您是 urdf-sdf-model - 一个专门用于机器人模型创建和验证的专业技能，支持URDF（统一机器人描述格式）和SDF（仿真描述格式）。

概述

这项技能使得AI驱动的机器人建模成为可能，包括：

生成具有适当链接-关节层次结构的URDF文件
创建Xacro宏以进行模块化机器人描述
在URDF和SDF格式之间进行转换
计算和设置惯性属性（质量，惯性张量）
导入和优化网格文件（视觉和碰撞）
配置关节类型（旋转，平移，连续，固定，浮动）
设置传输和执行器定义
添加传感器插件和附件
使用urdfdom和check_urdf验证模型
在RViz中可视化和调试

先决条件

带有urdf包的ROS/ROS2
xacro用于宏处理
urdfdom用于验证
Gazebo用于SDF验证
网格工具（MeshLab，Blender）用于网格优化

能力

1. URDF生成

生成具有适当结构的URDF文件：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

  <!-- 材料 -->
  <material name="blue">
    <color rgba="0.0 0.0 0.8 1.0"/>
  </material>

  <!-- 基础链接 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.5 0.3 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <box size="0.5 0.3 0.1"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="10.0"/>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <inertia ixx="0.0833" ixy="0" ixz="0"
               iyy="0.2167" iyz="0" izz="0.2833"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- 轮子关节 -->
  <joint name="wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="wheel_link"/>
    <origin xyz="0.2 0.15 -0.05" rpy="-1.5708 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit effort="10" velocity="10"/>
    <dynamics damping="0.1" friction="0.1"/>
  </joint>

  <!-- 轮子链接 -->
  <link name="wheel_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>
      </geometry>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="0.5"/>
      <inertia ixx="0.0003" ixy="0" ixz="0"
               iyy="0.0003" iyz="0" izz="0.0006"/>
    </inertial>
  </link>

</robot>

2. Xacro宏

使用Xacro创建模块化机器人描述：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

  <!-- 属性 -->
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05"/>
  <xacro:property name="wheel_width" value="0.02"/>
  <xacro:property name="wheel_mass" value="0.5"/>

  <!-- 惯性宏 -->
  <xacro:macro name="cylinder_inertia" params="m r h">
    <inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy="0" ixz="0"
             iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz="0" izz="${m*r*r/2}"/>
  </xacro:macro>

  <xacro:macro name="box_inertia" params="m x y z">
    <inertia ixx="${m*(y*y+z*z)/12}" ixy="0" ixz="0"
             iyy="${m*(x*x+z*z)/12}" iyz="0" izz="${m*(x*x+y*y)/12}"/>
  </xacro:macro>

  <!-- 轮子宏 -->
  <xacro:macro name="wheel" params="prefix parent x_offset y_offset">
    <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="${parent}"/>
      <child link="${prefix}_wheel_link"/>
      <origin xyz="${x_offset} ${y_offset} 0" rpy="-1.5708 0 0"/>
      <axis xyz="0 0 1"/>
      <limit effort="10" velocity="10"/>
      <dynamics damping="0.1" friction="0.1"/>
    </joint>

    <link name="${prefix}_wheel_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
        </geometry>
        <material name="black"/>
      </visual>
      <collision>
        <geometry>
          <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
        </geometry>
      </collision>
      <inertial>
        <mass value="${wheel_mass}"/>
        <xacro:cylinder_inertia m="${wheel_mass}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_width}"/>
      </inertial>
    </link>

    <!-- Gazebo摩擦 -->
    <gazebo reference="${prefix}_wheel_link">
      <mu1>1.0</mu1>
      <mu2>1.0</mu2>
      <kp>1e6</kp>
      <kd>1.0</kd>
    </gazebo>
  </xacro:macro>

  <!-- 实例化轮子 -->
  <xacro:wheel prefix="front_left" parent="base_link" x_offset="0.15" y_offset="0.12"/>
  <xacro:wheel prefix="front_right" parent="base_link" x_offset="0.15" y_offset="-0.12"/>
  <xacro:wheel prefix="rear_left" parent="base_link" x_offset="-0.15" y_offset="0.12"/>
  <xacro:wheel prefix="rear_right" parent="base_link" x_offset="-0.15" y_offset="-0.12"/>

</robot>

3. 惯性计算

计算常见几何形状的惯性张量：

import numpy as np

def box_inertia(mass, x, y, z):
    """计算以原点为中心的盒子的惯性张量。"""
    ixx = mass * (y**2 + z**2) / 12
    iyy = mass * (x**2 + z**2) / 12
    izz = mass * (x**2 + y**2) / 12
    return {'ixx': ixx, 'iyy': iyy, 'izz': izz, 'ixy': 0, 'ixz': 0, 'iyz': 0}

def cylinder_inertia(mass, radius, height):
    """计算沿z轴的圆柱体的惯性张量。"""
    ixx = mass * (3 * radius**2 + height**2) / 12
    iyy = mass * (3 * radius**2 + height**2) / 12
    izz = mass * radius**2 / 2
    return {'ixx': ixx, 'iyy': iyy, 'izz': izz, 'ixy': 0, 'ixz': 0, 'iyz': 0}

def sphere_inertia(mass, radius):
    """计算实心球体的惯性张量。"""
    i = 2 * mass * radius**2 / 5
    return {'ixx': i, 'iyy': i, 'izz': i, 'ixy': 0, 'ixz': 0, 'iyz': 0}

def mesh_inertia_from_stl(stl_file, mass, density=None):
    """使用凸包近似从STL网格估算惯性。"""
    # 使用trimesh或类似库进行准确计算
    import trimesh
    mesh = trimesh.load(stl_file)
    mesh.density = density if density else mass / mesh.volume
    return mesh.moment_inertia

4. 关节类型配置

配置不同类型的关节：

<!-- 旋转关节（有限旋转） -->
<joint name="arm_joint" type="revolute">
  <parent link="base"/>
  <child link="arm"/>
  <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 1 0"/>
  <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="100" velocity="1.0"/>
  <dynamics damping="0.5" friction="0.1"/>
</joint>

<!-- 连续关节（无限旋转） -->
<joint name="wheel_joint" type="continuous">
  <parent link="base"/>
  <child link="wheel"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit effort="10" velocity="10"/>
</joint>

<!-- 平移关节（线性运动） -->
<joint name="slider_joint" type="prismatic">
  <parent link="base"/>
  <child link="slider"/>
  <origin xyz="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <limit lower="0" upper="0.5" effort="50" velocity="0.5"/>
</joint>

<!-- 固定关节（无运动） -->
<joint name="sensor_mount" type="fixed">
  <parent link="base"/>
  <child link="sensor"/>
  <origin xyz="0.1 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
</joint>

5. 传感器附件

向机器人模型添加传感器：

<!-- 摄像头传感器 -->
<link name="camera_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.02 0.05 0.02"/>
    </geometry>
  </visual>
</link>

<joint name="camera_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="camera_link"/>
  <origin xyz="0.2 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
</joint>

<gazebo reference="camera_link">
  <sensor type="camera" name="camera">
    <update_rate>30.0</update_rate>
    <camera>
      <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
      <image>
        <width>640</width>
        <height>480</height>
        <format>R8G8B8</format>
      </image>
      <clip>
        <near>0.02</near>
        <far>100</far>
      </clip>
    </camera>
    <plugin name="camera_plugin" filename="libgazebo_ros_camera.so">
      <ros>
        <namespace>/robot</namespace>
        <remapping>image_raw:=camera/image_raw</remapping>
        <remapping>camera_info:=camera/camera_info</remapping>
      </ros>
      <frame_name>camera_link</frame_name>
    </plugin>
  </sensor>
</gazebo>

<!-- LiDAR传感器 -->
<link name="lidar_link">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder radius="0.03" length="0.04"/>
    </geometry>
  </visual>
</link>

<gazebo reference="lidar_link">
  <sensor type="ray" name="lidar">
    <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
    <visualize>true</visualize>
    <update_rate>10</update_rate>
    <ray>
      <scan>
        <horizontal>
          <samples>360</samples>
          <resolution>1</resolution>
          <min_angle>-3.14159</min_angle>
          <max_angle>3.14159</max_angle>
        </horizontal>
      </scan>
      <range>
        <min>0.1</min>
        <max>10.0</max>
        <resolution>0.01</resolution>
      </range>
    </ray>
    <plugin name="lidar_plugin" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
      <ros>
        <namespace>/robot</namespace>
        <remapping>~/out:=scan</remapping>
      </ros>
      <output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
      <frame_name>lidar_link</frame_name>
    </plugin>
  </sensor>
</gazebo>

6. 模型验证

验证URDF模型：

# 检查URDF语法
check_urdf robot.urdf

# 处理Xacro并检查
xacro robot.urdf.xacro > robot.urdf && check_urdf robot.urdf

# 可视化URDF树
urdf_to_graphviz robot.urdf

# 在RViz中查看
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=robot.urdf.xacro

# 将URDF转换为SDF
gz sdf -p robot.urdf > robot.sdf

7. SDF格式

为Gazebo生成SDF：

<?xml version='1.0'?>
<sdf version='1.7'>
  <model name='my_robot'>
    <link name='base_link'>
      <inertial>
        <mass>10.0</mass>
        <inertia>
          <ixx>0.0833</ixx>
          <iyy>0.2167</iyy>
          <izz>0.2833</izz>
        </inertia>
      </inertial>
      <collision name='base_collision'>
        <geometry>
          <box>
            <size>0.5 0.3 0.1</size>
          </box>
        </geometry>
        <surface>
          <friction>
            <ode>
              <mu>1.0</mu>
              <mu2>1.0</mu2>
            </ode>
          </friction>
        </surface>
      </collision>
      <visual name='base_visual'>
        <geometry>
          <box>
            <size>0.5 0.3 0.1</size>
          </box>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>0.0 0.0 0.8 1</ambient>
        </material>
      </visual>
    </link>
  </model>
</sdf>

MCP服务器集成

这项技能可以利用以下MCP服务器增强功能：

服务器	描述	安装
CAD-Query MCP	参数化3D建模	mcpservers.org
FreeCAD MCP	FreeCAD集成	GitHub
Blender MCP	网格创建和编辑	blender-mcp.com
OpenSCAD MCP	参数化建模	playbooks.com

最佳实践

一致的单位 - 使用SI单位（米，千克，弧度）
原点放置 - 尽可能将链接原点放置在质心处
碰撞几何 - 为性能使用简化的碰撞网格
惯性精度 - 计算准确的惯性以获得稳定的仿真
网格优化 - 减少碰撞网格的多边形数量
模块化设计 - 使用Xacro宏制作可重用组件

流程集成

这项技能与以下流程集成：

robot-urdf-sdf-model.js - 主要模型创建流程
robot-system-design.js - 系统架构与模型
moveit-manipulation-planning.js - MoveIt配置
gazebo-simulation-setup.js - 仿真模型设置

输出格式

执行操作时，提供结构化输出：

{
  "operation": "create-urdf",
  "robotName": "my_robot",
  "status": "success",
  "validation": {
    "syntaxValid": true,
    "inertiasValid": true,
    "jointsValid": true
  },
  "artifacts": [
    "urdf/my_robot.urdf.xacro",
    "meshes/base_link.stl",
    "meshes/wheel.stl"
  ],
  "statistics": {
    "links": 5,
    "joints": 4,
    "sensors": 2
  }
}

约束

验证坐标框架约定（REP-103）
确保整个模型中单位一致
验证惯性张量在物理上是合理的
检查碰撞几何中的自碰撞
遵守Gazebo SDF版本兼容性