URDF — 로봇 모델링 입문

🎯 이 챕터의 목표

지금까지는 소프트웨어(노드/토픽/메시지)만 다뤘어요. 이번 챕터부턴 로봇의 모양 — 어떤 부품이 어떻게 연결되고 어디서 회전하는지를 코드로 표현해봐요. ROS2에서는 이 표현을 URDF라고 불러요.

🧱 핵심 단어 2개 — Link & Joint

📐 좌표계 (frame) 이해

모든 링크는 자기 자신의 좌표계를 가져요. 보통 이름은 base_link, wheel_left_link 같은 식. 한 링크의 위치는 부모 링크의 좌표계 기준으로 표현해요.

        z (위쪽)
         ↑
         |    
         |   y (왼쪽)
         |  ↗
         | ↗
         o ─────→ x (앞)
       base_link

ROS2의 기본 좌표계 규칙(REP 103):

• x = 앞 (전진 방향)
• y = 왼쪽
• z = 위쪽
• 각도 단위는 라디안 (radian), 거리 단위는 미터 (meter)

📄 첫 URDF — 막대 하나

아주 단순한 직육면체 로봇부터. ~/ros2_ws/src/에 새 패키지를 만들어요.

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_cmake --license Apache-2.0 my_robot_description
cd my_robot_description
mkdir urdf
nano urdf/box_bot.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot name="box_bot">

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0.2 0.4 0.9 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

</robot>

한 줄씩 풀어보기

• <robot name="box_bot"> — 로봇 이름. URDF의 최상위 태그.
• <link name="base_link"> — 첫 링크. "base_link"는 관례적인 첫 링크 이름.
• <visual> — 시각화용 표현 (실제 충돌이나 물리는 따로).
• <box size="0.4 0.3 0.2"/> — 0.4m × 0.3m × 0.2m 직육면체 (x, y, z).
• <material> <color rgba="..."/> — 색깔. RGBA 0~1.

URDF가 받아주는 geometry 4종

<box size="x y z"/>                       <!-- 직육면체 -->
<sphere radius="r"/>                       <!-- 구 -->
<cylinder length="l" radius="r"/>          <!-- 원기둥 -->
<mesh filename="package://my_pkg/meshes/x.dae"/>  <!-- 3D 모델 -->

🔗 두 번째 — 관절 추가하기

본체 위에 회전하는 머리(센서 헤드)를 얹어봐요. 링크 1개 + 조인트 1개 추가.

<?xml version="1.0"?>
<robot name="box_bot">

  <!-- 본체 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0.2 0.4 0.9 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <!-- 머리 -->
  <link name="head_link">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.08"/>
      </geometry>
      <material name="red">
        <color rgba="0.9 0.3 0.3 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <!-- 본체 ↔ 머리 회전 조인트 -->
  <joint name="head_joint" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="head_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.15" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1.0"/>
  </joint>

</robot>

joint 태그 풀이

• type="revolute" — 회전 조인트 (한정된 각도 내). 다른 타입은 잠시 후.
• parent / child — 어느 링크에 어느 링크가 붙는지 (방향 있음).
• origin xyz="0 0 0.15" — 부모 좌표계 기준, 머리는 본체 위 0.15m 위치.
• origin rpy="0 0 0" — Roll/Pitch/Yaw (회전 자세). 0이면 정렬됨.
• axis xyz="0 0 1" — 회전축. z축 회전 = 좌우 둘러보기.
• limit lower upper — 라디안 단위 한계 (-π/2 ~ +π/2 = -90° ~ +90°).

⚙ 조인트 타입 6종

🏃 빠른 실습 — urdf_tutorial 패키지 활용

내가 만든 URDF를 화면에 띄워보고 싶다면, ROS2에 이미 준비된 urdf_tutorial이 가장 빠른 길.

sudo apt install ros-jazzy-urdf-tutorial -y

이걸 깔면 URDF + RViz + 슬라이더 GUI를 한 번에 띄우는 launch가 들어와요.

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py \
  model:=$HOME/ros2_ws/src/my_robot_description/urdf/box_bot.urdf

실행하면:

• RViz2 창이 뜨고 박스 + 빨간 구가 보임
• joint_state_publisher_gui라는 슬라이더 창이 같이 뜸
• 슬라이더 움직이면 머리가 좌우로 돌아감 🎮

📦 URDF 패키지 구조

실제 프로젝트는 보통 이렇게 구성해요.

my_robot_description/
├── package.xml
├── CMakeLists.txt
├── urdf/                ← .urdf 또는 .xacro 파일
│   └── my_robot.urdf
├── meshes/              ← 3D 모델 (.stl, .dae)
│   ├── base.stl
│   └── wheel.stl
├── launch/              ← 디스플레이용 launch
│   └── display.launch.py
└── config/              ← RViz 설정, joint 매핑 등
    └── view.rviz

이런 패키지를 보통 <로봇이름>_description이라고 부르는 게 ROS2 관례. TurtleBot의 경우 turtlebot4_description.

🧬 inertial — 물리 시뮬레이션에 필요

URDF는 시각화만 위한 게 아니라 물리 엔진(Gazebo)에도 쓰여요. 그러려면 각 링크의 질량과 관성을 적어줘야 해요.

<link name="base_link">
  <visual>...</visual>

  <collision>
    <geometry>
      <box size="0.4 0.3 0.2"/>
    </geometry>
  </collision>

  <inertial>
    <mass value="5.0"/>
    <inertia ixx="0.1" ixy="0" ixz="0"
             iyy="0.1" iyz="0" izz="0.1"/>
  </inertial>
</link>

• <visual> — 보이는 모양
• <collision> — 충돌 판정용 모양 (보통 visual보다 단순하게)
• <inertial> — 질량 + 관성 텐서 (Gazebo가 사용)

🧩 xacro — URDF의 매크로 확장

URDF는 XML이라 반복이 많아져요. 바퀴 4개면 거의 같은 코드 4번 복붙. 그래서 xacro가 만들어졌어요.

<?xml version="1.0"?>
<robot name="box_bot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

  <!-- 변수 정의 -->
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05"/>

  <!-- 매크로 정의 -->
  <xacro:macro name="wheel" params="prefix x y">
    <link name="${prefix}_wheel">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder length="0.04" radius="${wheel_radius}"/>
        </geometry>
      </visual>
    </link>
    <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${prefix}_wheel"/>
      <origin xyz="${x} ${y} 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <axis xyz="0 0 1"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

  <!-- 매크로 호출 (바퀴 4개를 4번 호출) -->
  <xacro:wheel prefix="fl" x="0.15"  y="0.15"/>
  <xacro:wheel prefix="fr" x="0.15"  y="-0.15"/>
  <xacro:wheel prefix="rl" x="-0.15" y="0.15"/>
  <xacro:wheel prefix="rr" x="-0.15" y="-0.15"/>

</robot>

XML 200줄을 50줄로 줄여줘요. 실전 로봇 모델은 거의 다 xacro.

🔍 URDF 검증 도구

# URDF 문법 체크
check_urdf box_bot.urdf

# xacro → urdf 변환
xacro robot.urdf.xacro > robot.urdf

# URDF의 링크/조인트 트리 보기
urdf_to_graphiz robot.urdf  # PDF 생성됨