URDF

又稱: Unified Robot Description Format
類別: Software & tooling › Tools & formats
標籤: robot-description, ros

用來表示機器人模型（包括幾何與運動學）的 XML 格式。

定義

統一機器人描述格式（Unified Robot Description Format）是一種 XML 格式，把機器人描述成一棵由關節連接剛性連桿的樹。每個連桿帶有三種獨立的幾何：要繪製什麼、要拿什麼來做碰撞判定，以及物理模擬所使用的慣性特性；每個關節則宣告其類型、軸向、極限，以及到父連桿的座標轉換。

正是這種結構讓機器人能在不同工具之間移植。同一個檔案驅動正向與逆向運動學求解器，提供運動規劃器所需的碰撞檢查，建立模擬器中的模型，並告訴視覺化工具每個部件要畫在哪裡。沒有共用的描述，每個工具都需要為同一台機器建立自己的模型，而它們會逐漸分歧。

它的限制值得了解。URDF 描述的是樹狀結構，而不是封閉迴路，因此 delta 手臂與四連桿等並聯機構無法直接表達。它沒有感測器、外觀以外之材料或傳動機構的概念，這就是為什麼實際的設定都會擴充它：xacro 加入巨集與參數，讓大型檔案易於管理，模擬器專用的標籤則承載標準所遺漏的內容。MuJoCo 的格式 MJCF 涵蓋了部分相同的範圍，並支援封閉鏈與更豐富的接觸建模。

在本目錄中，專案是否發布 URDF，決定了它的 3D 模型究竟能否被呈現，這就是為什麼它是一項驗證檢查，而不只是錦上添花。

為何重要

URDF 是向軟體描述機器人實體結構的檔案格式：連桿、關節、幾何、質量，以及感測器裝在哪裡。它之所以重要，是因為它是模擬、視覺化、運動學與運動規劃全都會讀取的單一事實來源。把它做對，MoveIt、Gazebo 與 RViz 對機器人的認知就會一致；把某個尺寸弄錯，它們每一個都會信心十足、一模一樣地出錯，而且沒有任何東西會標示出這個差異。

主要應用

在 Gazebo、Isaac Sim 與以 MuJoCo 為基礎的工具中進行模擬
運動規劃，MoveIt 從它推導出運動學與碰撞幾何
在 RViz 與網頁檢視器中進行視覺化
正向與逆向運動學求解器，它們直接讀取關節鏈
數位孿生，讓模擬模型與硬體保持一致
以其他工具能使用的形式分享機器人設計

實際應用

典型的 URDF 由 CAD 產生，或以 XML 手寫，然後通常會包在 Xacro 裡，讓兩支相同手臂之類的重複結構不必複製兩次。每個連桿帶有用於顯示的視覺幾何、為了速度而刻意簡化的獨立碰撞幾何，以及用於動力學的慣性特性。最常見的實務錯誤，一是把完整的視覺網格直接當成碰撞網格，讓規劃慢如爬行；二是慣性數值只是看似合理的佔位值，讓模擬機器人的行為與真實機器人毫無相似之處。

常見誤解

URDF 只描述外觀：它帶有決定模擬物理行為的碰撞幾何與慣性特性
視覺網格與碰撞網格應該一致：碰撞幾何是刻意簡化的，使用精細的網格會嚴重拖慢規劃效能
URDF 支援任何機器人拓撲：它描述的是樹狀結構，因此封閉的運動迴路需要變通做法或其他格式
URDF 正確就代表機器人準確：它描述的是設計，而不是帶有公差與撓曲的實際製成品

誰需要了解

任何把新機器人帶進 ROS、模擬或 MoveIt 的人
從 CAD 匯出機器人模型的工程師
在除錯模擬機器人與真實機器人行為不一致問題的開發者
學習機器人描述如何供應整套工具鏈的學生
任何規劃器意外緩慢或回報幽靈碰撞的人

影片

How do we describe a robot? With URDF!: Articulated Robotics

Open Source Robotics

URDF

定義

為何重要

主要應用

實際應用

常見誤解

誰需要了解

相關技術

相關術語

相關專案

影片