第8章 实验指导书：URDF/Xacro 机器人建模

当前仓库仿真验证：Xacro 模型与 Gazebo/RViz 对照

实验目标

验证 Xacro 展开、Robot State Publisher 和 RViz RobotModel，并将课程自定义 URDF 与 robot_sim_demo 的 TurtleBot3 Burger SDF 模型进行对照。

运行步骤

source /opt/ros/jazzy/setup.bash
source install/setup.bash
ros2 run xacro xacro src/urdf_demo_ros2/urdf/mybot.xacro > /tmp/mybot.urdf
xmllint --noout /tmp/mybot.urdf
ros2 launch urdf_demo_ros2 display_xacro.launch.py \
  use_gui:=false use_rviz:=true

另开终端查看 Gazebo 模型：

ros2 launch robot_sim_demo gazebo2.launch.py \
  gui:=true rviz:=false drive:=false

观察与验收

RViz 应显示 Xacro 模型及其 TF；Gazebo 显示 TurtleBot3 Burger 传感器模型。源码：src/urdf_demo_ros2/urdf/、src/robot_sim_demo/models/turtlebot3_burger/model.sdf。

实际运行证据

真实运行的 Xacro 展开、XML 校验和 RobotModel/TF 启动输出：

原始录制：ch08_urdf.cast。

实验课时：2 课时（90 分钟） | XBot-U 模型

实验目标

1. 编写基础 URDF 描述机器人结构
2. 使用 XACRO 宏实现参数化建模
3. RViz2 可视化完整机器人模型

练习 8.1：基础 URDF 编写（约 30 分钟）

任务

编写一个简单差速机器人 URDF，包含：

• base_link：底盘长方体 (0.4×0.3×0.15)，蓝色，mass=5kg
• left_wheel_link / right_wheel_link：两个轮子 (cylinder, r=0.05, l=0.03)
• left_wheel_joint / right_wheel_joint：continuous 类型
• caster_wheel_link：万向轮 (sphere, r=0.02)

步骤

1. 在 lab_code/ch08_lab/urdf_demo/urdf/ 下创建 simple_robot.urdf
2. 运行 xacro 解析验证：xacro urdf/simple_robot.urdf
3. 使用 check_urdf 工具验证语法：check_urdf <(xacro urdf/simple_robot.urdf)

提示

<geometry>
  <cylinder radius="0.05" length="0.03"/>
</geometry>
<!-- 圆柱体默认沿 Z 轴，需要 rpy 旋转到 Y 轴 -->
<origin xyz="0 0.15 0" rpy="1.5708 0 0"/>

练习 8.2：XACRO 参数化建模（约 30 分钟）

任务

将练习 8.1 的 URDF 改写为 XACRO 文件 simple_robot.xacro：

1. 定义 <xacro:property>：wheel_radius, wheel_width, chassis_length, chassis_width, chassis_height
2. 编写 <xacro:macro name="wheel" params="name reflect"> 消除重复代码
3. 实例化左右轮：<xacro:wheel name="left" reflect="1"/>

步骤

1. 编写 simple_robot.xacro，参考 lab_code/ch08_lab/urdf_demo/urdf/simple_robot.xacro
2. 运行 ros2 launch urdf_demo display.launch.py 启动 RViz2
3. 修改参数值（如 wheel_radius），观察模型变化

练习 8.3：RViz2 可视化机器人模型（约 30 分钟）

任务

配置 RViz2 完整显示机器人模型。

步骤

1. 在 RViz2 中添加 RobotModel 插件
2. 设置 Description Topic 为 /robot_description
3. 添加 TF 插件显示坐标系
4. 将 Fixed Frame 设为 base_link
5. 运行 joint_state_publisher_gui，拖动滑块测试关节运动
6. 保存 RViz 配置到 urdf_demo/rviz/display.rviz

思考题

1. robot_state_publisher 和 joint_state_publisher 的分工有何不同？
2. 如果 RViz 显示 "No transform from [left_wheel] to [base_link]"，可能是什么原因？
3. XACRO 宏中的 *origin 参数传递 block 时如何实现默认值？

练习 4：XACRO 自定义标记 — 为 XBot-U 添加视觉标记（约 15 分钟）

目标

修改 XBot-U 的 xacro 文件，在 base_link 上方添加一个红色球体标记，并在 RViz 中可视化。

步骤

步骤1：编辑 xacro 文件 在 base_link 的 xacro 定义中添加 marker link 和 joint：

<link name="custom_marker">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.03"/>
    </geometry>
    <material name="red_marker">
      <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
    </material>
  </visual>
</link>
 
<joint name="marker_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="custom_marker"/>
  <origin xyz="0 0 0.3" rpy="0 0 0"/>
</joint>

步骤2：启动 RViz 验证

ros2 launch urdf_demo display.launch.py

在 RViz 中添加 RobotModel，确认红色球体出现在机器人顶部。

步骤3：修改 marker 位置和颜色 改变 <origin xyz="..." /> 和 <color rgba="..." /> 参数，重新启动观察变化。

✓ 验证：RViz 中 XBot-U 模型顶部显示自定义红色球体标记，位置正确。

思考题

1. 如何在 xacro 宏中定义一个参数化的 marker，支持不同颜色和大小？
2. <visual> 和 <collision> 有什么区别？为什么 marker 可以省略碰撞？