國家開放大學《計算機仿真技術基礎》形考任務1-3+實驗任務1-2參考答案《計算機仿真技術基礎》是國家開放大學機器人工程（本科）專業的一門必修專業課程。本課程為4學分，課程教學總學時為72學時，其中實驗學時為24學時。課程代碼：04859形考任務11.ROS的全稱是機器人操作系統（RobotOperatingSystem），它提供了操作系統應有的服務，包括硬件抽象層、底層設備驅動控制層、常用軟件工具、進程間通信機制以及程序包管理等等，同時它也提供用于獲取、編寫、編譯和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。（√）2.ROS中的應用功能涵蓋各種各樣的功能包，可簡單分為底層驅動、上層功能、控制模塊以及常用組件四個類別。（√）3.ROS是提供了機器人編程開發的框架，通過該系統框架把原本松散的底層驅動、檢測、控制、智能算法等零部件融合在一起，為它們提供通信架構和服務。（√）4.ROS需要有效的結構去管理無數的節點、消息、服務、工具和庫文件。（√）5.消息是節點之間進行傳遞的載體，節點之間的通訊需要某種格式的消息，才能正確的對數據進行識別和處理。（√）形考任務21.基本上所有的ROS功能包都是通過Topic話題和Server服務進行通訊，實現數據的交互和傳遞。（√）2.在ROS的通信方式中，topic是使用最多的一種消息發布機制。topic是一種點對多點的單向通信方式，這里的“點”指的是節點node，也就是說node之間可以通過topic方式來單向傳遞信息。（√）3.Service通信是單向的，它只可發送消息，不會得到反饋信息。（×）4.URDF全稱為UnifiedRobotDescriptionFormat，意為統一機器人描述格式。機器人3D建模或部分結構模型主要用于仿真機器人或者為了簡化開發者的工作，ROS中的機器人建模就通過URDF文件來實現。（√）5.Gazebo是一款功能強大的三維物理仿真平臺，具備強大的物理引擎、高質量的圖形渲染、方便的編程與圖形接口。（√）形考任務31.機器人本體、末端執行器是執行任務的核心機械部件，當執行不同工作時，在快換接頭處可以更換不同的末端執行器，以實現不同的功能，比如，抓取、放置、焊接等用途。（√）2.機器人工作站主要由機械模塊、控制模塊構成。（√）3.機器人基本部件、夾持器(工具)和控制裝置等部件組成物體移動作業的搬運類工業機器人系統。（√）4.程序指令中的指令碼又稱操作碼，是用來規定控制系統需要執行的操作，操作數又稱操作對象，它用來定義執行這一操作的對象。（√）5.離線編程是通過編程軟件直接編制程序的一種方法。離線編程不僅可編制程序，而且還可進行運動軌跡的離線計算，并虛擬機器人現場操作的環境，對程序進行仿真運行，由此驗證程序的正確性。（√）實驗任務一考核說明要求實驗一至五中選二個完成，其中實驗一至實驗三中任選一個完成并提交實驗報告，實驗四至實驗五中任選一個完成并提交實驗報告。實驗一：ROS的簡易編程（4學時）實驗內容：在第二章的學習過程中已經完成了ROS操作系統的安裝，本實驗在此基礎上要求學生在ROS操作系統下完成發布者和訂閱者、客戶端和服務端的編程實現，并運行小烏龜仿真控制小烏龜運動并使用rqt_graph可視化查看當前ROS系統中的計算圖。最后在教師的帶領之下熟悉rviz與gazebo等工具的使用。參考答案：《ROS簡易編程實驗報告》一、實驗目的1.掌握在ROS操作系統下發布者和訂閱者、客戶端和服務端的編程實現方法。2.學會使用小烏龜仿真控制小烏龜運動，并通過rqt_graph可視化查看ROS系統中的計算圖。3.熟悉rviz與gazebo等工具的使用。二、實驗環境已安裝ROS操作系統的計算機。三、實驗原理1.發布者和訂閱者機制在ROS中，發布者負責將消息發布到特定的話題上，而訂閱者則訂閱感興趣的話題以接收消息。這種機制實現了節點之間的數據通信和信息共享。2.客戶端和服務端機制客戶端向服務端發送請求，服務端接收請求并進行處理，然后將響應返回給客戶端。這用于實現特定的任務或獲取特定的信息。3.小烏龜仿真與控制通過編寫程序控制小烏龜在仿真環境中的運動，利用ROS的相關功能和接口實現對小烏龜的位置、速度等參數的控制。4.rqt_graph可視化rqt_graph工具可以以圖形化的方式展示當前ROS系統中節點之間的連接關系和通信拓撲結構，幫助理解系統的運行機制。5.rviz與gazebo工具rviz是ROS的三維可視化工具，可用于顯示機器人模型、傳感器數據等信息，方便對機器人的狀態進行直觀觀察和調試。gazebo是強大的物理仿真平臺，能模擬真實環境中的物理特性，為機器人的仿真測試提供更真實的場景。四、實驗步驟1.發布者和訂閱者編程實現（1）創建一個新的ROS包（假設包名為my_package）。（2）在包中編寫發布者節點代碼（例如python語言）：（3）在包中編寫訂閱者節點代碼：（4）打開終端，進入ROS工作空間，編譯新創建的包：（5）運行發布者和訂閱者節點：2.客戶端和服務端編程實現（1）在ROS包中創建服務端代碼（假設服務名為my_service，服務類型為自定義的MyServiceMessage）：（2）創建客戶端代碼：（3）編譯包并運行服務端和客戶端：3.小烏龜仿真控制與rqt_graph可視化（1）啟動ROS核心：（2）啟動小烏龜仿真環境：（3）編寫控制小烏龜運動的程序（例如使用鍵盤控制小烏龜的方向）：（4）運行控制程序：（5）在另一個終端中運行rqt_graph查看計算圖：4.rviz與gazebo工具使用（1）rviz使用啟動rviz：在rviz界面中，通過“Add”按鈕添加需要顯示的內容，如機器人模型（如果有）、激光雷達數據（假設已配置）、圖像數據等。可以調整顯示的參數，如顏色、坐標系、顯示范圍等，以滿足觀察和調試的需求。例如，添加一個機器人模型并設置其姿態顯示，以便直觀地查看機器人在虛擬環境中的位置和狀態。（2）gazebo使用啟動gazebo：在gazebo中，可以導入機器人模型（如果有相應的模型文件）和環境模型。可以設置環境的物理參數，如重力、摩擦力等。例如，創建一個簡單的平面環境，將機器人模型放置在其中，然后通過模擬按鈕運行仿真，觀察機器人在模擬環境中的運動和與環境的交互情況，如碰撞檢測等。五、實驗結果1.成功實現了發布者和訂閱者的通信，在終端中可以看到發布者發布的消息被訂閱者正確接收并顯示。2.客戶端能夠向服務端發送請求，服務端處理請求后返回響應，客戶端接收到響應并顯示在終端中。3.在小烏龜仿真環境中，能夠通過編寫的程序控制小烏龜的運動，并且可以看到小烏龜按照輸入的指令進行移動。通過rqt_graph可視化工具，能夠清晰地看到ROS系統中節點之間的連接關系和通信流向，例如可以看到發布者、訂閱者、小烏龜控制節點等之間的關系。4.在rviz中成功顯示了相關的機器人模型和數據（如果有配置），能夠直觀地觀察機器人的狀態。在gazebo中成功模擬了機器人在環境中的運動，并且可以觀察到機器人與環境的物理交互效果。六、實驗總結1.通過本次實驗，深入了解了ROS的基本編程概念和方法，包括發布者和訂閱者、客戶端和服務端的編程實現，掌握了它們之間的通信機制。2.學會了使用小烏龜仿真來測試和驗證控制程序的正確性，并且能夠利用rqt_graph工具對ROS系統的運行情況進行可視化分析，這對于理解和調試復雜的ROS系統非常有幫助。3.熟悉了rviz和gazebo這兩個重要的工具。rviz用于可視化展示機器人的狀態和數據，方便進行調試和觀察；gazebo則提供了強大的物理仿真環境，可以更真實地模擬機器人的運行情況，對于機器人的開發和測試具有重要意義。4.在實驗過程中也遇到了一些問題，例如在編寫代碼時可能會出現語法錯誤或者邏輯錯誤，需要仔細檢查和調試。在使用工具時，可能需要對一些參數和配置進行適當的調整才能達到預期的效果。通過解決這些問題，提高了自己的問題解決能力和對ROS系統的理解。5.后續可以進一步深入學習ROS的高級功能和應用，如機器人導航、感知融合等，將ROS應用到更復雜的機器人系統開發中。實驗任務二考核說明要求實驗一至五中選二個完成，其中實驗一至實驗三中任選一個完成并提交實驗報告，實驗四至實驗五中任選一個完成并提交實驗報告。實驗四：機械臂建模與仿真（4學時）實驗內容：在第六章學習過程中已經完成了ABB工業機器人建模基礎知識的學習，本實驗在此基礎上要求學生在老師的指導之下獨立完成一個機械臂的建模，并在RobotStudio中完成仿真。實驗五：機械臂編程實現夾取與搬運（6學時）實驗內容：在第七章學習過程中已經完成了ABB工業機器人RAPID編程基礎知識的學習，本實驗要求學生在老師的帶領之下完成對實驗4機械臂程序的編寫，能夠使用機械臂完成一系列夾取與搬運動作。參考答案：《機械臂建模與仿真實驗報告》一、實驗目的1.掌握機械臂建模的基本方法和流程。2.能夠在RobotStudio軟件中獨立完成機械臂的建模操作。3.學會對建立的機械臂模型進行仿真，驗證其運動性能和功能。二、實驗環境安裝有RobotStudio軟件的計算機。三、實驗原理1.機械臂建模原理（1）機械臂通常由多個連桿和關節組成。通過定義連桿的幾何形狀、尺寸、質量等參數以及關節的類型（如旋轉關節、移動關節等）、運動范圍和連接關系，構建出機械臂的物理模型。（2）利用數學模型來描述機械臂各關節之間的運動學關系，包括正運動學（已知關節角度求末端執行器位姿）和逆運動學（已知末端執行器位姿求關節角度），以便實現對機械臂運動的控制和規劃。2.RobotStudio仿真原理（1）RobotStudio是一款專門用于機器人仿真和編程的軟件。它基于虛擬環境技術，能夠模擬機械臂在實際工作場景中的運動和操作。（2）通過導入或創建機械臂模型，設置其運動參數、工作環境、任務邏輯等，然后運行仿真，軟件會根據預先定義的模型和參數，實時計算機械臂的運動軌跡和狀態，并以可視化的方式呈現出來，幫助用戶分析和評估機械臂的性能和可行性。四、實驗步驟1.機械臂建模（1）打開RobotStudio軟件。（2）創建一個新的機器人系統項目。（3）在“建模”功能區中，選擇“創建機械裝置”。（4）按照機械臂的實際結構，依次創建連桿。定義連桿的形狀（如長方體、圓柱體等），輸入尺寸參數（長度、直徑等），并設置連桿的質量屬性（質量、質心位置等）。（5）創建關節。選擇關節類型（如旋轉關節對應機械臂的旋轉軸，移動關節對應線性運動部分），設置關節的運動范圍（最小和最大角度或位移）和初始位置。（6）連接連桿和關節，確定機械臂的結構關系。按照從基座到末端執行器的順序，將各個連桿通過相應的關節連接起來，形成完整的機械臂模型。（7）對機械臂模型進行命名和保存，以便后續使用和修改。2.在RobotStudio中完成仿真（1）設置工作環境。在軟件中添加工作對象（如工件、夾具等），定義工作區域的范圍和布局，設置環境的物理屬性（如重力、摩擦力等），以模擬真實的工作場景。（2）配置機械臂的運動參數。設置關節運動的速度、加速度限制，定義機械臂的運動模式（如點到點運動、連續路徑運動等），以及規劃運動路徑的方式（如直線插補、圓弧插補等）。（3）編寫機器人任務程序（可選）。如果需要機械臂執行特定的任務動作，可以使用RobotStudio提供的編程工具編寫機器人程序。例如，實現機械臂的抓取、放置、焊接等操作的程序邏輯。（4）運行仿真。點擊軟件中的“仿真運行”按鈕，啟動機械臂的仿真。觀察機械臂在虛擬環境中的運動情況，檢查其運動是否符合預期，是否與工作對象和環境發生碰撞等異常情況。（5）分析仿真結果。在仿真過程中，可以通過軟件提供的各種可視化工具和數據分析功能，查看機械臂的運動軌跡、關節角度變化曲線、速度和加速度曲線等信息，評估機械臂的性能指標，如運動精度、工作效率、能量消耗等。根據分析結果，對機械臂模型或運動參數進行調整和優化，再次進行仿真，直到達到滿意的效果。五、實驗結果1.成功創建了一個機械臂模型，其外觀和結構與預期設計相符。在RobotStudio的建模界面中，可以清晰地看到機械臂的各個連桿和關節，并且可以通過操作界面進行關節的手動旋轉和移動，驗證模型的連接關系和運動自由度。2.在仿真過程中，機械臂能夠按照設置的運動參數和任務程序進行運動。能夠準確地到達指定的目標位置，完成預設的動作序列，如抓取工件并放置到指定位置等。3.通過觀察仿真結果的可視化數據，如運動軌跡曲線和關節角度變化曲線等，發現機械臂的運動平穩，沒有出現明顯的抖動或異常波動。運動精度在可接受范圍內，能夠滿足一般的工作要求。同時，通過分析能量消耗數據，也可以對機械臂的運動效率進行評估，為進一步優化提供參考依據。4.在仿真過程中，對機械臂與工作環境的交互進行了檢查，沒有發現碰撞或干涉現象，說明模型的尺寸和運動范圍設置合理，能夠在給定的工作空間內正常工作。六、實驗總結1.通過本次實驗，深入了解了機械臂建模和仿真的全過程，掌握了在RobotStudio軟件中進行機械臂建模和仿真的基本技能。2.在建模過程中，對機械臂的結構和運動學原理有了更深刻的理解。認識到準確定義連桿和關節的參數對于建立精確的模型至關重要，任何一個參數的偏差都可能影響到機械臂的運動性能和仿真結果。3.在仿真環節，學會了如何設置工作環境和運動參數，以及如何編寫簡單的任務程序來控制機械臂的運動。通過對仿