5.1 URDF与xacro机器人建模

5.1 URDF 与 xacro 机器人建模

本节摘要：URDF 是机器人的身体描述格式：连杆是骨骼，关节是连接方式，一份模型文件同时喂给仿真器、可视化工具与运动学库。本节从两个原子概念写出第一个双轮模型，用 xacro 宏消灭复制粘贴，并讲清模型与 TF 树的对应关系——你写的每一行 URDF，最终都会变成第 5.2 节那棵坐标树上的一条边。

模型不是画图，是给机器看的身体描述

很多初学者把建模理解为"画个像样的机器人图"，这是方向性偏差。URDF 的读者是程序：仿真器拿它算物理，RViz 拿它做渲染，运动学库拿它求逆解，TF 系统拿它生成静态坐标关系。所以建模的核心不是"像不像"，而是尺寸、原点、轴向三要素是否与物理机器人一致——差一厘米，导航就会差一厘米。

一、连杆与关节：两个原子概念

URDF 的世界只有两种对象。link（连杆）：一个刚性部件，带视觉外观、碰撞体、惯性三套描述。joint（关节）：连接两个连杆，声明连接类型与相对位姿。所有复杂机器人都是这两类对象的组合。

<!-- 一个最小可用的差速底盘模型 -->
<robot name="my_bot">
  <!-- 本体连杆：盒形，尺寸单位米 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry><box size="0.4 0.3 0.12"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.06" rpy="0 0 0"/>
      <material name="blue"><color rgba="0.2 0.4 0.8 1"/></material>
    </visual>
    <!-- 碰撞体与惯性：仿真必须，纯可视化可省 -->
    <collision>
      <geometry><box size="0.4 0.3 0.12"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.06"/>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="5.0"/>
      <inertia ixx="0.06" ixy="0" ixz="0" iyy="0.09" iyz="0" izz="0.12"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- 驱动轮：绕 Y 轴连续旋转 -->
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="0.06" length="0.03"/></geometry>
      <origin rpy="1.5708 0 0"/>
      <material name="dark"><color rgba="0.1 0.1 0.1 1"/></material>
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="0 0.165 0.06"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</robot>
​

三处新手易错点都在这段里。origin 的 rpy 是弧度不是角度，90 度要写 1.5708——轮子的圆柱默认轴是 Z，要立起来必须绕 X 转 90 度，漏写这一步轮子会"躺平"。joint 的 parent 与 child 方向：URDF 里关节从父连杆指向子连杆，这与第 5.2 节 TF 变换的方向一致，先在建模期养成方向感。inertial 不能省在仿真场景——没有惯性参数的连杆在物理引擎里行为未定义，仿真会静默出错而非报错。

二、xacro：当复制粘贴开始繁殖

真实机器人的轮子有两个、腿有四条、指节有五根，纯 URDF 的复制粘贴会让模型文件膨胀成灾难，更糟的是改一处半径要同步 N 处。xacro 在 URDF 上加了宏、属性与算术，展开后仍是标准 URDF：

<!-- 轮子定义为宏：参数化的复制粘贴终结者 -->
<robot name="my_bot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
  <xacro:property name="wheel_sep" value="0.33"/>

  <xacro:macro name="wheel" params="side offset">
    <link name="${side}_wheel">
      <visual>
        <geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="0.03"/></geometry>
        <origin rpy="1.5708 0 0"/>
      </visual>
    </link>
    <joint name="${side}_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${side}_wheel"/>
      <origin xyz="0 ${offset} ${wheel_radius}"/>
      <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

  <xacro:wheel side="left" offset="0.165"/>
  <xacro:wheel side="right" offset="-0.165"/>
</robot>
​

左轮右轮现在共享同一个宏定义，轮距与半径各是一处属性。改轮径只动一行，物理一致性由变量保证——这在后期标定环节价值巨大，因为轮径改了之后碰撞体、惯量、运动学全部要联动。展开与检查一步不离两条命令：

# 展开 xacro 成纯 URDF 并检查语法
ros2 run xacro xacro model.urdf.xacro > model.urdf
check_urdf model.urdf
# 输出机器人结构树与每条关节的父子关系，语法错误在此显形
​

三、模型与 TF 树、关节状态的接线

模型写完，它在运行期以三种方式活起来，这正是与 5.2 节的接口处。robot_state_publisher 读入 URDF，把所有 fixed 关节发布成 TF 静态变换，把可动关节按编码器读数发布成动态变换——你的模型文件就是这样变成坐标树的。joint_state_publisher 在没有真实硬件时发布关节角度（比如拖 RViz 滑条），让模型在屏幕上动起来。

ros2 run robot_state_publisher robot_state_publisher --ros-args -p robot_description:="$(xacro model.urdf.xacro)"
ros2 run joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui
ros2 run rviz2 rviz2    # Fixed Frame 设为 base_link，添加 RobotModel 显示项
​

⚠️ 常见坑：robot_description 参数通过命令行内嵌 xacro 展开结果时，引号嵌套在 shell 里极易出错——双引号套双引号会被 shell 吃掉一层。更稳的做法是把展开结果写进启动文件，用第 4 章的 Command substitution 机制注入。

图 5-1：从 URDF 文件到运行期 TF 树

本节要点回顾

• URDF 只有两个原子对象：连杆带三套描述（视觉、碰撞、惯性），关节声明父子与轴向；
• rpy 是弧度、origin 是关节系下的位姿，这两处是新手建模错误的密集区；
• xacro 宏与属性消灭复制粘贴，改一处参数全模型联动，标定期价值巨大；
• robot_state_publisher 是模型到 TF 的桥，fixed 关节成静态变换，可动关节随编码器更新；
• 建模三要素纪律：尺寸对实物、原点有物理意义、轴向守右手系——模型不准，导航永远差一截。

身体描述好了，下一节让整台机器人（以及它的每个传感器）对"谁在哪"达成持续共识。