1 ROS 项目结构

1.1 catkin workspace

Catkin workspace 是创建、修改和编译 Catkin 软件包的目录。Catkin 的工作区可以直观地描述为一个仓库，其中包含各种 ROS 项目，便于系统的组织、管理和调用。

  • Create workspace:
mkdir -p ~/catkin_ws/src  # 创建文件夹
cd ~/catkin_ws/src        # 进入文件夹
catkin_init_workspace     # 将当前目录初始化为 ROS 工作区
cd ..                     # 返回父目录
catkin_make               # 在工作区中构建代码

catkin 的结构非常清晰。它包括三个路径：src、build 和 devel。在某些编译选项下，它还可能包含其他路径。但这三个文件夹是 catkin 编译系统的默认文件夹。它们的具体功能如下：

src/: ROS catkin 软件包（源代码包）

build/: catkin的缓存信息和中间文件 (CMake)

devel/: 生成的目标文件（包括头文件、动态链接库、静态链接库、可执行文件等）、环境变量

一个简单的工作区是这样的

workspace_folder/        -- WORKSPACE
  src/                   -- SOURCE SPACE
    CMakeLists.txt       -- 'Toplevel' CMake 文件，由 catkin 提供
    package_1/
      CMakeLists.txt     -- package_1 的 CMakeLists.txt 文件
      package.xml        -- package_1的package清单
    ...
    package_n/
      CMakeLists.txt     -- package_n 的 CMakeLists.txt 文件
      package.xml        -- package_n的package清单

1.2 ROS 软件包

包不仅是 Linux 上的软件包，也是 catkin 编译的基本单位。我们使用 catkin_make 来编译的对象就是每个 ROS 软件包。

+--PACKAGE
     +-- CMakeLists.txt
     +-- package.xml
     +-- src/
     +-- include/
     +-- scripts/
     +-- msg/
     +-- srv/
     +-- urdf/
     +-- launch/

  • CMakeLists.txt: 定义软件包的名称、依赖关系、源文件、目标文件和其他编译规则。它是软件包的重要组成部分。

  • package.xml: 描述软件包的名称、版本号、作者、依赖关系等信息，是软件包不可或缺的组成部分。

  • src/: 存储 ROS 源代码，包括 C++ 源代码 (.cpp) 和 Python 模块 (.py)

  • include/: 存储与 C++ 源代码相对应的头文件

  • scripts/: 存储可执行脚本，如 shell 脚本 (.sh) 和 Python 脚本 (.py)

  • msg/: 以自定义格式（.msg）存储信息

  • srv/: 以自定义格式（.srv）存储服务

  • urdf/: 存储机器人的模型描述（.urdf 或 .xacro）和 3D 模型文件（.sda、.stl、.dae 等）。

  • launch/: 存储启动文件（.launch 或 .xml）

创建自己的 package:

  • 命令格式:

catkin_create_pkg 命令会要求你输入软件包名称。如有必要，您还可以稍后添加其他依赖软件包：

catkin_create_pkg <package_name> [depend1] [depend2] [depend3]
  • 例如:
catkin_create_pkg beginner_tutorials std_msgs rospy roscpp

2 ROS 通信架构

2.1 Master and node（主机和节点）

1 Master（主机）

节点管理器。每个节点在启动前都必须向主节点注册，并管理节点之间的通信。

2 roscore

启动主控程序还将启动 rosout（日志管理）和参数服务器（参数管理器）

3 node（节点）

pkg 中的 ROS 进程和运行可执行文件的实例。

$rosrun [pkg_name] [node_name] # 启动
$rosnode list # 列出当前运行的节点信息
$rosnode info [node_name] # 显示节点的详细信息
$rosnode kill [node_name] # 结束一个节点

4 launch

启动主节点和多个节点

$roslaunch [pkg_name] [file_name.launch]

2.2 Service and Topic（服务和主题）

我们提供一些与 mycobot 互动的服务和话题。

1 Service

在命令行中输入:

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash # 添加环境变量
roslaunch mycobot_320_communication communication_service.launch

支持参数：

  • port：连接串行字符
  • baud：波特率

打开新的命令行:

# 显示活动服务信息
rosservice list

#/get_joint_angles
#/get_joint_coords
#/set_joint_angles
#/set_joint_coords
#/switch_gripper_status
#/switch_pump_status

相关命令和说明:

命令 详细说明
rosservice list 显示活动服务信息
rosservice info [service name] 显示指定服务的信息
rosservice type [service name] 显示服务类型
rosservice find [service name] 查找指定服务类型的服务
rosservice uri [service name] 显示 ROSRPC URI 服务
rosservice args [service name] 显示服务参数
rosservice call [service name] [parameters] 请求提供带输入参数的服务

2 主题

在命令行中输入:

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
roslaunch mycobot_320_communication communication_topic.launch

支持参数:

  • port：连接串行字符
  • baud：波特率

打开新的命令行：

# 显示活动服务信息
rostopic list

#/mycobot/angles_goal
#/mycobot/coords_goal
#/mycobot/angles_real
#/mycobot/coords_real
#/mycobot/pump_status
#/mycobot/gripper_status

相关命令和说明:

命令 详细说明
rostopic list 显示活动主题列表
rostopic echo [topic name] 实时显示指定主题的信息内容
rostopic find [type name] 显示带有指定类型信息的线程
rostopic type [topic name] 显示指定主题的信息类型
rostopic bw [topic name] 显示指定主题的信息带宽（带宽）
rostopic hz [topic name] 显示指定主题的信息数据发布周期
rostopic info [topic name] 显示指定主题的信息
rostopic pub [topic name] [message type] [parameters] 以指定的主题名称发布消息

服务与主题的区别:

服务 主题
同步 异步 同步
沟通模式 pub/sub server/client
基本协议 ROSTCP/ROSUDP ROSTCP/ROSUDP
反馈机制 No Yes
缓冲区 Yes No
实时 弱 强
节点关系 多对多 一对多
适用情景 数据传输 逻辑处理

您可以访问服务 和主题 了解有关使用这两项功能的更多信息

2.3 msg 和 srv 简介

  • msg：msg 文件是描述 ROS 消息字段的简单文本文件。
  • srv：srv 文件用于描述服务。它由两部分组成：请求（request）和响应（response）。

msg 文件保存在软件包的 msg 目录中，srv 文件保存在 srv 目录中。

1 rosmsg

rosmsg 是一种命令行工具，用于显示有关 ROS 消息类型的信息。

rosmsg 演示:

rosmsg show       # 显示信息描述
rosmsg info       # 显示信息
rosmsg list       # 列出所有消息
rosmsg md5        # 显示 md5 加密信息
rosmsg package    # 显示功能包下的所有信息
rosmsg packages   # 列出包含信息的功能包

  • rosmsg list 将列出当前 ROS 中的所有 msgs

  • rosmsg packages 列出包含信息的所有软件包

  • rosmsg package 列出软件包下的所有 msgs

//rosmsg package  # 软件包名称
rosmsg package turtlesim
  • rosmsg show 显示信息描述
//rosmsg show # 消息名称
rosmsg show turtlesim/Pose
# 结果:
float32 x
float32 y
float32 theta
float32 linear_velocity
float32 angular_velocity

  • rosmsg info 工作原理与 rosmsg 显示相同

  • rosmsg md5 一种确保数据传输一致性的检查算法

2 rossrv

rossrv 是一种显示 ROS 服务类型信息的命令行工具，其语法与 rosmsg 非常相似。

rossrv show       # 显示服务信息详情
rossrv info       # 显示服务信息
rossrv list       # 列出所有服务信息
rossrv md5        # 显示 md5 加密服务信息
rossrv package    # 显示软件包下的所有服务信息
rossrv packages   # 显示包含服务信息的所有软件包

  • rossrv list 将列出当前 ROS 中的所有 srv 消息

  • rossrv packages 列出包含服务信息的所有软件包

  • rossrv package 列出软件包下的所有 msgs

//rossrv package # 软件包名称
rossrv package turtlesim
  • rossrv show 显示信息描述
//rossrv show # 消息名称
rossrv show turtlesim/Spawn
# result:
float32 x
float32 y
float32 theta
string name
---
string name

  • rossrv info 效果与 rossrv show 相同

  • rossrv md5 对服务数据使用 md5 校验和（加密

3 URDF 简介

  • 统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format），简称 URDF。ROS 中的 urdf 包包含 URDF 的 C++ 解析器，URDF 文件以 XML 格式描述机器人模型。 *URDF 不能单独使用，需要与 Rviz 或 Gazebo 结合使用。URDF 只是一个需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形机器人模型的文件。

3.1 urdf 文件说明

代码示例:

这里只截取部分代码进行显示：

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

  <xacro:property name="width" value=".2" />

  <link name="env">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="10"/>
      <inertia
        ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0"
        iyy="1.0" iyz="0.0"
        izz="1.0"/>
  </inertial>
    <visual>
      <geometry>
         <!--- 0.0 0 -0.04  1.5708 3.14159-->
       <mesh filename="package://mycobot_description/urdf/mycobot/suit_env.dae"/>
      </geometry>
      <origin xyz = "0 0 0.0" rpy = "1.5708 0 -1.5708"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="joint1">
    <inertial>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.2"/>
      <inertia
        ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0"
        iyy="1.0" iyz="0.0"
        izz="1.0"/>
  </inertial>
    <visual>
      <geometry>
         <!--- 0.0 0 -0.04  1.5708 3.14159-->
       <mesh filename="package://mycobot_description/urdf/mycobot/joint1.dae"/>
      </geometry>
      <origin xyz = "0.0 0 0.02 " rpy = " 0 0 -1.5708"/>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
         <!--- 0.0 0 -0.04  1.5708 3.14159-->
       <mesh filename="package://mycobot_description/urdf/mycobot/joint1.dae"/>
        </geometry>
        <origin xyz = "0.0 0 0.02 " rpy = " 0 0 -1.5708"/>
    </collision>
  </link>

  <joint name="vision_joint" type="fixed">
    <axis xyz="0 0 0"/>
    <limit effort = "1000.0" lower = "-3.14" upper = "3.14159" velocity = "0"/>
    <parent link="env"/>
    <child link="joint1"/>
    <origin xyz= "0 0 0" rpy = "0 0 0"/>
  </joint>

<link name="world"/>
<joint name="fixed" type="fixed">
  <parent link="world"/>
  <child link="env"/>
</joint>

</robot>

可以看出，urdf 文件并不复杂，主要由 "link "和 "joint "两部分组成，这两部分不断重复。

link 元素描述了一个具有惯性、视觉特征和碰撞属性的刚体

3.2.1 属性

名字： 用于描述 link 本身的名称

3.2.2 内容

  • <inertial> (可选的)
    • 连杆的惯性特性
    • <origin> (可选，未指定时默认为身份)
      • 定义惯性参考系相对于连杆坐标系的参考坐标。该坐标必须在连杆重心处定义，其坐标轴不得与惯性主轴平行。
      • xyz (可选，默认为零向量) 表示在 x、y、z x、y、zx、y、z 方向上的偏移量，单位为米。
      • rpy(可选：defaults to identity if not specified) 表示坐标轴沿 RPY 方向的旋转角度，单位为弧度。
    • <mass> 连杆的质量特性
    • <inertia> 3×3 转动惯量矩阵，由六个独立量组成：ixx、ixx、ixz、iyy、iyz、izz。

  • <visual> (可选的)

    • 连杆的视觉属性。它用于指定连杆显示的形状（矩形、圆柱形等）。同一连杆中可以有多个视觉元素，连杆的形状由两个元素构成。一般来说，模型比较复杂，可以通过 soildwork 绘制生成 stl 调用，简单的形状如添加末端效应器可以直接编写。同时，可以根据理论模型与实际模型的差距调整几何图形的位置。
    • <namel> (可选的) 连杆几何形状的名称。

    • <origin> (可选，未指定时默认为身份)

      • 相对于连杆坐标系的几何坐标系。
      • xyz (可选：默认为零向量) 表示在 x、y、z x、y、zx、y、z 方向上的偏移量，单位为米。
      • rpy (可选：defaults to identity if not specified) 表示坐标轴沿 RPY 方向的旋转角度，单位为弧度。

    • <geometry> （必需）

      • 可视化的形状，可以是以下形状之一：
      • <box> 一个包含长、宽、高等元素的矩形。原点位于中心。
      • <cylinder> 圆柱体，元素包括半径和长度。原点中心。
      • <sphere> 球体，包含半径的元素。原点位于中心。
      • <mesh> 由文件确定的网格还提供了一个比例尺来定义其边界。建议使用 Collada .dae 文件，也支持 .stl 文件，但必须是本地文件。
    • <material> (可选)
      • 可视化组件的材料。它可以在链接标记之外定义，但必须在机器人标记之内。在链接标记外定义时，链接名称必须加引号。
      • <color>(可选) 颜色，由红/绿/蓝/α 组成，范围 [0,1]。
      • <texture>(可选) 材料属性，由文件定义。

  • <collision> (可选)

    • 连杆的碰撞属性。碰撞属性不同于连杆的视觉属性，通常使用简单的碰撞模型来简化计算。同一连杆可以有多个碰撞属性标签，连杆的碰撞属性表示由其定义的一组几何图形组成。
    • <name> (可选) 指定连杆几何形状的名称
    • <origin> (可选，defaults to identity if not specified)
      • 碰撞组件的参考坐标系是相对于链接坐标系的参考坐标系而言的。
      • xyz (可选, 默认零向量) 表示在 x、y、z x、y、zx、y、z 方向上的偏移量，单位为米。
      • rpy (可选, defaults to identity if not specified) 表示坐标轴沿 RPY 方向的旋转角度，单位为弧度。
    • <geometry> 与上述几何元素描述相同

详细的元素和每个元素的作用可登录 官方文档 查看

3.3 joint part

关节(JOINT)部分描述了关节的运动学和动力学特性，并规定了关节的安全限制。

3.3.1 joint 特性:

name：

指定关节的唯一名称

type：

指定接头类型，类型可以是以下之一：

  • revolute - 沿轴线旋转的铰链关节，其范围由上下限指定。
  • 棱柱形 Continuous - 连续铰接接头，可绕轴旋转，没有上下限。
  • 固定 Prismatic - 沿轴滑动的滑动接头，其滑动范围由上下限规定。所有自由度都被锁定。这种关节不需要轴、校准、动力学、限值或安全控制器。
  • 浮动 Floating - 该关节允许所有 6 个自由度的运动。
  • 平面 Plane - 该关节允许在垂直于轴线的平面内运动。

3.3.2 关节要素

  • <origin> (可选，defaults to identity if not specified) 在从父链接到子链接的转换中，接头位于子链接的原点。修改该参数可以调整连杆的位置。可用于调整实际模型与理论模型之间的误差，但不建议大幅修改，因为该参数会影响连杆 stl 的位置，容易影响碰撞检测效果。

    • xyz (可选: 默认为零向量) 代表 x、y、z 轴方向的偏移量，单位为米。
    • rpy (可选: 默认为零向量) 表示绕固定轴的旋转角度：滚动绕 x 轴，俯仰绕 y 轴，偏航绕 z 轴，用弧度表示。

  • <parent> (必需)

    • 父链接的名称是必填属性。
    • link
      父链接的名称是机器人结构树中链接的名称。

  • <child> (必需)

    • 子链接的名称是必填属性。
    • link
      子链接的名称是机器人结构树中链接的名称。

  • <axis>(可选: 默认为 (1,0,0))

    • 关节轴位于关节坐标系中。这是旋转轴（旋 转关节）、棱柱关节的运动轴和平面关节的标准平面。该轴在关节坐标系中指定。修改该参数可以调整关节绕其旋转的轴线。它通常用于调整旋转方向。如果模型旋转方向与实际旋转方向相反，只需乘以-1 即可。固定关节和浮动关节不需要这个元素。
    • xyz(必需)
      代表轴向量的 x , y , z x,y,zx,y,z 分量，为标准化的向量。

  • <calibration> (可选)

    • 关节的参考点，用于修正关节的绝对位置。
    • rising (可选) 当关节向前移动时，参考点会触发一个上升沿。
    • falling (可选) 当关节向前移动时，参考点触发下降沿。

  • <dynamics>(可选)

    • 该元素用于指定接头的物理属性。其值用于描述接头的建模性能，尤其是在模拟过程中。

<limit> (当关节是旋转或平移关节时必需)

  • 该元素是关节运动学约束。
  • lower (可选, 默认为 0) 指定关节运动范围下限的属性（旋转关节的单位是弧度，棱柱关节的单位是米）。连续关节忽略该属性。
  • upper (可选, 默认为 0) 指定关节运动范围上限的属性（旋转关节的单位是弧度，棱柱关节的单位是米）。连续关节忽略该属性。
  • effort (必需) 该属性指定了接头运行时的最大力。
  • velocity (必需) 该属性指定了联合运行时的最大速度。

<mimic>(可选)

  • 该标签用于指定一个已定义的 joint，以模仿现有 joint。该 joint 的值可通过以下公式计算： value = multiplier * other_joint_value + offset
  • joint(必需) 要模仿的关节名称。
  • multiplier(可选) 指定上述公式中的乘数系数。
  • offset(可选) 指定上述公式中的偏移项。默认值为 0

<safety_controller> (可选)

  • 该元素是安全控制限制。该元素下的数据将被读入 move_group，但实际上是无效的。Move_group 会跳过此限制，直接读取限制下的参数内容。同时，设置该元素可能会导致规划失败。
  • soft_lower_limit (可选, 默认为 0) 此属性指定联合安全控制边界的下限，即联合安全控制的起始限制点。该值必须大于上述限制的下限值。
  • soft_upper_limit (可选, 默认为 0) 该属性指定联合安全控制边界的上限，即联合安全控制的起始限制点。该值必须小于上述限制的上限值。
  • k_position(可选, 默认为 0) 该属性用于描述位置和速度之间的关系。
  • k_velocity(必需) 这一特性用于描述力和速度之间的关系。

详细的元素和每个元素的作用可以到 http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint查看。

4 常用命令工具

在 ROS 中，有许多常用的命令行工具，可以帮助您开发、调试和管理 ROS 节点等。下面是一些常用的 ROS 命令行工具：

4.1 编译工作区

caktin_make

4.2 roscore

启动 ROS 主节点，在运行 ROS 节点之前，通常需要先启动 roscore

roscore

4.3 rosrun

运行指定的 ROS 节点。

rosrun package_name node_name

4.4 roslaunch

使用启动文件启动一个或多个 ROS 节点。

roslaunch package_name launch_file.launch

4.5 rosnode

查看运行中的 ROS 节点信息。

rosnode list
rosnode info node_name

4.6 rostopic

查看有关运行 ROS 主题的信息。

rostopic list
rostopic echo topic_name

4.7 rosservice

查看和调用 ROS 服务。

rosservice list
rosservice call service_name

4.8 rosparam

获取和设置 ROS 参数。

rosparam get parameter_name
rosparam set parameter_name value

4.9 rosmsg

查看 ROS 消息类型。

rosmsg show message_type

4.10 rosdep

安装 ROS 软件包的依赖项。

rosdep install package_name

4.11 Environment variables

查看 ROS_PACKAGE_PATH 环境变量

echo $ROS_PACKAGE_PATH

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