《智能制造与机器人理论及技术研究丛书 现代机器人系统仿真》夏泽洋作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《智能制造与机器人理论及技术研究丛书 现代机器人系统仿真》

【作　者】夏泽洋作

【丛书名】智能制造与机器人理论及技术研究丛书

【页 数】 167

【出版社】 武汉：华中科学技术大学出版社 , 2021.09

【ISBN号】978-7-5680-7125-3

【价 格】98.00

【参考文献】 夏泽洋作. 智能制造与机器人理论及技术研究丛书 现代机器人系统仿真. 武汉：华中科学技术大学出版社, 2021.09.

图书封面：

图书目录：

《智能制造与机器人理论及技术研究丛书 现代机器人系统仿真》内容提要：

机器人系统仿真一直是机器人理论、技术及应用研究的重要及基础性内容之一。刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统因物理属性差异，其数学描述、建模方法和相应的仿真方法也存在明显差异。本书按照“理论及方法建立-功能模块及平台实现-典型仿真案例实现及演示”的思路，系统介绍了刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统的建模及仿真方法。本书内容及所述方法适用于解决目前常见的机器人操作仿真问题，既可用于相关研究及技术人员的研究及开发参考，也可作为相关领域的研究生及高年级本科生专业用书。本书中仿真案例的源代码可供下载以供研究及学习用。

《智能制造与机器人理论及技术研究丛书 现代机器人系统仿真》内容试读

第1章

机器人系统仿真概述

1.1引言

随着工业自动化和计算机技术的迅猛发展，通过计算机实现各类机器人系统的仿真，已成为机器人系统研发和应用工作中一种必不可少的手段。机器人系统仿真的本质是利用机器人学理论模型复现实际系统中将会发生的现象，并通过计算机图形学方法对其进行显示，以确定机器人本体与工作环境的动态变化过程。当前，随着机器人技术的发展及其应用的多样化，机器人研究的开展不可避免地受到物理或者经济条件的限制，我们难以在每次开展研究操作前都直接购买实体的机器人，或者在完成机器人系统设计方案论证前直接制造组装样机。仿真的主要意义不是取代实际硬件，而在于提供一个一致性较好、不确定因素可控的评估环境和与实际等效的操作效果，以最终缩短系统和技术研发的周期。

本章主要介绍当前机器人仿真研究的概况，具体包括机器人仿真工具/仿真器简介、本书研究内容所基于的机器人仿真平台，以及面向机器人操作应用的仿真任务分类。

1.2机器人仿真工具

机器人仿真工具是实现机器人仿真的软件套件，也被称为仿真器(Simula-tor),而广义上的仿真工具还包括一些可视化工具(Visualizer)。仿真器是每个机器人研究人员必不可少的工具。一个好的仿真器可以用于设计机器人系统，使用现实场景快速测试算法或进行离线训练。仿真器主要模拟实现以下三种对象类型：

1)机器人系统及其工作环境

机器人仿真器的基础功能之一是实现对机器人系统（包括机器人本体及其

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现代机器人系统仿真

他任何需要的硬件单元，如传感器、末端执行器等)及其工作环境的三维建模和渲染。借助基于计算机图形学方法的工具库（如OpenGI.、VTK、Blender等），几乎所有的仿真器都支持直接导入机器人系统的三维模型文件（如主流的，stl、.stp、.dea等格式)来创建虚拟环境，并模拟实际机器人在工作范围约束内的运动。而工作环境的模拟则包括两个层次：简单环境模拟，需实现环境内静态对象（如搬运机器人所处仓储运行环境中的物体，仿人机器人所处家居环境中的家具、楼梯等)或简单运动（不需要满足特定物理规律约束）对象的三维建模和渲染：复杂环境模拟，需要物理引擎（如ODE、Bullet、PhysX等）的支持，更真实地生成环境的交互现象，如重力、碰撞、弹性形变等。

2)机器人系统的运动学和动力学特性

建立机器人系统的运动学和动力学描述，是实现机器人离线编程、模拟与世界交互的前提。大部分机器人操作应用中，仿真任务关注的是机器人本体(机械臂)的运动，包括涉及所有与运动有关的几何参数和时间参数的运动学，以及操作臂的运动与使之运动而施加的力和力矩之间的关系的动力学。几乎所有的机器人仿真器都能够基于运动学描述（如Denavit-Hartenberg参数表）建立运动学方程，并基于运动学方程开发调试机器人的运动规划算法和轨迹控制程序，最终实现平面二维运动、三维任务空间内的笛卡儿运动，或者机械臂关节点运动等；少部分机器人仿真器，在此基础上，借助物理引擎还能够实现更真实的机器人动力学仿真，如力位控制等。

3)机器人传感器

常见机器人系统所配置的传感器包括关节位置（一般为编码器）、速度、加速度、力、视觉、距离、激光雷达、温度、声音等传感器。少数仿真软件能够对上述多类传感器进行虚拟，以适用于基于感知反馈运动控制的机器人应用，这类应用中，离线编程的成功往往取决于仿真环境与机器人实际环境的相似程度。

1.2.1常用的机器人仿真器

目前，从带有许可费的商业软件到免费的开源工具，有许多仿真工具可供选择。而从用于机器人应用研究的调研来看，机器人仿真器一般有三类：

第一类仿真器由机器人厂商提供。这类仿真器常可随机器人本体一起被购买或赠送，一般也称为机器人开发套件(robotics development suit,RDS)或者应用程序开发套件(software development kit,SDK)。绝大部分开发套件仅面向自有品牌机器人，如ABB的RobotStudio、Kuka的SimPro、Fanuc的

Roboguide、Motoman的MotoSim等（见图1-I)。这些套件中一般包含全系列

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第1章

机器人系统仿真概述

机器人三维模型、与机器人控制器的通信连接、三维可视化图形界面和集成式开发环境(integrated development environment,.IDE)等资源和工具。原

RDS/SDK除提供较高的控制器通信和控制权限外，还提供较完善的开发例程、

API说明、代码调试和控制器上载等实用功能。这些套件一般运行于个人计算

机或工作站，少数可运行于移动平板或机器人示教盒。

(a)

(b)

(c)

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图1-1机器人厂商提供的专用仿真器

(a)ABB RobotStudio :(b)Kuka SimPro:(c)Fanuc Roboguide:(d)Motoman MotoSim5

第二类仿真器基于通用商业化仿真软件或基于这类软件的第三方开发。这类仿真器一般是软件内置的附加功能模块或第三方基于软件功能自行实现的插件，如：澳大利亚Peter Corke等基于美国Math Works公司的商业数学软件MATLAB开发的集成机器人建模、仿真等功能的工具箱(Robotics System

Toolbox),Robotics System Toolbox极大地简化了机器人学初学者的代码量，使其可以将注意力放在算法应用上而不是基础而烦琐的底层模型实现上：基于美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc..,已并入美国MSC公司)开发的机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical

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现代机器人系统仿真

systems,ADAMS)软件可实现机器人虚拟样机的运动学、动力学分析及机械

臂的轨迹规划，并能配合MATLAB使用，实现更为复杂的程序控制：其他可用

于仿真的软件，如法国达索系统子公司开发的三维CAD软件Solid Works中内置的Motion模块，可实现简单的运动学仿真。

第三类是面向通用性问题的机器人软件开发工具包或来自开源机器人社区的仿真器。这类仿真器设计和开发的初衷是为机器人仿真任务中的基础通用性问题提供系统的框架，以期望任何复杂的机器人应用均可以基于此进行二次开发。常用的有MRDS、Gazebo、V-REP、Webots等（见图1-2），其中，MRDS(Microsoft Robotics Developer Studio)是美国Microsoft公司开发的免费机器人开发工具包，该软件基于Windows操作系统开发，可利用微软的C#语言借助Visual Studio集成开发环境使用。MRDS包括可视化编程语言、机器人服务和机器人仿真三个主要部分，提供了包括Kinect在内的服务机器人硬件的仿真支持。Gazebo是一款开源的高保真仿真器，该工具是一个通用的多机器

(b)

(c)

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图12面向通用性问题的应用平台或来自开源机器人社区的仿真器

(a)Microsoft Robotics Developer Studio:(b)Gazebo:(c)Virtual Robot Experiment Platform:(d)Webots 1

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第1章

机器人系统仿真概述

人仿真器，支持多种机器人、多种类型的传感器以及物理仿真引擎回。该软件兼容开源机器人操作系统(robotic operation system,ROS),具备强大的物理环境模拟功能、高质量的图形和丰富的图形界面工具，且便于编程。V-REP(Virtual Robot Experiment Platform)是由Coppelia Robotics开发的面向教育免费的仿真器，支持Bullet、ODE和Vortex(用于流体仿真)引擎s,相比于Gazebo,V-REP内集成了大量的常见模型，建模更加简单，同时VREP也兼容ROS。Webots是Cyberbotics开发的商业化仿真软件（现已开源），功能直观，

集成了上述两个仿真软件平台的优点，支持多编程语言且与ROS兼容。

除上述仿真器之外，还有一类基于OpenGL等开放图形库开发的轻量化可视化工具，如ROS自带的Rviz、Bullet自带的可视化界面等，它们可用于传感器等的数据、对象模型及其他实时状态信息的快速可视化。

下面将重点对上述仿真工具中具有代表性的Gazebo、Webots和常用的可视化工具做基本的功能介绍，以便读者能够针对自己的研究任务确定最合适的工具。

1.2.1.1 Gazebo物理仿真器

Gazebo最初由南加利福尼亚大学Andrew Howard和Nate Koenig于2002年面向室内高保真机器人操作模拟而创建，Nate Koenig继续维持Gazebo的开发和维护工作。2009年，Willow Garage公司的高级研究工程师John Hsu基于ROS中间层将PR2集成到Gazebo中，至此Gazebo才迅速成为ROS社区中最广泛使用的仿真工具之一，随后于2011年获得了Willow Garage公司的资金支持。20l2年，开源机器人基金会(Open Source Robotics Foundation,OSRF)成为Gazebo项目的管理者。开源机器人基金会在多样化活跃的社区的支持下继续开发Gazebo。在2013年7月的美国国防部高级研究计划局(Defense

Advanced Research Projects Agency,DARPA)机器人挑战赛中，开源机器人基金会基于Gazebo仿真器举办了一场虚拟机器人挑战赛（见图1-3）。

虽然之后Gazebo作为应用程序独立于ROS发布，但其与ROS的兼容性和易用性仍然是相对较好的，其他的显著特征还包括：

1)动力学仿真

Gazebo支持主流的高性能物理引擎，如ODE、Bullet、Simbody和DART等。

2)3D图形渲染

Gazebo图形显示界面基于(O)GRE游戏渲染引擎创建，可提供逼真的环境渲染，包括高质量的照明、阴影和纹理等（见图1-4）。

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现代机器人系统仿真

图1-32013年DARPA基于Gazebo仿真器的虚拟机器人挑战赛I□

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图14 Gazebo仿真器中实现的高逼真仿真场景示例1]

3)虚拟传感器

Gazebo能够模拟包括激光传感器、2D/3D摄像头、Kinect样式的RGBD传感器、接触传感器、力/力矩传感器等在内的多类传感器和其他器件，并能够生成可选噪声的传感器数据。

4)开源性及开发友好性

Gazebo是Apache2.0协议的开源项目，研究人员能够基于源代码进行二次编译：用户可开发用于机器人、传感器和环境控制的自定义插件，插件可直接访问

Gazebo的应用程序接口(API);资源库中已提供了PR2、Pioneer2-Dx、iRobot

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···试读结束···