Webots講座2-2024：プログラミングしよう！(Python)

Webots講座の２回目です．さっそく，Pythonを使ってロボットを動かしてみましょう．

レファレンス

環　境

  • Windows 11
  • Anaconda3 (Python 3.11.7)
  • Webots R2023b

Webotsの日本語化

  • Webotsは公式に日本語対応しているので変更しましょう。
  • Webotsを起動する．
  • 窓の上部にあるメニューバーの[Tools]→[Preferences…]→[General]のLanguage:を”Japanese-日本語”にして[OK]をクリックする．
  • 設定を変更したので[Restart Now?]という窓が開くので[Yes]をクリックするとWebotsが再起動して日本語表示になる．

 

Anacondaのインストール

  • Pythonに加えて機械学習やデータサイエンス関連のライブラリをたくさん含むAnacondaを次のリンクの説明に従ってインストールします．Anaconda3やPython3.7, 3.8, または3.9がインストールされている場合はインストールの必要はありません．Anacondaは商用利用の場合は有償です．

 

AnacondaのProxy設定

  • 大学や会社などProxy環境下にいる場合は，Proxy設定をしないとAnacondaを使ってpipなどでソフトウェアをインストールできない．
  • 以下の.condarcファイルに次の内容のProxy設定をエディタで書いて保存する．
    • C:\Users\ユーザー名\Anaconda3\.condarc
    • 内容
      proxy_servers:
      http: http://プロキシサーバ名:8080
      https: https://プロキシサーバ名:8080
  • 設定の確認
    • スタート→ Anaconda3 (64bit) → Anaconda Prompt (anaconda3) を起動
    • 起動したAnaconda Promptから次のコマンドを入力
        • conda config --show
    • 設定がいろいろ表示される．.condarcに書いたproxy_serversが表示されていれば成功．

ライブラリのインストール

  • WebotsにはコンピュータビジョンライブラリOpenCVを使うデモがあり，OpenCVはよく使うのでインストールする．Windowsのスタートメニューから→anaconda3(64bit)→Anaconda Prompt(anaconda3)を起動する．
  • Anaconda Prompt (anaconda3)で次のコマンドを実行する．Proxy環境下でProxyの設定をしてもエラーがでる場合は，この演習ではOpenCVを使わないので，自宅で実行してインストールする．
    • pip install opencv-python

Pythonのパス設定

  • PythonがどこにあるかをWebotsに知らせるために，Windowsのシステム環境変数PATHを設定する必要があります．
  • Windowsの下にあるタスクバーの左にある検索窓[ここに入力して検索]に「環境変数」と入力すると下図のように[環境変数を編集]が現れるので，それをクリックする．
  • [環境変数]窓が開くので，Pathをクリックし選択してから，[編集(E)…]をクリックする．
  • [環境変数名の編集]窓になるので，[新規(N)]をクリックする．
  • [参照(B)…]をクリックしてpython.exeがあるフォルダを選択する．選択するとそのフォルダのあるパスが追加される．この例では，Anaconda3をユーザフォルダにインストールしているので，以下のフォルダになる．[OK]をクリックして保存する．
    • C:\Users\ユーザ名\anaconda3
    • 同様にして次の２つのパスも追加して，[OK]をクリックして保存する．
      • C:\Users\ユーザ名\anaconda3\Scripts
      • C:\Users\ユーザ名\anaconda3\Library\bin
      • 環境変数をシステムに反映させるために，Windowsを再起動する．

プロキシの設定

  • 学内などのプロキシ環境下ではWebotsもプロキシ設定をする必要がある．
    • メニューから[ツール]→[レファレンス…]→[Network]タブを選択して，以下の項目を入力したら[OK]をクリックする．
      • Hostname: ホスト名．”http://”は入力しないでホスト名だけを入力する．
      • Port: ポート番号を入力

 

WebotsのPythonコマンドの設定

  • 次に，WebotsでもPythonコマンド(python.exe)のパスを設定しましょう．
  • Webotsを起動して，メニューバーの[ファイル]→[ツール]→[プリファレンス…]を選択すると[プリファレンス]窓が開くので，Python command:を次のように入力して[OK]をクリックする．なお，このパスはpython.exeがある場所を指定する．パスはUnixのようにディレクトリはスラッシュ’/’で区切ること．私の環境ではバックスラッシュ’\’で区切ると動作しなかった．また，ユーザ名が日本語の場合やユーザ名に間にスペースがある場合に動くかはわからない．動かない場合は，ユーザ名を半角英語で作り直す．
    • Python command: c:/Users/ユーザ名/anaconda3/python.exe

Pythonの動作確認

  • WebotsでPythonが動作するか確認しましょう．
  • Webotsを起動して，メニューバーの[ファイル]→[Open sample world…]を選択すると[Open Sample World]窓が開く．
  • [languages]→[Python]→example.wbtを選択して[OK]をクリックすると下図のような碁盤の目とかわいいロボット3台のワールドが現れる．現れれば成功！現れない場合は，Windowsのシステム環境変数にPythonのパスが正しく設定されていない可能性が高いのでPythonパスの設定作業を確認する．

はじめてのWebotsプログラミング

  • 準　備
    • プロジェクトを格納するフォルダとして”C:\ユーザー\ユーザー名\webots”をエクスプローラで作成する．
  • 新規プロジェクトの作成
    • メニューの[ファイル]→[New]→[新規プロジェクトのディレクトリ…]を選択する．ディレクトリはWindowsのフォルダのこと．下の窓が開くので[次へ(N)]をクリックする．
    • 「ディレクトリの選択」窓になるので，ディレクトリをC:/Users/ユーザ名/webots/hello_worldに変更して[次へ(N)]をクリックする．下のdemuraは私のユーザー名なので，自分のユーザー名に変更する．
    • 「World settings」窓になる．ワールドはシミュレータ上の仮想世界になり，ロボットはそのワールドで動作する．ここでは，ワールド名はhello_world.wbtに変更し，一番下の”Add a rectangle arena”にチェックを入れて[次へ(N)]をクリックする．ワールド名の最後のwbtはワールドファイルの拡張子．
    • 「結果」窓になるので[完了(F)]をクリックする．
    • 市松模様のボードRectangleArena（四角いアリーナ）が下図のように現れる．
    • 次に，このRectangleArenaの属性を変えてみよう！左欄の上から５番目にある[RectangleArena “rectangel arena”]をダブルクリックすると展開され属性が現れる．まず，床のサイズを変更しよう．floorSizeをクリックすると，下欄[Selection floorSize (Vector2)]のxとyに2を入力するとサイズが縦横２倍になる．同様にして，floorTileSizeやwallHeightなどを変えて遊んでみよう．変更したらメニューバーの[ファイル]→[ワールドファイルを保存]を選択してワールドを保存する．
  • ロボットの追加
    • 次にロボットをアリーナに登場させよう．ロボットはいろいろ用意されているが，ここではソフトバンクのNaoに登場願おう．RectangleArenaをクリックして，メニュー[編集]の下にある[＋]をクリックすると[ノードを追加]窓が開くので，[PROTO nodes (Webots Projects)]→[robots]→[softbank]→[nao]→[Nao (Robot)]を選択して[追加]をクリックする．
    • 下図のようにアリーナの中央にNaoが現れる．Naoの頭しか見えない場合は，左マウスボタンを押しながらアリーナをドラッグすると全身が見える．次はこのロボットのコントローラを作ろう！
  • コントローラの作成
    • ワールドとロボットを作ったので，次はコントローラを作成する．Webotsではコントローラをプログラミングすることでロボットを動かすことができる．メニューバーから[ファイル]→[New]→[新規ロボットのコントローラ…]を選択する．「新規コントローラの作成」窓が開くので[次へ(N)]をクリックする．
    • 「言語選択」窓が開くのでPythonにチェックを入れ，[次へ(N)]をクリックする．
    • 「名前の選択」窓になるので，コントローラの名前を入力する．ここでは”hello_world_controller”にして，[次へ(N)]をクリック．
    • 「結果」窓になるので[完了(F)]をクリックする．
    • シミュレーションが面の右にテキストエディタが開き，次のようなコントローラの雛形プログラムが自動的に作られる．
    • ここでは，上の雛形コードを下のように変更します．プログラミング言語で定番の初めてのコードといえば，”hello, world”ですね．変更したらエディタの上にある赤枠で囲んだフロッピーディスクのアイコンをクリックして保存します．

ソースコードを説明します．5行目で controllerモジュールからRobotクラスをインポートし，8行目は Robotクラスのインスタンスrobotを生成します．11行目のtimestepはシミュレータのタイムステップを表しています．値としては32です．つまり，1ループで32[ms]シミュレーションを進めるという意味です．この時間を小さくすると計算精度は高くなりますが，シミュレーションは遅くなります．逆に大きくするとシミュレーションは速くなりますが，精度が悪くなり，シミュレータと実世界でのロボットの動きが変わってしまいます．16から18行目のwhileループで，コンソールに’hello, world.’とループの回数epochを表示します．

このコントローラはロボットを動かすのではなく，シミュレータが終わるまで，”hello, world”とループの回数がコンソールに出力し続けるだけです．

 

  • ロボットへのコントローラ組込み
    • 次にこのコントローラプログラムをロボットに組込みます．組み込まないとプログラムは動作しません．左欄の[Nao]→[controller”nao_demo”]を選択し，下の[Selection controller (String)]欄の[選択…]をクリックするとコントローラの一覧が現れるので，その中から先ほど作成した”hello_world_controller”をクリックして組み込みます．
    • [ファイル]→[ワールドファイルを保存]を実行して保存する．
  • 実　行
    • Pythonなのでビルドする必要はありません．プログラムを実行するためには，まず，シミュレーション表示部分の上にある，[reset]ボタンを押して，シミュレーションをリセットして初期化します．次に，[run]ボタンを押すとプログラムが実行され，下欄の[Console – All]に “hello, world “とループの回数が表示されます．今回のプログラムはコンソールに”hello world”とループの回数を表示するだけの簡単なものです．次回は車輪型ロボットをプログラムで動かしますのでお楽しみに！なお，表示されない場合は，Pythonのコード（インデントなど）に問題がないか確認してください．

ハンズオン

  • 新しいプロジェクトを作成して，次のハンズオンを実施してください．
    • 市松模様のアリーナRectangleArenaのサイズを変更してみよう．
    • 好きなロボットをアリーナに登場させよう．

終わり

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