Pythonではじめる農業ロボット開発

#2021/11/20 PyCon mini Shizuoka 2021

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1. Pythonではじめる 農業ロボット開発 #2021/11/20 PyCon mini Shizuoka 2021
2. お前誰よ 小池　@ike_jpn • キュウリ農家 • もぐりの組み込みエンジニア • Pythonでやってること ◦ 機械学習（時系列データ分析・画像認識） ◦ プロトタイプ開発全般 • 最近やってること ◦ 農業に使えるモノづくり！ ◦ 減速機付きロボットアーム作りたい！ ＜キュウリ等級判別装置の開発＞ ＜自作ロボットアーム（開発中）＞
3. • スマート農業 • 自動化＆効率化 農具を作るの楽しい Data Analysis sensing Auto mation ハウス環境センサ 培地重センサ ボイラー稼働モニタ 等級選別の自動化 灌水自動化 データドリブン な経営判断 もともと農家は 自ら農具を作ってきた！
4. 最近70歳近くになる母が作った農具
5. 画像認識を用いたキュウリの等級判別器 • 出荷時に9つの等級に選別しないといけない • めんどくさい選別作業を楽にしたい 試作１号機 試作２号機 試作３号機
6. 画像認識を用いたキュウリの等級判別器 • Python • Tensorflow • OpenCV • Kivy (Mini) • MicroPython
7. https://www.donkeycar.com/ 草取りドンキーカー • Python • Tensorflow • OpenCV • Tornado
8. 今日話すこと • 野菜ピッキングロボットの制作 ◦ myCobot ◦ RealSense
9. 話さないこと なんでROS使わないんですか？
10. 開発のきっかけ • キュウリ選別器の改良（試作4号機） • とりあえず何かに使えそう ⇒ 野菜ピッキングロボを作ってみる 比較的安価でそれなりのロボッ トアームが登場 ・Dobot ・UFACTORY ・Elephant Robotics など 【価格帯】 　卓上：約8～12万 　小型：約30～60万
11. myCobot 280 Elephant Robotics社 myCobot 280 DoF : 6 Payload : 250g Working radius : 280mm M5Stackで制御可能 https://www.elephantrobotics.com/en/mycobot-en/ より
12. myCobotのセットアップ • 台座を付ける • ファームウェアの書き換え ◦ MyStudioを使ってTransponderを書き込む ◦ （参考）「myCobotのすべて」からあげ氏 ▪ https://zenn.dev/karaage0703/books/3be6bad93b0c8e • pymycobotのインストール $pip install pymycobot 開発用ＰＣ myCobot serial on USB
13. ロボットの眼 Intel RealSense L515 depth range 　　 : 0.25 - 9.0m depth resolution : 1024x768 RGB resolution 　: 1920x1080 ※残念ながら2022年2月をもってL,F,Tシリーズはディ スコンになることがIntelよりアナウンスされました 代わりにDシリーズを使ってとのことです． https://www.intelrealsense.com/message-to-customers/
 

14. RealSenseのセットアップ • SDKのインストール ◦ https://github.com/IntelRealSense/librealsense/releases
 • RealSense Viewerで動作確認 • pyrealsense2のインストール $pip install pyrealsense2
15. 構成を考える ピッキングロボットの構成 • RealSenseの取付位置 ◦ 全体を見渡せる上部に配置 • myCobotの位置 ◦ ワークと同じ高さの地面に配置 • ワークの運搬先 ◦ とりあえず今回はアームの横に置く （持ち上げられれば良い）
16. • AR（ArUco）マーカで地面とアーム先端の初期位置を検出 RealSenseによる座標系の検出（１） 画像からARマーカーを使って，カメラに対する地 面座標の回転を計測することで，地面に対するカ メラの姿勢が分かる．
17. RealSenseによる座標系の検出（２） • ARマーカによる回転&平行移動ベクトルの計測 corners, ids, _ = cv2.aruco.detectMarkers(color_image, aruco_dict) _, rvec, tvec = cv2.aruco.estimatePoseBoard(corners, ids, board, camera_matrix, dist_coeffs) • カメラ内部パラメータの取得 import pyrealsense2 as rs ～割愛～ profile = pipeline.start(config) camera_profile = rs.video_stream_profile(profile.get_stream(rs.stream.color) intrinsics = camera_profile.get_intrinsics() camera_matrix = np.array([[intrinsics.fx, 0, intrinsics.ppx], [ 0, intrinsics.fy, intrinsics.ppy], [ 0, 0, 1]]) dist_coeffs = np.array(intrinsics.coeffs) 座標軸の回転ベクトル，平行移動 ベクトルが取得できる
18. 座標を可視化すると捗る • 3次元座標変換の計算結果が確認できるといろいろ捗る • OpenGLを使ったグラフィック表示
 http://pyglet.org/ • クロスプラットフォームのマルチメディア ライブラリ • 使い方はrealsenseのサンプルコード参照 https://github.com/IntelRealSense/librealse nse/blob/master/wrappers/python/example s/pyglet_pointcloud_viewer.py
 

19. 野菜の位置の検出 • アーム直下の地面上24cmのライン上をサーチ • 3次元カメラ座標系⇒2次元Depth画像座標系⇒3次元カメラ座標系 （将来的には，深層学習を用いて掴みやすい位置の検出までやりたい...） 野菜検出ライン［pix］
20. RealSenseで投影・逆投影 # 3次元カメラ座標系->2次元depth画像座標系 p0 = rs.rs2_project_point_to_pixel(depth_intrinsics, points[0]) # ライン右端 p1 = rs.rs2_project_point_to_pixel(depth_intrinsics, points[1]) # ライン左端 # 2次元depth画像座標系->3次元カメラ座標系 points = rs.rs2_deproject_pixel_to_point(depth_intrinsics, [x, y], d)
21. アームを野菜位置まで動かす • 目的の位置までロボットアームを動かすには ◦ 運動学，逆運動学，軌道計画などロボット工学の知識が必要（ニワカに は難しい...） • とりあえず俺は三角関数で行く！
22. myCobotの動かし方（１） • 各関節の角度と移動速度を指定すればよい from pymycobot import MyCobot, utils port = utils.detect_port_of_basic() cobot = MyCobot(port, 115200) cobot.sync_send_angles([0., 120., -140., 120., 90., 90.], 30) 各関節の角度：[J1, J2, J3, J4, J5, J6] 移動速度　　： 0～100 【注意点】慣れるまではゆっくり動かすこと． ・指を挟みます（それほど痛くはないがビックリします） ・アームが勢いをつけて机にぶつかったりもします
23. myCobotの動かし方（２） • 結構ガバい ◦ 指定した位置にきっちり止まるとは限ら ない • 目的の角度に到達するまで動かし続ける angles = cobot.get_angles() # 現在角度の取得 if angles != target_angles： ～目標角度を強める～ cobot.sync_send_angles([j1, j2, j3, j4, j5, j6], 30)
24. 実験
25. 実験（失敗編）
26. まとめ • Pythonでロボットアームを動かすことができた ◦ ロボットの眼　　⇒ RealSense :　pyrealsense2 ◦ ロボットアーム　⇒ myCobot :　pymycobot • 単純にロボットアームは超楽しい！ ◦ キュウリを持ち上げた時には感動すら覚えた ◦ いろいろな作業をやらせてみたい
27. 退屈なことはPythonにやらせよう https://automatetheboringstuff.com/ • やっかいなことに退屈な仕事はなくならない • 変えられないことを受け入れる冷静さと変え られることを変える勇気を（二ーバーの祈り より） 最近特に仕事を選ばなくなった Python君に助けてもらおう！
28. ご清聴ありがとうございました．