로봇의 시각적 모델링 - 소프트웨어 융합

시각적 요소의 개요

로봇 시뮬레이션에서 시각적 모델링은 실제 로봇의 물리적 형태와는 별개로, 시뮬레이션 상에서 로봇의 외관을 정의하는 작업이다. 시각적 요소는 주로 로봇의 형상, 색상, 재질 등을 정의하며, 이는 사용자가 시뮬레이션을 통해 로봇의 동작을 시각적으로 확인하는 데 중요한 역할을 한다. 로봇의 시각적 모델링은 사용자 인터페이스와의 상호작용, 디버깅, 교육적 목적으로 중요하게 사용된다.

URDF에서 시각적 요소의 정의

URDF 파일에서 시각적 요소는 <visual> 태그 내에서 정의된다. 이 태그는 링크에 대한 시각적 표현을 지정하며, 시각적 요소는 주로 다음과 같은 하위 요소들로 구성된다:

Origin (원점)
시각적 요소의 위치와 방향을 정의한다. 이는 링크의 원점으로부터의 변환을 나타낸다.

URDF에서 원점은 다음과 같은 형태로 정의된다: xml <origin xyz="x y z" rpy="roll pitch yaw"/> 여기서 $\mathbf{xyz}$ 는 시각적 요소의 위치를, $\mathbf{rpy}$ 는 회전 각도를 나타낸다. 각각의 값은 미터와 라디안으로 표현된다.

Geometry (기하 구조)
시각적 요소의 형상을 정의하는 부분이다. 기본적인 기하학적 형상으로는 박스, 실린더, 구, 메쉬 등이 있다. 이는 URDF에서 <geometry> 태그 내에 정의된다.

예를 들어, 박스 형상을 정의하는 경우 다음과 같이 표현할 수 있다: xml <geometry> <box size="x y z"/> </geometry> 여기서 $\mathbf{size}$ 는 박스의 크기를 정의하며, 각각의 값은 미터 단위이다.

Material (재질)
로봇의 시각적 요소에 적용할 재질을 정의한다. 재질은 색상이나 텍스처를 통해 시뮬레이션에서 로봇의 외관을 더욱 현실감 있게 표현할 수 있다.

재질은 <material> 태그로 정의되며, 색상 정보는 RGB 형식으로 표현된다: xml <material name="red"> <color rgba="1 0 0 1"/> </material> 여기서 $\mathbf{rgba}$ 는 색상 값을 나타내며, 각각의 값은 적색, 녹색, 청색, 알파(투명도)를 의미한다. 값의 범위는 0에서 1 사이이다.

기하학적 형상

로봇의 시각적 모델링에서 가장 중요한 부분 중 하나는 기하학적 형상을 정의하는 것이다. URDF에서는 박스, 실린더, 구와 같은 기본 형상뿐만 아니라 외부에서 가져온 메쉬 파일도 사용할 수 있다. 각 형상은 URDF 파일 내의 <geometry> 태그를 통해 정의되며, 이는 로봇의 외관을 간단하면서도 효율적으로 표현하는 방법이다.

기본 형상

박스(Box)
박스는 가장 간단한 기하학적 형상으로, 직육면체의 크기를 지정하여 모델링된다.
xml <geometry> <box size="x y z"/> </geometry> 여기서 $\mathbf{x}$ , $\mathbf{y}$ , $\mathbf{z}$ 는 박스의 길이, 너비, 높이를 의미한다.
실린더(Cylinder)
실린더는 원기둥의 형상을 정의한다. 실린더는 두 가지 주요 매개변수로 정의된다: 반지름과 높이.
xml <geometry> <cylinder radius="r" length="l"/> </geometry> 여기서 $\mathbf{r}$ 은 실린더의 반지름, $\mathbf{l}$ 은 높이를 의미한다.
구(Sphere)
구는 단일 매개변수, 즉 반지름으로 정의된다.
xml <geometry> <sphere radius="r"/> </geometry> 여기서 $\mathbf{r}$ 은 구의 반지름을 나타낸다.

메쉬 파일

복잡한 형상을 가진 로봇 부품이나 전체 로봇 모델은 기본적인 기하학적 형상으로 표현하기 어려울 수 있다. 이럴 경우, 외부에서 제작된 메쉬 파일을 사용하여 더 정교한 시각적 모델을 적용할 수 있다. 메쉬 파일은 STL, Collada 등의 포맷을 사용할 수 있으며, 이를 <mesh> 태그를 통해 불러온다.

<geometry>
  <mesh filename="package://path_to_mesh/robot_mesh.stl"/>
</geometry>

filename: 메쉬 파일의 경로를 지정한다.
scale: 메쉬 모델을 스케일링할 수 있는 옵션이다. 기본적으로 스케일은 $1.0$ 로 설정되어 있으나, 필요에 따라 크기를 조정할 수 있다.

<mesh filename="package://path_to_mesh/robot_mesh.stl" scale="1 1 1"/>

시각적 요소와 물리적 요소의 분리

로봇의 시각적 요소는 물리적 요소와는 독립적으로 정의될 수 있다. 이는 시뮬레이션 상에서 시각적 모델과 충돌 처리 등 물리적 상호작용이 서로 다른 형상으로 설정될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 로봇의 시각적 요소는 복잡한 메쉬로 정의되었더라도, 물리적 요소는 간단한 박스나 구와 같은 기본 형상으로 정의하여 시뮬레이션 성능을 향상시킬 수 있다.

<link name="robot_part">
  <visual>
    <geometry>
      <mesh filename="package://path_to_mesh/robot_part.stl"/>
    </geometry>
  </visual>
  <collision>
    <geometry>
      <box size="0.1 0.1 0.1"/>
    </geometry>
  </collision>
</link>

위의 예시에서는 시각적 요소는 메쉬 파일로 정의되었지만, 물리적 충돌 모델은 간단한 박스로 설정되었다. 이렇게 함으로써 시뮬레이션의 계산 부담을 줄일 수 있다.