2. 机器人URDF模型基础

URDF，全称是Unified Robot Description Format。说白了，它就是机器人的「身份证」加「骨架图」。你要让Gazebo和MoveIt认识你的机械臂，第一步就是得用URDF把它的样子说清楚。

我个人习惯把URDF理解成「搭积木」。你定义一堆零件（link），再用关节（joint）把它们连起来。嗯，就这么简单。

2.1 URDF语法：其实就两个核心标签

URDF是基于XML的。你只要掌握两个标签，就能搞定90%的建模工作：<link> 和 <joint>。

我刚开始学的时候，总想把所有参数一次性背下来。后来发现，记住核心结构就够了，细节查文档就行。来，先看一个最简机械臂的骨架：

<robot name="simple_arm">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder length="0.1" radius="0.05"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <joint name="joint1" type="revolute">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="arm_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 0 1"/>
    </joint>

    <link name="arm_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.02 0.2"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

你看，一个底座（base_link），一根手臂（arm_link），中间用一个旋转关节（joint1）连起来。这就是一个最简单的单关节机械臂。

我的小技巧：写URDF时，先把link的名字起好。我习惯用 base_link、link1、link2、end_effector 这种命名方式。名字乱了，后面调试MoveIt时会疯掉。

2.2 link定义：视觉、碰撞、惯性三件套

每个link都有三个核心部分：visual（视觉）、collision（碰撞）、inertial（惯性）。

我在项目中遇到过一个问题：机械臂在Gazebo里仿真时，明明看着没碰到东西，却一直报碰撞。后来发现，我只定义了visual，没定义collision。Gazebo默认用visual做碰撞检测，但形状对不上。所以，collision一定要单独定义。

来看一个完整的link定义：

<link name="arm_link">
    <!-- 视觉部分：你看到的样子 -->
    <visual>
        <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
            <box size="0.04 0.04 0.2"/>
        </geometry>
        <material name="blue">
            <color rgba="0 0 1 1"/>
        </material>
    </visual>

    <!-- 碰撞部分：物理引擎算碰撞用的 -->
    <collision>
        <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
            <box size="0.04 0.04 0.2"/>
        </geometry>
    </collision>

    <!-- 惯性部分：算动力学必须的 -->
    <inertial>
        <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
        <mass value="0.5"/>
        <inertia ixx="0.001" ixy="0" ixz="0"
                 iyx="0" iyy="0.001" iyz="0"
                 izx="0" izy="0" izz="0.001"/>
    </inertial>
</link>
注意：惯性矩阵（inertia）是新手最容易忽略的。如果你不写，Gazebo会报错。我曾经偷懒没算，随便填了个0.001，结果机械臂仿真时抖得像筛糠。后来老老实实按质量分布算了，才稳定下来。

2.3 joint定义：关节类型与坐标系

joint是连接link的桥梁。URDF支持6种关节类型，但机械臂最常用的是这几种：

类型 说明 典型用途
revolute 旋转关节，有角度限制 肩关节、肘关节
continuous 连续旋转关节，无限制 腕部旋转
prismatic 平移关节 滑轨、升降台
fixed 固定连接 传感器安装座

joint定义里，<origin> 和 <axis> 是最容易出错的。origin定义了子link相对于父link的位置偏移。axis定义了旋转轴的方向。

举个例子：

<joint name="shoulder_pan" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="shoulder_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="10" velocity="1"/>
</joint>

这里，shoulder_link 在 base_link 上方0.1米处，绕Z轴旋转。limit定义了关节的运动范围、最大力矩和速度。

避坑指南：我曾经把origin的rpy写反了，结果机械臂的关节朝向全乱了。记住，rpy的顺序是绕固定轴：先绕X轴（roll），再绕Y轴（pitch），最后绕Z轴（yaw）。不是你想的绕自身轴！

2.4 标准机械臂URDF建模实战

好了，理论说完了。咱们动手搭一个6轴机械臂。我以常见的协作臂结构为例：

先画个结构图，让你对整个骨架有个概念：

6轴机械臂URDF骨架结构 base_link J1 shoulder_link J2 arm_link J3 forearm_link J4 wrist_link J5 end_effector link joint

你看，从底座到末端，一层层往上搭。每个joint连接两个link，形成一个运动链。

下面是一个完整的6轴机械臂URDF片段（只展示关键部分）：

<robot name="six_axis_arm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!-- 底座 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder length="0.05" radius="0.08"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节1：腰部旋转 -->
    <joint name="joint1" type="revolute">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="link1"/>
        <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 0 1"/>
        <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="20" velocity="1.5"/>
    </joint>

    <link name="link1">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.06 0.06 0.15"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节2：肩部俯仰 -->
    <joint name="joint2" type="revolute">
        <parent link="link1"/>
        <child link="link2"/>
        <origin xyz="0 0 0.075" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
        <limit lower="-2.09" upper="2.09" effort="20" velocity="1.5"/>
    </joint>

    <!-- ... 后续关节类似，依次定义link3、link4、link5、link6 -->

    <!-- 末端执行器 -->
    <joint name="joint6" type="continuous">
        <parent link="link5"/>
        <child link="end_effector"/>
        <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 0 1"/>
    </joint>

    <link name="end_effector">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder length="0.02" radius="0.02"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>
我的建议：实际项目中，别手写这么长的URDF。用xacro宏定义，把重复的link和joint模板化。比如定义一个「标准连杆」宏，传个长度和颜色参数就行。我后来都是这么干的，省时省力。

2.5 验证你的URDF

写完了怎么知道对不对？ROS提供了两个好用的工具：

  • check_urdf：检查语法错误。我每次改完URDF，第一件事就是跑这个命令。
  • urdf_to_graphiz：生成结构图。能直观看到link和joint的层级关系。

用法很简单：

# 检查URDF
check_urdf my_arm.urdf

# 生成结构图
urdf_to_graphiz my_arm.urdf

如果一切正常，你会看到类似这样的输出：

robot name is: six_axis_arm
---------- Successfully Parsed XML ----------
root link: base_link has 1 child(ren)
    child(1):  link1
        child(1):  link2
            ...

嗯，看到「Successfully Parsed XML」就说明你的URDF没问题了。

曾经踩过的坑：有一次我改了URDF，忘了重新运行check_urdf，结果在Gazebo里加载时直接崩溃。排查了半天，发现是joint的parent和child写反了。所以，每次修改后，务必验证！

好了，URDF的基础就这些。说白了就是定义好每个零件的形状、位置、质量，然后用关节把它们串起来。下一节，我们会把这个URDF加载到Gazebo里，让它动起来。

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