用Pybullet模拟机器人手臂的过程

如何用Pybullet移动机器人手臂

我觉得"我安装了Pybullet来进行机器人仿真，但是日语中的文章和说明太少了……"，所以我从构建Pybullet环境开始，解释了Pybullet的功能，并实际介绍了该机器人。移动它的过程。

运行环境

Windows10
WSL2
Ubuntu18.04

准备

这是一章，适用于尚未准备运行Pybullet的人员，因此人们可以跳过它，说" Pybullet正在运行！"是可以的。

搭建环境的过程

我将简要解释在Windows 10上运行Pybullet的流程。
要使Pybullet正常工作，请在安装Pybullet本身之前先

创建一个WSL2环境

安装Ubuntu 18.04

Xserver安装

是必需的。

1.创建WSL2环境
为了在Windows 10上使用Pybullet，最好先创建一个WSL(Linux的Windows子系统)环境。

WSL2安装过程(官方页面)

2.安装Ubuntu 18.04
准备好WSL2后，下一步就是安装Ubuntu。
可以从Microsoft Store轻松完成安装。 Store中有各种版本的Ubuntu，但是我认为安装Ubuntu 18.04基本上是安全的。
Pybullet可以直接在Ubuntu上直接运行，但是我在Windows Terminal上使用Ubuntu。
安装Ubuntu之后，启动Ubuntu并设置WSL2。

如何在Windows终端机上使用Ubuntu
如何在Ubuntu

上启用WSL2

此处省略

。

3.安装Xserver
为了用Pybullet执行机器人仿真，这很自然，但是有必要查看仿真状态。 Xserver充当监视器，以查看模拟情况。

Xserver的安装(VcXsrv)(官方页面)

↑请注意，单击

后，安装将自动开始

安装Xserver后

Xserver设置
允许Windows防火墙中的Xserver

是必需的。这里也省略了。

安装Pybullet
当Xserver安全运行时，终于可以安装Pybullet了。在安装Pybullet时，请确保记住在WSL上的安装位置以及安装位置。

除了Pybullet，

matplotlib
numpy
数学

如果您安装诸如

之类的库，以后会很方便。

药丸运行检查

移至Pybullet的安装目录，然后

1 2	$ cd bullet3/examples/pybullet/examples $ ls

如果运行

，您将看到Pybullet安装随附的示例代码。
如果您正确启动了任何示例代码并且可以正常运行，则可以认为Pybullet的操作环境已准备就绪。

(示例)执行人形机器人的手动操作程序

1	$ python3 humanoid_manual_control.py

结果

如果使用鼠标移动右侧的栏，则机器人将一前一后地移动

如何使用Pybullet

humanoid_manual_control.py代码描述

顾名思义，Pybullet可与Python一起使用。
例如，我前面提到的humanoid_manual_control.py程序的内容如下所示。

humanoid_manual_control.py

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import pybullet as p
import time

import pybullet_data

p.connect(p.GUI)
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
obUids = p.loadMJCF("mjcf/humanoid.xml")
humanoid = obUids[1]

gravId = p.addUserDebugParameter("gravity", -10, 10, -10)
jointIds = []
paramIds = []

p.setPhysicsEngineParameter(numSolverIterations=10)
p.changeDynamics(humanoid, -1, linearDamping=0, angularDamping=0)

for j in range(p.getNumJoints(humanoid)):
p.changeDynamics(humanoid, j, linearDamping=0, angularDamping=0)
info = p.getJointInfo(humanoid, j)
#print(info)
jointName = info[1]
jointType = info[2]
if (jointType == p.JOINT_PRISMATIC or jointType == p.JOINT_REVOLUTE):
jointIds.append(j)
paramIds.append(p.addUserDebugParameter(jointName.decode("utf-8"), -4, 4, 0))

p.setRealTimeSimulation(1)
while (1):
p.setGravity(0, 0, p.readUserDebugParameter(gravId))
for i in range(len(paramIds)):
c = paramIds[i]
targetPos = p.readUserDebugParameter(c)
p.setJointMotorControl2(humanoid, jointIds[i], p.POSITION_CONTROL, targetPos, force=5 * 240.)
time.sleep(0.01)

Pybullet功能用

p.标记。
因此，如果您具有基本的Python知识(例如if语句，for语句，列表等)，则只需使用Pybullet函数就可以轻松进行模拟。

现在，从这里开始，我将简要解释上面的代码。
如果您可以理解此代码的内容，则应该能够理解Pybullet。顺便说一句，Pybullet有官方的入门指南，因此，如果您想了解更多有关Pybullet功能的信息，请参阅此。 (用英语...)

Pybullet入门指南

1.代码的前半部分

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import pybullet as p
import time

import pybullet_data

p.connect(p.GUI)
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
obUids = p.loadMJCF("mjcf/humanoid.xml")
humanoid = obUids[1]

使用

p.connect(p.GUI)连接到GUI(图形用户界面)。在使用Pybullet模拟时，暂时将其放入。

p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())可能位于导入文件pybullet_data中所包含的人形机器人的路径中。如果要使用Pybullet安装随附的示例机器人，让我们通过以下路径进行操作。

p.loadMJCF("mjcf/humanoid.xml")正在读取包含人形机器人数据的文件。
换句话说，上一个图像中显示的人形机器人不是使用Python文件创建的，而是使用单独的MCDF文件创建的。
在此示例代码中，读取了MJCF中描述的机械手，但是除了MJCF以外，还以SDF和URDF等格式进行了描述。

2.中码

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gravId = p.addUserDebugParameter("gravity", -10, 10, -10)
jointIds = []
paramIds = []

p.setPhysicsEngineParameter(numSolverIterations=10)
p.changeDynamics(humanoid, -1, linearDamping=0, angularDamping=0)

for j in range(p.getNumJoints(humanoid)):
p.changeDynamics(humanoid, j, linearDamping=0, angularDamping=0)
info = p.getJointInfo(humanoid, j)
#print(info)
jointName = info[1]
jointType = info[2]
if (jointType == p.JOINT_PRISMATIC or jointType == p.JOINT_REVOLUTE):
jointIds.append(j)
paramIds.append(p.addUserDebugParameter(jointName.decode("utf-8"), -4, 4, 0))

p.addUserDebugParameter()是调试功能。这是一个非常有用的功能，因为它允许用户在运行模拟时手动操作参数(出现在上图右侧的栏上)。例如，
gravId = p.addUserDebugParameter("gravity", -10, 10, -10)
因此，对于参数gravId，用户可以在-10到10的范围内进行操作。同样，gravId的初始值设置为-10。
我已将模拟过程中在栏上方显示的参数的名称设置为gravity。

p.getNumJoints(humanoid)返回humanoid中的关节数(由loadMJCF加载的机器人)。

句子中的

info = p.getJointInfo(humanoid, j)以列表格式返回人形机器人第j个关节的信息。
jointName是关节的名称，jointType是包含关节类型的参数。
换句话说，if语句部分是"仅调试PRISMATIC或REVOLUTE关节"的代码。
稍后写URDF时，PRISMATIC(平移关节)和REVOLUTE(轴旋转关节)将正确显示。
顺便说一句，if语句限制关节类型的原因是，还有其他不动的关节，例如FIXED(固定关节)。

3.代码后半部分

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p.setRealTimeSimulation(1)
while (1):
p.setGravity(0, 0, p.readUserDebugParameter(gravId))
for i in range(len(paramIds)):
c = paramIds[i]
targetPos = p.readUserDebugParameter(c)
p.setJointMotorControl2(humanoid, jointIds[i], p.POSITION_CONTROL, targetPos, force=5 * 240.)
time.sleep(0.01)

顺便说一句，我前一段时间所做的是模拟的准备工作。而我们在这里所做的就是主要的模拟。

p.setRealTimeSimulation(1)是为实时仿真设置的功能。通过重复下一个while语句部分，模拟得以进行。
使用Pybullet模拟时，请将其放在while语句之前。每当while语句出现时，仿真就会运行。

首先，p.setGravity(0, 0, p.readUserDebugParameter(gravId))设置重力加速度。由于输入值gravId作为较早调试的参数而准备，因此用户可以在仿真过程中更改重力。

for语句的内容是用户移动每个关节参数的代码。
p.setJointMotorControl2(humanoid, jointIds[i], p.POSITION_CONTROL, targetPos, force=5 * 240.)
这是移动机器人的功能。
指定要使用humanoid移动的机器人，指定要使用jointIds[i]移动的关节，p.POSITION_CONTROL是要控制的功能(可能)，targetPos是关节的参数，force是最大力关节可以产生(也许)。

大致来说，targetPos是用于调试的参数，因此，当用户移动杆时，关节也会移动。

由于程序(模拟)在

time.sleep(0.01)处停止了0.01秒，因此模拟运行平稳。我们暂时将其放在最后。
例如，如果设置time.sleep(1)，则参数将每秒更新一次，因此机器人的动作将变得生涩。

humanoid_manual_control.py是用于手动移动机器人的程序，因此经常使用调试功能。由于Pybullet函数很多，因此代码看起来很困难，但是相反，如果您学习如何使用Pybullet函数，您会发现它是一个非常简单的程序。

实际上，如果您只想移动机械臂，则只需将代码前半部分的loadMJCF替换为要使用的机械臂的读数即可。

调整humanoid_manual_control.py代码以移动机器人手臂

在

中，我们将立即使用humanoid_manual_control.py的代码。
首先，让我们复制代码以防万一。

1	$ cp humanoid_manual_control.py robotArm_manual_control.py

从这里开始，我们将处理复制的robotArm_manual_control.py。
首先，让我们用机器人手臂代替类人机器人。

robotArm_manual_control.py

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import pybullet as p
import time

#import pybullet_data #必要ないので削除

p.connect(p.GUI)
#p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath()) #必要ないので削除
kukaId = p.loadURDF("kuka_iiwa/model.urdf", [0, 0, 0], useFixedBase=True) #追加
#obUids = p.loadMJCF("mjcf/humanoid.xml") #削除
#humanoid = obUids[1] #削除

在安装Pybullet时，将附加一个称为kuka_iiwa的机械手作为示例机械手，因此这次我们将使用它。
如果像上述代码一样替换它，请将其余代码的所有humanoid部分替换为kukaId。

如果可以正确更改所有内容，请执行并检查。

1	$ python3 robotArm_manual_control.py

结果

人形机器人已成功转换为机械臂。如果移动右侧的栏，则可以正确移动手臂。

但是，与以前不同，地板已经消失了。
也许删除的obUids = p.loadMJCF("mjcf/humanoid.xml")也包含楼层数据。

因此，接下来我们将添加一个地板。

robotArm_manual_control.py

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import pybullet as p
import time

p.connect(p.GUI)
p.loadURDF("plane.urdf", [0, 0, 0], useFixedBase=True) #追加
kukaId = p.loadURDF("kuka_iiwa/model.urdf", [0, 0, 0], useFixedBase=True)

结果

这样，如果您有要使用的机械手或要放置的物体，则可以使用loadURDF()轻松安装。
但是，如果您想从一开始就使用Pybullet随附的示例以外的其他示例，则需要单独编写URDF或使用CAD创建它。

编写URDF以创建对象

最后，我将解释一些有关如何编写URDF的信息。
一旦您可以编写URDF，就可以创建简单的对象和机械手。

首先，让我们编写创建一个简单盒子的urdf。

box.urdf

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<?xml version="1.0" ?>
<robot name="box">
<link name="base">
<inertial>
<origin rpy = "0 0 0" xyz = "0 0 0" />
<mass value = "0.0001" />
<inertia ixx = "0.0001" ixy = "0" ixz = "0" iyy = "0.0001" iyz = "0" izz = "0.0001" />
</inertial>
</link>
<link name="box">
<contact>
<lateral_friction value="1"/>
</contact>
<inertial>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<mass value="0.01"/>
<inertia ixx="0.005" ixy="0" ixz="0" iyy="0.005" iyz="0" izz="0.005"/>
</inertial>
<visual>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="0.02 0.02 0.02"/>
</geometry>
<material name="Purple">
<color rgba="1 0 1 1" />
</material>
</visual>
<collision>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="0.02 0.02 0.02"/>
</geometry>
</collision>
</link>
<joint name="base_box" type="fixed" >
<parent link = "base" />
<child link = "box" />
<origin rpy = "0 0 0" xyz = "0.000 0.000 0.00" />
</joint>
</robot>

让我们用Pybullet

显示它

小而混乱，但是会产生紫色方块。
此多维数据集由box.urdf生成。

您可能会想，"我是否必须编写这么长而烦人的代码才能生成这么多的盒子……"，但是由于我只是根据固定的框架编写它，因此您可以相对轻松地编写复制和微调。

基本上，通过重复将零件link与接头joint连接的过程来描述URDF。
例如，在上面的box.urdf中，名为base的链接和名为box的链接通过名为base_box的关节相连。

从这里，我将解释每个链接和关节。

基本链接

base_link

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基础链接是大小(体积)为0且质量为一分钟的链接。
创建此链接的??目的是确定所创建对象的基本位置。
安装由仿真创建的对象时，位置由此基础链接的坐标指定，因此
当执行p.loadURDF(box.urdf, [0, 0, 0])时，设置box.urdf以便基本链接到达[0，0，0]的位置。

框链接

box_link

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箱形链接是边长为0.02(m)的立方链接。
这是box.urdf的主体部分。
让我们一一看一下代码。

<contact>关于联系人。
<lateral_friction value="1"/>将摩擦系数设置为1。
<inertial>关于惯性矩。
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>将初始姿势(rpy)和初始位置(xyz)设置为0。
<mass value="0.01"/>将质量设置为0.01(kg)。
<inertia ixx="0.005" ixy="0" ixz="0" iyy="0.005" iyz="0" izz="0.005"/>转动惯量设置。
<visual>关于外观。
<geometry>关于形状。
<box size="0.02 0.02 0.02"/>设置为侧面为0.02(m)的盒子形状。
<material name="Purple">关于对象的颜色。
<color rgba="1 0 1 1" />用rgba设置颜色。在这种情况下为紫色。
<collision>关于碰撞检测。

请注意，编写URDF时，必须使用</>将其关闭。
(示例1)在<contact>中描述了联系信息之后，请使用</contact>将其关闭。
(示例2)与<mass value="0.01"/>一样，以/结尾。

base_box关节

base_box_joint

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base_box关节连接基本链接和box链接。

<joint name="base_box" type="fixed" > \\"固定\\"(固定)。换句话说，设定为关节不会移动。
<parent link = "base" />父链接设置。将关节??从父链接连接到子链接。
<child link = "box" />子链接设置。从父链接连接的链接。
<origin rpy = "0 0 0" xyz = "0.000 0.000 0.00" />设置关节的位置。确定距父链接的相对距离。

在不熟悉URDF之前很难对其进行描述，但是不需要编程能力是件好事，因为您只需要连接链接和关节即可。
但是，一个警告是，当您在URDF描述中犯了一个错误时，您将不会得到关于错误发生位置的错误代码。因此请注意，如果您不经常运行并检查它，则必须逐行检查代码。

我认为以下文章将对如何编写URDF有所帮助。

具有URDF的PyBullet(统一的机器人描述格式)URDF说明(1)
第4章创建.urdf
为移动机器人创建URDF

我认为以下文章将对惯性(惯性矩)有所帮助。

使用ROS(机器人操作系统)

最后

本文是早稻田大学绪方实验室活动的一部分。
我正在研究机器人和深度学习，因此，如果您有兴趣，请访问以下实验室网站。

绪方哲也实验室