机器人仿真系统调研

仿真是机器人学习和研究过程中最重要的工具之一，是指通过计算机对实际的物理系统进行模拟的技术。机器人仿真基于交互式计算机图形技术和机器人学理论，生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来描述机器人及工作环境的动态变化过程。

传统的产品开发流程
产品定义—>概念设计—>方案评审—>详细设计—>样机试制—>测试—>方案优化等流程。但是随着产品复杂度的增大，尤其对于机器人这种多自由度复杂系统，直接采用上述流程的弊端越来越大。首先，当测试发现问题时，需要对方案进行迭代优化，尤其对于硬件设计，加工以及组装的过程耗时费力，中间一旦出现问题，迭代的周期很容易就会拖长。

为了提升产品开发的效率，现在产品的开发往往采用基于仿真驱动的开发流程。在方案评审环节之后通过仿真对方案进行评估，针对方案中不合理的部分进行迭代优化，然后再对方案进行详细设计。这样可以缩短开发周期，降低开发成本，减小设计风险。

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最后，很多个人和团队不具备搭建硬件平台的条件。对于一些工业机械臂而言，其价格达到几十万甚至更高，这对于一些机器人爱好者或者初学者是无法承受的，而仿真可以提供一个廉价的学习环境，使用者可以在仿真环境中轻松搭建自己的机器人硬件，来实现和测试自己的软件算法。

仿真系统的系统架构
一个完整的机器人仿真平台主要负责三件事：模型建模、动力学计算、可视化显示。这分别对应了仿真平台的三个组成部分：模型描述、动力学引擎、渲染引擎。

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▍模型描述
主要负责机器人模型的建模，使用计算机语言向仿真平台描述机器人是如何构成的。机器人的基本构成可以使用连杆（link）和关节（joint）来描述。除此之外，还需要知道这些基本组成部分的一些物理信息，例如连杆的质量属性，惯量属性，颜色，以及关节的种类（到底是转动关节还是平动关节）。
目前业界主要使用URDF（Unified Robot Description Format）和SDF（Simulation Description Format）文件来描述机器人模型，他们都是XML语法框架下用来描述机器人的语言格式。虽然URDF是ROS中的标准格式，但它缺乏许多功能来描述更复杂的场景。例如，URDF只能指定单个机器人的运动学和动力学特性，它无法指定摩擦特性和处理闭链结构。此外，它不能指定环境信息，例如灯光、高度图等。SDF的提出就是为了解决URDF的缺点，它可以实现对机器人所有内容的完整描述，其可扩展性更适合于复杂的仿真。

▍动力学引擎
可以根据物体的物理属性计算运动、旋转和碰撞。动力学引擎的基础是系统动力学，动力学是对现实世界中物体运动规律的数学描述，这种数学描述主要是基于常微分方程的，物理引擎核心的任务就在于求解常微分方程。
常用的机器人仿真物理引擎有ODE，Bullet，MuJoCo等。Bullet和ODE开发的初衷主要是用于3D电影和游戏。因此，在数值求解器上用的是一阶的半隐式欧拉方法（Semi-implicit Euler method），主要追求的是速度、稳定性而非精度。MuJoCo是一个近期开源的物理引擎，旨在促进机器人学、生物力学、图形和动画以及其他需要快速准确模拟的领域的研究和开发。MuJoCo提供了速度、精度和建模能力的独特组合，主要应用于强化学习和最优化控制领域。

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▍渲染引擎
使用计算机图形学技术，根据机器人模型和纹理渲染出机器人的三维图形，这样我们可以通过可视化平台观察机器人运行的正确性。目前机器人渲染引擎主要使用OpenGL。OpenGL（Open Graphics Library）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来从简单的图形比特绘制复杂的三维景象。OpenGL常用于CAD、虚拟实境、科学可视化程序和电子游戏开发，具有强大的通用性和可移植性。
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三、仿真评价指标
为了客观评价仿真软件的优劣，需要制定统一的标准。早期的研究学者确定了评估机器人仿真平台的通常标准：逼真度、可扩展性、开发简易性和成本。这四个标准可以用来判断任何一款机器人仿真软件。但随着仿真软件的发展以及应用场景的丰富，在不同开发环境下对仿真软件的评价标准也稍有不同。特殊地，对于足式机器人仿真而言，其结构为多自由度的开链或闭链结构，导致其动力学模型比一般的轮式机器人更为复杂，并且机器人运动过程中需要与环境实时进行多点接触，这对仿真器在多物体碰撞检测方面的性能要求就会很高。使用精确的数学模型来描述动力学模型和碰撞模型固然是好的，但是这无疑会增大求解器的负担。因此，仿真器需要在计算精度与计算速度之间进行合理的权衡。除此之外，仿真器还需要考虑扩展性、维护性以及兼容性等因素，这些因素对于开发者项目的开发、部署以及后期维护都很重要。下表列出了一些更为丰富的评价指标。

评价指标	指标描述
计算速度	仿真计算效率
计算精度	仿真结果与理论值的接近程度
接触模型	接触模型准确，确保动力学仿真结果与实际相近
编程环境	支持的编程语言
兼容性	支持的操作系统
可扩展性	支持的第三方工具，包括矩阵计算、数值优化、数据分析等
开源	源代码开源程度，API接口开放程度
成本	包括资金花费和时间花费

	Webots	CoppeliaSim（V-rep ）	Gazebo
开源	[x]	[x]	[x]
支持的编程语言	[] C++ [] Java [] URBI [] MATLAB [] Python	[] C++	[] C++
支持的操作系统	Linux	Windows，Linux或macOS	Linux,Mac,Window
物理引擎	ODE	ODE Bullet Newton Vortex Dynamics	ODE Bullet Simbody DART

Webots
Webots是瑞士公司Cyberbotics发布的一种用户友好型机器人模拟仿真器。它可以在Windows，Linux或macOS上运行，并且支持大多数编程语言，例如C/C++，Java，URBI，MATLAB和Python。还可以使用API或任何标准TCP/IP网络从外部控制Webots模拟器。Webots模拟器使用ODE（开放动力引擎）在逼真的3D环境中模拟物理。它还支持对碰撞和接触点进行精确建模，这可以使用虚拟机器人测试各种场景。Webots甚至附带一个机器人模型库，可使用PR2，Atlas，Aibo甚至是某些NASA机器人。Webots还支持VRML97，因此可以使用大多数建模软件（Solidworks，AutoCAD，Blender和Inventor）导入机器人设计。还可以导入地图和地形数据以在测试环境中创建准确的世界表示。
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https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/100519183

1. 文档：http://wiki.ros.org/webots_ros2
2. 源码：https://github.com/cyberbotics/webots_ros2
   Gazebo
   Gazebo模拟器是一个免费的开源平台，可用于设计，开发，测试和可视化几乎任何类型的机器人。Gazebo可在Linux，Windows和Mac上运行，并且内置了对ROS（机器人操作系统）的支持。Gazebo支持多种高性能物理引擎，例如ODE，Bullet，Simbody和DART。它还使用ORGE 3D图形引擎来渲染具有准确照明，阴影和纹理的高质量环境。Gazebo模拟器还附带了一些机器人模型，例如PR2，DX，Irobot Create和TurtleBot，因此即使没有自己的机器人模型，也可以快速上手。它还支持广泛的传感器，并且可以模拟噪声和传感器故障，以准确模拟实际问题。甚至可以在云中运行Gazebo，并使用简单的Web浏览器与模拟器进行交互。如果想在笔记本电脑上工作，这是完美的选择，因为可以租用AWS实例来快速测试和设计机器人
   CoppeliaSim（V-rep 老版名称）
   V-REP（现在更新命名为CoppeliaSim）是免费的，用于教育目的，如果计划将其用于商业项目，则可以升级到专业版。可以在Windows，Linux或macOS上运行V-REP，并且可以使用六种不同的编程语言对其进行编程。它还具有ROS＆BlueZero支持，因此可以只使用3D模拟器并使代码在另一个平台上运行。V-REP支持四种不同的物理引擎（Bullet, ODE, Newton, and Vortex Dynamics）。它可以准确地处理对象的交互，例如碰撞，接触点和抓取。V-REP还支持粒子物理学来模拟空气和水，因此可以准确地对喷气发动机和螺旋桨建模。V-REP还可以模拟各种传感器，甚至可以通过插件将新传感器添加到模拟器。V-REP甚至支持路径和运动规划，甚至可以计算正向和逆向运动学。它还支持网格编辑，因此可以在模拟器中对设计进行小的调整，或者可以轻松导入任何五种不同3D模型格式（Obj，STL，URDF等）的模型
   NVIDIA ISAAC Platform for Robotics
   在NVIDIA ISAAC平台是由领先的显卡厂商这也是迅速成为AI行业的大玩家之一的NVIDIA开发。它可以在启用GPU的桌面上运行，也可以在AWS，Google Cloud或Azure上的云中运行。它还支持NVIDIA Jetson AGX Xavier，Jetson TX2和Jetson Nano。由于ISAAC机器人技术平台是由NVIDIA制造的，因此它提供了所有机器人模拟仿真器中最好的图形。它还对更复杂的任务（例如机器学习和数据处理）具有更好的GPU支持。NVIDIA ISAAC机器人平台也支持称为GEM的软件模块。这些模块可使开发者快速向机器人添加功能，例如关键字检测，LIDAR，立体视觉和预先训练的神经网络视觉识别系统。ISAAC模拟器还运行在虚幻引擎4的增强版上，虚幻引擎4是一个开放源代码游戏引擎，可为PC和控制台上的某些顶级视频游戏提供支持。NVIDIA ISAAC机器人技术平台和虚幻引擎都是开源平台，因此，如果是经验丰富的C++程序员，则可以使用自己的自定义代码来增强其功能

Robot Virtual Worlds

Robot Virtual Worlds是功能齐全的模拟器，可让用户对虚拟LEGO Mindstorms机器人进行编程。它具有免费试用版，或者，如果想使用所有高级选项，则可以升级并支付完整的许可证费用。该模拟器的主要目的是用作教育平台，向年轻人介绍机器人技术的基础知识。它具有内置的3D仿真器，可以在其中构建和测试LEGO机器人，然后在类似游戏的环境中竞争挑战。Robot Virtual Worlds还支持使用NXT-G或LabVIEW对LEGO Mindstorms机器人进行编程。还可以使用内置扩展系统在模拟器中创建自定义机器人模型或级别。该模拟器对于教师也非常有用，因为“机器人虚拟世界”提供了适合所有年龄和技能水平的学生的课程。教师还可以设置各种机器人竞赛，以在完全虚拟的环境中挑战和评估学生。

Microsoft Robotics Developer Studio
Microsoft Robotics Developer Studio可用于在3D模拟环境中创建，测试和开发各种机器人。由于它是由Microsoft制造的，因此只能在Windows操作系统上运行。它支持大多数机器人平台，例如LEGO Mindstorms，VEX，并且还支持不同类型的传感器。 不幸的是，微软关闭了机器人研究部门，而对MRDS的支持却很少。发布的最终版本是Microsoft Robotics Developer Studio 4，并且看起来微软在可预见的将来不会更新MRDS。