第二章：机器人建模基础——URDF文件结构、link与joint详解

各位同学，欢迎来到建模这一章。说实话，URDF 是 Gazebo 仿真的地基。地基没打好，后面抓取任务跑起来全是坑。我自己刚入行那会儿，就因为一个 joint 的轴方向写反了，折腾了整整两天。

今天咱们就把 URDF 彻底讲透。你想想看，一个机器人模型，说白了就是一堆刚体零件（link）加上连接它们的关节（joint）。就这么简单。

2.1 URDF 文件结构

一个标准的 URDF 文件，根标签是 <robot>。里面就两样东西：<link> 和 <joint>。我习惯把 link 比作骨头，joint 比作关节。

<robot name="my_robot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.2 0.2 0.1"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_arm" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="arm_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.05"/>
  </joint>
</robot>

嗯，这里要注意：<origin> 定义的是子 link 相对于父 link 的位置偏移。我见过有人把 xyz 写成世界坐标，结果模型飞到了天上去。

2.2 link 详解

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

标签	作用	我踩过的坑
visual	显示用的几何体，不影响物理	mesh 路径别用中文，Gazebo 不认
collision	碰撞检测用的几何体	尽量用简单几何体代替 mesh，性能差很多
inertial	质量、惯性矩阵	我曾经忘了写 inertia，模型直接原地爆炸

2.3 joint 详解

joint 的类型决定了自由度。常用的就这几种：

• fixed：焊死的，不能动。比如底座和机身之间。
• revolute：旋转关节，有角度限制。机械臂的肩关节、肘关节都是这个。
• continuous：无限旋转，比如轮子。
• prismatic：直线滑动，比如升降台。

为什么会搞混 revolute 和 continuous？说白了，revolute 有 <limit> 标签，continuous 没有。我刚开始做六轴机械臂时，把腕关节设成了 continuous，结果仿真时它转个不停……

<joint name="shoulder_joint" 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="100" velocity="1.0"/>
</joint>

注意 <axis> 这个标签。它定义的是旋转轴的方向。我见过有人把 z 轴写成 x 轴，结果机械臂往旁边甩。你想想看，这要是真机，直接撞墙。

2.4 使用 SolidWorks 导出 URDF

手动写 URDF 太累了，尤其是复杂模型。我推荐用 SolidWorks 的 sw2urdf 插件。流程很简单：

1. 在 SolidWorks 里装配好你的机器人
2. 定义每个零件的坐标系和关节轴
3. 一键导出 URDF + mesh 文件

导出后你会得到这样的目录结构：

my_robot/
├── urdf/
│   └── my_robot.urdf
├── meshes/
│   ├── base_link.STL
│   ├── shoulder_link.STL
│   └── ...
├── config/
│   └── joint_limits.yaml
└── launch/
    └── display.launch

2.5 在 Rviz 中可视化模型

模型导出了，怎么检查对不对？用 Rviz。我每次改完 URDF，第一件事就是打开 Rviz 看一眼。

启动命令很简单：

roslaunch my_robot display.launch

在 Rviz 里，添加 RobotModel 显示插件，选择你的 URDF 文件。如果模型显示正常，恭喜你。如果零件飞了或者错位，八成是 joint 的 origin 写错了。

2.6 本章知识体系

下面这张图是我自己画的，把 URDF 的核心逻辑串起来了：

这张图你看懂了吗？左边是 link 的三个属性，右边是 joint 的三个关键参数。上下是工具链。整个 URDF 建模，就是把这些东西填对。