从零开始的ROS机械臂，边做边学02-URDF篇

这一篇内容的成果大概长这样，因为比较简单，手写比较方便。

显然，这是一个便宜的sg90舵机
视频地址: https://www.bilibili.com/video/av34229434/

关于urdf的介绍目前看到的最好的一篇介绍应该是ROSCon的这篇
https://youtu.be/g9WHxOpAUns
ROSWIKI上有完整的urdf教程，你可以根据教程自己写一些简单的机器人，实际上相当的麻烦而且容易出错，我以前从未想过用这种方法写一个机器人的模型出来，还以为和做游戏一样在Blender或者3dsmax这样的建模软件里搞定一切然后直接导出到rviz里就能摆弄了。实际上urdf也是可以的，但目前好像只有solidworks和matlab有这种插件，其中solidworks的插件叫做sw2urdf，我使用了之后发现还是相当方便的，至少比手写方便。

catkin_create_pkg <你要创建的package的名字> roscpp tf  geometry_msgs urdf rviz xacro 

创建好包之后我们来写urdf，目前好像没找到带urdf代码提示插件的文本编辑器，如果你使用带ros_qct_plugin的qtcreator的话里面可以新建urdf文件，但并没有提示功能。
下面具体来写这个简单的sg90舵机的urdf文件的过程
首先打开http://wiki.ros.org/urdf/XML
urdf是一种XML格式的文件，参考上面的链接找到你需要的东西，主要是各种link和joint。
上面这个舵机的模型由两个link和一个joint组成，下面蓝色的是舵机本体，上面红色的是买舵机的时候送的配件，非常便宜，随处可见。
不能在urdf里直接写出它们模型，而是选择mesh型的link，从别的地方引用一个stl格式的模型。这里是用Blender简单的做了一个sg90的外形。
做的时候看了一下比例，Blender里默认的box大小是2m2m2m，在urdf里直接写一个box型的link，size设置成“2 2 2”，两者的大小是一样的。如果懒得做模型的话直接搞两个box替代就好了。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_01">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <mesh filename="package://my_robot/meshes/servo_9g.stl" size="1 1 1" />
            </geometry>
            <material name="blue">
                <color rgba="0 31 255 1"/>
            </material>
            <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" />
        </visual>
        <collision>
            <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" />
            <geometry>
                <mesh filename="package://my_robot/meshes/servo_9g.stl" size="1 1 1" />
            </geometry>
        </collision>
    </link>

    <joint name="base_link_to_link_01" type="revolute">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="link_01" />
        <origin xyz="0.5 0 1.4" />
        <axis xyz="0 0 -1" />
        <limit effort="2.5" velocity="0.1" lower="-1.57" upper="1.57" />
        <!-- <dynamics damping="0" friction="0" /> -->
    </joint>

    <link name="link_01">
        <visual>
            <geometry>
                <mesh filename="package://my_robot/meshes/servo_9g_bar.stl" size="1 1 1" />
            </geometry>
            <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" />
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <mesh filename="package://my_robot/meshes/servo_9g_bar.stl" size="1 1 1" />
            </geometry>
            <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" />
        </collision>
    </link>
</robot>

其中joint是比较关键的部分，joint有很多种，比较常见的有

• continuous 可以一直转下去
• revolute 舵机一般用这种，可以从一个角度转到另一个角度，limit里设置一下就好了
• prismatic 沿着一个导轨平移的东西就用它
• fixed 什么也不干，只是把两个link就这么接在一起

这里值得注意的是joint的

  <limit effort="2.5" velocity="0.1" lower="-1.57" upper="1.57" />

我一度认为effort和velocity就是下图的torque和speed

sg90_datasheet.pdf

然而好像并不是，effort是百分数，velocity是每秒转动的弧度。
所以目前填什么其实都无所谓，现阶段arduino只接收position就行了。

这两个link实际上是从外部导入的stl格式的3d模型，但很多3d模型很复杂，所以有英伟达显卡的话最好能安装一下驱动程序，另外要准备一份低模，也就是面数比较低的模型，俗称low-poly，作为机器人的碰撞体collision，外形和尺寸要和你的用于显示的高模差不多，origin当然也要设置成一样的。

另外需要注意的是joint的位置和旋转的轴，这点在上面那个ROSCon的视频里有比较直观的讲解。写的时候脑子未必能转的过来，需要时不时打开rviz查看模型是否正确，所以这个时候就需要写一个launch文件来启动rviz。这里顺便一说atom有一个ros代码提示的package，可以用来写launch文件，大概长这样：

atom-ros

<launch>
    <arg name="model" />
    <param name="robot_description" textfile="$(find my_robot)/urdf/my01.urdf" />
    <param name="use_gui" value="true"/>    
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" />
</launch>

这里值得注意的是joint_state_publisher 和 robot_state_publisher
前者用于发布joint_state信息，大概长这样：
Header header
string[] name
float64[] position
float64[] velocity
float64[] effort
http://docs.ros.org/melodic/api/sensor_msgs/html/msg/JointState.html
现阶段我们在arduino中订阅joint_state这个话题就能获得上面这些信息,比如我们可以将位于"0"的舵机旋转到msg.position[0]的位置。

当初在YouTube上看到了这个视频

https://youtu.be/6OjYXSEfVJ4

问了作者之后发现原来只要订阅joint_state就行了。现在我们稍微修改一下ros_lib里控制舵机的示例代码来测试一下这个想法。

#if (ARDUINO >= 100)
 #include <Arduino.h>
#else
 #include <WProgram.h>
#endif

#include <Servo.h>
#include <ros.h>
#include <std_msgs/UInt16.h>
#include <sensor_msgs/JointState.h>
ros::NodeHandle  nh;
//float pos=0;
Servo servo;
void servo_cb(const sensor_msgs::JointState& msg)
{
  float pos=msg.position[0];
    servo.write(90-pos*57.3248);
}
ros::Subscriber<sensor_msgs::JointState> sub("joint_states",servo_cb);


void setup(){
  //Serial.begin(57600);
  nh.initNode();
  nh.subscribe(sub);
  servo.attach(9); //attach it to pin 9
}

void loop(){
  nh.spinOnce();

  delay(1);
}

于此同时，在launch文件里启动joint_state_publisher之外还要设置参数

 <param name="use_gui" value="true"/>    

这样运行的时候就会有GUI你可以用上面的slider来控制之前在joint->limit里设置的角度，这里是从-1.57到1.57，原因是它是一个180度的舵机。
然后我们使用刚刚的launch文件进入rviz

DISPLAY

首先把Fixed Frame设置成我们的base_link,然后添加RobotModel，其中Robot Description就是我们刚刚写的urdf。
滑动刚刚那个slider的话就可以让上面这个红色的配件沿着事先设定好的轴旋转，这个在urdf的joint中设定。
值得一提的是每个link还有joint都有

 <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" />

child link的origin实际上是相对于它的parent link的，如果发生了问题，比如上面的配件转的莫名奇妙的，那可能是joint的origin和axis没有设置好，这点在从solidworks导出的时候也有可能出现（老年痴呆），所以掌握了手写urdf的技巧的话就不用重新导出好几遍了。

现在，无论是rviz里的3d模型还是现实中的sg90舵机都订阅了joint_states，它们会同步旋转。
https://www.bilibili.com/video/av34229434/

下一篇可能是讲如何使用sw2urdf，直接从solidworks里导出urdf文件（我反正是不想手写，xacro也不想写）

solidworks