فصل چهارم: بدنه ARCHO با URDF و Xacro

۴.۱قبل از کد: معماری کامل ARCHO

تا اینجا ARCHO فقط در ذهن ما و در چند Node ساده وجود داشت. از این فصل به بعد، برای اولین بار به آن یک بدنه فیزیکی می‌دهیم. اما قبل از باز کردن هر ویرایشگری، یک اشتباه رایج مبتدی‌ها را دور بزنیم: عجله برای نوشتن کد. یک مهندس رباتیک حرفه‌ای، قبل از هر خط کد، یک سؤال ساده می‌پرسد: «چه اجزایی دارم و این اجزا چطور به هم وصل می‌شوند؟»

ARCHO یک ربات دوچرخ محرک (Differential Drive) است: دو چرخ اصلی که هرکدام مستقل کنترل می‌شوند، و یک چرخ هرزگرد برای تعادل. اگر سرعت دو چرخ برابر باشد، ربات مستقیم می‌رود؛ اگر یکی سریع‌تر باشد، می‌چرخد؛ و اگر یکی جلو و دیگری عقب برود، ربات تقریباً حول محور خودش می‌چرخد — دقیقاً همان چیزی که برای مانور در راهروهای باریک انبار لازم است.

پروژه کامل ARCHO از هشت لایه تشکیل می‌شود که هرکدام روی لایه قبلی خودش بنا می‌شود:

۴.۲یک پروژه، پنج Package

در فصل دوم یک Package تنها برای یادگیری کافی بود. اما یک پروژه واقعی ربات معمولاً بین چند Package تقسیم می‌شود — دقیقاً همان‌طور که یک کارخانه بین چند بخش تخصصی تقسیم می‌شود، نه یک سالن بزرگ و شلوغ.

archo_ws/
└── src/
    ├── archo_description/   # بدنه ربات: URDF/Xacro، Mesh، RViz
    ├── archo_gazebo/        # دنیای شبیه‌سازی، Worldها
    ├── archo_bringup/       # Launch اصلی که همه را روشن می‌کند
    ├── archo_slam/          # تنظیمات SLAM و نقشه‌ها
    └── archo_navigation/    # تنظیمات Nav2

در این فصل فقط با archo_description کار داریم — Packageای که مسئول پاسخ به این سؤال است: «ربات چه شکلی است، چه قطعاتی دارد، و هر قطعه نسبت به بقیه کجاست؟»

cd ~/archo_ws/src
ros2 pkg create archo_description --build-type ament_cmake
cd archo_description
mkdir -p urdf meshes launch rviz config

۴.۳URDF و Xacro چه هستند

Xacro → URDF → robot_state_publisher → TF + RobotModel

فایل اصلی را می‌سازیم:

touch ~/archo_ws/src/archo_description/urdf/archo.urdf.xacro

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

خط xmlns:xacro="..." قابلیت‌های Xacro مثل <xacro:property> و <xacro:macro> را فعال می‌کند. هر Link، Joint و Macro باید بین همین تگ باز و بسته <robot> قرار بگیرد.

۴.۴base_footprint و base_link

اولین Frameای که می‌سازیم، بدنه واقعی ربات نیست — یک Frame فرضی روی سطح زمین است:

<link name="base_footprint"/>

۴.۵ساخت بدنه: Visual، Collision، Inertial

ابتدا ابعاد بدنه را به‌جای عدد ثابت، به‌صورت Property تعریف می‌کنیم — دقیقاً همان فلسفه Parameter که در فصل اول یاد گرفتیم، این‌بار در دنیای URDF:

<xacro:property name="base_length" value="0.50"/>
<xacro:property name="base_width"  value="0.36"/>
<xacro:property name="base_height" value="0.18"/>
<xacro:property name="base_mass"   value="12.0"/>

حالا خود base_link را با یک رنگ سفارشی می‌سازیم:

<material name="archo_blue">
  <color rgba="0.12 0.35 0.70 1.0"/>
</material>

<link name="base_link">
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="${base_length} ${base_width} ${base_height}"/>
    </geometry>
    <material name="archo_blue"/>
  </visual>

  <collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="${base_length} ${base_width} ${base_height}"/>
    </geometry>
  </collision>

  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="${base_mass}"/>
    <inertia
      ixx="${base_mass * (base_width*base_width + base_height*base_height) / 12.0}"
      ixy="0.0" ixz="0.0"
      iyy="${base_mass * (base_length*base_length + base_height*base_height) / 12.0}"
      iyz="0.0"
      izz="${base_mass * (base_length*base_length + base_width*base_width) / 12.0}"/>
  </inertial>
</link>

در پایان، دو Frame را با یک Fixed Joint به هم وصل می‌کنیم:

<joint name="base_footprint_joint" type="fixed">
  <parent link="base_footprint"/>
  <child link="base_link"/>
  <origin xyz="0 0 ${base_height / 2.0}" rpy="0 0 0"/>
</joint>

عدد ${base_height / 2.0} تصادفی نیست: چون Frame بدنه در مرکز Box قرار دارد، برای اینکه کف بدنه دقیقاً روی زمین بنشیند، مرکزش باید نصف ارتفاع بالاتر از base_footprint باشد.

۴.۶چرخ‌های محرک با یک Macro

چرخ‌های ARCHO با استوانه (Cylinder) ساخته می‌شوند. اما یک نکته ظریف وجود دارد: در URDF، محور طولی Cylinder به‌طور پیش‌فرض در راستای Z است، درحالی‌که چرخ باید حول محور Y بچرخد. پس Geometry را ۹۰ درجه حول X می‌چرخانیم.

<xacro:property name="pi" value="3.141592653589793"/>
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.09"/>
<xacro:property name="wheel_width" value="0.04"/>
<xacro:property name="wheel_mass" value="0.8"/>
<xacro:property name="wheel_y_offset" value="0.20"/>

به‌جای نوشتن یک بلوک تکراری برای چرخ چپ و دوباره برای چرخ راست، یک Macro می‌سازیم — دقیقاً همان اصل «تکرار نکن» که در برنامه‌نویسی هم رعایت می‌کنیم:

<xacro:macro name="drive_wheel" params="prefix y_position">
  <link name="${prefix}_wheel_link">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="${pi/2.0} 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
      <material name="wheel_black"/>
    </visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="${pi/2.0} 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="${wheel_mass}"/>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <inertia
        ixx="${wheel_mass * (3*wheel_radius*wheel_radius + wheel_width*wheel_width) / 12.0}"
        ixy="0" ixz="0"
        iyy="${wheel_mass * wheel_radius * wheel_radius / 2.0}"
        iyz="0"
        izz="${wheel_mass * (3*wheel_radius*wheel_radius + wheel_width*wheel_width) / 12.0}"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="${prefix}_wheel_link"/>
    <origin xyz="0 ${y_position} 0" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</xacro:macro>

<xacro:drive_wheel prefix="left"  y_position="${wheel_y_offset}"/>
<xacro:drive_wheel prefix="right" y_position="${-wheel_y_offset}"/>

۴.۷چرخ هرزگرد، LiDAR و IMU

دو چرخ محرک به‌تنهایی نمی‌توانند بدنه را متعادل نگه دارند؛ یک چرخ هرزگرد (Caster) کمکی لازم است. برای سادگی، آن را با یک کره می‌سازیم — کره اصطکاک جانبی کمتری دارد و شبیه‌سازی را پایدارتر می‌کند:

<link name="caster_link">
  <visual><geometry><sphere radius="0.04"/></geometry></visual>
  <collision><geometry><sphere radius="0.04"/></geometry></collision>
  <inertial>
    <mass value="0.15"/>
    <inertia ixx="0.000096" ixy="0" ixz="0" iyy="0.000096" iyz="0" izz="0.000096"/>
  </inertial>
</link>

<joint name="caster_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="caster_link"/>
  <origin xyz="-0.18 0 -0.05" rpy="0 0 0"/>
</joint>

حالا LiDAR و IMU — همان دو حسگری که در فصل اول واژه‌نامه‌شان را دیدیم، اینجا برای اولین بار Frame فیزیکی می‌گیرند:

<link name="laser_link">
  <visual><geometry><cylinder radius="0.045" length="0.04"/></geometry></visual>
  <collision><geometry><cylinder radius="0.045" length="0.04"/></geometry></collision>
  <inertial>
    <mass value="0.2"/>
    <inertia ixx="0.0002" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0002" iyz="0" izz="0.0002"/>
  </inertial>
</link>

<joint name="laser_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="laser_link"/>
  <origin xyz="0.12 0 0.16" rpy="0 0 0"/>
</joint>

<link name="imu_link">
  <visual><geometry><box size="0.04 0.03 0.015"/></geometry></visual>
</link>

<joint name="imu_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="imu_link"/>
  <origin xyz="0 0 0.11" rpy="0 0 0"/>
</joint>

ساختار درخت TF ما اکنون این شکل است:

این دقیقاً همان درخت TF است که در فصل پنجم به‌طور کامل درباره‌اش صحبت می‌کنیم.

۴.۸تبدیل و اعتبارسنجی مدل

یک فایل Xacro فقط زمانی مفید است که به URDF خالص تبدیل شود و اعتبارسنجی گردد. اول Workspace را Source کن:

برای دیدن نمودار کامل ساختار:

cd /tmp && urdf_to_graphiz archo.urdf && xdg-open archo.pdf

در آخر، فایل‌ها را طوری تنظیم کن که هنگام Build نصب شوند — این بخش را در CMakeLists.txt اضافه کن:

install(
  DIRECTORY urdf meshes launch rviz config
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME}
)

cd ~/archo_ws
colcon build --symlink-install --packages-select archo_description
source install/setup.bash
ros2 pkg prefix archo_description

۴.۹جمع‌بندی فصل چهارم

برای اولین بار، ARCHO از یک نام روی کاغذ به یک مدل هندسی معتبر تبدیل شد: بدنه‌ای با جرم و اینرسی درست، دو چرخ محرک متصل با Joint از نوع continuous، یک چرخ هرزگرد، و محل نصب مشخص برای LiDAR و IMU. هنوز ربات هیچ حرکتی نمی‌کند و در هیچ دنیای مجازی‌ای وجود ندارد — این دقیقاً کاری است که در فصل بعد با Gazebo انجام می‌دهیم.

ارتباط با پروژه اصلی

پروژه ARCHO اکنون یک فایل archo.urdf.xacro معتبر و اعتبارسنجی‌شده دارد که در همه فصل‌های بعدی — Gazebo، ros2_control، TF2، SLAM و Nav2 — به‌عنوان پایه فیزیکی ربات استفاده می‌شود.

فصل بعد چه چیزی اضافه می‌کند

در فصل پنجم، درخت TF که همین الان با URDF ساختیم را از نزدیک بررسی می‌کنیم: چطور ROS 2 موقعیت هر قطعه ربات را نسبت به بقیه — و نسبت به دنیا — دنبال می‌کند.

واژه‌نامه فصل چهارم

URDF

Unified Robot Description Format؛ قالب استاندارد توصیف ساختار فیزیکی ربات در ROS.

Xacro

لایه‌ای روی URDF که متغیر (Property)، محاسبه و Macro را اضافه می‌کند.

Link

یک قطعه صلب از ربات (بدنه، چرخ، حسگر).

Joint

رابطه حرکتی یا ثابت بین دو Link؛ انواع رایج: fixed، continuous، revolute.

base_footprint

Frame فرضی روی سطح زمین، بدون Roll/Pitch؛ مرجع اصلی Navigation.

base_link

Frame اصلی فیزیکی بدنه ربات؛ محل اتصال سایر قطعات.

check_urdf

ابزار خط فرمان برای اعتبارسنجی ساختار XML و درخت Link/Joint یک فایل URDF.

خطاهای رایج فصل چهارم — جمع‌بندی

• فراموش‌کردن نصف ارتفاع بدنه در Joint بین base_footprint و base_link.
• نوشتن اندازه‌ها با سانتی‌متر به‌جای متر.
• جرم یا Inertia صفر که در شبیه‌سازی فصل بعد باعث رفتار غیرواقعی می‌شود.
• فراموش‌کردن axis xyz="0 1 0" روی Joint چرخ‌ها.
• Build نکردن دوباره Package بعد از تغییر فایل Xacro.