《动手学ROS2》8.3动手创建一个移动机器人

本系列教程作者：小鱼
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8.3 动手创建一个移动机器人

大家好，我是小鱼，本节课我们来一起动手创建一个两轮差速的移动机器人​​fishbot​​,在上一节的时候我们已经给我们的机器人安装上了雷达，本节课我们接着上节课的来继续完善我们的机器人模型。

机器人除了雷达之外，还需要​​IMU​​加速度传感器以及可以驱动的轮子，在第七章中我们曾介绍过机器人学部分，曾对两差速模型进行过介绍，所以我们还需要再创建两个差速驱动轮和一个支撑轮。

所以本节小鱼带你一起给机器人添加如下部件和关节：

1. IMU传感器部件与关节
2. 左轮子部件与关节
3. 右轮子部件与关节
4. 支撑轮子部件与关节

1.添加IMU传感器(上节作业)

IMU传感器和透明度与颜色修改是上节课，作业，小鱼先带你一起完成一下

练习1：尝试将修改机器人身体颜色为蓝色，透明度为50%​​(0.1 0.1 1.0 0.5)​​

练习2：尝试在URDF中添加imu_link并使用imu_joint将其固定在车体的中心上方2cm，imu采用的几何形状为box,长宽高各是2cm

1.1 修改颜色

透明度修改只需要在​​base_link​​​中添加​​material​​

<link name="base_link">
    <visual>
        <origin xyz="0 0 0.0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
        <cylinder length="0.12" radius="0.10"/>
    </geometry>
    <material name="blue">
        <color rgba="0.1 0.1 1.0 0.5" /> 
    </material>
    </visual>
</link>

1.2 添加imu

<link name="imu_link">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0.0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.02 0.02 0.02"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <!-- imu joint -->
  <joint name="imu_joint" type="fixed">
      <parent link="base_link" />
      <child link="imu_link" />
      <origin xyz="0 0 0.02" />
  </joint>

2.添加右轮

2.1 添加关节

关节名称为​​right_wheel_link​​,小鱼在做ros2小车的时候采用的轮子如下图：

轮子的宽为4cm,直径为6.4cm,几何形状是个圆柱体，所以​​geometry​​配置如下：

<geometry>
  <cylinder length="0.04" radius="0.032"/>
</geometry>

需要注意的是,圆柱默认的朝向是向上的

我们可通过​​origin​​​的​​rpy​​​改变轮子的旋转角度，让其绕​​x轴​​​旋转​​pi/2​​​,所以​​origin​​的配置为

<origin xyz="0 0 0" rpy="1.57079 0 0"/>

颜色换黑色，可以得到下面的配置：

<link name="right_wheel_link">
      <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57079 0 0"/>
        <geometry>
          <cylinder length="0.04" radius="0.032"/>
        </geometry>
          <material name="black">
            <color rgba="0.0 0.0 0.0 0.5" /> 
          </material>
      </visual>
  </link>

2.2 添加joint

我们把左轮子的中心固定在机器人左后方

需要注意的是​​origin​​​和​​axis​​值的设置

先看origin

因为base_link的高度是0.12,我们

• z表示child相对parent的z轴上的关系，想将轮子固定在机器人的下表面,所以​​origin​​的z向下偏移0.12/2=0.06m(向下符号为负)
• y表示child相对parent的y轴上的关系，base_link的半径是0.10,所以我们让轮子的y轴向负方向偏移0.10m(向左符号为负)
• x表示child相对parent的x轴上的关系，向后偏移则是x轴向后进行偏移，我们用个差不多的值0.02m(向后符号为负)

再看axis

轮子是会转动的，那应该按照哪个轴转动呢？从上图可以看出是绕着y轴的逆时针方向，所以axis的设置为：

<axis xyz="0 1 0" />

<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link" />
      <child link="right_wheel_link" />
      <origin xyz="-0.02 -0.10 -0.06" />
      <axis xyz="0 1 0" />
  </joint>

3.添加左轮

左轮就是右轮的映射，不再赘述

<link name="left_wheel_link">
      <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57079 0 0"/>
        <geometry>
          <cylinder length="0.04" radius="0.032"/>
        </geometry>
          <material name="black">
            <color rgba="0.0 0.0 0.0 0.5" /> 
          </material>
      </visual>
  </link>
    
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link" />
      <child link="left_wheel_link" />
      <origin xyz="-0.02 0.10 -0.06" />
      <axis xyz="0 1 0" />
  </joint>

4.添加支撑轮

支撑轮子固定在机器人的前方，用个球体，半径用​​0.016m​​​，小球的直径为0.032m与左右轮子半径相同，然后向下偏移​​0.016+0.06=0.076m​​​,向下值为负，同时把支撑论向前移动一些，选个​​0.06m​​

最终结果如下：

<link name="caster_link">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
          <sphere radius="0.016"/>
      </geometry>
        <material name="black">
          <color rgba="0.0 0.0 0.0 0.5" /> 
        </material>
    </visual>
  </link>
    
  <joint name="caster_joint" type="fixed">
      <parent link="base_link" />
      <child link="caster_link" />
      <origin xyz="0.06 0.0 -0.076" />
  </joint>

最终URDF文件：https://raw.githubusercontent.com/fishros/fishbot/master/src/fishbot_description/urdf/fishbot_base.urdf

5.测试运行

5.1 编译测试

colcon build
source install/setup.bash
ros2 launch fishbot_description display_rviz2.launch.py

5.2 最终结果

rviz的配置

最终结果

jointstate多出两个滑动条

节点关系

打印​​joint_states​​话题

ros2 topic echo /joint_states

5.3 通过joint_state_gui改变关节tf中关节角度

在JointStatePublisher中,拖动滑动条,观察

1. ​​rviz2​​​中​​tf​​的变换
2. ​​joint_states​​中的值的变换

可以看到随着进度条拖动,话题中的值和rviz2中机器人关节在同步的旋转,joint_states话题也可以手动发送,下一节课小鱼带你一起通过手动发送​​joint_states​​来控制机器人轮子转动

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作者介绍：

我是小鱼，机器人领域资深玩家，现深圳某独脚兽机器人算法工程师一枚

初中学习编程，高中开始接触机器人，大学期间打机器人相关比赛实现月入2W+（比赛奖金）

目前在输出机器人学习指南、论文注解、工作经验，欢迎大家关注小鱼，一起交流技术，学习机器人