#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