#プログラミング ROS< ロボットアームの作成（2） >
##はじめに
1つの参考書に沿って，ROS(Robot Operating System)を難なく扱えるようになることが目的である．その第34弾として，「ロボットアームの作成（2）」を扱う．
##環境
#####仮想環境
| ソフト | VMware Workstation 15 |
| 実装RAM | 2 GB |
| OS | Ubuntu 64 ビット |
| isoファイル | ubuntu-mate-20.04.1-desktop-amd64.iso |
#####コンピュータ
| デバイス | MSI |
| プロセッサ | Intel(R) Core(TM) i5-7300HQ CPU @ 2.50GHz 2.50GHz |
| 実装RAM | 8.00 GB (7.89 GB 使用可能) |
| OS | Windows (Windows 10 Home, バージョン：20H2) |
#####ROS
| Distribution | noetic |
| シミュレーション | gazebo |
##ロボットアームの作成
ROSを使って，ほとんどの新しいロボットを制御する手順は次のようである．
1. ROSのメッセージインタフェースを決める．
2. ロボットのモータ用ドライバを書く．
3. ロボットの物理構造を書く．
4. Gazeboのシミュレーションで使用できるようにモデルに物理的特性を追加する．
5. tfを介して座標変換データを配信し，rvizでそれを可視化する．
6. センサを追加する．ドライバとシミュレーションのサポートも必要．
7. ナビゲーション等の標準的なアルゴリズムを適用する．
ロボットアームを例にその流れを確認していく．
今回は，3についてまとめてロボットアームの作成（2）として扱うこととする．
##手順3:ロボットのモデリング: URDF
例：CougarBot
URDFCougarBotの物理的なモデルをURDFファイルとして作成
このモデルは，rvizでロボットを可視化し，Gazeboでシミュレーションし，MoveItで動きを計画するのに使用される．
###運動学的な部分
- 台座は作業台にしっかり取り付けられている．（例：ボルトで固定）
- 最初の関節は左右に「胴体」を回転する「腰」
- 次に「肩」「肘」「手首」であり，それぞれは「上腕」「前腕」「手」の上げたり下げたりする．
このロボットのモデルには，5つのリンク｛台座・胴体・上腕・前腕・手｝があり，4つの関節｛腰・肩・肘・手首｝で接続されている．
####モデリング
#####台座
台座のモデリングにおいて，注意すべきところがある．台座は作業台にしっかりと固定されている．これをURDFの構成で表現するには，worldという名前の特別なリンクを作成し，低い円柱でモデル下台座を固定関節で接続する．
base.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="cougarbot">
<!--作業台に固定されているようにするための架空のリンク"world"-->
<link name="world"/>
<!--台座のモデリング-->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.025"/>
</visual>
</link>
<!--台座と作業台（world）をつなぐ関節-->
<joint name="fixed" type="fixed">
<parent link="world"/>
<child link="base_link"/>
</joint>
</robot>
alpha値を0.5にすると...
以降，alpha値を0.8にして表示している．
#####胴体
胴体は背の高い細い円柱で，腰を介して台座に接続されている．腰関節はz軸の周りに亜移転する無限回転機構型の関節（continuous）である．
add_torso.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="cougarbot">
<!--作業台に固定されているようにするための架空のリンク"world"-->
<link name="world"/>
<!--台座のモデリング-->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.025"/>
</visual>
</link>
<!--台座と作業台（world）をつなぐ関節-->
<joint name="fixed" type="fixed">
<parent link="world"/>
<child link="base_link"/>
</joint>
<!--胴体のモデリング-->
<link name="torso">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.5" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.25"/>
</visual>
</link>
<!--胴体と台座をつなぐ関節-->
<joint name="hip" type="continuous">
<axis xyz="0 0 1"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="torso"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.05"/>
</joint>
</robot>
#####上腕
上腕も胴体と同様，細い円柱（ただし短い）でモデリング．ロボット側からは，上腕は胴体の右（外）側に肩を介して接続されている．
add_upper.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="cougarbot">
<!--作業台に固定されているようにするための架空のリンク"world"-->
<link name="world"/>
<!--台座のモデリング-->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.025"/>
</visual>
</link>
<!--台座と作業台（world）をつなぐ関節-->
<joint name="fixed" type="fixed">
<parent link="world"/>
<child link="base_link"/>
</joint>
<!--胴体のモデリング-->
<link name="torso">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.5" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.25"/>
</visual>
</link>
<!--胴体と台座をつなぐ関節（腰）-->
<joint name="hip" type="continuous">
<axis xyz="0 0 1"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="torso"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.05"/>
</joint>
<!--上腕のモデリング-->
<link name="upper_arm">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.4" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.2"/>
</visual>
</link>
<!--上腕と胴体をつなぐ関節（肩）-->
<joint name="shoulder" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="torso"/>
<child link="upper_arm"/>
<origin rpy="0 1.5708 0" xyz="0.0 -0.1 0.45"/>
</joint>
</robot>
#####前腕
前腕も胴体と同様，細い円柱（ただし短い）でモデリング．ロボット側からは，前腕は上腕の左（内）側に肘を介して接続されている．
add_lower.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="cougarbot">
<!--作業台に固定されているようにするための架空のリンク"world"-->
<link name="world"/>
<!--台座のモデリング-->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.025"/>
</visual>
</link>
<!--台座と作業台（world）をつなぐ関節-->
<joint name="fixed" type="fixed">
<parent link="world"/>
<child link="base_link"/>
</joint>
<!--胴体のモデリング-->
<link name="torso">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.5" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.25"/>
</visual>
</link>
<!--胴体と台座をつなぐ関節（腰）-->
<joint name="hip" type="continuous">
<axis xyz="0 0 1"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="torso"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.05"/>
</joint>
<!--上腕のモデリング-->
<link name="upper_arm">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.4" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.2"/>
</visual>
</link>
<!--上腕と胴体をつなぐ関節（肩）-->
<joint name="shoulder" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="torso"/>
<child link="upper_arm"/>
<origin rpy="0 1.5708 0" xyz="0.0 -0.1 0.45"/>
</joint>
<!--前腕のモデリング-->
<link name="lower_arm">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.4" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.2"/>
</visual>
</link>
<!--前腕と上腕をつなぐ関節（肘）-->
<joint name="elbow" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="upper_arm"/>
<child link="lower_arm"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.1 0.35"/>
</joint>
</robot>
#####手
前腕の端の手首を介して取り付ける．
add_hand.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="cougarbot">
<!--作業台に固定されているようにするための架空のリンク"world"-->
<link name="world"/>
<!--台座のモデリング-->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.1"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.025"/>
</visual>
</link>
<!--台座と作業台（world）をつなぐ関節-->
<joint name="fixed" type="fixed">
<parent link="world"/>
<child link="base_link"/>
</joint>
<!--胴体のモデリング-->
<link name="torso">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.5" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.25"/>
</visual>
</link>
<!--胴体と台座をつなぐ関節（腰）-->
<joint name="hip" type="continuous">
<axis xyz="0 0 1"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="torso"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.05"/>
</joint>
<!--上腕のモデリング-->
<link name="upper_arm">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.4" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.2"/>
</visual>
</link>
<!--上腕と胴体をつなぐ関節（肩）-->
<joint name="shoulder" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="torso"/>
<child link="upper_arm"/>
<origin rpy="0 1.5708 0" xyz="0.0 -0.1 0.45"/>
</joint>
<!--前腕のモデリング-->
<link name="lower_arm">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.4" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.2"/>
</visual>
</link>
<!--前腕と上腕をつなぐ関節（肘）-->
<joint name="elbow" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="upper_arm"/>
<child link="lower_arm"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.1 0.35"/>
</joint>
<!--手のモデリング-->
<link name="hand">
<visual>
<geometry>
<box size="0.05 0.05 0.05"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
</visual>
</link>
<!--手と前腕をつなぐ関節（手首）-->
<joint name="wrist" type="continuous">
<axis xyz="0 1 0"/>
<parent link="lower_arm"/>
<child link="hand"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.425"/>
</joint>
</robot>
#####launchファイル
なお，それぞれのrvizでの様子は，次のlaunchファイルをモデル指定して実行したものである．
display.launch
<launch>
<arg name="model" default="$(find make_robot2)/urdf/base.urdf"/>
<arg name="gui" default="true" />
<arg name="rvizconfig" default="$(find urdf_tutorial)/rviz/urdf.rviz" />
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(arg model)" />
<node if="$(arg gui)" name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" />
<node unless="$(arg gui)" name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(arg rvizconfig)" required="true" />
</launch>
モデル指定での実行
add_hand.urdfを用いる場合
roslaunch make_robot2 display.launch model:=urdf/add_hand.urdf
##感想
今回で，1からモデリングを行うのは移動ロボットのときを含めて2回目である．とりあえず，形だけの簡易モデルの構築なら，自力でできそうだと感じた．多少URDFファイルの扱いに慣れてきたということであろうと思いたい．
##参考文献
プログラミングROS Pythonによるロボットアプリケーション開発
Morgan Quigley, Brian Gerkey, William D.Smart 著
河田 卓志 監訳
松田 晃一，福地 正樹，由谷 哲夫 訳
オイラリー・ジャパン 発行