デジタルツインの誕生：Fusion 360の設計データを物理エンジンに召喚する【Day 4】

1. はじめに：絵に描いた餅を、食べられる餅にする

前回の [Day 3] では、Fusion 360を使ってパラメトリック設計による「100mmキューブ・サンドイッチ構造」の筐体を作り上げました。

しかし、これはまだPCの中にあるただの**「絵（3Dモデル）」**に過ぎません。重さもなければ、摩擦もありません。このままでは、いくらコードを書いても何も動きません。

本日のゴールは、この設計データを物理シミュレータ (PyBullet) の中に 「デジタルツイン（物理的実体を持った分身）」 として召喚することです。

2. 戦略：プラグインを使わない「手組みURDF」

Fusion 360からロボット定義ファイル (URDF) を自動で書き出すプラグインはいくつか存在します。
しかし、今回はあえてそれらを使いません。

なぜ手書きなのか？

自動変換ツールは便利ですが、座標変換がブラックボックスになりがちです。
「シミュレータ上では動くのに、実機だと逆に動く」「なぜか空中に固定される」といったバグに遭遇したとき、中身を理解していないと詰みます。

今回の手法

1. Fusion 360からパーツごとの形状データ (STL) を書き出す。
2. XML形式の URDFファイル を自分の手で書き、構造（関節の位置、質量の中心など）を定義する。

この「泥臭い」アプローチこそが、Sim2Real（実機への転移）を成功させるための急がば回れルートです。

3. 実装：STLエクスポートとURDFの記述

3.1 STLの準備

Fusion 360から、動かないベース部分 (body.stl) と、回転するフライホイール部分 (flywheel.stl) をそれぞれ書き出します。

3.2 URDFの魔術（ここがハマりポイント）

ロボットの構成図である my_cubli.urdf を作成します。
URDFでは、剛体を表す <link> と、関節を表す <joint> を組み合わせて記述します。

ここで最も重要、かつハマりやすいのが 「見た目 (Visual)」 と 「物理 (Inertial)」 の分離 です。

直面した課題：物理エンジンの発狂

最初、Fusion 360の設計座標をそのままURDFに入力しました。
するとシミュレータを起動した瞬間、フライホイールが筐体の外にテレポートし、地面に激突してガタガタと荒ぶる現象（通称：物理エンジンの発狂）が発生しました。

原因は、STLファイルの原点と、物理演算上の重心位置（Center of Mass）の定義ズレです。

解決策：重心オフセット

試行錯誤の結果、見た目の位置合わせはそのままで、物理的な重心定義だけをずらすことで解決しました。

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

  <material name="white">
    <color rgba="0.9 0.9 0.9 1"/>
  </material>
  <material name="gold">
    <color rgba="0.8 0.6 0.2 1"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <mesh filename="meshes/body.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
    
    <collision>
      <geometry>
        <mesh filename="meshes/body.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
    </collision>
    
    <inertial>
      <origin xyz="0.05 0.05 0.05" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.4"/>
      <inertia ixx="0.0006" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0006" iyz="0" izz="0.0006"/>
    </inertial>
  </link>

  <link name="wheel_x">
    <visual>
      <geometry>
        <mesh filename="meshes/flywheel.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
      <material name="gold"/>
    </visual>
    
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 -0.05" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.1"/>
      <inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="joint_x" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="wheel_x"/>
    <origin xyz="0.0 0.045 0.045" rpy="0 1.5708 0"/> 
    <axis xyz="0 0 1"/> 
  </joint>

  <link name="wheel_y">
    <visual>
      <geometry>
        <mesh filename="meshes/flywheel.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
      <material name="gold"/>
    </visual>

    <inertial>
      <origin xyz="0 0 -0.05" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.1"/>
      <inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="joint_y" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="wheel_y"/>
    <origin xyz="0.045 0.09 0.045" rpy="1.5708 0 0"/> 
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

  <link name="wheel_z">
    <visual>
      <geometry>
        <mesh filename="meshes/flywheel.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
      <material name="gold"/>
    </visual>

    <inertial>
      <origin xyz="0 0 -0.05" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.1"/>
      <inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="joint_z" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="wheel_z"/>
    <origin xyz="0.045 0.045 -0.0" rpy="0 0 0"/> 
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

</robot>

この 「見た目は変えず、重心だけ操る」 テクニックにより、物理的に安定したモデルを作ることができました。

4. 召喚の儀（デモ動画）

準備は整いました。
Fusion 360から書き出し、手書きで修正したURDFを読み込むPythonスクリプト (sim_cubli.py) を作成します。

ここでは、単に表示するだけでなく、「フライホイールにトルク（回転力）を与えて、筐体がどう反応するか」 をテストします。

実装コード: sim_cubli.py

import pybullet as p
import pybullet_data
import time
import math

# GUI起動
try:
    physicsClient = p.connect(p.GUI)
except Exception as e:
    print("Failed to connect to PyBullet GUI:", e)
    exit()

p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
p.setGravity(0, 0, -9.81)
planeId = p.loadURDF("plane.urdf")

# カメラ設定 (接写)
p.resetDebugVisualizerCamera(
    cameraDistance=0.2, 
    cameraYaw=0, 
    cameraPitch=-30, 
    cameraTargetPosition=[0,0,0.05]
)

boxId = None
startPos = [0, 0, 0.1]
angle_45deg = math.pi / 4

# 少し傾けた状態で出現させる
startOrientation = p.getQuaternionFromEuler([angle_45deg*3, angle_45deg, angle_45deg])

# ★ フラグ管理
is_paused = False
is_motor_on = False # モーター回転フラグ

print("------------------------------------------------")
print(" [a] 出現 / リセット")
print(" [p] 一時停止 / 再開")
print(" [m] モーター回転 ON/OFF (Motor)")
print(" [SPACE] ジャンプ")
print("------------------------------------------------")

while True:
    # キーボード入力の取得
    keys = p.getKeyboardEvents()

    # ------------------------------------------------
    # ★ 'p' キーで一時停止切り替え
    # ------------------------------------------------
    if ord('p') in keys and keys[ord('p')] & p.KEY_WAS_TRIGGERED:
        is_paused = not is_paused
        print("Paused!" if is_paused else "Resumed!")

    # ------------------------------------------------
    # ★ 'm' キーでモーター回転 ON/OFF 切り替え
    # ------------------------------------------------
    if ord('m') in keys and keys[ord('m')] & p.KEY_WAS_TRIGGERED:
        is_motor_on = not is_motor_on
        state_str = "ON (Spinning!)" if is_motor_on else "OFF (Coasting)"
        print(f"Motor Torque: {state_str}")

    # ------------------------------------------------
    # ★ 'a' キーで出現
    # ------------------------------------------------
    if ord('a') in keys and keys[ord('a')] & p.KEY_WAS_TRIGGERED:
        if boxId is not None:
            p.removeBody(boxId)
        
        # ロボット読み込み
        boxId = p.loadURDF("my_cubli.urdf", startPos, startOrientation, globalScaling=1.0)
        
        # 重心の可視化
        p.setDebugObjectColor(boxId, -1, objectDebugColorRGB=[1,1,0])

        # ブレーキ解除（速度制御を無効化）
        p.setJointMotorControl2(boxId, 0, p.VELOCITY_CONTROL, force=0)
        p.setJointMotorControl2(boxId, 1, p.VELOCITY_CONTROL, force=0)
        p.setJointMotorControl2(boxId, 2, p.VELOCITY_CONTROL, force=0)
        
        # リセット時はモーターOFFに戻す
        is_motor_on = False
        print("Spawned!")

    # ------------------------------------------------
    # ★ スペースキーでジャンプ
    # ------------------------------------------------
    if 32 in keys and keys[32] & p.KEY_WAS_TRIGGERED:
        if boxId is not None:
            print("Jump!")
            p.applyExternalForce(boxId, -1, forceObj=[150, 150, 150], posObj=[0, 0, 0], flags=p.LINK_FRAME)
            p.applyExternalTorque(boxId, -1, torqueObj=[5, 5, 0.1], flags=p.LINK_FRAME)

    # ------------------------------------------------
    # ★ シミュレーションステップ
    # ------------------------------------------------
    if not is_paused:
        
        if boxId is not None:
            # フラグに応じてトルクを切り替え
            # ONなら 0.15Nm, OFFなら 0Nm
            target_torque = 0.15 if is_motor_on else 0.0
            
            p.setJointMotorControl2(boxId, 0, p.TORQUE_CONTROL, force=target_torque) # X軸
            p.setJointMotorControl2(boxId, 1, p.TORQUE_CONTROL, force=target_torque) # Y軸
            p.setJointMotorControl2(boxId, 2, p.TORQUE_CONTROL, force=target_torque) # Z軸

        p.stepSimulation()

    # GUI更新ウェイト
    time.sleep(1./240.)

p.disconnect()

実行結果

このスクリプトを実行すると、デジタルツインが召喚されます。

• 出現: 何もない空間で Enter キーを押すと、上空からCubliが「ストン」と落ちてきます。
• 静止: 荒ぶることなくピタリと着地しました。
• 回転: mキーを押してモーターにトルク指令を送ると、金色のホイールがギュイーンと回り出します。

成功の証：反作用トルク

動画をよーく見てください。
ホイールが回転し始めた瞬間、白いボディが逆方向（ホイールと反対向き）に回転しようとしているのが分かりますか？

これぞ 「作用・反作用の法則」。
物理エンジンが正しく機能し、回転トルクがボディに伝わっている証拠です。この反動を利用して姿勢を制御するのが、倒立振子の原理そのものです。

5. まとめと次回予告

本日の成果

• Fusion 360のデザインデータを、物理法則を持つロボットとしてPyBullet内に召喚しました。
• STLの座標ズレと重心問題を解決し、安定したシミュレーション環境が整いました。

次回予告 [Day 5]

器（ハードウェア）は完成しました。次は魂（ソフト）を入れます。
いよいよ 「制御理論」 の出番です。

明日は、このロボットを、 PID制御コード でピタリと直立させてみせます！

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