Программируем роботов — бесплатный робосимулятор V-REP. Первые шаги
Многие наверное видели японских гуманоидных роботов, или французский учебный робот NAO, интересным выглядит проект обучаемого робота-манипулятор Baxter. Промышленные манипуляторы KUKA из Германии — это классика. Кто-то программирует системы конвейерной обработки (фильтрации, сортировки). Дельта роботы. Есть целый пласт — управление квадрокоптером/алгоритмы стабилизации. И конечно же простые трудяги на складе — Line Follower.
Но всё это как правило — не дешевые игрушки, поэтому доступ к роботам есть в специализированных лабораториях или институтах/школах где получили финансирование и есть эти направления. Всем же остальным разработчикам (кому интересна робототехника) — остаётся завистливо смотреть.
Некоторое время назад я вышел на достаточно интересную систему — 3д робосимулятор V-REP, от швейцарской компании Coppelia Robotics.
- имеет большой функционал (система разрабатывается с марта 2010 года)
- полностью open-source (выложена в открытый доступ в 2013 году)
- кроссплатформенная — windows, mac, linux (работает на Qt)
- имеет API и библиотеки для работы с роботами через C/C++, Python, Java, Lua, Matlab, Octave или Urbi
- бесплатная для некоммерческого использования!
Поработав некоторое время с этой системой, я решил рассказать про неё читателям хабра.
Да, и на картинке скриншот из V-REP, и модели роботов — которые вы можете программировать, и смотреть поведение, прямо на вашем компьютере.
Установка
Установим на компьютер эту систему, в разделе Download:
Видим три варианта: образовательный (EDU), триальный (EVAL), и плеер (player).
Плеер — это программа с помощью которой можно проиграть сцены созданные в полноценной версии (то есть нет возможности редактирования) — бесплатная.
Триальная — это полнофункциональная версия, в которой нет возможности сохранить. Нет лицензионных ограничений.
Образовательный — это полнофункциональный пакет, имеющий лицензионные ограничения, текст лицензии можно прочитать здесь. Суть его в том, что институты, школы, хоббисты — могут использовать бесплатно это программное обеспечение. При том, что использование не коммерческое (а образовательное).
Мы с вами вполне подходим под определение хоббистов (т.к. хотим образовательно по-программировать роботов), поэтому смело скачиваем версию EDU PRO для своей операционной системы.
В данный момент версия 3.2.0, вот прямая ссылка на windows вариант: V-REP_PRO_EDU_V3_2_0_Setup (98 Mb)
Старт
После установки, и старта мы увидим экран:
Здесь мы видим следующие объекты:
— сцена — здесь и происходит всё действо, на данный момент она пуста (есть только пол)
— слева видим блок с библиотекой моделей — сверху папки, и под ней — отображается содержимое выбранной папки (выбраны robots/non-mobile — то есть стационарные роботы — манипуляторы)
— далее отображается иерархия мира
Иерархия включает в себя — корневой объект (мир), в котором находятся все объекты.
В нашем примере это:
Видим источники света, видим объект для реализации пола (а это твердая поверхность, с текстурой), и группу для камер.
Есть главный объект скрипт, контролирующий сцену и всех объектов на ней, и у каждого объекта может быть свой скрипт — внутренние скрипты реализованы на языке Lua.
Вверху и слева мы видим toolbar — меню. Самой главной кнопкой является кнопка Play (Start Simulation) — после которой стартует симуляция сцены:
Сценарий работы следующий:
— мы перетаскиваем с помощью DragAndDrop объекты из библиотеки моделей.
— корректируем их местоположение
— настраиваем скрипты
— стартуем симулятор
— останавливаем симулятор
Попробуем что-нибудь на практике.
Быстрый старт
Для этого выбираем слева папку robots/mobile и в списке выбираем Ansi, захватываем, переносим на сцену и отпускаем, робот появляется на нашей сцене и появляется информация об авторе:
Теперь нажимаем на Start Simulation, и видим движение робота, и можем управлять положение головы, рук (реализовано через Custom User Interface), вот видео:
Далее останавливаем симуляцию:
Скрипт управления
Можем открыть и увидеть код, который научил робота идти (управляет автономным передвижением робота). Для этого на иерархии объектов, напротив модели Asti, дважды кликаем на иконке «файл»:
Вот Lua программа, которая осуществляет движение робота:
if (sim_call_type==sim_childscriptcall_initialization) then asti=simGetObjectHandle("Asti") lFoot=simGetObjectHandle("leftFootTarget") rFoot=simGetObjectHandle("rightFootTarget") lPath=simGetObjectHandle("leftFootPath") rPath=simGetObjectHandle("rightFootPath") lPathLength=simGetPathLength(lPath) rPathLength=simGetPathLength(rPath) ui=simGetUIHandle("astiUserInterface") simSetUIButtonLabel(ui,0,simGetObjectName(asti).." user interface") dist=0 correction=0.0305 minVal= -- Right forearm rangeVal= < 2, -- Step size 0.8, -- Walking speed math.pi, -- Neck 1 math.pi/4, -- Neck 2 math.pi/2, -- Left shoulder 1 math.pi/2, -- Left shoulder 2 math.pi/2, -- Left forearm math.pi/2, -- Right shoulder 1 math.pi/2, -- Right shoulder 2 math.pi/2>-- Right forearm uiSliderIDs= relativeStepSize=1 nominalVelocity=0.4 neckJoints= leftArmJoints= rightArmJoints= -- Now apply current values to the user interface: simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[1],(relativeStepSize-minVal[1])*1000/rangeVal[1]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[2],(nominalVelocity-minVal[2])*1000/rangeVal[2]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[3],(simGetJointPosition(neckJoints[1])-minVal[3])*1000/rangeVal[3]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[4],(simGetJointPosition(neckJoints[2])-minVal[4])*1000/rangeVal[4]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[5],(simGetJointPosition(leftArmJoints[1])-minVal[5])*1000/rangeVal[5]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[6],(simGetJointPosition(leftArmJoints[2])-minVal[6])*1000/rangeVal[6]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[7],(simGetJointPosition(leftArmJoints[3])-minVal[7])*1000/rangeVal[7]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[8],(simGetJointPosition(rightArmJoints[1])-minVal[8])*1000/rangeVal[8]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[9],(simGetJointPosition(rightArmJoints[2])-minVal[9])*1000/rangeVal[9]) simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[10],(simGetJointPosition(rightArmJoints[3])-minVal[10])*1000/rangeVal[10]) end if (sim_call_type==sim_childscriptcall_cleanup) then end if (sim_call_type==sim_childscriptcall_actuation) then -- Read desired values from the user interface: relativeStepSize=minVal[1]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[1])*rangeVal[1]/1000 nominalVelocity=minVal[2]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[2])*rangeVal[2]/1000 simSetJointTargetPosition(neckJoints[1],minVal[3]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[3])*rangeVal[3]/1000) simSetJointTargetPosition(neckJoints[2],minVal[4]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[4])*rangeVal[4]/1000) simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[1],minVal[5]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[5])*rangeVal[5]/1000) simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[2],minVal[6]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[6])*rangeVal[6]/1000) simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[3],minVal[7]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[7])*rangeVal[7]/1000) simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[1],minVal[8]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[8])*rangeVal[8]/1000) simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[2],minVal[9]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[9])*rangeVal[9]/1000) simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[3],minVal[10]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[10])*rangeVal[10]/1000) -- Get the desired position and orientation of each foot from the paths (you can also use a table of values for that): t=simGetSimulationTimeStep()*nominalVelocity dist=dist+t lPos=simGetPositionOnPath(lPath,dist/lPathLength) lOr=simGetOrientationOnPath(lPath,dist/lPathLength) p=simGetPathPosition(rPath) rPos=simGetPositionOnPath(rPath,(dist+correction)/rPathLength) rOr=simGetOrientationOnPath(rPath,(dist+correction)/rPathLength) -- Now we have the desired absolute position and orientation for each foot. -- Now transform the absolute position/orientation to position/orientation relative to asimo -- Then modulate the movement forward/backward with the desired "step size" -- Then transform back into absolute position/orientation: astiM=simGetObjectMatrix(asti,-1) astiMInverse=simGetInvertedMatrix(astiM) m=simMultiplyMatrices(astiMInverse,simBuildMatrix(lPos,lOr)) m[8]=m[8]*relativeStepSize m=simMultiplyMatrices(astiM,m) lPos= lOr=simGetEulerAnglesFromMatrix(m) m=simMultiplyMatrices(astiMInverse,simBuildMatrix(rPos,rOr)) m[8]=m[8]*relativeStepSize m=simMultiplyMatrices(astiM,m) rPos= rOr=simGetEulerAnglesFromMatrix(m) -- Finally apply the desired positions/orientations to each foot -- We simply apply them to two dummy objects that are then handled -- by the IK module to automatically calculate all leg joint desired values -- Since the leg joints operate in hybrid mode, the IK calculation results -- are then automatically applied as the desired values during dynamics calculation simSetObjectPosition(lFoot,-1,lPos) simSetObjectOrientation(lFoot,-1,lOr) simSetObjectPosition(rFoot,-1,rPos) simSetObjectOrientation(rFoot,-1,rOr) end Другие модели
Вы можете удалить модель — для этого надо её выбрать, и нажать на Del. И можете попробовать посмотреть другие модели в работе, у некоторых есть скрипты для автономной работы.
Мобильные роботы
Стационарные роботы (манипуляторы)
Примеры сцен
Так же есть большое количество примеров (сцен), которые поставляются сразу с программой. Для этого надо выбрать в меню «File/Open scenes» и там перейти в папку: «V-REP3/V-REP_PRO_EDU/scenes».
Вот примеры сцен (файлы с расширением *.ttt):
2IndustrialRobots.ttt
3DoFHolonomicPathPlanning.ttt
6DoFHolonomicPathPlanning.ttt
BarrettHandPickAndPlace.ttt
blobDetectionWithPickAndPlace.ttt
ConstraintSolverExample.ttt
controlTypeExamples.ttt
e-puckDemo.ttt
environmentMapping.ttt
externalIkDemo.ttt
fabricationBlocks.ttt
fastClientServerCommunication.ttt
forwardAndInverseKinematics1.ttt
forwardAndInverseKinematics2.ttt
gearMechanism.ttt
genericDialogDemo.ttt
ghostDemo.ttt
ImageProcessingExample.ttt
inverseKinematicsOf144DofManipulator.ttt
jansenMechanism.ttt
katanaRobotWithCableSimulation.ttt
khepera3.ttt
LineTracer-threaded.ttt
millingMachine.ttt
millingRobot.ttt
motionPlanningAndGraspingDemo.ttt
motionPlanningDemo1.ttt
motionPlanningDemo2.ttt
motionPlanningDemo3.ttt
mouseTestScene.ttt
naturalSelectionAlgo.ttt
NonHolonomicPathPlanning.ttt
objectHandling.ttt
PaintingRobot.ttt
ParallelForwardAndInverseKinematics.ttt
practicalPathPlanningDemo.ttt
proximitySensorDemo.ttt
reflexxesMotionLibraryType4Demo.ttt
robotCollaboration1.ttt
robotCollaboration2.ttt
robotLanguageControl.ttt
rosTopicPublisherAndSubscriber.ttt
SocketAndTubeCommunicationExample.ttt
StripeScanner.ttt
weldingRobot.ttt
wirelessTransmission.ttt
youBotAndHanoiTower.ttt
Ссылки
Чтобы поддержать популяризацию этой интересной системы на русском языке — создана русскоязычная группа по V-REP.
Применение в учебном процессе
На мой взгляд, у V-REP есть хороший потенциал применения в учебных процессах. Если вас интересует применение системы в учебном процессе — в школе, институте, в клубе робототехники и т.п. — то можете заполнить анкету. Может быть получиться консолидировать усилия и сделать учебные русскоязычные материалы.
Планы на будущее
Конечно это лишь малая часть возможностей V-REP системы. В следующей публикации на примере рассмотрим создание задачи гоночного симулятора на робо-машинке от первого лица. Рассмотрим API. Создание объектов, настройка сцены и взаимодействие с пользователем.