drake - dingdongdengdong/astra_ws GitHub Wiki

Gazebo와 MoveIt으로 구성된 시뮬레이션을 Drake로 옮기는 것은 단순히 파일을 변환하는 것 이상의 작업이며, 각 시뮬레이터의 철학과 구조가 다르기 때문에 개념을 매핑하고 기능을 Drake 환경에 맞게 재구현하는 과정이 필요합니다. astra_description과 astra_moveit_config에 기술된 내용을 바탕으로 Drake로 이전하는 주요 단계와 고려 사항을 안내해 드리겠습니다.

핵심 이전 단계:

1. 로봇 모델 (URDF/Xacro 및 SRDF):

   • URDF/Xacro 로드:
     • Gazebo와 MoveIt에서 사용하는 로봇 모델(URDF 또는 Xacro)은 Drake의 MultibodyPlant로 가져올 수 있습니다.
     • astra_ws 내에서 로봇의 URDF 또는 Xacro 파일을 찾아야 합니다. 일반적으로 astra_description/urdf/ 또는 astra_description/robots/ 디렉토리에 있습니다. astra_moveit_config/launch/rsp.launch.py 파일을 살펴보면 robot_description 파라미터를 통해 실제 사용되는 Xacro 또는 URDF 파일 경로를 확인할 수 있습니다.
     • 만약 .xacro 파일이라면, 먼저 xacro 명령어를 사용하여 URDF 파일로 변환해야 합니다:

       ros2 run xacro xacro your_robot.xacro > your_robot.urdf

     • 변환된 URDF 파일은 이전 답변에서 설명한 대로 Drake의 Parser를 사용하여 MultibodyPlant에 로드합니다. 메시 파일 경로를 올바르게 해석하기 위해 parser.package_map().Add()를 사용하여 ROS 패키지 경로를 설정하는 것이 중요합니다.
   • SRDF (Semantic Robot Description Format) 정보 활용:
     • MoveIt은 로봇의 의미론적 정보(플래닝 그룹, 엔드 이펙터, 기본 자세, 충돌 비활성화 쌍 등)를 SRDF 파일(astra_moveit_config/config/srdf/astra_description.srdf.xacro로 추정)에 저장합니다.
     • Drake는 SRDF 파일을 직접 파싱하지 않지만, SRDF에 담긴 정보는 Drake 시뮬레이션 및 제어 설정을 구성하는 데 매우 유용합니다.
       • 플래닝 그룹/엔드 이펙터: Drake에서 IK (Inverse Kinematics)나 모션 플래닝 작업 시 어떤 링크와 조인트들을 고려할지 정의하는 데 사용됩니다.
       • 기본 자세 (Named Poses): Drake 시뮬레이션에서 로봇의 초기 상태나 목표 상태를 설정하는 데 참조할 수 있습니다.
       • 충돌 비활성화 (Disabled Collisions): Drake의 MultibodyPlant에서 특정 링크 쌍 간의 충돌 검사를 비활성화할 때 이 정보를 바탕으로 설정할 수 있습니다 (plant.ExcludeCollisionGeometriesWith() 등).

2. 시뮬레이션 환경 (World SDF):

   • Gazebo는 월드 파일 (일반적으로 .sdf 또는 .world 확장자)을 사용하여 시뮬레이션 환경(바닥, 벽, 조명, 작업 대상 물체 등)을 정의합니다.
   • 이 월드 파일에 정의된 환경 요소들을 Drake로 가져와야 합니다.
     • SDF 로드: 만약 환경이 SDF 파일로 기술되어 있다면, Drake의 Parser는 로봇 모델뿐만 아니라 환경 SDF 파일도 로드할 수 있습니다. parser.AddModels(filename="path/to/your/world.sdf") (최신 Drake에서는 AddAllModelsFromFile 또는 AddModelFromFile 반복 사용).
     • 절차적 생성: 간단한 환경(예: 평평한 바닥, 간단한 장애물)은 Drake의 형상 프리미티브(Sphere, Box, Cylinder, HalfSpace 등)를 사용하여 Python 코드 내에서 직접 생성할 수 있습니다.

       # 예시: 바닥 추가
       ground_shape = DrakeShapes.Box([10, 10, 0.1]) # 가로, 세로, 높이
       plant.RegisterVisualGeometry(plant.world_body(), RigidTransform([0,0,-0.05]), ground_shape, "ground_visual", diffuse_color=[0.5,0.5,0.5,1.0])
       plant.RegisterCollisionGeometry(plant.world_body(), RigidTransform([0,0,-0.05]), ground_shape, "ground_collision", CoulombFriction(1.0, 1.0))

     • 작업 대상 물체들 역시 URDF나 SDF로 정의되어 있다면 Drake에 추가할 수 있습니다.

3. 컨트롤러 (Controllers):

   • Gazebo/ROS에서는 ros_control 또는 커스텀 플러그인을 사용하여 로봇을 제어하고, MoveIt은 주로 FollowJointTrajectory 액션 인터페이스를 통해 컨트롤러와 통신합니다. astra_controller 패키지에 해당 로직이 있을 가능성이 높습니다.
   • Drake에서는 컨트롤러를 LeafSystem으로 구현하여 Diagram에 통합합니다.
     • PID 컨트롤러: ros_control의 position_controllers/JointTrajectoryController 또는 velocity_controllers/JointTrajectoryController와 유사한 기능을 Drake에서 PidController 시스템을 사용하여 구현할 수 있습니다. 각 조인트에 대해 PID 게인을 설정하고, 목표 상태(위치, 속도)를 입력으로 받아 토크를 계산합니다.
     • 역동역학 컨트롤러 (InverseDynamicsController): Drake는 로봇의 동역학 모델을 사용하여 원하는 조인트 가속도를 달성하기 위한 토크를 계산하는 InverseDynamicsController를 제공합니다. 이는 더 정교한 제어에 유용합니다.
     • 커스텀 제어 로직: astra_controller 내의 특정 제어 전략(예: 힘 제어, 임피던스 제어)은 Drake의 LeafSystem을 상속받아 Python이나 C++로 직접 구현해야 합니다.
   • 액추에이터 모델링: URDF에 정의된 조인트 제한(속도, 힘/토크) 및 동적 특성(댐핑, 마찰)을 Drake의 MultibodyPlant에서 유사하게 설정하거나, 컨트롤러 레벨에서 고려해야 합니다.

4. 센서 (Sensors):

   • Gazebo는 URDF 내 <sensor> 태그와 관련 플러그인(예: gazebo_ros_camera, gazebo_ros_imu)을 통해 센서를 시뮬레이션합니다.
   • Drake는 자체 센서 모델을 제공하며, 이를 Diagram에 추가합니다.
     • 카메라 (RgbdSensor): Gazebo의 카메라 설정을 참조하여 Drake의 RgbdSensor를 구성할 수 있습니다 (화각(FOV), 해상도, 클리핑 범위 등). 렌더링 엔진이 다르므로 완벽히 동일한 이미지가 나오지는 않을 수 있습니다.
     • IMU (ImuSensor): IMU의 위치, 노이즈 특성 등을 Drake의 ImuSensor에 맞게 설정합니다.
     • 기타 센서: Force/Torque 센서 등도 Drake에서 모델링 가능합니다.
   • 센서 데이터는 Drake 시스템의 출력 포트에서 얻어와 제어나 로깅에 사용합니다.

5. MoveIt 기능의 Drake 대체:

   • 운동학 (Kinematics) 및 역운동학 (IK):
     • MoveIt은 IK 플러그인을 사용합니다. Drake의 MultibodyPlant는 순운동학 계산 기능을 제공하며, InverseKinematics 클래스를 사용하여 다양한 제약 조건 하에 IK를 풀 수 있습니다. SRDF의 엔드 이펙터 정보가 IK 목표 설정에 사용됩니다.
   • 모션 플래닝 (Motion Planning):
     • MoveIt은 OMPL과 같은 라이브러리를 통해 다양한 플래닝 알고리즘을 제공합니다.
     • Drake는 주로 최적화 기반의 모션 플래닝(MathematicalProgram, DirectCollocation, KinematicTrajectoryOptimization)에 강점을 가집니다. 샘플링 기반 플래너(RRT, PRM 등)를 직접 구현하거나 외부 라이브러리를 연동해야 할 수 있습니다. 간단한 작업의 경우, 일련의 IK 목표점을 계산하고 이를 보간하여 경로를 생성할 수도 있습니다.
   • 충돌 검사 (Collision Checking):
     • MoveIt은 PlanningScene을 통해 환경을 인지하고 FCL/Bullet 등의 라이브러리로 충돌을 검사합니다.
     • Drake의 SceneGraph는 충돌 검사를 담당하며, QueryObject를 통해 특정 형상 간 또는 전체 장면에 대한 충돌 여부 및 거리 정보를 얻을 수 있습니다. SRDF의 충돌 비활성화 정보는 SceneGraph 설정에 반영합니다.
   • 상태 표현 (State Representation):
     • MoveIt은 RobotState 객체를 사용합니다. Drake에서는 시스템의 상태가 Context 객체에 저장되며, plant.SetPositions(plant_context, ...) 등으로 상태를 설정하고 plant.GetPositions(plant_context) 등으로 상태를 읽습니다.

6. 시뮬레이션 실행 및 관리:

   • Gazebo/MoveIt 시뮬레이션은 ROS launch 파일을 통해 여러 노드를 실행하고 파라미터를 설정합니다.
   • Drake 시뮬레이션은 주로 단일 Python 스크립트 내에서 Diagram을 구성하고, Simulator를 생성하여 실행합니다. 초기 조건 설정, 시뮬레이션 시간, 외부 입력 등 모든 것이 스크립트 내에서 프로그래밍 방식으로 관리됩니다.

7. 시각화 (Visualization):

   • ROS에서는 RViz를 사용하여 로봇 상태, 센서 데이터, 플래닝 결과 등을 시각화합니다.
   • Drake는 Meshcat이라는 웹 기반 3D 시각화 도구를 사용합니다. MeshcatVisualizer를 Diagram에 추가하면 SceneGraph의 지오메트리 정보가 Meshcat으로 전송되어 시각화됩니다. 추가적인 디버깅 정보나 플롯도 Meshcat을 통해 표시할 수 있습니다.

이전 과정 요약 및 조언:

• 단계적 접근: 한 번에 모든 것을 옮기려 하지 말고, 단계별로 진행하는 것이 좋습니다.
  1. 로봇 모델을 Drake에 성공적으로 로드하고 Meshcat에서 시각화하는 것부터 시작합니다.
  2. 간단한 환경(예: 바닥)을 추가합니다.
  3. 기본적인 조인트 제어(예: 각 조인트를 특정 각도로 이동시키는 PID 제어)를 구현합니다.
  4. 센서를 추가하고 데이터를 확인합니다.
  5. 점차 복잡한 제어 로직과 모션 플래닝 기능을 구현하거나 연동합니다.
• astra_description 및 astra_moveit_config 활용: 이 패키지들의 설정 파일(URDF, SRDF, 컨트롤러 설정 YAML 등)은 Drake로 이전할 때 필요한 파라미터와 구조를 파악하는 데 중요한 참고 자료가 됩니다.
• Drake 문서 및 예제 활용: Drake 공식 문서와 GitHub 저장소의 예제들은 매우 유용합니다. 유사한 기능을 구현한 예제를 찾아 참고하면 도움이 됩니다.
• 커뮤니티 지원: Drake는 활발한 커뮤니티를 가지고 있으므로, 어려운 문제에 직면했을 때 Stack Overflow나 Drake GitHub Discussions를 통해 질문하면 도움을 받을 수 있습니다.

Gazebo/MoveIt에서 Drake로의 이전은 상당한 노력이 필요하지만, Drake가 제공하는 강력한 동역학 엔진, 최적화 도구, 유연한 시스템 구성 능력 등을 활용하여 더 깊이 있는 연구와 개발을 진행할 수 있는 기회가 될 것입니다.