[ROS] ROS URDF vs. Gazebo SDF: Link Pose, Joint Pose, Visual & Collision

💡 본 문서는 'ROS URDF vs. Gazebo SDF: Link Pose, Joint Pose, Visual & Collision'에 대해 정리해놓은 글입니다.
ROS 2 및 Gazebo를 사용하여 시뮬레이션용 로봇을 만드는 가장 혼란스러운 개념 중 하나 는 URDF 및 SDF를 사용하여 로봇의 링크 및 관절 에 대한 좌표 프레임을 설정하는 방법입니다 . 이 튜토리얼에서는 링크와 관절의 포즈가 일반적인 URDF 파일과 SDF 파일 내에서 정의되는 방식을 비교하고 대조해 보겠습니다.

1. Prerequisites

무엇보다 URDF를 이해하기 위해서는 모바일 로봇 좌표계를 이해해야합니다. 해당 내용을 '[ROS] ROS TF 좌표계 및 변환'에 정리해놓았으니 참고하시기 바랍니다.

1) What is a URDF File?

URDF(Unified Robotic Description Format)는 ROS에서 로봇의 모든 요소( 링크 및 관절 ) 를 설명하는 데 사용되는 XML 파일 형식입니다 .

이 튜토리얼 에서 URDF로 표현된 로봇을 Rviz에 올리는 방법을 찾을 수 있습니다.

2) What is a SDF File?

SDF( Simulation Description Format)는 로봇의 모든 요소( 링크 및 관절 ) 를 설명하기 위해 Gazebo에서 사용되는 XML 파일 형식입니다 .

이 튜토리얼 에서 SDF로 표현된 로봇을 Gazebo에 올리는 방법을 찾을 수 있습니다.

2. Concept

URDF를 통해 우리는 아래의 것들을 표현할 수 있습니다.

• Kinematic and dynamic description of the robot
• Visual representation of the robot
• Collision model of the robot

위 세가지는 이후 XML 작성시 주로 다루게 되는 중요한 요소들입니다.

소개한 세가지 요소를 만족하는 간단한 로봇의 예는 아래 그림처럼 나타낼 수 있습니다. 로봇을 구성하는 하나의 구성요소를 링크(Link)라고 부르고, 링크와 링크를 연결하는 연결부를 조인트(Joint)라고 부릅니다. 우리는 링크과 조인트의 조합을 통해 우리가 원하는 형태의 로봇을 URDF를 통해 표현할 수 있습니다.

그리고 아래의 내용은 현재까지는 지원하지 않으니, URDF로 모든 로봇을 표현할 수는 없는 점 참고 부탁드립니다.

The main limitation at this point is that only tree structures can be represented, ruling out all parallel robots. Also, the specification assumes the robot consists of rigid links connected by joints; flexible elements are not supported.

Link

링크는 앞서 소개했듯이 로봇을 이루는 구성요소 중 하나이며, 링크는 아래의 세가지 속성을 지닙니다. 세가지 속성 모두 필수입력 옵션은 아니며, Intertial의 경우 default값으로 0 mass와 0 inertia 로 생성됩니다.

• <intertial>: 링크에 대한 관성 정보다. 링크의 관성 중심과 질량, 관성계수 등을 정할 수 있다.
• <visual>: 시각화 속성으로, Rviz와 같은 시각화 툴을 사용할때 효과적으로 개발할 수 있다.
• <collision>: 물리적인 충돌 속성을 정한다. Visual 속성과 다르게 설정할 수 있다.

Joint

조인트는 링크와 링크를 연결하는 로봇의 구성요소이며, URDF 조인트는 6가지 타입을 지원합니다. 로봇의 조인트에 맞게 골라 사용하면 됩니다. 조인트의 경우에도 입력 가능한 속성들이 있으며, 링크와 달리 조인트는 필수입력 속성들도 지닙니다.

• <origin>: 부모(parent) 링크에서 자식(child) 링크에 관한 변환(transform) 정보
• <parent>: 부모 링크 이름
• <child>: 자식 링크 이름

그 외 속성들은 모두 필수입력 속성은 아니며, <origin> 또한 링크와 마찬가지로 기본 입력값이 있기 때문에 옵션으로 입력가능합니다. 

3. Link & Joint: URDF & SDF

Link & Joint: URDF

URDF 형식을 사용하여 기본 모바일 로봇(이 튜토리얼의 표지 이미지에 있는 것과 같은)에 대한 기반을 만듭니다. base_link 좌표계는 base_footprint 좌표계 보다 0.2m 위에 위치한다고 가정합니다 . 아키텍처의 샘플 회로도는 다음과 같습니다.

다음은 샘플 URDF 코드입니다. base_footprint 링크 와 base_link를 정의합니다 .

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="my_robot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">
<!-- ****************** ROBOT BASE FOOTPRINT ***************************  -->
  <!-- Define the center of the main robot chassis projected on the ground -->   
  <link name="base_footprint">
  </link>

  <!-- ********************** ROBOT BASE *********************************  -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <origin xyz="-0.10 0 0" rpy="${pi/2} 0 ${pi/2}"/>
      <geometry>
        <mesh filename="file://$(find my_robot)/meshes/my_robot/robot_base.stl" />
      </geometry>
      <material name="White">
        <color rgba="${255/255} ${255/255} ${255/255} 1.0"/>
      </material>
    </visual>

    <collision>
      <origin xyz="0 0 -0.15" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.70 0.30 0.01"/>
      </geometry>
    </collision>
   
  </link>

  <gazebo reference="base_link">
    <material>Gazebo/White</material>
  </gazebo> 
   
  <!-- The base footprint of the robot is located underneath the chassis -->
  <joint name="base_joint" type="fixed">
    <parent link="base_footprint"/>
    <child link="base_link" />
    <origin xyz="0 0 0.2" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
</robot>

 

위 URDF 파일의 joint 정의를 보면 base_footprint 좌표 프레임 내부의 base_link 포즈가 다음과 같은 것을 알 수 있습니다(x=0, y=0, z=0.2, roll = 0 rad, pitch = 0 rad, yaw = 0 rad). 이 정보는 조인트의 <origin></origin> 태그 내에 포함되어야 합니다.

즉, base_link와 base_footprint는 정확히 동일한 방향을 가지며 x, y 및 z 축은 모두 동일한 방향을 가리킵니다. 그러나 base_link는 양의 z 방향 (예: 위)으로 0.2미터에 위치합니다.

이제 base_link에 대한 링크 정의 내부를 살펴보면 링크의 시각적 및 충돌 속성을 정의한 것을 볼 수 있습니다.

• visual 속성은 시뮬레이션에서 로봇이 어떻게 보이는지 정의합니다.
• collision 속성은 Gazebo 시뮬레이션 환경에서 로봇과 다른 객체의 충돌을 제어하는 ​​물리적 속성을 정의합니다.

종종 시각적 속성과 충돌 속성이 동일합니다. 그러나 Gazebo와 같은 시뮬레이션 엔진을 더 빠르게 실행하려면 로봇의 base_link를 더 복잡한 모양이나 메쉬가 아닌 cube로 표현하는 것이 좋습니다.

Link & Joint: URDF (visual & collision)

이 튜토리얼 에서 시각적 및 충돌 속성에 대한 모든 내용을 배울 수 있습니다 .

시각적 및 충돌 속성은 별도의 <origin></origin> 태그 내에 정의된 자체 포즈를 가질 수 있습니다. 이러한 태그 내부에 정의된 포즈는 링크의 포즈를 기준으로 합니다(x=0, y=0, z=0.2, roll = 0 rad, pitch = 0 rad, yaw = 0 rad). visual, collision, and inertial 내 <origin></origin> 태그 내부의 포즈를 특정 링크 좌표 프레임의 오프셋으로 생각할 수 있습니다.

예를 들어, collision 형상을 다시 살펴보세요.

<collision>
  <origin xyz="0 0 -0.15" rpy="0 0 0"/>
  <geometry>
    <box size="0.70 0.30 0.01"/>
  </geometry>
</collision>

 

위의 코드가 의미하는 바는 로봇의 기본 충돌 형상이 두께가 0.1미터인 큐브라는 것입니다. 큐브의 질량 중심은 base_link 포즈에서 0.15m 아래에 있습니다. 그리고 base_link는 base_footprint보다 0.2m 위에 위치하므로 충돌 형상의 질량 중심은 기본 발자국보다 0.05m(0.20 – 0.15) 위에 위치합니다.

아래 이 섹션에서 볼 수 있듯이 visual geometry은 base_link 원점에서 0.10미터 뒤에 위치합니다. 또한 base_link 좌표 프레임을 기준으로 x 및 z 축을 중심으로 90도(예: pi/2) 회전합니다.

<visual>
  <origin xyz="-0.10 0 0" rpy="${pi/2} 0 ${pi/2}"/>
  <geometry>
    <mesh filename="file://$(find my_robot)/meshes/my_robot/robot_base.stl" />
  </geometry>
  <material name="White">
    <color rgba="${255/255} ${255/255} ${255/255} 1.0"/>
  </material>
</visual>

 

요약하자면, URDF 파일에서 좌표계를 정의하기 위한 주요 작업은 <joint>…<origin></origin></joint> 태그입니다. 링크 정의 내의 <origin></origin> 탭은 visual, collision, and inertial 형상을 약간 조정/오프셋하는 데에만 사용 됩니다 .

Link & Joint: SDF

이제 SDF 형식으로 정의된 동일한 로봇 베이스를 살펴보겠습니다. 코드는 다음과 같습니다.

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
  <model name="my_robot"> 
  <static>false</static>

  <!-- ****************** ROBOT BASE FOOTPRINT ***************************  -->
  <link name="base_footprint"/>

  <!-- ********************** ROBOT BASE *********************************  -->
  <link name="base_link">
    <!-- The pose below is always the global pose with respect to the
    origin (i.e. base_footprint) of the robot model -->
    <pose>0 0 0.2 0 0 0</pose>
    <collision name="base_link_collision">
      <!-- The pose below is the local pose with respect to this link -->     
      <pose>0 0 -0.15 0 0 0</pose>
      <geometry>
        <box>
          <size>0.7 0.3 0.1</size>
        </box>
      </geometry>
    </collision>

    <visual name="base_link_visual">
      <pose>-0.10 0 0 1.5708 0 1.5708</pose>
      <geometry>
        <mesh>
          <uri>model://my_robot/meshes/robot_base.stl</uri>
          <scale>1.0 1.0 1.0</scale>
        </mesh>
      </geometry>
      <material>
        <ambient>1.0 1.0 1.0 1.0</ambient>
        <diffuse>1.0 1.0 1.0 1.0</diffuse>
        <specular>0.0 0.0 0.0 1.0</specular>
        <emissive>0.0 0.0 0.0 1.0</emissive>
      </material>
    </visual>
  </link>
  <!-- ************************ JOINTS ***********************************  -->
  <!-- Pose of the joint is the same as the child link frame -->
  <joint name="base_joint" type="fixed">
    <parent>base_footprint</parent>
    <child>base_link</child>
    <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
  </joint>
  </model>
</sdf>

 

base_link의 포즈가 <link> <pose></pose> …</link> 태그 바로 내부에 설정되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 로봇 내부의 링크가 무엇이든 관계없이 이 포즈는 모델의 원점(예: 모바일 로봇의 경우 base_footprint )을 기준으로 항상 전역 포즈입니다.

충돌 및 시각적 기하학 태그 내부의 포즈는 URDF 파일의 충돌 및 시각적 기하학 정의 내부의 <origin></origin> 태그와 정확히 동일하게 작동합니다. 이러한 포즈는 해당 특정 링크의 포즈에 대한 오프셋입니다.

하위 링크의 포즈에서 오프셋된 <joint></joint> 태그 내부의 포즈입니다 . 하위 링크의 포즈는 아래와 같이 링크 정의 내부(예: 초기 <pose></pose> 태그 내부)에 설정되므로 로봇 모델의 모든 관절에 대해 거의 항상 이 값을 모두 0으로 설정합니다.

<link name="base_link">
   <!-- The pose below is always the global pose with respect to the
   origin (i.e. base_footprint) of the robot model -->
   <pose>0 0 0.2 0 0 0</pose>

 

따라서 요약하면 SDF 파일에서 좌표 프레임을 정의하기 위한 주요 작업은 <joint> …<origin></origin></joint>  이 아닌 <link><pose></pose>…</link> 태그입니다. SDF 파일의 링크별 시각적, 충돌 및 관성 포즈 조정은 <origin></origin> 태그 가 아닌 <pose></pose> 태그 내부에서 정의됩니다.

끝으로..

링크와 조인트 조합으로 필요한 로봇구성을 작성하면 됩니다. 익히 알려진 형태의 로봇은 대부분 참조할만한 프로젝트들이 있으니 참고하도록 합시다.

• http://wiki.ros.org/urdf/Examples

참고

• http://wiki.ros.org/urdf
• http://wiki.ros.org/tf/Tutorials
• http://wiki.ros.org/urdf/XML/model
• http://wiki.ros.org/urdf/XML/link
• http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint
• [Blog] URDF vs. SDF – Link Pose, Joint Pose, Visual & Collision: https://automaticaddison.com/urdf-vs-sdf-link-pose-joint-pose-visual-collision/
• [Blog] ROS URDF 작성하기: https://medium.com/newworld-kim/ros-urdf-b6979bfa31aa