URDF에서 Unity로의 변환 과정 - 소프트웨어 융합

로봇 시뮬레이션을 위해 URDF(Unified Robot Description Format) 파일을 Unity로 변환하는 과정은 로봇 모델의 정확한 재현과 시뮬레이션의 효율성을 보장하기 위해 중요하다. 이 절에서는 URDF 파일의 구조를 이해하고, 이를 Unity의 게임 오브젝트와 컴포넌트로 변환하는 단계별 과정을 상세히 설명한다.

URDF 파일 구조 이해

URDF는 XML 기반의 파일 포맷으로, 로봇의 기계적 구조, 조인트, 링크, 센서, 액추에이터 등을 정의한다. 주요 요소는 다음과 같다:

link: 로봇의 각 부품을 나타내며, 물리적 속성(질량, 관성 등)을 포함한다.
joint: 링크 간의 연결을 정의하며, 회전, 이동 등의 운동 자유도를 설정한다.
transmission: 구동 시스템을 정의하여 조인트에 힘을 전달한다.
sensor: 로봇에 장착된 센서를 정의한다.

URDF 파일의 이러한 구조를 Unity로 변환하기 위해서는 각 요소를 Unity의 게임 오브젝트와 컴포넌트로 매핑해야 한다.

변환 도구 선택

URDF에서 Unity로의 변환을 간소화하기 위해 다양한 도구와 라이브러리가 존재한다. 대표적인 도구로는 Unity Robotics Hub에서 제공하는 URDF Importer가 있다. 이 도구는 URDF 파일을 Unity 프로젝트에 쉽게 통합할 수 있도록 도와준다.

URDF Importer 설치 및 설정

Unity 프로젝트 생성: Unity Hub를 통해 새로운 3D 프로젝트를 생성한다.
URDF Importer 패키지 추가: Unity 패키지 매니저에서 URDF Importer를 추가하거나 Git URL을 통해 설치한다.
필요한 의존성 설치: URDF Importer가 요구하는 추가 패키지(예: ROS-TCP-Connector 등)를 설치한다.

URDF 파일 가져오기

URDF Importer를 사용하여 URDF 파일을 Unity로 가져오는 과정은 다음과 같다:

URDF 파일 준비: 변환하려는 로봇의 URDF 파일과 관련된 모든 리소스(메시 파일, 텍스처 등)를 준비한다.
URDF Importer 실행: Unity 에디터에서 URDF Importer를 실행하고, 가져올 URDF 파일을 선택한다.
옵션 설정: 임포트 옵션에서 단위, 좌표계 변환 등을 설정한다.
임포트 실행: 변환 과정을 시작하면, URDF의 각 링크와 조인트가 Unity의 게임 오브젝트로 생성된다.

링크와 조인트 매핑

URDF의 링크와 조인트를 Unity로 매핑하는 과정에서는 다음과 같은 변환이 이루어진다:

링크(Link) 매핑

게임 오브젝트 생성: URDF의 각 링크는 Unity의 게임 오브젝트로 변환된다.
메시 및 렌더링: 링크의 시각적 요소(메시, 머티리얼)는 Unity의 메시에 적용된다.
물리 속성 설정: 링크의 질량, 관성은 Rigidbody 컴포넌트를 통해 설정된다.

// 예시: Rigidbody 설정
Rigidbody rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
rb.mass = 5.0f;
rb.inertiaTensor = new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f);

조인트(Joint) 매핑

Hinge Joint: 회전 운동을 지원하는 조인트로 변환된다.
Fixed Joint: 고정된 연결을 의미하는 조인트로 변환된다.
Prismatic Joint: 이동 운동을 지원하는 조인트로 변환된다.

// 예시: Hinge Joint 설정
HingeJoint hinge = gameObject.AddComponent<HingeJoint>();
hinge.connectedBody = parentGameObject.GetComponent<Rigidbody>();
hinge.axis = new Vector3(0, 1, 0);
hinge.useLimits = true;
JointLimits limits = hinge.limits;
limits.min = -90f;
limits.max = 90f;
hinge.limits = limits;

좌표계 변환

URDF과 Unity는 서로 다른 좌표계를 사용한다. URDF는 오른손 좌표계를 사용하며, Z축이 위를 향한다. 반면, Unity는 Y축이 위를 향하는 오른손 좌표계를 사용한다. 따라서 좌표 변환이 필요하다.

변환 행렬

좌표 변환을 위해 변환 행렬을 적용한다. 예를 들어, URDF의 Z축을 Unity의 Y축으로 변환하기 위한 회전 행렬은 다음과 같다:

$R = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & -1 & 0 \\ \end{bmatrix}$

이를 통해 URDF의 링크와 조인트의 위치와 방향을 Unity에 맞게 조정한다.

// 예시: 회전 변환 적용
Quaternion rotation = Quaternion.Euler(-90, 0, 0);
gameObject.transform.rotation = rotation;

물리 엔진 설정

URDF 파일에서 정의된 물리 속성을 Unity의 물리 엔진에 맞게 설정해야 한다. 이는 질량, 관성 텐서, 마찰 계수 등을 포함한다.

질량과 관성

URDF에서 링크의 질량과 관성은 Unity의 Rigidbody 컴포넌트에 설정된다.

$\mathbf{I} = \begin{bmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{yx} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{zx} & I_{zy} & I_{zz} \\ \end{bmatrix}$

// 예시: 관성 텐서 설정
rb.inertiaTensor = new Vector3(Ixx, Iyy, Izz);

마찰 및 반발

물체 간의 상호작용을 위해 마찰 계수와 반발 계수를 설정한다.

// 예시: Physic Material 설정
PhysicMaterial physicMaterial = new PhysicMaterial();
physicMaterial.dynamicFriction = 0.5f;
physicMaterial.staticFriction = 0.5f;
physicMaterial.bounciness = 0.1f;
Collider collider = gameObject.GetComponent<Collider>();
collider.material = physicMaterial;

센서 데이터 통합

로봇 시뮬레이션에서 센서는 중요한 역할을 한다. URDF에 정의된 센서를 Unity로 통합하기 위해서는 해당 센서의 데이터 생성과 처리 로직을 구현해야 한다.

센서 종류별 매핑

카메라: Unity의 카메라 컴포넌트로 변환하여 이미지 데이터를 캡처한다.
LiDAR: 레이캐스팅을 활용하여 거리 데이터를 생성한다.
IMU: 가속도계와 자이로스코프 데이터를 시뮬레이션한다.

// 예시: 카메라 설정
Camera camera = gameObject.AddComponent<Camera>();
camera.fieldOfView = 60f;
camera.aspect = 16f / 9f;

센서 데이터 통합은 로봇 시뮬레이션의 현실성을 높이는 중요한 단계이다. URDF에 정의된 다양한 센서를 Unity 환경에 정확하게 구현하기 위해 추가적인 설정과 스크립팅이 필요하다.

센서 데이터 처리

센서에서 생성된 데이터는 로봇의 제어 및 환경 인식에 활용된다. Unity에서는 센서 데이터를 실시간으로 처리하여 로봇의 동작에 반영해야 한다. 이를 위해 다음과 같은 단계를 거친다:

데이터 캡처: 센서에서 생성된 데이터를 실시간으로 캡처한다.
데이터 변환: 캡처된 데이터를 로봇 제어 알고리즘에 맞는 형식으로 변환한다.
데이터 활용: 변환된 데이터를 기반으로 로봇의 동작을 제어하거나 환경과 상호작용한다.

// 예시: LiDAR 데이터 처리
void UpdateLiDARData()
{
    List<float> distances = new List<float>();
    int numberOfRays = 360;
    float maxDistance = 100f;

    for (int i = 0; i < numberOfRays; i++)
    {
        float angle = i * Mathf.Deg2Rad;
        Vector3 direction = new Vector3(Mathf.Cos(angle), 0, Mathf.Sin(angle));
        RaycastHit hit;

        if (Physics.Raycast(transform.position, direction, out hit, maxDistance))
        {
            distances.Add(hit.distance);
        }
        else
        {
            distances.Add(maxDistance);
        }
    }

    // 거리 데이터를 활용한 로봇 제어 로직 추가
}

트랜스미션(Transmission) 매핑

URDF 파일에서 transmission 요소는 로봇의 구동 시스템을 정의한다. 이는 주로 전동기와 같은 액추에이터가 조인트에 힘을 전달하는 방식을 설명한다. Unity로 변환할 때는 이러한 트랜스미션을 물리적으로 구현하거나 제어 스크립트를 통해 시뮬레이션해야 한다.

트랜스미션 종류

전동기 기반 트랜스미션: 전동기의 회전 속도를 조인트의 회전 속도로 변환.
유압/공압 트랜스미션: 유체의 압력을 이용한 힘 전달.

트랜스미션 구현 예시

전동기 기반 트랜스미션을 Unity에서 구현하는 예시는 다음과 같다:

// 예시: 전동기 기반 조인트 제어
public class MotorController : MonoBehaviour
{
    public HingeJoint hinge;
    public float motorForce = 10f;
    public float targetVelocity = 90f;

    void Start()
    {
        JointMotor motor = hinge.motor;
        motor.force = motorForce;
        motor.targetVelocity = targetVelocity;
        motor.freeSpin = false;
        hinge.motor = motor;
        hinge.useMotor = true;
    }

    void Update()
    {
        // 실시간으로 목표 속도를 조정할 수 있음
        JointMotor motor = hinge.motor;
        motor.targetVelocity = CalculateTargetVelocity();
        hinge.motor = motor;
    }

    float CalculateTargetVelocity()
    {
        // 목표 속도 계산 로직 구현
        return targetVelocity;
    }
}

재질(Material) 및 외관 설정

URDF 파일에는 로봇의 각 링크에 대한 재질과 외관 정보가 포함될 수 있다. Unity에서는 이러한 정보를 활용하여 로봇의 시각적 요소를 설정한다.

재질 매핑

URDF에서 정의된 머티리얼 속성(색상, 텍스처 등)은 Unity의 머티리얼 시스템으로 매핑된다. 이를 통해 로봇의 시각적 일관성을 유지할 수 있다.

// 예시: 머티리얼 적용
void ApplyMaterial(GameObject link, string materialName)
{
    Renderer renderer = link.GetComponent<Renderer>();
    if (renderer != null)
    {
        Material material = Resources.Load<Material>(materialName);
        if (material != null)
        {
            renderer.material = material;
        }
    }
}

텍스처 매핑

로봇의 외관을 더욱 현실감 있게 만들기 위해 텍스처를 적용할 수 있다. URDF에 정의된 텍스처 파일을 Unity의 텍스처 자원으로 가져와서 링크에 적용한다.

// 예시: 텍스처 적용
void ApplyTexture(GameObject link, string texturePath)
{
    Renderer renderer = link.GetComponent<Renderer>();
    if (renderer != null)
    {
        Texture texture = Resources.Load<Texture>(texturePath);
        if (texture != null)
        {
            renderer.material.mainTexture = texture;
        }
    }
}

애니메이션 및 동작 설정

URDF 파일에는 로봇의 초기 상태와 기본 동작에 대한 정보가 포함될 수 있다. Unity에서는 이러한 동작을 애니메이션 클립이나 스크립트를 통해 구현한다.

초기 상태 설정

로봇의 각 조인트의 초기 위치와 회전 상태를 설정하여 시뮬레이션 시작 시 로봇이 올바른 자세를 유지하도록 한다.

// 예시: 초기 조인트 상태 설정
void SetInitialJointStates()
{
    HingeJoint hinge = GetComponent<HingeJoint>();
    if (hinge != null)
    {
        hinge.angle = 0f; // 초기 각도 설정
    }
}

동적 애니메이션

로봇의 움직임을 실시간으로 애니메이션화하기 위해 애니메이션 컨트롤러를 설정하거나 스크립트를 통해 조인트를 제어한다.

// 예시: 실시간 애니메이션 제어
void AnimateJoint(float targetAngle)
{
    HingeJoint hinge = GetComponent<HingeJoint>();
    if (hinge != null)
    {
        JointSpring spring = hinge.spring;
        spring.targetPosition = targetAngle;
        hinge.spring = spring;
    }
}

최종 검증 및 테스트

URDF에서 Unity로의 변환이 완료된 후, 로봇 모델이 정확하게 구현되었는지 검증하는 단계가 필요하다. 이를 위해 다음과 같은 테스트를 수행한다:

구조 확인: 모든 링크와 조인트가 올바르게 매핑되었는지 확인한다.
물리적 동작 테스트: 로봇의 움직임이 물리 엔진과 일치하는지 테스트한다.
센서 데이터 확인: 센서가 올바르게 데이터를 생성하고 있는지 검증한다.
시각적 검토: 로봇의 외관이 URDF 파일과 일치하는지 시각적으로 확인한다.

// 예시: 구조 검증 스크립트
void ValidateRobotStructure()
{
    foreach (Transform child in transform)
    {
        if (child.GetComponent<Rigidbody>() == null)
        {
            Debug.LogWarning($"{child.name}에는 Rigidbody가 없다.");
        }
        if (child.GetComponent<Collider>() == null)
        {
            Debug.LogWarning($"{child.name}에는 Collider가 없다.");
        }
    }
}

로봇 모델링과 URDF에서 Unity로의 변환 과정은 로봇 시뮬레이션의 기초를 형성한다. 이 과정을 통해 정확하고 효율적인 시뮬레이션 환경을 구축할 수 있으며, 이후의 시뮬레이션 작업들이 원활하게 진행될 수 있다.