3. 机器人建模与URDF：从零搭建你的第一个机器人模型

URDF，全称是Unified Robot Description Format。说白了，它就是机器人的「身份证」加「骨架图」。ROS2里所有跟机器人外形、运动学相关的东西——MoveIt规划路径、Nav2做导航、Rviz里显示模型——全都依赖这个文件。

我记得刚入行那会儿，总觉得URDF就是个简单的XML，随便写写就行。结果第一次做六轴机械臂项目，模型在Rviz里关节乱飞，折腾了两天才发现是joint的axis方向写反了。嗯，从那以后我再也不敢小看这个文件了。

3.1 URDF语法核心：link与joint

URDF的结构其实很简单。两个核心元素：link 和 joint。

• link：机器人的刚体部件。比如一个基座、一个连杆、一个轮子。
• joint：连接两个link的关节。定义了它们之间的相对位置和运动方式。

你想想看，一个机器人就是一堆link通过joint串起来的树状结构。根节点通常是 base_link，然后往下分支。

3.1.1 link的定义

一个典型的link长这样：

<link name="base_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.4 0.3 0.1"/>
    </geometry>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <material name="blue">
      <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <geometry>
      <box size="0.4 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="0.01"/>
  </inertial>
</link>

这里有三块内容：

• visual：显示用的几何形状。Rviz里看到的就是它。
• collision：碰撞检测用的形状。可以比visual简单，提高计算效率。
• inertial：惯性参数。MoveIt做运动规划时必须要有，否则会报错。

3.1.2 joint的定义

joint是URDF里最容易出错的地方。来看一个旋转关节的例子：

<joint name="joint1" type="revolute">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="link1"/>
  <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="10" velocity="1.0"/>
</joint>

joint的type有几种常用类型：

类型	说明	典型用途
revolute	旋转关节，有角度限制	机械臂关节
continuous	无限旋转关节	车轮
prismatic	平移关节	伸缩臂、滑轨
fixed	固定连接，无运动	传感器支架
floating	6自由度浮动	移动机器人基座（不常用）

这里有个关键点：origin 定义的是child link相对于parent link的位姿。我见过很多新手把坐标搞反，结果模型在Rviz里直接飞出去。

3.2 从SolidWorks导出URDF

手写URDF对于简单模型还行。一旦涉及到复杂曲面、多个连杆，手写就是噩梦。这时候就需要从CAD软件导出了。

我个人习惯用SolidWorks + sw_urdf_exporter 插件。流程如下：

1. 在SolidWorks里建好装配体。每个零件对应一个link。
2. 定义基准轴和坐标系。每个joint的位置要提前设好。
3. 运行sw_urdf_exporter插件。选择base_link，然后逐个配置joint。
4. 导出。插件会自动生成URDF文件和STL网格文件。

导出后你会得到一个文件夹，结构大概是这样：

my_robot/
├── urdf/
│   └── my_robot.urdf
├── meshes/
│   ├── base_link.STL
│   ├── link1.STL
│   └── link2.STL
├── launch/
│   └── display.launch.py
└── config/
    └── joint_names.yaml

3.3 在Rviz中可视化模型

模型写好了，怎么验证？Rviz就是你的调试利器。

首先，你需要一个launch文件来启动Rviz并加载模型。ROS2里推荐用 robot_state_publisher 节点：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='robot_state_publisher',
            executable='robot_state_publisher',
            name='robot_state_publisher',
            output='screen',
            arguments=[my_robot.urdf']
        ),
        Node(
            package='joint_state_publisher_gui',
            executable='joint_state_publisher_gui',
            name='joint_state_publisher_gui'
        ),
        Node(
            package='rviz2',
            executable='rviz2',
            name='rviz2'
        )
    ])

启动后，在Rviz里添加 RobotModel 显示项。如果一切正常，你会看到你的机器人模型出现在画面中央。

然后你可以拖动 joint_state_publisher_gui 的滑块，看看关节运动是否正确。

3.4 知识体系总览

下面这张图概括了本章的核心逻辑：

从CAD到Rviz，每一步都有坑。但只要你掌握了link和joint的定义规则，再配合工具链，整个流程其实很顺畅。