機(jī)器人仿真使機(jī)器人工程師和研究人員能夠創(chuàng)建機(jī)器人及其環(huán)境的虛擬模型。這項(xiàng)技術(shù)支持在仿真的無風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中測試和驗(yàn)證機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制算法以及與各種元素進(jìn)行交互。通過使用仿真軟件，可以預(yù)測和分析機(jī)器人在各種條件下的行為，而不需要物理原型。構(gòu)建物理原型不僅成本高昂，而且相當(dāng)耗時(shí)。

機(jī)器人仿真的工作原理

機(jī)器人仿真不僅有助于節(jié)省時(shí)間和資源，而且提供了一個(gè)安全的環(huán)境，讓您在物理系統(tǒng)建立之前就能測試和改進(jìn)機(jī)器人算法和系統(tǒng)。

機(jī)器人仿真的類型

機(jī)器人仿真可以分為若干種類型，每種類型在機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)和測試中都服務(wù)于特定用途：

多域動(dòng)態(tài)仿真基于力和扭矩等物理特性，用于在真實(shí)條件下測試控制系統(tǒng)，以設(shè)計(jì)與其環(huán)境進(jìn)行物理交互的機(jī)器人。使用基于物理的多域建模工具，您可以執(zhí)行多體動(dòng)態(tài)仿真，并微調(diào)機(jī)械組件、作動(dòng)器和控制策略，以確保實(shí)現(xiàn)有效且高效的操作。

運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真用于可視化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，確保路徑無碰撞且高效。它們對于規(guī)劃和驗(yàn)證機(jī)器人軌跡以設(shè)計(jì)自主系統(tǒng)應(yīng)用至關(guān)重要。在這種仿真中，您可以對機(jī)器人的 AI 和決策能力進(jìn)行建模，仿真它們?nèi)绾胃兄晚憫?yīng)虛擬環(huán)境，這對于自主操作來說是必不可少的。

高級任務(wù)仿真用于評估機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力，幫助驗(yàn)證機(jī)器人在特定場景下操作的有效性。高級任務(wù)仿真利用了游戲引擎的高級物理和渲染功能，并結(jié)合了傳感器和場景仿真，用于仿真機(jī)器人在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的輸入和輸出。

硬件在環(huán) (HIL) 仿真將包括可編程邏輯控制器 (PLC) 在內(nèi)的真實(shí)硬件組件納入仿真中，支持實(shí)時(shí)測試和驗(yàn)證工業(yè)控制系統(tǒng)。HIL 仿真便于執(zhí)行高度精確且高效的測試過程。這種方法至關(guān)重要，它使您能夠在物理部署之前識別潛在問題、優(yōu)化系統(tǒng)性能和確?？煽啃浴?/p>

上述仿真共同構(gòu)成了一款全面的工具，用于開發(fā)、測試和改進(jìn)機(jī)器人，以確保它們?yōu)閷?shí)際部署做好準(zhǔn)備。

機(jī)器人仿真的類型。

常見的機(jī)器人仿真軟件

仿真極大地方便了機(jī)器人系統(tǒng)的驗(yàn)證和確認(rèn)，并提供了一種自動(dòng)執(zhí)行、經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)展的方案，以取代勞動(dòng)密集型的高成本現(xiàn)場測試過程。機(jī)器人仿真軟件具有廣闊的前景，可提供滿足機(jī)器人社區(qū)各種需求的定制工具：

Gazebo Sim 提供了物理建模功能和各種傳感器，是關(guān)注復(fù)雜場景和室外環(huán)境的研究人員的首選工具。

CoppeliaSim 以靈活的腳本編寫和一套內(nèi)置函數(shù)而聞名，既適用于仿真簡單的機(jī)器人系統(tǒng)，也適用于仿真復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。

Webots 提供了一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人建模、編程和仿真平臺，因其易用性和跨平臺支持而在教學(xué)和研究領(lǐng)域廣受歡迎。

RoboDK 專為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它提供了一種用于制造業(yè)機(jī)械臂的仿真和編程方法。

MuJoCo 是一款物理引擎，旨在仿真和控制機(jī)器人、生物機(jī)械系統(tǒng)及其他與系統(tǒng)之間存在復(fù)雜交互和接觸情況的動(dòng)態(tài)對象。

Unity 和 Unreal Engine 已從游戲開發(fā)擴(kuò)展到機(jī)器人領(lǐng)域，提供高保真的可視化和物理效果，這對于機(jī)器人領(lǐng)域的 VR 和 AR 應(yīng)用尤為有益。

NVIDIA Isaac Sim 是一個(gè)仿真平臺，它利用了高級圖形和 AI 技術(shù)，使得在高度逼真的虛擬環(huán)境中開發(fā)、測試和訓(xùn)練機(jī)器人與 AI 算法成為可能。

MATLAB 和 Simulink 以其強(qiáng)大的計(jì)算能力而聞名，可用于對機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)建模和仿真，以執(zhí)行算法開發(fā)、測試和系統(tǒng)分析。它們還可以作為集成平臺，支持與其他仿真器（包括上述工具）進(jìn)行協(xié)同仿真。

上述每個(gè)仿真器都服務(wù)于機(jī)器人仿真的不同方面，從機(jī)器人操作臂到海用機(jī)器人，從學(xué)術(shù)研究到工業(yè)自動(dòng)化和虛擬現(xiàn)實(shí)集成。

使用 MATLAB 和 Simulink 與機(jī)器人仿真器和游戲引擎進(jìn)行協(xié)同仿真，以實(shí)現(xiàn)傳感器和場景仿真。

為什么機(jī)器人仿真如此重要

機(jī)器人仿真是推進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)和部署的關(guān)鍵，為系統(tǒng)和環(huán)境建模提供了極大的便利。它們有助于在虛擬空間中對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)和軟件執(zhí)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析，使開發(fā)人員可以在不帶來現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的情況下識別設(shè)計(jì)缺陷并優(yōu)化性能。仿真包括：

系統(tǒng)建模。仿真用于創(chuàng)建和分析機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有助于理解在虛擬環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)建模時(shí)的組件交互。這可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保產(chǎn)品功能符合預(yù)期。

環(huán)境建模。環(huán)境建?？蓪C(jī)器人操作時(shí)所處的物理世界進(jìn)行仿真，通過各種設(shè)置測試導(dǎo)航和任務(wù)執(zhí)行。這種安全、高效的方法可以在各種條件下測試機(jī)器人，而不需要真實(shí)世界的測試成本。

虛擬調(diào)試。它在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證機(jī)器人的控制策略和系統(tǒng)集成，從而減少停機(jī)時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的效率。

工業(yè)機(jī)器人的虛擬調(diào)試設(shè)置，包括 PLC 機(jī)器、實(shí)時(shí)目標(biāo)和可視化。

機(jī)器人仿真對于優(yōu)化機(jī)器人并使其適應(yīng)真實(shí)工作條件是不可或缺的。它能夠確保安全性，最大限度地減少物理原型以降低成本，并支持快速迭代來加速開發(fā)過程。

機(jī)器人仿真的主要優(yōu)勢

確保安全和降低風(fēng)險(xiǎn)：通過在虛擬環(huán)境中進(jìn)行測試來防止?jié)撛谖ｋU(xiǎn)。

成本效率：通過使用虛擬測試節(jié)省材料和減少試驗(yàn)。

快速原型構(gòu)建和測試：支持快速評估和迭代。

算法開發(fā)和驗(yàn)證：為微調(diào)算法提供可控環(huán)境。

設(shè)計(jì)優(yōu)化：有助于在工業(yè)環(huán)境中配置高效的生產(chǎn)布局。

環(huán)境測試：評估不同條件下的機(jī)器人，以確認(rèn)操作能力。

隨著機(jī)器人技術(shù)日趨復(fù)雜，機(jī)器人仿真的應(yīng)用也日益廣泛。這種仿真提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的開發(fā)方法，確保機(jī)器人為部署做好充分準(zhǔn)備。

機(jī)器人仿真的功能和面臨的挑戰(zhàn)

機(jī)器人仿真具有多項(xiàng)關(guān)鍵功能，有助于增強(qiáng)它在機(jī)器人領(lǐng)域中的實(shí)用性和有效性。這些功能旨在確保仿真盡可能逼真和有用，涵蓋從基于物理的建模到逼真環(huán)境的廣泛范圍。然而，盡管機(jī)器人仿真取得了這些進(jìn)步，但開發(fā)人員仍面臨著許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可能會(huì)阻礙機(jī)器人仿真的有效應(yīng)用。

通過 Simulink 3D Animation 虛幻引擎接口，實(shí)現(xiàn)具有兩個(gè)機(jī)器人工作單元的虛擬裝配線的自動(dòng)化。

機(jī)器人仿真的關(guān)鍵功能

基于物理。仿真基于物理特性，可以確保實(shí)現(xiàn)逼真的機(jī)器人行為，從而模擬真實(shí)的物理交互。

傳感器模型。機(jī)器人仿真對于機(jī)器人環(huán)境交互至關(guān)重要，它提供了仿真各種傳感器輸入的功能，使開發(fā)人員能夠測試機(jī)器人將如何感知其周圍環(huán)境。

圖像真實(shí)化。高級仿真提供逼真的圖像環(huán)境，這對精確的視覺數(shù)據(jù)處理和決策算法至關(guān)重要。

連接性。仿真可與其他軟件工具和系統(tǒng)相連，以實(shí)現(xiàn)全面的多系統(tǒng)集成。此功能對于無縫集成機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS)尤為重要。

多域仿真。通過仿真各種環(huán)境，包括電氣和機(jī)械系統(tǒng)，可以仿真復(fù)雜條件下的機(jī)器人。

速度。高效的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)器人場景的快速迭代和測試。

用戶界面 (UI)。直觀的 UI 至關(guān)重要，它有助于用戶輕松導(dǎo)航仿真軟件、管理設(shè)置以及可視化操作和交互。

虛幻引擎中的箱內(nèi)取物協(xié)作機(jī)器人仿真。

機(jī)器人仿真面臨的挑戰(zhàn)

雖然機(jī)器人仿真提供了許多好處，但開發(fā)人員也遇到了若干挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)限制其有效性：

可擴(kuò)展性和復(fù)雜性。在不降低性能的情況下擴(kuò)展復(fù)雜系統(tǒng)的仿真充滿挑戰(zhàn)。

真實(shí)感和保真度。在仿真物理交互和機(jī)器人行為時(shí)實(shí)現(xiàn)高度真實(shí)感需要復(fù)雜的模型。

計(jì)算需求。高級仿真需要大量的計(jì)算資源，這會(huì)限制速度和可訪問性。

傳感器噪聲和不確定性建模。精確復(fù)制機(jī)器人傳感器中的固有噪聲和不確定性相當(dāng)困難，但這是開發(fā)穩(wěn)健的感知算法的必要條件。

場景和環(huán)境搭建。針對測試設(shè)計(jì)各種逼真的場景和環(huán)境非常耗時(shí)，而且通常需要專業(yè)知識。

通過持續(xù)集成進(jìn)行集成。將仿真納入持續(xù)集成管道具有一定難度，這要求仿真成為開發(fā)周期的一部分。

無論是對于開發(fā)過程的各個(gè)階段，還是對于從數(shù)字原型構(gòu)建到運(yùn)維的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，機(jī)器人仿真都至關(guān)重要。這種仿真提供了一個(gè)虛擬環(huán)境，用于在構(gòu)建和部署系統(tǒng)之前對其進(jìn)行測試和優(yōu)化，以便可以及早檢測設(shè)計(jì)缺陷和驗(yàn)證系統(tǒng)性能。因此，必須克服上述挑戰(zhàn)，才能充分發(fā)揮仿真在機(jī)器人開發(fā)中的潛能。

使用 MATLAB 進(jìn)行機(jī)器人仿真

使用 MATLAB 進(jìn)行機(jī)器人仿真需要一種以基于模型的設(shè)計(jì)為中心的綜合方法。此設(shè)計(jì)流程可用于創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)字孿生。通過基于模型的設(shè)計(jì)，MATLAB 有助于盡早識別潛在挑戰(zhàn)，優(yōu)化系統(tǒng)功能，并確保機(jī)器人在真實(shí)場景中的表現(xiàn)符合預(yù)期，從而簡化開發(fā)過程。以下是如何使用 MATLAB 進(jìn)行機(jī)器人仿真的細(xì)分階段：

創(chuàng)建數(shù)字孿生。首先，使用 Simscape 和 Robotics System Toolbox 在 MATLAB 中為您的機(jī)器人系統(tǒng)建模，以創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生。這種數(shù)字表示是仿真的核心，支持詳細(xì)的分析和驗(yàn)證。

多域仿真。使用 MATLAB 和 Simscape 在單一環(huán)境中對各種域進(jìn)行仿真。此步驟包括物理建模和動(dòng)態(tài)仿真，使您能夠在統(tǒng)一空間中測試機(jī)器人功能的不同方面。

機(jī)器人自主性設(shè)計(jì)。使用 Robotics System Toolbox，您可以仿真和測試機(jī)器人的自主性，探索它如何響應(yīng)各種場景和環(huán)境，而無需物理原型。

自動(dòng)化測試。MATLAB 支持采用基于模型的設(shè)計(jì)執(zhí)行自動(dòng)化測試，使您能夠根據(jù)系統(tǒng)需求高效地驗(yàn)證您的機(jī)器人。這種方法可以確保機(jī)器人的每個(gè)組件都符合必要的標(biāo)準(zhǔn)。

逼真的仿真。通過將 MATLAB 和 Simulink 3D Animation 與虛幻引擎的逼真仿真功能相結(jié)合，可以提供一個(gè)強(qiáng)大的平臺，用于在高度逼真和復(fù)雜的虛擬環(huán)境中訓(xùn)練 AI 模型，以便能夠在接近模擬真實(shí)條件的場景中開發(fā)、測試和優(yōu)化復(fù)雜的算法，從而提高 AI 系統(tǒng)在各種應(yīng)用中的效率和可靠性。

代碼生成。數(shù)字孿生也可以作為代碼生成的基礎(chǔ)。此功能有利于早期和持續(xù)的測試和驗(yàn)證，并簡化從仿真過渡到現(xiàn)實(shí)部署的過程。

集成和協(xié)同仿真。Simulink 可作為強(qiáng)大的集成平臺。您可以納入使用 C/C++ 或 Python 編寫的內(nèi)部代碼，并在 Simulink 環(huán)境中使用第三方軟件和仿真器。ROS Toolbox 對于使用各種仿真器和硬件執(zhí)行的協(xié)同仿真特別有用，可以增強(qiáng)機(jī)器人仿真的真實(shí)感和深度。

使用 MATLAB，您可以有效地仿真機(jī)器人，涵蓋從其物理動(dòng)力學(xué)到其自主行為的整個(gè)范圍。這種方法不僅可以加速開發(fā)過程，而且能夠提高最終機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性和性能。

ROS 用于 MATLAB 和 Simulink 與各種外部仿真器的協(xié)同仿真。