ROSで始めるロボティクス（3） ー 差動二輪ロボットを準備する

実際のロボットを動かす前に、シミュレータで動かしてみましょう。
まずは、ロボットのモデリングです。

次のような２つのモーターと２つの車輪で動作する移動ロボットを定義しましょう。

では、「パッケージ」を作成しましょう。
パッケージは、「catkin_create_pkg」コマンドで作成します。
今回はmy_robo_descriptionという名前のパッケージにしましょう。my_robo_descriptionにはロボットの定義ファイルを配置することにします。

$ cs
$ mkdir my_robo
$ cd my_robo
$ catkin_create_pkg my_robo_description

このコマンドで必要なフォルダやファイルが作成されます。

ROSではURDFファイルでロボットを定義していきます。URDFファイルはXMLで記述します。

$ cd my_robo_description
$ gedit my_robo.urdf

まずは車体を作成しましょう。エディタが開いたら、次のように入力してください。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robo">
  <link name="base_link">

    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.400 0.200 0.100"/>
      </geometry>
    </visual>

    <collision>
      <geometry>
        <box size="0.400 0.200 0.100"/>
      </geometry>
    </collision>


  </link>
</robot>

各タグの説明をしましょう。
URDFではまず<robot>タグを一番外側に置きます。name属性でロボットの名前を指定しています。
<link>タグはロボットの部品です。<link>を組み合わせてロボットの構成を定義していきます。
<link>タグの中には<visual>と<collision>タグがあります。前者が見た目の設定、後者が実際のサイズ設定になります。ここでは<box>タグで20cm×40cm×10cmの四角い車体を定義しました。

では、このファイルを確認してみましょう。
確認のため、ROSの起動ファイル（ランチファイル）を作成します。ランチファイルはROSのコマンドをまとめて起動するためのスクリプトになります。

$ mkdir launch
$ cd launch
$ gedit display.launch

<launch>

  <arg name="model" default="$(find my_robo_description)/my_robo.urdf"/>
  <arg name="gui" default="True"/>
  <arg name="rvizconfig" default="$(find my_robo_description)/urdf.rviz"/>

  <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro.py $(arg model)"/>
  <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>


  <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
  <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

  <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(arg rvizconfig)" required="true"/>

</launch>

rvizというツールを起動してURDFを表示するスクリプトです。RVizはロボットの各種情報を視覚化する重要なツールです。この先も何度も登場します。

ではロボットのモデルを表示してみましょう。作成したランチファイルは「roslaunch」コマンドを使い次のように起動します。

$ roslaunch my_robo_description display.launch

rvizが起動します。
左ペインのDisplays->Global Options->Fixed Frameにbase_linkと入力します。

左下の「Add」ボタンをクリックし、rviz->RobotModelを選択しOKを押します。

追加すると、次のように、my_robo.urdfで定義した車体が表示されます。

RVizでCtrl＋sキーを押すと、現在の表示状態を保存することが出来ます。またRVizの終了時にも状態を保存するか訊かれます。ではRVizは終了してください。

では、次にタイヤを追加していきます。
エディタでmy_robo.urdfを開き、左のタイヤを表すLinkを追加します。

  <link name="left_wheel_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>

今度は<cylinder>タグで半径10cm、厚さが5cmの円柱を定義しました。

また、LinkとLinkは<Joint>タグで接続します。

車体Linkと左のタイヤLinkを<joint>タグで接続してみましょう。

  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel_link"/>
    <origin rpy="-1.5707 0 0" xyz="-0.100 0.130 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

<joint>タグではジョイントの性質をtypeで指定します。今回のようにタイヤの軸の場合、連続回転軸であるcontinuousを指定します。
<origin>タグではxyzでparentに対するジョイントの位置を指定し、rpyで軸の向きを決めます。
<axis>では回転する軸を指定します。

ここまでできたら一旦表示してみましょう。

$ roslaunch my_robo_description display.launch

Displaysより、RobotoModel->Links->balse_linkを展開します。Alphaに0.5を指定すると、車体が半透明になります。Show Axesにチェックを入れるとx軸(赤)y軸(緑)z軸(青)が表示されます。
このように、ロボットの座標系は、進行方向がｘ軸、横がy軸、上方向がz軸になっています。
left_wheel_linkも同じように表示してみましょう。

同じように右タイヤのLinkとJointを追加します。

  <link name="right_wheel_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_wheel_link"/>
    <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="-0.100 -0.130 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

次にキャスターとそのジョイントを追加します。

  <link name="caster_link">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.05"/>
      </geometry>
      <material name="green">
        <color rgba="0 1 0 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="caster_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="caster_link"/>
    <origin xyz="0.150 0 -0.050"/>
  </joint>

キャスターは球体で定義しました。球体は<sphere>タグで作成します。<joint>タグで、車体と接続します。

最後に足元を表すbase_footprintを定義しておきましょう。

<link name="base_footprint"/>
  <joint name="base_link_joint" type="fixed">
    <parent link="base_footprint"/>
    <child link="base_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.100"/>
  </joint>

これで動輪2つとキャスターをもった移動ロボットの完成です！！

次回はシミュレータ上でロボットを動かせるようにします。

ROSで始めるロボティクス（1） ー The Robot Operating System

ROSで始めるロボティクス（2） ー ROSのインストールとセットアップ

ROSで始めるロボティクス（3） ー 差動二輪ロボットを準備する

ROSで始めるロボティクス（4） ー シミュレータ上でロボットを動かしてみる

ROSで始めるロボティクス（5） ー GazeboでToFセンサーをシミュレーションする

ROSで始めるロボティクス（6） ー ROSでデプスカメラPMD CamBoard pico flexxを使う
ROSで始めるロボティクス（7） ー ロボットのための二次元mapを作る
ROSで始めるロボティクス（8） ー ロボットのナビゲーションを行う

参考文献：

ROSサイト

ROSではじめるロボットプログラミング ― 小倉 崇 (著) 

ROSプログラミング 単行本（ソフトカバー） ―  銭 飛 (著) 

詳説ROSロボットプログラミング ―  表 允晳, 倉爪 亮, 渡邊 裕太(著)　

140 180 https://4.bp.blogspot.com/-DXlHA1KmAAk/V-IEgMyvmBI/AAAAAAAAA0Y/V4lMR01Wd6YtQXhMRYOJQFzBrmqL_d6pACKgB/s1600/ros_start_title.png ROS , URDF

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