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ロボットアームの先端の位置姿勢 (Open Dynamics Engine、Python)

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公開日公開日
2020/05/17
最終更新最終更新
2024/12/02
記事区分記事区分
一般公開

目次

    Research Engineer

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    ロボットアームは複数のリンクがジョイントで結合されており、先端にマニピュレータが存在します。Open Dynamics Engine (ODE) を用いたシミュレーションを行い、ジョイントの関節値とマニピュレータの位置姿勢の関係を把握します。

    順運動学によるマニピュレータの位置姿勢の計算

    回転行列と回転ベクトルの変換のために以下のパッケージを利用しています。

    pip install scipy
    

    3 自由度ロボットアームについて、関節値を指定したときのマニピュレータの位置姿勢の計算は以下のようになります。変換行列による座標変換を利用して計算したマニピュレータの位置姿勢と、ODE の機能を利用して取得したマニピュレータの位置姿勢が一致することを確認します。ジョイント値の制御には PD 制御を用いています。

    #!/usr/bin/python
    # -*- coding: utf-8 -*-
    
    import odepy
    import drawstuffpy as ds
    import ctypes
    import numpy as np
    
    from sys import version_info
    from scipy.spatial.transform import Rotation
    
    def Main():
        world, space, ground, contactgroup = CreateWorld()
    
        # 3 自由度ロボットアーム
        robot = Robot(world, space)
    
        def __StepCallback(pause):
    
            # 関節値の PD 制御
            tDelta = 0.01
            robot.Control(tDelta)
    
            # 理想的なセンサで取得した値
            posManip = robot.GetManipPos()
            rotManip = robot.GetManipRot()
    
            # 順運動学で導出した値
            posManip2 = robot.GetManipPos2()
            rotManip2 = robot.GetManipRot2()
    
            eps = 1e-1
            for i in range(3):
                assert(abs(posManip2[i] - posManip[i]) < eps)
                assert(abs(rotManip2[i] - rotManip[i]) < eps)
    
            odepy.dWorldStep(world, tDelta)
            odepy.dJointGroupEmpty(contactgroup)
    
            for geom in robot.GetGeoms():
                r = odepy.dReal()
                l = odepy.dReal()
                if odepy.dGeomGetClass(geom) == odepy.dCylinderClass:
                    odepy.dGeomCylinderGetParams(geom, ctypes.byref(r), ctypes.byref(l))
                    ds.dsDrawCylinderD(odepy.dGeomGetPosition(geom), odepy.dGeomGetRotation(geom), l.value, r.value)
                if odepy.dGeomGetClass(geom) == odepy.dCapsuleClass:
                    odepy.dGeomCapsuleGetParams(geom, ctypes.byref(r), ctypes.byref(l))
                    ds.dsDrawCapsuleD(odepy.dGeomGetPosition(geom), odepy.dGeomGetRotation(geom), l.value, r.value)
    
        def __Command(cmd):
            jointValues = robot.GetJointValues()
            if chr(cmd) == 'a':
                jointValues[0] += 0.1
            if chr(cmd) == 'A':
                jointValues[0] -= 0.1
            if chr(cmd) == 'b':
                jointValues[1] += 0.1
            if chr(cmd) == 'B':
                jointValues[1] -= 0.1
            if chr(cmd) == 'c':
                jointValues[2] += 0.1
            if chr(cmd) == 'C':
                jointValues[2] -= 0.1
            robot.SetJointValues(jointValues)
    
        RunDrawStuff(__StepCallback, __Command)
        DestroyWorld(world, space)
    
    class Robot(object):
    
        def __init__(self, world, space):
    
            q = odepy.dQuaternion()
            odepy.dQFromAxisAndAngle(q, 0, 0, 1, 0.0)
    
            lBase = 0.10
            l1 = 0.90
            l2 = 1.0
            l3 = 1.0
            lManip = 0.10
    
            # ジオメトリの作成
            self.__base = self.__AddCylinder(world, space, r=0.20, l=lBase, m=9.0, px=0.0, py=0.0, pz=(lBase / 2.0), q=q)
            self.__link1 = self.__AddCapsule(world, space, r=0.04, l=l1, m=2.0, px=0.0, py=0.0, pz=(lBase + l1 / 2.0), q=q)
            self.__link2 = self.__AddCapsule(world, space, r=0.04, l=l2, m=2.0, px=0.0, py=0.0, pz=(lBase + l1 + l2 / 2.0), q=q)
            self.__link3 = self.__AddCapsule(world, space, r=0.04, l=l3, m=2.0, px=0.0, py=0.0, pz=(lBase + l1 + l2 + l3 / 2.0), q=q)
            self.__manip = self.__AddCylinder(world, space, r=0.02, l=lManip, m=0.5, px=0.0, py=0.0, pz=(lBase + l1 + l2 + l3 + lManip / 2.0), q=q)
    
            # 地面に固定します。
            self.__jointBase = odepy.dJointCreateFixed(world, 0)
            odepy.dJointAttach(self.__jointBase, odepy.dGeomGetBody(self.__base), 0)
            odepy.dJointSetFixed(self.__jointBase)
    
            self.__joint1 = self.__AddJoint(world, odepy.dGeomGetBody(self.__base), odepy.dGeomGetBody(self.__link1), [0.0, 0.0, lBase], [0, 0, 1])
            self.__joint2 = self.__AddJoint(world, odepy.dGeomGetBody(self.__link1), odepy.dGeomGetBody(self.__link2), [0.0, 0.0, lBase + l1], [0, 1, 0])
            self.__joint3 = self.__AddJoint(world, odepy.dGeomGetBody(self.__link2), odepy.dGeomGetBody(self.__link3), [0.0, 0.0, lBase + l1 + l2], [0, 1, 0])
    
            # マニピュレータ
            self.__jointManip = odepy.dJointCreateFixed(world, 0)
            odepy.dJointAttach(self.__jointManip, odepy.dGeomGetBody(self.__link3), odepy.dGeomGetBody(self.__manip))
            odepy.dJointSetFixed(self.__jointManip)
    
            # 目標値となるジョイント値、およびその残差
            self.__jointValues = [-1.0, -1.0, -1.0]
            self.__eJointValues = [0.0, 0.0, 0.0]
    
        def GetManipPos(self):
            # マニピュレータの位置を ODE の機能を利用して取得して返します。
            posOde = odepy.dGeomGetPosition(self.__manip)
            pos = np.zeros(3, dtype=np.float)
            for i in range(len(pos)):
                pos[i] = posOde[i]
            return pos
    
        def GetManipRot(self):
            # マニピュレータの姿勢を ODE の機能を利用して取得して返します。
            rotOde = odepy.dGeomGetRotation(self.__manip)
            rot = np.zeros(12, dtype=np.float)
            for i in range(len(rot)):
                rot[i] = rotOde[i]
            rot = rot.reshape(3, 4)[:3, :3]
            if version_info.major < 3:
                rotVec = Rotation.from_dcm(rot).as_rotvec()
            else:
                rotVec = Rotation.from_matrix(rot).as_rotvec()
            return rotVec
    
        def GetManipPos2(self):
            # 変換行列によるマニピュレータの位置計算
            tManipToWorld = self.__GetTransformManipToWorld()
            pos = np.array([[0, 0, 0, 1]], dtype=np.float).T
            pos = tManipToWorld.dot(pos)
            pos = pos.reshape(1, 4)[0][:3]
            return pos
    
        def GetManipRot2(self):
            # 変換行列によるマニピュレータの姿勢計算
            tManipToWorld = self.__GetTransformManipToWorld()
            if version_info.major < 3:
                rot = Rotation.from_dcm(tManipToWorld[:3, :3])
            else:
                rot = Rotation.from_matrix(tManipToWorld[:3, :3])
            rotVec = rot.as_rotvec()
            return rotVec
    
        def __GetTransformManipToWorld(self):
    
            # ジョイント値
            angle1 = odepy.dJointGetHingeAngle(self.__joint1)
            angle2 = odepy.dJointGetHingeAngle(self.__joint2)
            angle3 = odepy.dJointGetHingeAngle(self.__joint3)
    
            # 回転ベクトルの計算
            rot1 = Rotation.from_rotvec(angle1 * np.array([0, 0, 1]))
            rot2 = Rotation.from_rotvec(angle2 * np.array([0, 1, 0]))
            rot3 = Rotation.from_rotvec(angle3 * np.array([0, 1, 0]))
    
            # 回転行列に変換
            if version_info.major < 3:
                rot1 = rot1.as_dcm()
                rot2 = rot2.as_dcm()
                rot3 = rot3.as_dcm()
            else:
                rot1 = rot1.as_matrix()
                rot2 = rot2.as_matrix()
                rot3 = rot3.as_matrix()
    
            # リンクの長さを取得
            lBase = odepy.dReal()
            l1 = odepy.dReal()
            l2 = odepy.dReal()
            l3 = odepy.dReal()
            lManip = odepy.dReal()
            r = odepy.dReal()
            odepy.dGeomCylinderGetParams(self.__base, ctypes.byref(r), ctypes.byref(lBase))
            odepy.dGeomCylinderGetParams(self.__link1, ctypes.byref(r), ctypes.byref(l1))
            odepy.dGeomCylinderGetParams(self.__link2, ctypes.byref(r), ctypes.byref(l2))
            odepy.dGeomCylinderGetParams(self.__link3, ctypes.byref(r), ctypes.byref(l3))
            odepy.dGeomCylinderGetParams(self.__manip, ctypes.byref(r), ctypes.byref(lManip))
    
            # 変換行列の平行移動部分を計算
            trans1 = np.array([0, 0, -(lBase.value + l1.value)], dtype=np.float)
            trans2 = np.array([0, 0, -l2.value], dtype=np.float)
            trans3 = np.array([0, 0, -(l3.value + lManip.value / 2.0)], dtype=np.float)
    
            # 変換行列として結合
            tWorldToLink1 = np.vstack((np.hstack((rot1, trans1.reshape(3, 1))), np.array([0, 0, 0, 1], dtype=np.float)))
            tLink1ToLink2 = np.vstack((np.hstack((rot2, trans2.reshape(3, 1))), np.array([0, 0, 0, 1], dtype=np.float)))
            tLink2ToManip = np.vstack((np.hstack((rot3, trans3.reshape(3, 1))), np.array([0, 0, 0, 1], dtype=np.float)))
    
            # 逆変換
            tLink1ToWorld = np.linalg.inv(tWorldToLink1)
            tLink2ToLink1 = np.linalg.inv(tLink1ToLink2)
            tManipToLink2 = np.linalg.inv(tLink2ToManip)
    
            # マニピュレータ座標系とワールド座標系の変換行列
            tManipToWorld = tLink1ToWorld.dot(tLink2ToLink1).dot(tManipToLink2)
            return tManipToWorld
    
        def Control(self, tDelta):
            kp = 10.0
            kd = 0.9
            fMax = 100.0
            for i, joint in enumerate([self.__joint1, self.__joint2, self.__joint3]):
                jointValue = odepy.dJointGetHingeAngle(joint)  # pi と -pi を越える際に不連続です。
                eJointValue = self.__jointValues[i] - jointValue
                # jointValue が不連続であることに対応して以下の処理を行います。
                while eJointValue > np.pi:
                    eJointValue -= 2.0 * np.pi
                while eJointValue < -np.pi:
                    eJointValue += 2.0 * np.pi
                u = kp * eJointValue + kd * (eJointValue - self.__eJointValues[i]) / tDelta
                odepy.dJointSetHingeParam(joint, odepy.dParamVel, u)
                odepy.dJointSetHingeParam(joint, odepy.dParamFMax, fMax)
                self.__eJointValues[i] = eJointValue
    
        def GetJointValues(self):
            return self.__jointValues
    
        def SetJointValues(self, jointValues):
            self.__jointValues = jointValues
    
        def GetGeoms(self):
            return self.__base, self.__link1, self.__link2, self.__link3, self.__manip
    
        def __AddCylinder(self, world, space, r, l, m, px, py, pz, q, direction=3):
            geom = odepy.dCreateCylinder(space, r, l)
            body = odepy.dBodyCreate(world)
            mass = odepy.dMass()
            odepy.dMassSetZero(ctypes.byref(mass))
            odepy.dMassSetCylinderTotal(ctypes.byref(mass), m, direction, r, l)
            odepy.dGeomSetBody(geom, body)
            odepy.dBodySetMass(body, ctypes.byref(mass))
            odepy.dBodySetPosition(body, px, py, pz)
            odepy.dBodySetQuaternion(body, q)
            return geom
    
        def __AddCapsule(self, world, space, r, l, m, px, py, pz, q, direction=3):
            geom = odepy.dCreateCapsule(space, r, l)
            body = odepy.dBodyCreate(world)
            mass = odepy.dMass()
            odepy.dMassSetZero(ctypes.byref(mass))
            odepy.dMassSetCapsuleTotal(ctypes.byref(mass), m, direction, r, l)
            odepy.dGeomSetBody(geom, body)
            odepy.dBodySetMass(body, ctypes.byref(mass))
            odepy.dBodySetPosition(body, px, py, pz)
            odepy.dBodySetQuaternion(body, q)
            return geom
    
        def __AddJoint(self, world, body1, body2, pos, axis):
            joint = odepy.dJointCreateHinge(world, 0)
            odepy.dJointAttach(joint, body1, body2)
            odepy.dJointSetHingeAnchor(joint, *pos)
            odepy.dJointSetHingeAxis(joint, *axis)
            return joint
    
    def RunDrawStuff(stepCallback, command, pathToTextures='/usr/local/share/ode-0.16.1-drawstuff-textures', w=400, h=225, cameraXyz=[3.0, 0.0, 1.0], cameraHpr=[-180.0, 0.0, 0.0]):
        def __StartCallback():
            xyz = (ctypes.c_float * 3)()
            hpr = (ctypes.c_float * 3)()
            for i, v in enumerate(cameraXyz):
                xyz[i] = v
            for i, v in enumerate(cameraHpr):
                hpr[i] = v
            ds.dsSetViewpoint(xyz, hpr)
        fn = ds.dsFunctions()
        fn.version = ds.DS_VERSION
        fn.start = ds.dsStartCallback(__StartCallback)
        fn.step = ds.dsStepCallback(stepCallback)
        fn.path_to_textures = ctypes.create_string_buffer(pathToTextures.encode('utf-8'))
        fn.command = ds.dsCommandCallback(command)
        ds.dsSimulationLoop(0, ctypes.byref(ctypes.POINTER(ctypes.c_char)()), w, h, fn)
    
    def CreateWorld():
        odepy.dInitODE()
        world = odepy.dWorldCreate()
        odepy.dWorldSetGravity(world, 0.0, 0.0, -9.8)
        space = odepy.dHashSpaceCreate(0)
        ground = odepy.dCreatePlane(space, 0, 0, 1, 0)
        contactgroup = odepy.dJointGroupCreate(0)
        return world, space, ground, contactgroup
    
    def DestroyWorld(world, space):
        odepy.dSpaceDestroy(space)
        odepy.dWorldDestroy(world)
        odepy.dCloseODE()
    
    if __name__ == '__main__':
        Main()
    

    逆運動学による関節値の計算

    マニピュレータの位置姿勢が与えられた際のジョイント値を求めます。自由度が小さい場合は解析的に解けますが、そうでない場合は数値的に解きます。

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