什么是URDF格式

AI解读 5小时前硕雀

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URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）概述

URDF 是一种基于 XML 的文件格式，专门用于在 ROS（机器人操作系统）生态中描述机器人的几何结构、运动学、动力学以及视觉/碰撞属性。它把机器人抽象为链接（link）‍和关节（joint）‍的树状层级，配合惯性、材质、传感器等信息，为仿真、可视化和控制提供统一的数据来源。

1. 主要组成元素

元素	作用	常见子标签
`<robot>`	文件根节点，定义机器人名称	-
`<link>`	描述刚体部件（单个连杆）	`<visual>`（外观）、`<collision>`（碰撞体）、`<inertial>`（质量、惯性）
`<joint>`	描述两个 link 之间的运动约束	`<parent>`、`<child>`、`<origin>`、`<axis>`、`<limit>`、`<dynamics>`
`<visual>`	机器人在 RViz 等可视化工具中的外观	`<geometry>`（box、cylinder、mesh 等）、`<material>`
`<collision>`	碰撞检测使用的简化几何体	同 `<visual>` 的 `<geometry>`
`<inertial>`	质量、质心、惯性张量	`<mass>`、`<origin>`、`<inertia>`
`<transmission>`（可选）	关联关节与驱动器（motor）	`<type>`、`<actuator>`、`<joint>`
`<sensor>`（可选）	描述附加的传感器信息	`<camera>`、`<laser>` 等

单位约定：长度使用米（m），角度使用弧度（rad），质量使用千克（kg）。

2. 文件结构示例（简化）

<robot name="tiny_robot">
  <!-- 链接 1 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.5 0.5 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="gray"/>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <box size="0.5 0.5 0.1"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="5.0"/>
      <origin xyz="0 0 0"/>
      <inertia ixx="0.1" ixy="0" ixz="0"
               iyy="0.1" iyz="0" izz="0.1"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- 关节 1：base_link 与 arm_link 之间的旋转关节 -->
  <joint name="shoulder_joint" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="arm_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit effort="10" velocity="1.0"
           lower="-1.57" upper="1.57"/>
  </joint>

  <!-- 链接 2 -->
  <link name="arm_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.4"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
    <!-- 省略 collision、inertial -->
  </link>
</robot>

该示例展示了 机器人根节点 → 两个 link → 一个 revolute 关节 的基本结构，涵盖了视觉、碰撞和惯性信息。

3. 常用配套工具

工具	功能	说明
Xacro	XML 宏预处理器，简化重复代码	通过变量、宏生成可复用的 URDF，提升可维护性
robot_state_publisher	根据 URDF 自动发布 TF 变换	让 ROS 中的其他节点能够获取每个 link 的位姿
rviz / Gazebo	可视化与仿真	读取 URDF 渲染机器人模型，或在 Gazebo 中进行物理仿真
urdf_parser_py	Python 解析库	便于在脚本中读取、修改 URDF 内容

4. URDF 的优势与局限

优势

统一标准：在 ROS 生态内被广泛接受，几乎所有工具链（RViz、MoveIt、Gazebo）均直接支持。
可读性强：基于 XML，结构清晰，易于手工编辑和版本管理。
模块化：通过 <link>、<joint> 的层次化组织，可灵活描述从单臂到全身机器人的各种结构。

局限

仅支持树形结构：不支持闭环（闭链）机器人，需要额外的 SRDF 或 URDF with fixed joints 进行补偿。
几何表达有限：复杂曲面只能通过外部 mesh（STL/DAE）文件引用，内部不提供高级 CAD 功能。
缺少动力学细节：如弹簧、阻尼等高级动力学参数只能在 transmission 或自定义插件中实现。

5. 应用场景

机器人建模：在研发阶段快速搭建模型，供仿真和可视化使用。
运动规划：MoveIt! 读取 URDF 生成运动学链，计算逆运动学、路径规划。
真实机器人部署：通过 robot_state_publisher 将 URDF 中的结构映射到实际硬件的 TF 树，实现感知与控制的统一坐标系。
跨平台共享：研究团队可通过 URDF 文件共享机器人结构，降低重复建模成本。

6. 参考资源

官方 ROS Wiki（URDF XML 规范）
阿里云技术文章对 URDF 结构的系统阐述
CSDN 最新教程对 URDF 各标签的详细解释
Delft University 公开课 PPT（结构化概览）
ROS2 官方文档对 URDF 与 Xacro 的结合使用

总结：URDF 是 ROS 生态中描述机器人形态与运动学的核心 XML 格式。它通过层次化的 <link> 与 <joint> 定义机器人结构，并配合视觉、碰撞、惯性等子标签提供完整的仿真与控制信息。配合 Xacro、robot_state_publisher 等工具，URDF 能实现从概念模型到真实机器人系统的无缝衔接。

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