ROS 2 & URDF 介紹

 

一、ROS 2 介紹

ROS 2 (Robot Operating System 2) 是 ROS 的下一代版本，專門為機器人應用提供：

• 通訊中介：基於 DDS (Data Distribution Service)，支援多平台即時分散式通訊。

• 跨平台：支援 Linux、Windows、macOS，也能搭配 micro-ROS 在微控制器上運行。

• 模組化設計：機器人系統可拆分成多個 node（節點），透過 topic/service/action 進行通訊。

• 常見應用：

  • 感測器整合（IMU、LiDAR、Camera）

  • 機器人模擬（Gazebo, Ignition）

  • 移動規劃與導航（Nav2, MoveIt2）

  • 自動化控制（differential drive, manipulator arm）

在 ROS 2 中，機器人的描述通常使用 URDF 或 Xacro 檔案來定義機械結構。

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二、URDF 介紹

URDF (Unified Robot Description Format) 是一種 XML 格式，用來描述機器人模型，包括：

1. Link（連桿）

   • 機器人的剛體部分，例如底盤、輪子、手臂。

   • 可以定義質量 (mass)、慣性 (inertia)、外觀 (visual)、碰撞模型 (collision)。

2. Joint（關節）

   • 定義連接兩個 link 的方式。

   • 類型：revolute（轉動）、prismatic（直線滑動）、continuous（無限制旋轉）、fixed（固定）。

3. Sensor（感測器）

   • 可以在 URDF 裡嵌入 plugin（例如 camera、LiDAR）。

範例（簡化版四輪車底盤與輪子）：

<robot name="four_wheel_bot">
  <!-- Base link -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.5 0.3 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- Left wheel -->
  <link name="left_wheel"/>
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="0.2 0.15 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</robot>

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三、Xacro 介紹

Xacro (XML Macros) 是一種擴展 URDF 的語法，讓 URDF 更靈活：

• 可重複使用：用 <xacro:macro> 定義模板。

• 參數化：用 <xacro:property> 定義可調整的參數。

• 計算能力：可以用數學運算（*, /, +, -）。

Xacro 檔會在執行時轉換成標準 URDF。

範例（輪子模板）：

<xacro:macro name="wheel" params="name x y">
  <link name="${name}_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="${name}_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="${name}_wheel"/>
    <origin xyz="${x} ${y} 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</xacro:macro>

<robot name="car" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">
  <link name="base_link"/>
  <xacro:wheel name="left"  x="0.2" y="0.15"/>
  <xacro:wheel name="right" x="0.2" y="-0.15"/>
</robot>

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四、ROS 2 中的使用方式

1. Xacro 轉 URDF

   ros2 run xacro xacro my_robot.xacro -o my_robot.urdf
   

2. 啟動 robot_state_publisher（讓 RViz/Gazebo 讀取模型）

   ros2 launch my_robot_description display.launch.py
   

3. 整合 Gazebo 模擬

   • 在 URDF/Xacro 中加上 <gazebo> plugin。

   • 用 ros2 launch 啟動 Gazebo 與模型。

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要不要我幫你整理一張 URDF vs Xacro 功能比較表（表格形式），讓你一眼就看懂它們的差異？