Программируем роботов — бесплатный робосимулятор V-REP. Первые шаги

Программирование роботов — это интересно.

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.

К своему (приятному) удивлению я обнаружил, что эта система:

• 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!

Все объекты, которые программируются в этой системе — «живут» в реальном с точки зрения физических законов мире — есть гравитация, можно захватывать предметы, столкновения, датчики расстояния, видео датчики и т.п.

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

Попробуем оживить робота.

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:

Скрипт управления движением робота Asti

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={0,			-- Step size
			0,			-- Walking speed
			-math.pi/2,	-- Neck 1
			-math.pi/8,	-- Neck 2
			-math.pi/2,	-- Left shoulder 1
			0,			-- Left shoulder 2
			-math.pi/2,	-- Left forearm
			-math.pi/2,	-- Right shoulder 1
			0,			-- Right shoulder 2
			-math.pi/2}	-- 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={3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}

	relativeStepSize=1
	nominalVelocity=0.4
	neckJoints={simGetObjectHandle("neckJoint0"),simGetObjectHandle("neckJoint1")}
	leftArmJoints={simGetObjectHandle("leftArmJoint0"),simGetObjectHandle("leftArmJoint1"),simGetObjectHandle("leftArmJoint2")}
	rightArmJoints={simGetObjectHandle("rightArmJoint0"),simGetObjectHandle("rightArmJoint1"),simGetObjectHandle("rightArmJoint2")}
		
	-- 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={m[4],m[8],m[12]}
	lOr=simGetEulerAnglesFromMatrix(m)
	
	m=simMultiplyMatrices(astiMInverse,simBuildMatrix(rPos,rOr))
	m[8]=m[8]*relativeStepSize	
	m=simMultiplyMatrices(astiM,m)
	rPos={m[4],m[8],m[12]}
	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):

Файлы сцен-примеров

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

* основной сайт V-REP
* руководство пользователя (на английском)
* большое количество видео, примеров из V-REP

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.