Xacro는 로봇 모델링을 더 유연하고 효율적으로 하기 위해 매크로와 파라미터화를 지원한다. 이를 통해 복잡한 URDF 파일을 더 간결하게 만들고, 다양한 로봇 모델을 손쉽게 구성할 수 있다. 파라미터화를 사용하면 여러 로봇의 다양한 속성(예: 링크의 길이, 조인트의 제한 등)을 쉽게 수정할 수 있어 로봇 모델의 재사용성과 유지보수성을 크게 향상시킬 수 있다.

매개변수화의 기본 개념

Xacro에서 매개변수를 사용하면 URDF 파일에서 값을 하드코딩하지 않고, 변수 형태로 정의하여 여러 곳에서 활용할 수 있다. 이를 통해 중복을 줄이고, 다양한 파라미터를 쉽게 변경할 수 있다.

<xacro:property name="link_length" value="1.0"/>

이 코드에서 link_length라는 변수를 정의하고, 그 값을 1.0으로 설정하였다. 이 변수를 링크 길이 등의 속성에서 사용할 수 있다.

<link name="base_link">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 ${link_length / 2}"/>
  </inertial>
</link>

위 코드는 링크의 무게 중심을 변수 link_length를 사용하여 정의한 예시이다. 이처럼 xacro 파일 내에서 변수로 설정된 값을 수식으로 활용하여 유연하게 모델을 조정할 수 있다.

수학적 파라미터화

로봇 모델링에서 기하학적, 동역학적 특성은 종종 복잡한 수학적 표현으로 나타낼 수 있다. Xacro의 매개변수화는 이러한 수학적 표현을 적용하여, 다양한 로봇 구성 요소를 간결하게 정의할 수 있다.

링크 길이와 관성 텐서

링크의 길이를 매개변수화할 때, 관성 텐서 역시 이를 기반으로 유도할 수 있다. 예를 들어, 링크의 길이를 L이라고 할 때, 관성 텐서 \mathbf{I}는 다음과 같이 정의된다.

\mathbf{I} = \frac{1}{12} m \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & L^2 & 0 \\ 0 & 0 & L^2 \end{bmatrix}

여기서 m은 링크의 질량이다. 링크 길이 L이 변경되면, 관성 텐서 \mathbf{I}도 자동으로 변경된다. 이를 Xacro의 파라미터로 구현하면, 링크 길이만 수정해도 관성 텐서가 자동으로 업데이트된다.

<xacro:property name="link_length" value="1.0"/>
<xacro:property name="link_mass" value="2.0"/>

<inertial>
  <mass value="${link_mass}"/>
  <inertia ixx="${link_mass * (link_length^2) / 12}" 
           iyy="${link_mass * (link_length^2) / 12}" 
           izz="${link_mass * (link_length^2) / 12}"/>
</inertial>

위 코드는 링크의 질량과 길이를 변수로 정의한 후, 이를 바탕으로 관성 텐서를 자동으로 계산하는 예시이다.

매개변수화된 링크 간의 관계

로봇은 여러 링크와 조인트로 구성되며, 링크 간의 상대적 위치와 각도는 중요한 요소이다. Xacro에서 매개변수화를 사용하여 링크 간의 관계를 더 유연하게 설정할 수 있다. 예를 들어, 두 링크 사이의 거리를 파라미터로 설정하고, 이 값이 변경되면 링크 간의 상대적인 위치가 자동으로 조정된다.

링크 간의 거리 설정

두 링크 \mathbf{L}_1과 \mathbf{L}_2가 있고, 두 링크 사이의 거리를 d로 정의한다고 하자. Xacro를 사용하여 이 거리를 매개변수화하면, 다양한 로봇 구조를 간단하게 수정할 수 있다.

<xacro:property name="link_distance" value="0.5"/>

위 코드는 링크 사이의 거리를 0.5로 정의한 것이다. 이를 두 링크 간의 관계에 적용하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

<link name="link1">
  <origin xyz="0 0 0"/>
</link>

<link name="link2">
  <origin xyz="0 0 ${link_distance}"/>
</link>

이 코드에서 두 링크는 Z축을 따라 일정 거리만큼 떨어져 있으며, 이 거리는 link_distance 변수로 설정된다. 이처럼 Xacro의 매개변수화를 사용하면 링크 사이의 관계를 손쉽게 변경할 수 있다.

링크의 상대적 각도 설정

링크 간의 회전 관계도 매개변수로 설정할 수 있다. 두 링크 간의 상대적 각도를 \theta로 정의하고, 이 값을 조정하여 로봇의 조인트 각도를 변경할 수 있다. 각도 \theta는 다음과 같이 정의될 수 있다.

\theta = \theta_0 + \Delta \theta

여기서 \theta_0는 기본 각도이고, \Delta \theta는 매개변수화된 변화량이다. Xacro에서 이를 구현하면 다음과 같다.

<xacro:property name="joint_angle" value="1.57"/> <!-- 라디안 단위로 정의 -->

<joint name="joint1" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 ${joint_angle}"/>
  <parent link="link1"/>
  <child link="link2"/>
</joint>

위 코드에서는 조인트의 회전 각도를 joint_angle로 매개변수화하였으며, 이 값을 변경하면 링크의 상대적 회전도 자동으로 변경된다.

매개변수와 조건문 활용

Xacro는 매개변수와 더불어 조건문을 사용할 수 있어 로봇 모델링의 유연성을 더욱 향상시킨다. 특정 조건에 따라 로봇 모델의 구조를 다르게 정의할 수 있으며, 다양한 로봇 구조를 한 파일 내에서 관리할 수 있다. 조건문을 활용하면 로봇의 특정 부품을 옵션으로 포함하거나 제외할 수 있다.

예를 들어, 로봇의 특정 부품이 포함될지 여부를 조건문으로 제어할 수 있다.

<xacro:if value="${include_part}">
  <link name="optional_link">
    <!-- 링크 속성 정의 -->
  </link>
</xacro:if>

include_part라는 변수가 참일 때만 optional_link가 포함되도록 조건문을 설정하였다. 이를 통해 다양한 옵션을 가진 로봇을 하나의 Xacro 파일에서 관리할 수 있다.

매개변수로 인한 유연한 로봇 설계의 예시

매개변수를 사용하면 하나의 Xacro 파일에서 여러 로봇 모델을 쉽게 설계하고 조정할 수 있다. 예를 들어, 로봇 팔의 길이와 조인트 각도를 매개변수로 설정하면, 다양한 로봇 팔 모델을 손쉽게 만들 수 있다. 이를 통해 동일한 로봇의 다양한 버전을 간편하게 구성할 수 있으며, 파라미터 값을 변경하는 것만으로 모델을 즉시 수정할 수 있다.

로봇 팔 모델의 매개변수화

로봇 팔의 각 조인트의 길이와 조인트 각도는 로봇의 동작과 성능에 큰 영향을 미친다. Xacro 파일을 사용하여 각 조인트의 길이를 매개변수로 정의하고, 이를 기반으로 모델을 유연하게 변경할 수 있다.

<xacro:property name="arm_length_1" value="0.5"/>
<xacro:property name="arm_length_2" value="0.7"/>
<xacro:property name="joint_angle_1" value="0.78"/>
<xacro:property name="joint_angle_2" value="1.57"/>

위 코드에서 두 링크의 길이와 두 조인트의 각도를 매개변수화하였다. 이를 바탕으로 각 조인트와 링크의 관계를 정의할 수 있다.

<link name="link1">
  <origin xyz="0 0 0"/>
</link>

<joint name="joint1" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 ${joint_angle_1}"/>
  <parent link="base_link"/>
  <child link="link1"/>
</joint>

<link name="link2">
  <origin xyz="0 0 ${arm_length_1}"/>
</link>

<joint name="joint2" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 ${joint_angle_2}"/>
  <parent link="link1"/>
  <child link="link2"/>
</joint>

이 코드를 통해 두 개의 링크와 조인트로 구성된 로봇 팔을 매개변수화할 수 있으며, 각 링크의 길이와 조인트의 각도를 변경하여 다양한 로봇 팔 모델을 생성할 수 있다.

매개변수를 통한 최적화

Xacro에서 매개변수를 사용하면 로봇 모델을 더욱 효율적으로 관리할 수 있다. 복잡한 URDF 파일을 작성할 때 반복적인 부분을 간소화하고, 공통적인 값을 매개변수로 정의함으로써 중복 코드를 줄일 수 있다. 이는 코드의 가독성을 높이고, 유지 보수를 쉽게 하며, 다양한 모델을 하나의 파일로 관리할 수 있게 한다.

반복되는 코드의 간소화

예를 들어, 로봇의 여러 링크가 동일한 속성을 가진다면, 이를 매개변수로 정의하고, 반복적으로 사용할 수 있다. 여러 링크에서 동일한 질량이나 재질을 사용하는 경우, 이를 매개변수로 정의하여 코드의 중복을 줄일 수 있다.

<xacro:property name="common_mass" value="1.0"/>
<xacro:property name="common_material" value="silver"/>

<link name="link1">
  <inertial>
    <mass value="${common_mass}"/>
  </inertial>
  <visual>
    <material name="${common_material}"/>
  </visual>
</link>

<link name="link2">
  <inertial>
    <mass value="${common_mass}"/>
  </inertial>
  <visual>
    <material name="${common_material}"/>
  </visual>
</link>

위 코드에서 두 링크가 동일한 질량과 재질을 공유하도록 매개변수를 정의하였다. 이를 통해 코드의 반복을 줄이고, 필요한 경우 매개변수 값만 수정하면 전체 모델에 반영될 수 있다.