4. 机器人模型与URDF：让仿真世界认识你的机器人
好，我们进入第四讲。前面几章我们把仿真环境搭起来了，也跑通了基本的通信。但有个关键问题——仿真器里那个呆呆的方块，它不认识你的机器人长什么样、有几个关节、轮子怎么转。
URDF，就是用来干这个的。它是一份「机器人身份证」。说白了，就是用XML格式告诉Gazebo：我的机器人有几根骨头（link），关节长在哪（joint），每个零件长啥样、多重、什么颜色。
我个人习惯，写URDF之前一定先画个草图。哪怕用纸笔都行。你想想看，一个六轴机械臂，关节顺序搞反了，后面调运动学全得重来。我在项目里吃过这个亏，后来再也不敢偷懒了。
4.1 URDF文件结构：一棵树
URDF本质上是一棵树。根节点是<robot>，下面挂link和joint。每个joint连接两个link，形成父子关系。
举个例子，一个两轮差速底盘：
<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="-0.15 0.2 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.05" length="0.03"/>
</geometry>
</visual>
</link>
</robot>
看到没？base_link是父link，left_wheel是子link，通过left_wheel_joint连起来。这个结构会递归展开，形成一棵完整的树。
核心原则：每个link只能有一个父joint，但可以有多个子joint。不能有环，必须是树。
4.2 link定义：机器人的「骨头」
link就是刚体零件。每个link可以包含三部分：
- visual：视觉模型，用来显示。Gazebo里你看到的样子就是它。
- collision：碰撞模型，用来做物理碰撞检测。可以比visual简单，节省计算。
- inertial：惯性参数，质量、质心、转动惯量。没有这个，物理引擎没法算动力学。
我见过很多新手只写visual，不写collision和inertial。结果呢？仿真里机器人直接穿透地面，或者一动就飞了。嗯，这里要注意——collision和inertial不是可选项，是必选项，除非你只做纯可视化。
来看一个完整的link例子：
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="0.4 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="0.4 0.3 0.1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="2.0"/>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<inertia
ixx="0.01" ixy="0" ixz="0"
iyy="0.01" iyz="0"
izz="0.01"/>
</inertial>
</link>
小技巧：碰撞模型尽量用简单几何体。比如一个复杂的机械臂外壳，visual用精细的STL，collision用几个box和cylinder拼起来就行。仿真性能会好很多。
4.3 joint定义：机器人的「关节」
joint决定了两个link之间的相对运动。URDF支持6种joint类型：
| 类型 | 自由度 | 典型用途 |
|---|---|---|
| fixed | 0 | 把两个link焊死，比如摄像头支架 |
| revolute | 1（旋转，有限位） | 机械臂关节，有角度范围 |
| continuous | 1（旋转，无限位） | 车轮，可以一直转 |
| prismatic | 1（平移，有限位） | 升降台、滑轨 |
| planar | 2（平面内平移+旋转） | 全向轮底盘（不常用） |
| floating | 6（全自由） | 无人机、水下机器人 |
joint里最重要的几个参数：
origin：子link相对于父link的位姿。这个最容易搞错，我建议用rviz可视化确认。axis：旋转轴或平移方向。在父link坐标系下定义。limit：对于revolute和prismatic，必须设置lower、upper、effort、velocity。
我曾经帮一个团队排查问题，他们的机械臂仿真总是乱抖。查了两天，发现是joint的origin写反了——子link的坐标原点跑到了父link外面，导致运动学奇异。从那以后，我每写一个joint都会在rviz里看一眼。
4.4 在仿真中显示机器人
URDF写好了，怎么让Gazebo认出来？三步走：
- 把URDF文件放到功能包的
urdf/目录下。我习惯命名为my_robot.urdf。 - 写一个launch文件，用
robot_state_publisher发布TF，用spawn_model把机器人放进Gazebo。 - 启动rviz，添加RobotModel显示，选择你的URDF。
一个典型的launch文件长这样：
<launch>
<!-- 加载URDF到参数服务器 -->
<param name="robot_description"
textfile="$(find my_robot_description)/urdf/my_robot.urdf"/>
<!-- 发布TF -->
<node name="robot_state_publisher"
pkg="robot_state_publisher"
type="robot_state_publisher"/>
<!-- 把机器人放到Gazebo -->
<node name="spawn_urdf"
pkg="gazebo_ros"
type="spawn_model"
args="-param robot_description -urdf -model my_robot"/>
</launch>
启动之后，你应该能在Gazebo里看到你的机器人，在rviz里看到TF树和模型。如果看不到，先检查robot_state_publisher有没有报错，再检查joint的origin是不是合理。
常见坑：Gazebo和rviz的坐标系可能不一致。Gazebo默认ENU（东-北-天），rviz默认FLU（前-左-天）。如果你的机器人是差速底盘，注意base_link的朝向。我一般统一用ENU，省得后面头疼。
4.5 本章知识体系
下面这张图总结了URDF的核心结构，以及从URDF到仿真显示的完整链路：
从这张图可以看得很清楚：URDF定义了link和joint，link又包含visual/collision/inertial，joint包含origin/axis/limit。最终通过robot_state_publisher桥接到Gazebo和rviz，完成仿真显示。
我个人建议，刚开始学的时候，先写一个最简单的两轮底盘，只有base_link和两个轮子。在rviz里确认每个joint的origin都对了，再往上加传感器、加机械臂。一点点来，别想一口吃成胖子。
好，这一章就到这。URDF是机器人仿真的基石，后面所有内容——传感器仿真、运动控制、导航算法——都建立在它之上。把这一章吃透，后面的路会顺很多。