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URDF 機器人模型

URDF 機器人模型​

本篇介紹如何在 ROS 2 中，利用 URDF（Unified Robot Description Format）建立與設定機器人模型。

整體概念​

機器人模型用來描述機器人的實體結構與幾何形狀。在 ROS 內，通常以 URDF 搭配 3D 模型（常見為 STL）構成描述：

  • STL：負責每個零件的網格與外觀
  • URDF：定義零件之間的關係、關節、物理屬性與座標轉換

什麼是 URDF？​

URDF（Unified Robot Description Format） 是 ROS 中用來描述機器人系統的 XML 格式。

重點特色​

  • 透過關節描述零件（link）如何連結
  • 包含轉換、慣性與物理屬性
  • 可引用 STL 檔顯示外觀
  • 以結構化的 XML 撰寫，易於維護

基本結構​

URDF 檔以 <robot> 為根節點，內含 link 與 joint 定義：

URDF 結構

<robot name="robot_name">
  <!-- Link definitions -->
  <link name="link_name">
    <visual>...</visual>
    <collision>...</collision>
    <inertial>...</inertial>
  </link>
  
  <!-- Joint definitions -->
  <joint name="joint_name" type="revolute">
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="100" velocity="1.0"/>
  </joint>
</robot>

在 RViz2 中檢視模型​

調整 URDF 前，建議先確認如何在 RViz2 載入模型。

步驟指引​

1. 啟動載入 URDF 的節點​

將含有 URDF 的 node 啟動，讓 robot description 發佈到 ROS 參數伺服器。

2. 開啟 RViz2 並新增顯示項目​

  • 於 RViz2 左下角點選 Add
  • 在清單中選擇 RobotModel

3. 設定 RobotModel​

  • 將 Description Source 設為 Topic
  • 確認 robot description 有正確發佈

4. 疑難排解​

若畫面沒有顯示，可嘗試開關 Visual Enabled，通常就能重新繪製。

在 Links 區塊可以針對單一 link 開關顯示，方便專注在特定零件。

座標系與轉換​

調整 URDF 前，建議先了解 ROS 2 的 TF2（轉換庫）。

右手定則​

可以利用右手定則幫助判斷座標軸方向：

右手定則

拇指 → X 軸正方向
食指 → Y 軸正方向
中指 → Z 軸正方向

手指指向即為正方向，反向則為負方向。

小結​

URDF 的常見用處：

  • 在 RViz2 呈現機器人
  • 供模擬與物理運算使用
  • 進行運動學／動力學計算
  • 進行校正與參數調整