Franka Robotics

製品と提供内容 #

どんな組織か

このハブは、アームのコントローラを自作する必要がある研究室、特にトルクコントローラや学習済み方策を扱う研究室向けです。Franka Roboticsは、Franka Research 3（FR3）と、その前身でFranka Emikaが販売していたPandaを手がける企業です。The Robot Reportによれば、Franka Emikaは株主間の対立を理由に2023年に破産手続きを申請し、同年11月にAgile Robotsが事業を引き継ぎました。現在はミュンヘンのKoppstraße 12を拠点にFranka Robotics GmbHとして営業しており、同社サイトには2023年からAgile Robotsの傘下にあると記載されています。

FR3とPandaはどちらもMuJoCo Menagerieにモデルがあります。本稿執筆時点の製品ラインナップは、FR3、Agile RobotsのDiana 7（現在は同じ制御インターフェースに対応）、アクセサリです。FR3 Duo、Mobile FR3 Duo、Tactile Mobile Robot、Franka GELLOテレオペレーションデバイスはプロトタイプとして掲載されています。

ツールとAPI

FR3の製品ページによれば、Franka Research 3（7 自由度（DoF）アーム、可搬重量 3 kg、リーチ 855 mm、繰り返し精度 ±0.1 mm以内）は7つの関節それぞれにトルクセンサを備えています。製品ページにはアームの質量が記載されていません。関節が1つ多いため冗長性があり、ある手先姿勢に対して関節解が1パラメータの族をなします。詳しくは運動学のトピックで説明しています。ロボットリファレンスでは他のアームと並べて掲載しています。

プログラミングの方法は3つあります。Deskは、アプリを組み合わせてタスクを作る組み込みのインターフェースです。RIDEは独自アプリを開発するためのツールです。Franka Control Interface（FCI）は組み込みの制御をバイパスし、外部PCで独自の制御ループを1 kHzで実行できるようにします。FCIの概要によれば、外部PCから送れる指令は、関節トルク（重力と摩擦は補償済み）、関節位置または関節速度、デカルト空間の姿勢または速度です。同じ周期で、関節位置、関節速度、リンク側トルク、推定外部レンチ、接触フラグを受信します。libfrankaは順運動学、ヤコビ行列、動力学モデルの各項も提供するため、インピーダンス制御の土台に向いています。

libfrankaはApache-2.0のC++ライブラリで、pylibfrankaというPythonバインディングがあります。FCIは、システムバージョン4.2.0以降のロボットでDeskから有効にします。franka_ros2（Apache-2.0）はメーカーによるROS 2統合です。READMEによれば、ROS 2 Jazzyをベースにしており、Windowsは公式にはサポートしておらず、Docker環境の利用を推奨しています。また、「急速に開発中」であり互換性を壊す変更が予想される、と注意しています。

価格はウェブサイトからの見積もりです。

難点として、1 kHzのループには余裕がほとんどありません。トラブルシューティングガイドによれば、ネットワークの往復時間と制御ループの実行時間の合計を1 ms未満に保つ必要があります。communication_constraints_violationエラーのよくある原因として、PCとコントローラの間にスイッチを挟むことと、リアルタイムカーネルを使っていないことを挙げています。Secure Bootが有効だと、署名のないPREEMPT_RTカーネルが起動しないことがあります。CPUの周波数スケーリングは遅延を増やすため、ガイドはperformanceガバナを勧めています。

移行メモ

• PandaからFR3へ。 FCIのドキュメントはFR3と旧型のPanda（FERとも呼ばれる）の両方を扱っており、ロボット記述は別々のモデルです。PandaのURDFファイルを流用せずにFR3の記述を読み込み、軌道はすべてFR3の関節制限に照らして確認し直してください。
• バージョンの整合。 ロボットのシステムバージョンごとに、必要なlibfrankaのバージョンと、ロボットサーバ・グリッパサーバのバージョンが決まっています。どちらかを更新する前に互換性ページを確認してください。
• 姿勢。 libfrankaのRobotStateは、エンドエフェクタ姿勢O_T_EEを四元数ではなく4x4の同次変換として返し、16要素の配列に列優先で格納します。NumPyではFortran順序でreshapeし、ROS（x, y, z, w）またはMuJoCo（w, x, y, z）の形式に変換してください。
• 位置指令型のアームから移行する場合。 ABB、FANUC、KUKAのアームの外部インターフェースは、関節の目標値をストリーミングします。FR3のトルク制御は柔軟性が高い反面、アームを不安定にする要因も増えます。libfrankaのサンプルにあるゲインから始めてください。

注意点

• 排他的な制御。 FCIが有効な間は、PCがアームとハンドを排他的に制御します。その間、Deskとアプリは使えません。
• 所有の経緯。 2023年の破産手続きと買収で、社名と組織が変わりました。Pandaの所有者は、長期プロジェクトを計画する前に、サポートと交換部品が今後も得られるかを問い合わせてください。
• リアルタイムPCが必要。 Wi-Fi接続のノートPCでは1 kHzのループを維持できません。PREEMPT_RTカーネルを入れた専用のLinux PCと、直結のEthernetケーブルを予算に入れてください。
• 研究用製品。 FR3は研究用として販売されています。生産セルで使う前に、Frankaに利用条件を確認してください。