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Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators: Gazebo (セクション4-4/10)

Hafnium

  • Gazeboを使用して、物理エンジンでロボットの動作やセンサーをシミュレートする方法を学びます。

  • URDFモデルに必要なタグを追加し、ランチファイルを作成してシミュレーションを起動します。

  • RGBカメラのシミュレーションを設定し、ROS 2トピックとRviz2での可視化を通じてその機能をテストします。

「Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators」コースのセクション4の最終部分では、Gazebo物理エンジンでのロボットシミュレーションとRGBカメラセンサーの設定について詳しく学びます。このプロセスは、ロボットシミュレーションとROS 2が提供する強力なツールについての理解を深め、テストと開発に役立ちます。

講義38: Gazeboの紹介

Gazeboは、ロボティクスで広く使用される多機能な物理エンジンで、物理法則、動き、センサー、および環境のシミュレーションを行います。以下はその主な機能の概要です:

  • 物理エンジン: 重力、摩擦、加速度などの物理法則をシミュレート。

  • メッセージの公開: ジョイントステートとセンサーデータ（カメラフィードなど）を公開。

  • アクチュエーター: モーター制御のためにトピックにサブスクライブ。

  • Rviz統合: シミュレートされたロボットの視覚的フィードバックを提供。

  • メッセージ置換: 実際のセンサーやアクチュエーターのメッセージをシミュレーションデータで置換。

講義39: Gazeboでのロボットのシミュレーション

Gazeboでロボットをシミュレートするには、URDFモデルを追加のタグで強化し、物理的なシミュレーションに必要な情報を提供する必要があります。以下はそのプロセスの簡単な概要です:

1. URDFの修正:

  • Collisionタグ: 各リンクが占有する空間の体積を定義。

  • Inertialタグ: 質量と慣性マトリックスを指定し、ロボットの動きに対する抵抗をシミュレート。

ベースリンクの例:

<link name="base_link">
    <xacro:default_inertial mass="1.0"/>
    <visual>
        <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.5 -0.5 0"/>
        <geometry>
            <mesh filename="package://arduinobot_description/meshes/basement.STL" scale="0.01 0.01 0.01"/>
        </geometry>
    </visual>
    <collision>
        <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.5 -0.5 0"/>
        <geometry>
            <mesh filename="package://arduinobot_description/meshes/basement.STL" scale="0.01 0.01 0.01"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

2. Gazebo用のランチファイル:
ランチファイルはGazeboを初期化し、モデルパスの環境変数を設定し、シミュレーション内にロボットをスポーンします。

簡略化された `gazebo.launch.py`:

from launch import LaunchDescription
from launch.actions import DeclareLaunchArgument, IncludeLaunchDescription, SetEnvironmentVariable
from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory, get_package_prefix
import os

def generate_launch_description():
    arduinobot_description = get_package_share_directory('arduinobot_description')
    arduinobot_description_share = get_package_prefix('arduinobot_description')
    gazebo_ros_dir = get_package_share_directory('gazebo_ros')

    model_arg = DeclareLaunchArgument(name='model', default_value=os.path.join(
                                        arduinobot_description, 'urdf', 'arduinobot.urdf.xacro'),
                                      description='Absolute path to robot urdf file')

    model_path = os.path.join(arduinobot_description, "models") + os.pathsep + os.path.join(arduinobot_description_share, "share")

    env_var = SetEnvironmentVariable('GAZEBO_MODEL_PATH', model_path)

    robot_description = ParameterValue(Command(['xacro ', LaunchConfiguration('model')]), value_type=str)

    robot_state_publisher_node = Node(
        package='robot_state_publisher',
        executable='robot_state_publisher',
        parameters=[{'robot_description': robot_description}]
    )

    start_gazebo_server = IncludeLaunchDescription(
        PythonLaunchDescriptionSource(
            os.path.join(gazebo_ros_dir, 'launch', 'gzserver.launch.py')
        )
    )

    start_gazebo_client = IncludeLaunchDescription(
        PythonLaunchDescriptionSource(
            os.path.join(gazebo_ros_dir, 'launch', 'gzclient.launch.py')
        )
    )

    spawn_robot = Node(package='gazebo_ros', executable='spawn_entity.py',
                        arguments=['-entity', 'arduinobot', '-topic', 'robot_description'],
                        output='screen'
    )

    return LaunchDescription([
        env_var,
        model_arg,
        start_gazebo_server,
        start_gazebo_client,
        robot_state_publisher_node,
        spawn_robot
    ])

講義40: シミュレーションの起動

最後に、`colcon build`と適切なROS 2ランチコマンドを使用してシミュレーションをビルドし、起動します。このプロセスにより、デジタルツインがGazebo環境内で稼働し、さらなるテストと開発が可能になります。

課題2: GazeboでのRGBカメラのシミュレーション

この課題では、GazeboシミュレーションにRGBカメラを統合し、ロボットの機能を拡張します。以下は主な手順です:

1. カメラ用URDFの修正:

  • `rgb_camera`リンクに`<collision>`と`<inertial>`タグを追加。

  • `gazebo_ros_camera`プラグインを設定した`<gazebo>`タグを構成。

例:

<link name="rgb_camera">
    <xacro:default_inertial mass="0.001"/>
    <visual>
        <origin xyz="0 0.12 0.12" rpy="${PI/2} -${PI} ${PI/2}"/>
        <geometry>
            <mesh filename="package://arduinobot_description/meshes/pi_camera.STL" scale="0.01 0.01 0.01"/>
        </geometry>
    </visual>
    <collision>
        <origin xyz="0 0.12 0.12" rpy="${PI/2} -${PI} ${PI/2}"/>
        <geometry>
            <mesh filename="package://arduinobot_description/meshes/pi_camera.STL" scale="0.01 0.01 0.01"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

<gazebo>
    <sensor type="camera" name="rgb_camera_sensor">
        <always_on>1</always_on>
        <update_rate>30</update_rate>
        <camera>
            <horizontal_fov>1.15</horizontal_fov>
            <image>
                <width>2304</width>
                <height>1296</height>
                <format>R8G8B8</format>
            </image>
            <clip>
                <near>0.02</near>
                <far>300</far>
            </clip>
        </camera>
        <plugin name="gazebo_ros_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
            <ros>
                <namespace></namespace>
                <remapping>image_raw:=image_raw</remapping>
                <remapping>camera_info:=camera_info</remapping>
            </ros>
            <camera_name>rgb_camera</camera_name>
            <frame_name>rgb_camera</frame_name>
        </plugin>
    </sensor>
</gazebo>

2. シミュレーションのテスト:

  • ROS 2トピックを確認し、Rviz2で画像ストリームを視覚化してカメラの機能を検証。

反省と学び

このセクションを完了することで、GazeboとROS 2を使用したロボットとセンサーのシミュレーションに関する貴重なスキルを習得しました。以下のスキルを学びました:

  • 物理シミュレーションのためのURDFモデルの強化。

  • Gazeboのためのランチファイルの作成と構成。

  • RGBカメラのような複雑なセンサーのシミュレーション。

  • シミュレーションから実世界のアプリケーションへのシームレスな移行の理解。

この知識は、高度なロボットシステムの開発とテストの基盤を築き、革新を加速し、実際のハードウェアを展開する前に確実な性能を保証します。シミュレーションを楽しんでください！

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