ROS 2 互操作

rrbot 是一个带有旋转关节的双连杆机械臂，本教程以它为例，演示 ROS 2 与 Gazebo Sim 的互操作。

概览

本教程利用 ROS 2 的通信和控制机制与机器人交互。Gazebo 作为仿真环境，为 rrbot 机械臂提供物理仿真和可视化。机器人模型使用 SDFormat（Simulation Description Format，仿真描述格式）描述，定义了机器人的结构、关节、连杆及其属性。Gazebo 的物理引擎负责仿真机器人的动力学，而 ROS 2 的可视化工具 RViz 则基于控制节点发布的数据来显示机器人模型及其运动，两者共用同一个机器人描述文件。可以通过 ROS 2 命令与 rrbot 交互，移动机械臂或获取关节状态信息。

前置条件

要继续本教程，需要安装好可用的 ROS 2 和 Gazebo。请先按照安装 Gazebo 和 ROS 文档操作。
对 ROS 概念和终端命令有基本的了解。
开始本教程前，请先阅读 ROS 2 集成，熟悉 ros_gz_bridge。

环境搭建

新建一个 ROS 2 Python launch 文件，或在项目的主 launch 文件中添加以下节点。目标是实现：

一套机器人模型开发和测试环境
配置 RViz（以及其他 ROS 2 工具）来控制由 Gazebo 世界仿真的机器人模型

注意：本教程的完整源代码可以在 ros_gz_example_bringup 包的 launch 文件中找到。

实现

将机器人描述加载到参数服务器

加载机器人描述文件，在参数服务器上设置 robot_description 参数。

    sdf_file = os.path.join(pkg_project_description, 'models', 'rrbot', 'model.sdf')
    with open(sdf_file, 'r') as infp:
        robot_desc = infp.read()

启动状态发布节点

要发布和控制机器人位姿，需要机器人的关节状态。

joint_state_publisher 示意图

joint_state_publisher 从参数服务器读取 robot_description 参数，找出所有非固定关节，并发布一条包含所有这些关节定义的 JointState 消息。

 joint_state_publisher_gui = Node(
     package='joint_state_publisher_gui',
     executable='joint_state_publisher_gui',
     name='joint_state_publisher_gui',
     arguments=[sdf_file],
     output=['screen']
 )

在 RViz 中可视化，并借助 joint_state_publisher_gui，通过滑块调整关节状态和位姿来配置机器人模型。

节点 API 请参见文档。该功能在模型开发的初始阶段非常有用。至此，已经实现了环境搭建中定义的第一个目标。
如果需要进一步可视化机器人的运动，就还需要位置和变换信息。robot_state_publisher 以机器人的描述和关节角度为输入，利用机器人的运动学树模型发布机器人各连杆的 3D 位姿。
```
robot_state_publisher = Node(
    package='robot_state_publisher',
    executable='robot_state_publisher',
    name='robot_state_publisher',
    output='both',
    parameters=[
        {'use_sim_time': True},
        {'robot_description': robot_desc},
    ]
)
```
这些 3D 位姿通过 /tf 话题发布，可用于跟踪和规划机器人的运动、在机器人不同部分之间通信，以及评估机器人的性能。

配置通信桥接

这些关节状态既可以像前面那样来自 joint_state_publisher，也可以来自仿真中 JointStatePub 系统发布的 joint_state 消息。

通过在节点配置中添加 remapping（重映射），或创建 bridge.yaml，即可配置 ROS 话题 /joint_states 与 Gazebo 话题 /world/demo/model/diff_drive/joint_state 之间的桥接：

- ros_topic_name: "/joint_states"
  gz_topic_name: "/world/demo/model/diff_drive/joint_state"
  ros_type_name: "sensor_msgs/msg/JointState"
  gz_type_name: "gz.msgs.Model"
  direction: GZ_TO_ROS

更多关于桥接的信息，请参阅 ROS 2 集成。

维护单一的机器人描述格式

在 ROS 2 工具中使用现有仿真资源的主要痛点，是把 URDF 文件转换为 Gazebo 可读的格式。如今已不再需要这一步骤。如果项目同时维护 URDF 和 SDF 文件，可以放弃 URDF，只使用 SDF 即可同时服务于 ROS 和 Gazebo。

这得益于 sdformat_urdf：它是一个解析器插件库，能将 SDF 文件转换为 URDF C++ DOM 结构，使其能被 ROS 2 生态系统理解。不过该插件也有一些限制，比如并非所有 SDFormat 标签都兼容。例如，如果关节上挂载了传感器，就不会被解析。更多细节见该仓库。

要启用这一功能，只需把 SDFormat 文件内容发布到 /robot_description 这个 ROS 话题上，ROS 会自动找到合适的解析器——此处即 sdformat_urdf——来读取该文件。前面的 robot_state_publisher 配置中已经完成了这一步。

运行 RViz 和 Gazebo

环境搭建中定义的第二个目标，本质上是只维护一种机器人描述格式，并直接用 Gazebo 控制它。仿真器使用机器人的 SDFormat XML 描述发布模型的关节状态，robot_state_publisher 负责将这些关节状态转换为 tf，供 RViz 和其他 ROS 工具使用。由此即可在 RViz 中可视化 Gazebo 仿真模型。

Gazebo 与 RViz 同步显示

结论

按照本教程的步骤配置，即可增强现有的 ROS 和 Gazebo 项目。ros_gz_project_template 为 ROS 2 和 Gazebo 项目提供了结构化的组织方式，包括必要的目录、构建文件和 launch 脚本。模板使用指南请参阅使用 ros_gz_project_template 进行 ROS 2 和 Gazebo 开发入门。