【ROS2学习笔记】URDF 机器人建模

前言

本系列博文是本人的学习笔记，自用为主，不是教程，学习请移步其他大佬的相关教程。前几篇学习资源来自鱼香ROS大佬的详细教程，适合深入学习，但对本人这样的初学者不算友好，后续笔记将以@古月居的ROS2入门21讲为主，侵权即删。

一、学习目标

1. 理解 URDF 的核心作用 ------ 让 ROS "认识" 机器人的形状、结构和运动方式
2. 掌握 URDF 的两大核心元素：link（连杆）和joint（关节）的配置规则
3. 能看懂并编写简单的 URDF 文件（描述移动机器人 / 机械臂基础结构）
4. 学会用工具可视化 URDF 模型（RViz 预览、urdf_to_graphviz看结构）
5. 明确建模中的关键细节（单位、坐标系、外观与碰撞的区别）

二、铺垫：机器人的组成（建模的基础）

在学 URDF 之前，先搞懂机器人的实际结构 ------ 建模是 "数字孪生"，必须对应真实机器人的组成。机器人通常分 4 部分，URDF 主要描述硬件结构（其他部分通过 ROS 节点实现）：

组成部分	作用（小白理解）	对应 URDF 描述的内容
硬件结构	看得见的刚体（底盘、轮子、机械臂连杆、相机）	link（描述每个刚体的形状、大小）
驱动系统	让刚体动起来的装置（电机、舵机）	joint（描述电机驱动的运动方式）
传感系统	感知环境的部件（雷达、相机、编码器）	部分传感器用link+fixed关节固定
控制系统	计算和发指令的平台（树莓派、电脑）	不通过 URDF 描述（通过 ROS 节点实现）

核心逻辑 ：URDF 的本质是 "用 XML 语言把机器人的硬件结构拆成link（刚体）和joint（连接 / 运动），再组合成完整模型"。

三、URDF 是什么？（基础概念）

3.1 一句话定义：ROS 的 "机器人说明书"

URDF 全称是 Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是 ROS 官方规定的机器人建模语言，特点：

• 基于XML 格式 （类似网页的 HTML 标签，有<标签名>和属性）；
• 能描述机器人的：
  1. 外观（形状、颜色、大小）；
  2. 结构（哪个刚体连哪个刚体）；
  3. 运动（刚体能怎么动、动多大范围）；
  4. 物理属性（质量、惯性、碰撞检测）。

3.2 URDF 的基本结构（固定模板）

所有 URDF 文件都以<robot>为根标签，内部包含多个<link>和<joint>，结构如下：

<?xml version="1.0" ?>  <!-- XML版本声明（固定） -->
<robot name="机器人名字">  <!-- 根标签，name是机器人的唯一标识 -->

    <!-- 1. 定义连杆（link）：比如底盘、轮子 -->
    <link name="连杆1名字">
        <!-- 外观、碰撞、惯性等配置 -->
    </link>

    <!-- 2. 定义关节（joint）：连接两个连杆 -->
    <joint name="关节1名字" type="关节类型">
        <!-- 父连杆、子连杆、运动轴等配置 -->
    </joint>

    <!-- 更多link和joint... -->

</robot>

四、URDF 核心元素 1：连杆（link）------ 描述机器人的 "刚体"

link对应机器人的一个独立刚体（比如底盘、轮子、相机），主要配置 3 类属性：外观（visual） 、碰撞（collision） 、惯性（inertial）（初学者先掌握前两类）。

4.1 link的核心子标签（小白必懂）

子标签	作用	关键子元素	小白解读与例子
<visual>	描述机器人的 "外观"（仅显示用）	<origin>、<geometry>、<material>	比如底盘外观是黄色圆柱体，轮子是白色圆柱体
<collision>	描述机器人的 "碰撞检测"（运算用）	<origin>、<geometry>	为了减少计算，碰撞模型通常简化（比如外观是复杂模型，碰撞是简单长方体）
<inertial>	描述机器人的 "物理惯性"（动力学用）	<mass>（质量）、<inertia>（惯性矩阵）	比如重 1kg 的底盘比 0.5kg 的更难加速（初学者可先忽略，动力学仿真时再用）

4.2 逐标签详解（结合例子）

以 "移动机器人底盘（base_link）" 为例，解析每个标签的含义：

<link name="base_link">  <!-- link名字：base_link（底盘，约定俗成的名字） -->
    <!-- 1. 外观配置（visual）：用户看到的样子 -->
    <visual>
        <!-- origin：外观相对于link坐标系的偏移（xyz平移，rpy旋转） -->
        <!-- xyz：(0,0,0)表示外观和link原点重合；rpy：(0,0,0)表示无旋转（弧度制！） -->
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        
        <!-- geometry：外观的几何形状（常用3种） -->
        <geometry>
            <!-- 圆柱体：length（长度）、radius（半径），单位：米 -->
            <cylinder length="0.16" radius="0.20"/>  
            <!-- 其他形状示例：
            <sphere radius="0.1"/>  <!-- 球体：半径0.1米 -->
            <box size="0.2 0.3 0.1"/>  <!-- 长方体：x/y/z边长 -->
            <mesh filename="package://learning_urdf/meshes/base.stl"/>  <!-- 外部3D模型（STL文件） -->
            -->
        </geometry>
        
        <!-- material：外观颜色（rgba：红、绿、蓝、透明度，范围0-1） -->
        <material name="yellow">  <!-- name：颜色名字（可复用） -->
            <color rgba="1 0.4 0 1"/>  <!-- 黄色（红=1，绿=0.4，蓝=0，透明度=1） -->
        </material>
    </visual>

    <!-- 2. 碰撞配置（collision）：简化的几何形状，减少碰撞检测计算量 -->
    <collision>
        <!-- 偏移和外观一致（也可单独设置，比如重心偏移） -->
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
            <!-- 碰撞用和外观相同的圆柱体（简单形状，计算快） -->
            <cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
        </geometry>
    </collision>

    <!-- 3. 惯性配置（inertial）：动力学仿真用（初学者可选） -->
    <inertial>
        <mass value="1.0"/>  <!-- 质量：1千克 -->
        <inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.01" iyz="0.0" izz="0.02"/>  <!-- 惯性矩阵（需计算，可工具生成） -->
    </inertial>
</link>

关键注意点：

• 单位 ：长度用米（m） ，角度用弧度（rad）（比如 90 度 = 1.5707 弧度）；
• visual vs collision：外观可以复杂（好看），碰撞必须简化（比如用长方体代替复杂外壳），否则 ROS 计算碰撞时会卡顿；
• origin的坐标系 ：每个link都有自己的坐标系（默认原点在刚体中心），origin描述子元素（外观 / 碰撞）相对于这个原点的偏移。

五、URDF 核心元素 2：关节（joint）------ 描述机器人的 "运动"

joint连接两个link（父连杆parent和子连杆child），定义它们之间的运动方式（比如轮子绕轴转、机械臂关节上下转）。

5.1 六种关节类型（重点！结合实际场景）

ROS 的 URDF 支持 6 种关节类型，初学者只需掌握前 4 种，后 2 种（floating、planar）很少用：

关节类型	运动方式	关键特点	实际应用例子
continuous	绕单一轴无限旋转	无角度限制	移动机器人的驱动轮（可以一直转）
revolute	绕单一轴有限旋转	有最小 / 最大角度限制（limit）	机械臂的肘关节（只能弯 90 度）
prismatic	沿单一轴有限平移	有最小 / 最大位置限制（limit）	直线电机（比如升降平台上下移）
fixed	无运动（固定连接）	最常用，父 / 子连杆相对位置不变	相机与底盘的连接（相机不动）
floating	无固定轴，可平移 + 旋转（6 自由度）	无限制，少用	无人机（但无人机通常用其他建模方式）
planar	沿某平面平移 + 绕平面法向旋转（3 自由度）	限制在平面内运动，少用	桌面上的滑块（只能在桌面移动 + 旋转）

5.2 joint的核心子标签（逐标签解析）

以 "移动机器人左车轮关节（left_wheel_joint）" 为例，解析每个标签：

<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">  <!-- 关节名+类型（无限旋转） -->
    <!-- 1. origin：子连杆（轮子）相对于父连杆（底盘）的偏移 -->
    <!-- xyz：轮子在底盘的x=0，y=0.19（底盘半径0.2，轮子在外侧），z=-0.05（轮子中心比底盘低0.05米，接触地面） -->
    <!-- rpy：(0,0,0)无旋转 -->
    <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
    
    <!-- 2. parent & child：连接的两个连杆 -->
    <parent link="base_link"/>  <!-- 父连杆：底盘（固定不动的参考） -->
    <child link="left_wheel_link"/>  <!-- 子连杆：左车轮（相对于父连杆运动） -->
    
    <!-- 3. axis：关节的运动轴（单位向量，xyz分别对应x/y/z轴） -->
    <!-- (0,1,0)：绕y轴旋转（轮子绕y轴转才能前进，符合实际） -->
    <axis xyz="0 1 0"/>
    
    <!-- 4. limit：关节的运动限制（continuous类型无角度限制，可省略；revolute/prismatic必须加） -->
    <!-- 示例（revolute关节的limit）：
    <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1.0"/>
    lower/upper：最小/最大角度（弧度，-1.57~1.57=±90度）
    effort：最大力矩（牛顿·米，电机能提供的最大力）
    velocity：最大角速度（弧度/秒，电机最大转速）
    -->
</joint>

关键注意点：

• 父 / 子连杆顺序 ：parent是固定参考（如底盘），child是运动的连杆（如轮子），不能反；
• axis的方向 ：决定关节绕哪个轴运动，比如轮子必须绕 y 轴转（0,1,0）才能前进，绕 x 轴转（1,0,0）就会侧翻；
• limit的单位：角度用弧度，平移用米，速度用弧度 / 秒（角速度）或米 / 秒（线速度）。

六、实战：移动机器人 URDF 完整解析（从文件到可视化）

以用户提供的 "四轮移动机器人（2 驱动轮 + 2 万向轮）" 为例，带小白完整看懂 URDF，并学会可视化。

6.1 功能包结构（存放 URDF 相关文件）

建模前先建规范的功能包，方便管理文件，结构如下（learning_urdf是功能包名）：

learning_urdf/
├── urdf/                # 存放URDF文件（核心）
│   └── mbot_base.urdf   # 机器人底盘URDF文件
├── meshes/              # 存放外部3D模型（STL/DAE文件，本例用基础几何形状，暂空）
├── launch/              # 存放启动文件（一键启动RViz可视化）
│   └── display.launch.py# 可视化启动文件
└── rviz/                # 存放RViz配置文件（保存可视化视角、显示项）
    └── urdf_rviz.rviz   # RViz配置（显示URDF模型）

6.2 完整 URDF 文件解析（mbot_base.urdf）

逐段注释，小白能看懂每个link和joint的作用：

<?xml version="1.0" ?>
<!-- 根标签：机器人名字叫mbot -->
<robot name="mbot">

    <!-- 1. 底盘连杆（base_link）：机器人的基础，所有其他连杆都间接连到这里 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <!-- 底盘是圆柱体：长度0.16m（前后方向），半径0.20m（左右方向） -->
                <cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
            </geometry>
            <material name="yellow">
                <color rgba="1 0.4 0 1"/>  <!-- 黄色外观 -->
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 2. 左驱动轮关节（连接base_link和left_wheel_link） -->
    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <!-- 轮子位置：x=0（前后居中），y=0.19（比底盘半径小0.01m，避免超出），z=-0.05（接触地面） -->
        <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>  <!-- 父连杆：底盘 -->
        <child link="left_wheel_link"/>  <!-- 子连杆：左车轮 -->
        <axis xyz="0 1 0"/>  <!-- 绕y轴旋转（前进方向） -->
    </joint>

    <!-- 3. 左驱动轮连杆（left_wheel_link） -->
    <link name="left_wheel_link">
        <visual>
            <!-- rpy="1.5707 0 0"：绕x轴转90度（圆柱体立起来，变成轮子形状） -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                <!-- 轮子：半径0.06m（直径12cm），长度0.025m（轮子宽度） -->
                <cylinder radius="0.06" length="0.025"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>  <!-- 白色外观 -->
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 4. 右驱动轮关节（和左轮对称，y=-0.19） -->
    <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="right_wheel_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>  <!-- 同样绕y轴旋转 -->
    </joint>

    <!-- 5. 右驱动轮连杆（和左轮相同） -->
    <link name="right_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="0.06" length="0.025"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 6. 前万向轮关节（front_caster_joint，continuous类型，自由旋转） -->
    <joint name="front_caster_joint" type="continuous">
        <!-- 位置：x=0.18（底盘前端），y=0（左右居中），z=-0.095（比驱动轮低，接触地面） -->
        <origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="front_caster_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>  <!-- 绕y轴旋转（万向轮自由转向） -->
    </joint>

    <!-- 7. 前万向轮连杆（球体形状，半径0.015m） -->
    <link name="front_caster_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <sphere radius="0.015" />  <!-- 万向轮用球体表示 -->
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 0.95"/>  <!-- 黑色外观 -->
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 8. 后万向轮关节（和前轮对称，x=-0.18） -->
    <joint name="back_caster_joint" type="continuous">
        <origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="back_caster_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <!-- 9. 后万向轮连杆（和前轮相同） -->
    <link name="back_caster_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <sphere radius="0.015" />
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 0.95"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

</robot>

6.3 模型可视化（让小白看到实际效果）

光有 URDF 文件还不够，需要用 RViz 显示模型，步骤如下：

步骤 1：编写 Launch 文件（launch/display.launch.py）

Launch 文件用于一键启动 RViz，并加载 URDF 模型，避免手动输入复杂命令：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
import os

def generate_launch_description():
    # 1. 获取功能包路径（自动找到learning_urdf的位置）
    pkg_path = get_package_share_directory('learning_urdf')
    # 2. URDF文件路径
    urdf_path = os.path.join(pkg_path, 'urdf', 'mbot_base.urdf')
    # 3. RViz配置文件路径
    rviz_path = os.path.join(pkg_path, 'rviz', 'urdf_rviz.rviz')

    # 4. 启动RViz节点，加载URDF和RViz配置
    rviz_node = Node(
        package='rviz2',          # RViz功能包
        executable='rviz2',       # RViz可执行文件
        arguments=[
            '-d', rviz_path,      # 加载预配置的RViz文件
            '--ros-args', '-p', f'robot_description:={open(urdf_path).read()}'  # 传递URDF内容给ROS参数
        ]
    )

    # 5. 启动关节状态发布节点（显示关节运动，本例固定，可选）
    joint_state_pub_node = Node(
        package='joint_state_publisher_gui',
        executable='joint_state_publisher_gui'  # 带GUI的关节控制（可拖动关节运动）
    )

    # 6. 启动机器人状态发布节点（发布TF树，让RViz显示连杆关系）
    robot_state_pub_node = Node(
        package='robot_state_publisher',
        executable='robot_state_publisher',
        arguments=[urdf_path]  # 传入URDF文件
    )

    return LaunchDescription([
        joint_state_pub_node,
        robot_state_pub_node,
        rviz_node
    ])

步骤 2：运行可视化

1. 编译功能包 ：

   cd dev_ws  # 进入ROS工作空间
   colcon build --packages-select learning_urdf  # 编译URDF功能包
   source install/setup.bash  # 加载环境变量

2. 启动 Launch 文件 ：

   ros2 launch learning_urdf display.launch.py

3. 效果 ：RViz 窗口显示黄色底盘、白色驱动轮、黑色万向轮，可通过joint_state_publisher_gui的滑块拖动轮子旋转。

6.4 查看 URDF 结构（urdf_to_graphviz工具）

用工具生成 TF 树，直观看到link和joint的连接关系：

1. 安装工具 （如果没有）：

   sudo apt install ros-humble-urdf-tools  # Humble版本，其他版本替换为对应名称

2. 生成结构文件 ：

   cd dev_ws/src/learning_urdf/urdf  # 进入URDF文件目录
   urdf_to_graphviz mbot_base.urdf  # 生成结构文件

3. 查看效果 ：当前目录生成mbot_base.gv和mbot_base.gv.pdf，打开 PDF 可看到：base_link是根，连接 4 个关节（左 / 右轮、前 / 后万向轮），每个关节对应一个子link------ 和我们设计的完全一致！

七、复习要点总结（小白必背）

1. URDF 核心作用 ：用 XML 描述机器人的刚体（link）和运动（joint），让 ROS "认识" 机器人；
2. link三要素 ：
   • visual：外观（形状、颜色、偏移），给人看；
   • collision：碰撞（简化几何），给 ROS 计算用；
   • inertial：惯性（质量、惯性矩阵），给动力学仿真用；
3. joint关键参数 ：
   • 类型：continuous（轮子）、revolute（机械臂关节）、fixed（固定）；
   • 连接：parent（固定参考）和child（运动连杆）；
   • 运动：axis（运动轴）、limit（运动限制）；
4. 单位陷阱：长度用米，角度用弧度（90 度 = 1.5707），速度用 rad/s；
5. 可视化工具 ：
   • Launch 文件 + RViz：看模型外观；
   • urdf_to_graphviz：看link和joint的连接结构。

掌握这些，小白就能看懂大部分 URDF 文件，也能编写简单的移动机器人 / 机械臂模型，为后续的运动控制、仿真打下基础