机器人描述文件 xacro（urdf 扩展）

作者：芯动大师

2025-06-15
四川
本文字数：9321 字
阅读完需：约 31 分钟

一、定义

通俗来说，xacro 就是 urdf 文件的一种“进阶版”，它是用来简化和优化机器人的描述文件，使得多个机器人可以共享同样的部件和结构，避免重复编写相同的代码。

假设你有很多机器人，它们的结构相似，比如都有轮子、传感器、臂部等部件。每次你需要为这些机器人写 urdf 文件时，都要重复描述每个部件（比如轮子、关节、传感器等）。这样写非常繁琐且容易出错。

xacro 的作用：就是通过封装和参数化这些部件，使得你可以更方便地重用已有的结构，只需要少量的修改就可以生成不同机器人的 urdf 文件。类似 C 语言中函数的封装。

二、`xacro` 文件常见组成部分

1. 命名空间声明

该命名空间的定义使得文件中的 xacro 特性能够正常工作，让你在模型中使用宏和其他 xacro 相关的功能。

<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="robot">

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2. 定义宏

宏用于封装可复用的结构，例如机器人关节、链接等。你可以定义一个宏并在多个地方调用它，宏可以带有参数，这样就可以创建不同配置的部件。

<xacro:macro name="wheel" params="name x_offset y_offset">

</xacro:macro>

<xacro:macro name="wheel" params="name x_offset y_offset">  <!-- 定义轮子的link和joint --></xacro:macro>

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3. 调用宏

宏定义完成后，可以在 xacro 文件的任意位置调用宏来生成相应的部件。调用时，可以传递参数值来定制生成的部件。

<xacro:wheel name="right_wheel" x_offset="0.1" y_offset="-0.09"/><xacro:wheel name="left_wheel" x_offset="0.1" y_offset="0.09"/>

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4. 定义参数

你可以在 xacro 文件中定义变量（参数），这些变量可以在宏中使用，也可以传递给其它部分。这使得配置变得更加灵活和动态。

在这个例子中，wheel_radius 是一个参数，表示轮子的半径。在后续的代码中，可以直接使用这个参数。

<xacro:property name="wheel_radius" value="0.025"/>

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5. 条件语句

xacro 支持条件语句，你可以根据不同的条件生成不同的机器人模型或某些部件。例如，如果你希望某个部件只有在某个参数为 true 时才创建，你可以使用 xacro:if 和 xacro:else。

<xacro:if value="${robot_type == 'mobile'}">  <!-- 如果是移动机器人，添加特定部件 --></xacro:if>

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6. 转换 xacro 文件为 urdf

你可以使用 ROS 提供的工具来将 xacro 文件转换为 URDF 文件，生成的 URDF 文件可以直接用于机器人仿真、控制等。

rosrun xacro xacro mybot.xacro > mybot.urdf

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7. gazebo 标签

在 XACRO 文件中，<gazebo> 标签用于定义与 Gazebo 仿真环境相关的设置和插件。Gazebo 是一个强大的仿真工具，用于模拟机器人、传感器以及与环境的交互。当你在 XACRO 中使用 gazebo 标签时，通常是为了控制仿真中的物理属性、传感器和控制插件。

三、代码示例

1. gazebo 标签使用（仿真参数配置）

功能：用于描述一些物体以及传感器在 gazebo 仿真中的一些数据，例如摩擦系数、速度等等。

mybot_gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?><robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">  <!-- 定义了3个参数：激光、相机和IMU的可视化开关 -->  <xacro:arg name="laser_visual" default="false"/>  <xacro:arg name="camera_visual" default="false"/>  <xacro:arg name="imu_visual"   default="false"/>   <!-- Gazebo仿真环境中为 base_link 设置物理材质 -->  <gazebo reference="base_link">    <material>Gazebo/DarkGrey</material>  <!-- 使用 DarkGrey 材质 -->  </gazebo>   <!-- 为左轮设置物理属性，包括摩擦系数、刚度等 -->  <gazebo reference="left_wheel_link">    <mu1>0.5</mu1>   <!-- 摩擦系数 -->    <mu2>0.5</mu2>   <!-- 摩擦系数 -->    <kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 -->    <kd>10.0</kd>    <!-- 阻尼 -->    <minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 -->    <maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 -->    <fdir1>1 0 0</fdir1> <!-- 摩擦方向 -->    <material>Gazebo/DarkGrey</material>  <!-- 使用 DarkGrey 材质 -->  </gazebo>   <!-- 为右轮设置物理属性 -->  <gazebo reference="right_wheel_link">    <mu1>0.5</mu1>   <!-- 摩擦系数 -->    <mu2>0.5</mu2>   <!-- 摩擦系数 -->    <kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 -->    <kd>10.0</kd>    <!-- 阻尼 -->    <minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 -->    <maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 -->    <fdir1>1 0 0</fdir1> <!-- 摩擦方向 -->    <material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 -->  </gazebo>   <!-- 为球形支撑轮设置物理属性 -->  <gazebo reference="ball_wheel_link">    <mu1>0.1</mu1>   <!-- 摩擦系数 -->    <mu2>0.1</mu2>   <!-- 摩擦系数 -->    <kp>500000.0</kp> <!-- 刚度 -->    <kd>100.0</kd>   <!-- 阻尼 -->    <minDepth>0.001</minDepth>  <!-- 最小深度 -->    <maxVel>1.0</maxVel>  <!-- 最大速度 -->    <material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 -->  </gazebo>   <!-- 定义 IMU 传感器的Gazebo设置 -->  <gazebo reference="imu">    <sensor type="imu" name="imu">      <always_on>true</always_on> <!-- IMU 始终开启 -->      <visualize>$(arg imu_visual)</visualize> <!-- 根据 imu_visual 参数来显示/隐藏 IMU -->    </sensor>    <material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 -->  </gazebo>   <!-- 定义机器人控制插件，用于ROS控制 -->  <gazebo>    <plugin name="mybot_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">      <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>   <!-- 控制命令话题 -->      <odometryTopic>odom</odometryTopic>   <!-- 里程计话题 -->      <odometryFrame>odom</odometryFrame>   <!-- 里程计坐标系 -->      <odometrySource>world</odometrySource> <!-- 里程计数据来源 -->      <publishOdomTF>true</publishOdomTF>   <!-- 是否发布里程计TF -->      <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 机器人基座坐标系 -->      <publishWheelTF>false</publishWheelTF> <!-- 是否发布轮子坐标系 -->      <publishTf>true</publishTf>   <!-- 是否发布TF -->      <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState> <!-- 是否发布轮子的关节状态 -->      <legacyMode>false</legacyMode> <!-- 是否使用旧版控制模式 -->      <updateRate>30</updateRate>   <!-- 控制更新率（30Hz） -->      <leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint>  <!-- 左轮的关节 -->      <rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint> <!-- 右轮的关节 -->      <wheelSeparation>0.180</wheelSeparation> <!-- 轮子间距 -->      <wheelDiameter>0.05</wheelDiameter>   <!-- 轮子直径 -->      <wheelAcceleration>10</wheelAcceleration> <!-- 轮子的加速度 -->      <wheelTorque>100</wheelTorque>   <!-- 轮子的最大扭矩 -->      <rosDebugLevel>na</rosDebugLevel>  <!-- 不使用ROS调试 -->    </plugin>  </gazebo>   <!-- 定义IMU插件 -->  <gazebo>    <plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so">      <alwaysOn>true</alwaysOn>  <!-- 始终开启 -->      <bodyName>imu</bodyName>   <!-- 传感器所在的身体名称 -->      <frameName>imu</frameName>  <!-- 传感器的框架名称 -->      <topicName>imu</topicName>  <!-- 传感器数据发布话题 -->      <serviceName>imu_service</serviceName> <!-- 服务名称 -->      <gaussianNoise>0.0</gaussianNoise>  <!-- 高斯噪声 -->      <updateRate>0</updateRate>  <!-- 更新频率 -->      <imu>        <noise>          <type>gaussian</type>  <!-- 噪声类型：高斯噪声 -->          <rate>            <mean>0.0</mean>   <!-- 速率噪声均值 -->            <stddev>2e-4</stddev> <!-- 速率噪声标准差 -->            <bias_mean>0.0000075</bias_mean>  <!-- 偏置均值 -->            <bias_stddev>0.0000008</bias_stddev> <!-- 偏置标准差 -->          </rate>          <accel>            <mean>0.0</mean>   <!-- 加速度噪声均值 -->            <stddev>1.7e-2</stddev> <!-- 加速度噪声标准差 -->            <bias_mean>0.1</bias_mean>  <!-- 加速度偏置均值 -->            <bias_stddev>0.001</bias_stddev>  <!-- 加速度偏置标准差 -->          </accel>        </noise>      </imu>    </plugin>  </gazebo>   <!-- 激光传感器设置 -->  <gazebo reference="base_laser_link">    <material>Gazebo/FlatBlack</material>  <!-- 使用 FlatBlack 材质 -->    <sensor type="ray" name="rplidar_sensor">      <pose>0 0 0 0 0 0</pose> <!-- 激光传感器的姿态 -->      <visualize>$(arg laser_visual)</visualize>  <!-- 根据 laser_visual 参数来显示/隐藏激光传感器 -->      <update_rate>7</update_rate>  <!-- 更新频率（7Hz） -->      <ray>        <scan>          <horizontal>            <samples>720</samples>  <!-- 扫描样本数 -->            <resolution>0.5</resolution>  <!-- 扫描分辨率 -->            <min_angle>0.0</min_angle>  <!-- 最小角度 -->            <max_angle>6.28319</max_angle> <!-- 最大角度 -->          </horizontal>        </scan>        <range>          <min>0.120</min>  <!-- 最小测距 -->          <max>12.0</max>   <!-- 最大测距 -->          <resolution>0.015</resolution> <!-- 距离分辨率 -->        </range>        <noise>          <type>gaussian</type>  <!-- 噪声类型：高斯噪声 -->          <mean>0.0</mean>   <!-- 噪声均值 -->          <stddev>0.01</stddev> <!-- 噪声标准差 -->        </noise>      </ray>      <!-- 激光控制插件 -->      <plugin name="gazebo_ros_rplidar_controller" filename="libgazebo_ros_laser.so">        <topicName>scan</topicName>  <!-- 激光扫描数据话题 -->        <frameName>base_laser_link</frameName> <!-- 激光传感器的坐标框架 -->      </plugin>    </sensor>  </gazebo>   <!-- 摄像头传感器设置 -->  <gazebo reference="base_camera_link">    <sensor type="camera" name="csi Camera">      <always_on>true</always_on>  <!-- 摄像头始终开启 -->      <visualize>$(arg camera_visual)</visualize>  <!-- 根据 camera_visual 参数来显示/隐藏相机 -->      <camera>          <horizontal_fov>1.085595</horizontal_fov> <!-- 水平视场角 -->          <image>              <width>640</width>  <!-- 图像宽度 -->              <height>480</height> <!-- 图像高度 -->              <format>R8G8B8</format> <!-- 图像格式 -->          </image>          <clip>              <near>0.03</near>  <!-- 最近剪裁距离 -->              <far>100</far>  <!-- 最远剪裁距离 -->          </clip>      </camera>      <!-- 摄像头控制插件 -->      <plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so">        <alwaysOn>true</alwaysOn>  <!-- 始终开启 -->        <updateRate>30.0</updateRate>  <!-- 更新频率（30Hz） -->        <cameraName>/</cameraName>  <!-- 摄像头名称 -->        <frameName>base_camera_link</frameName>  <!-- 相机坐标框架 -->        <imageTopicName>image_raw</imageTopicName>  <!-- 图像话题 -->        <cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>  <!-- 相机信息话题 -->        <hackBaseline>0.07</hackBaseline>  <!-- 基线距离 -->        <distortionK1>0.0</distortionK1>  <!-- 畸变系数 -->        <distortionK2>0.0</distortionK2>        <distortionK3>0.0</distortionK3>        <distortionT1>0.0</distortionT1>        <distortionT2>0.0</distortionT2>      </plugin>    </sensor>  </gazebo> </robot>

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2. 引用仿真配置并定义机器人模型（结构）

功能：这段代码描述了一个机器人（mybot）的物理模型和结构，代码通过定义多个链接（link）和关节（joint）来描述机器人的组成部分，包括主体、轮子、支撑轮、激光雷达等。当我们构建不同的机器人模型时，都可以引用之前的仿真配置。

注意：这两个文件中的 <robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"> 中的 name 字段应该一致。

mybot1.xacro

<?xml version="1.0"?>  <!-- 定义机器人模型文件 --><robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">     <!-- 引入外部Xacro文件，包含 Gazebo 模拟器的配置 -->  <xacro:include filename="$(find my_package)/xacro/mybot_gazebo.xacro" />    <!-- 定义 base_footprint 链接，通常用于表示机器人的地面接触点 -->  <link name="base_footprint"/>   <!-- 定义机器人基座的固定关节，连接 base_footprint 和 base_link -->  <joint name="base_joint" type="fixed">      <parent link="base_footprint"/>      <child link="base_link"/>      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>      <!-- 定义 base_link 链接，表示机器人的基座部分 -->  <link name="base_link">      <inertial>  <!-- 惯性属性 -->     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 -->     <mass value="0.1"/>  <!-- 质量 -->     <inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.001" /> <!-- 惯性矩阵 -->    </inertial>     <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>          <box size="0.25 0.16 0.05"/>  <!-- 形状为长方体，定义机器人的基座大小 -->      </geometry>  <!-- 几何形状 -->      <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/> <!-- 可视化原点 -->      <material name="blue">            <color rgba="0 0 0.8 1"/>  <!-- 设置颜色为蓝色 -->      </material>      </visual>      <collision>  <!-- 碰撞检测属性 -->     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 -->     <geometry>  <!-- 几何形状 -->       <box size="0.25 0.16 0.05"/>  <!-- 碰撞体形状为长方体，大小与可视化相同 -->     </geometry>   </collision>   </link>      <!-- 定义右侧车轮的链接 -->  <link name="right_wheel_link">      <inertial>  <!-- 惯性属性 -->     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 -->     <mass value="0.1"/>  <!-- 质量 -->     <inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" />  <!-- 惯性矩阵 -->    </inertial>     <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>  <!-- 几何形状 -->         <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 车轮的形状为圆柱 -->      </geometry>        <material name="black">          <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置车轮颜色为黑色 -->      </material>      </visual>       <collision>     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 -->     <geometry>       <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为圆柱 -->     </geometry>    </collision>  </link>     <!-- 定义右车轮的旋转关节，允许车轮持续旋转 -->  <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">      <axis xyz="0 0 -1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴负方向 -->    <parent link="base_link"/>  <!-- 父链接是基座链接 -->    <child link="right_wheel_link"/>  <!-- 子链接是右车轮链接 -->    <origin rpy="1.5707 0 0" xyz=" 0.1 -0.09 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>     <!-- 定义左侧车轮的链接 -->  <link name="left_wheel_link">      <inertial>  <!-- 惯性属性 -->     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 -->     <mass value="0.1"/>  <!-- 质量 -->     <inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" />  <!-- 惯性矩阵 -->    </inertial>     <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>  <!-- 几何形状 -->        <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 车轮的形状为圆柱 -->      </geometry>        <material name="black">          <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置车轮颜色为黑色 -->      </material>      </visual>       <collision>     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>     <geometry>       <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为圆柱 -->     </geometry>    </collision>     </link>     <!-- 定义左车轮的旋转关节 -->  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">      <axis xyz="0 0 -1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴负方向 -->    <parent link="base_link"/>  <!-- 父链接是基座链接 -->    <child link="left_wheel_link"/>  <!-- 子链接是左车轮链接 -->    <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 0.09 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>     <!-- 定义一个球形支撑轮 -->  <link name="ball_wheel_link">      <inertial>  <!-- 惯性属性 -->     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 惯性坐标原点 -->     <mass value="0.1"/>  <!-- 质量 -->     <inertia ixx="0"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0" />  <!-- 惯性矩阵 -->    </inertial>     <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>  <!-- 几何形状 -->        <sphere radius="0.025"/>  <!-- 球形轮子 -->      </geometry>        <material name="black">          <color rgba="0 0 0 1"/>  <!-- 设置轮子颜色为黑色 -->      </material>      </visual>       <collision>     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>  <!-- 碰撞检测的原点 -->     <geometry>       <sphere radius="0.025"/>  <!-- 碰撞体为球形 -->     </geometry>    </collision>     </link>     <!-- 定义球形支撑轮的固定关节 -->  <joint name="ball_wheel_joint" type="fixed">      <axis xyz="0 0 1"/>  <!-- 旋转轴是 Z 轴 -->    <parent link="base_link"/>      <child link="ball_wheel_link"/>      <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.10 0 -0.03"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>     <!-- 定义IMU传感器 -->  <link name="imu">      <visual>        <geometry>          <box size="0.01 0.01 0.01"/>  <!-- 小方块表示IMU传感器 -->      </geometry>        <material name="white">            <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 -->      </material>      </visual>    </link>     <!-- 定义IMU传感器的固定关节 -->  <joint name="imu_joint" type="fixed">      <parent link="base_link"/>      <child link="imu"/>      <origin xyz="0.08 0 0.025"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>    <!-- 定义摄像头 -->  <link name="base_camera_link">      <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>  <!-- 几何形状 -->        <box size="0.02 0.03 0.03"/>  <!-- 以方块形式表示摄像头 -->      </geometry>        <material name="white">            <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 -->      </material>      </visual>    </link>     <!-- 定义摄像头的固定关节 -->  <joint name="camera_joint" type="fixed">      <parent link="base_link"/>      <child link="base_camera_link"/>      <origin xyz="0.1 0 0.025"/>  <!-- 关节的位置和方向 -->  </joint>    <!-- 定义激光雷达 -->  <link name="base_laser_link">      <visual>  <!-- 可视化属性 -->      <geometry>  <!-- 几何形状 -->             <cylinder length="0.06" radius="0.04"/>  <!-- 激光雷达为圆柱形状 -->      </geometry>        <material name="white">            <color rgba="1 1 1 1"/>  <!-- 设置颜色为白色 -->      </material>      </visual>    </link>      <!-- 定义激光雷达的固定关节 -->  <joint name="laser_joint" type="fixed">      <parent link="base_link"/>      <child link="base_laser_link"/>      <origin xyz="0 0.0 0.06"/>  <!-- 位置在机器人顶部 -->  </joint>  </robot>

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四、加载仿真模型（含传感器的机器人）

1. 编写 launch 文件

最终我们运行的 mybot1.xacro ，里面包含了机器人的模型和仿真配置文件。编写 launch 文件来启动仿真模型。

simulation_robot.launch

<launch>  <!-- 定义机器人模型位置的参数：x_pos、y_pos 和 z_pos，默认值为0 -->  <arg name="x_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 x 轴上的位置 -->  <arg name="y_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 y 轴上的位置 -->  <arg name="z_pos" default="0.0"/>  <!-- 机器人在 z 轴上的位置 -->   <!-- 设置仿真时间使用真实时间（/use_sim_time 为 true），通常用于 Gazebo 仿真 -->  <param name="/use_sim_time" value="true" />     <!-- 引入 Gazebo 仿真世界启动文件 (gazebo_world.launch)，该文件定义了Gazebo世界环境 -->  <include file="$(find my_package)/launch/gazebo_world.launch"/>   <!-- 通过 xacro 文件生成机器人的 URDF 描述，并加载到 ROS 参数服务器中 -->  <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder $(find my_package)/xacro/mybot1.xacro" />   <!-- 启动 Gazebo 插件，将机器人模型（URDF）添加到 Gazebo 仿真环境中 -->  <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="spawn_urdf"         args="-urdf -model mybot.xacro -x $(arg x_pos) -y $(arg y_pos) -z $(arg z_pos) -param robot_description" />   <!-- 启动 robot_state_publisher 节点，用于发布机器人状态（例如各个关节的位置） -->  <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" /></launch>