Introducción a Pinocchio y MeshCat para reBot Arm B601-DM

Brazo robótico de 6 GDL · Soporte multi-motor · Solucionador de cinemática · Planificación de trayectorias · Totalmente de código abierto

tip

Este código de ejemplo se puede usar para controlar los motores o las poses del brazo robótico, incluyendo control de un solo motor, control y prueba de cinemática directa/inversa, ajuste de la posición cero del brazo y lectura del ángulo del motor, sistema de visualización MeshCat y más.

Pinocchio es una biblioteca de código abierto para análisis y optimización de dinámica en robótica. Proporciona cinemática directa/inversa eficiente, cálculos dinámicos y capacidades de planificación de trayectorias. MeshCat es una herramienta de visualización 3D basada en la web que puede mostrar en tiempo real el estado del robot y las trayectorias de movimiento.

Este proyecto combina las potentes capacidades de cálculo de Pinocchio con la visualización intuitiva de MeshCat, proporcionando un conjunto completo de herramientas de análisis cinemático y depuración para reBot Arm B601-DM.

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Características del proyecto

1. Análisis cinemático completo Soporta cálculos de Cinemática Directa (FK) y Cinemática Inversa (IK), capaz de resolver en tiempo real la pose del efector final del brazo robótico.

2. Visualización 3D en tiempo real Muestra en tiempo real el estado del brazo robótico y las trayectorias de movimiento a través de MeshCat en el navegador, sin necesidad de software adicional.

3. Planificación y seguimiento de trayectorias Implementa planificación de trayectorias geodésicas en SE(3), soportando control de seguimiento CLIK (Cinemática Inversa en Bucle Cerrado).

4. Control de compensación de gravedad Calcula el par de gravedad de las articulaciones basado en el modelo dinámico de Pinocchio, logrando el efecto de “flotación” del brazo robótico.

5. Código abierto y extensible Todo el código es de código abierto, permitiendo a los usuarios personalizar algoritmos de control y efectos de visualización según sus necesidades.

Especificaciones

El hardware para este tutorial es proporcionado por Seeed Studio

Parámetro	Especificación
Modelo de brazo robótico	reBot Arm B601-DM
Grados de libertad	6 GDL + pinza
Modelo de motor	Damiao DM4340 / DM4310
Método de comunicación	Bus CAN mediante adaptador USB-CAN
Tensión de funcionamiento	24 V CC
Método de control	PC
Rango de temperatura de funcionamiento recomendado	0°C ~ 40°C

Lista de materiales (BOM)

Componente	Cantidad	Incluido
Brazo robótico reBot Arm B601-DM	1	✅
Puente serie USB2CAN	1	✅
Adaptador de corriente (24 V)	1	✅
Cable USB-C	1	✅
Pinza	1	✅

Requisitos del entorno

Elemento	Requisito
Python	3.10+
Sistema operativo	Ubuntu 22.04+
Interfaz de comunicación	Puente serie USB2CAN o interfaz CAN

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Pasos de instalación

Paso 1. Instalar uv (si no está instalado)

curl -LsSf https://astral.sh/uv/install.sh | sh

Paso 2. Sincronizar entorno (instalar todas las dependencias)

git clone https://github.com/vectorBH6/reBotArm_control_py.git
cd reBotArm_control_py
uv sync

tip

uv sync creará automáticamente un entorno virtual (si no existe) e instalará todas las dependencias según pyproject.toml y uv.lock.

Introducción a las herramientas de depuración

Configuración de permisos

Antes de ejecutar ejemplos de control de hardware, debes configurar los permisos del dispositivo:

# Set serial device permissions (Damiao USB2CAN)
sudo chmod 666 /dev/ttyACM0

# Or set CAN device permissions (e.g., can0)
sudo chmod 666 /dev/can0

Consola de control de un solo motor (0x01damiao_test.py)

Prueba directa de un solo motor usando el SDK de motorbridge.

Cómo ejecutar:

uv run python example/0x01damiao_test.py

Comandos interactivos:

Comando	Descripción
enable / disable	Habilitar/Deshabilitar motor
set_zero	Establecer posición cero
state	Ver estado
ping	Hacer ping al motor para obtener respuesta
clear_error	Borrar errores del motor
mode <mit/posvel/vel>	Cambiar modo de control
mit <pos> [vel] [kp] [kd]	Comando en modo MIT
posvel <pos> [vlim]	Comando en modo POS_VEL
vel <velocity>	Comando en modo de velocidad pura
read_param <id> [type]	Leer parámetros del motor
write_param <id> <value> [type]	Escribir parámetros del motor
loop	Entrar en modo de control en bucle
q / quit	Salir

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Calibración de cero y monitorización de ángulo (2_zero_and_read.py)

Establece automáticamente los ceros de todas las articulaciones y muestra los ángulos de las articulaciones en tiempo real.

Cómo ejecutar:

uv run python example/2_zero_and_read.py

# Example Output
-0.12  +0.23  -6.42  +41.74  -0.45  -0.01  -0.01

Modo de control MIT (3_mit_control.py)

Introduce ángulos objetivo para todas las articulaciones para completar el control del motor en modo de control MIT, normalmente usado para control de fuerza, control de impedancia o escenarios que requieren alta respuesta dinámica.

Cómo ejecutar:

uv run python example/3_mit_control.py
> 30 0 0 0 0 0 # Control motor 1 to rotate 30 degrees
> state
  pos (deg): ['+29.99', '+0.00', '-45.00', '+0.00', '+0.00', '+0.00']
> q # Exit system

peligro

Ten en cuenta que en el modo de control MIT, el brazo robótico se mueve muy rápido. Asegúrate de que las personas y otros dispositivos estén fuera del radio de trabajo del brazo.

Modo de control Posición-Velocidad (4_pos_vel_control.py)

Introduce ángulos objetivo para todas las articulaciones para completar el control del motor en modo híbrido POS_VEL (Posición-Velocidad), logrando un movimiento más suave y controlable al alcanzar los ángulos objetivo, reduciendo la vibración.

Cómo ejecutar:

uv run python example/4_pos_vel_control.py
> 30 0 0 0 0 0 # Control motor 1 to rotate 30 degrees
> state
  pos (deg): ['+29.99', '+0.00', '-45.00', '+0.00', '+0.00', '+0.00']
> q # Exit system

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Pruebas de cinemática

Prueba de cinemática directa (5_fk_test.py)

Calcular la pose del efector final en función de los ángulos de las articulaciones.

Entrada: 6 ángulos articulares (grados)

Salida:

• Posición del efector final (X, Y, Z) — Unidad: metros
• Matriz de rotación (3×3)
• Ángulos de Euler (roll/pitch/yaw) — Unidad: grados

Ejemplo:

uv run python example/5_fk_test.py
> 0 0 0 0 0 0
====================================================
  Result / Result
====================================================
  Joint angles (deg): [0. 0. 0. 0. 0. 0.]
  End-effector position (m):
    X = +0.260306
    Y = +0.000000
    Z = +0.191701
  Rotation matrix (R_world^end):
    [+1.000000  +0.000000  -0.000007]
    [+0.000000  +1.000000  +0.000100]
    [+0.000007  -0.000100  +1.000000]
  Euler XYZ (roll, pitch, yaw) [deg]:
    roll   = -0.0057
    pitch  = -0.0004
    yaw    = +0.0000

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Prueba de cinemática inversa (6_ik_test.py)

Resolver los ángulos articulares en función de la pose deseada del efector final.

Formato de entrada:

• Solo posición: <x> <y> <z> (metros)
• Posición + orientación: <x> <y> <z> <roll> <pitch> <yaw> (grados)

Ejemplo:

uv run python example/6_ik_test.py

# Usage A
> 0.28 0 0.3  # Position only
====================================================
  Result / Result
====================================================
  Target position : [+0.2800, +0.0000, +0.3000] m
  Converged : Yes
  Iterations: 2000
  Position error: 5.62e-17 m
  Joint angles (deg) [first 6 control joints]:
    joint1     =  -0.0003 deg  (-0.0000 rad)
    joint2     = -22.9687 deg  (-0.4009 rad)
    joint3     = -24.2191 deg  (-0.4227 rad)
    joint4     =  +1.2508 deg  (+0.0218 rad)
    joint5     =  -0.0003 deg  (-0.0000 rad)
    joint6     =  +0.0057 deg  (+0.0001 rad)

# Usage B
> 0.28 0 0.3 0 1 0       # Position + Orientation
====================================================
  Result / Result
====================================================
  Target position   : [+0.2800, +0.0000, +0.3000] m
  Target orientation : [+0.00, +1.00, +0.00] deg
  Converged  : Yes
  Iterations: 2000
  Position error: 6.28e-17 m
  Joint angles (deg) [first 6 control joints]:
    joint1     =  -0.0003 deg  (-0.0000 rad)
    joint2     = -23.3968 deg  (-0.4084 rad)
    joint3     = -25.3018 deg  (-0.4416 rad)
    joint4     =  +2.9054 deg  (+0.0507 rad)
    joint5     =  -0.0003 deg  (-0.0000 rad)
    joint6     =  +0.0057 deg  (+0.0001 rad)

Control de cinemática inversa en modo MIT (7_arm_ik_control.py)

Usa cinemática inversa (IK) en modo MIT para especificar las coordenadas 3D (X, Y, Z) y la orientación (ángulos de Euler) a las que debe moverse el efector final del brazo robótico.

Formato de entrada:

• Solo posición: <x> <y> <z> (metros)
• Posición + orientación: <x> <y> <z> <roll> <pitch> <yaw> (grados)
• Introducir state: Ver los valores radianes reales actuales de cada articulación.
• Introducir end_state: Ver las coordenadas reales actuales del efector final (m) y los ángulos de Euler (rad) en el espacio.

Cómo ejecutar:

uv run python example/7_arm_ik_control.py

#Usage A
> 0.3 0.0 0.4 # Position only (orientation defaults to 0), move the arm end-effector to 0.3 meters forward and 0.4 meters above.

#Usage B
> 0.3 0.0 0.4 0.0 0.0 0.5 # Control both position and orientation: move to the specified position while rotating the wrist yaw angle by 0.5 radians.

> ctrl + c # Exit system

peligro

Ten en cuenta que en este código de ejemplo, el brazo robótico se mueve muy rápido. Asegúrate de que las personas y otros dispositivos estén fuera del radio de trabajo del brazo.

Control de cinemática inversa con trayectoria suave (8_arm_traj_control.py)

Utiliza cinemática inversa (IK) en modo MIT para planificar automáticamente una trayectoria de movimiento de aceleración/desaceleración uniforme o suave dentro del tiempo objetivo, evitando fuertes vibraciones en las articulaciones.

Formato de entrada:

• Solo posición: <x> <y> <z> (metros)
• Posición + orientación: <x> <y> <z> <roll> <pitch> <yaw> (grados)
• Posición + orientación + tiempo (por defecto 2.0): <x> <y> <z> <roll> <pitch> <yaw> <time> (grados)
• Introduce state: Ver los valores actuales en radianes de cada articulación.
• Introduce end_state: Ver las coordenadas reales actuales del efector final (m) y los ángulos de Euler (rad) en el espacio.

Cómo ejecutar:

uv run python example/8_arm_traj_control.py

#Usage A
> 0.3 0.0 0.4 # Position only, orientation defaults to 0, default movement time is 2.0 seconds

#Usage B
> 0.3 0.0 0.4 0.0 0.0 0.5 # Control both position and orientation: move to the specified position while rotating the wrist yaw angle by 0.5 radians, default movement time is 2.0 seconds

#Usage C
> 0.3 0.0 0.4 0.0 0.0 0.0 5.0 # Move the arm to the specific position and specify 5.0 seconds to slowly move there. (Note: If entering time, the preceding orientation parameters 0 0 0 cannot be omitted)

> ctrl + c # Exit system

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Pruebas de compensación de gravedad

Control de compensación de gravedad — Versión básica (9_gravity_compensation.py)

Utiliza el modelo dinámico Pinocchio para compensar la gravedad de las articulaciones.

Ley de control:

tau = g(q)          — Gravity feedforward
pos = current motor position   — Joint position follows current position
kp = 2,  kd = 1     — Unified stiffness/damping for all joints

Comportamiento esperado:

• El brazo puede "flotar" en cualquier postura
• No caerá por su propio peso cuando se suelte
• Se puede mover manualmente a cualquier posición

Cómo ejecutar:

uv run python example/9_gravity_compensation.py

Salida:

• Visualización en tiempo real del par deseado para cada articulación (N·m)
• Pulsa Ctrl+C para detener y desconectar

Vuelve a la posición inicial antes de salir de la compensación de gravedad

Al detener el script (Ctrl+C), el programa deshabilitará directamente todos los motores, y el brazo robótico no volverá automáticamente a cero. Sujeta el brazo robótico con la mano o muévelo a una postura segura/inicial antes de salir para evitar caídas repentinas de las articulaciones que puedan causar colisiones o daños.

Ajuste de la compensación de articulaciones individuales

Si algunas articulaciones están subcompensadas o sobrecompensadas debido a fricción estructural o diferencias de montaje, puedes aplicar un factor de escala adicional al elemento correspondiente del array tau_g en el código:

tau_g[x] *= y  # x is the joint motor id, y is the compensation factor, usually starting from 1
# This compensation is generally only used for joints 2 and 3

Por ejemplo, tau_g[2] *= 1.2 significa aumentar en un 20% el par de compensación de gravedad de la articulación 2. Se recomienda ajustar elemento por elemento según el efecto de flotación real para evitar realizar cambios excesivamente grandes de una sola vez.

Control de compensación de gravedad — Versión con bloqueo de velocidad del efector final (10_gravity_compensation_lock.py)

Basado en la compensación de gravedad básica, añade detección de velocidad del efector final y un mecanismo de bloqueo de ángulo articular.

Ley de control:

tau = g(q) + integral_term    — Gravity feedforward + integral term
pos = q_target                 — Target joint angle (locked or updated)
kp = 8.0,  kd = 1.0           — Enhanced stiffness/damping

Lógica de bloqueo:

• Cuando la velocidad lineal del extremo ||v_ee|| < 0.04 m/s y la velocidad angular ||w_ee|| < 0.08 rad/s:
  • El ángulo articular objetivo q_target permanece bloqueado
  • El brazo robótico se bloquea en la posición actual
• Cuando la velocidad del extremo supera el umbral:
  • q_target se actualiza al ángulo articular actual
  • Permite empujar manualmente para cambiar la posición

Comportamiento esperado:

• El brazo robótico se bloquea en la posición actual, requiriendo fuerza para cambiar el ángulo objetivo
• Más estable que la versión básica, adecuada para escenarios que requieren mantenimiento de la postura

Cómo ejecutar:

uv run python example/10_gravity_compensation_lock.py

Salida:

• Visualización en tiempo real del estado de bloqueo (LOCKED / UPDATE)
• Velocidad lineal del extremo, velocidad angular
• Par de compensación de gravedad para cada articulación (N·m)
• Pulsa Ctrl+C para detener y desconectar

Vuelve a la posición inicial antes de salir de la compensación de gravedad

Al detener el script (Ctrl+C), el programa deshabilitará directamente todos los motores, y el brazo robótico no volverá automáticamente a cero. Sujeta el brazo robótico con la mano o muévelo a una postura segura/inicial antes de salir para evitar caídas repentinas de las articulaciones que puedan causar colisiones o daños.

Ajuste de la compensación de articulaciones individuales

Si algunas articulaciones están subcompensadas o sobrecompensadas debido a fricción estructural o diferencias de montaje, puedes aplicar un factor de escala adicional al elemento correspondiente del array tau_g en el código:

tau_g[x] *= y  # x is the joint motor id, y is the compensation factor, usually starting from 1
# This compensation is generally only used for joints 2 and 3

Por ejemplo, tau_g[2] *= 1.2 significa aumentar en un 20% el par de compensación de gravedad de la articulación 2. Se recomienda ajustar elemento por elemento según el efecto de flotación real para evitar realizar cambios excesivamente grandes de una sola vez.

Configuración de prueba de seguridad: Puedes modificar la lista ENABLED_JOINTS en la parte superior del script para habilitar solo las articulaciones especificadas para las pruebas de seguridad:

ENABLED_JOINTS = ["joint1"]  # Enable only joint1

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Entorno de simulación

Simulación de cinemática directa (sim/fk_sim.py)

Simulación interactiva de cinemática directa, visualiza la postura del brazo robótico introduciendo ángulos articulares en MeshCat.

Cómo ejecutar:

uv run python example/sim/fk_sim.py

Comandos interactivos:

• Introduce 6 ángulos articulares (grados), separados por espacios
• Ejemplo: 0 0 0 0 0 0
• Ejemplo: 45 -30 15 -60 90 -180
• q/quit/exit: Salir

Características:

• Visualización en tiempo real de la posición y orientación del efector final
• Admite entrada continua para probar diferentes posturas
• Salida formateada de la información de la postura

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Simulación de cinemática inversa (sim/ik_sim.py)

Simulación interactiva de cinemática inversa, resuelve automáticamente los ángulos articulares a partir de la postura objetivo y la visualiza.

Cómo ejecutar:

uv run python example/sim/ik_sim.py

Formato de entrada:

• Solo posición: x y z (metros)
• Posición+orientación: x y z roll pitch yaw (radianes)

Ejemplo:

> 0.25 0.0 0.25              # Position only
> 0.25 0.0 0.25 0 0 0        # Position+Orientation

Características:

• Juicio automático de la convergencia de la IK
• Muestra el número de iteraciones y el error
• Actualizaciones en tiempo real de la postura del robot

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Simulación de planificación de trayectoria (sim/traj_sim.py)

Simulación de planificación de trayectoria basada en geodésicas en SE(3), incluyendo seguimiento CLIK y reproducción de animaciones en MeshCat.

Cómo ejecutar:

uv run python example/sim/traj_sim.py

Comandos interactivos:

• Entrada: x y z [roll pitch yaw] (metros/radianes)
• Pulsa Intro para usar la configuración por defecto
• q: Salir

Características:

• Planificación desde la posición actual hasta la posición objetivo
• Uso de un perfil de trayectoria de mínimo tirón (minimum jerk)
• Visualización en tiempo real de las estadísticas de la trayectoria
• Reproducción completa de la animación de la trayectoria en MeshCat
• Muestra la trayectoria de referencia (gris) y la trayectoria real (verde)

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Herramienta de visualización (sim/visualizer.py)

[LINE_214>Wrapper de visualización de MeshCat, que proporciona una interfaz unificada de visualización del robot.

Características principales:

• Cargar el modelo URDF y mostrar el robot
• Dibujar trayectorias polilínea 3D (referencia/real)
• Mostrar la postura objetivo de IK (ejes tricolores + esfera)
• Soportar reproducción de animaciones de trayectorias articulares

Ejemplo de uso:

from example.sim.visualizer import Visualizer
viz = Visualizer()
viz.update(q)  # Update robot pose
viz.draw_path(points, "path_name", color)  # Draw path

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Preguntas frecuentes (FAQ)

• Aparece el error Permission denied Asegúrate de haber ejecutado sudo chmod 666 /dev/ttyACM0 o sudo chmod 666 /dev/can0 para establecer los permisos del dispositivo.

• La resolución de IK falla o los resultados son anormales Comprueba si la postura objetivo está dentro del espacio de trabajo del brazo robótico y asegúrate de que la configuración de los límites articulares sea correcta.

• El efecto de la compensación de gravedad no es bueno Esto puede deberse a errores estructurales y a la precisión del mecanizado. La compensación de gravedad de este proyecto depende de URDF y Pinocchio. Puedes intentar corregir el URDF según tus parámetros medidos reales (puedes pedir ayuda a una IA para este paso).

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Contacto

• Soporte técnico: Submit Issue
• Repositorio del proyecto: GitHub
• Foro: Seeed Studio Forum

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Documentos de referencia

• Documentación oficial de Pinocchio
• Documentación oficial de MeshCat
• motorbridge SDK

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