URDF 完整节点与属性教程

营山第一型男

89人浏览 · 2026-09-05 13:56:36

营山第一型男 · 2026-09-05 13:56:36 发布

URDF（Unified Robot Description Format）是 ROS 中用于描述机器人刚体、关节、几何模型、质量惯性以及部分仿真信息的 XML 格式。

本文以 ROS 2 中常见 URDF 为主，系统整理 URDF 的节点层级、常用属性、取值方式和典型用法。
重点：link 描述“物体”，joint 描述“物体之间如何连接和运动”。

1. URDF 整体结构

一个典型 URDF 可以抽象成：

robot
├── link
│   ├── visual
│   │   ├── origin
│   │   ├── geometry
│   │   │   ├── box
│   │   │   ├── cylinder
│   │   │   ├── sphere
│   │   │   └── mesh
│   │   └── material
│   │       ├── color
│   │       └── texture
│   │
│   ├── collision
│   │   ├── origin
│   │   └── geometry
│   │       ├── box
│   │       ├── cylinder
│   │       ├── sphere
│   │       └── mesh
│   │
│   └── inertial
│       ├── origin
│       ├── mass
│       └── inertia
│
├── joint
│   ├── parent
│   ├── child
│   ├── origin
│   ├── axis
│   ├── limit
│   ├── dynamics
│   ├── safety_controller
│   ├── calibration
│   └── mimic
│
├── transmission
│   ├── type
│   ├── joint
│   └── actuator
│
├── gazebo
│   ├── material
│   ├── collision
│   ├── visual
│   └── plugin
│
└── 其他扩展
    └── ros2_control

注意：严格来说，gazebo、transmission、ros2_control 等属于 URDF 的扩展生态，而不是 URDF 核心规范本身。实际机器人项目通常会同时出现它们。

2. `<robot>` —— 机器人根节点

所有 URDF 都从 <robot> 开始。

<robot name="my_robot">

</robot>

属性	必填	作用	示例
`name`	是	机器人名称	`my_robot`

示例

<robot name="quadruped_robot">
    ...
</robot>

3. `<link>` —— 刚体

link 表示机器人中的一个刚体部件。

例如：

机身
机械臂
大腿
小腿
轮子
摄像头外壳
雷达支架

<link name="base_link">
</link>

属性	必填	作用
`name`	是	Link 名称

一个 Link 可以包含：

link
├── visual
├── collision
└── inertial

4. `<visual>` —— 可视化模型

描述机器人在 RViz、Gazebo 等环境中显示出来的样子。

<visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

    <geometry>
        <box size="1 0.5 0.2"/>
    </geometry>

    <material name="blue">
        <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
</visual>

子节点	作用
`<origin>`	Visual 相对于 Link 坐标系的位置和姿态
`<geometry>`	几何形状
`<material>`	材质和颜色

5. `<collision>` —— 碰撞模型

描述机器人进行碰撞检测时使用的模型。

<collision>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

    <geometry>
        <box size="1 0.5 0.2"/>
    </geometry>
</collision>

子节点	作用
`<origin>`	碰撞模型的位置和姿态
`<geometry>`	碰撞几何体

通常：

visual
    ↓
高精度模型
    ↓
负责“看起来像什么”

collision
    ↓
简化模型
    ↓
负责“碰撞怎么计算”

例如机器人外壳可以使用复杂 STL 作为 visual，而 collision 使用简单 Box。

6. `<inertial>` —— 惯性信息

描述 Link 的物理属性。

<inertial>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="10"/>
    <inertia
        ixx="1"
        ixy="0"
        ixz="0"
        iyy="1"
        iyz="0"
        izz="1"/>
</inertial>

子节点	作用
`<origin>`	惯性参考坐标系
`<mass>`	质量
`<inertia>`	惯性张量

7. `<mass>` —— 质量

<mass value="10"/>

属性	作用	单位
`value`	物体质量	kg

8. `<inertia>` —— 惯性张量

<inertia
    ixx="1"
    ixy="0"
    ixz="0"
    iyy="1"
    iyz="0"
    izz="1"/>

属性	含义
`ixx`	Ixx
`ixy`	Ixy
`ixz`	Ixz
`iyy`	Iyy
`iyz`	Iyz
`izz`	Izz

惯性矩阵为：

        | Ixx  Ixy  Ixz |
I =     | Ixy  Iyy  Iyz |
        | Ixz  Iyz  Izz |

单位通常为：

kg·m²

9. `<origin>` —— 坐标变换

URDF 中极其重要的节点。

<origin xyz="0.1 0 0.2"
        rpy="0 0 1.57"/>

属性	含义	单位
`xyz`	平移	m
`rpy`	Roll、Pitch、Yaw	rad

其中：

xyz = x y z

rpy = roll pitch yaw

例如：

<origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 1.5708"/>

表示：

x = 0 m
y = 0 m
z = 0.1 m

roll  = 0
pitch = 0
yaw   ≈ 90°

10. `<geometry>` —— 几何形状

geometry 用于描述 Link 的几何形状。

<geometry>
    ...
</geometry>

支持：

geometry
├── box
├── cylinder
├── sphere
└── mesh

11. `<box>` —— 长方体

<box size="1 0.5 0.2"/>

属性	含义
`size`	长、宽、高

例如：

size = "1 0.5 0.2"

长度 = 1 m
宽度 = 0.5 m
高度 = 0.2 m

12. `<cylinder>` —— 圆柱体

<cylinder radius="0.1" length="0.5"/>

属性	含义	单位
`radius`	半径	m
`length`	长度	m

13. `<sphere>` —— 球体

<sphere radius="0.2"/>

属性	含义	单位
`radius`	半径	m

14. `<mesh>` —— 三维网格模型

用于加载 STL、DAE、OBJ 等模型。

<mesh filename="package://my_robot/meshes/body.stl"/>

常见属性：

属性	作用
`filename`	模型文件路径
`scale`	模型缩放比例

例如：

<mesh
    filename="package://my_robot/meshes/body.stl"
    scale="0.001 0.001 0.001"/>

15. `<material>` —— 材质

<material name="blue">
    <color rgba="0 0 1 1"/>
</material>

属性/子节点	作用
`name`	材质名称
`<color>`	RGBA 颜色
`<texture>`	纹理图片

16. `<color>` —— 颜色

<color rgba="1 0 0 1"/>

格式：

R G B A

每个值通常为：

0 ~ 1

数值	含义
R	红色
G	绿色
B	蓝色
A	透明度

例如：

<color rgba="1 0 0 1"/>

表示红色、不透明。

17. `<texture>` —— 纹理

<texture filename="package://my_robot/materials/body.png"/>

属性	作用
`filename`	纹理图片路径

18. `<joint>` —— 关节

Joint 是 URDF 最核心的节点之一。

它描述：

两个 Link 之间如何连接，以及允许怎样运动。

<joint name="hip_joint" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="thigh_link"/>

    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

    <axis xyz="0 1 0"/>

    <limit
        lower="-1.57"
        upper="1.57"
        effort="100"
        velocity="2"/>
</joint>

19. Joint 的 `type`

type	含义	是否有运动	典型用途
`fixed`	固定	否	摄像头、雷达
`revolute`	有限旋转	是	机械臂、腿部关节
`continuous`	无限旋转	是	车轮
`prismatic`	直线移动	是	升降机构
`floating`	6 自由度	是	浮动连接
`planar`	平面运动	是	平面机构

20. `<parent>` —— 父 Link

<parent link="base_link"/>

属性	作用
`link`	指定父 Link

21. `<child>` —— 子 Link

<child link="wheel_link"/>

属性	作用
`link`	指定子 Link

所以一个 Joint 的基本关系是：

parent Link
     │
     │
   Joint
     │
     ↓
child Link

22. `<axis>` —— Joint 运动轴

<axis xyz="0 0 1"/>

属性	含义
`xyz`	运动轴方向

例如：

xyz="1 0 0"  → X 轴
xyz="0 1 0"  → Y 轴
xyz="0 0 1"  → Z 轴

对于：

revolute / continuous

表示旋转轴。

对于：

prismatic

表示平移方向。

23. `<limit>` —— 关节限制

<limit
    lower="-1.57"
    upper="1.57"
    effort="100"
    velocity="2"/>

属性	作用	常见单位
`lower`	最小位置/角度	rad 或 m
`upper`	最大位置/角度	rad 或 m
`effort`	最大力/力矩	N / N·m
`velocity`	最大速度	m/s 或 rad/s

对于 revolute：

lower / upper → 角度范围

对于 prismatic：

lower / upper → 位移范围

24. `<dynamics>` —— 动力学参数

<dynamics
    damping="0.1"
    friction="0.2"/>

属性	作用
`damping`	阻尼
`friction`	摩擦

主要用于物理仿真。

25. `<mimic>` —— 关节联动

用于让一个 Joint 跟随另一个 Joint。

<mimic
    joint="left_finger_joint"
    multiplier="-1"
    offset="0"/>

属性	作用
`joint`	被跟随的 Joint
`multiplier`	倍率
`offset`	偏移量

例如：

左夹爪 ─────┐
            │
            ↓
        主关节运动
            ↓
            │
右夹爪 ←────┘

26. `<safety_controller>` —— 安全控制参数

传统 URDF Joint 可以使用：

<safety_controller
    soft_lower_limit="-1.0"
    soft_upper_limit="1.0"
    k_position="10"
    k_velocity="5"/>

属性	作用
`soft_lower_limit`	软下限
`soft_upper_limit`	软上限
`k_position`	位置增益
`k_velocity`	速度增益

现代 ROS2 控制系统中不一定使用它。

27. `<calibration>` —— Joint 校准

用于描述关节校准相关信息。

常见属性：

属性	作用
`rising`	上升方向校准位置
`falling`	下降方向校准位置
`reference_position`	参考位置

属于较少使用的传统 URDF 功能。

28. `<transmission>` —— 传动关系

transmission 用于描述：

Actuator
    ↓
Transmission
    ↓
Joint

也就是：

电机/执行器如何驱动机器人关节。

典型结构：

<transmission name="hip_transmission">
    <type>...</type>

    <joint name="hip_joint">
        ...
    </joint>

    <actuator name="hip_motor">
        ...
    </actuator>
</transmission>

传统 transmission 中常见：

节点	作用
`<transmission>`	整个传动关系
`<type>`	Transmission 类型
`<joint>`	被驱动的关节
`<actuator>`	执行器/电机

在 ROS2 中，如果使用 ros2_control，硬件接口通常通过 <ros2_control> 描述，传统 transmission 的使用方式与 ROS1 不完全相同。

29. `<actuator>` —— 执行器

用于描述电机等执行器。

传统结构中可以包含：

<actuator name="motor">
    ...
</actuator>

具体内容取决于所使用的 transmission 类型和控制框架。

30. `<gazebo>` —— Gazebo 扩展

<gazebo> 不是核心 URDF 节点，而是 Gazebo 对 URDF 的扩展。

例如：

<gazebo reference="base_link">
    <material>Gazebo/Blue</material>
</gazebo>

常用于：

Gazebo 材质
摩擦参数
传感器
插件
仿真参数

31. `<plugin>` —— 仿真插件

例如 Gazebo 中：

<gazebo>
    <plugin
        name="my_plugin"
        filename="libmy_plugin.so">
    </plugin>
</gazebo>

用于加载仿真插件。

常见用途：

传感器
控制器
差速驱动
IMU
激光雷达
相机

32. `<ros2_control>` —— ROS2 控制扩展

现代 ROS2 机器人中非常重要。

典型结构：

<ros2_control name="MyRobotSystem" type="system">

    <hardware>
        ...
    </hardware>

    <joint name="wheel_joint">

        <command_interface name="velocity"/>

        <state_interface name="position"/>
        <state_interface name="velocity"/>

    </joint>

</ros2_control>

核心结构：

ros2_control
├── hardware
├── joint
│   ├── command_interface
│   └── state_interface
└── sensor
    └── state_interface

33. `<hardware>` —— 硬件接口

描述实际机器人硬件系统。

例如：

<hardware>
    <plugin>my_robot_hardware/MyHardware</plugin>
</hardware>

内容	作用
`<plugin>`	指定硬件接口插件

硬件可以是：

真实电机
CAN
串口
EtherCAT
模拟硬件
仿真硬件

34. `<command_interface>` —— 命令接口

描述控制器可以给硬件发送什么命令。

例如：

<command_interface name="velocity"/>

常见：

接口	含义
`position`	位置控制
`velocity`	速度控制
`effort`	力/力矩控制

35. `<state_interface>` —— 状态接口

描述硬件能够提供什么状态。

<state_interface name="position"/>
<state_interface name="velocity"/>

常见：

接口	含义
`position`	位置
`velocity`	速度
`effort`	力/力矩

36. `<sensor>` —— 传感器

在 ros2_control 等扩展中可以描述传感器硬件接口。

例如：

<sensor name="imu">
    <state_interface name="orientation.x"/>
    <state_interface name="orientation.y"/>
    <state_interface name="orientation.z"/>
</sensor>

实际使用时具体接口取决于硬件和控制框架。

37. 所有核心节点总结

下面是学习 URDF 时最重要的一张总表。

节点	所属	作用	重要程度
`<robot>`	URDF 核心	机器人根节点	⭐⭐⭐⭐⭐
`<link>`	URDF 核心	刚体/部件	⭐⭐⭐⭐⭐
`<visual>`	Link	可视化模型	⭐⭐⭐⭐⭐
`<collision>`	Link	碰撞模型	⭐⭐⭐⭐⭐
`<inertial>`	Link	质量和惯性	⭐⭐⭐⭐⭐
`<origin>`	多处	位置和姿态	⭐⭐⭐⭐⭐
`<geometry>`	Visual/Collision	几何模型	⭐⭐⭐⭐⭐
`<box>`	Geometry	长方体	⭐⭐⭐⭐
`<cylinder>`	Geometry	圆柱	⭐⭐⭐⭐
`<sphere>`	Geometry	球体	⭐⭐⭐
`<mesh>`	Geometry	三维模型	⭐⭐⭐⭐⭐
`<material>`	Visual	材质	⭐⭐⭐
`<color>`	Material	颜色	⭐⭐⭐
`<texture>`	Material	纹理	⭐⭐
`<mass>`	Inertial	质量	⭐⭐⭐⭐
`<inertia>`	Inertial	惯性张量	⭐⭐⭐⭐
`<joint>`	URDF 核心	连接和运动	⭐⭐⭐⭐⭐
`<parent>`	Joint	父 Link	⭐⭐⭐⭐⭐
`<child>`	Joint	子 Link	⭐⭐⭐⭐⭐
`<axis>`	Joint	运动轴	⭐⭐⭐⭐⭐
`<limit>`	Joint	运动限制	⭐⭐⭐⭐⭐
`<dynamics>`	Joint	阻尼/摩擦	⭐⭐⭐
`<mimic>`	Joint	关节联动	⭐⭐⭐
`<safety_controller>`	Joint	安全控制	⭐⭐
`<calibration>`	Joint	关节校准	⭐
`<transmission>`	扩展	执行器与关节传动	⭐⭐⭐
`<actuator>`	Transmission	执行器	⭐⭐
`<gazebo>`	Gazebo 扩展	仿真参数	⭐⭐⭐⭐
`<plugin>`	Gazebo	仿真插件	⭐⭐⭐⭐
`<ros2_control>`	ROS2 扩展	硬件控制	⭐⭐⭐⭐⭐
`<hardware>`	ros2_control	硬件接口	⭐⭐⭐⭐⭐
`<command_interface>`	ros2_control	控制命令接口	⭐⭐⭐⭐⭐
`<state_interface>`	ros2_control	状态反馈接口	⭐⭐⭐⭐⭐
`<sensor>`	扩展	传感器接口	⭐⭐⭐

38. URDF 属性总结

robot

节点	属性
`robot`	`name`

link

节点	属性
`link`	`name`

joint

节点	属性
`joint`	`name`、`type`

origin

属性	含义
`xyz`	平移
`rpy`	旋转

geometry

节点	属性
`box`	`size`
`cylinder`	`radius`、`length`
`sphere`	`radius`
`mesh`	`filename`、`scale`

material

节点	属性
`material`	`name`
`color`	`rgba`
`texture`	`filename`

inertial

节点	属性
`mass`	`value`
`inertia`	`ixx`、`ixy`、`ixz`、`iyy`、`iyz`、`izz`

joint

节点	属性
`parent`	`link`
`child`	`link`
`axis`	`xyz`
`limit`	`lower`、`upper`、`effort`、`velocity`
`dynamics`	`damping`、`friction`
`mimic`	`joint`、`multiplier`、`offset`
`safety_controller`	`soft_lower_limit`、`soft_upper_limit`、`k_position`、`k_velocity`

39. 一个完整的简单 URDF

下面是一个包含核心节点的完整例子：

<?xml version="1.0"?>

<robot name="my_robot">

    <!-- ==================== -->
    <!-- Base Link -->
    <!-- ==================== -->

    <link name="base_link">

        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

            <geometry>
                <box size="1 0.5 0.2"/>
            </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="1 0.5 0.2"/>
            </geometry>
        </collision>

        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>

            <mass value="10"/>

            <inertia
                ixx="1"
                ixy="0"
                ixz="0"
                iyy="1"
                iyz="0"
                izz="1"/>
        </inertial>

    </link>


    <!-- ==================== -->
    <!-- Wheel Link -->
    <!-- ==================== -->

    <link name="wheel_link">

        <visual>

            <geometry>
                <cylinder
                    radius="0.1"
                    length="0.05"/>
            </geometry>

        </visual>

        <collision>

            <geometry>
                <cylinder
                    radius="0.1"
                    length="0.05"/>
            </geometry>

        </collision>

    </link>


    <!-- ==================== -->
    <!-- Joint -->
    <!-- ==================== -->

    <joint
        name="wheel_joint"
        type="continuous">

        <parent link="base_link"/>

        <child link="wheel_link"/>

        <origin
            xyz="0.3 0 -0.15"
            rpy="1.5708 0 0"/>

        <axis xyz="0 0 1"/>

    </joint>

</robot>

40. URDF 最核心的理解方式

不要把 URDF 当成一堆 XML 标签去背。

真正需要建立的是下面这个模型：

                    Robot
                      │
          ┌───────────┴───────────┐
          ↓                       ↓
        Link                    Joint
          │                       │
       “物体”                  “连接”
          │                       │
    ┌─────┼─────┐          ┌─────┼─────┐
    ↓     ↓     ↓          ↓     ↓     ↓
 visual collision inertial parent child axis
    │
 geometry
    │
 ┌──┼─────────────┐
 ↓  ↓      ↓      ↓
box cylinder sphere mesh

再往上扩展：

URDF
│
├── 机器人结构
│   ├── Link
│   └── Joint
│
├── 外观
│   ├── Visual
│   ├── Geometry
│   └── Material
│
├── 物理
│   ├── Collision
│   └── Inertial
│
├── 关节运动
│   ├── Axis
│   ├── Limit
│   ├── Dynamics
│   └── Mimic
│
└── ROS2 / 仿真扩展
    ├── ros2_control
    ├── Gazebo
    └── Transmission

一句话记忆：

URDF = Link + Joint 为骨架，Visual/Collision/Inertial 描述 Link，Origin/Axis/Limit/Dynamics 描述 Joint，再通过 Gazebo、ros2_control 等扩展连接仿真和真实硬件。

41. 学习顺序建议

如果你是为了 ROS2 机器人开发，建议按照下面顺序学习：

① robot
   ↓
② link
   ↓
③ joint
   ↓
④ parent / child
   ↓
⑤ origin
   ↓
⑥ axis
   ↓
⑦ visual / geometry / mesh
   ↓
⑧ collision
   ↓
⑨ inertial
   ↓
⑩ limit / dynamics
   ↓
⑪ TF
   ↓
⑫ robot_state_publisher
   ↓
⑬ ros2_control
   ↓
⑭ Gazebo / RViz2

其中最关键的是：

Link
 +
Joint
 +
Origin
 =
机器人 TF 树

例如四足机器人：

                    base_link
                   /    |    \
                  /     |     \
              front    body    rear
               /                 \
           hip_joint           hip_joint
               ↓                   ↓
          thigh_link          thigh_link
               ↓                   ↓
          knee_joint          knee_joint
               ↓                   ↓
           calf_link           calf_link

这就是 URDF 最核心的思想：用 Link 构造机器人刚体，用 Joint 建立刚体之间的父子关系，最终形成完整的机器人运动学树。

DAMO开发者矩阵

DAMO开发者矩阵，由阿里巴巴达摩院和中国互联网协会联合发起，致力于探讨最前沿的技术趋势与应用成果，搭建高质量的交流与分享平台，推动技术创新与产业应用链接，围绕“人工智能与新型计算”构建开放共享的开发者生态。

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营山第一型男

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URDF 完整节点与属性教程

营山第一型男

1. URDF 整体结构

2. <robot> —— 机器人根节点

示例

3. <link> —— 刚体

4. <visual> —— 可视化模型

5. <collision> —— 碰撞模型

6. <inertial> —— 惯性信息

7. <mass> —— 质量

8. <inertia> —— 惯性张量

9. <origin> —— 坐标变换

10. <geometry> —— 几何形状

11. <box> —— 长方体

12. <cylinder> —— 圆柱体

13. <sphere> —— 球体

14. <mesh> —— 三维网格模型

15. <material> —— 材质

16. <color> —— 颜色

17. <texture> —— 纹理

18. <joint> —— 关节

19. Joint 的 type

20. <parent> —— 父 Link

21. <child> —— 子 Link

22. <axis> —— Joint 运动轴

23. <limit> —— 关节限制

24. <dynamics> —— 动力学参数

25. <mimic> —— 关节联动

26. <safety_controller> —— 安全控制参数

27. <calibration> —— Joint 校准

28. <transmission> —— 传动关系

29. <actuator> —— 执行器

30. <gazebo> —— Gazebo 扩展

31. <plugin> —— 仿真插件

32. <ros2_control> —— ROS2 控制扩展

33. <hardware> —— 硬件接口

34. <command_interface> —— 命令接口

35. <state_interface> —— 状态接口

36. <sensor> —— 传感器

37. 所有核心节点总结

38. URDF 属性总结

robot

link

joint

origin

geometry

material

inertial

joint

39. 一个完整的简单 URDF

40. URDF 最核心的理解方式

41. 学习顺序建议

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营山第一型男

2. `<robot>` —— 机器人根节点

3. `<link>` —— 刚体

4. `<visual>` —— 可视化模型

5. `<collision>` —— 碰撞模型

6. `<inertial>` —— 惯性信息

7. `<mass>` —— 质量

8. `<inertia>` —— 惯性张量

9. `<origin>` —— 坐标变换

10. `<geometry>` —— 几何形状

11. `<box>` —— 长方体

12. `<cylinder>` —— 圆柱体

13. `<sphere>` —— 球体

14. `<mesh>` —— 三维网格模型

15. `<material>` —— 材质

16. `<color>` —— 颜色

17. `<texture>` —— 纹理

18. `<joint>` —— 关节

19. Joint 的 `type`

20. `<parent>` —— 父 Link

21. `<child>` —— 子 Link

22. `<axis>` —— Joint 运动轴

23. `<limit>` —— 关节限制

24. `<dynamics>` —— 动力学参数

25. `<mimic>` —— 关节联动

26. `<safety_controller>` —— 安全控制参数

27. `<calibration>` —— Joint 校准

28. `<transmission>` —— 传动关系

29. `<actuator>` —— 执行器

30. `<gazebo>` —— Gazebo 扩展

31. `<plugin>` —— 仿真插件

32. `<ros2_control>` —— ROS2 控制扩展

33. `<hardware>` —— 硬件接口

34. `<command_interface>` —— 命令接口

35. `<state_interface>` —— 状态接口

36. `<sensor>` —— 传感器