第二章：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”和“骨架说明书”。没有它，MoveIt根本不知道你的机器人长什么样、胳膊往哪转。

我个人习惯，拿到一个新机器人，第一件事就是看它的URDF文件。这比看图纸还直观。你想想看，一个几百行的XML文件，就能描述一个复杂的机械臂，是不是很神奇？

URDF文件结构

URDF本质上是一个XML文件。它的根节点是<robot>，里面包含两大核心元素：<link>和<joint>。

我刚开始学的时候，总把link和joint搞混。后来我总结了一句话：link是骨头，joint是关节。骨头不会动，关节负责连接骨头并让它们动起来。

核心原则：一个完整的机器人模型，必须至少有一个base_link作为根，然后通过joint串联起所有link。

来看一个最简单的URDF骨架：

<robot name="my_robot">
    <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>
</robot>

嗯，这里要注意：origin定义的是子link相对于父link的位置和姿态。我曾经在这里栽过跟头，坐标写反了，结果模型在RViz里直接飞出去了。

link与joint的详细定义

link：机器人的“骨头”

每个link可以包含三个部分：

visual：可视化用的几何形状，不影响物理碰撞
collision：碰撞检测用的形状，越简单越好
inertial：惯性参数，包括质量、惯性矩阵

我的经验：collision几何体尽量用简单的形状（盒子、圆柱、球体）。复杂的mesh虽然好看，但会让碰撞检测变得很慢。我在做AGV项目时，把轮子的collision从mesh改成了圆柱体，性能提升了3倍。

joint：机器人的“关节”

joint的类型决定了机器人的运动方式：

类型	说明	自由度
revolute	旋转关节，有角度限制	1
continuous	连续旋转关节，无限制	1
prismatic	平移关节	1
fixed	固定连接，不能动	0
floating	6自由度浮动关节	6

为什么会有fixed关节？说白了，有些零件虽然物理上是分开的，但为了建模方便，我们把它拆成两个link，然后用fixed关节焊死。我在做协作机器人时，把末端执行器拆成了三个link，用fixed关节连接，这样更换夹爪时只需要改一个link就行。

坐标系与变换

URDF里最让人头疼的就是坐标系。每个link都有自己的坐标系，joint的origin定义了父子link之间的变换关系。

记住这个原则：子link的坐标系原点，是在父link坐标系下描述的。

举个例子：

<joint name="shoulder" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="upper_arm"/>
    <origin xyz="0 0 0.3" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
</joint>

这表示：upper_arm的坐标系原点，在base_link坐标系下是(0, 0, 0.3)的位置。旋转顺序是RPY（Roll-Pitch-Yaw），也就是绕X、Y、Z轴依次旋转。

避坑指南：我曾经在定义关节时，把rpy写成了0 0 90（度），但URDF里用的是弧度！结果模型在RViz里歪了90度，找了半天才发现是单位问题。记住：URDF里角度一律用弧度。

使用SolidWorks导出URDF

手动写URDF太累了，尤其是复杂机器人。我推荐用SolidWorks的SW2URDF插件。流程很简单：

在SolidWorks里建好装配体
安装SW2URDF插件
为每个零件定义坐标系和关节轴
导出URDF和mesh文件

导出后你会得到：一个.urdf文件，一个meshes文件夹（里面是STL文件），以及一个launch文件夹。

嗯，这里有个坑：SW2URDF导出的坐标系可能不符合ROS的惯例（Z轴向上）。我一般会在导出后手动检查一下origin的数值，尤其是rpy部分。

在RViz中可视化模型

有了URDF，我们就能在RViz里看到机器人了。用display.launch文件启动：

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find my_robot)/urdf/my_robot.urdf"/>
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"/>
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher"/>
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find my_robot)/config/display.rviz"/>
</launch>

启动后，你会看到：

机器人模型显示在RViz中
可以通过滑动条调节关节角度
坐标系显示为红绿蓝三色箭头

如果模型显示不出来，八成是robot_description参数没加载成功。用rosparam get /robot_description检查一下。

调试技巧：在RViz里添加TF显示，可以看到每个link的坐标系。如果某个link的坐标系位置不对，那肯定是joint的origin定义错了。我排查URDF问题时，90%的情况都是靠看TF坐标系找到的。

知识体系结构图

下面这张图总结了URDF的核心知识脉络，我建议你保存下来，写URDF时对照着看：

这张图把URDF的核心知识点串起来了。你写URDF时，从上到下、从左到右过一遍，基本不会漏掉什么。

好了，URDF的基础就这些。说白了，它就是一套描述机器人“骨头”和“关节”的规则。掌握了这些，你就能让机器人在RViz里动起来了。