URDFモデルファイル¶

概要 ¶

URDF (Unified Robot Description Format)は、XMLを用いたロボットモデルの記法です。ROS (Robot Operating System)をはじめ、近年多くのプラットフォームで利用されています。ただし、現在の公式仕様では、ロボットの運動学的構造のみに対応しており、センサ等は未対応となっています。

モデルファイルの規約 ¶

本ページは、URDFの公式ドキュメントに基づき、ロボットシミュレーションに必要となる情報をまとめています。

URDFモデルを作成する際に注意すべき事項は以下の通りです。

モデルファイルひとつにつき、ロボットや環境のモデル1体を記述するようにします。
1体のロボットは、リンクについて1つの木構造を持つ必要があります。すなわち、あるリンクから任意のリンクへは、ジョイントを介して辿り着くことができ、かつ辿り着く経路が一意である必要があります。したがって、パラレルリンク機構等の閉じた機構をURDF上で表現することはできません。
数値は全て、接頭辞なしのSI基本単位・組み立て単位になります。例えば、位置の単位にはメートルまたはラジアンを、質量の単位にはキログラムを用いる必要があります。

ノード・属性一覧 ¶

URDFにおいてロボットモデルは、階層的なノード構造によって記述されます。同じ名前のノードは、場所に依らず同じ記法と役割を持っています。

下記は、Choreonoidでロボットモデルを読み込み、シミュレーションを行うために必要なノードの一覧です。実際のノードの階層構造に基づいています。全てのURDFノードを紹介してはおらず、jointノード以下に記述される、ロボットの実機や動作に関するノードの説明は省略しています。

robotノード（属性： name ）
- linkノード（属性： name ）
  - inertialノード
    - originノード（属性： xyz , rpy ）
    - massノード（属性： value ）
    - inertiaノード（属性： ixx , iyy , izz , ixy , iyz , ixz ）
  - visualノード
    - originノード（属性： xyz , rpy ）
    - geometryノード
      - boxノード（属性： size ）
      - cylinderノード（属性： radius , length ）
      - sphereノード（属性： radius ）
      - meshノード（属性： filename , scale ）
    - materialノード（属性： name ）
      - colorノード（属性： rgba ）
      - textureノード（属性： filename ）
  - collisionノード
    - originノード（属性： xyz , rpy ）
    - geometryノード
      - boxノード（属性： size ）
      - cylinderノード（属性： radius , length ）
      - sphereノード（属性： radius ）
      - meshノード（属性： filename , scale ）
- jointノード（属性： name, type ）
  - originノード（属性： xyz , rpy ）
  - parentノード（属性： link ）
  - childノード（属性： link ）
  - axisノード（属性： xyz ）
  - limitノード（属性： lower , upper , velocity , effort ）

それぞれのノードの役割や記法について、以下にて詳説します。

robotノード ¶

robotノードは、1つのロボットを定義します。ロボットの定義は、全てrobotタグの内部で完結する必要があります。

robotノードの属性¶
属性名	内容
name（必須）	ロボットの名称。モデル内で重複しない任意の文字列を指定可能です。

なお、Choreonoidで読み込む場合は別途表示名を付けられるため、複数の同じロボットを同時に読み込む場合であっても、モデルファイルは1つあれば十分です。

linkノード ¶

linkノードは、ロボットを構成する各リンクを定義します。

linkノードの属性¶
属性名	内容
name（必須）	リンクの名称。モデル内で重複しない任意の文字列を指定可能です。

最も簡単なlinkノードは、名前だけを持つノードです。すなわち、

<link name="simple_link"/>

と記述するのみでリンクを構成することができます。このようなリンクは、移動体の回転中心や、マニピュレータの逆運動学に使う参照点など、ロボットに目印を付ける目的でしばしば利用されます。しかし、これだけでは物理シミュレーションや描画などを行うことはできません。そこで、以下の表に示す子ノードを記述することにより、リンクにさらなる情報を与えることができます。

linkノードが持てる子ノード¶
ノード名	内容
inertialノード	重心位置や質量、慣性モーメントを定めます。
visualノード	外観の形状や色などを定めます。
collisionノード	衝突形状。自己干渉や環境との衝突の検出に用いる形状情報を定めます。

inertialノード ¶

inertialノードは、物理シミュレーションの計算に用いる、リンクの重心位置や質量、慣性モーメントを定めます。inertialノードの記述は任意ですが、固定接続されたリンクの中で少なくとも1つのリンクにinertialタグが設定されていなければ、物理シミュレーションを行うことはできません。

inertialノードが持てる子ノード¶
ノード名	内容
originノード（任意）	xyz 属性で重心位置を、 rpy 慣性モーメントの座標系の回転をロール・ピッチ・ヨー表現で、リンクの座標系の上で定めます。各属性は省略可能で、省略された場合はゼロに設定されます。もしノード自体が省略された場合は、 xyz ， rpy の両者が共にゼロとして扱われます。
massノード（必須）	value 属性で質量を定めます。質量は正の値である必要があります。
inertiaノード（必須）	慣性モーメントを定めます。慣性モーメントの行列を構成する6成分 (ixx, iyy, izz ixy, ixz, ixz) をそれぞれ属性として指定します。 ixx, iyy, izz には必ず正の値が入ります。また慣性モーメントは正定値対称行列となる必要がありますので、CAD等の情報を用いずに ixy, iyz, ixz を入力する際には注意が必要です。

例:

<inertial>
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
  <mass value="1"/>
  <inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1"/>
</inertial>

visualノード ¶

visualノードは、ロボットモデルの描画に用いられます。リンクの形状や色等をこのノード内で記述することで、各種GUI上でロボットモデルを表示できるようになります。1つのリンクに対して複数のvisualノードを定義することが可能であり、その場合は全てのvisualノードを重ね合わせたものが、そのリンクの外観となります。

visualノードが持てる子ノード¶
ノード名	内容
originノード（任意）	geometryノードで定義する図形の原点を定めます。 xyz 属性で重心位置を、 rpy で座標系の回転をロール・ピッチ・ヨー表現で、いずれもリンクの座標系の上で定めます。各属性は省略可能で、省略された場合はゼロに設定されます。もしノード自体が省略された場合は、 xyz , rpy の両者が共にゼロとして扱われます。
geometryノード（必須）	図形の形状を定めます。詳細は次の表をご参照ください。
materialノード（任意）	geometryノードで指定した図形の色とテクスチャを指定します。詳細は下記の表で後述します。

geometryノードは、幾何形状を定義するノードです。次の表に示すノードの中から 一つを選んで 記述します。

geometryノードが持てる子ノード一覧¶
ノード名	内容
boxノード	直方体。中心が原点となります。 size 属性に、xyzの各軸に平行な辺の長さを与えます。
cylinderノード	円柱。中心が原点、Z軸が円の中心軸となります。 radius 属性で半径を、 length 属性で長さを、それぞれ与えます。（注：Y軸が円の中心軸となるBodyファイルとは，中心軸が異なります。）
sphereノード	球。中心が原点となります。 radius 属性で半径を与えます。
meshノード	メッシュファイルを元にしたメッシュ。 filename 属性でファイルのパスを与えます。パスは、ROSパッケージ名とパッケージ内での相対パスを用いて、 package://<packagename>/<path> の形で記述します。また、 scale 属性に各軸の伸縮倍率を与えることで、メッシュをスケーリングできます。もしメッシュファイルに色情報が含まれていれば、下記materialノードで上書きされない限り、その情報が利用されます。

materialノードは、幾何形状に対して表面の色やテクスチャを指定します。materialノードが指定されていない場合は、原則として白色が適用されます。

materialノードが持てる子ノード一覧¶
ノード名	内容
colorノード	図形の色。 rgba 属性に4つのパラメータを与えることで、RGBと透明度を指定します。それぞれの値は、0.0から1.0の間に正規化されたものを使用します。
textureノード	図形表面のテクスチャ。filename 属性でファイルのパスを与えます。パスは、geometryノード内のmeshノードと同様に、ROSパッケージ名とパッケージ内での相対パスを用いて、 package://<packagename>/<path> の形で記述します。

また、materialノードはname属性で名前を与えることができます。一度定義されたmaterialノードは、以降のモデルファイル内では、 <material name="material1"/> のように名前を指定するのみで、同じ外観装飾を適用できます。

例1:

<visual>
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
  <geometry>
    <box size="1 1 1"/>
  </geometry>
  <material name="Cyan">
    <color rgba="0 1 1 1"/>
  </material>
</visual>

例2:

<visual>
  <geometry>
    <mesh filename="package:://choreonoid/share/model/JACO2/parts/ARM.stl" scale="1 1 1"/>
  </geometry>
</visual>

collisionノード ¶

collisionノードは、ロボットモデルの衝突判定に用いられます。物理シミュレーションやプランニングにおいて、自己干渉や環境との接触を検出するときに、collisionノードの情報が用いられます。visualノードと同様に、1つのリンクに対して複数のcollisionノードを定義することが可能で、全てのcollisionノードを重ね合わせたものが、そのリンクの衝突モデルとなります。

collisionノードが持てる子ノード¶
ノード名	内容
originノード（任意）	geometryノードで定義する図形の原点を定めます。 xyz 属性で重心位置を、 rpy で座標系の回転をロール・ピッチ・ヨー表現で、いずれもリンクの座標系の上で定めます。各属性は省略可能で、省略された場合はゼロに設定されます。もしノード自体が省略された場合は、 xyz , rpy の両者が共にゼロとして扱われます。
geometryノード（必須）	図形の形状を定めます。詳細は visualノードにおけるgeometryノードの説明をご参照ください。ただしmeshノードを利用した場合、もしメッシュファイルに色情報が含まれていたとしても、その情報はcollisionノードでは無効になります。

例1:

<collision>
  <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
  <geometry>
    <box size="1 1 1"/>
  </geometry>
</collision>

例2:

<collision>
  <geometry>
    <mesh filename="package:://choreonoid/share/model/JACO2/parts/ARM.stl" scale="1 1 1"/>
  </geometry>
</collision>

jointノード ¶

jointノードは、2つのリンクの関係を定義します。

jointノードの属性¶
属性名	内容
name（必須）	ジョイントの名称。モデル内で重複しない任意の文字列を指定可能です。
type（必須）	ジョイントの種類。可動域のある回転関節： revolute，車輪のように無限回転する関節： continuous，直動関節： prismatic，固定関係 fixed，一切の拘束がない floating のいずれかから一つを指定します。（他に平面上を動く planar がありますが、Choreonoidでは対応していないため、説明を省略します。）

さらにジョイントを定義するためには、リンクの親子関係や相対位置、可動域などを指定する必要があります。そこで以下の表に示す子ノードに、それらの情報を記述します。

jointノードが持てる子ノード¶
ノード名	内容
originノード（任意）	2リンク間の相対位置・姿勢を定めます。 xyz 属性で親リンクの原点から見た、関節変位がゼロのときの子リンクの原点の相対位置を、 rpy で親リンクの座標系から見た子リンクの座標系の相対姿勢をロール・ピッチ・ヨー表現で、それぞれ与えます。各属性は省略可能で、省略された場合はゼロに設定されます。もしノード自体が省略された場合は、 xyz ， rpy の両者が共にゼロ、すなわち親リンクと子リンクの原点位置・姿勢が一致するようになります。
parentノード（必須）	親リンクを、 link 属性にリンク名を指定することで定めます。
childノード（必須）	子リンクを、 link 属性にリンク名を指定することで定めます。
axisノード（任意）	関節の軸を指定します。 xyz 属性に親リンクの座標系で見た関節の軸の方向を表す3次元ベクトルを指定します。jointノードの type 属性が revolute, continuous, prismatic のときのみ有効で、回転関節については回転軸を、直動関節については動作方向を指定します。向きによって関節変位の正負が決まることに留意してください。ノードがない場合のデフォルト値は xyz="1 0 0"，すなわち親リンクの座標系におけるx軸方向となります。
limitノード（条件付き必須）	関節の可動域、速度とアクチュエータ出力を定めます。jointノードの type 属性が revolute および prismatic のとき必須です。 lower 属性で負方向の可動限界を、 upper 属性で正方向の可動限界を指定します。可動域を表すこの両者の属性は、デフォルト値が0であり、両方とも指定されなかった場合関節は不動になります。さらに、 velocity 属性で関節速度の上限（単位は[m/s]もしくは[rad/s]）を、 effort 属性でアクチュエータの出力上限を（単位は[N]もしくは[Nm]）与えます。速度上限と出力上限は共に正の値である必要があり、これらにデフォルト値は存在しません。

例:

<joint name="sample_joint" type="revolute">
  <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
  <parent link="link1"/>
  <child link="link2"/>
  <axis xyz="1 0 0"/>
  <limit lower="-3.14" upper="3.14" velocity="1.0" effort="30"/>
</joint>

サンプルモデル ¶

Choreonoidでは、ヒューマノイドロボットのサンプルモデルである SR1 のURDF版を用意しています。Bodyファイルものと見比べることで、その対応関係を知ることができます。