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gazebo_urdf_xacro

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본 post는 aidin_arm package를 이용할 때, gazebo simulator상에 load된 모델을 제어하는데 필요한 제반사항을 이해하기 위해 작성되었다.

gazebo classic

gz classic tutorial1
gz classic tutorial2
gz classic tutorial source
gz classic source
gz model plugin

gazebo는 3D dynamic simulator이다.
주로 ROS와 함께 사용된다.

특징

  • ODE, Bullet, Simbody 및 DART 물리 엔진
  • 풍부한 로봇 모델 및 환경 라이브러리
  • 다양한 센서

기능

  • Gazebo 모델에 대한 3D 메시를 생성하기 위해 2D 이미지인 SVG(Scalable Vector Graphics)파일을 extrude.
  • Model Editor
  • Building Editor
  • Logging and playback

현재 gazebo(이전엔 ignition)

gz ignition source

Ignition 시뮬레이터는 gazebo를 기반으로 한 시뮬레이션 프레임워크이다.
gazebo의 차세대 버전이라고 할 수 있다.
모듈형 아키텍처로 구성되었다. 물리엔진 모듈, 렌더링 모듈, GUI모듈 등이 있다.
물리 플러그인 프레임워크를 사용하여 물리엔진들의 종속성 문제를 해결한다.
각 물리 엔진은 플러그인을 통해 Ignition Gazebo에 인터페이스되므로 각 엔진을 지원하여 시뮬레이터를 컴파일할 필요가 없다.

특징

  • IPC 통신을 위한 ZeroMQ와 데이터 직렬화, 역직렬화를 위한 Protobufs API를 결합하여 Ignition Transport이라는 메시지 전달 시스템을 사용
  • Ignition Transport에는 Ignition Messages라는 표준 메시지 정의 세트를 사용
  • Ignition Math
  • SDF(or SDFormat. XML file format이다) file을 사용하여 모델 정의. SDF library는 이 파일을 parse한다.

.urdf

urdf_XML_

URDF는 XML 기반의 파일 형식으로, 로봇 모델의 물리적 구성 요소를 정의하는 데 사용된다.

.xacro

Xacro는 XML을 확장한 매크로 언어로, 복잡한 URDF 파일을 더 효율적으로 작성하고 관리할 수 있게 해준다.
매크로와 변수, 조건문을 사용하여 URDF 파일의 재사용성과 가독성을 높인다.
ros1에서는 재사용성을 높이기위해 urdf에서 확장된 xacro로 모델을 주로 정의한다.

sdf(SDFormat)

SDFormat extensions to URDF (the <gazebo> tag)
sdformat specification

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urdf외에 SDF를 사용할 수도 있다.  
URDF는 Gazebo에 의해 처리되기 전에 먼저 SDFormat으로 변환된다.  
gz classic/ignition에서 urdf/sdf를 사용할 수 있고, urdf에서 gazebo tag내에서 sdf태그를 사용할 수 있지만, 모든 sdf태그가 지원되는 것은 아니다.

.launch

roslaunch
roslaunch/XML

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여러 노드(프로세스)를 한번에 제어할 때 사용한다. XML 기반의 파일형식이다.  
roslaunch/XML문서에서 각 태그의 attribute와 element를 확인할 수 있다.   

1. 로컬프로세스
launch파일에 별다른 설정이 없으면 node는 디폴트로 로컬프로세스로 취급된다.  
roslaunch는 popen을 사용하여 로컬 프로세스를 시작하고 POSIX 신호를 사용하여 로컬 프로세스를 종료한다.  
ROS1 architecture에서는 노드가 초기화되는 시기를 알 수 있는 방법이 없기 때문에,  
roslaunch는 노드 시작에 대한 특정 순서를 보장하지 않는다.  

2. 원격프로세스
node를 원격프로세스로 제어할 수도 있다.  
다른 컴퓨터의 노드를 제어하려면 네트워크 설정(ssh, TCP/IP 등)이 필요하다.  
(ex. ROS_MASTER_URI와 remote host인 ROS_IP의 ip주소를 설정해야한다.)

기본구조는 다음과 같다.

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<launch>
  <!-- Node를 정의하는 예제 -->
  <node pkg="패키지명" type="노드이름" name="노드이름" output="화면">
    <!-- 매개변수를 정의하는 예제 -->
    <param name="매개변수이름" value="값"/>
  </node>
  
  <!-- 다른 launch 파일을 포함하는 예제 -->
  <include file="$(find 패키지명)/launch/다른_파일.launch">
    <arg name="매개변수이름" value="값"/>
  </include>
</launch>
  1. 태그
    • group
      launch 태그와 기능이 동일하며, launch 파일 내부에서 실행되었기 때문에 단순히 태그 내부에 대한 컨테이너 역할을 한다.
      node들을 grouping하여 setting(launch파일 내에서 일반적으로 사용되는 모든 태그)을 한번에 적용할 수 있다.
      ex. ```
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- remap
node 태그 시작 전에 remap을 통해 topic을 redirection할 수 있다.  
즉, remap이후에 redirection된 topic을 사용하는 node는 원래 topic이 아닌 새로운 topic에 대해 통신하는 것으로 간주된다.  
용례는 다음과 같다.

<remap from={원래 topic} to={새로운 topic} />

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- node 
Launch a node.  
roslaunch는 노드가 어떤 순서로 시작하는지에 대한 보장을 제공하지 않는다.  
ex.

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- param
Set a parameter on the Parameter Server.  
Instead of value, you can specify a textfile, binfile or command attribute to set the value of a parameter.  
<param> 태그는 <node> 태그 안에 넣을 수 있으며, 이 경우 private parameter로 처리된다.

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private parameter
: private name을 가진 parameter

Graph Resource Names convention
: There are four types of Graph Resource Names in ROS: base, relative, global, and private.
: 1. 기본적으로, 이름은 namespace에 relative하다.  
: 2. namespace가 없으면 base name이다.  
: 3. "/"로 시작하는 name은 global name이다. 전역이름은 code portability를 제한시키기때문에 가급적 피한다.  
: 4. "~"로 시작하는 name은 private name이다. namespace를 포함하여 node의 이름 뒤에 ~이하가 추가된 형식으로 변환된다.  
Node types은 노드의 실행파일명이다.  
messege type/service type은 각 messege, service형식을 명시한 파일이름이다.  

Graph Resource
: ROS1에서, 노드(Node) 간의 통신 및 데이터 흐름을 ROS Computation Graph라고하며 여기에 사용되는 node, parameter, messege등의 자원을 Graph Resource라고 한다.
ex.  

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- rosparam
YAML 파일 형식의 여러 parameter가 정의된 rosparam 파일을 dump, load(parameter server로)할 수 있다.  
parameter를 param. server에서 삭제할 수도 있다. 
ex.

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- substitution args
launch를 시작하기 전에 parsing하여 실행된다.  
다음과 같은 substitution args들이 있다.  
$(dirname)
// 디렉토리 절대경로로 대체  
$(optenv ENVIRONMENT_VARIABLE)
// 환경 변수가 설정된 경우 해당 값을 대체
$(arg foo)
// argument의 값을 꺼내서 대체
$(eval <expression>) 
// 계산 후 대체
$(anon name)
// name은 고유 식별자이며 이를 기반으로 익명의 id를 생성한다.
$(find pkg) 
// particular machine의 위치를 명시하는 대신, ROS package의 상대경로를 찾아주는 syntax이다.  
$(env ENVIRONMENT_VARIABLE)
// 해당 syntax를 사용하여 include 태그와 함께 (shell에 이미 set된)environment variables 기반으로 launch file을 load할 수 있다.  

- include
현재 launch파일에 다른 .launch 파일을 포함시킨다. 
include되는 file은 master 태그(deprecated)를 제외한 모든 내용이 포함된다.
ex.  

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- arg
The <arg> tag allows you to create more re-usable and configurable launch files by specifying values that are passed via the command-line, passing in via an <include>, or declared for higher-level files. **Args are not global**. 

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- env  
machine이나 node를 위해 set되어야하는 environment variables를 정의한다.  
// NOTE: Values set using the <env> tag will not be seen by $(env ...), so the <env> tag cannot be used to parametrize launch files.

- machine  
ROS nodes를 실행할 수 있는 machine을 선언하는 태그이다. 모든 node를 local로 실행한다면 이 태그를 사용할 필요없다. 이 태그는 주로 remote machines에 대한 SSH와 환경변수 setting을 선언하기위해 사용된다. alias를 사용하여 runtime에 어떤 machine이 사용될 지 정의할 수 있다.  
이를 통해 여러 machine에 대해 동일한 node 정의를 재사용할 수 있다.  

- test
Launch a test node (see rostest).
아래와 같은 형식으로 test script를 실행할 수 있다.

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#### robot_state_publisher package
[robot_state_publisher docs](https://wiki.ros.org/robot_state_publisher)  
이 패키지는 joint_states 토픽을 subscribe하여 TF frame정보로 변환하고 tf2_ros package에 전달한다.  

#### tf package
[TF docs](https://wiki.ros.org/tf2)  
로봇 시스템은 일반적으로 world frame, base frame, gripper frame 등과 같이 시간에 따라 변하는 3D coordinate frame들을 갖는다.  
tf2는 시간에 따른 이러한 모든 frame을 추적하고 다음과 같은 질문에 답한다.  
- 5초 전, world frame 기준으로 head frame은 어디에 있었나요?
- base를 기준으로 그리퍼에 있는 물체의 pose는 어떻습니까?
- map frame에서 base frame의 현재 pose는 무엇입니까?

크게 다음 두 가지 작업을 수행한다.  
Broadcasting transforms  
: 노드가 자신과 관련된 좌표 변환 정보를 다른 노드들에게 전송한다.  
Listening for transforms  
: 다른 노드들이 broadcast한 변환 정보를 수신하고 이를 이용하여 좌표 변환을 수행한다.  

ex.

현재 frame들의 관계를 tree로 구성하여 pdf파일로 저장

rosrun tf2_tools view_frames.py

reference frame에 대한 target frame의 pose를 출력

rosrun tf tf_echo {ref. frame} {target frame}

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#### gazebo_ros package
- node: spawn_robot  
Gazebo 시뮬레이션 환경에 로봇 모델을 spawn하는 데 사용되는 노드이다.  
-unpause: 모델이 스폰된 후 시뮬레이션을 즉시 재개한다.  
-J: revolute joint의 초기값(radian)을 설정한다.

```

ros control scheme(gazebo_ros_control pkg, controller manager pkg)

노션 참고

joy package

joy docs

gazebo client(GUI)

OBB와 AABB
UI상의 왼쪽 패널의 model들을 눌렀을 때 model주변에 나타나는 흰색 wireframe box는 AABB(Axis-Aligned Bounding Box)이다.
AABB는 3D world에서 교차검사(충돌검출이나 타격판정등을 위한) bounding box이다. 물리엔진으로 충돌 감지 알고리즘을 돌리는 것과 별개로, 충돌지점을 빠르게 파악하기 위해 AABB를 사용한다. urdf에서 정의하는 collision 영역이랑은 무관하다. 박스를 이루는 면의 노말 벡터들이 곧 X Y Z축과 일치한다.

.world

모델을 추가하고, 센서, 조명, 지형 등의 환경을 정의하는데 사용된다.
XML 기반의 파일형식이다.

.gazebo

gazebo, urdf, xacro
gazebo urdf xacro
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