Webots講座２：プログラミングしよう！(Python)

2021.06.10

ブレイクの予感がする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 10
  • Anaconda3 (Python 3.8)
  • Webots R2021a

Webotsの日本語化

  • Webotsはオフィシャルに日本に対応しているので，日本語にしましょう．
  • Webotsを起動する．
  • 窓の上部にあるメニューバーの[Wizard]→[Preferences]→[General]のLanguage:を”Japanese-日本語”にして[OK]をクリックする．メニューバーの[File]→[Exit]でWebotsを終了させる．Webotsを再起動すると日本語表示になる．

 

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．

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．
    • 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]を教えて保存する．
      • 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．

WebotsのPythonコマンドの設定

  • 授業で実施したところ，Windowsの環境変数の設定だけではPythonが動かないという例が多かったので，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りません．動かない場合は，ユーザ名を半角英語で作り直して試してください．
    • 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]を選択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\ユーザ名\webots”をエクスプローラで作成する．
  • プロジェクトの作成
    • メニューの[ウィザード]→[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my_projectをhello_worldに変更して[次へ(N)]をクリックする．下のdemuraは私のユーザ名なので，自分のユーザ名に変更する．
    • 「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します．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となります．
    • 「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．RectangelArenaをクリックして，その上にある[＋]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．次はこのロボットのコントローラを作ります．
  • 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します．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します．メニューバーから[ウィザード]→[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”にする．[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．
    • 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． 
      from controller import Robot 

robot = Robot() 

while robot.step(32) != -1: 
    print("hello, world")

 

 

ソースコードを説明します．１行目で controllerモジュールからRobotクラスをインポートし，３行目は Robotクラスのインスタンスを生成します．５行目のrobot.step(32)はシミュレータのタイムステップを表し，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．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]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．ワールドを保存する．
  • 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”と表示されます．今回のプログラムはコンソールに”hello world”と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．
    • コンソールに”I am Happy Robot”と表示するPythonプログラムを作成しよう．

終わり

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