4. 仿真建模基础

URDF，全称 Unified Robot Description Format，是 ROS 生态里描述机器人结构的标准语言。说白了，它就是一份 XML 文件，告诉仿真器你的机器人长什么样、关节怎么动、质量分布在哪。

我刚开始做人形机器人仿真时，觉得 URDF 就是个「零件清单」。后来踩了不少坑才明白——URDF 写得好不好，直接决定了仿真能不能跑起来、跑得稳不稳。

4.1 定义 link：给机器人「长肉」

每个 link 代表一个刚体部件。你需要告诉 URDF 三件事：几何形状、视觉外观、物理属性。

我个人习惯先画几何，再调惯性参数。因为惯性参数直接影响仿真稳定性——你想想看，如果质心位置写错了，机器人站着都会倒。

<link name="torso_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.4 0.25 0.3"/>
    </geometry>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <material name="torso_mat">
      <color rgba="0.8 0.8 0.8 1.0"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <geometry>
      <box size="0.4 0.25 0.3"/>
    </geometry>
  </collision>
  <inertial>
    <mass value="8.0"/>
    <inertia ixx="0.15" ixy="0.0" ixz="0.0"
             iyy="0.12" iyz="0.0"
             izz="0.10"/>
  </inertial>
</link>

4.2 定义 joint：给机器人「装关节」

joint 是 URDF 的灵魂。它决定了两个 link 之间怎么动。人形机器人常用的 joint 类型就三种：

关节类型	自由度	典型应用	注意事项
revolute	1 旋转	肩关节、髋关节、膝关节	必须设置 limit
continuous	1 无限旋转	头部旋转（可选）	不需要 limit
fixed	0	躯干与腰部连接	刚性连接

嗯，这里要注意——revolute 关节必须配置 limit，否则 Gazebo 会报错。我曾经因为忘了写膝关节的 limit，仿真器直接崩溃，排查了半天才发现问题。

<joint name="left_shoulder_joint" type="revolute">
  <parent link="torso_link"/>
  <child link="left_arm_link"/>
  <origin xyz="0.2 0.15 0.1" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="30.0" velocity="2.0"/>
  <dynamics damping="0.1" friction="0.05"/>
</joint>

4.3 配置关节限位：别让机器人「掰断」自己

关节限位是安全红线。人形机器人的关节活动范围有限，写大了仿真会穿模，写小了动作做不出来。

我整理了一份常用限位参考表，基于我做过的一个 1.2m 高的人形机器人项目：

关节	下限 (rad)	上限 (rad)	最大力矩 (Nm)	最大速度 (rad/s)
肩关节（俯仰）	-2.09	2.09	30	3.0
肩关节（外展）	-0.52	1.57	25	2.5
肘关节	-2.09	0.0	20	2.0
髋关节（俯仰）	-1.57	1.57	50	3.0
膝关节	-2.09	0.0	60	2.5
踝关节	-0.79	0.79	30	2.0

4.4 惯性参数：仿真稳定的「隐形之手」

惯性参数是 URDF 里最容易糊弄、也最容易出问题的地方。说白了，它决定了机器人「有多重、重心在哪、转动惯量多大」。

三个关键参数：

• mass：质量，单位 kg。每个 link 都要写，不能为 0。
• origin：质心位置，相对于 link 坐标系。默认是 (0,0,0)，但实际零件质心往往有偏移。
• inertia：转动惯量矩阵，6 个独立分量（ixx, ixy, ixz, iyy, iyz, izz）。

我见过有人把所有 link 的 inertia 写成一样的，结果仿真时机器人像果冻一样抖动。为什么会这样？因为惯性矩不匹配，物理引擎算出来的动力学响应是错的。

<!-- 左臂 link 的惯性参数 -->
<inertial>
  <mass value="2.5"/>
  <origin xyz="0.0 0.0 -0.1"/>
  <inertia ixx="0.02" ixy="0.0" ixz="0.0"
           iyy="0.015" iyz="0.0"
           izz="0.008"/>
</inertial>

4.5 完整 URDF 文件结构

把上面所有零件拼起来，就是一个完整的人形机器人 URDF。我建议按这个顺序组织：

1. 头部：head_link + head_joint（连接躯干）
2. 躯干：torso_link（根节点）
3. 左臂：left_arm_link + left_shoulder_joint → left_forearm_link + left_elbow_joint
4. 右臂：right_arm_link + right_shoulder_joint → right_forearm_link + right_elbow_joint
5. 左腿：left_leg_link + left_hip_joint → left_shank_link + left_knee_joint → left_foot_link + left_ankle_joint
6. 右腿：right_leg_link + right_hip_joint → right_shank_link + right_knee_joint → right_foot_link + right_ankle_joint

<robot name="humanoid_robot">
  <!-- 头部 -->
  <link name="head_link">...</link>
  <joint name="head_joint" type="fixed">...</joint>
  
  <!-- 躯干 -->
  <link name="torso_link">...</link>
  
  <!-- 左臂 -->
  <link name="left_arm_link">...</link>
  <joint name="left_shoulder_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="left_forearm_link">...</link>
  <joint name="left_elbow_joint" type="revolute">...</joint>
  
  <!-- 右臂 -->
  <link name="right_arm_link">...</link>
  <joint name="right_shoulder_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="right_forearm_link">...</link>
  <joint name="right_elbow_joint" type="revolute">...</joint>
  
  <!-- 左腿 -->
  <link name="left_leg_link">...</link>
  <joint name="left_hip_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="left_shank_link">...</link>
  <joint name="left_knee_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="left_foot_link">...</link>
  <joint name="left_ankle_joint" type="revolute">...</joint>
  
  <!-- 右腿 -->
  <link name="right_leg_link">...</link>
  <joint name="right_hip_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="right_shank_link">...</link>
  <joint name="right_knee_joint" type="revolute">...</joint>
  <link name="right_foot_link">...</link>
  <joint name="right_ankle_joint" type="revolute">...</joint>
</robot>