SDF 파일 포맷 이해

SDF(Simulation Description Format)는 로봇 및 물리 기반 시뮬레이션을 정의하기 위한 XML 기반의 파일 포맷이다. 주로 로봇의 구조와 물리적 특성을 기술하는 데 사용되며, 가제보(Gazebo)와 같은 시뮬레이션 환경에서 널리 사용된다. Unity는 SDF 포맷을 직접적으로 지원하지 않지만, SDF 파일을 Unity로 변환하는 방법을 사용하여 로봇 모델을 가져올 수 있다.

SDF 파일의 주요 구성 요소는 다음과 같다:

SDF 파일의 구조적 변환

Unity로의 변환을 위해서는 SDF 파일의 각 구성 요소를 Unity의 구조체로 매핑해야 한다. 주요 변환 대상은 로봇의 각 링크와 조인트이다.

링크 변환

SDF의 <link>는 Unity의 GameObject에 해당한다. SDF에서 로봇의 각 링크는 Unity에서 다음과 같은 구성 요소로 변환된다:

SDF 파일에서의 질량 설정:

xml <link name="base_link"> <inertial> <mass>1.0</mass> <inertia> <ixx>0.1</ixx> <iyy>0.1</iyy> <izz>0.1</izz> </inertia> </inertial> </link>

Unity에서는 이 질량 정보를 다음과 같이 적용한다:

csharp Rigidbody rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>(); rb.mass = 1.0f; rb.inertiaTensor = new Vector3(0.1f, 0.1f, 0.1f);

링크의 관성 변환

SDF에서 정의된 관성 행렬은 Unity의 Rigidbody.inertiaTensor에 매핑된다. SDF에서 관성 텐서는 \(3 \times 3\) 대칭 행렬로 주어진다. 이는 Unity에서 축에 맞는 관성 텐서 값으로 변환된다.

SDF에서의 관성 행렬은 다음과 같이 정의된다:

\[ \mathbf{I} = \begin{pmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{xy} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{xz} & I_{yz} & I_{zz} \end{pmatrix} \]

이 중 대각 성분인 \(\mathbf{I_{xx}}, \mathbf{I_{yy}}, \mathbf{I_{zz}}\)를 Unity의 Rigidbody.inertiaTensor로 변환한다. Unity에서는 직교 좌표계로만 처리하므로, 대각 성분만 사용한다.

SDF에서 정의된 관성 텐서:

<inertia>
  <ixx>0.1</ixx>
  <iyy>0.1</iyy>
  <izz>0.1</izz>
</inertia>

Unity에서 적용 예시:

rb.inertiaTensor = new Vector3(0.1f, 0.1f, 0.1f);

조인트 변환

SDF에서 정의된 <joint>는 Unity에서 ConfigurableJoint 또는 HingeJoint로 변환할 수 있다. 두 조인트 시스템의 변환은 다음과 같은 기본 절차로 진행된다:

SDF의 revolute 조인트 정의:

xml <joint name="joint1" type="revolute"> <parent>link1</parent> <child>link2</child> <axis> <xyz>0 0 1</xyz> </axis> </joint>

Unity에서의 조인트 설정:

csharp HingeJoint joint = gameObject.AddComponent<HingeJoint>(); joint.axis = new Vector3(0, 0, 1);

조인트 제약

SDF에서 조인트의 회전 각도나 이동 거리 제한이 있다면, Unity에서 이를 설정해야 한다. HingeJoint의 경우, 각도 제한을 설정할 수 있다. SDF의 <limit> 태그는 Unity의 limits 속성으로 변환된다.

SDF에서의 조인트 제약 설정:

<limit>
  <lower>-1.57</lower>
  <upper>1.57</upper>
</limit>

Unity에서의 변환:

joint.limits = new JointLimits {
  min = -90,
  max = 90
};

URDF와 SDF 간의 차이점

SDF와 URDF는 유사한 목적을 가진 파일 포맷이지만, Unity에서의 변환 작업 시 고려해야 할 몇 가지 차이점이 있다. 이 차이점을 이해하는 것이 변환 과정에서 오류를 최소화하는 데 중요하다.

변환 과정 자동화

SDF 파일에서 Unity로의 변환을 수동으로 하는 것은 매우 비효율적일 수 있으므로, 이 과정을 자동화하는 스크립트를 작성하는 것이 유리한다. Python이나 C#을 사용하여 SDF 파일을 파싱한 뒤, Unity의 오브젝트로 변환하는 자동화 도구를 만들 수 있다.

Python을 통한 SDF 파싱

SDF 파일을 파싱하기 위해 Python의 xml.etree.ElementTree 모듈을 사용할 수 있다. 이 모듈을 사용하면 SDF 파일을 트리 구조로 읽어들여, 각 노드를 순차적으로 파싱할 수 있다.

SDF 파일을 읽고 Unity 변환용 데이터를 추출하는 Python 코드 예시:

import xml.etree.ElementTree as ET

def parse_sdf(sdf_file):
    tree = ET.parse(sdf_file)
    root = tree.getroot()

    for model in root.findall('model'):
        model_name = model.get('name')
        print(f"Model: {model_name}")

        for link in model.findall('link'):
            link_name = link.get('name')
            mass = link.find('inertial/mass').text
            print(f"  Link: {link_name}, Mass: {mass}")

            # 조인트 처리
            for joint in model.findall('joint'):
                joint_name = joint.get('name')
                parent = joint.find('parent').text
                child = joint.find('child').text
                print(f"  Joint: {joint_name}, Parent: {parent}, Child: {child}")

parse_sdf('robot.sdf')

이 파싱 코드를 통해 추출된 정보를 Unity에서 사용할 수 있는 포맷으로 변환하는 C# 스크립트와 연결할 수 있다.

Unity에서 SDF 데이터 적용

파싱된 SDF 데이터를 Unity에 적용하려면, 파싱 결과를 C#으로 가져와서 Unity 오브젝트를 생성하는 스크립트를 작성해야 한다. 예를 들어, 각 링크에 해당하는 GameObject를 생성하고, 물리 속성을 적용할 수 있다.

C#에서 Python 파싱 결과를 사용하는 예시:

using UnityEngine;

public class RobotLoader : MonoBehaviour
{
    public void CreateLink(string linkName, float mass)
    {
        GameObject link = new GameObject(linkName);
        Rigidbody rb = link.AddComponent<Rigidbody>();
        rb.mass = mass;

        // 다른 물리 속성 추가
    }

    public void CreateJoint(string jointName, string parentName, string childName)
    {
        GameObject parent = GameObject.Find(parentName);
        GameObject child = GameObject.Find(childName);
        HingeJoint joint = child.AddComponent<HingeJoint>();
        joint.connectedBody = parent.GetComponent<Rigidbody>();

        // 다른 조인트 속성 추가
    }
}

이처럼 SDF 파일에서 로봇의 링크와 조인트를 자동으로 생성하고 Unity에서 물리적으로 시뮬레이션할 수 있는 환경을 만들 수 있다.

충돌 메쉬 및 시각적 메쉬 처리

SDF에서 각 링크는 충돌 메쉬와 시각적 메쉬를 별도로 지정할 수 있다. Unity로 변환할 때, 이를 Unity의 MeshCollider와 MeshRenderer로 적절히 처리해야 한다. 충돌 메쉬는 물리적 상호작용을 위한 것이며, 시각적 메쉬는 렌더링을 위한 것이다.

충돌 메쉬 변환

SDF의 충돌 메쉬는 <collision> 태그 아래에 정의된다. 이를 Unity의 MeshCollider로 변환할 수 있다. 충돌 메쉬가 복잡할 경우, 물리 성능을 고려하여 간소화하는 작업이 필요할 수 있다.

SDF 충돌 메쉬 정의:

<collision name="base_collision">
  <geometry>
    <mesh>
      <uri>model://robot/meshes/base_collision.dae</uri>
    </mesh>
  </geometry>
</collision>

Unity에서의 변환 예시:

MeshCollider collider = link.AddComponent<MeshCollider>();
collider.sharedMesh = Resources.Load<Mesh>("Meshes/base_collision");

시각적 메쉬 변환

SDF의 시각적 메쉬는 <visual> 태그 아래에 정의된다. 이는 Unity에서 MeshRenderer와 MeshFilter를 사용하여 로봇의 외형을 렌더링하는 데 사용된다.

SDF 시각적 메쉬 정의:

<visual name="base_visual">
  <geometry>
    <mesh>
      <uri>model://robot/meshes/base_visual.dae</uri>
    </mesh>
  </geometry>
</visual>

Unity에서의 변환 예시:

MeshFilter meshFilter = link.AddComponent<MeshFilter>();
meshFilter.mesh = Resources.Load<Mesh>("Meshes/base_visual");
MeshRenderer renderer = link.AddComponent<MeshRenderer>();
renderer.material = Resources.Load<Material>("Materials/RobotMaterial");

이와 같이, SDF에서 정의된 시각적 및 충돌 메쉬를 각각 적절한 Unity 구성 요소로 변환할 수 있다.