URDF 机器人建模完全指南

ROS
4.5k 词

从零掌握 URDF 建模：基础结构、xacro 宏、Transmission、Fusion360 导出及常见问题。

一、URDF 基础结构

一个 link 包含三个核心标签：

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<link name="car_link">
  <!-- 可视化：在图形界面中显示 -->
  <visual>
    <geometry>
      <box size="2.0 1.0 0.5"/>
    </geometry>
  </visual>
  
  <!-- 碰撞检测：传感器和物理引擎使用 -->
  <collision>
    <geometry>
      <box size="2.0 1.0 0.5"/>
    </geometry>
  </collision>

  <!-- 惯性：物理引擎需要（Gazebo 中极其重要） -->
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="1.0"/>
    <inertia ixx="0.02" ixy="0" ixz="0" iyy="0.02" iyz="0" izz="0.02"/>
  </inertial>
</link>
标签 作用 缺失后果
visual 图形界面显示 看不到模型
collision 传感器/碰撞检测 激光雷达穿透、不碰撞
inertial 物理引擎驱动 Gazebo 中无法驱动

geometry 支持的类型

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<box size="x y z"/>           <!-- 立方体 -->
<cylinder radius="r" length="l"/>  <!-- 圆柱 -->
<sphere radius="r"/>          <!-- 球体 -->
<mesh filename="package://pkg/meshes/model.stl"/>  <!-- 自定义模型 -->

自定义 STL 文件时，尽量用碰撞箱包裹——STL 碰撞面复杂得多，严重影响仿真性能。

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<joint name="joint_name" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
  <parent link="base_link"/>
  <child link="child_link"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="3.14"/>
</joint>

Joint 类型：

type 说明 自由度
fixed 固定连接 0
revolute 旋转关节（有角度限制） 1
continuous 连续旋转（无限制） 1
prismatic 滑动关节 1
floating 6 自由度浮动 6

三、xacro 宏：消除重复

当有多个相同部件（如四个轮子），使用 xacro 宏：

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<xacro:macro name="wheel" params="name prefix">
  <link name="${prefix}_${name}_wheel">
    <inertial>
      <mass value="0.5"/>
      <inertia ixx="0.001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.001" iyz="0" izz="0.001"/>
    </inertial>
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</xacro:macro>

<!-- 使用 -->
<xacro:wheel name="front_left" prefix="my_robot"/>
<xacro:wheel name="front_right" prefix="my_robot"/>

四、Transmission：连接驱动与仿真

Transmission 是 URDF 和 ros_control 之间的桥梁——当物理引擎中驱动设备动作时，ROS 知道哪个 TF 需要变化。

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<transmission name="wheel_trans">
  <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  <joint name="wheel_joint">
    <hardwareInterface>EffortJointInterface</hardwareInterface>
  </joint>
  <actuator name="wheel_motor">
    <mechanicalReduction>50</mechanicalReduction>
    <hardwareInterface>EffortJointInterface</hardwareInterface>
  </actuator>
</transmission>

控制器与硬件接口对应：

接口 控制器
EffortJointInterface joint_effort_controller
VelocityJointInterface joint_velocity_controller
PositionJointInterface joint_position_controller
Joint State joint_state_controller

还需在 URDF 中添加 ros_control 插件：

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<gazebo>
  <plugin name="gazebo_ros_control" filename="libgazebo_ros_control.so">
    <robotNamespace>/my_robot</robotNamespace>
  </plugin>
</gazebo>

五、手动建模要点

当脚本无法处理复杂模型时，需要手动编写 URDF：

属性设置顺序

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link(inertial) → joint → link(visual/collision) → 子 link...

关键注意事项

  1. base_link 位置：排除轮子后车体的质心位置
  2. 惯性矩换算：Fusion360 给出的值需 ×10⁻⁹（如 689.2 → 6.892E-07）
  3. 质心 vs 原点：选择相对于质心的惯性，而非相对于原点的
  4. 碰撞简化：用碰撞箱代替 STL，STL 碰撞面复杂会导致仿真卡顿
  5. STL 缩放：若机械给的是米制 STL，需 scale="0.001 0.001 0.001"；毫米制则不需要
  6. 单个 STL 小于 2MB：过大文件严重影响运行

六、Fusion360 脚本导出

使用 fusion2urdf 脚本自动导出。

建模规范

  • 一个零部件只能包含一个实体，不能有内部零部件
  • 零部件命名只能字母或数字（Gazebo 要求）
  • 不允许快速联接，只允许刚体/旋转/滑动联接
  • 联接时按子-父顺序，不能弄反
  • 不要鼠标拖动位置——用参数精确设置
  • 必须有一个零部件命名为 base_link

常见问题

RViz 报错 “root link has inertia”：

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The root link base_link has an inertia specified in the URDF, 
but KDL does not support a root link with an inertia.

解法：添加一个空属性的虚拟 link：

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<link name="dummy"></link>
<joint name="dummy_joint" type="fixed">
  <parent link="dummy"/>
  <child link="base_link"/>
</joint>

模型灰白无色：

检查是否安装 joint_state_publisher：

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sudo apt-get install ros-noetic-joint-state-publisher

Controller Spawner 找不到 controller_manager：

把 launch 文件中的 spawner 换成 controller_manager：

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<!-- 改前 -->
<node name="controller_spawner" pkg="controller_manager" type="spawner" .../>

<!-- 改后 -->
<node name="controller_manager" pkg="controller_manager" type="controller_manager" .../>