第1章 · URDF基础入门

URDF，全称是 Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式。说白了，它就是 ROS 世界里用来描述机器人长什么样、关节怎么连的一套 XML 语言。我刚开始接触 ROS 的时候，觉得这玩意儿不就是个配置文件嘛，后来才发现——URDF 是机器人建模的基石，导航、控制、仿真全都得靠它。

这一章我们不讲虚的，直接拆解 URDF 的核心概念。你想想看，一个机器人再怎么复杂，拆到底也就是「刚体」加「关节」。URDF 里用 <link> 表示刚体，用 <joint> 表示关节。就这么简单。

什么是 URDF？

URDF 是一种基于 XML 的格式，专门用来描述机器人的运动学和动力学属性。你可以把它想象成机器人的「身份证」—— 上面写了你有几个胳膊几条腿，每个关节能怎么动。ROS 里的 robot_state_publisher 就是靠 URDF 来发布 tf 变换的。

            核心要点： URDF 只描述树状结构，不能有闭环。如果你的机器人有并联机构（比如闭环连杆），那就得用 xacro 或者其它方式处理。我在项目里遇到过有人试图用 URDF 描述四足机器人的闭环腿，结果 tf 树直接崩溃……后来改用 xacro 加仿真约束才搞定。
        

URDF 文件结构

一个标准的 URDF 文件长这样：

<robot name="my_robot">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.4 0.3 0.1"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="left_wheel"/>
        <origin xyz="0.2 0.15 0" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
</robot>

最外层是 <robot> 标签，里面包含若干 <link> 和 <joint>。我个人习惯把 base_link 放在最前面，它是整个机器人的根坐标系。

link 与 joint 的概念

link 就是刚体，比如底盘、轮子、机械臂的连杆。每个 link 可以定义视觉外观、碰撞模型和惯性参数。我记得有一次调试导航，机器人一直原地打转，最后发现是 base_link 的惯性矩阵写错了，导致里程计计算异常。嗯，惯性参数千万别乱填。

joint 连接两个 link，并定义它们之间的相对运动。joint 有几种常用类型：

类型	说明	自由度
fixed	固定连接，不能运动	0
revolute	旋转关节，有角度限制	1
continuous	连续旋转关节，无限制（如轮子）	1
prismatic	平移关节，有位移限制	1
floating	6自由度浮动关节（很少用）	6

选 joint 类型时，轮子用 continuous，机械臂关节用 revolute，摄像头支架用 fixed。我曾经见过有人把轮子关节设成 revolute 还加了限位，结果小车只能转半圈…… 别犯这种低级错误。

第一个 URDF 模型

我们来写一个最简单的两轮差速底盘。只有三个 link：一个底盘和两个轮子，外加两个 continuous joint。

<robot name="simple_diff_drive">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.4 0.3 0.08"/>
            </geometry>
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0.5 1 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
            </geometry>
            <material name="gray">
                <color rgba="0.3 0.3 0.3 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
            </geometry>
            <material name="gray">
                <color rgba="0.3 0.3 0.3 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="left_wheel"/>
        <origin xyz="-0.15 0.2 0" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="right_wheel"/>
        <origin xyz="-0.15 -0.2 0" rpy="0 0 0"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
</robot>

把这个文件保存为 diff_drive.urdf，然后用 check_urdf diff_drive.urdf 验证一下。如果输出 Robot successfully validated，恭喜你，第一个 URDF 模型就搞定了。

常见坑： 轮子的 origin 坐标一定要相对于 base_link。我刚开始写 URDF 时，把轮子原点写成了相对于世界坐标系，结果轮子飞到了天上去…… 记住，origin 是相对于父 link 的。

你可以在 Rviz 里直接加载这个 URDF，用 robot_state_publisher 发布 tf，就能看到小车模型了。嗯，看到自己写的第一个机器人动起来，还是挺有成就感的。

📚 课程目录

第1章 · URDF基础入门

什么是 URDF？

URDF 文件结构

link 与 joint 的概念

第一个 URDF 模型