前言
前面 URDF 文件构建机器人模型的过程中，存在若干问题。
问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。
问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。
如果在编程语言中，可以通过变量结合函数直接解决上述问题，在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为：Xacro
概念
Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。
原理
Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。
作用
较之于纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件，且可以提高编写效率。
一、Xacro-快速体验
目的：
简单了解 xacro 的基本语法。
需求描述：
使用xacro优化上一节案例中驱动轮实现，需要使用变量封装底盘的半径、高度，使用数学公式动态计算底盘的关节点坐标，使用 Xacro 宏封装轮子重复的代码并调用宏创建两个轮子(注意: 在此，演示 Xacro 的基本使用，不必要生成合法的 URDF )。
准备：
创建功能包，导入 urdf 与 xacro。
1. Xacro文件编写
在xacro文件夹下新建：demo01_helloworld.urdf.xacro
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 属性封装 --><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><xacro:property name="wheel_length" value="0.0015" /><xacro:property name="PI" value="3.1415927" /><xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /><xacro:property name="lidi_space" value="0.015" /><!-- 宏 --><xacro:macro name="wheel_func" params="wheel_name flag" ><link name="${wheel_name}_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="${PI / 2} 0 0" /><material name="wheel_color"><color rgba="0 0 0 0.3" /></material></visual></link><!-- 3-2.joint --><joint name="${wheel_name}2link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${wheel_name}_wheel" /><!--x 无偏移y 车体半径z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径--><origin xyz="0 ${0.1 * flag} ${(base_link_length / 2 + lidi_space - wheel_radius) * -1}" rpy="0 0 0" /><axis xyz="0 1 0" /></joint></xacro:macro><xacro:wheel_func wheel_name="left" flag="1" /><xacro:wheel_func wheel_name="right" flag="-1" /></robot>
2、Xacro文件转换成 urdf 文件
命令行进入 xacro文件 所属目录，执行:rosrun xacro xacro xxx.xacro, 会将 xacro 文件解析为 urdf 文件
<?xml version="1.0" ?><!-- =================================================================================== --><!-- | This document was autogenerated by xacro from demo01_helloworld.urdf.xacro | --><!-- | EDITING THIS FILE BY HAND IS NOT RECOMMENDED | --><!-- =================================================================================== --><robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><link name="left_wheel"><visual><geometry><cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/></geometry><origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/><material name="wheel_color"><color rgba="0 0 0 0.3"/></material></visual></link><!-- 3-2.joint --><joint name="left2link" type="continuous"><parent link="base_link"/><child link="left_wheel"/><!--x 无偏移y 车体半径z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径--><origin rpy="0 0 0" xyz="0 0.1 -0.0225"/><axis xyz="0 1 0"/></joint><link name="right_wheel"><visual><geometry><cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/></geometry><origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/><material name="wheel_color"><color rgba="0 0 0 0.3"/></material></visual></link><!-- 3-2.joint --><joint name="right2link" type="continuous"><parent link="base_link"/><child link="right_wheel"/><!--x 无偏移y 车体半径z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径--><origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.1 -0.0225"/><axis xyz="0 1 0"/></joint></robot>
其实相当于调用函数
二、Xacro语法详解
xacro 提供了可编程接口，类似于计算机语言，包括变量声明调用、函数声明与调用等语法实现。
在使用 xacro 生成 urdf 时，根标签robot中必须包含命名空间声明:xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"
1、属性与算数运算
用于封装 URDF 中的一些字段，比如: PAI 值，小车的尺寸，轮子半径 ....
相当于pytho中定义变量
属性定义
<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />属性调用
${属性名称}算数运算
${数学表达式}2、宏
类似于函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性
宏定义
<xacro:macro name="宏名称" params="参数列表(多参数之间使用空格分隔)">.....参数调用格式: ${参数名}</xacro:macro>
宏调用
<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>3.文件包含
机器人由多部件组成，不同部件可能封装为单独的 xacro 文件，最后再将不同的文件集成，组合为完整机器人，可以使用文件包含实现
文件包含
<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:include filename="my_base.xacro" /><xacro:include filename="my_camera.xacro" /><xacro:include filename="my_laser.xacro" />....</robot>
三、Xacro完整使用流程示例
需求描述:
使用 Xacro 优化 URDF 版的小车底盘模型实现
1、编写 Xacro 文件
<!--使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：实现思路:1.将一些常量、变量封装为 xacro:property比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 ....2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮--><!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro --><robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><!-- 封装变量、常量 --><xacro:property name="PI" value="3.141"/><!-- 宏:黑色设置 --><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material><!-- 底盘属性 --><xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径 --><xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 --><xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 --><xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 --><!-- 底盘 --><link name="base_footprint"><visual><geometry><sphere radius="${base_footprint_radius}" /></geometry></visual></link><link name="base_link"><visual><geometry><cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="yellow"><color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" /></material></visual></link><joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"><parent link="base_footprint" /><child link="base_link" /><origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" /></joint><!-- 驱动轮 --><!-- 驱动轮属性 --><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 --><xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 --><!-- 驱动轮宏实现 --><xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" /><axis xyz="0 1 0" /></joint></xacro:macro><xacro:add_wheels name="left" flag="1" /><xacro:add_wheels name="right" flag="-1" /><!-- 支撑轮 --><!-- 支撑轮属性 --><xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 --><!-- 支撑轮宏 --><xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" ><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><sphere radius="${support_wheel_radius}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" /><axis xyz="1 1 1" /></joint></xacro:macro><xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" /><xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" /></robot>
2、集成launch文件
<launch><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" /><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" /><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" /><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" /></launch>
加载robot_description时使用command属性，属性值就是调用 xacro 功能包的 xacro 程序直接解析 xacro 文件
3、实操
需求描述:
在前面小车底盘基础之上，添加摄像头和雷达传感器
实现分析:
机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。
实现流程:
-
首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
-
然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
-
最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型
1.摄像头和雷达 Xacro 文件实现
摄像头：demo06_camera.urdf.xacro
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><!--1、参数连杆属性：厚度、宽度、高度关节属性：x y z--><xacro:property name="camera_length" value="0.02" /><xacro:property name="camera_width" value="0.05" /><xacro:property name="camera_height" value="0.05" /><xacro:property name="joint_camera_x" value="0.08" /><xacro:property name="joint_camera_y" value="0" /><xacro:property name="joint_camera_z" value="${base_length / 2 + camera_height / 2}" /><!--2、设计连杆和关节--><link name="camera"><visual><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}"></geometry><material name="black"><color rgba="0 0 0 0.8" /></material></visual></link><joint name="camera2base" type="fixed"><parent link="base_link"/><child link="camera" /><origin xyz="${joint_camera_x} ${joint_camera_y} ${joint_camera_z}"></joint></robot>
雷达：demo07_laser.urdf.xacro
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /><xacro:property name="support_length" value="0.15" /><xacro:property name="support_radius" value="0.01" /><xacro:property name="joint_support_x" value="0.0" /><xacro:property name="joint_support_y" value="0.0" /><xacro:property name="joint_support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /><xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /><xacro:property name="laser_length" value="0.05" /><xacro:property name="joint_laser_x" value="0" /><xacro:property name="joint_laser_y" value="0" /><xacro:property name="joint_laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /><link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="yellow"><color rgba="0.8 0.5 0.0 0.8" /></material></visual></link><joint name="support2base" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="support" /><origin xyz="${joint_support_x} ${joint_support_y} ${joint_support_z}" /></joint><link name="laser"><visual><geometry><cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black"><color rgba="0 0 0 0.5" /></material></visual></link><joint name="laser2support" type="fixed"><parent link="support" /><child link="laser" /><origin xyz="${joint_laser_x} ${joint_laser_y} ${joint_laser_z}" /></joint></robot>
2、组合文件
car.urdf.xacro
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:include filename="demo05_car_base.urdf.xacro"/><xacro:include filename="demo06_camera.urdf.xacro"/><xacro:include filename="demo07_laser.urdf.xacro"/></robot>
3、launch文件
car.launch
<launch><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/car.urdf.xacro" /><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" /><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" /><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" /></launch>
运行launch文件：
注：
在编写xml文件的时候很容易出错，一定要注意输入规范，别打错字母了
文章转载自：URDF优化：xacro - 知乎 (zhihu.com)
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