ROS 2边学边练（45）-- 构建一个能动的机器人模型

前言

        在上篇中我们搭建了一个机器人模型(其由各个关节（joint）和连杆（link）组成)，此篇我们会通过设置关节类型来实现机器人的活动。

        在ROS中，关节一般有无限旋转（continuous）,有限旋转（revolute）和滑动（prismatic）三种类型，除了上述三种关节类型外，ROS还支持其他类型的关节，如planar（平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转）和floating（浮动关节，允许进行平移和旋转运动）等。这些关节类型提供了更复杂的运动学模型，以支持更广泛的机器人设计和应用。

动动手

        同样是在urdf文件中实现。[原文件：06-flexible.urdf]

运行

        按下面命令看看这个可活动的机器人效果如何。

$ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/06-flexible.urdf

        可以发现除了Rviz机器人模型出现外，还有另外一个小窗口也弹了出来（上一篇中也有，只不过内容很少），上面罗列了好几个关节（joint）的控制条，我们可以尝试拖动这些滑动条看看机器人如何活动。

关节

头

<joint name="head_swivel" type="continuous"><parent link="base_link"/><child link="head"/><axis xyz="0 0 1"/><origin xyz="0 0 0.3"/>
</joint>

        这里描述了头部关节的相关属性，该关节连接了机器人身体（base_link）和头部（head），类型为continuous，意味着可以无限制旋转(所有方向所有角度)，受限于实际的物理限制，往往不能做到全方位全角度旋转，几个轮子关节的类型也是同样如此。需要注意的是我们从上面的代码中可以看到axis属性，这指定了旋转轴，（x, y, z）-> (0, 0, 1)，该头部节点只能绕着z轴转动。

抓手

<joint name="left_gripper_joint" type="revolute"><axis xyz="0 0 1"/><limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/><origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/><parent link="gripper_pole"/><child link="left_gripper"/>
</joint>

        机器人的左右两只抓手关节类型都为revolute，有限制（角度）的旋转，通过limit属性我们指定了力矩（effort，单位Nm）、最小最大角度（lower/upper，单位弧度）、速度（velocity），实际过程中的值可能会与目标值不一致。

对于旋转关节（revolute），effort 通常表示的是力矩（torque），单位可能是牛顿·米（Nm）或磅·英尺（lb-ft），而不是牛顿（N）。牛顿（N）是力的单位，而力矩是力和力臂的乘积，用来描述力对物体绕某点旋转的效果。

对于滑动关节（prismatic），effort 通常表示的是力（force），单位可能是牛顿（N）或磅（lb）。

抓臂

<joint name="gripper_extension" type="prismatic"><parent link="base_link"/><child link="gripper_pole"/><limit effort="1000.0" lower="-0.38" upper="0" velocity="0.5"/><origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
</joint>

        抓臂关节的类型设置成了prismatic，滑动，能起到让手臂伸缩的作用。对于滑动关节的属性lower和upper单位不再是弧度而是米。

其他

       除了前面提到的关节类型，还有两种关节能够在空间中移动。其中，滑动关节（prismatic joint）只能沿一个维度移动，而平面关节（planar joint）则可以在一个平面，或者说两个维度上移动。此外，浮动关节（floating joint）是不受约束的，可以在三个维度中的任意一个维度上移动。这些关节不能仅用一个数值来指定，因此在本教程中不包括它们。

姿态控制原理（Rviz）

        在我们拖动滑动条时，Rviz中的机器人关节也随着活动，并带动与其连接的其他组件运动，这是怎么实现的呢？

1. GUI（控制窗口）解析urdf文件并确定各个活动关节及其限制；
2. GUI读取滑动条数值并发布sensor_msgs/msg/JointState消息；
3. 节点robot_state_publisher利用这些消息数据计算不同模块之间的位姿转换；
4. Rviz最终通过转换树的信息数据进行显示转换后的机器人位姿。

        后续的章节我们会添加一些物理属性到urdf中，并利用xacro（xml格式的宏）来精简我们的代码。

本篇完。