ROS 中 SDF vs URDF 應用說明

在 Robot Operating System (ROS) 中，SDF (Simulation Description Format) 和 URDF (Unified Robot Description Format) 是兩種用來描述機器人的模型格式。兩者的主要區別如下：

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1. URDF (Unified Robot Description Format)

URDF 是 ROS 主要用來描述機器人的 XML 格式。它定義了機器人的結構、連結 (links)、關節 (joints) 以及慣性、碰撞、視覺模型等資訊。

URDF 主要特點

• 主要用於 ROS 生態系統，特別是 RViz (可視化) 和 MoveIt! (運動規劃)。
• 簡單且輕量，適用於大多數機器人應用。
• 支援關節限制 (joint limits)、慣性 (inertial properties)、碰撞模型 (collision)、視覺模型 (visual)。
• 透過 xacro（XML Macro）簡化模型建立，提高可讀性與重複使用性。
• 不支援 高級物理屬性，例如摩擦係數、彈性等。

URDF 使用範例

xml
<robot name="simple_robot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="1 1 1"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>
</robot>

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2. SDF (Simulation Description Format)

SDF 是 Gazebo 模擬器主要使用的機器人描述格式。它提供比 URDF 更完整的機器人建模能力，特別是在物理模擬方面。

SDF 主要特點

• 更強大的物理引擎支持，包括 摩擦力、彈性、流體動力學、光照屬性等。
• 支援多機器人模擬（URDF 只能描述單一機器人）。
• 更靈活的坐標系統，允許自由定義連結與關節的座標。
• 多版本支持（比 URDF 更靈活）。
• 適用於 Gazebo，但不像 URDF 那樣深度集成到 ROS。

SDF 使用範例

xml
<robot name="simple_robot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box>
          <size>1 1 1</size>
        </box>
      </geometry>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <box>
          <size>1 1 1</size>
        </box>
      </geometry>
    </collision>
  </link>
</robot>

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3. URDF vs. SDF 比較

特性	URDF	SDF
主要用途	ROS (RViz, MoveIt!)	Gazebo 模擬
支援的模擬特性	基本的物理屬性（慣性、碰撞）	進階物理屬性（摩擦、彈性、流體）
多機器人支持	不支援	支援
語法靈活性	比較受限	更靈活，支援更複雜的結構
擴展性	透過 xacro 來提升可讀性	支援內建多層次結構
座標系統	受限於樹狀結構	支援自由座標系統
Gazebo 支持	需轉換成 SDF 格式	原生支持

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4. 何時使用 URDF 或 SDF？

• 使用 URDF

  • 如果只在 ROS (RViz, MoveIt!) 進行視覺化或運動規劃。
  • 機器人模型較簡單，不需要進階物理屬性。
  • ROS 生態系統內的開發，如機器人導航、控制等。

• 使用 SDF

  • 需要在 Gazebo 進行物理模擬。
  • 需要 更細緻的物理屬性（例如摩擦力、彈性等）。
  • 需要 模擬多台機器人 或 更複雜的場景。

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5. URDF 轉換成 SDF

因為 Gazebo 使用 SDF，但 ROS 使用 URDF，所以經常需要轉換格式，這可以透過 gz sdf 或 gz urdf 指令來完成：

bash
gz sdf -p model.urdf > model.sdf

或使用 ROS 提供的插件：

bash
rosrun gazebo_ros spawn_model -file model.urdf -urdf -model my_robot

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6. 總結

• URDF 是 ROS 主要使用的機器人描述格式，適合視覺化與控制。
• SDF 是 Gazebo 主要使用的模擬格式，支援更強的物理屬性與多機器人建模。
• 如果需要同時使用 ROS 與 Gazebo，通常先寫 URDF，然後轉換成 SDF。