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著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(12)Gazebo の静モデルの作成

本シリーズ前回の記事 Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(11)形状データのエクスポート で Gazebo や MoveIt で利用できるデータ形式にエクスポートする手順を紹介しました.

今回はエクスポートしたメッシュデータファイルを Gazebo の静モデルとしてモデルファイルに組み込んで表示する方法を紹介します.

前回の記事の予告では「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(12)Gazebo や MoveIt の静モデルの作成」と Gazebo と MoveIt の両方の作成方法を紹介する予定でしたが本記事では Gazebo モデルの作成を紹介して,次回に MoveIt の静モデルの作成を紹介します.

Gazebo モデル SDF ファイルの作成

今回紹介する Gazebo モデルを構成するファイル群は次のようなフォルダ構造にしています.

washing-machine
├── meshes
│   ├── base_link_blue-gray.stl
│   ├── base_link_dark-gray.stl
│   ├── base_link_gray-white.stl
│   ├── base_link_light-gray.stl
│   └── base_link.stl
├── model.config
└── model.sdf

Gazebo モデルは下記リンク先の GitHub リポジトリから入手可能です.

model.sdf

まずは Gazebo SDF モデルの本体のファイルとも言える model.sdf の中身を見てみます.XML データになっていて干渉チェック用のモデルを記述した collision や視覚表示用のモデルを記述した visual などの要素があります.

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
  <model name="washing-machine">
    <!--static>true</static-->
    <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
    <link name="base_link">
      <inertial>
        <mass>10.0</mass>
        <inertia>
          <ixx>1.000000</ixx>
          <ixy>0.000000</ixy>
          <ixz>0.000000</ixz>
          <iyy>1.000000</iyy>
          <iyz>0.000000</iyz>
          <izz>1.000000</izz>
        </inertia>
      </inertial>
      <collision name="collision">
        <geometry>
          <mesh>
            <uri>model://washing-machine/meshes/base_link.stl</uri>
            <scale>0.001 0.001 0.001</scale>
          </mesh>
        </geometry>
      </collision>
      <visual name="visual-gray-white">
        <geometry>
          <mesh>
            <uri>model://washing-machine/meshes/base_link_gray-white.stl</uri>
            <scale>0.001 0.001 0.001</scale>
          </mesh>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>  0.95 0.95 0.95 1.0</ambient>
          <diffuse>  0.95 0.95 0.95 1.0</diffuse>
          <specular> 0.95 0.95 0.95 1.0</specular>
        </material>
      </visual>
      <visual name="visual-light-gray">
        <geometry>
          <mesh>
            <uri>model://washing-machine/meshes/base_link_light-gray.stl</uri>
            <scale>0.001 0.001 0.001</scale>
          </mesh>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>  0.80 0.80 0.80 1.0</ambient>
          <diffuse>  0.80 0.80 0.80 1.0</diffuse>
          <specular> 0.80 0.80 0.80 1.0</specular>
        </material>
      </visual>
      <visual name="visual-dark-gray">
        <geometry>
          <mesh>
            <uri>model://washing-machine/meshes/base_link_dark-gray.stl</uri>
            <scale>0.001 0.001 0.001</scale>
          </mesh>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>  0.45 0.45 0.45 1.0</ambient>
          <diffuse>  0.45 0.45 0.45 1.0</diffuse>
          <specular> 0.45 0.45 0.45 1.0</specular>
        </material>
      </visual>
      <visual name="visual-blue-gray">
        <geometry>
          <mesh>
            <uri>model://washing-machine/meshes/base_link_blue-gray.stl</uri>
            <scale>0.001 0.001 0.001</scale>
          </mesh>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>  0.55 0.65 0.75 0.6</ambient>
          <diffuse>  0.55 0.65 0.75 0.6</diffuse>
          <specular> 0.55 0.65 0.75 0.6</specular>
        </material>
      </visual>
    </link>
  </model>
</sdf>

STL ファイルは単位の情報を持っていません.本シリーズの記事では Rhinoceros 上で 単位 [mm] にてモデルを作成してメッシュを出力したので, [mm] での数値を Gazebo 上の単位 [m] に変換するために mesh 要素の scale の (X,Y,Z) に全て 0.001 (=1/1000) を設定しています.適切なスケーリングを忘れたり,不要なスケーリングをしてしまったりするとモデルにメッシュは読み込めているのにありえない大きさのメッシュになってしまって目視できなくなるようなことがあるので注意が必要です.

visual 要素は色ごとに複数作成して各色のメッシュのファイルをそれぞれの uri 要素に記述して materialambient(=環境反射率) diffuse(=拡散反射率) specular(=鏡面反射率) の数値を RGBA(=赤,緑,青,透明度) の順で設定します.(「透明度」は数値的には「不透明度」を意味するように思うのですが「透明度」と一般的には言われているようです.)

collision 要素はメッシュに洗濯機全体の閉じたメッシュ群である base_link.stl ファイルを使用しています.

inertialmass(=質量) inertia(=慣性モーメント) は今回はメッシュの確認が主な目的ですので適当な値を設定しました.精度良く物理シミュレーションを行いたい場合は適切な値を設定する必要があります.

model.config

model.config ファイルの中身も XML データ形式で記述されていて当該 Gazebo モデルのメタ的な情報を記述しています.

<?xml version="1.0"?>

<model>
  <name>washing-machine</name>
  <version>1.0</version>
  <sdf version="1.6">model.sdf</sdf>
  
  <author>
    <name>Tokyo Opensource Robotics Kyokai Association</name>
    <email>info@opensource-robotics.tokyo.jp</email>
  </author>
  
  <description>
    A Model Example of a Washing Machine.
  </description>
  
</model>

SDF モデルファイルの Gazebo への読み込み

Gazebo の 3D モデルをシミュレーション空間上に読込・表示する方法は主に次の3つの方法があります.

  1. .gazebo/models フォルダにコピー
  2. world ファイルを作成
  3. プログラムで配置(Spawn)

表示方法-1 .gazebo/models フォルダにコピー

本記事における SDF モデルフォルダ washing-machine をホームディレクトリ直下の隠しフォルダ .gazebo/models 内にコピーして Gazebo のウインドウ内の操作で読み込みます.
( USERNAME の部分は各自のユーザ名に読み替えてください.)

/home/USERNAME/.gazebo/models
├── ambulance
│   ├── materials
│   │   └── textures
│   │       └── ambulance.png
│   ├── meshes
│   │   ├── ambulance.mtl
│   │   └── ambulance.obj
│   ├── model.config
│   └── model.sdf
  :
(中略)
  :
└── washing-machine
    ├── meshes
    │   ├── base_link_blue-gray.stl
    │   ├── base_link_dark-gray.stl
    │   ├── base_link_gray-white.stl
    │   ├── base_link_light-gray.stl
    │   └── base_link.stl
    ├── model.config
    └── model.sdf

.gazebo/models 内にモデルをコピーすると Gazebo ウィンドウ内に挿入するモデルの選択肢の1つとして提示されるようになります.

  1. Gazebo を起動
    コマンド入力は $ gazebo
  2. Gazebo ウィンドウ
    → Insert タブ
    → /home/USERNAME/.gazebo/models
    → washing-machine をクリック
  3. Gazebo の 3D 空間内の地面上の1点を
    クリックして洗濯機モデルを配置

(図: クリックで拡大)

このような Gazebo 内に手作業でモデルを読み込む方法でもシミュレーションはできるのですが,自動的に読み込む手段として world ファイルを作成する方法や launch ファイル内やプログラムからモデルを読み込んで Gazebo に表示させる方法があります.自動的に読み込む方がモデルを用いた Gazebo シミュレーションでロボットを動作させるような段階では毎回手作業でモデルを Gazebo 空間内に読み込む必要がなく楽です.

表示方法-2 world ファイルを作成

前項目の「表示方法-1 .gazebo/models フォルダにコピー」は Gazebo を起動するたびにモデルを配置する必要があります.モデルの確認には十分ですが Gazebo のシミュレーションでロボットの動作を同じ環境で何度も試行するには向いていません.そこで Gazebo 環境の定義をする world ファイルを読み込むことで常に同じ環境を再現することができます.

world ファイルも XML 形式のデータです.

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.4">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://washing-machine</uri>
      <name>washing-machine</name>
      <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
    </include>
    
<!--
    <include>
      <uri>model://washing-machine-dae</uri>
      <name>washing-machine-dae</name>
      <pose>0 1.0 0 0 0 0</pose>
    </include>
-->
    
  </world>
</sdf>

上記 world ファイルでは ground_plane と sun,washing-machine モデルを Gazebo 空間に配置しています.16〜22行 はコメントアウト行で後述の dae ファイルを利用した場合の Gazebo モデルを配置する設定でそれを無効にしています.

world ファイルを読み込んで Gazebo を起動する launch ファイルを作成します.

<launch>
  
  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="world_name"   value="$(find 3dmodeling-examples)/worlds/washing-machine.world"/>
    <arg name="paused"       value="false"/>
    <arg name="use_sim_time" value="true"/>
    <arg name="gui"          value="true"/>
    <arg name="recording"    value="false"/>
    <arg name="debug"        value="true"/>
  </include>
  
</launch>

今回作例を置いている ROS パッケージ内での world ファイルや launch ファイルのディレクトリ構造は次のようになっています.

3dmodeling-examples/
├── CMakeLists.txt
├── images
│   ├── front_view_win.png
│   ├── left_view_win.png
│   ├── top_view_win.png
│   ├── washing-machine_catalogue.pdf
│   └── washing-machine_catalogue.png
├── launch
│   ├── spawn-washingmachine.launch
│   └── world-washingmachine.launch
├── LICENSE
├── models
│   ├── gazebo_models
│   │   ├── washing-machine
│   │   │   ├── meshes
│   │   │   │   ├── base_link_blue-gray.stl
│   │   │   │   ├── base_link_dark-gray.stl
│   │   │   │   ├── base_link_gray-white.stl
│   │   │   │   ├── base_link_light-gray.stl
│   │   │   │   └── base_link.stl
│   │   │   ├── model.config
│   │   │   └── model.sdf
│   │   └── washing-machine-dae
│   │       ├── meshes
│   │       │   ├── base_link.dae
│   │       │   └── base_link.stl
│   │       ├── model.config
│   │       └── model.sdf
│   ├── urdf
│   │   ├── meshes
│   │   │   └── washing-machine
│   │   │       ├── base_link.dae
│   │   │       └── base_link.stl
│   │   └── washing-machine.urdf
│   └── washing-machine.3dm
├── package.xml
├── README.md
└── worlds
    └── washing-machine.world

また,この際に必要なことが Ubuntu の環境変数に world や Gazebo のモデルのあるディレクトリのパスを通しておくことです.ROS パッケージの package.xml に Gazebo モデルへのパスと実行依存関係を記述します.

  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>urdf</build_depend>
  
  <build_export_depend>urdf</build_export_depend>
  
  <exec_depend>urdf</exec_depend>
  <exec_depend>gazebo_ros</exec_depend>

  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <gazebo_ros gazebo_model_path="${prefix}/models/gazebo_models"/>
    <gazebo_ros gazebo_media_path="${prefix}/worlds"/>
  </export>
  
</package>

package.xml に記述した内容を有効にするためにビルドしてワークスペースの環境設定 source devel/setup.bash をします.次のコマンドは Gazebo モデルを含んだワークスペース robotmodels_ws にてビルドと環境設定を行った場合の例です.

robotuser@robotuser-PC:~/robotmodels_ws$ catkin_make
robotuser@robotuser-PC:~/robotmodels_ws$ source devel/setup.bash

world ファイルを読み込むように作成した launch ファイルを実行して Gazebo を起動します.

$ roslaunch 3dmodeling-examples world-washingmachine.launch

表示方法-3 プログラムで配置(Spawn)

前項目の「表示方法-2 world ファイルを作成」では world ファイルでモデルの配置が決められた状態で Gazebo を起動していました. Spawn を行うことで既に実行されている Gazebo シミュレーション空間内に位置・姿勢を指定してモデルを配置することができます.

次に Spawn を用いた場合の launch ファイルの例を示します.

<launch>
  
  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="paused"       value="false"/>
    <arg name="use_sim_time" value="true"/>
    <arg name="gui"          value="true"/>
    <arg name="recording"    value="false"/>
    <arg name="debug"        value="true"/>
  </include>
  
  <!-- Spawn a robot into Gazebo -->
  <node name="spawn_urdf" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" 
        args="-file $(find 3dmodeling-examples)/models/gazebo_models/washing-machine/model.sdf -sdf -x 0.0 -y 2.0 -z 0.0 -R 0.0 -P 0.0 -Y 0.0 -model washing-machine" />
  
</launch>

Gazebo が empty_world.launch で実行開始された後 spawn_model を用いて Gazebo シミュレーション空間上の ( 0.0, 2.0, 0.0 ) の位置に配置しています.

spawn-washingmachine.launch を実行してみます.

$ roslaunch 3dmodeling-examples spawn-washingmachine.launch

world ファイルを読み込んで Gazebo を起動したときと異なる位置に配置しています.

Gazebo モデルにおける STL ファイルと DAE ファイルの表示比較

Gazebo で dae ファイルを用いて色付きモデルを表示することも可能ですが,STL ファイルを用いて SDF ファイル内で色設定をした方が Gazebo 表示状態を確認してから SDF ファイル内で色や透明度の調整が可能ですので意図した表示になるように思います.

上の図の状態は先述の washing-machine.world ファイル内のコメントアウトを行っている 16行目 と 22行目 を削除してファイルを保存し, world ファイルを読み込んで Gazebo を実行すると表示されます.

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.4">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://washing-machine</uri>
      <name>washing-machine</name>
      <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
    </include>
    
<!--
    <include>
      <uri>model://washing-machine-dae</uri>
      <name>washing-machine-dae</name>
      <pose>0 1.0 0 0 0 0</pose>
    </include>
-->
    
  </world>
</sdf>

Gazebo シミュレーションの様子をデモンストレーションなどで見せるような場合に,DAE ファイルを使った Gazebo モデルで見た目がいまいちに感じたら STL ファイルと SDF ファイル内での色指定を試してみてはいかがでしょうか.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(13)MoveIt の静モデルの作成」

として,前回エクスポートしたメッシュデータファイルを MoveIt のモデルファイルに組み込んで表示を行う様子を紹介する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(11)形状データのエクスポート

本シリーズ前回の記事 Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(10)部品作成編 で洗濯機全体の形状が完成しました.

まずはエクスポートするメッシュの確認も兼ねて,可動部分のない一番単純な Gazebo と MoveIt それぞれにおける洗濯機モデルを作ることを目標として,今回は CAD( 本記事では Rhinoceros )の形状データに色を付けるとともに Gazebo や MoveIt で利用できるデータ形式にエクスポートする手順を紹介します.

次の図は今回エクスポートするデータを Gazebo と MoveIt のシミュレーションモデルに組み込んで表示させた様子で,次回の記事のゴールになる予定です.

Gazebo/MoveIt モデルに必要なメッシュデータ

Gazebo/MoveIt のシミュレーションモデルにはディスプレイ表示用の visual メッシュと干渉チェック用の collision メッシュの2種類のデータが必要です.今回は大きく分けて次の ① ② ③ の 3種類 のデータを用意します.

  • MoveIt 用 URDF モデル
    • visual : Collada(DAE)データ ①
      • DAE ファイルには色と単位の情報も「含まれる」
    • collision : 物体領域を明確に分けられる閉じた STL メッシュ(群)データ ②
  • Gazebo 用 SDF モデル
    • visual : 各表示色別に分けた STL メッシュデータ ③(今回は4色4ファイル)
      • STL ファイルには色と単位の情報が「含まれない」ため SDF ファイル側で指定
    • collision : 物体領域を明確に分けられる閉じた STL メッシュ(群)データ ②

一般的には visual メッシュを少し細かく(データとしては重く)し,collision メッシュは粗く(データとしては軽く)することが多いです.Gazebo シミュレータは物理エンジンも含まれていますのでロボットの力制御シミュレーションをするようになってくると collision メッシュの方をより細かくする必要が出てくるかもしれません.

干渉チェック(collision)用 STL メッシュデータのエクスポート

ひとまず可動部分のない Gazebo および MoveIt のシミュレーションモデルを作成しますので,これまで作成してきた洗濯機モデルの閉じたポリサーフェス(=ソリッド)をそのまま全て選択して「選択オブジェクトをエクスポート(Export)」で干渉チェック用の STL メッシュデータファイルとしてエクスポートします.

  • 選択オブジェクトをエクスポート
    • メニュー: ファイル(F) > 選択オブジェクトをエクスポート(E)
    • コマンド: Export

ファイルの種類で「STL (Stereolithography) (*.stl)」を選択します.ファイル名はメッシュモデルの乗るシミュレーションモデルのリンク名にすると分かりやすいので今回は「base_link.stl」とします.

ポリゴンメッシュ詳細オプション」の子ウィンドウが出るので各設定項目は主に下のリストのように今回は設定しました.(図はクリックで拡大表示されます.)

  • 最小エッジ長さ(E): 0.0001
  • 最大エッジ長さ(L): 0.0 (=無指定)
  • エッジからサーフェスの最大距離(D): 0.1
  • メッシュをリファイン(R): チェック

STL メッシュデータの粗密やデータ量を調整したい場合は主にこれらの設定値を調整します.

STLエクスポートオプション」ではデータ量を確認してデータが大きすぎるような場合には「メッシュを調整」ボタンから再調整して,問題なければ「バイナリ(B)」でエクスポートします.

エクスポートした STL ファイルの内容を確認するにはフリーソフトウェアの MeshLab にインポートするのが良いのではないかと思います.

MeshLab は Windows・Mac・Linux のどのプラットフォームにもインストールできますので便利です.

また Windows であれば「3Dビューアー」,Mac であれば「プレビュー」でも STL ファイルを表示することが可能です.

エクスポートした STL ファイルに洗濯機全体の形状データが含まれているように表示されるかと思います.

干渉チェック(collision)用の STL ファイルへのエクスポート手順は以上です.

洗濯機各部の色付け

ディスプレイ表示用の visual メッシュは色を付けない単色での利用も可能ですが,せっかくなのでカタログから推測して次のリストの色分けをしてみます.

  • gray-white: 本体の前面・上面側面の大部分
  • light-gray: ドア枠と本体側周辺部品・背面
  • dark-gray: 底部周辺
  • blue-gray: ドアの透明窓部・液晶表示部

Rhinoceros のデフォルトではポリサーフェスで1つにまとまっていると色や反射率,透過率などの設定が含まれるマテリアル設定が1つしか反映されないので,色ごとのポリサーフェスやサーフェス,それらのグループに分解します.ソリッド(=閉じたポリサーフェス)の状態は残しておきたいので色付け用のレイヤを作成してそのレイヤに洗濯機モデル全体をコピーしたものを分解,色付けします.

色はオブジェクトの「マテリアル」を設定して付けます.

色ごとに分けたオブジェクト(=ポリサーフェスやサーフェス,グループ)を選択してから右クリックして「オブジェクトのプロパティ(S)」を表示して「プロパティ: マテリアル」タブを開きます.

マテリアルの設定時に気を付ける点があり,「金属」系の色は後の項目でエクスポートする Collada(DAE)ファイルや Gazebo,MoveIt のディスプレイ上では反映されなく,意図しない,おそらくエクスポートしたオブジェクトのあるレイヤー色か黒などに表示されてしまうので「プラスチック」系のマテリアルを使用して各色を指定するのが良さそうです.

また,Rhinoceros 上での表示形式を「レンダリング」にすることでマテリアルが反映された表示になります.

上の図では 「gray-white」を選択した例を示していますが,他の「light-gray」「dark-gray」「blue-gray」についても同様にプラスチック系マテリアルの色を調整して設定します.

Collada(DAE)メッシュデータのエクスポート

MoveIt シミュレーションモデルの URDF ファイルから表示用(visual)メッシュとして使うために,マテリアルを設定して色付けしたモデル Rhinoceros から Collada(DAE)ファイルとしてエクスポートします.

Collada(DAE)のメッシュデータには色や単位の情報も含まれるので全色分のオブジェクトを一緒くたに選択して「選択オブジェクトをエクスポート(Export)」でエクスポートします.

ファイルの種類に「COLLADA(*.dae)」を選択します.ファイル名はメッシュモデルの乗るシミュレーションモデルのリンク名にすると分かりやすいので今回は「base_link.dae」とします.

エクスポートした DAE ファイルの内容の確認は Mac だと「プレビュー」で右の図のように行えます.

FreeCAD は Windows や Mac,Linux で利用でき,DAE データも表示することができます.

FreeCAD の操作感はあまり良いとは言えないのですが様々な形式の 3D データが読み込めるのでデータ確認には非常に便利です.

金属マテリアル表現の 3D モデルについて

今回,洗濯機操作部の丸いボタンに金属系マテリアルを設定して Collada(DAE)ファイルとしてエクスポートして利用しようとしましたが金属マテリアル部分が DAE メッシュとしては黒色になってしまって金属的な表現にはなりませんでした.

今回筆者の調べた範囲においては glTF(ジー”エル”ティーエフ) 形式とそのバイナリ形式の glb 形式が 3D モデルのファイル内に金属やガラスなどのマテリアル表現の情報も含まれる形式とのことでしたので Rhioceros にこれらの形式をエクスポートするプラグインを導入し,丸ボタンに金属マテリアルを適用したものを glb 形式でエクスポートして,Web にある glTF ビューア で表示してみたものが次の図です.

ボタンの部分が金属的な表現になっているように見えます.

ではこの glTF や glb 形式の 3D モデルファイルが Gazebo や MoveIt で使えるのか,といったところが ROS ユーザとしては気になるところです.Gazebo や MoveIt はレンダリングエンジンに OGRE(Object-Oriented Graphics Rendering Engine) を利用しています.

OGRE の現時点で最新リリースが 2022年2月9日 リリースの 13.3 です.OGRE v13.3 では glTF2.0 形式の情報を利用した金属や布などのマテリアル表現が可能になったとのことです.

Gazebo や MoveIt でも OGRE で新しくリリースされた豊かなマテリアル表現機能を使えるように実装が進んだら,今回上手くいかなかった金属表現もできるようになるのかな?と期待しています.

色別 STL メッシュデータのエクスポート

Gazebo シミュレーションモデルの SDF ファイルから表示用(visual)メッシュを色付きで使うためには色ごとにメッシュを分けた STL データファイルに対して SDF ファイル内で色情報を指定する必要があります.

そのために Rhinoceros からは色ごとにオブジェクトを選択して各色の STL ファイルとしてエクスポートします.

一般的な STL ファイルには色情報が含まれませんので Rhinoceros 上で色を付ける必要性はないのですが,前の項目で既に色ごとに分けて色付けしたオブジェクトがありますので,ここでは「色で選択(SelColor)」でそれぞれの色を選択して「選択オブジェクトをエクスポート(Export)」すると楽にできます.

  • 色で選択
    • メニュー: 編集(E) > オブジェクトを選択(S) > 色で選択(C)
    • コマンド: SelColor

STL エクスポート自体のの手順は先ほどの「干渉チェック(collision)用 STL メッシュデータのエクスポート」内で行った手順と基本的には同じですが,色分けした,ソリッド(=閉じたポリサーフェス)ではない,開いたポリサーフェスやサーフェスをエクスポートすることが出てきますので,その場合は「STLエクスポートオプション」にて「開いたオブジェクトをエクスポート(E)」のチェックを入れる必要があります.

ファイル名はメッシュモデルの乗るシミュレーションモデルのリンク名に色名を足しておくと分かりやすいので,今回は下のリストの各ファイル名で 4色分 4つのファイルとしてエクスポートしました.

  • base_link_gray-white.stl
  • base_link_light-gray.stl
  • base_link_dark-gray.stl
  • base_link_blue-gray.stl

複数に分けた STL ファイルを MeshLab にインポートすると MeshLab 内のレイヤとして表示されるのでレイヤの表示・非表示を切り替えるなどしてメッシュの確認を行うと良いのではないかと思います.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(12)Gazebo や MoveIt の静モデルの作成」

として,今回エクスポートしたメッシュデータファイルを Gazebo や MoveIt のモデルファイルに組み込んで表示する様子を紹介する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(10)部品作成編

前回は「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(9)滑らかなサーフェス – 作成編(その4)」として,制御点の大幅な位置調整も含めた NURBS サーフェスの調整や制御点移動による曲面サーフェス作成例を紹介しました.前回の記事も含め,複数回に分けてサーフェスの作成方法に主眼を置いたモデリングの紹介をしてきました.

今回の記事は洗濯機の扉などの各部品の作成例を紹介して最後に洗濯機のモデル形状を完成させます.

洗濯槽扉とその周辺部品

洗濯機前面が球面サーフェスなので,円形の扉の中心軸をその球の中心から作ると洗濯槽扉と洗濯機前面共に軸対称となり幾何学的に収まりが良くなります.

側面図から判断し,球の中心から水平よりも 8° 上方に角度を持つ直線が扉の中心軸であると推定しました.

(以後,各図ともクリックで拡大します.)

洗濯槽扉は中心軸周りの「回転(Revolve)」で作成できますので,そのプロファイル曲線作成にあたりそれに適した「作業平面」を設定すると描画しやすいと思います.

洗濯槽扉の軸上の 2点 とワールド座標系での XZ平面内 の点の「3点指定」で「作業平面の設定」を行ってから,ビューを「作業平面の平行ビュー」を設定すると見やすいです.

  • 作業平面の設定(3点指定)
    • メニュー: ビュー(V) > 作業平面の設定(P) > 3点指定(3)
    • コマンド: CPlane > 3点(P)
  • 作業平面の平行ビュー
    • メニュー: ビュー(V) > ビューの設定(V) > 作業平面の平行ビュー(P)
    • コマンド: Plan

洗濯槽扉の奥行方向の大きさや形状は上面図に開いた状態の扉が描画されているので少し斜めから見た投影図になってしまいますがそこから推測します.

そのために既に 3D 空間上に配置されている上面図をコピーし,位置と方向を調整して,右の図の様に作業平面上で直接的に参考にできるように配置します.

洗濯槽扉の形状プロファイルを描画して「回転(Revolve)」などで作成します.

また洗濯機本体側の洗濯槽扉の収まる部分や洗濯槽については三面図などからは寸法は拾えないので推測で大体の形状で作成します.

洗濯槽扉が開く方向は三面図から洗濯槽扉の中心軸を通りワールド座標系の Y軸 に平行な平面内で回転して開いているようです.

この平面内で開いた状態の位置に洗濯槽扉をコピー移動・回転させることにより回転中心を幾何学的に算出することができます.

回転軸が算出できたら洗濯機本体に干渉しないヒンジのモデルを作成します.

洗濯槽扉を開くボタンは洗濯槽扉に正対する作業平面上で形状を描画してサーフェスにしてゆくと作業がしやすいです.

洗濯機上面給水部

カタログのレンダリング図を見ると給水口が洗濯機本体への接続部は段落ち形状になっています.

段落ち部の平面形状は上面図から,また給水口の大体の形状は三面図から拾えます.

段落ちしている寸法は三面図からは拾えませんがシミュレーション上も問題になる部分ではないので推測で適当に 10mm としました.

洗濯機前面下部フタ

洗濯機前面下部のフィルターが入っているところのフタは雰囲気を出すだけで溝を設ける形にしました.

洗濯機両側面の取っ手

洗濯機両側面の移設用の取っ手は側面図と正面図から大きさや出っ張り高さは分かりますが取っ手部分の形状はレンダリング画像から推測するしかないので大体の形状でモデリングします.

洗濯機を設置するロボットのような取っ手を持つことを前提としたシミュレーションの場合は形状をより気にしてモデリングした方が良いかもしれません.

モデル形状の完成

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(6)滑らかなサーフェス – 作成編(その1)」で作成した洗濯機前面上部のボタン類も現在の作業レイヤーにコピーしてソリッドの「和(BooleanUnion)」をします.

また洗濯機前面上部のディスプレイ部境界線を YZ平面上 に描画して洗濯機前面サーフェスに「投影(Project)」してその曲線を用いて洗濯機前面サーフェスを「分割(Split)」します.

洗濯機本体側洗濯槽扉周辺の色違いで別部品となっている部分も正面図から大きさを拾ってサーフェスを「分割(Split)」します.

以上で洗濯機全体の形状が完成しました.

色分け前ですが表示形式をいろいろ変えて描画した様子が次のアニメーション画像です.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(11)形状データのエクスポート」

として,CAD( 本記事では Rhinoceros )の形状データを Gazebo や MoveIt で利用できるデータ形式にエクスポートする手順などを中心に紹介する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(9)滑らかなサーフェス – 作成編(その4)

前回は「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(8)滑らかなサーフェス – 作成編(その3)」として NURBS サーフェスの制御点や次数を編集する作成・調整方法について紹介をしました.

今回は制御点の大幅な位置調整も含めた NURBS サーフェスの調整をして残りの暫定オープンエッジ周辺のサーフェスを作成します.また洗濯機の洗剤投入部を開けるために指を入れる凹み形状も制御点の移動での作成例も紹介します.

今回のゴールは左の図の状態です.

洗濯機前面・側面・上面間コーナ部のサーフェス

左の図に赤色で示している洗濯機前面・側面・上面間コーナ部のサーフェスを作成します.

編集対象となる「サーフェスを抽出(ExtractSrf)」します.

新たに作成するサーフェスの1辺の形状を表す曲線を作成したいので,その基礎形状とするためにまず洗濯機前面・上面間のフィレットサーフェスの「アイソカーブを抽出(ExtractIsocurve)」します.

抽出したアイソカーブを洗濯機側面と平行な平面上に「投影(Project)」して基礎形状曲線として利用する配置にします.

投影する際に投影方向を「カスタム」にして始点をアイソカーブの上端点,終点をフィレットサーフェスの上端点に指定します.

結果的に洗濯機前面・上面間のフィレットサーフェスのトリムされた端部形状とほぼ同じ曲線になります.それでは最初からそのトリムラインを「複製(DupEdge)」すれば良いのでは? となるかと思いますが,曲面をトリムした端部形状は 多点3次 の NURBS 曲線になってしまうので滑らかな曲線にならずそれを基に作成するサーフェスもなめらかになりません.曲面の制御点・次数がそのまま反映されるアイソカーブを「平面」に投影することで 8点7次 のままの NURBS 曲線を作成するサーフェスの基礎形状としたいのでこの手順を採用しています.

投影した基礎形状とする曲線から「点を抽出(ExtractPt)」と「グループ化(Group)」を行い,新たに作成するサーフェスの辺形状曲線の基となる制御点の参考点とします.

トリムのための平面や洗濯機側面と新たに作成するサーフェス間の曲線形状端の配置のための直線を準備します.

以前の記事で洗濯機前面・上面間のフィレットサーフェスの高さは 30mm として作成しました.それと大体同じ大きさのフィレット曲線で洗濯機側面の平面サーフェスを再トリムして,その部分を新しく作成するサーフェスの1辺とします.そのために先程,洗濯機側面平面の上前頂点から水平に描画した直線を下方(Z軸のマイナス方向)に 30mm 移動させます.

先程抽出した制御点参考点グループを直線移動でできたた交点にコピーします.

サーフェスをトリムするためのサーフェスを作成するためにコピー前とコピー後の制御点参考点グループの対応する両端点間に「直線(Line)」を描画します.

トリムするためのサーフェスを「曲線を押し出し > 曲線に沿って(ExtrudeCrvAlongCrv)」で作成します.

トリムのための交差部が確実に算出されるように「サーフェス > 延長(ExtendSrf)」でトリムするためのサーフェスを拡大します.

角部サーフェスをトリムします.

洗濯機側面上の新しいトリム曲線を「曲線をブレンド(BlendCrv)」でコピーしていた制御点の参考点に合わせて作成します.

もう一方のレール曲線についても制御点の参考点をコピーして「曲線をブレンド(BlendCrv)」でそれに合わせて作成します.

またサーフェスをトリムしたトリムラインは 多点3次 の NURBS 曲線になってしまっているので,それに近しい形状の曲線としてサーフェスのアイソカーブをカスタム方向で平面のトリムサーフェスに「投影(Project)」してアイソカーブと同じ次数・制御点の NURBS カーブをサーフェス作成に利用します.

作成したいサーフェス周りの4辺の曲線が準備できましたので「2レールスイープ(Sweep2)」でサーフェスを作成します.4辺全て曲線から作成しますので接続条件は「位置」連続しか選択できませんが,サーフェスを作成後に「マッチング(MatchSrf)」などで曲率や曲率変化率を周辺サーフェスに合わせる手順で行います.

作成したサーフェスの「マッチング(MatchSrf)」を行います.まずは次の図に示す2辺を「アイソカーブ方向の調整」の設定を「ターゲットアイソカーブの方向をマッチング(M)」にして「マッチング(MatchSrf)」を実行します.結果を得てサーフェスを周辺サーフェスと「結合(Join)」して「エッジを表示(ShowEdges)」するとマッチングを行った辺が接続されています.

次に洗濯機側面の平面に接続する辺を「連続性」の設定を「位置」にして「マッチング(MatchSrf)」を実行します.位置連続性でのマッチングの場合はその辺から1つ目の制御点のみ調整されます.結果を得てサーフェスを周辺サーフェスと「結合(Join)」して「エッジを表示(ShowEdges)」するとマッチングを行った辺も接続されています.

ここは主に現状の制御点数で洗濯機側面平面のトリム部と接続が可能かの確認を目的としています.今回は現状接続先のある3辺で接続可能なことが確認できましたので後は辺から2つ目以降の制御点の調整をして接線方向,曲率や曲率変化率の連続性を調整すれば良いことがわかりました.

続いてサーフェス3辺の曲率連続条件での接続を調整します.「アイソカーブ方向の調整」の設定を「アイソカーブの方向を維持(P)」にして「マッチング(MatchSrf)」を実行します.Rhinoceros では「アイソカーブ方向の調整」が複数辺マッチング時に各辺別の設定ができないので各辺ごとの「アイソカーブ方向の調整」を設定したい場合は何度か設定を変えながら「マッチング(MatchSrf)」を繰り返してサーフェスの連続性を調整する必要があります.

「ゼブラ(Zebra)」でサーフェスの接続状況を確認すると少しずれている箇所が見受けられるので制御点を直接的に調整します.

洗濯機側面に接続する辺から数えて4番目の制御点までは他の2辺が接続するサーフェスも洗濯機側面の平面サーフェスに対して曲率変化率連続で接続しているので Y方向 の座標を洗濯機側面平面に合わせると大体合うはずです.

これらの制御点に対して変形の「XYZを設定(SetPt)」でワールド座標系の Y座標 をセットします.

曲率連続以上の滑らかさを求めている場合は制御点の第3点以内を編集したら再度「マッチング(MatchSrf)」を曲率連続条件にて実行して,「エッジを表示(ShowEdges)」や「曲率表示(CurvatureGraph)」などで確認しながら進めます.

制御点の第3点までの配置できたら(曲率連続),制御点の第4点を調整します.第4点各点を第1〜3点の延長上に配置すると「曲率変化率連続」に近いサーフェスになります.

第4点の配置の基本的な手順は接続先のサーフェスの曲率からくる第1〜3点までの状況によりいくつかあり,またそれらの組み合わせるなどして曲率変化率連続になるように配置します.

  • 曲率変化率連続のための第4制御点配置手順の例
    • 第1〜3点までの座標が XYZ のどれかで同値ならば「XYZを設定(SetPt)」で座標を指定して配置
    • 接続先のサーフェスが曲率ゼロの平面なら第1〜3点の延長直線上に第4点をガムボールなどで移動して配置
    • 接続先のサーフェスが曲率一定なら第1〜3点の延長円弧上付近に第4点をガムボールなどで移動して配置
    • 接続先のサーフェスの曲率が変化する場合は「曲率表示(CurvatureGraph)」をして接続先の曲率変化に合うように第4点を移動配置
    • UV 方向で共有する制御点第4点は両方向の都合が合う位置に移動配置
少し余談ですが,このように曲率変化率連続に調整するためには第1〜3の制御点とそれぞれの第4制御点を比較できる視点で第4制御点をガムボール移動する必要が多くなるので, 3D マウスがあると視点を移動しやすく作業効率が良くなると思います.

サーフェスの「マッチング(MatchSrf)」や制御点の「XYZを設定(SetPt)」,ガムボール移動などを繰り返して曲率変化率連続になるようにサーフェスを修正します.

おおよそ曲率変化率連続に近づいた状態でここで編集しているサーフェスとその周辺のサーフェスを「ゼブラマッピング(Zebra)」して縞の方向を縦と横にしたものが次の図です.だいぶゼブラが滑らかに通るようになったのではないかと思います.

残りのフレット部分のサーフェスを作成します.

先程と同様にアイソカーブをトリム平面にカスタム方向にて「投影(Project)」してフィレットサーフェス両端のプロファイル曲線とします.

色々と試しているときに洗濯機前面と側面間のフィレットサーフェスの長さが足りなかったので「サーフェスを抽出(ExtractSrf)」,「トリム解除(Untrim)」してから「サーフェス延長(ExtendSrf)」(タイプ: スムーズ)を行って,再度トリム平面で「トリム(Trim)」しました.

フィレットサーフェスを「2レールスイープ(Sweep2)」で作成します.レール曲線にサーフェス端部形状を使い,断面曲線に先程アイソカーブをトリム平面に「投影(Project)」した曲線を使います.後で「マッチング(MatchSrf)」で曲率連続での接続に修正するので,今回の作成時は接続条件は位置のみにします.

作成したフィレットサーフェスの制御点を「制御点表示オン(POn)」で表示してみると V方向 は 8点 ですが U方向 は多くの点で構成されていることが分かります.また次数は V方向 は投影したアイソカーブが反映されていて 7次 で U方向 はレール曲線の1つがサーフェス断面なので 3次 です.

U方向 の制御点数がサーフェス内での滑らかさの調整や周辺サーフェスとの曲率変化率連続のために第4点を全て手動で調整するには多いように思いますので「RebuildUV(メニューにはない)」で “U方向のみ” サーフェスを再構築します.

今回は再構築後の U方向の 制御点数を 11個 にしています.また「RebuildUV」オプションで「タイプ(T)=ユニフォーム」にしたので再構築後の次数は 3次 になります.

Rebuild と RebuildUV
「RebuildUV」は “UもしくはVの1方向” のみですが,「サーフェスをリビルド(Rebuild)」は “UV両方向” についてサーフェスを再構築しますので適宜使い分けます.

  • Rebuild
    • UV両方向を再構築
    • 再構築後の次数は制御点数より少ない数で任意に設定可能
    • 制御点数と次数が再構築前と同じでも再構築により少し形状が変化
  • RebuildUV
    • UもしくはVの1方向のみを再構築
    • 再構築後の次数は最大でオプション「タイプ(T)=ユニフォーム」にて 3次
    • 再構築を行わない方向の制御点数および次数は元のままで比較的再構築前の制御点配置がそのまま反映

再構築したフィレットサーフェスの U方向 の次数は 3次 なので最終的には「次数を変更(ChangeDegree)」で 7次 にします.「次数を変更(ChangeDegree)」で 3次 から 7次 にする場合,次数を変更する方向の制御点に新たに4つ(セット)が元のサーフェスに対して増えます.

「次数を変更(ChangeDegree)」で 7次 に変更して制御点が増える前にまず 3次 の時点で制御点の配置を整えておきます.

洗濯機上面と側面間のフィレットおよび前面と側面間のフィレットはそのプロファイル曲線の制御点の Y座標 をほぼ一致するようにしていましたので両フィレットサーフェス間にある今編集しているサーフェスの制御点の Y座標 もそれらと大体一致するものと考えられます.そこで「制御点を選択 > U方向をすべて選択(SelU)」で8列の1つずつ U方向 の制御点を選択して「XYZを設定(SetPt)」でワールド座標系の Y座標 の設定にて各端点を選択して Y座標 位置を整えます.

U方向 だけ次数が 3次 のうちに一度曲率連続で接続先サーフェスに「マッチング(MatchSrf)」を「ターゲットアイソカーブの方向をマッチング(M)」で行い接続します.

フィレットサーフェスの U方向 の次数を 「次数を変更(ChangeDegree)」で 3次 から 7次 に変更します.

次数が 7次 に変更された U方向 だけ曲率連続で接続先サーフェスに「マッチング(MatchSrf)」を「ターゲットアイソカーブの方向をマッチング(M)」で行い接続します.

今度は4辺全てにおいて曲率連続で接続先サーフェスに「マッチング(MatchSrf)」を「アイソカーブの方向を維持(P)」で行い接続します.

フィレットサーフェスの4辺が曲率連続で接続されているはずですので周辺のサーフェスと全て「結合(Join)」してから「エッジを表示(ShowEdges)」で隙間が無いことを確認し.また「曲率分析(CurvatureAnalysis)」でおおよその曲率連続性を見てみます.

今回のフィレットサーフェスは U方向: 15点7次,V方向: 8点7次 で4辺とも周辺のサーフェスと隙間なく接続することができました.
しかしこのようなフィレットサーフェス作成・修正時には曲率の大きい接続部周辺で制御点が足らずに形状が精度内で一致せずに隙間が出来てしまうことが頻繁にあります.このような場合には次の手順を(繰り返し)行うと隙間なく接続されるようになります.

  1. 曲率の大きな接続部周辺に「ノットを追加(InsertKnot)」を実行(形状追従性を向上)
  2. 全辺に対して再度サーフェスの「マッチング(MatchSrf)」を実行
  3. 隙間の有無を「エッジを表示(ShowEdges)」で確認 → あれば 1. から再度実行

大体曲率連続接続になっているので後は「曲率変化率連続」になるように全ての第4制御点について第1〜3制御点に対する位置の調整を行います.

第4制御点の位置調整をする際にガムボールの白い丸をクリックするとガムボール設定が表示されるので適宜ガムボールの移動方向を「ワールドに合わせる」や「ビューに合わせる」に変更したり,「ドラッグ強度」を小さく設定して微妙な位置修正をできるようにするとより良く編集できると思います.

全ての第4制御点の位置を大体調整して「曲率表示オン(CurvatureGraph)」を行ったのが右の図です.おおよそ曲率変化率連続(G3)に近い状態になっているかと思います.

「ゼブラ(Zebra)」表示をして「縞の方向」と「縞のサイズ」を変更したものが次の図です.ゼブラも比較的良く通っているように見えます.

また,作成したポリサーフェスを「環境マッピング(Emap)」表示を行ってもサーフェスやその接続の滑らかさの様子を見ることができます.

これで洗濯機本体の隙間があった部分のサーフェスもできましたので今回作成・編集したサーフェスで置き換えた洗濯機本体のポリサーフェスを再構成して「結合(Join)」したものが右の図です.

洗剤トレイ付近形状 – 制御点移動による曲面の作成

今回の記事の最後に平面に接続する場合において曲率変化率連続接続されるサーフェスのパワープレー気味ですが簡単な制御点移動による曲面の作成方法を1つ紹介します.

本項で作成するのは左の図の赤い楕円で囲ったところにある洗濯機の洗剤投入トレイに指を掛けるためのトレイ後ろ側本体窪み形状のサーフェスです.

洗剤トレイとそれが入る洗濯機本体部分のモデリング手順はここでは省略して既にあるものとします.

上面図に少しサーフェス範囲の線が入っているので洗濯機上面平面前端曲線の同心円やトレイの中心線からのオフセットラインを描画してサーフェスの作成範囲の参照線とします.

新たに作成するサーフェスの1辺として同心円間に円の中心からサーフェス端の方向に「直線(Line)」を描画します.

描画した直線を同心円中心周りに「回転(Revolve)」でサーフェスを作成します.

この「回転(Revolve)」で作成されたサーフェスは円弧方向は 3点2次,直径方向は 2点1次 で構成されたサーフェスになります.

このサーフェスを変形して曲面にしても洗濯機上面の平面に曲率変化率連続で接続するには洗濯機上面につながるサーフェスの辺から第4の制御点までこの平面上に位置していれば良いので「リビルド(Rebuild)」して制御点と次数を変更して再構築します.

リビルド(Rebuild)」で U方向 を 16点7次 に V方向 を 8点7次 にします.

洗濯機上面の平面に接続する3辺から第4までの制御点以外の制御点を選択してガムボールで Z軸方向 に -15mm 移動させます.

「曲率表示オン(CurvatureGraph)」をすると平面に接続する3辺が曲率ゼロ,曲率変化率ゼロになっていることが見て取れます.

このように NURBS サーフェスの接続連続性と制御点と次数の関係が分かっていると単純な操作で滑らかに接続するサーフェスを作成できるケースもありますので便利です.

以前の記事も含めてこれまで紹介してきたようにサーフェスの作成方法は様々ありますが,最終的には適切な次数で「制御点群をどう配置して意図するサーフェスを作るか」という点が NURBS サーフェスでは大事な点となります.

今回作成したサーフェスを含めた洗濯機モデルの全体像は右の図のようになります.

今回の記事はここまでです.


「滑らかなサーフェス – 作成編」などサーフェスの作成方法に主眼を置いたモデリングの記事は今回で終了となります.

本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(10)部品作成編」

として,洗濯機の扉などの部品の作成例を紹介する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(8)滑らかなサーフェス – 作成編(その3)

前回は「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(7)滑らかなサーフェス – 作成編(その2)」としてサーフェスのプロファイル曲線の制御点や次数を少し意識した滑らかなサーフェスの作成例を紹介しました.

今回は NURBS サーフェスの制御点や次数を編集する作成・調整方法について紹介しつつ,前回の記事中では暫定的にオープンエッジのままとしていた箇所,左の図で赤く示した辺りのサーフェスを作成します.

編集対象となる「サーフェスを抽出(ExtractSrf)」してから洗濯機のソリッドモデルを非表示にしておきます.

前面の上下を接続する大きめのフィレットサーフェスに合わせて新しいサーフェスを作成したいので,既存のフィレットサーフェスを「分割(Split)」して不要部分を削除します.

この際,コマンド内設定で「切断に用いるオブジェクトを選択」に「アイソカーブ(I)」を指定し,洗濯機前面の上下を接続する大きめのフィレットサーフェスの端点にアイソカーブを合わせて分割します.

アイソカーブ(Isocurve)
「アイソカーブ」はサーフェスの UV 各方向に沿った曲線で,サーフェス上の1点における各方向の制御点配置と次数がそのまま反映されます.アイソカーブではないサーフェス上の曲線や分割線は Rhinoceros では 多点3次 の曲線として扱われるため,3次 よりも大きな次数の NURBS サーフェスの場合はそのアイソカーブに比べてアイソカーブではないサーフェス上の曲線は滑らかではない可能性が高いです.よって,サーフェスを分割する場合は可能であればアイソカーブで分割すると,その分割部に接続するサーフェスを作成する際に滑らかなサーフェスを作成しやすくなります.

フィレットサーフェスに隣接する角部の大きい方のサーフェスも同様にアイソカーブで「分割(Split)」します.

新規に作成するサーフェスを既存の洗濯機前面上下間サーフェスに合うものにしたいのでその既存のプロファイル曲線の制御点をサーフェスの1辺の曲線を作成するための参考点とします.

洗濯機前面上下間サーフェスの中心の「アイソカーブを抽出(ExtractIsocurve)」し,抽出したアイソカーブに対して「点を抽出(ExtractPt)」を行い,扱いやすいように「グループ化(Group)」します.

抽出した制御点のグループをブレンド曲線の参考点とするために「配置 > 2点指定(Orient)」で「コピー」を「はい」,「スケール」を「3D」に設定することで作成するサーフェスのレール曲線を作成する部分の各両端にスケールコピーします.

「曲線ブレンド(調整)(BlendCrv)」で各制御点をコピーした点群にスナップすることで曲線を作成します.曲線を作成できたら点群は非表示にするか削除しておきます.

洗濯機側面の平面も暫定的なトリムラインになっているので「境界曲線を複製(DupBorder)」してから「すべてトリム解除(UntrimAll)」を一度して,境界曲線の一部を作成したレール曲線に置き換えて再度「トリム(Trim)」します.

ここの新しいサーフェスは周辺の面構成から判断するに「レールに沿って回転(RailRevolve)」で作成するのが良さそうです.

「レールに沿って回転(RailRevolve)」でのサーフェス作成に必要なデータは「プロファイル曲線」「レール曲線」「回転軸」で,前者2つは既にあり,「回転軸」の方向は Y軸と平行 にするので回転軸の「中心点」1つを準備します.

準備として下の図のように,解析ツールの「半径(Radius)」のコマンド内オプションで「半径カーブを作成(M)=はい」にすると曲率半径に対応した円を作成してくれるのでそれを利用します.そして作成した円の中心点と作成するサーフェスの端点を結んだ線を2つ描画してその交点を「レールに沿って回転(RailRevolve)」の回転軸の1つの「中心点」として軸方向はその中心点から Y方向の1点 を [ Shift ] キーで指定することにします.

準備が整いましたので「レールに沿って回転(RailRevolve)」でサーフェスを作成します.

「輪郭曲線」(プロファイル曲線)と「レール曲線」回転軸の「始点」(交点)と「終点」(交点からY軸と並行方向の1点)を指定します.

「レールに沿って回転」で作成したサーフェスは周辺のサーフェスとの接続および接続条件が確約されたものではないので,作成したサーフェスのエッジで接続先サーフェスがある3辺について接続条件のマッチングを行います.

サーフェスの「マッチング(MatchSrf)」を実行し,コマンド内オプション「複数マッチング(M)」として「m」を設定してから3辺それぞれにおいて「接続させたいエッジ」とその「接続先のサーフェスエッジ」の選択を行います.

( 都合 6回 選択クリック = 3辺 ✕( 接続させるエッジ + 接続先のサーフェスエッジ ) )

  • 連続性: 曲率
  • 一番近い点でエッジをマッチング
  • アイソカーブの方向を維持

サーフェスのマッチングを行ったら他のサーフェスと「結合(Join)」して,まずは「エッジを表示(ShowEdges)」で隙間が無い(=位置連続)ことを確認します.

「マッチング(MatchSrf)」では「曲率連続」までしか合わせないので「曲率変化率連続」については各種「解析」ツールを利用して目視でチェックします.

「ゼブラマッピング(Zebra)」は作成したサーフェスと上下のサーフェスや洗濯機側面の平面ともに縞模様が滑らかにつながっていますので曲率連続から曲率変化率連続ぐらいの連続性であろうと思われます.

ポリサーフェスを「分解(Explode)」して作成したサーフェスだけ「曲率表示オン(CurvatureGraph)」させたのが右の図です.

洗濯機側面の平面(曲率ゼロ)に対して V方向 の曲率が変化率も含めて連続しているように見えます.

右の図は作成したサーフェスに対して「制御点表示オン(PointsOn)」をして洗濯機前方(Rhinoceros での Right ビュー)から見た図です.

洗濯機側面の平面からつながる制御点各4点が洗濯機側面平面と同一平面内にあるので,制御点の配置からも曲率ゼロの平面に曲率変化率連続で接続しているであろうことが見て取れます.

ゼブラマッピングを見ていて今回作成したサーフェスとは別のサーフェスの接続連続性があまり良くない箇所を見つけました.

ゼブラのずれは単に「解析メッシュが粗いことで生じてしまう見かけ上のずれ」の場合もあります. その確認は「ゼブラオプション」内の [ メッシュを調整… ] ボタンから「最大エッジ長さ」を短くしてメッシュを細かくしてゆくことで解消されるような場合は「見かけ上のずれ」と考えられます.

ただ,今回はメッシュを細かくしてもゼブラのずれは解消されませんでした.

筆者の経験では「円弧(Arc)」を分割すると,サーフェスの作成経緯からはゼブラはずれないであろう箇所でゼブラのずれが生じることが多く起きるように感じています.

このフィレットサーフェスはこの後作成するフィレットサーフェスにも影響するのでこの時点で修正しておきます.フィレットサーフェスの U方向 である 3点2次 の円弧を必要な部分だけを 8点7次 の NURBS データに変換してからサーフェスの「マッチング(MatchSrf)」することで曲率変化率接続のサーフェスに修正します.

「マッチング(MatchSrf)」で接続する先のサーフェスの端点からのアイソカーブで「分割(Split)」して必要な部分を残します.

「分割(Split)」を行っただけでは基となるサーフェスの一部となっているだけですので,基となるサーフェスをトリム境界線近くまで縮小するために「トリムサーフェスをシュリンク(ShrinkTrimmedSrf)」を実行します.

そして「次数を変更(ChangeDegree)」で縮小したサーフェスの U方向 の次数を 7 に変更し, V方向 についても指示を問われますがこちらも基と同じ 7 として実行します.これにより U方向 の制御点が次数に合わせて 8 (=次数+1)に変わります.

次数の変更を行ったサーフェスに対して「マッチング(MatchSrf)」を実行して2辺を接続先のサーフェスと曲率連続にします.

「制御点表示オン(PointsOn)」と「曲率表示オン(CurvatureGraph)」により曲率連続にしたサーフェスの曲率接続状況を確認します.

曲率変化率連続は「マッチング(MatchSrf)」では調整されないので,目視確認して修正が必要であれば接続端から4番目の制御点を手動で調整します.

今回は元々のサーフェスが曲率変化率連続接続で作成して変更も主に次数のみの小さなものだったので第4の制御点の調整は必要ありませんでした.

このサーフェスの U方向 の制御点は 8点 なので曲率変化率連続の場合は 4番目の制御点 も 1辺あたり8個 で 両辺で16個 ありますのでざっと各16点について確認します.

このように制御点が多くなると調整作業も多くなってしまうのでサーフェスを作成・修正変更する場合に必要十分な少ない制御点のサーフェスとなるようにすると良いです.

修正前と後のゼブラマッピングをアニメーションで比較してみると改善されているようです.

修正したフィレットサーフェスが良さそうなので Z=350mm でミラーリングして下部のフィレットサーフェスも置き換えておきます.

分析メッシュの消去
Rhinoceros 7 の Mac 版ではあまり気にしたことなかったのですが Windows 版の場合に解析で作成されたメッシュが全て保存されるようになっており 3MB ほどのデータが 6GB ほどのファイルとして保存されて上書き保存も難しい状況に陥ってしまいました.この対策として時々「分析メッシュを消去(ClearAnalysisMeshes)」を行うと再度分析するときには時間がかかりますがファイルサイズを小さくすることができます.

洗濯機前面と側面間に穴として残っているフィレットサーフェスも「レールに沿って回転(RailRevolve)」で作成して「マッチング(MatchSrf)」で修正を行います.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(9)滑らかなサーフェス – 作成編(その4)」

として,暫定的に隙間を開けてしまっている部分の残り,洗濯機前面・上面・側面が合わさるコーナー部を塞ぐサーフェスの作成例を紹介する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(7)滑らかなサーフェス – 作成編(その2)

前回は「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(6)滑らかなサーフェス – 作成編(その1)」として Rhinoceros のコマンドを利用した滑らかなサーフェスの作成例を紹介しました.

今回は NURBS の次数と制御点を少し意識したサーフェスの作成方法について説明します.

洗濯機両サイドの角部周辺サーフェス

まず,洗濯機両サイドの角部周辺のサーフェスを作成します.

側面視(Rhinoceros の Back ビュー)に線があるのでこれをサーフェスの1辺とします.このサーフェスの1辺に相当する線を「直線(Line)」で描画します.

また洗濯機側面後部の辺を「エッジを複製(DupEdge)」で複製します.

そして「洗濯機側面後部の辺を複製した曲線」の「サーフェスの1辺に相当する線」よりも高い部分を「トリム(Trim)」します.

ブレンド曲線を「曲線ブレンド(調整) (BlendCrv)」で描画します.

  1. 1つ目の接続先に先程トリムした曲線を選択
    • 接続条件: G3(曲率変化率連続)
  2. 2つ目の接続先を BlendCrv コマンド内の設定で「エッジ(E)」に設定してから洗濯機上面後端のエッジを選択
    • エッジ接続の場合は接続条件は「位置連続」になる
    • 描画時にそのエッジ上で制御点を調整可能

ブレンド曲線の描画中にビューを洗濯機正面(Rhinoceros の Right ビュー)に移動して図面上の洗濯機上部角部形状に沿うように制御点の調整をしてからブレンド曲線の描画の確定をします.

結果, 5点4次 の NURBS 曲線になります.

「曲線を押し出し(ExtrudeCrv)」でサーフェスを作成します.

洗濯機上面と側面間のサーフェス作成で使ったプロファイル曲線をコピー移動して洗濯機前面と側面間のサーフェスも作成します.

洗濯機前面は球面サーフェスですので平断面でトリムすると円になりますのでその円の中心を通る Y軸 と平行な軸回りにプロファイル曲線を「回転(Revolve)」します.

洗濯機前面サーフェスをこれまで作成してきた洗濯機ソリッドモデルから「サーフェスを抽出(ExtractSrf)」して新規サーフェスの作成作業を失敗しても元ソリッドに影響がないようにしておき,また洗濯機ソリッドモデルは「非表示」か「ロック」状態にしておきます.

洗濯機前面サーフェスのトリムをします.洗濯機上面と側面間のサーフェスの上端のエッジを「複製(DupEdge)」した曲線で上面視(Top ビュー)でトリムします.

前述のようにここでトリムされた前面サーフェスのエッジは円弧ですので,洗濯機側面視(Rhinoceros の Back ビュー)で Osnap の「中心点」をチェックして「円(Circle)」を描画します.この円弧エッジをクリックすることで中心点を選択してこの円弧の端点をクリックして半径を決定します.

円を描画したら「回転(Revolve)」でサーフェスを作成するプロファイル曲線の配置が容易なのと洗濯機前面付近のみサーフェスを作成したいので,円の中心から水平に直線を描画して円の下半分をトリムします.

円の前端部にサーフェスのプロファイル曲線を配置します.「コピー(Copy)」して「回転(Rotate)」しても良いですし,前回の記事で利用した「3点指定配置(Orient3Pt)」でコピー配置しても良いです.

「回転(Revolve)」を使ってプロファイル曲線を円の中心を通る Y軸 に並行な軸回りに 0° から洗濯機上面より高い位置までサーフェスが作成するよう角度を指定してサーフェスを作成します.

洗濯機前面下部のサーフェスが上部サーフェスを Z=350mm の面で「ミラー(Mirror)」したものであるのと同様に洗濯機前面と側面間のサーフェスもミラー反転するとともに Z=350mm でトリムして「結合(Join)」します.

前回の記事までで作成した洗濯機ソリッドモデルのサーフェスをトリムしたものに置き換えるなどして今回新しく作成したサーフェスと「結合(Join)」したポリサーフェスが右の図です.

結合したポリサーフェスでは「エッジを表示(ShowEdges)」で洗濯機前面・側面・上面の交わる頂点付近に隙間が確認できますが,この箇所は後でフィレットサーフェスを作成して閉じるので,ここでは暫定的に各辺の交点を結んだ直線で洗濯機側面視で両サーフェスをトリムしています.

互いが同じサーフェスに接続する曲率変化率連続のサーフェス同士の場合,サーフェスの交差角度が浅すぎて交わる曲線を Rhinoceros が計算できないことがあります.サーフェスを細分しながら交線を計算させたり,計算できた範囲の交線と大体それらしい曲線を手動で描画したりして閉じたポリサーフェスにすることも可能ですが,今回は最終的には使わないトリムラインですので暫定的にオープンエッジにしています.

曲率変化率連続フィレットサーフェス

前回の記事の四角いボタンのモデリングでは「曲率連続フィレットサーフェス」を作成し,また丸いボタンの角部は「曲率変化率連続曲線」を「回転(Revolve)」して「曲率変化率連続のフィレットサーフェス」を作成しました.

ここでは前回の丸いボタンの方法の応用として「曲率変化率連続曲線」を「曲線を押し出し(ExtrudeCrv)」し,また「制御点を編集した曲率変化率連続曲線」を「回転(Revolve)」して「曲率変化率連続フィレットサーフェス」を作成します.

まずは洗濯機上面と側面コーナー部の間に「曲率変化率連続のフィレットサーフェス」を作成します.先述のコーナー部の大きめのサーフェスと同じように曲率変化率連続のプロファイル曲線を作成して「曲線を押し出し(ExtrudeCrv)」でサーフェスにします.

プロファイル曲線は洗濯機の上面図にフィレットの長辺の線が見られるのでそれを目安にして両端の接続条件「G3(曲率変化率連続)」にて 8点7次 の曲線を描画します.

プロファイル曲線を「曲線を押し出し(ExtrudeCrv)」してフィレットサーフェスを作成します.

次に洗濯機前面と側面コーナー部の間に「曲率変化率連続のフィレットサーフェス」を作成します.これもコーナー部の大きめのサーフェスと同じように曲率変化率連続のプロファイル曲線を作成して「回転(Revolve)」でサーフェスにします.

先程の “洗濯機上面と側面コーナー部の間に「曲率変化率連続のフィレットサーフェス」” のプロファイル曲線をコピー配置します.

洗濯機前面の球面サーフェスに曲率変化率連続で接続するので曲線の修正が必要で,次の図にあるような側面コーナー部形状と洗濯機前面の形状の両方に曲線変化率連続接続するプロファイル曲線にします.

また,修正したプロファイル曲線が元のプロファイル曲線と同じような制御点配置をしていると後の記事で取り上げる両フィレットサーフェス間をつなぐフィレットサーフェスを作成するときに便利なので制御点の Y方向位置 を揃えるようにします.

制御点の Y方向位置 を揃えるための補助線を描画しておきます.

  1. コピー配置したプロファイル曲線を選択後「点を抽出(ExtractPt)」にて制御点を描画
  2. 抽出した制御点群をまとめるために「グループ化(Group / Ctrl-G)」
  3. Y座標の補助線として洗濯機前面形状側から第2,3,4点目から「直線(Line)」を X軸方向 に描画
  4. 描画した3直線をまとめるために「グループ化(Group / Ctrl-G)」

プロファイル曲線の修正の方法は主に2つの方法「再構築的方法」と「修正+調整的方法」があるのではないかと考えています.

8点7次 の曲線のようなブレンド曲線(BlendCrv)の機能に備わっているのと同じ曲線の場合は「再構築的方法」を用いて,曲線の次数+1個よりも多い制御点を持つようなブレンド曲線(BlendCrv)の機能に備わっていない曲線の場合は「修正+調整的方法」を用いると比較的整った曲線ができるのではないかと思います.

  • 再構築的方法
    1. 「曲線ブレンド(調整)(BlendCrv)」で修正元の曲線と同じ接続条件を選択
      (今回は両端とも G3 接続)
    2. 「曲線ブレンド」で描画中に制御点を修正元の曲線の制御点(の抽出点)や
      補助線上に合わせたら描画確定
  • 修正+調整的方法
    1. 曲線を選択して「マッチング(Match)」コマンドを開始して接続先曲線の端点近くをピック
    2. 連続性を「曲率」に設定してマッチングを確定実行
      (Rhinoceros のマッチングの機能として「曲率連続」までしかない)
    3. 修正している曲線の制御点を表示(P-On)と曲率を表示(CurvatureGraph)にする
    4. 曲率変化率連続にしたい場合は曲率表示のグラフを見ながら接続先側から第4の点をガムボールで位置調整
    5. 第2,第3の点も補助線上に来るように調整した場合はそれぞれ接線連続性と曲率連続性も崩れるので本リストの 1. に戻って良好な曲線が得られるまで繰り返す

「修正+調整的方法」はサーフェスのマッチング修正でも同様のことを3次元的に行います.これは次回の記事で紹介する予定ですので,予習的に今回の2次元上での調整方法を体験しておくのも良いかもしれません.

プロファイル曲線ができてしまえば後は洗濯機の上面と側面のコーナー部サーフェスと同じ軸回りの「回転(Revolve)」と「ミラー(Mirror)」を実行して適切にトリム・結合するとフィレットサーフェス作成は終了です.

ここでも暫定的にオープンエッジを残しています.

一部のサーフェスを曲率分析(CurvatureAnalysis)したときのキャプチャ画像が次の図です.

洗濯機前面フィレットサーフェス

洗濯機の前面と上面の間の少し大きめのフィレットサーフェスと洗濯機前面の上下のミラー反転されているサーフェス間の大きめのフィレットサーフェスもこれまで紹介してきた方法と同様に曲率変化率連続のサーフェスとして作成しますので,大まかに紹介します.

フィレットを架けるサーフェスを洗濯機のポリサーフェスから抽出して編集します.

  • 洗濯機の前面と上面の間のサーフェス
    1. 上面図にあるフィレットのエッジと思われる曲線などから判断して,
      上面から 30mm 低い高さを洗濯機前面側のエッジとする
    2. 洗濯機中央(XZ平面)上にプロファイル曲線を側面図と照らし合わせながら
      曲率変化率(G3)連続で描画
    3. 「回転(Revolve)」でサーフェスを作成
  • 洗濯機前面の上下のミラー反転されているサーフェス間のサーフェス
    1. 上下ミラーした高さ Z=350mm から ±50mm の範囲の前面サーフェスをトリム
    2. 同様に洗濯機中央(XZ平面)上にプロファイル曲線を側面図と照らし合わせながら曲率変化率(G3)連続で描画
    3. 「回転(Revolve)」でサーフェスを作成

右の図は洗濯機両サイドのフィレットエッジの Y座標 で新規作成した2つのフィレットサーフェスをトリムして結合したものです.

洗濯機全体のポリサーフェスのうち洗濯機前面と上面のサーフェスをフィレットを追加したポリサーフェスで置き換えて結合して「エッジを表示(ShowEdges)」したのが右の図です.

まだ暫定的に隙間を開けたままにしています.

さらにレンダリング表示をしてキャプチャした画像が右の図です.

だいぶ洗濯機本体の細かいサーフェスも作成できてきたように思います.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(8)滑らかなサーフェス – 作成編(その3)」

として,今回は暫定的に隙間を開けてしまっている部分を塞ぐサーフェスの作成をする過程で

  • NURBS サーフェスの制御点や次数を直接的に編集するようなケース

について説明する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(6)滑らかなサーフェス – 作成編(その1)

前回 「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(5)滑らかなサーフェス – 知識編」 では 3D モデリングにおける滑らかなサーフェスとは何かについて曲率などの連続性や CAD やサーフェスモデラ内での形状表現のされ方について説明しました.

今回は前回の記事の知識を踏まえて滑らかなサーフェスの作成例について説明します.

滑らかなサーフェスは Gazebo や MoveIt のモデルを作成する場合においてはあまり重要性は高くない… と前回の記事を書いた時点では考えていましたが,今後,Gazebo や MoveIt を走らせる PC の CPU / GPU 性能が向上して細密メッシュモデルを使った精密なシミュレーションへの要求も段々と高くなるかもしれない,とも思いました.

洗濯機前面上部の操作ボタン

サーフェスはモデル内で大きいものから順に作成していった方が全体のバランスを確認しながら作業を進められて修正作業が必要になる量も少なくなるので良いと思います.

ただ,本記事ではまず,Rhinoceros に備わっているコマンド1つほどであまり制御点とか次数とか細かく意識しなくても作成できる曲率連続の滑らかなサーフェスの例として小さいサーフェスの洗濯機前面上部の操作ボタンのモデリングについて説明します.

四角いボタンのモデリング

洗濯機の前面視( Rhinoceros の Right ビュー )で四角いボタンの大きさを見ると大体 20mm 角でした.

ボタンを1つモデリングして,それを洗濯機前面のサーフェス上に8つコピーして配置します.

左の図は四角いボタンのソリッドモデルの作成過程をアニメーション化した画像です.

各手順を以下に順を追って説明します.

20mm の正方形の線を選択して「テーパで平面曲線を押し出し(ExtrudeCrvTapered)」 を実行し,ドラフト角度 15° の設定で 3mm 押し出します.

  • テーパで平面曲線を押し出し
    • メニュー: ソリッド(O) > 平面曲線を押し出し(X) > テーパ(T)
    • コマンド: ExtrudeCrvTapered

四隅を「曲率連続」で丸めるために「エッジをブレンド(BlendEdge)」を実行して四隅のエッジを選択します.

デフォルトでは半径が 1mm となっていてモデリングしたい四隅の半径はもう少し大きいので洗濯機前面図と比較しながら寸法を調整します.

  • エッジをブレンド
    • メニュー: ソリッド(O) > エッジをフィレット(F) > エッジをブレンド(B)
    • コマンド: BlendEdge

「エッジをブレンド」コマンド内の設定を次のようにして

  • ハンドルを連動(L)=はい
  • レールタイプ(R)=レール間の距離(I)

次にコマンド内設定で「全てを設定(T)」で半径(上記設定の場合はレール間の距離)を 8mm にしてコマンドを確定します.

「エッジをブレンド」コマンド内の「レールタイプ」の設定は「レール間の距離」にした場合が比較的綺麗なフィレットがかかるように思っているので設定しました.フィレットをかけるサーフェスの組み合わせによって他の設定の方が良い場合もあるので各モデリング対象にて適宜選択してください.

今度は指で押す面の周囲にブレンドエッジを作成します.「エッジをブレンド(BlendEdge)」コマンドを実行してコマンド内設定 「次の半径(R)」 を 2mm に設定してから該当するエッジをすべて選択して確定・実行します.

下の図は「エッジのブレンド」でフィレットを作成した四角いボタンの平均曲率解析とゼブラ解析の表示結果です.

これらのブレンドエッジは数ミリと小さいので問題にはあまりなりませんが,大きなサーフェスとしてブレンドエッジを作成する場合は応用的に次のリストの項目を調整編集すると良いでしょう.

  • ブレンドエッジ関連で応用的な項目
      • BlendEdge だとフィレット接続する方向は 5次-6点 で「曲率連続」になるが,長手方向は 3次-多点 になってしまいガタつく
        • →「次数を変更(ChangeDegree)」で長手方向の次数を 7次 に変更してサーフェスマッチングを行い再接続する
        • → 制御点が多すぎる場合は RebuildUV コマンドで U方向 のみ制御点を少なくしてリビルドして(この時点ではまだ 3次-多点 ),その後で「次数を変更(ChangeDegree)」で U方向を 7次 に変更してサーフェスマッチング(MatchSurf)
      • テーパ押し出しの基となった正方形も各辺直線ではなく少し外に膨らむ緩い円弧にするとより滑らかな感じになる

四角いボタンのモデルができましたので洗濯機前面のサーフェス上にコピーして配置します.

ボタンの押される方向の軸と洗濯機前面のサーフェスの法線軸を合わせ,かつ上下辺を水平に配置したいので「配置(3点指定)・(Orient3Pt)」を利用してコピーします.「 配置(3点指定)」は下記リストの 3点 を移動元と移動先で指定して配置変換するものです.

  1. 移動原点
  2. 移動原点から第1の方向を決める方向上の点
  3. 移動原点と第1方向点で構成される軸回りの方向を決める点

四角いボタンの移動先とするために配置するサーフェス上の法線方向と接線方向の直線を各配置点で描画します.まず,YZ 平面上に四角いボタンを配置する中心線を描画して,洗濯機前面視(Rinoceros の Right ビュー)にてそれらをサーフェスに「投影(Project)」します.

  • 投影
    • メニュー: 曲線(C) > オブジェクトから曲線を作成(F) > 投影(P)
    • コマンド: Project

「直線(Line)」を実行してコマンド内で「法線(N)」を指定,もしくはメニューから「サーフェス法線(U)」を実行して,サーフェスを選択後,サーフェス上にある投影した中心曲線の交点を選択して法線を描画します.

今回の「配置(3点指定)・(Orient3Pt)」ではスケーリングコピーはしないので長さは適当で大丈夫です.順次各点における法線を描画して合計8軸を準備します.

  • サーフェス法線
    • メニュー: 曲線(C) > 直線(L) > サーフェス法線(U)
    • コマンド: Line → 法線(N) を選択

洗濯機前面の球面サーフェスに食い込む形で四角いボタンを配置したいのでコピー元となる点を 1mm ボタンの高さ方向へ移動しておいてから「配置(3点指定)・(Orient3Pt)」でコピー元,コピー先の各3点を指定してボタンをサーフェス上に配置します.

  • 配置(3点指定)
    • メニュー: 変形(T) > 配置(O) > 3点指定(3)
    • コマンド: Orient3Pt

コピー元の3点指定
コピー先サーフェス上のの3点指定

8つの四角いボタンを洗濯機前面のサーフェス上に配置してゴースト表示とレンダリング表示をしてそれぞれキャプチャしたものが次の2つの画像です.

丸いボタンのモデリング

丸いボタンの直径は大体 50mm ぐらいのようです.

丸いボタンのように軸回転形状のものは回転形状のプロファイル曲線を作成してそれを軸回りに回転してソリッドモデル(閉じたポリサーフェス)とするのが一番簡単だと思います.

丸いボタンモデルの作成自体は上記四角いボタンのように作成しやすい場所で作成して,軸回りの形状は軸対称で同じなのでそれを今度は「配置(2点指定)・(Orient)」でコピー移動して洗濯機上のサーフェスに配置します.

丸いボタンのモデリングと配置の作業手順をまとめると次のようになります.

  1. 回転中心軸を含む平面上に回転形状プロファイル曲線を描画
  2. 回転中心軸回りに「回転(Revolve)」にて1周分のサーフェスを作成
  3. 作成されたサーフェス群を「結合(Join)」してソリッド(閉じたポリサーフェス)にする
  4. 丸ボタンモデルのコピー元原点とコピー先の原点と方向(サーフェス法線方向)を描画
  5. 「配置(2点指定)・(Orient)」でコピー移動

回転方向は曲率一定になるので回転プロファイルの曲線さえ滑らかな曲線を作成すれば回転で作成するポリサーフェスも滑らかになります.そこで丸ボタンの回転プロファイルを次の図のように作成するのですが,ボタンの側面と指で押される面に相当する曲線間に滑らかなフィレット曲線を作成します.

ボタンの側面と指で押される面に相当する両曲線に接する円を描画して円の接する点でトリムするとその間の曲線の接続も比較的バランス良く繋がります.円との接点でトリムされた両曲線間に「接続(BlendCrv)」で曲線を作成します.

  • 接続
    • メニュー: 曲線(C) > 接続(U)
    • コマンド: BlendCrv

「接続(BlendCrv)」内の設定で各接続点における接続条件を設定します.連続性を「曲率」もしくは「G3(曲率変化率)」を設定すると各設定に応じた滑らかな曲線が描画されます.各制御点は [ Shift ] キーを押しながらマウスでドラッグすると対象な点も同時に移動してくれるので便利です.曲線形状や曲率変化を見ながら制御点を調整して意図した形状で確定をします.

回転形状のプロファイル曲線が作成できたら「回転(Revolve)」 で曲線を回転したサーフェスを作成します.

  • 回転
    • メニュー: サーフェス(S) > 回転(V)
    • コマンド: Revolve

1回転分のサーフェスを作成するにはコマンド内で「360度(F)」を指定します.

右の図(ワイヤーフレーム表示)のようなボタン形状のサーフェスが作成されます.

1回転分作成したサーフェスをすべて選択して「結合(Join・Ctrl-J)」してソリッドモデル(閉じたポリサーフェス)にします.

<参考>
Rhinoceros 上では回転形状プロファイル曲線群を先に「結合(Join)」してから「回転(Revolve)」しても同じ形状になるのですが,サーフェスのフィレットのような回り込みの大きい形状と一体化したサーフェスをメッシュ化するときにフィレット形状付近を飛ばして粗いメッシュが作成されてしまうことがあります.フィレット形状部分のサーフェスは一体化したものとせずに別体のものを作成した後「結合(Join)」した方がフィレットサーフェスのエッジがメッシュ境界に反映されるので適切な形状のメッシュ作成のためには良いでしょう.

丸いボタンのソリッドモデルが作成できたら「配置(2点指定)・(Orient)」で洗濯機前面サーフェス上の法線方向に合わせてコピー移動します.先述したように軸回りの形状は軸対称で同じなので位置と方向1つのみの指定の移動変換をします.

四角いボタンと同様に前面サーフェスに少し食い込ませたいので丸いボタンの背面から 1mm 入ったところをコピー原点としてからボタンを押す方向軸上の1点を選択して,コピー先の洗濯機前面サーフェス上の点と法線方向を指定してスケーリングしない設定でコピー移動します.

  • 配置(2点指定)
    • メニュー: 変形(T) > 配置(O) > 2点指定(2)
    • コマンド: Orient

丸いボタンを洗濯機前面サーフェス上に配置したものを四角いボタンと併せて Perspective ビューにゴースト表示させたものが次の図です.

レンダリング表示にしてキャプチャした画像が次の図です.

洗濯機本体とボタン類のソリッドモデルをブーリアン演算して一体化するのは全ての作業の最後で良いので,他のモデリング作業の邪魔にならないようにとりあえず新しいレイヤー buttons(例)を追加してそこに移動しておきます.

今回の記事はここまでです.


本シリーズ次回の記事は引き続き滑らかなサーフェスの作例紹介で

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(7)滑らかなサーフェス – 作成編(その2)」

を予定しています.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(5)滑らかなサーフェス – 知識編

前回 「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(3)基本形状編 – その2」 では洗濯機の基本的な形状で構成されるサーフェスのモデリングを行いました.

今回は発展的な内容として滑らかなサーフェスのモデリングに向けた予備知識的な内容の説明をします.

ロボットモデルはシミュレータ上で使うために結局メッシュ(ポリゴン)にしてしまうのでシミュレーションなどに利用する 3D モデル作成においては 「滑らかなサーフェス」 である必要性は高くありません.

しかし,モデリング対象の中には滑らかなサーフェスになるように設計されている製品もあります.そのような製品のモデリングの際に対象物の形状が円弧のように見えるけど何か違うので合わなくて悩むようなことがあります.そういったときに円弧などの基本的な形状以外のサーフェスもあることを知っていると,それは厳密には合わないものとして割り切って近似的に円弧などのシンプルな形状としてモデリングするということも適切に判断できると思います.

このようなことから,今回の記事はそういった 「滑らかなサーフェス」 について 「知る」 ことを目的としています.

「滑らか」とは?

「滑らか」 とはは何であるかというと,曲線やサーフェスの位置や接線方向,曲率,曲率の変化率に連続性があるということです.

上の図は 90° の角度をもつ直線間を曲線で接続させたときの連続性の違いによる曲率(黄色カーブ)のグラフ(CurvatureGraph)を表した画像をアニメーション化したものです.
(クリックで拡大)

各接続条件は次のリストのように連続性の条件が加わってゆくように考えてください.
「R形状」は「接線連続」のうち円弧で接続できる特殊なケースと捉えることができます.

  1. 位置連続
  2. 位置連続 + 接線連続
  3. 位置連続 + 接線連続 + 曲率連続
  4. 位置連続 + 接線連続 + 曲率連続 + 曲率変化率連続
  5. 位置連続 + 接線連続 + 曲率連続 + 曲率変化率連続 + 曲率変化率の変化率連続

上の図の接続連続性の異なる曲線を 「押し出し」 してサーフェスを作成してレンダリング表示にしたものが次の図です.

影の付き方が曲率や曲率変化率などの連続条件を加えてゆくと段々と滑らかになるのが見て取れるでしょうか?

サーフェスの曲率を解析して色で表した(CurvatureAnalysis)ものが次の図で,青が曲率が小さく,赤が曲率が大きいコンタ図になっています.

連続性の条件が加わるにつれて接続部周辺の曲率の変化が緩やかになっています.

また,サーフェスの滑らかさを評価するために 「ゼブラ(縞模様・Zebra)」 解析もわかりやすいのでよく利用します.

ゼブラ表示によりサーフェスの連続性がより強調されます.縞模様の通り方の滑らかさがサーフェスの接続性の滑らかさを表しています.サーフェスが滑らかに接続しているかどうかを評価したり,接続を滑らかに修正する際に役立ちます.

本シリーズの記事のモデリング対象として作成した洗濯機モデルの曲率とゼブラを表示したものが次の2つの図です.モデル全体で解析すると解析用のメッシュを細かく出来なくなるので,実際には接続性を評価する面に限って解析用メッシュをなるべく細かくして解析をするようにしています.

「制御点」と「次数」

実際に滑らかなサーフェスをモデリングする場合は,サーフェスが CAD やサーフェスモデラ内部でどのように表現されているかを理解しているとより意図したものに近いサーフェスを作成できるように思います.

Rhinoceros や一般的な CAD などでは曲線やサーフェスは NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline/非一様有理Bスプライン) という数学的モデルで表現されています.

NURBS 以外にもサーフェスの 3D 表現モデルとして SubD (Subdivision/細分割曲面) もあります. SubD はコンピュータグラフィックス系の 3D モデリングソフトウェアで利用されていますが,機構設計分野ではあまり使われていませんので本シリーズの記事の対象としません.

NURBS で表現される曲線やサーフェスが何で構成されているかは大まかに述べますと 「制御点」 と 「次数」 です.

上の図は前項目で 90° の角度をもつ直線間を連続性の異なる接続をした曲線がそれぞれどのような 「制御点」 と 「次数」 で表現されているかを示した図をアニメーション化したものです.

NURBS カーブにおいてはその接続における連続性は次のリストにある各数の「制御点」により構成されています.

  1. 位置連続 → 端点の 1 点
  2. 接線連続 → 端点を含めたの 2 点
  3. 曲率連続 → 端点を含めたの 3 点
  4. 曲率変化率連続 → 端点を含めたの 4 点
  5. 曲率変化率の変化率連続 → 端点を含めたの 5 点

「次数(degree)」 は大きな数字になるほど曲線が滑らかになります.

上の図は 90° の角度をもつ直線間を接続した 「制御点:8 次数7 の曲線(曲率変化率連続)」 をあえて 「リビルド(Rebuild)」 して 「制御点:8 次数: 3 の曲線」 にして両端点の曲率を接続先の直線に 「マッチング(Match)」 した曲線の曲率の比較です.同じ制御点数でも次数が低いと曲線内で曲率の変化率の連続性が保てなくなってしまいます.

曲線に設定できる 「次数の最大値」 は 「制御点数 – 1」 です.

両端を曲率連続にするための 「制御点が6個」 の曲線の場合は 「次数の最大値は5次」,両端を曲率変化率連続にするための 「制御点が8個」 の場合は設定できる 「次数の最大値は7次」 になります.

制御点が多いとより細かく曲線やサーフェスの形状の制御が出来ますが,編集が大変だったり,データサイズが大きくなってしまうので,最小の制御点と適切な次数で表現したい形状や滑らかさを規定できるのがベストです.

接続条件は曲線の両端で同じである必要はないので,例えば片方の端は 「位置連続」 にして,もう片方の端は 「曲率変化率連続」 にするということも可能です.この場合の必要最小限の制御点は 「位置連続側: 1点」 と 「曲率変化率連続側: 4点」 と合わせて 「5点」 は必要になります.制御点を 「5点」 とした場合の次数の最大値を採って 「4次」 とするのが良いでしょう.

制御点が少なくて意図する形状が得られないようでしたら適宜制御点を多くして,次数もそれに合わせて大きくすると良いですが,次数の方は最大でも 「7次」 で十分なように筆者は考えています.

サーフェスにおける「制御点」と「次数」

これまで曲線を例に 「制御点」 と 「次数」 について説明してきましたが,サーフェスは曲線の「制御点」と「次数」を2方向に拡張したものです.

サーフェスは 「U方向」 と 「V方向」 の2方向がある 「四角い布」 をベースに,それを伸縮・曲げを行ったり,トリムしてその一部を使ったりするイメージとして捉えることができます.

円錐体のような三角形のサーフェスもありますが 「四角い布」 の特殊例と捉えることができ,同様にUV方向それぞれの要素があります.

次の図は本シリーズでモデリング対象とするために作成した洗濯機モデルのボディの角部のサーフェスの制御点と曲率のグラフを表示したものです.四方にある接続先のサーフェスとそれぞれ(なるべく)曲率変化率まで連続するように作成しました.そのため次数を 7次 とし,制御点を U方向に 15点,V方向に 8点 を持つサーフェスとしました.

  • 図示したサーフェス例の制御点と次数
    • U方向: 制御点 15点 / 次数 7
    • V方向: 制御点 8点 / 次数 7

曲線の連続性と同じように,サーフェスの連続性も各辺毎に作成時設定できるサーフェスもありますし,マッチングの際に異なる設定で各辺で行えば可能ですが,四辺の接続先と矛盾がないようにしないと隙間のないサーフェスにならない可能性もある点が曲線に比べて難しいところです.

どれほど滑らかにする?

さて,ロボットシミュレータのための 3D モデリングにおいてはどれほど滑らかなサーフェスを作成したら良いのでしょうか?

本記事冒頭で述べたように,ロボットモデルはシミュレータ上で使うために結局メッシュ(ポリゴン)にしてしまうのでシミュレーションなどに利用する 3D モデル作成においては 「滑らかなサーフェス」 である必要性は高くありません.

曲率連続や曲率変化率連続のサーフェスでモデリングしてメッシュ化してもそのような連続性に近い状態を維持しようとするとメッシュが細かくなりデータが重くなります.ただ,そのロボットシミュレーションをデモンストレーションやプレゼンテーションで綺麗に見せたく,少しメッシュデータが重くても良いような場合はなるべく滑らかなサーフェスをモデリングすることもあるように思います.

また,メッシュのデータ量の他にモデル作成の手間も考えておくべきでしょう.

下のリストにサーフェスの連続性の違いをまとめました.技術的なロボットシミュレーションが目的であれば 接線連続 までとしてモデリング時間を省くのも1つの方法です.大きな面はメッシュで形状が潰れてしまわないので 曲率連続 や 曲率変化率連続 まで考慮したモデルとして,小さな面はメッシュ形状に埋もれてしまうので R形状 や 接線連続 としてメリハリをつけるのも良いでしょう.

Rhinoceros では「曲率連続」までは標準の機能として普通に利用できるのでロボットシミュレータのための 3D モデリングでも用いるのはそんなに手間のかかることではないように思います.

  1. 位置連続
    • 面取り形状など
    • 機械設計的
  2. R形状
    • 隅R・角Rや.前回の記事で作成したフィレットのロフトなどが例
    • フライスや旋盤で機械加工された対象物のモデリングには必須
    • 機械設計的
  3. 接線連続
    • ロボット 3D モデリングの自由曲面では多く使う場合が多いか?
  4. 曲率連続
    • 滑らかに見えるサーフェス
    • デザイン的
    • 使っている CAD やサーフェイスモデラで機能的に簡単に作成できるようだったら用いてみるのもあり
    • Rhinoceros では
      • 標準で曲率連続にサーフェフをマッチング修正する機能がある
  5. 曲率変化率連続
    • より滑らかに見えるサーフェス
    • ロボット 3D モデリングでは知識として持っていたら十分
    • 使えると造形できるものが増える
    • デザイン的
    • Rhinoceros では
      • 「作成時」に曲率変化率連続性のある曲線・サーフェスを作成する機能はある
      • 「修正時」は曲率連続マッチング機能を利用した後に,加えて曲率目視で4番目の制御各点を手動調整する必要があるので手間
        • (この曲率変化率連続マッチングを行う Plug-in があれば筆者にも教えて欲しい!)
  6. 曲率変化率の変化率連続
    • Rhinoceros では
      • 「作成時」に曲率変化率の変化率連続性のある曲線・サーフェスを作成する機能はある
      • 「修正時」に曲率目視で5番目の制御点まで手動調整するのは難しいか?

今回の記事はここまでです.

大体どのような滑らかさのサーフェスの種類があって,CAD やサーフェスモデラでそれを作成するために必要な条件や作成の手間のイメージが伝わっていると良いのですが.


本シリーズ次回の記事は

「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(6)滑らかなサーフェス – 作成編」

を予定しています.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(4)基本形状編 – その2

前回 「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(3)基本形状編 – その1」 で Box 形状や球面で洗濯機の大きな面のモデリングを行いました.

今回はその続きで,洗濯機の背面や底部のモデリングを行います.

今回のゴールは左の図の状態です.

ボディ背部のモデリング

ボディ背面の突出形状部の最後部から 40mm の幅がありますので,洗濯機の主要形状部をその分トリムします.(前回 Box 形状の Scale1D を前後方向に行わずにガムボール移動などで World 座標系で X の正方向に 40mm 移動した場合はこの手順は不要)

洗濯機の側面視で最背部から垂直な直線を描画して,前方向に 40mm 移動させ,この直線を使ってボディをトリム(Trim)します.

Perspective ビューでトリムされたボディのエッジ分析(ShowEdges)をすると次の左の図のようになります.

このような開口部エッジが同一平面内にあって閉曲線になっている場合は平面で塞ぐ 「キャップ(Cap)」 を実行できます.

  • キャップ
    • メニュー: ソリッド(O) > キャップ(H)
    • コマンド: Cap

「キャップ」の実行結果

同一平面内にある閉エッジ

次は背部に突出している形状を作成します.

背部の台形状の輪郭を描画します.上面視(Top ビュー)で座標 (-320,0) から水平の直線(Line)を後部に向かって描画して,その直線からオフセット(Offset)で オプション Both(B) で両サイドへのオフセット線をオフセット量 260[mm] = 520mm/2 で描画します.メインボディ最後部のエッジと 260mm オフセットした両直線の交点を中心に回転(Rotate)で 45°,-45° を指定して回転させて上面図画像の輪郭に合うことを確認します.

  • 回転
    • メニュー: 変形(T) > 回転(R)
    • コマンド: Rotate

また直線(Line)を座標 (-360,0) から「両方向(B)」を指定して洗濯機の幅方向に描画します.

描画した3つの直線の台形での不要部分を互いにトリムします.

Perspective ビューに移って台形の開いている部分を直線で接続して結合(Join)して曲線を閉じます.閉じた曲線を洗濯機の高さ方向(Z方向)に +90mm ガムボールで移動させます.

背面部の基礎となる 3D 形状をソリッドの「垂直に押し出し」で作成します.とりあえず上面高さまで押し出しします.

  • 垂直に押し出し
    • メニュー: ソリッド(O) → 平面曲線を押し出し(X) → 直線(S)
    • コマンド: ExtrudeCrv

洗濯機の側面視(Back ビュー)にて洗濯機背部形状の上端に相当する斜めの直線を描画して先程「押し出し」したソリッドを トリム(Trim) して キャップ(Cap) で閉じます.

洗濯機背面部上面でトリムしたモデル(キャップの前の段階)

三面図から読み取れる形状としてはここまでなのですが,洗濯機背部は角部や隅部に 「R形状」 や 「フィレット」 と言われる形状がつけられていることが多いです.

今回は三面図から 「R形状」 の寸法は読み取れないので,それを想像して寸法を決めて 「ロフトサーフェス(Loft)」 で作成します.

ロフトサーフェスは曲線と曲線の間にサーフェスを作ります.ロフトサーフェスの基となる曲線を 「フィレット(Fillet)」 で描画します.

  • フィレット
    • メニュー: 曲線(C) → フィレット(F)
    • コマンド: Fillet

フィレットの半径は最後部の平面上の方に 40mm メインボディとつながる平面上の方に 80mm のフィレットをかけるとバランスの良さそうなロフトサーフェスになるかと思います.

  • ロフト
    • メニュー: サーフェス(S) > ロフト(L)
    • コマンド: Loft

洗濯機背部上方のコーナー部にロフトでフィレットサーフェスが作成できたら ミラー(Mirror) でX軸対称に反転コピーします.そしてミラーリングして左右2つになったフィレットで洗濯機背部のソリッドモデルを トリム(Trim) します.

2つのフィレットとそれらでトリムされた背部ポリサーフェスを 結合(Join) すると1つのソリッド(閉じたポリサーフェス)になります.

洗濯機のメインのボディと背部の2つのソリッドモデルは互いに接し合っているので2つのソリッドの 「和の演算(BooleanUnion)」 を行って1つのソリッドモデルにします.

  • 和の演算
    • メニュー: ソリッド(O) > 和(N)
    • コマンド: BooleanUnion

1つのソリッドになるので,くどいようですが ShowEdges で 「閉じたポリサーフェス(=ソリッド)」 であることを都度確認すると良いでしょう.

ボディ底部のモデリング

Gazebo や MoveIt のモデルとしては洗濯機底部はロボットとインタラクションすることはあまりないと思いますので大体の雰囲気をモデリングできれば十分です.

洗濯機の足部は三面図だけではなくカタログ画像からも少し形状が分かるので三面図と併せて参考にしてモデリングします.

カタログ画像や3面図から,足部はテーパのかかった円錐台形状であろうと思われます.

側面視や前面視からそれぞれの足の中心座標を推定し,下面と上面の直径はそれぞれ 50[mm] と 54[mm] ぐらいと当たりをつけて円を描画してロフトとキャップを組み合わせてソリッドモデルを作成します.

洗濯機底部の足以外のサーフェスのモデリングの大まかな様子は次の GIF アニメーションのような感じです.モデリングの履歴(ヒストリー)を使わないモデリングなので作成手順はやり易い順番で大丈夫です.またサーフェスの作成方法も1通りしかないのではなく,例えば 「ロフト (Loft)」 でフィレット形状を作成する代わりに 「サーフェス > フィレット(FilletSrf)」 や 「エッジをフィレット(FilletEdge)」 ,「回転(Revolve)」 を使ったりすることもできます.

これまで取り上げていない機能で利用したのは 「曲線を押し出し(ExtrudeCrv)」 と 「円柱(Cylinder)」 の機能です.

  • 曲線を押し出し
    • メニュー: サーフェス(S) > 曲線を押し出し(X) > 直線(S)
    • コマンド: ExtrudeCrv
  • 円柱
    • メニュー: ソリッド(O) > 円柱(Y)
    • コマンド: Cylinder

今回は洗濯機ボディの背部や底部のモデリング方法を紹介して,次のモデルとなり本記事のゴールに到着しました.

基本形状編はひとまず今回の記事までです.

本シリーズ次回の記事は 「Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(5) 滑らかなサーフェス – 知識編」 を予定しています.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(3)基本形状編 – その1

前回の Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(2)準備編 で右の図のように三面図を空間上に配置してモデリングの準備を行いました.

今回から実際のモデリング方法の紹介を行います.今回のゴールは基本的な形状で構成された次の図の状態です.

直方体と球面でモデリングします.

レイヤ03 を model という名前にしてこのレイヤ内でモデルを作成します.

レイヤ model をダブルクリックするとチェックマークが model レイヤに付いて編集対象のレイヤになります.

直方体

三面図を見るとボディの上面や側面,1段上がった底面,背面から1つ前方の面は平面で構成されているようです.(筆者が基のモデルを作成しているので自作自演なのですが…)

直方体を描画してそれらのサーフェスとします.

まず,準備で描画した outline のボックスを利用して直方体を描画するために Osnap の「端点」のチェックを入れておきます.

直方体は Box コマンドかメニューから ソリッド(O) > 直方体(B) > 2コーナー,高さ指定(C) を選択して描画します.

outline の底面の対角点の2点と高さとして上面のいずれかの角の点を順次クリックすると右の図のように直方体が描画できます.

次に,1方向のみのスケーリング Scale1D( 変形(T) > スケール(S) > 1Dスケール(1) )を使ってボディの底面の位置と奥行方向の2つの寸法調整をします.

底面の位置は Scale1D で上面位置を基準として変形を行います.

奥行方向の寸法調整は後で前面のサーフェスを作成してそれでトリムをしたいので少し前に出しておきます.もしくは背面の突出している部分の基となる面がが 40mm 分前に来るのでガムボール移動で X方向 に 40mm 移動するようにしても大丈夫です.

前面のサーフェス(球面)

洗濯機前面の主なサーフェスは球面ぽい感じがします.(自作自演ですが…)

まずは球面の半径を推定します.

洗濯機の側面視,Rhinoceros での Back ビューにて外形カーブに沿って3点指定の円を描画しておおよその半径を見てみます.

3点指定の円はメニューからは 曲線(C) > 円(C) > 3点指定(3) で実行し,コマンドでは Circle を実行してから 3点(O) を指定します.アイコンからは円形状から3点付いた円を選択します.

洗濯機前面の側面視への投影輪郭線上の3点を指定して円を描画します.

次に描画した円の半径を調べます.メニューからは 解析(A) > 半径(R) を選択し,コマンドの場合は Radius を入力して描画した円を選択します.その結果,先程描画した円の半径は「5182.7590331 ミリメートル」と解析されました.

切りの良い数字で半径は 5000mm ぐらいかな?と当たりをつけて球を描画してみます.

描画した円を削除します.

先程と同じメニュー・コマンドの「3点指定の円」を利用しますが今度は投影輪郭線上の2点と半径 5000mm を指定して描画します.

描画した半径 5000mm の円の中心から半径 5000mm の球を作成します.Osnap の「中心点」にチェックを入れます.球を作成するにはコマンドでは Sphere,メニューからは ソリッド(S) > 球(S)です.球の中心に円の中心を選択して半径 5000mm を指定して球を作成します.

このように側面視では半径 5000mm の球であるとみなしましたが,他の投影図で見ても洗濯機前面のサーフェスとしてこの半径 5000mm の球面が妥当であるか? を見てみます.

上面視(Rhinoceros の Top ビュー)から見ても半径 5000mm から作られる形状が三面図と整合するかを確認します.

作成した球を上面の高さでトリムします.上面高さで水平な直線を描画してそれを用いてトリムします.

側面視で Line コマンドかメニュー 曲線(C) > 直線(L) > 線 もしくはアイコン選択で直線描画を開始し,Osnap の「端点」にチェックが入っている状態で上面の1つの頂点を選択して Shift キーを押しながら水平に直線を描画します.

トリムに用いる直線を選択した状態でキーボードショートカット Ctrl+T を選択するとトリムコマンドが開始されますのでトリム対象として球のサーフェスを選択します.この時トリム設定として ( 切断線を延長(E)=はい 仮想交差(A)=はい ) として実行します.

  • トリム
    • キーボードショートカット: Ctrl+T
    • コマンド: Trim
    • メニュー: 編集(E) > トリム(M)

次の図は洗濯機の上面高さでトリムした球面サーフェスの上端エッジの円とその上端エッジを曲線として複製( DupEdge )してその曲線を洗濯機の上面図上の曲線とほぼ重なる場所にオフセット( Offset )させた比較です.

  1. DupEdge : メニューからは 曲線(C) > オブジェクトから曲線を作成(F) > エッジを複製(E)
  2. Offset : メニューからは 曲線(C) > オフセット(O) > 曲線をオフセット(O)
    • → コマンド内の指定で 通過点指定(T)

(画像クリックで拡大) オフセットさせた曲線は洗濯機上面図の曲線と比べて少し半径の大きい円のようですので,実際の洗濯機の前面の球面の半径は 5000mm よりも小さい可能性が高いです.

洗濯機前面を球面とした場合は 5000mm では少し半径が大きいようですので,半径 4000mm の球面として半径 5000mm で行ったのと同じように描画して評価する手順を再び行います.

  1. 側面視で洗濯機前面の投影輪郭線上の2点と半径 4000mm を指定して円を描画
  2. 描画した半径 4000mm の円の中心に半径 4000mm の球を作成
  3. 半径 4000mm の球面を洗濯機上面の高さでトリム
  4. 上面視でトリムした球面エッジからオフセットカーブを洗濯機上面図の曲線にほぼ一致する位置に描画
  5. オフセットカーブの曲率などから妥当なサーフェスか否かを判断

洗濯機前面サーフェスを半径 4000mm の球面とした場合の洗濯機上面図とトリムされた球面エッジを比較したのが次の図です.

画像では「上端エッジからオフセットした曲線(円)」が黄色になっているので少し見づらいかもしれませんが洗濯機の上面図内の曲線と一致しているように見えます.(画像クリックで拡大) このことより洗濯機前面のサーフェスを半径 4000mm の球面としたのはおおよそ妥当だと判断しました.

Perspective ビューで少し広めにモデリング空間を表示させたのが次の図です.ボックスと上面高さでトリムされた球面が見えています.

側面視で描画した円は オブジェクトを非表示( メニュー: 編集(E) > 表示(V) > 非表示(H) / コマンド: Hide ) にしてしまっても良いかもしれません.

球面とボックスを互いにトリムして洗濯機のボディ形状に近づけます.

ボックスを球面サーフェスでトリム

球面サーフェスをボックスでトリム

互いに完全に交差した球面サーフェスと Box サーフェスを互いにトリムしたので両者間に隙間はないはずです.ただ,これらは結合(Join)して一体化していないので,状態としては隙間なく互いにただ並べられている状態,英語では Watertight(水密)などと言われる状態です.
それを確認するために解析ツールで「エッジを表示」してみます.

  • エッジを表示
    • メニュー: 解析(A) > エッジツール(E) > エッジを表示(E)
    • コマンド: ShowEdges

エッジ分析の小ウィンドウが表示されたらその中の 表示 – オープンエッジ(N) を選択します.
トリムされた球面サーフェスと Box サーフェスの境界部分が明るい紫からピンクのような色で表示されると思います.

トリムした球面サーフェスと Box サーフェスを結合(Join)してオブジェクトとして1体化ます.両方のサーフェスを選択してから結合を実行します.

  • 結合
    • メニュー: 編集(E) > 結合(J)
    • コマンド: Join
    • キーボードショートカット: Ctrl+J

結合したら再び「エッジを表示」を実行してオープンエッジがないかを確認します.
オープンエッジがなかったら次のようなエッジ分析の結果が出るかと思います.

合計??個のエッジ.オープンエッジ,非多様体エッジはありません.

これは 「閉じたポリサーフェス」 や 「ソリッド」 と呼ばれるモデルの状態を意味します.

今後「ソリッドモデル」や「閉じたポリサーフェス」であるはずのモデルを作った場合は都度確認するようにしましょう.都度確認しないで何かのはずみで僅かな隙間が残っているまま作業を進めてしまうと後々にサーフェスが閉じなくなり多くの作業をやり直さないとならなくなってしまうことがあります.

  • Tips
    • 「ソリッドモデル(閉じたポリサーフェス)」 モデルにしておくと Gazebo や MoveIt だけではなく有限要素解析による応力計算や数値流体解析などにも応用することができます.

次に前面下部のサーフェスも似たような面であろうと目論んで,側面視(Rhinoceros の Back ビュー)で半径 4000mm の円を描画してみると,大体 Z=350mm ぐらいの平面で上下反転しているように見えます.

球面サーフェスを反転コピーするために先程結合したソリッド(閉じたポリサーフェス)モデルから 「サーフェスを抽出」 して球面サーフェスを分離します.

  • サーフェスの抽出
    • メニュー: ソリッド(O) > サーフェスを抽出(A)
    • コマンド: ExtractSrf

球面サーフェスを反転コピーするために側面視(Rhinoceros の Back ビュー)で直線(Line)を座標 (0,350) から水平に引きます.

前面の球面サーフェスを選択してミラー変形で反転コピーします.

  • ミラー
    • メニュー: 変形(T) > ミラー(I)
    • コマンド: Mirror

座標 (0,350) から水平に引いた線の両端を順に選択して反転させます.

座標 (0,350) から水平に引いた線で不要になる球面サーフェスをトリムし,またミラーコピーした球面サーフェスの Box サーフェスからはみ出る部分や Box サーフェスのはみ出る部分を球面サーフェスでトリムします.

これらのトリムされた上下の球面サーフェスと Box サーフェスを結合(Join)すると次のようなソリッド(閉じたポリサーフェス)モデルになり,記事の冒頭で述べたゴールに辿り着きました.

次回は, 「3D モデリング(4)基本形状編 – その2」 として洗濯機の背面や底部の形状のモデリングを説明する予定です.

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(2)準備編

今回の記事のゴールは右の図のようにモデリングに必要な情報を Rhinoceros 上に表示することです.

筆者はこの作業を「召喚の儀式」と勝手に呼んでいます.召喚の儀式を行っても勝手にモデルが湧き出てくるわけではないのですが,このようにすることで効率的にモデリングができると考えています.

作業の流れは次のようになっています.

  1. カタログ → 各投影図の画像
  2. Rhinoceros 上に外形寸法大の直方体を描く
  3. 各投影図画像を空間上に配置

1. カタログ → 各投影図の画像

まず,カタログの PDF ファイルから寸法図の各投影を画像として切り取ります.カタログが紙面の場合はスキャナで画像として取り込むと良いでしょう.

本例では右の図をクリックするとサンプルカタログ画像が表示されるのでそれを使ってください.また同じサンプルカタログの PDF ファイルは下記リンク先にあります.

正面図 左側面図 上面図

Windows の場合は一例として次のように PDF ファイルから投影図を画像として保存します.

  1. PDF ファイルを「Acrobat Reader」で表示
  2. 画像保存したい部分を拡大して
  3. Win+PrintScreen キーで画面をクリップボードにコピー
  4. ペイントを開いて「貼り付け」
  5. 必要部分を選択してトリミング

Mac の場合は同様のことを次のように行います.

  1. PDF ファイルを「プレビュー」アプリで開く
  2. PNG 画像でエクスポート
  3. 2. で保存した PNG 画像ファイルを「プレビュー」で開く
  4. 「プレビュー」でトリミング編集して各投影図としてそれぞれ保存

2. Rhinoceros 上に外形寸法大の直方体を描く

各投影図の画像を Rhinoceros の空間上に配置する前に画像のサイズ調整やモデリングしながら大きさの確認をするなどの目的のためモデリング対象の外形寸法を反映した線画(ワイヤーフレーム)の直方体を描画します.

Rhinoceros を起動します.起動時に表示されるテンプレートの Small Millimeters か Large Millimeters を開きます.

Rhinoceros の設定変更は必須ではないですが,洗濯機のような大きさの対象物の場合は次のようにしておくのをお奨めします.設定変更はメニューバーの ファイル(F) → プロパティ(R)… を選択して小ウィンドウ「ドキュメントのプロパティ」内で行います.

  • グリッド
    • グリッドのプロパティ
      • グリッド線数(E): 200
      • 細グリッド線間隔(G): 10.0 ミリメートル
      • 太グリッド線間隔(M): 10 本(細グリッド線)
    • グリッドスナップ
      • スナップ間隔(S): 0.5 ミリメートル
  • 単位
    • 単位と許容差
      • 絶対許容差(T): 0.001 単位
      • 角度許容差(A): 0.01 度
    • 距離表示
      • 距離の精度(E): 1.0000

それでは Rhinoceros 空間内にモデルの外形寸法に対応したワイヤーフレームボックスを描画します.

分かりやすいように「レイヤ 01」の名前を本記事では「outline」に変更します.レイヤ名は何でも良いです.

  • 「レイヤ 01」上で右クリック → レイヤ名を変更
    • もしくはレイヤ名上でダブルクリック

そして outline レイヤ名の少し右をクリックしてチェックマークを入れて編集対象にします.

カタログの3面図を見ると洗濯機のボディの高さが 1050 [mm],主な幅が 640 [mm],奥行きが 720 [mm] とあります.

またロボットの座標構成は一般的には次のようになっています.

  • ロボットの一般的な座標構成
    • X 正方向 : 前
    • Y 正方向 : 左
    • Z  正方向 : 上

なお,Rhinoceros はどのような分野の座標系を採用しているのか分かりませんがビューの名前とロボットの一般的な座標構成による前後・左右が異なっているので,それはそれとしてビューの名前は気にしないこととします.

このように製品の外形寸法やロボットの一般的な座標構成をふまえて,最初に XY 平面上に原点を重心とする X方向 740 [mm] Y方向 640 [mm] の長方形を描きます.

  1. Top ビューを選択
  2. 曲線(C) → 長方形(G) → 中心,コーナー指定(N)
  3. 「長方形の中心: 」に 0,0 を入力して Enter キーを押す
  4. 長方形の X 方向の長さ(=奥行き)の 720 を入力して Enter キーを押す
  5. 長方形の Y 方向の長さ(=幅)の 640 を入力して Enter キーを押す

次に XY 平面上に描いた長方形を洗濯機の上面に相当する上方に 1050 [mm] コピー移動させます.このような単純な移動は Rhinoceros の「ガムボール」を利用すると良いでしょう.Rhinoceros ウィンドウ内の下の少し右の方に「ガムボール」ボタンがあるのでクリックして有効にします.

  1. Perspective ビューを選択
  2. XY 平面上に描画した長方形をクリックして選択(選択されるとガムボールも表示される)
  3. コピー移動するために Alt キーを押しながら Z 軸(青)をクリック
  4. テキストボックスが表示されるので移動量 1050 を入力して Enter

ガムボールを用いた移動は Ctrl や Alt キーを組み合わせることで次のように働きます.

  • ガムボールの要素をクリックのみ → 選択オブジェクトの移動
  • Alt キー + ガムボールの要素をクリック → 選択オブジェクトのコピー移動
  • Ctrl キー + ガムボールの要素をクリック → 選択オブジェクトのガムボールのみ移動

また,ガムボール以外のコピー移動の方法としてメニューバーの 変形(T) → コピー(C) もしくはコピーのコマンド入力「Copy」もあります.この場合は移動する始点と終点の座標を順次入力してコピー移動させます.

あとは2つの長方形の各頂点間に直線を描画して線で構成された直方体にします.

次の図のようにオブジェクトスナップ Osnap をオンにして端点にスナップするようにチェックを入れると描画時に端点にスナップして正確に描画することができます.

直線コマンドはメニューバーからは 曲線(C) → 直線(L) → 線 で,コマンド入力では Line で実行できます.
(画像をクリックすると大きな画像として表示されます.)

線で構成された直方体が描画できたらそれをグループ化しておきます.全体を選択してメニューバーからは 編集(E) → グループ(G) → グループ化(G) で,コマンド入力では Group で,キーボードショートカットでは CtrL + G でグループ化できます.

後で各投影図画像を配置する時に補助線を描き加えますが,とりあえず outline レイヤーは編集終了ということでロックします.

現在編集中のレイヤはロックできないので「レイヤ 02」を次の各投影図画像を貼り付けるためのレイヤーとして名前を「drawings」などに変更して,drawings レイヤのチェックマーク列をクリックして編集レイヤを変更します.その後で outline レイヤの鍵マークをクリックして南京錠が掛かったアイコンに変更するとレイヤーがロックされます.

 

3. 各投影図画像を空間上に配置

本記事冒頭の「召喚の儀式」の図で示したように Rhinoceros では空間上に画像ファイルを平面として配置することができます.

まず,正面の投影図の画像を配置してみます.

Rhinoceros のビュー名の設定は一般的なロボット座標系の投影面名と異なるので,ロボット座標系から考えると「正面図」は YZ平面(とその平行面)なので,Rhinoceros では Right ビューに相当します. ビューの下にある Right タブを選択したり,Perspective などのビュー左上のビュー名をダブルクリックするなどして4ビュー画面にしてからビュー名 Right をダブルクリックして Right ビュー1つの表示にします.

ビュー左上のビュー名 Right をダブルクリックして全体に表示します.

画像はメニューバーから サーフェス(S) → 平面(P) → ピクチャー(E)  を選択すると「ビッマップを開く」子ウィンドウが開くので正面図の画像ファイルを選択して開きます.

すると「ピクチャーの1つ目のコーナー」を指定するよう言われるので,位置やスケールは後から outline レイヤの直方体に合わせるので,ここでは適当にクリックして指定します.次に「もう一方のコーナーまたは長さ」を指定するように言われるので,Ctrl キーを押しながらマウスを動かすと画像の縦横比を保持したままもう一方の頂点の座標が変化しますのでここでも先ずは適当にクリックしてピクチャーを配置します.

画像の位置とスケールを合わせてゆきます.

まずはコーナー位置を合わせます.正面図のピクチャオブジェクトを選択してオブジェクトを直接ドラッグしたりガムボールを使って移動させ,右の図の例では洗濯機の正面図の右下コーナーを外形の直方体の角に合わせています.画像ファイルなので線はある程度ドット幅を持っていると思いますが,outline レイヤの外形の直方体の線と画像上の線の大体の中心が合うようにします.

次は画像のスケールを outline レイヤの外形の直方体の大きさに合わせます.スケールはまず縦横2方向同時スケールの操作をします.縦横どちらで合わせても良いですが寸法が長い方が相対的に精度がでやすいので縦方向で合わせます.メニューバーからは 変形(T) → スケール(S) → 2Dスケール(2) ,コマンドでは Scale2D で実行します.

  1. 正面図のピクチャを選択,他はスケールしないので選択終了
  2. 正面図右下コーナーをスケールする原点に指定(レイヤーにロックが掛かっていてもオブジェクトスナップはできる)
  3. スケールする元の方向と長さを指定するために,Shift を押しながらマウスを動かすとポインタがスケール原点から縦もしくは横に動きが限定されるので,Shift キーを押しながら正面図ピクチャの上辺付近をクリックして指定
  4. 正面図ピクチャの上辺が outline レイヤの外形直方体の上辺に一致するようにしてクリックでスケール決定

画像ファイルはドット絵(ラスターデータ)であることや,カタログの印刷とスキャンや PDF 化の過程で図形としての縦横比が必ずしも保たれているわけではありません.そのため先ほど 2D スケールを行って縦方向のスケールは合ったものの横方向を確認してみると少しずれているようなことが結構あります.その場合は1方向のみの Scale1D コマンド(メニューバーなどからも選択可能)で横方向のみスケール調整します.

このように位置とスケールを合わせるのですが1回でバシッと綺麗に決まらないことがままあるので何回か「位置」「スケール」を繰り返して調整します.

配置した正面図ピクチャーをビューを Perspective に変更して見てみると,おそらく YZ 平面上にあると思います.この場所だとこれから 3D モデルを作るスペースのド真ん中にあり邪魔になるので X 軸方向に -1500[mm] ぐらい移動させておきます.

あとは同様にして「左側面図」と「上面図」の画像を Rhinoceros 上のピクチャとして配置します.

「左側面図」は一般的なロボット座標系では XZ平面 を Y軸 のプラス方向からマイナス方向へ見ることになります.この視点は Rhinoceros の設定では Back ビューに相当します.Rhinoceros のデフォルトでは Front ビューが最初のセット内に設定されていると思いますのでこれを Back ビューにします.ビュー内左上のビュー名右隣にある ▼(逆三角形)マーク → ビューの設定(V) → Back(A) で変更します.

今回の作例用に用意した「左側面図」には最も外側の寸法だけではなく洗濯機の設置検討に参考にする寸法を入れてあります.外寸のスケール調整をした後に寸法の数値から拾った線を outline レイヤーに加えて寸法補助線と重なるかを見て,スケールが合っているか?,位置が合っているか?など確認できます.今回は洗濯機の設置脚が付いている下部ボディの前端の寸法の数値を拾うと最後部から前方に 605[mm] ( = 550 + 55 )の位置だということが分かりますのでそこに線を引き該当する寸法補助線と重なるかを確認しました.

最初の各投影図をレイアウトする時点で間違ったまま進めてしまうとているとそのあとモデリングしたものが使えないものになってしまう可能性があるので注意してください.

他のヒストリータイプの CAD では遡って修正することも可能ですが,時として修正可能なパラメータから外れてモデルが成立しなくなる可能性も無きにしもあらずなのでまず最初の段階で寸法等確認しながら先に進むことをお薦めします.

Rhinoceros ではオブジェクトの位置や距離を確認するにはメニューバーの 解析(A) → 点(P)距離(D) で確認しながら進めると良いでしょう.

「上面図」は Rhinoceros でも Top ビューですので X方向,Y方向 を間違わずに配置すれば問題ないと思います.

さてこれで本記事の最初に述べました「召喚の儀式」が整いました.

おそらく本記事の読者に召喚術を使える「魔術師」や「陰陽師」の方はそう多くはないと思いますので,次回の記事からは今回準備した「召喚の儀式」の情報を基に地道に Rhinoceros 上で 3D モデリングを行う方法をご紹介したいと思います.


<追記:つづきの記事>

著者:yamamoto.yosuke

Gazebo/MoveIt のための 3D モデリング(1)はじめに

ROS で Gazebo や MoveIt を利用してシミュレーションや動作計画を行うときに既存のモデルも多くあり重宝しますが,それだけでなくて実際の製品の形状でシミュレートしたいと思う場面もあるかと思います.

モデリング対象物の実物があれば 3D スキャンすることもあるでしょうがメッシュを整える手間があったり,実物がない場合もあります.

そこで本シリーズでは複数回の記事に分けてカタログにある図面から 3D モデリングを行って Gazebo / MoveIt で利用できるようにするにはどのようにするのかの例をご紹介します.

モデリング作業のゴールとなる Gazebo と MoveIt のモデルに必要なデータを次の表にまとめます.

Gazebo モデル MoveIt モデル
モデルファイル URDF or SDF ファイル URDF ファイル
チュートリアル

最終的に必要になる URDF ファイルや SDF ファイルは XML データのファイルですのでテキストエディタなどで編集します.

URDF と SDF に内包するのに利用可能な 3D モデルデータを次の表に示します.

SDF ファイル URDF ファイル
モデルファイル STL ファイル Collada or STL ファイル
表示用メッシュ
  • 色毎の STL メッシュファイル
  • メッシュは開いていても良い
  • Collada (*.dae) モデルファイル
  • STL メッシュファイルも可
干渉用メッシュ
  • 干渉範囲を定義する閉メッシュ STL メッシュファイル
  • 干渉チェックに問題ない範囲であれば表示用メッシュよりも粗くしてデータを軽くすると良い
  • 干渉範囲を定義する閉メッシュ Collada (*.dae) モデルファイルもしくは STL メッシュファイル
  • データ量的に重くなければ表示用メッシュをそのまま使っても良い

それぞれ画面表示用とロボットリンク干渉チェック用のデータは別々に設定されるので必要に応じてメッシュの粗密を調整します.SDF ファイルの表示用メッシュは Collada (*.dae) フォーマットも使えるのですが色情報が表示に反映されないのでここでは色ごとに分けた STL フォーマットファイルを作ります.

全体の作業と記事の流れは次のようになります.

  1. 全体の工程(本記事)
  2. カタログ図面のキャプチャとモデリング空間への配置
  3. 基本的な形状の作成
  4. なめらかなサーフェスの作成(オプション)
  5. MoveIt モデルの作成
  6. Gazebo モデルの作成

今回のモデリング例の対象物は多くの製品でカタログに寸法図が掲載されている洗濯機としました.

意匠権や著作権などの侵害がないように本記事の作例用に予めドラム式洗濯機モデルを作成してそれから寸法図を含む模擬的なカタログの PDF ファイルを作成しました.

  • 注) 読者の皆さんも実在する製品・商品をモデリングして公開する際には意匠権や著作権などの侵害が無いようにしてください.

このカタログの図面を元にレンダリング図も参考にしながらモデリングします.本記事筆者が対象モデルを作りカタログ化して再びモデリングするということで自作自演になってしまいますが,モデリングの流れや方法をお伝えするためと思ってご容赦ください.

本シリーズの記事では 3D モデル作成ソフトウェアは Rhinoceros 7 を用いています.Rhinoceros は CAD ソフトウェアの1つと言えますが,どちらかと言うとサーフェスモデラに近いと思います.各機能自体は読者が使っている CAD と共通点があると思いますのでコマンド等それぞれ置き換えて読んでいただけるとありがたいです.

参考のため比較的安いもしくは無料で入門的にも利用可能な CAD を次の表に示します.

Rhinoceros 7 Fusion 360 FreeCAD
URL https://www.rhino3d.co.jp/ https://www.autodesk.co.jp/products/fusion-360/ https://www.freecadweb.org/
商業利用 158,400円 61,600円/年 無料
教育利用 39,600円 1年間無償 無料
モデリング 非パラメトリック*注 パラメトリック パラメトリック
  • 注) ヒストリーや Grasshopper,Rhino-Python でパラメトリックモデリングも可能

モデリングでは下記リストのような色々なサーフェス要素の作成方法を説明する予定です.

  • 基本的な 3D 形状(平面・円筒・球など)
  • 各種フィレット
    • 接線連続の単純Rフィレット(機械設計様形状)
    • 曲率連続フィレット
    • 曲率変化率連続フィレット
  • 自由形状サーフェス

このうち曲率連続や曲率変化率連続のサーフェスは Gazebo や MoveIt で利用する場合は結局メッシュデータ( STLメッシュ / Collada も内部ではメッシュ )になってしまうので必須ではないですが参考までに紹介します.

本シリーズ,次回はモデリングの準備編です.

著者:yamamoto.yosuke

トランジスタ技術 2020年9月号 の ROS 入門の記事を執筆しました

トランジスタ技術 2020年9月号https://toragi.cqpub.co.jp/tabid/918/Default.aspx )の ROS 入門の記事を執筆しましたのでご紹介します.

東京オープンソースロボティクス協会は次の章を執筆しました.

(各章リンク先にサンプル PDF ファイルがあります)

これらの章では TORK の ROS ワークショップなどでつまづきやすかった点を踏まえて,次の内容をなるべく分かりやすく書いたつもりです.

  • ROS の概要や使うメリット
  • ROS の学習入門時のパソコンの選定
  • ROS を実行する Ubuntu Linux OS のパソコンへのインストール
  • ROS やロボットシミュレータのインストール方法とその利用
  • ROS のロボット動作計画・実行プログラムの実行や改造

続きを読む

著者:yamamoto.yosuke

パソコン1台で出来るロボットの学習素材集

ROS(ロス/Robot Operating System)の学習は実際にロボットがなくてもロボットのシミュレータが入手できるのでネットワークにつながるパソコンが1台あればできますので結構自習に向いています.この記事では ROS の学習を始める,進めるにあたり必要な情報がある Web へのリンクを中心に紹介します.

大まかに言うと次のインストールを行えば ROS の学習をスタートすることができます.

  • パソコンにオペレーティングシステムの Ubuntu Linux をインストール
  • Ubuntu Linux に ROS をインストール
  • ROS 上で動くロボットソフトウェアのインストール
    • → 紹介 ROS チュートリアル内にて

ROS と Ubuntu Linux のバージョンは後述する ROS 学習のチュートリアルが現時点では ROS Kinetic というバージョンを基本としているので下記の組み合わせをお勧めします.

  • Ubuntu 16.04
  • ROS Kinetic

ROS Melodic は ROS Kinetic と基本的な操作のほとんどは変わらないので ROS Kinetic で学習してから ROS Melodic に移行しても難なく可能です.

 

パソコンへの Ubuntu Linux のインストール

パソコンはどのようなものを使えば良いのか?については下記記事を参考にしてください.

ROS 導入ノートパソコン比較調査

ROS 導入ノートパソコン比較調査

最新高性能パソコンよりも数年型落ちや廉価の機種のほうが Ubuntu Linux をインストールしやすい傾向にあるように思います.

 

Ubuntu Linux への ROS のインストール

下記リンク先に各 ROS のバージョンにおけるインストール手順が書かれています.

また,Ubuntu のバージョンと ROS のバージョンには1対1の対応関係があるので組み合わせを気をつける必要があります.

 

ROS のチュートリアル

各チュートリアルを進めるとそれらの中で ROS シミュレータなどのインストールも行います.

TORK MoveIt チュートリアル

ROS の入門には TORK MoveIt チュートリアルをお薦めします.MoveIt は ROS のマニピュレーションロボット動作計画ソフトウェアです.このチュートリアルでは数種のロボットの ROS シミュレータのインストールや基本的な操作,プログラムでのロボット操作を学習することができます.TORK MoveIt チュートリアルではプログラミング言語に Python を用いていますが,プログラミングの経験がほとんどない人にもプログラムによるロボット操作の体験と学習ができるように構成しています.

ROS を初めて使う方に TORK MoveIt チュートリアルを学習したときのレポートも下記の記事に書いてもらっています.学習過程でいろいろと疑問をもった点などの体験を書いてもらいましたので参考にしてみてください.

初めてのROS(ROSチュートリアルを使って)

 

ROS-Industrial トレーニング(日本語版)

より発展的な ROS プログラミングを学習したい場合は ROS-Industrial トレーニングを行ってみるのも良いでしょう.この教材で取り上げられているプログラミング言語は主に C++ と Python です.C++ によるロボット制御や画像処理,3D ポイントクラウド処理などとそれらの組み合わせのプログラムの学習ができます.

ROS-Industrialのトレーニング教材を日本語訳しました!

 

ROS で質問したいことが出てきたら

ROS Discourse やチュートリアル,パッケージの GitHub Issues に質問を投稿してみてください.

 

入門的な実機マニピュレーションロボット

1台のパソコンだけ,シミュレータだけでなく入門的な実機マニピュレータを利用してみたいと思った方は入門的なマニピュレーションロボット2例の導入検証を行った記事を参考にしてみてください.

ROS 入門向けマニピュレータ導入検証

著者:yamamoto.yosuke

ROS 入門向けマニピュレータ導入検証

ROS やその MoveIt の学習を始めたい,もしくは Gazebo などのシミュレータでの実行はできたので,実際のロボットも動かしてみたい!と思っている方もいらっしゃるのではないでしょうか.

また,Ubuntu ROS をインストールする PC はどのようなものにしたら良いのか?というご質問と同じように,マニピュレータを ROS で動かす学習をしたいが実際にどのようなロボットを導入したら良いのか?といったご質問を TORK にいただくことがあります.

そこで,価格なども含めて比較的入手性の良さそうな次の2種のマニピュレーションロボットを購入して ROS や MoveIt で利用した場合について調査・検証しました.

  • uArm Swift Pro
  • Open Manipulator X
uArm Swift Pro Open Manipulator X
販売価格 ¥99,000.- ¥272,800.-
納期 数日 2〜7週間
腕部自由度 3 DOF 4 DOF
PC 接続 micro USB-B micro USB-B
外観

 

各マニピュレータ ROS 対応情報

uArm Swift Pro

Open Manipulator X

ROS での導入方法

uArm Swift Pro

GitHub ページ SwiftAndProForROS https://github.com/uArm-Developer/RosForSwiftAndSwiftPro のトップページにある README.md に従ってダウンロードとインストールを行いました.

まず前提としてロボットに接続する側の PC に  Ubuntu と ROS がインストールされている必要があります.ROS のインストールは下記サイトを参考に行うことができます.

README.md にはおおまかにしか書いていないように思えたので,補足的に書き加えると次のようになります.

$ sudo apt-get install git ros-kinetic-serial
$ mkdir -p ~/catkin_ws/src  #既にワークスペースがあるならそちらを使ってもOK
$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace
$ git clone https://github.com/uArm-Developer/RosForSwiftAndSwiftPro.git
$ cd ~/catkin_ws
$ rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y
$ catkin_make
$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

ここでは Ubuntu 16.04 + ROS kinetic のケースを書いていますが Ubuntu 18.04 + ROS melodic でも下記の kinetic のところを melodic にしてインストール・実行できました.

「 2. Set up enviroment 」は手順通りに ROS 環境がターミナルに反映されるための設定を行いました.ROS melodic の場合もインストールに関するコマンドの kinetic を melodic に変更することでインストールでき,今回の記事の範囲の動作を確認しました.

Open Manipulator X

eマニュアルが充実しているので下記 URL の手順に沿ってインストール作業を進めました.

こちらも ROS melodic の場合もインストールに関するコマンドの kinetic を melodic に変更することでインストールでき,今回の記事の範囲の動作を確認しています.

eマニュアルの手順に従い,Arduino IDE でポートの設定なども行いました.

MoveIt GUI でのマニピュレーション操作

uArm Swift Pro と Open Manipulator X を ROS の MoveIt の GUI(グラフィカル・ユーザ・インタフェース)から動かした手順を中心に報告します.

uArm Swift Pro

まずは uArm Swift Pro の電源投入と PC との接続を行います.

  1. uArm Swift Pro に ACアダプター電源を接続して電源を入れる
  2. USB ケーブルで uArm Swift Pro と Ubuntu PC を接続する

次にターミナルを2つ開いて,1つ目のターミナルでは uArm Swift Pro への接続と制御を実行します.

ターミナル1

$ sudo chmod 666 /dev/ttyACM0
$ roslaunch swiftpro pro_control.launch

2つ目のターミナルでは MoveIt を実行します.

ターミナル2

$ roslaunch pro_moveit_config demo.launch

腕自由度が 3 自由度しかないため MoveIt 上の空間の 6 自由度(XYZ, RPY)でインタラクティブマーカを動かそうとすると上手く動かせません.”Allow Approx IK Solutions” のチェックを入れるとロボットの自由度・可動範囲内でインタラクティブマーカの厳密ではないものの最適解が計算されるので比較的楽にインタラクティブマーカを動かすことができます.

  • Allow Approx IK Solutions のチェックを入れる

インタラクティブマーカを動かして目標姿勢を定めてから [ Plan and Execute ] ボタンを押します.

必須ではないですが MoveIt の表示上調整すると良かった項目を挙げます.

  • Displays → MotionPlanning
    • Planning Request → Interactive Marker Size : 0.1
    • Planned Path → Loop Animation : オフ

問題もありました.MoveIt に表示される uArm Swift Pro のロボットモデルがパラレルリンク分の運動学計算がされていないような状態と正常に計算されたような状態を交互に繰り返していました.この件は GitHub Issue – Missing robot joints としても報告されているようですが改善はされていないようです.

MoveIt やコントローラを終了するには各ターミナルで Ctrl+C を入力することで終了します.

uArm Swift Pro は動作時の剛性感が高いように思いました.ステッピングモータでガッチリと固定されているような印象を受けました.ただ MoveIt から制御した動作はカタカタカタとしていました.これはロボット側のファームウェアを更新したらカタカタの度合いが少し細かくなりましたがまだ残っています.uArm Swift Pro を uArm Studio から動かすと動きがスムーズだったので ROS や MoveIt と uArm Swift Pro のインタフェース部分に詰めきれていない部分があるように感じました.

Open Manipulator X

Gazebo Simulation

まずは Gazebo シミュレータが用意されているので Gazebo 上の Open Manipulator X を MoveIt から動かしてみました.

ターミナルを2つ開いて,1つ目のターミナルでは Open Manipulator X の Gazebo シミュレータを起動します.

ターミナル1

$ roslaunch open_manipulator_gazebo open_manipulator_gazebo.launch

正常に実行されると次の画像のような Gazebo のウィンドウが表示されます.ここで一番下段の部分にある ▶ ボタンをクリックしてシミュレータを走らせます.

次にコントローラと MoveIt を起動します.

ターミナル2

$ roslaunch open_manipulator_controller open_manipulator_controller.launch use_moveit:=true use_platform:=false

空間6自由度に対して腕部自由度が4自由度と少ないので Allow Approx IK Solutions のチェックを入れると楽にインタラクティブマーカを動かすことができます.

インタラクティブマーカを動かして目標姿勢を定めてから [ Plan and Execute ] ボタンを押します.

実機動作

次に Open Manipulator X の実機ロボットを MoveIt GUI から動かしてみました.

今回は Ubuntu PC と Open Manipulator X を OpenCR 回路を経由して接続しました.接続方法は下記ページに説明があります.

http://emanual.robotis.com/docs/en/platform/openmanipulator_x/ros_setup/#opencr

  1. Open Manipulator X から出ているケーブルを OpenCR ボードに差し込む
  2. AC アダプタからの直流電源を OpenCR ボードに接続
  3. USB ケーブルで Ubuntu PC と OpenCR ボードを接続
  4. OpenCR ボードの電源を入れる

ターミナルを1つ開いてコントローラと MoveIt を起動します.

ターミナル1

$ roslaunch open_manipulator_controller open_manipulator_controller.launch dynamixel_usb_port:=/dev/ttyACM0 use_moveit:=true

Gazebo シミュレーションのときと同様に “Allow Approx IK Solutions” のチェックを入れます.

インタラクティブマーカを動かして目標姿勢を定めてから [ Plan and Execute ] ボタンを押すと,Gazebo シミュレータで行ったときと同じように実機ロボットを操作できました.

MoveIt Commander でのマニピュレーション動作

MoveIt の GUI 経由で uArm Swift Pro と Open Manipulator X を操作することができました.次の段階としてプログラムから MoveIt を操作してロボットを動かしてみました.

GUI からではなくプログラムからロボットを操作できることで,例えば画像処理から得られた座標をもとににマニピュレータを動かすといった応用につながります.

プログラムから MoveIt を動かすには MoveIt Commander を利用します.MoveIt Commander には C++ や Python のインタフェースが用意されていますので,今回は Python にてプログラムを作成して各ロボットを動作させました.

uArm Swift Pro

MoveIt の GUI にあった “Allow Approx IK Solutions” にチェックを入れた場合と同様の動作指令を出せる MoveIt Commander の機能が set_joint_value_target() メソッドです.一般的には set_joint_value_target() メソッドには各関節の目標角度を引数として渡すことがまず説明されるかと思いますが,第1引数に Pose 型か PoseStamped 型のデータを第2引数に True (=近似解=Approximate / デフォルトは False =厳密解)を渡すことでマニピュレータの自由度が少ないことにより厳密解が得られない状態を近似解を用いることで回避します.

なお,6自由度以上を有するマニピュレータでは一般的に set_pose_target() に Pose 型か PoseStamped 型のデータを渡して厳密解をもって動作させますので,そのようなマニピュレータのプログラムを応用する場合には注意が必要です.

今回作成したテストプログラムを以下に記します.

uArm Swift Pro – MoveIt Commander テストプログラム

#!/usr/bin/env python

import sys, math, copy
import rospy, tf, geometry_msgs.msg

from moveit_commander import MoveGroupCommander, RobotCommander
from geometry_msgs.msg import Pose, PoseStamped

if __name__ == '__main__':
    
    node_name = "commander_example"
    rospy.init_node( node_name, anonymous=True )
    
    group = MoveGroupCommander("arm")
    
    group.set_planning_time( 600.0 )
    
    # Getting Initial Pose & RPY
    pose_init = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Initial Pose\n{}".format( pose_init ) )
    rpy_init  = group.get_current_rpy()
    rospy.loginfo( "Get Initial RPY:{}".format( rpy_init ) )
    
    # Pose 1
    rospy.loginfo( "Starting Pose 1")
    group.set_start_state_to_current_state()
    
    pose_target_1 = Pose()
    pose_target_1.position.x =  0.20
    pose_target_1.position.y =  0.00
    pose_target_1.position.z =  0.15
    pose_target_1.orientation.x =  0.0
    pose_target_1.orientation.y =  0.0
    pose_target_1.orientation.z =  0.0
    pose_target_1.orientation.w =  1.0
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_1, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 2
    rospy.loginfo( "Starting Pose 2" )
    
    pose_target_2 = Pose()
    pose_target_2.position.x =  0.15
    pose_target_2.position.y =  0.15
    pose_target_2.position.z =  0.10
    pose_target_2.orientation.x =  0.0
    pose_target_2.orientation.y =  0.0
    pose_target_2.orientation.z =  0.3826834
    pose_target_2.orientation.w =  0.9238795
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_2, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 2 Z:+0.05[m]
    rospy.loginfo( "Starting Pose 2 Z:+0.05[m]")
    pose_target_2.position.z += 0.05
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_2, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Back to Initial Pose
    rospy.loginfo( "Back to Initial Pose")
    group.set_joint_value_target( pose_init, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )

基本的な流れとしては Pose 型のインスタンス pose_target_1 などに位置・姿勢のデータを代入して group.set_joint_value_target( pose_target_1, True )で目標をセットし,group.go() で実行しています.

プログラムの実行方法は前述の MoveIt GUI でロボットが動作する状態にしてからもう1つターミナルを開いてテストプログラムを実行します.今回はテストプログラムのファイルを ~/catkin_ws/src/pro_moveit_config/script/uarm-sp_moveit_tutorial_poses.py としましたので,次のようにターミナルで実行しました.

$ rosrun pro_moveit_config uarm-sp_moveit_tutorial_poses

MoveIt Commander プログラムで uArm Swift Pro を動作せたときの動画です.

Open Manipulator X

Open Manipulator X のテストプログラムも基本は uArm Swift Pro と同様に set_joint_value_target( Pose, True ) を利用して作成しました.

追加的に Open Manipulator X の運動学上の「厳密解」の位置・姿勢データを予め計算しておいて set_pose_target() に与えたときの動作の様子もテストしました.

今回作成したテストプログラムを以下に記します.

uArm Swift Pro – MoveIt Commander テストプログラム

#!/usr/bin/env python

import sys, math, copy
import rospy, tf, geometry_msgs.msg

from moveit_commander import MoveGroupCommander, RobotCommander
from geometry_msgs.msg import Pose, PoseStamped

if __name__ == '__main__':
    
    node_name = "commander_example"
    rospy.init_node( node_name, anonymous=True )
    
    group = MoveGroupCommander("arm")
    
    group.set_planning_time( 600.0 )
    
    # Getting Initial Pose & RPY
    pose_init = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Initial Pose\n{}".format( pose_init ) )
    rpy_init  = group.get_current_rpy()
    rospy.loginfo( "Get Initial RPY:{}".format( rpy_init ) )
    
    # Pose 1
    rospy.loginfo( "Starting Pose 1")
    pose_target_1 =  [ 0.12, 0.0, 0.1, 0.0, math.pi/2.0, 0.0 ] # [ x, y, z, r, p, y ]
    group.set_pose_target( pose_target_1 )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 2
    rospy.loginfo( "Starting Pose 2")
    group.set_pose_target( [ 0.2, 0.0, 0.2, 0.0, 0.0, 0.0 ] )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 3
    rospy.loginfo( "Starting Pose 3")
    
    pose_target_3 = Pose()
    pose_target_3.position.x =  0.10
    pose_target_3.position.y =  0.10
    pose_target_3.position.z =  0.10
    pose_target_3.orientation.x = -0.2706
    pose_target_3.orientation.y =  0.6533
    pose_target_3.orientation.z =  0.2706
    pose_target_3.orientation.w =  0.6533
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_3, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 3 Z:-0.05[m]
    rospy.loginfo( "Starting Pose 3 Z:-0.05[m]")
    pose_target_3.position.z -= 0.05
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_3, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 4
    rospy.loginfo( "Starting Pose 4")
    
    pose_target_4 = Pose()
    pose_target_4.position.x =  0.10
    pose_target_4.position.y = -0.10
    pose_target_4.position.z =  0.05
    pose_target_4.orientation.x =  0.2706
    pose_target_4.orientation.y =  0.6533
    pose_target_4.orientation.z = -0.2706
    pose_target_4.orientation.w =  0.6533
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_4, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Pose 4 Z:+0.05[m]
    rospy.loginfo( "Starting Pose 4 Z:+0.05[m]")
    pose_target_4.position.z += 0.05
    
    group.set_joint_value_target( pose_target_4, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )
    
    # Back to Initial Pose
    rospy.loginfo( "Back to Initial Pose")
    group.set_joint_value_target( pose_init, True )
    group.go()
    
    rospy.sleep(5.0)
    pose_current = group.get_current_pose()
    rospy.loginfo( "Get Current Pose:\n{}\n".format( pose_current ) )

このテストプログラムのうち # Pose 1 と # Pose 2 の部分は set_pose_target() で目標姿勢を設定しています.このようにXZ平面上に位置する点の厳密解を指定した場合は set_pose_target() でも動作しましたが,# Pose 3 や # Pose 4 のようにXZ平面から外れたところは set_joint_value_target( Pose, True ) を利用しないと動作しませんでした.

プログラムの実行方法は前述の MoveIt GUI でロボットが動作する状態にしてからもう1つターミナルを開いてテストプログラムを実行します.今回はテストプログラムのファイルを ~/catkin_ws/src/pro_moveit_config/script/openmanipulatorx_moveit_tutorial_poses.py としましたので,次のようにターミナルで実行しました.

$ rosrun open_manipulator_moveit openmanipulatorx_moveit_tutorial_poses.py

Open Manipulator X を MoveIt Commander から動作させたときの動画です.

まとめ

今回 ROS の入門向けを念頭に2つのマニピュレータを導入し調査・検証しました.その結果を以下にまとめます.

  • 自由度が 6DOF 未満であることによる影響
    • MoveIt (GUI) では  “Allow Approx IK Solutions” のチェックを入れる必要あり
    • MoveIt Commander では目標姿勢のセットに set_joint_value_target() を使う必要あり
  • uArm Swift Pro に関して
    • ROS・MoveIt 対応パッケージの更新は滞っているように思える
      • MoveIt モデルの不備
      • MoveIt からの動作がカタカタする(遅い制御周期?)
    • ユーザ対応やユーザ間交流は ROS も含めてフォーラムで行われているよう
    • ロボット-PC 間が USB ケーブル1本で接続ができ簡単
    • Open Manipulator X に比べたら安価
  • Open Manipulator X に関して
    • eマニュアルが充実
    • Gazebo シミュレータあり
    • グリッパ付属
    • ロボット-PC 間に OpenCR ボードを挟み,そのポート設定も必要
      • OpenCR を使いこなせば拡張性が高い
    • uArm Swift Pro に比べたら高価

 総評

今回の2台のマニピュレータであれば Open Manipulator X の方が提供されている情報も多く,予算的に許されるのであれば入門に適していると思いました.

 

著者:yamamoto.yosuke

ROS 導入ノートパソコン比較調査

TORK の ROS ワークショップを受講された方などから ROS を使用するにあたりどのような PC を利用したら良いかを問い合わせいただくことがあります.

基本的には利用したい ROS の各バージョンに対応した Ubuntu のバージョンが動作可能な PC であれば良いのですが,スペックが多岐にわたるパソコンの数々からどのようなパソコンを選んだら良いのか迷ってしまいます.

  • ROS Kinetic → Ubuntu 16.04 が動作可能な PC
  • ROS Melodic → Ubuntu 18.04 が動作可能な PC

そこで ROS を導入するパソコンの選定の参考なるよう,4つの異なる特徴のノートパソコンに実際に Ubuntu と ROS を導入して,その導入のポイントや動作結果を報告したいと思います.

  1. 10万円未満 モバイルノートパソコン : Dell Inspiron 13 5390
  2. 軽量モバイルノートパソコン : Dell XPS 13 7390
  3. モバイルワークステーション : Lenovo ThinkPad X1 Extreme 2nd Gen
  4. 2018年モデルモバイルノートパソコン : Lenovo ThinkPad T480s (既存品)

各ノートパソコン主要スペック

各ノートパソコンの主要なスペックは以下のとおりです.

Inspiron 13 5390 XPS 13 7390 ThinkPad X1 Extreme 2nd ThinkPad T480s
CPU Core i5-8265U Core i7-10710U Core i9-9880H Core i7-8550U
Threads / Cores 8 / 4 12 / 6 16 / 8  8/ 4
iGPU Intel UHD 620 Intel UHD 630 Intel UHD 630 Intel UHD 620
dGPU NVIDIA GeForce GTX 1650 Max-Q NVIDIA GeForce MX150
メモリ 8 GB 16 GB 32 GB 16 GB
SSD 256GB 512 GB 512GB + 1.0 TB 512 GB
ディスプレイサイズ 13.3″ IPS 13.3″ IPS 15.6″ IPS 13.3″ IPS
ディスプレイ解像度 1920 x 1080 3840 x 2160 (4K) 1920 x 1080 1920 x 1080
ディスプレイその他 グレア グレア・タッチ ノングレア ノングレア・タッチ
WiFi チップ Intel AC 9462 Intel AX200 Intel AX200 Intel AC 8265
電源 独自規格 USB-C 独自規格 USB-C
販売年 2019 2019 2019 2018
購入先 Amazon.co.jp Dell Lenovo
税込価格 ¥89,609.- ¥235,499.- ¥400,928.-
納期 即納 即納 約3週間
外観

Ubuntu Certified hardware

ROS / Ubuntu の導入機種を選ぶにあたって Ubuntu Certified hardware という Web ページが参考になります.

Ubuntu Certified hardware で今回の各ノートパソコンの対応状況を調べた結果が次の通りです.

これらのノートパソコンに限れば,2018 年の日付があるものは Ubuntu 16.04 に対応していて,2019 年の日付があるものは Ubuntu 18.04 に対応していると記載されています.

次項目で記述しますが対応が非明記のバージョンの Ubuntu をインストールしても問題なく動作する組み合わせもあります. Ubuntu Cetrified hardware を参考にしつつ,各ノートパソコンで使用されている各種チップの Linux デバイスドライバの対応状況等ふまえて導入を検討するのが良さそうです.

Ubuntu のインストール手順

Ubuntu はバージョン 16.04 と 18.04 をそれぞれのノートパソコンにインストールを試みました.各ノートパソコンに購入時にインストールされている Windows 10 を残したまま Ubuntu も起動できるように SSD にパーティションを切ってインストールすることとしました.

Ubuntu のインストール手順は Dell と Lenovo のノートパソコンで BIOS の設定方法が少し違うので分けて説明したいと思います.

なお,本記事では必要な手順の項目を中心にお伝えします.実際に PC に Ubuntu をインストールする際には具体的な方法を十分調査の上作業を行ってください.

Dell ノートPCへの Ubuntu のインストール手順

後述する Lenovo ThinkPad への Ubuntu のインストールと比べて BIOS の設定変更に関する手順が多くなっています.

  • Windows で記憶デバイスのパーティションを切って Ubuntu をインストールするディスク領域を確保
  • BIOS(UEFI) の設定変更
    • Secure Boot を OFF にする = USB メモリからのブートを可能にする
    • SATA Operation を RAID から ACHI モードに変更 = Linux ディスクにアクセスできるようにする
    • RAID モード(デフォルト)の状態で Windows を通常起動
    • 管理者権限でコマンドプロンプトを起動しbcdedit /set {current} safeboot minimal を実行
    • PC の再起動
    • PC 再起動時の Dell ロゴ画面にて F2 を押して BIOS(UEFI) 設定に入る
    • System Configuration の SATA Operation を RAID から ACHI に変更
    • APPLY CHANGES で設定変更を反映させてから EXIT にて再起動
    • Windows 10 のセーフモードの起動
    • 管理者権限でコマンドプロンプトを起動して bcdedit /deletevalue {current} safeboot を実行
  • Ubuntu Linux のインストール
    • Ubuntu インストーラの入っている USB メモリを PC に接続
    • PC の起動
    • PC 再起動時の Dell ロゴ画面にて F12 を押して One-Time Boot Settings に入る
    • Ubuntu インストーラの入っている USB メモリを選択して起動
    • Ubuntu のインストールの実行
  • デバイスドライバのアップデート・インストール
    • インターネットに接続した状態で Ubuntu のソフトウェアのアップデートを行う
    • XPX 13 7390
      • Ubuntu 18.04 には Dell からデバイスドライバが用意されているのでダウンロードしてインストールする
      • Ubuntu 16.04 にはデバイスドライが対応していない
        • ディスプレイのスケーリングができない = 文字が小さすぎて見えない
        • WiFi チップの Intel AX200 がドライバ対応されていない
          • USB 接続の有線 Ethenet なら利用可能

インストールにあたっては次のサイトを参考にしました.

Lenovo ThinkPad ノートPCへの Ubuntu のインストール手順

  • Windows で記憶デバイスのパーティションを切って Ubuntu をインストールするディスク領域を確保
  • BIOS の設定変更
    • 起動時 Lenovo ロゴ画面で Enter を押した後にメニューに従って F1 で BIOS Setup Utility に入る
    • Security Chip の無効化
    • Secure Boot の無効化
  • Ubuntu のインストール
    • Ubuntu インストーラの入っている USB メモリを PC に接続
    • PC の起動
    • 起動時 Lenovo ロゴ画面で Enter を押したあとにメニューに従って F12 で choose a temporary startup device を選択
    • Ubuntu インストーラの入っている USB メモリを選択して起動
    • Ubuntu のインストールの実行
  • デバイスドライバのアップデート・インストール
    • インターネットに接続した状態で Ubuntu のソフトウェアのアップデートを行う
    • NVIDIA GeForce ドライバの適用
      • グラフィックドライバのリポジトリの追加
        • sudo add-apt-repository ppa:graphics-drivers/ppa
        • sudo apt-get update
      • Software Updater → Settings … → Additional Drivers → nvidia-driver-440 → Apply changes
    • ThinkPad X1 Extreme のみ
      • WiFi チップの Intel AX200 がドライバ対応されていない
        • USB 接続の有線 Ethenet なら利用可能

Dell と Lenovo のノートPCインストール手順の比較・総評

  • Dell に比べて Lenovo ThinkPad の方が BIOS 関連の設定変更が楽
    • Dell の SATA Operation を RAID から ACHI モードに変更する手順が複雑
  • Ubuntu インストール後アップデート作業までは…
    • WiFi 接続ができないので USB 接続有線 Ethernet アダプタが必要
    • タッチパッドが機能しない可能性があるので USB 接続のマウスが必要
  • 13インチ 4K ディスプレイはスケーリングが適用されるまでは文字が小さくて非常に見づらい
  • Ubuntu 16.04 においては WiFi チップ Intel AX200 のドライバを適用しても WiFi に接続しようとすると OS がフリーズした
  • 最新のチップ構成だと Linux ドライバが対応していない可能性に注意
  • Ubuntu 18.04 は今回試したいずれの PC でも正常に動作可能と言える
  • Ubuntu Certified hardware で各 PC の Ubuntu バージョンの対応関係は参考になる

ベンチマークテスト

CPU ベンチマーク比較

各 PC で UnixBench を実行して,シングルコア・マルチコアのスコアを調査しました.

Dell Inspiron 13 5390 Dell XPS 13 7390 ThinkPad X1 Extreme Gen2 ThinkPad T480s
スペック
CPU ナンバー Core i5-8265U Core i7-10710U Core i9-9880H Core i7-8550U
スレッド / コア 8 / 4 12 / 6 16 / 8 8 / 4
ベース周波数 1.6 GHz 1.1 GHz 2.3 GHz 1.8 GHz
最大周波数 3.9 GHz 4.7 GHz 4.8 GHz 4.0 GHz
UnixBench
シングルコア 1640.1 2106.8 1829.1 1234.6
マルチコア 3550.8 6012.3 7960.4 3399.5

Multi Cores はコア数に応じたスコアを示しているように思います.

また Dell Inspiron 13 5390 が値段の割に良い結果が得られました.

GPU ベンチマーク比較

GPU は ROS では Gazebo シミュレーションの 3D 表示能力などと関係がある項目です.

各 PC で Unigine Benchmark – Heaven (1920 x 1080) と glmark2 をそれぞれ実行して,スコアを調査しました.

Dell Inspiron 13 5390 Dell XPS 13 7390 ThinkPad X1 Extreme Gen2 ThinkPad T480s
GPU Intel UHD 620 Intel UHD 630 Intel UHD 630 GeForce GTX 1650 Intel UHD 620 GeForce MX150
Unigine Benchmark – Heaven 1920 x 1080
Score 281 310 290 1565 267 548
FPS 11.2 12.3 11.5 62.1 10.6 21.8
Min FPS 5.0 5.9 8.1 21.4 5.3 6.3
Max FPS 23.7 25.9 23.2 124.7 22.1 46.2
glmark2
Score 2244 2892 2978 2633 2500 3343

Unigine Benchmark – Heaven では NVIDIA グラフィックの優位性が顕著に出ました.

一方 glmark2 の方は NVIDIA GeForce MX150 の優位性はあるものの NVIDIA GeForce GTX 1650 はむしろ Intel UHD 630 よりも低いスコアとなりました.これらの PC では glmark2 実行時に 2000 〜 4000 fps ほど出てしまうので,現在の GPU に対しては負荷が軽すぎるような印象を持ちました.

ROS PCL プロセス処理周波数比較

実際の ROS プロセスの動作状況を比較するためにポイントクラウドのフィルタリング処理能力を比較しました.

予め記録したポイントクラウドメッセージの rosbag データを各 PC で Voxel Grid フィルタと Statistical Outlier Removal フィルタをかけて ROS トピック /camera/statistical_outlier_removal/output として出力して周波数を調査しました.

$ rostopic hz /camera/statistical_outlier_removal/output
Dell Inspiron 13 5390 Dell XPS 13 7390 ThinkPad X1 Extreme Gen2 ThinkPad T480s
MAX 2.855 5.052 4.333 2.000
Average 2.353 3.759 3.830 1.873
min 2.126 2.975 3.623 1.787

3D グラフィクの表示は行わなかったので基本的には CPU によるデータ処理と考えられます.

CPU Multi Cores のスコアが一番近い傾向にあるように思いますが,Dell XPS 13 と ThinkPad X1 Extreme Gen2 の差は CPU Multi Cores ほどは出ませんでした.より多い数のスレッドを必要とするプロセスでは差が出るかもしれません.また Dell XPS 13 7390 は処理周波数の最大,最小の差が大きかったです.

Dell Inspiron 13 5390 は値段の割に良い結果を出している印象を持ちました.

まとめ

  • インストール・設定関係
    •  BIOS
      • Lenovo ThinkPad の方が Dell に比べて BIOS 関連の設定変更が楽
    • 13インチ 4K ディスプレイ(今回は Dell XPS 13 7390)
      • スケーリングが適用できるようになるまでは文字が小さくて非常に見づらい
    • Ubuntu 18.04 は今回試したいずれの PC でも正常動作
    • Ubuntu 16.04 においては一部 WiFi チップ Intel AX200 のドライバに不具合
    • 最新のチップ構成だと Linux ドライバが対応していない可能性に注意
    • Ubuntu Cetrified hardware で各 PC の Ubuntu バージョンの対応関係は参考になる
  • 各ノートパソコン性能など
    • Dell Inspiron 13 5390
      • 10万円未満という値段の割には良い性能
        • 低コストやドライバ対応の面を考えると Ubuntu + ROS 入門用に向いている
          • ただ BIOS の設定に手間がかかる
    • Dell XPS 13 7390
      • 今回の ROS ポイントクラウド処理では ThinkPad X1 Extreme に肉薄する性能
    • ThinkPad X1 Extreme Gen2
      • CPU・GPU・ROS PCL の全ベンチマークで最高性能を発揮
    • ThinkPad T480s
      • Intel GPU に比べて NVIDIA GPU の優位性あり
      • BIOS 設定も簡単で基本的なドライバは追加する必要もなくインストールが楽
  • その他
    • グレアディスプレイだと写真や動画を撮るときに反射・映り込みに配慮する必要あり
Dell Inspiron 13 5390 Dell XPS 13 7390 ThinkPad X1 Extreme Gen2 ThinkPad T480s
Ubuntu 16.04 + ROS Kinetic
Ubuntu 18.04 + ROS Melodic
BIOS 設定の容易さ
ROS ポイントクラウド処理性能
価格
著者:yamamoto.yosuke

CIS ToF カメラセンサ がネット購入できるようになりました

2019年に ROS パッケージをリリースしました CIS ToF カメラセンサ DCC-RGBD1 がネットから購入できるようになりました.

Amazon.co.jp で購入の場合は日本国内への出荷のみですが,日本国外へも 株式会社シーアイエス の販売窓口メールアドレス ec-sales@ciscorp.co.jp にお問い合わせいただくと販売可能とのことです.

著者:yamamoto.yosuke

CIS ToF カメラセンサの ROS ドライバパッケージをリリースしました

新しい ROS パッケージ cis_camerahttps://github.com/tork-a/cis_camera )をリリースしました.

この ROS パッケージは 株式会社シーアイエスhttps://www.ciscorp.co.jp/ ) ToF (Time of Flight) カメラセンサ DCC-RGBD1 のためのドライバパッケージです.

DCC-RGBD1 は小型ながら広いレンジの深度画像が取得可能な ToF カメラセンサ(ディベロップメントキット)です.

  • 15cm 〜 5m のレンジで高精度な深度画像を取得可能
  • 小型 H:50mm × W:55mm × D:35mm(突起部を含まず)
  • RGB (QVGA) と Depth / IR (VGA) の3つの画像を同時取得
  • インタフェースは USB 3.0( USB 3.0 micro B コネクタ搭載:USB 給電は非対応 )
  • 屋内使用向け

本パッケージでは CIS ToF カメラセンサの ROS ドライバに加え,ノイズ除去,平面検出・除去,対象物点群抽出とフレーム座標算出のポイントクラウド処理ならびに,それらの処理結果を RViz で 3D 表示するためのサンプルプログラムおよび launch ファイルを同梱しています.

使い方は GitHub のドキュメントをご参照ください.
もし問題にぶつかった場合は GitHub Issues で報告をお願いします.

CIS ToF カメラセンサのハードウェアの入手などに関するお問い合わせは下記連絡先までお願いします.

ハードウェアに関するお問合せ先:株式会社シーアイエス 営業担当
メールアドレス:newbiz@ciscorp.co.jp
電話番号:042-664-5568