docs: 添加J3仿真标定方案

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2026-08-12 22:56:48 +08:00
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# RM75 双臂 J3 参考角仿真标定实施计划
> **For agentic workers:** REQUIRED SUB-SKILL: Use superpowers:subagent-driven-development (recommended) or superpowers:executing-plans to implement this plan task-by-task. Steps use checkbox (`- [ ]`) syntax for tracking.
**Goal:** 使用当前双臂 URDF、Placo QP 和 MuJoCo 运动学模型运行可复现的左右臂 J3 参考角粗扫与细扫,并输出评分、稳定区间和推荐角度。
**Architecture:** 新增一个仅供离线实验使用的脚本,负责生成 18 条严格六维 TCP 轨迹、建立三类 QP 试验配置、运行候选角度扫描、计算硬门槛与并列评分,并生成 CSV/JSON/Markdown 结果。生产控制器、QP 求解器和 YAML 均不修改;测试只覆盖轨迹、评分和一个真实 Placo/MuJoCo 冒烟评估。
**Tech Stack:** Python 3.10、NumPy、Placo 0.9.4、MuJoCo 3.10、pytest、ROS2 Humble 工作空间。
---
## 文件结构
- 新增 `xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py`:离线轨迹生成、QP/MuJoCo 评估、评分、结果输出和命令行入口。
- 新增 `xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py`:轨迹端点、严格姿态插值、百分位评分、平台选择和真实模型冒烟测试。
- 生成 `docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/summary.csv`:候选角度汇总。
- 生成 `docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/trajectories.csv`:逐轨迹指标。
- 生成 `docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/result.json`:机器可读结果。
- 生成 `docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/report.md`:左右臂推荐角度、平台区间、基线对比和最差轨迹。
### Task 1:用失败测试固定轨迹与评分行为
**Files:**
- Create: `xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py`
- Create: `xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py`
- [ ] **Step 1:写轨迹生成失败测试**
测试使用以下公开接口:
```python
def build_task_trajectories(
initial_world_pose: np.ndarray,
control_rate_hz: float = 90.0,
max_linear_speed: float = 0.15,
max_angular_speed: float = 0.5,
) -> list[Trajectory]:
...
```
断言:
```python
def test_build_task_trajectories_creates_nine_strict_6d_routes() -> None:
initial = np.eye(4)
initial[:3, 3] = [0.35, 0.20, 0.10]
trajectories = build_task_trajectories(initial)
assert len(trajectories) == 9
assert {(route.harvest_y, route.harvest_z) for route in trajectories} == {
(y, z)
for y in (0.30, 0.40, 0.50)
for z in (-0.30, -0.20, -0.10)
}
for route in trajectories:
assert np.allclose(route.poses[0], initial)
assert np.allclose(route.poses[-1], initial)
basket = route.waypoints[5]
assert basket[0, 3] == pytest.approx(initial[0, 3])
assert basket[1, 3] == pytest.approx(initial[1, 3])
assert basket[2, 3] == pytest.approx(initial[2, 3] - 0.40)
assert basket[:3, 2] == pytest.approx([0.0, 0.0, -1.0], abs=1e-6)
```
- [ ] **Step 2:写评分和平台选择失败测试**
公开接口:
```python
def rank_candidates(rows: list[CandidateMetrics]) -> list[CandidateMetrics]:
...
def choose_stable_platform(
ranked: list[CandidateMetrics],
scan_step_deg: float,
) -> tuple[float, tuple[float, float]]:
...
```
测试构造三个硬门槛相同的候选,断言评分严格等于:
```python
score = (
0.45 * r_sigma
+ 0.20 * r_q4
+ 0.20 * r_elbow
+ 0.10 * r_smooth
+ 0.05 * r_track
)
```
并断言连续候选均达到最高分的 98% 时返回平台中点,而不是孤立端点。
- [ ] **Step 3:运行测试并确认按预期失败**
Run:
```bash
source /opt/ros/humble/setup.bash
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python -m pytest \
src/xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py -q
```
Expected: FAIL,原因是 `j3_reference_calibration` 或公开函数尚不存在。
### Task 2:实现最小轨迹与评分模块
**Files:**
- Create: `xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py`
- Test: `xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py`
- [ ] **Step 1:实现旋转和 SE(3) 插值**
只使用 NumPy 和标准库:
```python
def rotation_angle(rotation: np.ndarray) -> float:
cosine = np.clip((np.trace(rotation) - 1.0) * 0.5, -1.0, 1.0)
return float(math.acos(cosine))
def rotation_vector(rotation: np.ndarray) -> np.ndarray:
angle = rotation_angle(rotation)
if angle <= 1e-12:
return np.zeros(3)
axis = np.array([
rotation[2, 1] - rotation[1, 2],
rotation[0, 2] - rotation[2, 0],
rotation[1, 0] - rotation[0, 1],
]) / (2.0 * math.sin(angle))
return axis * angle
def interpolate_pose(start: np.ndarray, end: np.ndarray, count: int) -> list[np.ndarray]:
relative = end[:3, :3] @ start[:3, :3].T
vector = rotation_vector(relative)
return [
make_pose(
start[:3, 3] + alpha * (end[:3, 3] - start[:3, 3]),
so3_exp(alpha * vector) @ start[:3, :3],
)
for alpha in np.linspace(0.0, 1.0, count + 1)[1:]
]
```
`rotation_vector` 对接近 180° 的情况使用特征向量兜底,避免工具朝下转换产生除零。
- [ ] **Step 2:实现九条本侧完整轨迹**
定义不可变数据类:
```python
@dataclass(frozen=True)
class Trajectory:
name: str
harvest_y: float
harvest_z: float
waypoints: tuple[np.ndarray, ...]
poses: tuple[np.ndarray, ...]
```
航点固定为:初始、预接近、采摘、预接近、筐上方、筐内、筐上方、初始。每段点数为:
```python
duration = max(
translation_distance / max_linear_speed,
rotation_distance / max_angular_speed,
)
steps = max(1, math.ceil(duration * control_rate_hz))
```
- [ ] **Step 3:实现百分位排名和并列评分**
同值获得同一百分位,单一取值获得 1.0。平滑性和跟踪排名分别定义为:
```python
r_smooth = 0.5 * rank_low(motion_cost) + 0.5 * rank_low(max_joint_speed)
r_track = 0.5 * rank_low(max_position_error) + 0.5 * rank_low(max_orientation_error)
```
硬门槛按 `(N_fail, -N_complete)` 字典序先筛选;只有满足位置误差、姿态误差、J4、
关节限位、速度和跳变条件的候选进入综合评分。
- [ ] **Step 4:运行测试确认通过**
Run:
```bash
source /opt/ros/humble/setup.bash
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python -m pytest \
src/xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py -q
```
Expected: 轨迹与评分测试 PASS。
### Task 3:用失败测试固定真实 Placo/MuJoCo 单轨迹评估
**Files:**
- Modify: `xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py`
- Modify: `xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py`
- [ ] **Step 1:写真实模型冒烟失败测试**
接口:
```python
def evaluate_trajectory(
arm: str,
trajectory: Trajectory,
variant: Variant,
urdf_path: Path,
initial_joint_degrees: tuple[float, ...],
) -> TrajectoryMetrics:
...
```
使用左臂从初始 TCP 沿公共 `+Y` 移动 1 mm 的两点轨迹,断言:
```python
assert metrics.cycles == 2
assert metrics.failures == 0
assert math.isfinite(metrics.min_sigma)
assert metrics.min_q4_margin_deg > 0.0
assert metrics.max_position_error_m <= 2e-3
assert metrics.max_orientation_error_rad <= 5e-3
```
测试还将求得的七关节状态写入 `DualArmKinematicModel` 并断言按名称读回一致。
- [ ] **Step 2:运行冒烟测试并确认按预期失败**
Run:
```bash
source /opt/ros/humble/setup.bash
PYTHONPATH=src/xr_rm_teleop:src/xr_rm_mujoco \
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python -m pytest \
src/xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py::test_evaluate_trajectory_uses_real_placo_and_mujoco -q
```
Expected: FAIL,原因是评估器尚未实现。
- [ ] **Step 3:实现三类 QP 变体**
```python
@dataclass(frozen=True)
class Variant:
name: str
q3_reference_deg: float | None
enable_manipulability: bool
q4_min_deg: float | None
```
- `original`:三个可选项均关闭;
- `manip_j4`:位置可操作度权重 `1e-4`J4 硬下限 10°;
- `q3_<angle>`:在 `manip_j4` 基础上加入 J3 软任务,权重 `1e-5`
J4 约束使用 Placo 0.9.4 的 `add_joint_space_half_spaces_constraint(A, b)`,构造
`-q4 <= -q4_min`。J3 使用 `add_joints_task()`;位置可操作度使用
`add_manipulability_task(tcp_frame, "position", 1.0)`
- [ ] **Step 4:实现逐周期评估与失败保持**
每个目标点前将上一有效关节状态同步给 Placo。求解失败时:
```python
failures += 1
solver.update_joint_state(last_valid_joints)
current_joints = last_valid_joints.copy()
```
不把失败后的 Placo 内部迭代状态带到下一周期。成功状态写入 MuJoCo,并记录六维
雅可比最小奇异值、J4 余量、肘部外展量、TCP 误差、关节速度和运动代价。
- [ ] **Step 5:运行全部标定脚本测试**
Run:
```bash
source /opt/ros/humble/setup.bash
PYTHONPATH=src/xr_rm_teleop:src/xr_rm_mujoco \
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python -m pytest \
src/xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py -q
```
Expected: 全部 PASS。
### Task 4:运行粗扫、细扫并生成结果
**Files:**
- Modify: `xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py`
- Generate: `docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/*`
- [ ] **Step 1:实现命令行和结果输出**
命令行:
```bash
python j3_reference_calibration.py \
--urdf <path> \
--config <dual_arm_rm75.yaml> \
--output-dir <directory> \
--phase coarse|fine|all
```
粗扫结束后对每侧选择最高分候选,在其 ±10°、原扫描边界内以 2° 细扫。CSV 使用
`csv.DictWriter`JSON 使用 `json.dump`,Markdown 报告由同一汇总对象生成,不新增依赖。
- [ ] **Step 2:运行完整仿真标定**
Run:
```bash
cd /home/robot/WS_xr
source /opt/ros/humble/setup.bash
PYTHONPATH=src/xr_rm_teleop:src/xr_rm_mujoco \
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python \
src/xr_rm_teleop/test/j3_reference_calibration.py \
--urdf src/xr_rm_teleop/models/dual_rm75/Dual_arm.urdf \
--config src/xr_rm_bringup/config/dual_arm_rm75.yaml \
--output-dir src/docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration \
--phase all
```
Expected: 左右臂粗扫和细扫完成;输出两个基线、全部候选、推荐角度和平台区间。
- [ ] **Step 3:检查结果完整性**
Run:
```bash
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python - <<'PY'
import json
from pathlib import Path
path = Path('src/docs/superpowers/results/2026-08-12-rm75-j3-calibration/result.json')
data = json.loads(path.read_text(encoding='utf-8'))
assert set(data['arms']) == {'left', 'right'}
for arm in data['arms'].values():
assert arm['coarse_candidates']
assert arm['fine_candidates']
assert arm['recommended_reference_deg'] is not None
assert len(arm['stable_interval_deg']) == 2
print('result integrity: OK')
PY
```
Expected: `result integrity: OK`
### Task 5:工作空间验证与结果复核
**Files:**
- Verify only.
- [ ] **Step 1:运行新增测试和相关现有测试**
Run:
```bash
cd /home/robot/WS_xr
source /opt/ros/humble/setup.bash
PYTHONPATH=src/xr_rm_teleop:src/xr_rm_mujoco \
/home/robot/miniconda3/envs/xr/bin/python -m pytest \
src/xr_rm_teleop/test/test_j3_reference_calibration.py \
src/xr_rm_teleop/test/test_placo_transforms.py \
src/xr_rm_mujoco/test/test_dual_arm_simulator.py -q
```
Expected: 全部 PASS。
- [ ] **Step 2:按项目规则构建工作空间**
Run:
```bash
cd /home/robot/WS_xr
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install
```
Expected: 相关 ROS2 包构建成功。
- [ ] **Step 3:运行姿态控制回归测试**
Run:
```bash
cd /home/robot/WS_xr
source /opt/ros/humble/setup.bash
pytest src/xr_rm_teleop/test/test_orientation_control.py -q
```
Expected: 全部 PASS。
- [ ] **Step 4:人工复核结果报告**
确认:
- 每侧确有 9 条完整轨迹;
- `original``manip_j4` 和 J3 候选均存在;
- 推荐角来自硬门槛通过集合;
- 平台选择符合 98% 规则;
- 报告明确列出失败轨迹,且没有把失败更多的候选排到前面;
- 没有修改生产控制器和 YAML。
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# RM75 双臂 J3 参考角仿真标定设计
## 1. 目标
在不连接真机、不修改现有生产控制参数的前提下,基于当前双臂 URDF、Placo QP
求解器和 MuJoCo 运动学模型,分别标定左臂与右臂的第三关节软引导参考角:
\[
q_{3,\mathrm{ref}}^{L,*},\qquad q_{3,\mathrm{ref}}^{R,*}。
\]
标定结果只作为当前机器人初始姿态、采摘区域、工具安装和本侧收集筐布局下的
仿真初值。后续必须通过 mock 完整控制链路和真机低速试验复验,允许根据实测结果
更新参数。
## 2. 范围
本轮只做离线参数标定:
- 左右臂分别从当前 YAML 初始关节姿态出发;
- 左臂放入左臂初始 TCP 下方约 40 cm 的本侧收集筐;
- 右臂放入右臂初始 TCP 下方约 40 cm 的本侧收集筐;
- 每个轨迹点同时指定 TCP 位置与姿态,保持严格六维跟踪;
- 第四关节下限暂定左右臂均为 10°;
- 使用现有 Placo 任务接口临时加入 J3 软任务和位置可操作度任务;
- 将每个有效关节结果同步写入现有 MuJoCo 双臂模型,检查关节映射和状态有效性;
- 输出候选角度的逐轨迹指标、汇总排名和推荐平台区间。
本轮不修改 `placo_ik_solver.py`、遥操作节点或 YAML,不测试真机,不加入任务阶段
状态机、自动姿态放松、碰撞规划或新依赖。
## 3. 坐标与姿态约定
- 双臂机器人公共坐标系 `+Y` 为正前方;
- 公共坐标系 `+Z` 为机器人垂直向上;
- 左右方向使用公共坐标系 `X`
- 采摘点保持对应机械臂初始 TCP 的横向 `X` 位置;
- 采摘与退出阶段保持初始 TCP 姿态;
- 从退出点移动到收集筐上方时,TCP 姿态采用四元数球面插值,平滑旋转为工具工作
轴沿公共坐标系 `-Z`
- 收集筐上方至筐内的垂直下降段保持工具朝下姿态;
- 返回初始位姿时平滑恢复初始 TCP 姿态。
“严格六维”表示每个时刻的位置和姿态目标均参与同一 QP,仿真不会因接近奇异点
而自动降低姿态权重。
## 4. 轨迹族
### 4.1 采摘点
每条机械臂使用 3 个前向距离和 3 个高度:
\[
y_h\in\{0.30,0.40,0.50\}\ \mathrm{m},
\]
\[
z_h\in\{-0.30,-0.20,-0.10\}\ \mathrm{m}。
\]
这些点位于用户给定的前方 30~50 cm、相对机械臂基座高度 ±50 cm 范围内,并且
是当前固定初始工具姿态下离线预扫描得到的主要可解高度区间。左右臂各 9 条轨迹,
共 18 条完整轨迹。
### 4.2 单条完整轨迹
每条轨迹由以下连续段组成:
1. 初始 TCP 位姿;
2. 采摘点前方 5 cm 的预接近点;
3. 沿公共 `+Y` 直线进入采摘点;
4. 沿原路径退回预接近点;
5. 移动到本侧收集筐上方 10 cm,同时平滑旋转到工具朝下;
6. 垂直下降 10 cm,到达初始 TCP 下方约 40 cm 的收集筐目标;
7. 垂直抬升 10 cm
8. 返回初始 TCP 位姿。
轨迹按当前控制频率 90 Hz 离散,平移速度不超过 0.15 m/s,角速度不超过
0.5 rad/s。每条轨迹均从相同初始关节状态重新开始,避免上一候选角或上一轨迹的
状态污染下一次评估。
### 4.3 边界轨迹
工作区边界、不可达目标和 QP 失败恢复轨迹不参与第一轮 J3 参数排名。J3 参数确定后,
再使用这些轨迹验证失败保持和恢复逻辑,避免不可达点数量掩盖参考角本身的差异。
## 5. QP 试验配置
主任务保持现有严格六维相对位姿任务,内部等价于:
\[
\left\|J_p\Delta q-e_p\right\|^2
+\left\|J_R\Delta q-e_R\right\|^2
\]
其中误差定义为目标减当前。仿真脚本不改变 Placo 的误差符号。
在主任务之外临时加入:
\[
w_e\left(q_3+\Delta q_3-q_{3,\mathrm{ref}}\right)^2,
\qquad w_e=10^{-5}
\]
以及 TCP 位置可操作度任务:
\[
-w_m\nabla m_p(q)^T\Delta q,
\qquad w_m=10^{-4}。
\]
保留当前动能正则、URDF 关节位置限制和关节速度限制。第四关节临时增加:
\[
q_4\ge10^\circ。
\]
## 6. 参数扫描
### 6.1 粗扫
左臂:
\[
q_{3,\mathrm{ref}}^L\in\{0^\circ,10^\circ,\ldots,100^\circ\}。
\]
右臂:
\[
q_{3,\mathrm{ref}}^R\in\{0^\circ,-10^\circ,\ldots,-120^\circ\}。
\]
### 6.2 细扫
在粗扫最优候选附近 ±10° 内以 2° 为步长再次扫描。若多个相邻候选没有明显差异,
选择稳定平台区的中心,而不是选择孤立的单点峰值。
### 6.3 基线
同时运行两组基线:
- `original`:当前原始 QP,不含 J3 软任务、位置可操作度任务和 J4 额外下限;
- `manip_j4`:不含 J3 软任务,但加入位置可操作度任务和 J4 额外下限。
所有 J3 候选均在 `manip_j4` 基础上只改变 J3 参考角。最终结果必须同时报告:
- 相对当前原始 QP 的改善;
- 相对“只加位置可操作度”的改善;
- J3 软任务是否降低六维跟踪成功率。
## 7. 记录指标
对每个候选角度、每条轨迹记录:
- QP 求解失败周期数 `N_fail`
- 完成全部轨迹的数量 `N_complete`
- 整条轨迹六维雅可比的最小奇异值 `sigma_min`
- 第四关节最小安全余量 `m_q4 = min(q4 - 10°)`
- 肘部最小外展量 `d_elbow`
- 最大 TCP 位置误差和姿态误差;
- 最大关节速度;
- 累计关节运动代价 `E_q`
- 是否出现超过阈值的单周期关节构型跳变。
肘部外展量使用公共坐标系中第四连杆位置计算:
\[
d_{\mathrm{elbow}}^L=-x_{\mathrm{elbow}}^L,
\qquad
d_{\mathrm{elbow}}^R=x_{\mathrm{elbow}}^R。
\]
当前 URDF 碰撞网格对相邻连杆存在已知自碰撞警告,因此本轮不把 MuJoCo/Placo
碰撞距离加入评分,避免错误碰撞几何影响 J3 选择。
## 8. 选择规则与评分函数
### 8.1 硬门槛
候选角度首先按以下顺序筛选:
1. `N_fail` 最少;
2. `N_complete` 最多;
3. 最大位置误差不超过 2 mm
4. 最大姿态误差不超过 0.005 rad;
5. 不违反第四关节、URDF 关节位置和速度限制;
6. 不出现超过配置阈值的单周期关节跳变。
只在通过同一组硬门槛的候选之间使用评分函数。这样不能用较高可操作度抵消更多的
QP 失败或更差的 TCP 跟踪。
### 8.2 并列候选评分函数
对通过硬门槛的候选,将各项指标在同一机械臂的候选集合内转换为 `[0,1]` 的百分位
排名。数值越大越好的指标直接排名,数值越小越好的指标反向排名:
- `r_sigma`:全轨迹最小奇异值排名;
- `r_q4`:第四关节最小安全余量排名;
- `r_elbow`:肘部最小外展量排名;
- `r_smooth`:累计关节运动代价与最大关节速度的联合反向排名;
- `r_track`:最大六维 TCP 跟踪误差的反向排名。
并列候选的综合评分为:
\[
S(q_{3,\mathrm{ref}})
=0.45r_{\sigma}
+0.20r_{q4}
+0.20r_{\mathrm{elbow}}
+0.10r_{\mathrm{smooth}}
+0.05r_{\mathrm{track}}。
\]
选择:
\[
q_{3,\mathrm{ref}}^*=\arg\max S(q_{3,\mathrm{ref}})。
\]
最小奇异值权重最高,因为本轮首要目标是降低奇异点和 QP 失败风险;第四关节余量
和肘部外展各占 0.20;平滑性和跟踪误差用于区分性能接近的候选。若评分最高点与
相邻角度差异小于 2%,取相邻稳定平台的中心角度。
### 8.3 结果报告
左右臂分别输出:
- 推荐参考角;
- 推荐稳定区间;
- 粗扫与细扫排名表;
- 与两组基线的指标对比;
- 最差轨迹及其失败位置;
- 是否建议保留左右臂统一的第四关节 10° 下限。
## 9. 实施边界与后续流程
标定完成后的顺序为:
1. 根据仿真结果形成正式 QP 修改规格;
2. 将左右臂 J3 参考角作为独立可调参数写入对应 YAML;
3.`use_mock:=true` 下运行完整遥操作控制链路;
4. 加入 QP 失败时不提交笛卡尔目标历史的修复并验证恢复;
5. 经过安全评审后,在真机上以低速、小范围方式复验;
6. 根据真机日志更新 J3 参考角,但不取消工作空间、速度、超时和安全停止限制。