著者:yuki.onishi
MoveItでPandaを動かそう：前編（WMD 2019 in Tokyo 準備編）
はじめに
本記事では，World MoveIt Day 2019 in Tokyo（WMD 2019 in Tokyo） の会場にて動かすことのできるロボットアーム Panda を，実際にPCと接続して動かす方法を紹介します．
前編では，Panda を動かすPCの環境構築と，PCと実機の接続方法について紹介します．当日実際に機体を動かしてみたい方は，必見です！
1. franka_ros の導入
1.1. Franka Control Interface (FCI) について
Franka Control Interface (FCI) は， Panda の製造元である FRANKA EMIKA が提供する，オープンソースのライブラリです．
FCI には，C++ライブラリである libfranka と，これを ROS1 に対応させた ROSパッケージ群 franka_ros があります．これらのライブラリはイーサネットを通じて，PC と Panda との高速な双方向通信を行い，1 kHz でのリアルタイム制御と計測を実現します．
制御のインターフェースとしては，次の5種類がサポートされています．
- 自重・摩擦補償付きトルク指令
- 関節位置指令
- 関節速度指令
- 手先位置指令
- 手先速度指令
また，同時に次の計測値を得ることができます．
- 関節角度
- 関節速度
- 関節トルク
- 手先に加わるレンチ（外力とトルク）の推定値
ライブラリには他にも，シミュレーション等で役立つロボットの物理モデルや，運動学・動力学の計算に使える関数が用意されています．
1.2. Linux へのインストール
ここでは，次の環境を想定します．
- OS: Ubuntu 18.04 LTS Bionic Beaver
- ROS: ROS1 Melodic Morenia
最も簡単な方法は，apt コマンドを利用する方法です．次のコマンドを実行してください．
sudo apt install ros-melodic-libfranka ros-melodic-franka-ros
ソースコードからビルドしたい方は，こちらを参考に行ってください．
1.3. リアルタイムカーネルのセットアップ
次に，ロボットをリアルタイムで制御するために必要な，リアルタイムカーネルのセットアップを行います．
1.3.1. 依存パッケージのインストール
依存するパッケージのインストールを行います．
sudo apt install build-essential bc curl ca-certificates fakeroot gnupg2 libssl-dev lsb-release libelf-dev bison flex
1.3.2. カーネルとパッチのダウンロード
こちらのリンクから，リアルタイム用のカーネルパッチのバージョンを選びます．今回は 4.14.12 を選択します．
ダウンロードするディレクトリへ移動し，curl コマンドを利用して，カーネルとパッチを取得します．異なるバージョンを選択した場合は数字の部分を変更してください．
curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.12.tar.xz curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.12.tar.sign curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/older/patch-4.14.12-rt10.patch.xz curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/older/patch-4.14.12-rt10.patch.sign
ダウンロードしたファイルを解凍します．
xz -d linux-4.14.12.tar.xz xz -d patch-4.14.12-rt10.patch.xz
1.3.3. カーネルとパッチの検証
カーネルにパッチを当てるにあたり， gpg2 コマンドを用いて署名の検証を行います．
gpg2 --verify linux-4.14.12.tar.sign
もし次のようなエラー
gpg: RSA鍵 <ABCD> を使用 gpg: 署名を検査できません: 公開鍵がありませんが発生したら，
<ABCD>の値を利用して，次のコマンドを実行してみてください．gpg2 --keyserver hkp://keys.gnupg.net --recv-keys 0xABCD
次のような結果が得られたら完了です．
gpg: RSA鍵 <ABCD> を使用 gpg: "Greg Kroah-Hartman <gregkh@linuxfoundation.org>"からの正しい署名 [不明の] gpg: 別名"Greg Kroah-Hartman <gregkh@kernel.org>" [不明の] gpg: 別名"Greg Kroah-Hartman (Linux kernel stable release signing key) <greg@kroah.com>" [不明の] gpg: *警告*: この鍵は信用できる署名で証明されていません! gpg: この署名が所有者のものかどうかの検証手段がありません． 主鍵フィンガープリント: 647F 2865 4894 E3BD 4571 99BE 38DB BDC8 6092 693E
パッチファイルについても同様の検証を行います．
gpg2 --verify patch-4.14.12-rt10.patch.sign
1.3.4. カーネルのビルド
それでは，ダウンロードファイルを解凍し，パッチを適用します．
tar xf linux-4.14.12.tar cd linux-4.14.12 patch -p1 < ../patch-4.14.12-rt10.patch
次に，カーネルのコンフィグレーションを設定します．次のコマンドを実行すると，テキストベースの設定が始まります．
make oldconfig
ほとんどの設定はデフォルトのままで問題ありませんが，”Preemption Model” の設定のときだけ，次のように， PREEMPT_RT_FULL に指定してください．
Preemption Model
1. No Forced Preemption (Server) (PREEMPT_NONE)
2. Voluntary Kernel Preemption (Desktop) (PREEMPT_VOLUNTARY)
3. Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop) (PREEMPT__LL) (NEW)
4. Preemptible Kernel (Basic RT) (PREEMPT_RTB) (NEW)
> 5. Fully Preemptible Kernel (RT) (PREEMPT_RT_FULL) (NEW)
ビルドを行います．コア数に応じて，並列化オプションを変更してください．かなりの時間を要しますので，ご注意ください．
fakeroot make -j4 deb-pkg
1.3.5. カーネルのインストール
カーネルのビルドが完了したら，インストールを行います．
sudo dpkg -i ../linux-headers-4.14.12-rt10_*.deb ../linux-image-4.14.12-rt10_*.deb
実行が終わったら，PCを再起動してください．起動時に，カーネルバージョンが選択できますので，ビルドしたもの（PREEMPT_RT と書かれているもの）を選択しましょう．
これで，リアルタイム対応のカーネルが利用可能になっているはずです．ターミナル上でコマンド uname -a を実行して，望みのカーネルが立ち上がっているか確認してください．
1.3.6. パーミッションの設定
リアルタイム対応のカーネル上で，パーミッションの設定を行います．そのために，新たにユーザグループとユーザを作成します．
sudo addgroup group_name sudo usermod -a -G group_name user_name
group_name と user_name は自由に設定可能です．
作成したユーザグループに対して，パーミッションを設定します．/etc/security/limits.conf を編集し，次の設定を書き足します．
@group_name soft rtprio 99 @group_name soft priority 99 @group_name soft memlock 102400 @group_name hard rtprio 99 @group_name hard priority 99 @group_name hard memlock 102400
これで，リアルタイムカーネルのセットアップ作業はすべて終了です．
2. 実機とPCの接続
2.1. 安全への配慮
実機を動かす際には，危険が伴います．ここでは，安全に実機を動作させるための注意事項を記します．毎回，以下の点に注意するようにしてください．
- 機体が安定した土台に，仕様通りにしっかりと固定され，外れないことを確認してください．
- 通信ケーブルが機体とコントローラの両方にしっかりと刺さっていることを確認してください．
※ PC と機体は直接接続しません．必ずコントローラを介して接続します． - external activation device をロボットに繋ぎ，いつでも緊急停止が行えるようにしながら，作業をしてください．
ここで，external activation を行ったとき，各関節は今の位置を保つように停止します．直ちに脱力しないことに注意してください．
2.2. ネットワーク設定
2.2.1. ネットワーク構成
PC とコントローラはイーサネットケーブルを介して LAN で通信を行います．コントローラと機体は別のケーブルで接続します．
PC と機体を直接イーサネットケーブルで繋ぐことのないようにしてください．
ネットワークの設定には，静的な IP アドレスを利用するのが最も簡単です．両者が同じネットワーク上に存在する条件のもと，IP アドレスは自由に決めることができます．
簡単のため，ここでは，次のような設定を行うことにします．
| Workstation PC | Control | |
|---|---|---|
| Address | 172.16.0.1 | 172.16.0.2 |
| Netmask | 24 | 24 |
2.2.2. コントローラ側の設定
コントローラは既に，マニュアル通りのセットアップが完了していることを想定します．
まず，機体には何も繋がず，PC とコントローラのみを接続してください．
コントローラの IP アドレス（今回は 172.16.0.2）を用いて，ブラウザで次のページにアクセスします．
https://172.16.0.2
すると，コントローラの管理ページが開きます．次の図のように， [Setting] を選択してください．
設定画面が開けたら，左から [Network] のタブを選択し，静的 IP アドレスを設定します．
右下の [APPLY] ボタンを押して，コントローラ側の設定は完了です．これ以降は，機体とコントローラを接続して問題ありません．
2.2.3. PC側の設定
次に，PC 側の設定を行います．ここでは Ubuntu 16.04 での GUI による設定方法を紹介しますが， Ubuntu 18.04 でもほとんど変わりません．
デスクトップ右上のネットワークのアイコンを選択し，イーサネットの設定を編集します．新たに設定を追加しても問題ありません．
IPv4 の設定タブを開き，IP アドレスとネットマスクを先程決めたように設定します．
設定を保存し，現在の接続にこの設定を適用します．これで PC 側の設定も完了です．
2.2.4. 接続の確認
実際に接続に成功しているかを，サンプルプログラムを用いて確認します．次のコマンドを実行してください．
roslaunch franka_visualization franka_visualization.launch robot_ip:=172.16.0.2 load_gripper:=false
RViz が立ち上がり，ロボットの現在の状態が描画されれば，設定完了です．
これで，実際に Panda を動かす準備が整いました．後編では，ROS や MoveIt と連携させる方法について紹介します．
参考リンク
yuki.onishi editor
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