使用Xacro简化URDF文件

如果我们直接使用前面介绍的方法编写复杂的机器人模型，会面临两个问题：

1. 冗余代码多：相同的参数（如轮子尺寸）在多处重复出现，修改时极易遗漏。

2. 计算繁琐：需要手动计算各种几何参数（如惯性矩阵），一旦设计调整，所有数据都要重新计算。

为了解决这些问题，ROS 提供了 Xacro (XML Macros) 功能包。你可以把 Xacro 看作是 URDF 的“升级版”或“模版语言”。它主要提供三大核心功能来简化设计流程：

• 常量 (Properties)：定义变量，一处修改，全局生效。

• 数学计算 (Math)：在 XML 中直接进行加减乘除。

• 宏 (Macros)：类似于编程中的“函数”，用于封装重复的模块（如封装一个通用的“轮子”模块）。

我们首先学习 Xacro 的基础用法：基础与文件转换、常量与数学计算。

Xacro 基础与文件转换

Xacro 文件本质上是 XML 文件，通常以 .xacro 为后缀。在使用前，必须确保文件头部包含 Xacro 的命名空间声明。

1. 必要的头部声明

每一个可运行的 Xacro 文件，其顶部的 <robot> 标签必须包含 xmlns:xacro 声明。 示例：

<?xml version="1.0"?> 
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="my_robot">
    </robot>

注意：如果没有这一行，系统将无法识别 Xacro 语法，解析会报错。

2. 将 Xacro 转换为 URDF

计算机和仿真器最终只认识 .urdf 文件。因此，我们需要将编写好的 .xacro 文件“翻译”成 .urdf 文件。

方法一：手动转换（命令行） 在终端中使用以下命令，用于检查生成的 URDF 是否正确：

xacro model.xacro > model.urdf

方法二：自动转换（在 Launch 文件中） 在 ROS2 的启动文件中，不需要手动生成中间文件，而是使用 Command 指令在运行时动态生成 URDF。这种做法能保证模型永远是最新的，且不占用硬盘空间。

Launch 文件编写示例 (display.launch.py):

import os
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue

def generate_launch_description():
    # 1. 获取 xacro 文件路径
    pkg_share = get_package_share_directory('turtlebot3_description')
    xacro_file = os.path.join(pkg_share, 'urdf', 'turtlebot3_burger.urdf.xacro')
    
    # 2. 核心步骤：使用 Command 指令运行 xacro
    # 这相当于在终端执行 "xacro path/to/file.xacro"
    robot_description_config = Command(['xacro ', xacro_file])
    
    # 3. 创建 robot_state_publisher 节点
    params = {'robot_description': ParameterValue(robot_description_config, value_type=str)}
    
    node_robot_state_publisher = Node(
        package='robot_state_publisher',
        executable='robot_state_publisher',
        output='screen',
        parameters=[params]
    )

    return LaunchDescription([
        node_robot_state_publisher
    ])

启动文件中必不可少的就是 robot_state_publisher 节点，该节点位于robot_state_publisher 功能包中。它的核心作用是将静态的模型文件与动态的关节数据结合起来：

• 输入：它读取 URDF 文件（知道骨架长什么样）和 /joint_states 话题（知道当前关节转了多少度）。

• 处理：利用正向运动学，实时计算出机器人每一个部件（Link）在三维空间中的确切位置。

• 输出：将计算结果发布到 TF（坐标变换树） 中，告诉 Rviz、导航等组件机器人现在的具体姿态。

URDF 好比图纸，关节角度是数据，robot_state_publisher 负责把它们变成机器人在空间中的实时姿态。

使用常量 (Property)

在设计机器人底盘时，假设有一个圆柱体 base_link。按照之前介绍的方法，我们需要在 <visual>和 <collision>中分别写一次尺寸,为了简化这个过程，我们可以使用 Xacro 常量：

使用之前的方法：

<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
        <material name="blue"/>
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

使用 Xacro 常量：

我们可以使用 <xacro:property> 标签定义常量，然后使用 ${名称} 的语法来调用它。

<xacro:property name="width" value="0.2" />
<xacro:property name="bodylen" value="0.6" />

<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
        </geometry>
        <material name="blue"/>
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder radius="${width}" length="${bodylen}"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

${} 内部的值不仅可以是数字，也可以用于字符串拼接：

<xacro:property name="robotname" value="marvin" />

<link name="${robotname}s_leg" />

使用数学运算 (Math)

Xacro 允许在 ${} 内部直接进行数学运算，这意味着我们只需定义基础参数（如直径），其他参数（如半径）可以让系统自动计算。

支持的运算：

• 基本运算：加 (+)、减 (-)、乘 (*)、除 (/)、取负 (-)

• 常用函数：sin, cos, sqrt (开方), pi (圆周率) 等

示例：

1. 自动计算半径：

   如果我们得到了轮子的直径，但 编写 URDF 需要半径，可以通过Xacro自动计算得到：

   <xacro:property name="wheel_diameter" value="0.1" />
   <cylinder radius="${wheel_diameter / 2}" length="0.05"/>

2. 几何位置计算：

   假设你需要将轮子安装在底盘边缘，可以使用公式自动推算位置：

   <xacro:property name="width" value="0.2" />
   <origin xyz="${width / 2 + 0.02} 0 0.25" />

通过使用常量和数学运算， URDF 文件不仅代码量会显著减少，而且具备了“参数化设计”的能力，修改机器人尺寸将变得非常简单。

Xacro 宏

宏（Macro）是 Xacro 中最强大、最实用的功能。 如果你有编程基础，可以把宏理解为函数：

1. 它可以封装一段重复使用的代码（比如一个轮子的定义）。

2. 它可以接收参数（比如轮子的名字、位置、左右方向）。

3. 调用宏时，系统会自动展开成完整的 URDF 代码。

1. 简单宏 (无参数)

我们先看一个最简单的宏，它不接收任何参数，仅仅是封装了一段固定的 XML 代码：

<xacro:macro name="default_origin">
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
</xacro:macro>

调用宏：

<xacro:default_origin />

生成的 URDF 结果：

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

注意： name 属性是必须的，它相当于函数名，调用时语法为 <xacro:宏名称 />。

2. 参数化宏 (带参数)

宏的真正优势在于参数化，通过传入不同的参数，我们可以用同一个宏生成不同的部件（例如：不同质量的物体，或者不同名字的连杆）。

(1). 普通参数

这是一个封装了惯性矩阵（Inertial）的宏，它接收一个参数 mass（质量）。

定义宏：

<xacro:macro name="default_inertial" params="mass">
    <inertial>
        <mass value="${mass}" />
        <inertia ixx="1e-3" ixy="0.0" ixz="0.0"
                 iyy="1e-3" iyz="0.0"
                 izz="1e-3" />
    </inertial>
</xacro:macro>

调用宏：

<xacro:default_inertial mass="10"/>

(2). 块参数 (Block Parameters)

有时候我们不仅想传入数字或字符串，还想传入整段 XML 代码块（例如，传入一个几何形状 <cylinder ... /> 或者 <box ... />）。这时我们需要在参数名前加 * 号。

定义宏：

<xacro:macro name="blue_shape" params="name *shape">
    <link name="${name}">
        <visual>
            <geometry>
                <xacro:insert_block name="shape" />
            </geometry>
            <material name="blue"/>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <xacro:insert_block name="shape" />
            </geometry>
        </collision>
    </link>
</xacro:macro>

调用宏：

<xacro:blue_shape name="base_link">
    <cylinder radius="0.42" length="0.01" />
</xacro:blue_shape>

宏的实际应用示例

Xacro 在机器人建模中最经典的用法是通过数学计算和镜像参数，快速生成对称部件（如左腿和右腿，左轮和右轮）。

假设我们要创建机器人的两条腿。

• 腿的形状是一样的（Box）。

• 除了安装位置的 Y 轴坐标相反（一个在左，一个在右），其他属性都相同。

可以利用 prefix（前缀）来区分名字，利用 reflect（反射系数）来处理对称坐标。

<xacro:macro name="leg" params="prefix reflect">

    <link name="${prefix}_leg">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${leglen} 0.1 0.2"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 -${leglen/2}" rpy="0 ${pi/2} 0"/>
            <material name="white"/>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="${leglen} 0.1 0.2"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 -${leglen/2}" rpy="0 ${pi/2} 0"/>
        </collision>
        <xacro:default_inertial mass="10"/>
    </link>

    <joint name="base_to_${prefix}_leg" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="${prefix}_leg"/>
        <origin xyz="0 ${reflect * (width + 0.02)} 0.25" />
    </joint>

</xacro:macro>

<xacro:leg prefix="right" reflect="1" />

<xacro:leg prefix="left" reflect="-1" />

关键技巧总结

1. 名称前缀 (Prefix)： 使用 ${prefix}_leg 这样的写法，可以避免为左腿和右腿分别写两套代码，保证了命名的一致性。

2. 数学计算原点 (Math in Origin)： 在 <origin> 标签中使用数学公式，当机器人整体尺寸（如 width）发生变化时，腿的安装位置会自动调整，无需手动重新计算坐标。

3. 镜像反射 (Reflect)： 这是 URDF/Xacro 中处理对称结构的“杀手锏”。

   • 将 reflect 设置为 1 或 -1。

   • 在坐标计算中乘以该系数（例如 y="${reflect * offset}"），即可轻松把部件放置在身体的两侧。