一、URDF 简介

URDF（Unified Robot Description Format）即统一机器人描述格式，是 ROS（Robot Operating System）中用于描述机器人模型的 XML 语言。它可以定义机器人的各个部分，包括连杆（links）、关节（joints）、惯性属性、视觉外观和碰撞属性等，让 ROS 系统能够理解机器人的结构和特性，进而实现运动规划、仿真和控制等功能。

二、六轴机械臂模型的构建步骤

（一）确定机械臂结构

在开始编写 URDF 文件前，需明确六轴机械臂的结构，包括各连杆的尺寸、形状，关节的类型（旋转关节或平移关节）、位置和运动范围等。假设我们的六轴机械臂由 6 个连杆和 6 个旋转关节组成，每个关节控制一个连杆的转动。

（二）创建 URDF 文件基础结构

新建一个.urdf文件，例如six_axis_robot.urdf，文件开头需声明 XML 版本和 URDF 命名空间：

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="six_axis_robot">
  <!-- 机械臂模型内容将在此处填写 -->
</robot>

<robot>标签是 URDF 文件的根元素，name属性指定机器人的名称。

（三）定义连杆

1. 第一个连杆（base_link）：以第一个连杆base_link为例，在<robot>标签内添加如下代码：

<link name="base_link">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="1"/>
    <inertia ixx="100" ixy="0" ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100"/>
  </inertial>
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.2 0.2 0.1"/>
    </geometry>
    <material name="Blue">
      <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.2 0.2 0.1"/>
    </geometry>
  </collision>
</link>

• name属性为连杆命名。
• <inertial>标签描述连杆的惯性属性。<origin>标签定义连杆质心相对于连杆坐标系的位置和姿态，xyz表示平移，rpy表示欧拉角旋转；<mass>标签的value属性指定连杆质量；<inertia>标签定义惯性矩和惯性积，对于简单形状，可参考 URDF 文档获取对应值，这里假设的数值仅为示例。
• <visual>标签用于设置连杆的可视化属性。<geometry>标签内的<box>标签表示连杆形状为立方体，size属性指定长、宽、高；<material>标签定义连杆的材质，<color>标签的rgba属性设置颜色，四个值分别代表红、绿、蓝和透明度，取值范围为[0, 1] 。
• <collision>标签描述连杆的碰撞属性，结构与<visual>类似，<geometry>中的形状用于碰撞检测，这里采用与可视化相同的立方体形状。

1. 其余连杆（link1 - link5）：按照相同方式定义其余连杆，根据实际尺寸和特性调整参数。例如link1：

<link name="link1">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="0.5"/>
    <inertia ixx="50" ixy="0" ixz="0" iyy="50" iyz="0" izz="50"/>
  </inertial>
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <cylinder radius="0.05" length="0.2"/>
    </geometry>
    <material name="Red">
      <color rgba="1 0 0 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <cylinder radius="0.05" length="0.2"/>
    </geometry>
  </collision>
</link>

此处link1形状为圆柱体，通过<cylinder>标签定义半径和长度，材质颜色设为红色。

（四）定义关节

1. 第一个关节（joint1）：在<robot>标签内，于base_link和link1定义之后添加关节定义：

   <joint name="joint1" type="revolute">
     <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="link1"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
     <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="100" velocity="1"/>
   </joint>

2. name属性为关节命名，type属性指定关节类型，revolute表示旋转关节，还有prismatic（平移关节）等类型。
3. <origin>标签定义关节在父连杆坐标系中的位置和姿态。
4. <parent>和<child>标签分别指定关节的父连杆和子连杆。
5. <axis>标签定义关节的旋转轴，xyz表示轴的方向向量。
6. <limit>标签设置关节的运动范围，lower和upper指定角度下限和上限（单位为弧度），effort表示关节最大驱动力矩，velocity表示关节最大运动速度。

1. 其余关节（joint2 - joint5）：类似地定义其余关节，根据机械臂实际结构调整参数。例如joint2：

<joint name="joint2" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0.3" rpy="0 0 0"/>
  <parent link="link1"/>
  <child link="link2"/>
  <axis xyz="0 1 0"/>
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="100" velocity="1"/>
</joint>

这里joint2连接link1和link2，旋转轴方向为y轴，运动范围与joint1相同（实际应用中应根据机械臂设计调整）。

（五）完成第六个连杆和关节

重复连杆和关节的定义步骤完成最后一个连杆link6和关节joint6的定义：

<link name="link6">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="0.2"/>
    <inertia ixx="20" ixy="0" ixz="0" iyy="20" iyz="0" izz="20"/>
  </inertial>
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <sphere radius="0.03"/>
    </geometry>
    <material name="Green">
      <color rgba="0 1 0 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <sphere radius="0.03"/>
    </geometry>
  </collision>
</link>

<joint name="joint6" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
  <parent link="link5"/>
  <child link="link6"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="50" velocity="1"/>
</joint>

link6形状为球体，joint6连接link5和link6，运动范围更大。

三、使用 URDF 模型

（一）在 RViz 中显示

1. 启动 ROS 核心：在终端输入roscore并回车。
2. 安装joint_state_publisher和robot_state_publisher：如果未安装，使用sudo apt-get install ros - <distro> - joint - state - publisher ros - <distro> - robot - state - publisher命令安装，<distro>为 ROS 版本，如melodic。
3. 发布关节状态：新建终端，输入rosrun joint_state_publisher joint_state_publisher，它会随机发布关节角度，用于显示机械臂的动态效果。
4. 发布机器人状态：再新建终端，输入rosrun robot_state_publisher robot_state_publisher <path_to_urdf>/six_axis_robot.urdf，将 URDF 模型发布到 ROS 系统。
5. 启动 RViz：打开新终端，输入rosrun rviz rviz，在 RViz 中添加RobotModel显示项，即可看到六轴机械臂模型。

（二）在 Gazebo 中仿真

1. 安装 Gazebo 和相关插件：根据 ROS 版本安装对应版本的 Gazebo，以及ros - <distro> - gazebo - ros - packages和ros - <distro> - gazebo - ros - control等插件。
2. 创建 Gazebo 世界文件：例如world.world，定义仿真环境，如地面、光源等。
3. 在 Gazebo 中加载机械臂模型：修改world.world文件，添加<include>标签加载 URDF 模型：

<include>
  <uri>model://six_axis_robot</uri>
  <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
</include>

1. 启动 Gazebo 仿真：在终端输入roslaunch gazebo_ros empty_world.launch world_name:=$(rospack find <package_name>)/worlds/world.world，<package_name>为包含 URDF 文件和世界文件的 ROS 包名，即可在 Gazebo 中看到机械臂模型并进行仿真。