机器人入门（四）—— 创建你的第一个虚拟小车

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 packageempty_world.launch,changing only the name of theworld to be launched --><include file="$(findgazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><arg name="world_name"value="$(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