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Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators: 制御 (セクション5/10)

Hafnium

  • 『Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators』コースのセクション5では、ロボットの関節を動かす基本的な制御方法とROS 2フレームワークの使用について学びました。

  • Gazeboを使用してシミュレーション環境内でROS 2制御を実装し、コマンドを送信してロボットが応答する様子を確認しました。

  • YAML構成ファイルとカスタムランチファイルを作成し、コントローラーとロボットステートパブリッシャーを正しく起動する方法を理解しました。

『Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators』コースを進める中で、私は最近セクション5に取り組みました。このセクションでは、ロボット制御の重要な側面に深く踏み込み、シミュレーション環境内でコマンドに応答してロボットの関節を正確に動かす方法を理解しました。ここでは、学んだこととそれらの概念が実際にどのように適用されるかについて詳しく説明します。

ROS 2制御の理解

ROS 2制御フレームワークは、ロボット工学の基礎であり、ロボットにコマンドを送信し、望ましい動作を実行させるためのツールを提供します。このフレームワークの核心には、ハードウェアリソース（アクチュエータ、センサー、システム）、インターフェース（コマンドとステート）、およびマネージャー（リソースマネージャーとコントローラーマネージャー）があります。このセットアップにより、モジュラーで柔軟なロボット制御が可能となり、マニピュレータから移動ベース、ドローンに至るまで、さまざまな種類のロボットに適用できます。

ROS 2制御の主要コンポーネント

  1. ハードウェアリソース: これには、アクチュエータ（モーター）、センサー、およびシステムが含まれ、これらは実際のものでもシミュレーションされたものでもかまいません。

  2. インターフェース: コマンドインターフェースはハードウェアにコマンドを送信し、ステートインターフェースはハードウェアの現在の状態を読み取ります。

  3. リソースマネージャー: ハードウェアリソースを管理し、再実装の必要なく再利用を可能にします。

  4. コントローラーマネージャー: コントローラーをロードし、制御ロジックを実装してシステムの出力が望ましい入力と一致するようにします。

制御の種類

ROS 2での制御は、主に3つの方法で実装できます：

  • 位置制御: ロボットを特定の位置に移動させます。

  • 速度制御: ロボットを一定の速度で移動させます。

  • 力制御: ロボットに特定の力やトルクを適用します。

Gazeboを使ったROS 2制御の実装

これらの概念を実際に体験するために、Gazeboという強力なシミュレーションツールを使用しました。以下は、ROS 2制御をシミュレーション環境で設定するためのステップバイステップガイドです：

  1. URDFモデルの修正: 必要なタグとプラグインをURDF（統一ロボット記述形式）モデルに追加しました。これには、各関節にモーターを接続するためのトランスミッションの定義や、GazeboおよびROS 2制御プラグインの設定が含まれます。

  2. YAML構成ファイルの作成: YAMLファイルを使用すると、コントローラーマネージャーや各コントローラーのパラメーターを簡単に設定できます。これにより、多くのパラメーターを人間が読みやすい形式で管理でき、各ノードが実行時に必要な設定を一括で行えます。

  3. シミュレーションのビルドと起動: `colcon build`コマンドを使用してワークスペースをコンパイルし、Gazeboでシミュレーションを起動しました。その後、カスタムランチファイルを使用して制御システムを起動し、ロボットにコマンドを送信して応答を確認しました。

実践例

実践例として、3自由度のシンプルなマニピュレータロボットを構成し、起動しました。各関節のコマンドおよびステートインターフェースを定義し、スムーズで正確な動きを確保しました。

以下は、コントローラーマネージャー用のYAML構成ファイルの一部です：

controller_manager:
  ros__parameters:
    update_rate: 10  # Hz
    arm_controller:
      type: joint_trajectory_controller/JointTrajectoryController
      joints:
        - joint_1
        - joint_2
        - joint_3
      command_interfaces:
        - position
      state_interfaces:
        - position
      open_loop_control: true
      allow_integration_in_goal_trajectories: true
    gripper_controller:
      type: forward_command_controller/ForwardCommandController
      joints:
        - joint_4
      interface_name: position
    joint_state_broadcaster:
      type: joint_state_broadcaster/JointStateBroadcaster

次に、コントローラーおよびロボットステートパブリッシャーを起動するためのランチファイルの一部です：

import os
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue
from launch.substitutions import Command
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory

def generate_launch_description():
    robot_description = ParameterValue(
        Command(
            [
                "xacro ",
                os.path.join(
                    get_package_share_directory("arduinobot_description"),
                    "urdf",
                    "arduinobot.urdf.xacro",
                ),
            ]
        ),
        value_type=str,
    )

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

    joint_state_broadcaster_spawner = Node(
        package="controller_manager",
        executable="spawner",
        arguments=[
            "joint_state_broadcaster",
            "--controller-manager",
            "/controller_manager",
        ],
    )

    arm_controller_spawner = Node(
        package="controller_manager",
        executable="spawner",
        arguments=["arm_controller", "--controller-manager", "/controller_manager"],
    )

    gripper_controller_spawner = Node(
        package="controller_manager",
        executable="spawner",
        arguments=["gripper_controller", "--controller-manager", "/controller_manager"],
    )

    return LaunchDescription(
        [
            robot_state_publisher_node,
            joint_state_broadcaster_spawner,
            arm_controller_spawner,
            gripper_controller_spawner,
        ]
    )

結論

『Robotics and ROS 2 - Learn by Doing! Manipulators』コースのセクション5は、ロボット制御の基本を深く掘り下げ、シミュレーション環境でのROS 2制御の実際の実装に焦点を当てています。このセクションでは、適切に構成された制御システムの重要性を強調し、複雑なロボットシステムを管理する際のROS 2の強力さを示しました。

このコースを進める中で、これらの概念をより高度なロボットアプリケーションに適用し、ROS 2の全能力を現実のシナリオで探求することに興奮しています。ロボット制御の旅は始まったばかりであり、その可能性は無限大です。

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