-- 控制命令话题 --><odometryTopic>odom</odometryTopic>   <!-- 里程计话题 --><odometryFrame>odom</odometryFrame>   <!-- 里程计坐标系 --><odometrySource>world</odometrySource> <!-- 里程计数据来源 --><publishOdomTF>true</publishOdomTF>   <!-- 是否发布里程计TF --><robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 机器人基座坐标系 --><publishWheelTF>false</publishWheelTF> <!-- 是否发布轮子坐标系 --><publishTf>true</publishTf>   <!-- 是否发布TF --><publishWheelJointState>true</publishWheelJointState> <!-- 是否发布轮子的关节状态 --><legacyMode>false</legacyMode> <!-- 是否使用旧版控制模式 --><updateRate>30</updateRate>   <!-- 控制更新率（30Hz） --><leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint>  <!-- 左轮的关节 --><rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint> <!-- 右轮的关节 --><wheelSeparation>0.180</wheelSeparation> <!-- 轮子间距 --><wheelDiameter>0.05</wheelDiameter>   <!-- 轮子直径 --><wheelAcceleration>10</wheelAcceleration> <!-- 轮子的加速度 --><wheelTorque>100</wheelTorque>   <!-- 轮子的最大扭矩 --><rosDebugLevel>na</rosDebugLevel>  <!-- 不使用ROS调试 --></plugin></gazebo><!-- 定义IMU插件 --><gazebo><plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so"><alwaysOn>true</alwaysOn>  <!-- 始终开启 --><bodyName>imu</bodyName>   <!-- 传感器所在的身体名称 --><frameName>imu</frameName>  <!-- 传感器的框架名称 --><topicName>imu</topicName>  <!-- 传感器数据发布话题 --><serviceName>imu_service</serviceName> <!-- 服务名称 --><gaussianNoise>0.0</gaussianNoise>  <!-- 高斯噪声 --><updateRate>0</updateRate>  <!-- 更新频率 --><imu><noise><type>gaussian</type>  <!-- 噪声类型：高斯噪声 --><rate><mean>0.0</mean>   <!-- 速率噪声均值 --><stddev>2e-4</stddev> <!-- 速率噪声标准差 --><bias_mean>0.0000075</bias_mean>  <!-- 偏置均值 --><bias_stddev>0.0000008</bias_stddev> <!-- 偏置标准差 --></rate><accel><mean>0.0</mean>   <!-- 加速度噪声均值 --><stddev>1.7e-2</stddev> <!-- 加速度噪声标准差 --><bias_mean>0.1</bias_mean>  <!-- 加速度偏置均值 --><bias_stddev>0.001</bias_stddev>  <!-- 加速度偏置标准差 --></accel></noise></imu></plugin></gazebo><!-- 激光传感器设置 --><gazebo reference="base_laser_link"><material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 --><sensor type="ray" name="rplidar_sensor"><pose>0 0 0 0 0 0</pose> <!-- 激光传感器的姿态 --><visualize>$(arg laser_visual)</visualize>  <!-- 根据 laser_visual 参数来显示/隐藏激光传感器 --><update_rate>7</update_rate>  <!-- 更新频率（7Hz） --><ray><scan><horizontal><samples>720</samples>  <!-- 扫描样本数 --><resolution>0.5</resolution>  <!-- 扫描分辨率 --><min_angle>0.0</min_angle>  <!-- 最小角度 --><max_angle>6.28319</max_angle> <!-- 最大角度 --></horizontal></scan><range><min>0.120</min>  <!-- 最小测距 --><max>12.0</max>   <!-- 最大测距 --><resolution>0.015</resolution> <!-- 距离分辨率 --></range><noise><type>gaussian</type>  <!-- 噪声类型：高斯噪声 --><mean>0.0</mean>   <!-- 噪声均值 --><stddev>0.01</stddev> <!-- 噪声标准差 --></noise></ray><!-- 激光控制插件 --><plugin name="gazebo_ros_rplidar_controller" filename="libgazebo_ros_laser.so"><topicName>scan</topicName>  <!-- 激光扫描数据话题 --><frameName>base_laser_link</frameName> <!-- 激光传感器的坐标框架 --></plugin></sensor></gazebo><!-- 摄像头传感器设置 --><gazebo reference="base_camera_link"><sensor type="camera" name="csi Camera"><always_on>true</always_on>  <!-- 摄像头始终开启 --><visualize>$(arg camera_visual)</visualize>  <!-- 根据 camera_visual 参数来显示/隐藏相机 --><camera><horizontal_fov>1.085595</horizontal_fov> <!-- 水平视场角 --><image><width>640</width>  <!-- 图像宽度 --><height>480</height> <!-- 图像高度 --><format>R8G8B8</format> <!-- 图像格式 --></image><clip><near>0.03</near>  <!-- 最近剪裁距离 --><far>100</far>  <!-- 最远剪裁距离 --></clip></camera><!-- 摄像头控制插件 --><plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so"><alwaysOn>true</alwaysOn>  <!-- 始终开启 --><updateRate>30.0</updateRate>  <!-- 更新频率（30Hz） --><cameraName>/</cameraName>  <!-- 摄像头名称 --><frameName>base_camera_link</frameName>  <!-- 相机坐标框架 --><imageTopicName>image_raw</imageTopicName>  <!-- 图像话题 --><cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>  <!-- 相机信息话题 --><hackBaseline>0.07</hackBaseline>  <!-- 基线距离 --><distortionK1>0.0</distortionK1>  <!-- 畸变系数 --><distortionK2>0.0</distortionK2><distortionK3>0.0</distortionK3><distortionT1>0.0</distortionT1><distortionT2>0.0</distortionT2></plugin></sensor></gazebo></robot>

 2. 引用仿真配置并定义机器人模型（结构）

        功能：这段代码描述了一个机器人（mybot）的 物理模型和结构，代码通过定义多个链接（link）和关节（joint）来描述机器人的组成部分，包括主体、轮子、支撑轮、激光雷达等。当我们构建不同的机器人模型时，都可以引用之前的仿真配置。

        注意：这两个文件中的 <robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"> 中的 name 字段应该一致。

mybot1.xacro 

<?xml version="1.0"?>  
<!-- 定义机器人模型文件 -->
<robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">  <!-- 引入外部Xacro文件，包含 Gazebo 模拟器的配置 --><xacro:include filename="$(find my_package)/xacro/mybot_gazebo.xacro" /> <!-- 定义 base_footprint 链接，通常用于表示机器人的地面接触点 --><link name="base_footprint"/><!-- 定义机器人基座的固定关节，连接 base_footprint 和 base_link --><joint name="base_joint" type="fixed">  <parent link="base_footprint"/>  <child link="base_link"/>  <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint>  <!-- 定义 base_link 链接，表示机器人的基座部分 --><link name="base_link">  <inertial>  <!-- 惯性属性 --><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 --><mass value="0.1"/>  <!-- 质量 --><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.001" /> <!-- 惯性矩阵 --></inertial><visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <box size="0.25 0.16 0.05"/>  <!-- 形状为长方体，定义机器人的基座大小 --></geometry>  <!-- 几何形状 --><origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <!-- 可视化原点 --><material name="blue">  <color rgba="0 0 0.8 1"/>  <!-- 设置颜色为蓝色 --></material>  </visual>  <collision>  <!-- 碰撞检测属性 --><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 --><geometry>  <!-- 几何形状 --><box size="0.25 0.16 0.05"/>  <!-- 碰撞体形状为长方体，大小与可视化相同 --></geometry></collision></link>  <!-- 定义右侧车轮的链接 --><link name="right_wheel_link">  <inertial>  <!-- 惯性属性 --><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 --><mass value="0.1"/>  <!-- 质量 --><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" />  <!-- 惯性矩阵 --></inertial><visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <!-- 几何形状 --> <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 车轮的形状为圆柱 --></geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置车轮颜色为黑色 --></material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 --><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为圆柱 --></geometry></collision></link>  <!-- 定义右车轮的旋转关节，允许车轮持续旋转 --><joint name="right_wheel_joint" type="continuous">  <axis xyz="0 0 -1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴负方向 --><parent link="base_link"/>  <!-- 父链接是基座链接 --><child link="right_wheel_link"/>  <!-- 子链接是右车轮链接 --><origin rpy="1.5707 0 0" xyz=" 0.1 -0.09 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint>  <!-- 定义左侧车轮的链接 --><link name="left_wheel_link">  <inertial>  <!-- 惯性属性 --><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 --><mass value="0.1"/>  <!-- 质量 --><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" />  <!-- 惯性矩阵 --></inertial><visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <!-- 几何形状 --><cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 车轮的形状为圆柱 --></geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置车轮颜色为黑色 --></material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为圆柱 --></geometry></collision>   </link>  <!-- 定义左车轮的旋转关节 --><joint name="left_wheel_joint" type="continuous">  <axis xyz="0 0 -1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴负方向 --><parent link="base_link"/>  <!-- 父链接是基座链接 --><child link="left_wheel_link"/>  <!-- 子链接是左车轮链接 --><origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 0.09 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint>  <!-- 定义一个球形支撑轮 --><link name="ball_wheel_link">  <inertial>  <!-- 惯性属性 --><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 --><mass value="0.1"/>  <!-- 质量 --><inertia ixx="0"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0" />  <!-- 惯性矩阵 --></inertial><visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <!-- 几何形状 --><sphere radius="0.025"/>  <!-- 球形轮子 --></geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置轮子颜色为黑色 --></material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 --><geometry><sphere radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为球形 --></geometry></collision>   </link>  <!-- 定义球形支撑轮的固定关节 --><joint name="ball_wheel_joint" type="fixed">  <axis xyz="0 0 1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴 --><parent link="base_link"/>  <child link="ball_wheel_link"/>  <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.10 0 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint>  <!-- 定义IMU传感器 --><link name="imu">  <visual>  <geometry>  <box size="0.01 0.01 0.01"/>  <!-- 小方块表示IMU传感器 --></geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 --></material>  </visual>  </link>  <!-- 定义IMU传感器的固定关节 --><joint name="imu_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="imu"/>  <origin xyz="0.08 0 0.025"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint> <!-- 定义摄像头 --><link name="base_camera_link">  <visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <!-- 几何形状 --><box size="0.02 0.03 0.03"/>  <!-- 以方块形式表示摄像头 --></geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 --></material>  </visual>  </link>  <!-- 定义摄像头的固定关节 --><joint name="camera_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="base_camera_link"/>  <origin xyz="0.1 0 0.025"/>  <!-- 关节的位置和方向 --></joint> <!-- 定义激光雷达 --><link name="base_laser_link">  <visual>  <!-- 可视化属性 --><geometry>  <!-- 几何形状 -->     <cylinder length="0.06" radius="0.04"/>  <!-- 激光雷达为圆柱形状 --></geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 --></material>  </visual>  </link>  <!-- 定义激光雷达的固定关节 --><joint name="laser_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="base_laser_link"/>  <origin xyz="0 0.0 0.06"/>  <!-- 位置在机器人顶部 --></joint> </robot>  

 四、加载仿真模型（含传感器的机器人）

1. 编写launch文件。

        最终我们运行的mybot1.xacro ，里面包含了机器人的模型和仿真配置文件。编写launch文件来启动仿真模型。代码中的gazebo_world.launch文件在下面文章中有介绍。ROS实践-虚拟仿真平台Stage/Gazebo（虚实结合）https://blog.csdn.net/qq_48361010/article/details/146096746?sharetype=blogdetail&sharerId=146096746&sharerefer=PC&sharesource=qq_48361010&spm=1011.2480.3001.8118

simulation_robot.launch

<launch><!-- 定义机器人模型位置的参数：x_pos、y_pos 和 z_pos，默认值为0 --><arg name="x_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 x 轴上的位置 --><arg name="y_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 y 轴上的位置 --><arg name="z_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 z 轴上的位置 --><!-- 设置仿真时间使用真实时间（/use_sim_time 为 true），通常用于 Gazebo 仿真 --><param name="/use_sim_time" value="true" />  <!-- 引入 Gazebo 仿真世界启动文件 (gazebo_world.launch)，该文件定义了Gazebo世界环境 --><include file="$(find my_package)/launch/gazebo_world.launch"/><!-- 通过 xacro 文件生成机器人的 URDF 描述，并加载到 ROS 参数服务器中 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder $(find my_package)/xacro/mybot1.xacro" /><!-- 启动 Gazebo 插件，将机器人模型（URDF）添加到 Gazebo 仿真环境中 --><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="spawn_urdf" args="-urdf -model mybot.xacro -x $(arg x_pos) -y $(arg y_pos) -z $(arg z_pos) -param robot_description" /><!-- 启动 robot_state_publisher 节点，用于发布机器人状态（例如各个关节的位置） --><node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
</launch>

注意：

2. 实际效果。