3、URDF机器人模型基础：URDF文件结构、link与joint的定义、在Gazebo中加载URDF模型

各位同学，今天我们来聊聊URDF。这东西说白了，就是机器人的「骨架说明书」。你想想看，要让一个机械臂在Gazebo里动起来，总得先告诉仿真器：它长什么样？关节在哪？能怎么转？URDF就是干这个的。

我最早接触URDF的时候，觉得它不就是个XML嘛，写起来应该不难。结果第一次加载到Gazebo里，机械臂直接「躺平」了——关节方向反了。嗯，从那以后我就老老实实把每个坐标轴都画出来确认一遍。今天咱们就把这块彻底讲透。

3.1 URDF文件长什么样？

URDF全称是Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式。它用XML树形结构来描述机器人。一个最简单的URDF文件，大概长这样：

<robot name="simple_arm">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.2 0.2 0.1"/>
      </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>
        <cylinder length="0.3" radius="0.02"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</robot>

看到没？<robot>是根标签，里面包着<link>和<joint>。每个link就是一个刚体部件，每个joint定义了两个link之间的连接关系。就这么简单。

我的习惯：我会把机器人名字起得有意义，比如"my_6dof_arm"。别用"test"、"robot1"这种名字，后面调试的时候你会后悔的。

3.2 link：机器人的「骨头」

link代表机器人的一个刚体部件。比如基座、大臂、小臂、末端执行器，每个都是一个link。一个link的定义包含三大部分：

标签	作用	必填？
`<visual>`	可视化外观，Gazebo里能看到的样子	推荐填
`<collision>`	碰撞检测模型，物理引擎用它算碰撞	推荐填
`<inertial>`	惯性参数，质量、质心、转动惯量	Gazebo仿真必填

我见过不少新手只写<visual>，结果模型能显示但一碰就穿模。为什么？因为没有<collision>，物理引擎不知道这玩意儿的边界在哪。

来看一个完整的link示例：

<link name="base_link">
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.3 0.3 0.1"/>
    </geometry>
    <material name="blue">
      <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
  </visual>

  <collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.3 0.3 0.1"/>
    </geometry>
  </collision>

  <inertial>
    <mass value="2.0"/>
    <inertia ixx="0.01" ixy="0" ixz="0"
             iyy="0.01" iyz="0"
             izz="0.02"/>
  </inertial>
</link>

注意：惯性参数千万别乱填。我曾经偷懒把转动惯量全填成0，结果Gazebo里机械臂抖得像筛糠。至少用ixx = 0.01 * mass * (y^2 + z^2)这种公式估算一下。

3.3 joint：机器人的「关节」

joint定义了link之间的运动关系。URDF支持6种关节类型：

revolute：旋转关节，有角度限制。机械臂最常用。
continuous：连续旋转关节，没有角度限制。比如车轮。
prismatic：平移关节，直线滑动。比如伸缩臂。
fixed：固定连接，两个link焊死了。
floating：6自由度浮动关节。一般不用。
planar：平面运动关节。也很少用。

joint的核心是定义父link和子link之间的坐标变换。看这个例子：

<joint name="shoulder_joint" type="revolute">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="upper_arm"/>
  <origin xyz="0 0 0.15" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1.0"/>
</joint>

这里<origin>表示子link的坐标系原点相对于父link的位置和姿态。<axis>定义旋转轴。对于revolute关节，<limit>里的lower和upper是弧度制的角度限制。

我个人习惯把<origin>的xyz理解为「关节中心在父link上的位置」。比如基座高0.1米，关节中心在基座顶面，那z就是0.05（基座半高）。

3.4 在Gazebo中加载URDF模型

模型写好了，怎么让它出现在Gazebo里？有两种方式：

方式一：直接加载URDF文件

ros2 launch gazebo_ros gazebo.launch.py
ros2 run gazebo_ros spawn_entity.py -file my_arm.urdf -entity my_arm

方式二：通过launch文件加载

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='gazebo_ros',
            executable='spawn_entity.py',
            arguments=['-file', 'my_arm.urdf', '-entity', 'my_arm'],
            output='screen'
        )
    ])

不过，直接加载URDF到Gazebo有个坑——模型会掉下去。为什么？因为Gazebo默认有重力，而你的模型没有地面接触。解决办法是在URDF里加一个world关节：

<link name="world"/>
<joint name="fixed_base" type="fixed">
  <parent link="world"/>
  <child link="base_link"/>
</joint>

这样就把基座固定在世界坐标系里了。嗯，这个小细节当年让我折腾了半小时。

  核心要点：
  URDF是树形结构，一个父link可以有多个子link，但子link只能有一个父link
每个joint必须指定parent和child，且不能形成闭环（URDF不支持闭环运动链）
Gazebo仿真必须填写<inertial>和<collision>，否则物理行为会异常
关节的<origin>是子link坐标系相对于父link坐标系的变换

3.5 知识体系总览

下面这张图把URDF的核心结构画出来了，你可以对照着理解：

这张图把URDF的骨架画得很清楚。你写模型的时候，就照着这个结构一层层往下填。先写link，再写joint把它们串起来。记住：joint永远连接两个link，link永远通过joint连接到父link。

好了，URDF的基础就这些。下一节我们会实际动手，从零搭建一个完整的6轴机械臂URDF模型。到时候你会看到，今天讲的这些概念是怎么组合成一个能动的机器人的。

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📚 课程目录

3、URDF机器人模型基础：URDF文件结构、link与joint的定义、在Gazebo中加载URDF模型

3.1 URDF文件长什么样？

3.2 link：机器人的「骨头」

3.3 joint：机器人的「关节」

3.4 在Gazebo中加载URDF模型

3.5 知识体系总览