[ロボ実験記録] ロボットアームと電動ピペットで水を移動するまで

Kan Hatakeyama

概要

以下のシステムを作るまでのまとめです｡

ロボットアーム

Dobot magicianという教育用のロボットアームを使いました｡15万円くらいです｡

Pythonで制御するプログラムにしました｡
ロボット制御で有名なROSは使っていません(使いこなせていません)｡
制御プログラムは以下の記事で公開しています｡

アームの先端には､3Dプリンタで作成したピペットアームのホルダを装着しました｡
突貫工事で作ったので､クオリティが低いです｡そのうち､改造予定です｡
fusion360のデータはこちら｡

ピペット

Pipetty proの特注品を使いました｡
USBまたはBluetooth通信で制御が可能です｡

https://www.icomes.co.jp/product/pipetty/

制御プログラムについては､以下の記事でまとめています｡

制御プログラム

初期化関連

#dobot magicianの初期化
from DobotDriver.DobotWrapper import DobotWrapper
dobot=DobotWrapper("COM3")
dobot.initiate()

#pipettyの初期化
from pipetty.Pipetty import Pipetty
pipetty = Pipetty()

#通信確認と､タイムアウト時間の設定
pipetty.check_connect()
pipetty.set_timeout()

マウス+キーボードでシステムを制御してみます｡
はじめは､AIやアルゴリズムではなく人間がロボットアームを制御することで､ロボットの気持ちを知ることができます｡


import tkinter as tk


start_x, start_y = 0, 0
dobot_x, dobot_y, dobot_z = 0, 0, 0
def on_drag_start(event):
    global start_x, start_y, dobot_x, dobot_y, dobot_z
    start_x, start_y = event.x, event.y
    dobot_x, dobot_y, dobot_z ,_= dobot.get_position()

def on_drag(event):
    global start_x, start_y, dobot_x, dobot_y, dobot_z
    dx, dy = event.x - start_x, event.y - start_y
    dx=dx/5
    dy=dy/5
    dobot.move_arm(dobot_x-dx, dobot_y+dy, dobot_z, 0)
    #start_x, start_y = event.x, event.y

def on_mousewheel(event):
    global dobot_x, dobot_y, dobot_z

    dobot_x, dobot_y, dobot_z ,_= dobot.get_position()
    delta = event.delta/10  # normalize delta value to -1 or 1
    dobot_z -= delta
    dobot.move_arm(dobot_x, dobot_y, dobot_z, 0)

def on_keypress(event):
    global dobot_x, dobot_y, dobot_z

    dobot_x, dobot_y, dobot_z ,_= dobot.get_position()
    delta = 5

    if event.keysym == 'Up':
        dobot_z += delta
        dobot.move_arm(dobot_x, dobot_y, dobot_z, 0)
        #pipetty.vacuum(10)
    elif event.keysym == 'Down':
        dobot_z -= delta
        dobot.move_arm(dobot_x, dobot_y, dobot_z, 0)
    elif event.keysym=="Left":
        pipetty.vacuum(10)
    elif event.keysym=="Right":
        pipetty.home()


    root.unbind('<KeyPress>')  # Unbind key press event after the first detection

def on_keyrelease(event):
    root.bind('<KeyPress>', on_keypress)  # Re-bind key press event after key release

root = tk.Tk()

frame = tk.Frame(root, width=500, height=500)
frame.bind('<Button-1>', on_drag_start)  # Button-1 is the event when left mouse button is pressed
frame.bind('<B1-Motion>', on_drag)  # B1-Motion is the event when left mouse button is held down and mouse is moved
frame.bind('<MouseWheel>', on_mousewheel) 
frame.pack()

root.bind('<Key>', on_keypress)
root.bind('<KeyRelease>', on_keyrelease)
root.mainloop()

このコードを実行すると､ウィンドウが生成されます｡
その上でマウスをドラッグすると､呼応してアームのXY座標が変化します｡
カーソルキーの上､下で､アームの高さを上下できます
カーソルキーの左を押すと100 uLの吸引､右を押すと全て吐き出します

自動で液体を移動する

ガラス瓶1から瓶2へ液体を移動するプログラムを作ります｡

初めに､以下のコマンドを実行し､ガラス瓶のx,y座標を把握しておきます｡

dobot_x, dobot_y, dobot_z ,_= dobot.get_position()
dobot_x, dobot_y, dobot_z

その結果､以下のように容器1,2の座標を指定することになりました｡

container1_pos=(250, -60)
container2_pos=(229,28)

同様に､ピペットを瓶の底まで下げたとき､瓶よりも十分に上に上げたときの座標も確認して､記録します｡

up_z=50
down_z=-22

液体を移動する関数を定義します｡


def lift_arm(dobot,up_z):
    dobot_x, dobot_y, dobot_z ,_= dobot.get_position()
    dobot.move_arm(dobot_x, dobot_y, up_z,0)


def transfer_liquid(container1_pos,container2_pos,
                    volume,
                    up_z,down_z,inter_z):
    lift_arm(dobot,up_z)
    dobot.move_arm(container1_pos[0], container1_pos[1], up_z,0)
    lift_arm(dobot,down_z)

    pipetty.vacuum(volume)

    lift_arm(dobot,up_z)
    dobot.move_arm(container2_pos[0], container2_pos[1], up_z,0)
    lift_arm(dobot,inter_z)
    pipetty.home()

人間はピペット操作を無意識に行いますが､ロボットに対しては全てを明示的に説明する必要があります｡
上記のプログラムを日本語に直すと､以下の通りになります｡

  • とりあえずアームを上に上げる (lift_arm(dobot,up_z))

    • 瓶類にぶつかるのを防ぐため

  • 容器1の上にアームを移動する( dobot.move_arm(container1_pos[0], container1_pos[1], up_z,0))

  • アームを下ろす(lift_arm(dobot,down_z))

  • 液を吸う (pipetty.vacuum(volume))

  • アームを上げる

  • 容器2の上にアームを移動する(dobot.move_arm(container2_pos[0], container2_pos[1], up_z,0))

  • アームを少し下げる(lift_arm(dobot,inter_z))

  • 液を排出する(pipetty.home())

今回のプログラムでは､せっかくなので､移動操作を3回繰り返しています｡
動作の様子は､改めてこちら｡

センシングについて考慮すべき点

今回のプログラムでは､システムに視覚を持たせない､「目隠しUFOキャッチャー」状態で実験を行いました｡
言い換えると､アームの移動先は全て､人間側で教えてあげました｡

簡単な系においては､目隠しUFOキャッチャーのアプローチでOKですが､以下のような欠点もあります｡

  • 物体の座標を厳密に計測・指定する必要がある(面倒)

  • 物体が(意図せず)移動した際の対応が難しい

そのため､各種センシング技術を使ってアーム座標を全自動で決定するアプローチが､潜在的には重要です｡

考えられるアプローチと想定課題について､考察します

X,Y座標の決定

画像認識が重要になります｡三脚にUSBカメラを固定して､見下ろしながら作業するイメージです｡
以下の通り､手法はいくつかありますが､実装難度や精度に課題があったりするので､注意が必要です｡

Arucoマーカー
QRコードのような人工物を容器に貼り付けておき､カメラ上での座標を簡便に認識できます｡
Arucoマーカーの便利な点は､画面上の座標に加え､カメラからの距離(3次元データ)も取得できることです｡

ただし､この方法で取得できるのはあくまでマーカーの位置になります｡
そのため､マーカーと容器・ピペットチップの先端etcの相対位置は､予め計測しておく必要があります｡

物体認識
OpenCVによる輪郭抽出やディープラーニングによって､物体そのもののを認識し､座標を取得します｡

この手法は基本的には2次元画面上の座標推定となるため､三次元データ(距離)を得るには､深度カメラや､ステレオカメラが必要になります｡

深度カメラは5万円くらいで販売されています｡

基本的にはレーザー方式で距離を計測するのですが､ガラスのような透明材料に弱かったりします｡化学実験ではガラス器具をたくさん使うので､やや困ります｡
まだ使いこなせてませんが､距離精度も､完璧ではない印象です｡

ステレオカメラは､人間の目のように､複数のレンズで座標を認識する方式です｡原理的には､USBカメラ2台で実装できますが､あまりコードが公開されていないので､色々と難しい点があるのではないかと思っています｡

Z座標

地味に難しいのは､アームの高さ方向(z座標)の制御です｡

ピペットの先端が上にありすぎると､液体を吸うことができません｡
一方､ピペットを降下しすぎると､地面に衝突してしまいます｡

人間はどのようにしてこの問題を防いでいるかというと､､

  • 容器を横から見て､高さを合わせる(視覚)

  • ピペットの先端をそっとガラス容器の底にあてて高さを合わせる(触覚)

  • (液体が少ない場合､容器を傾ける (2つ目の手))

これをフルにロボットで代替しようとすると､

  • 自在に動く(または横視点で固定された)カメラ

  • 触覚センサ

  • 二本目のロボットアームでの協調操作

が必要になります｡カメラは比較､低コストですが､後者2つは研究レベルの案件になってきます｡

人間側で､軽く高さ座標を教えてあげる､クッションやバネを容器の下 or アームに装着して､高さ方向に遊びをもたせる､などの工夫をする方が､多くの人にとっては低コストなアプローチかもしれません｡

まとめ

化学実験の最低限のプロセスである､試薬の移動操作を自動化する手段について紹介しました｡
今後は､実際の試薬で試しつつ､以下の操作も自動化を検討したいと思います(無限にありますね..)｡

  • 撹拌､過熱

  • ピペットチップの交換

  • 瓶の移動

  • 蓋の装着

  • 蓋の取り外し

  • 不活性条件での合成

  • 各種装置への接続

  • 精製

  • などなど

20年以上前の､こちらの総説も興味深いです｡



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