國家開放大學(xué)《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實(shí)驗(yàn)任務(wù)1-2參考答案

國家開放大學(xué)《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實(shí)驗(yàn)任務(wù)1-2參考答案《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)》是國家開放大學(xué)機(jī)器人工程（本科）專業(yè)的一門必修專業(yè)課程。本課程為4學(xué)分，課程教學(xué)總學(xué)時為72學(xué)時，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時為24學(xué)時。課程代碼：04859形考任務(wù)11.ROS的全稱是機(jī)器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem），它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象層、底層設(shè)備驅(qū)動控制層、常用軟件工具、進(jìn)程間通信機(jī)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(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫函數(shù)。（√）2.ROS中的應(yīng)用功能涵蓋各種各樣的功能包，可簡單分為底層驅(qū)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(jī)器人編程開發(fā)的框架，通過該系統(tǒng)框架把原本松散的底層驅(qū)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(gòu)和服務(wù)。（√）4.ROS需要有效的結(jié)構(gòu)去管理無數(shù)的節(jié)點(diǎn)、消息、服務(wù)、工具和庫文件。（√）5.消息是節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞的載體，節(jié)點(diǎn)之間的通訊需要某種格式的消息，才能正確的對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和處理。（√）形考任務(wù)21.基本上所有的ROS功能包都是通過Topic話題和Server服務(wù)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(fā)布機(jī)制。topic是一種點(diǎn)對多點(diǎn)的單向通信方式，這里的“點(diǎn)”指的是節(jié)點(diǎn)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(fā)送消息，不會得到反饋信息。（×）4.URDF全稱為UnifiedRobotDescriptionFormat，意為統(tǒng)一機(jī)器人描述格式。機(jī)器人3D建?；虿糠纸Y(jié)構(gòu)模型主要用于仿真機(jī)器人或者為了簡化開發(fā)者的工作，ROS中的機(jī)器人建模就通過URDF文件來實(shí)現(xiàn)。（√）5.Gazebo是一款功能強(qiáng)大的三維物理仿真平臺，具備強(qiáng)大的物理引擎、高質(zhì)量的圖形渲染、方便的編程與圖形接口。（√）形考任務(wù)31.機(jī)器人本體、末端執(zhí)行器是執(zhí)行任務(wù)的核心機(jī)械部件，當(dāng)執(zhí)行不同工作時，在快換接頭處可以更換不同的末端執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如，抓取、放置、焊接等用途。（√）2.機(jī)器人工作站主要由機(jī)械模塊、控制模塊構(gòu)成。（√）3.機(jī)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(yè)的搬運(yùn)類工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。（√）4.程序指令中的指令碼又稱操作碼，是用來規(guī)定控制系統(tǒng)需要執(zhí)行的操作，操作數(shù)又稱操作對象，它用來定義執(zhí)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(jìn)行運(yùn)動軌跡的離線計(jì)算，并虛擬機(jī)器人現(xiàn)場操作的環(huán)境，對程序進(jìn)行仿真運(yùn)行，由此驗(yàn)證程序的正確性。（√）實(shí)驗(yàn)任務(wù)一考核說明要求實(shí)驗(yàn)一至五中選二個完成，其中實(shí)驗(yàn)一至實(shí)驗(yàn)三中任選一個完成并提交實(shí)驗(yàn)報告，實(shí)驗(yàn)四至實(shí)驗(yàn)五中任選一個完成并提交實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)一：ROS的簡易編程（4學(xué)時）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在第二章的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ROS操作系統(tǒng)的安裝，本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生在ROS操作系統(tǒng)下完成發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)行小烏龜仿真控制小烏龜運(yùn)動并使用rqt_graph可視化查看當(dāng)前ROS系統(tǒng)中的計(jì)算圖。最后在教師的帶領(lǐng)之下熟悉rviz與gazebo等工具的使用。參考答案：《ROS簡易編程實(shí)驗(yàn)報告》一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握在ROS操作系統(tǒng)下發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實(shí)現(xiàn)方法。2.學(xué)會使用小烏龜仿真控制小烏龜運(yùn)動，并通過rqt_graph可視化查看ROS系統(tǒng)中的計(jì)算圖。3.熟悉rviz與gazebo等工具的使用。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境已安裝ROS操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)原理1.發(fā)布者和訂閱者機(jī)制在ROS中，發(fā)布者負(fù)責(zé)將消息發(fā)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(jī)制實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信和信息共享。2.客戶端和服務(wù)端機(jī)制客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求，服務(wù)端接收請求并進(jìn)行處理，然后將響應(yīng)返回給客戶端。這用于實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)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(huán)境中的運(yùn)動，利用ROS的相關(guān)功能和接口實(shí)現(xiàn)對小烏龜?shù)奈恢谩⑺俣鹊葏?shù)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(dāng)前ROS系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系和通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幫助理解系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。5.rviz與gazebo工具rviz是ROS的三維可視化工具，可用于顯示機(jī)器人模型、傳感器數(shù)據(jù)等信息，方便對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行直觀觀察和調(diào)試。gazebo是強(qiáng)大的物理仿真平臺，能模擬真實(shí)環(huán)境中的物理特性，為機(jī)器人的仿真測試提供更真實(shí)的場景。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.發(fā)布者和訂閱者編程實(shí)現(xiàn)（1）創(chuàng)建一個新的ROS包（假設(shè)包名為my_package）。（2）在包中編寫發(fā)布者節(jié)點(diǎn)代碼（例如python語言）：（3）在包中編寫訂閱者節(jié)點(diǎn)代碼：（4）打開終端，進(jìn)入ROS工作空間，編譯新創(chuàng)建的包：（5）運(yùn)行發(fā)布者和訂閱者節(jié)點(diǎn)：2.客戶端和服務(wù)端編程實(shí)現(xiàn)（1）在ROS包中創(chuàng)建服務(wù)端代碼（假設(shè)服務(wù)名為my_service，服務(wù)類型為自定義的MyServiceMessage）：（2）創(chuàng)建客戶端代碼：（3）編譯包并運(yùn)行服務(wù)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(huán)境：（3）編寫控制小烏龜運(yùn)動的程序（例如使用鍵盤控制小烏龜?shù)姆较颍海?）運(yùn)行控制程序：（5）在另一個終端中運(yùn)行rqt_graph查看計(jì)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(nèi)容，如機(jī)器人模型（如果有）、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)（假設(shè)已配置）、圖像數(shù)據(jù)等?？梢哉{(diào)整顯示的參數(shù)，如顏色、坐標(biāo)系、顯示范圍等，以滿足觀察和調(diào)試的需求。例如，添加一個機(jī)器人模型并設(shè)置其姿態(tài)顯示，以便直觀地查看機(jī)器人在虛擬環(huán)境中的位置和狀態(tài)。（2）gazebo使用啟動gazebo：在gazebo中，可以導(dǎo)入機(jī)器人模型（如果有相應(yīng)的模型文件）和環(huán)境模型?？梢栽O(shè)置環(huán)境的物理參數(shù)，如重力、摩擦力等。例如，創(chuàng)建一個簡單的平面環(huán)境，將機(jī)器人模型放置在其中，然后通過模擬按鈕運(yùn)行仿真，觀察機(jī)器人在模擬環(huán)境中的運(yùn)動和與環(huán)境的交互情況，如碰撞檢測等。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)布者和訂閱者的通信，在終端中可以看到發(fā)布者發(fā)布的消息被訂閱者正確接收并顯示。2.客戶端能夠向服務(wù)端發(fā)送請求，服務(wù)端處理請求后返回響應(yīng)，客戶端接收到響應(yīng)并顯示在終端中。3.在小烏龜仿真環(huán)境中，能夠通過編寫的程序控制小烏龜?shù)倪\(yùn)動，并且可以看到小烏龜按照輸入的指令進(jìn)行移動。通過rqt_graph可視化工具，能夠清晰地看到ROS系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系和通信流向，例如可以看到發(fā)布者、訂閱者、小烏龜控制節(jié)點(diǎn)等之間的關(guān)系。4.在rviz中成功顯示了相關(guān)的機(jī)器人模型和數(shù)據(jù)（如果有配置），能夠直觀地觀察機(jī)器人的狀態(tài)。在gazebo中成功模擬了機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動，并且可以觀察到機(jī)器人與環(huán)境的物理交互效果。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.通過本次實(shí)驗(yàn)，深入了解了ROS的基本編程概念和方法，包括發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實(shí)現(xiàn)，掌握了它們之間的通信機(jī)制。2.學(xué)會了使用小烏龜仿真來測試和驗(yàn)證控制程序的正確性，并且能夠利用rqt_graph工具對ROS系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行可視化分析，這對于理解和調(diào)試復(fù)雜的ROS系統(tǒng)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(jī)器人的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行調(diào)試和觀察；gazebo則提供了強(qiáng)大的物理仿真環(huán)境，可以更真實(shí)地模擬機(jī)器人的運(yùn)行情況，對于機(jī)器人的開發(fā)和測試具有重要意義。4.在實(shí)驗(yàn)過程中也遇到了一些問題，例如在編寫代碼時可能會出現(xiàn)語法錯誤或者邏輯錯誤，需要仔細(xì)檢查和調(diào)試。在使用工具時，可能需要對一些參數(shù)和配置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才能達(dá)到預(yù)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(tǒng)的理解。5.后續(xù)可以進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)ROS的高級功能和應(yīng)用，如機(jī)器人導(dǎo)航、感知融合等，將ROS應(yīng)用到更復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中。實(shí)驗(yàn)任務(wù)二考核說明要求實(shí)驗(yàn)一至五中選二個完成，其中實(shí)驗(yàn)一至實(shí)驗(yàn)三中任選一個完成并提交實(shí)驗(yàn)報告，實(shí)驗(yàn)四至實(shí)驗(yàn)五中任選一個完成并提交實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)四：機(jī)械臂建模與仿真（4學(xué)時）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在第六章學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ABB工業(yè)機(jī)器人建?；A(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生在老師的指導(dǎo)之下獨(dú)立完成一個機(jī)械臂的建模，并在RobotStudio中完成仿真。實(shí)驗(yàn)五：機(jī)械臂編程實(shí)現(xiàn)夾取與搬運(yùn)（6學(xué)時）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在第七章學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ABB工業(yè)機(jī)器人RAPID編程基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在老師的帶領(lǐng)之下完成對實(shí)驗(yàn)4機(jī)械臂程序的編寫，能夠使用機(jī)械臂完成一系列夾取與搬運(yùn)動作。參考答案：《機(jī)械臂建模與仿真實(shí)驗(yàn)報告》一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握機(jī)械臂建模的基本方法和流程。2.能夠在RobotStudio軟件中獨(dú)立完成機(jī)械臂的建模操作。3.學(xué)會對建立的機(jī)械臂模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其運(yùn)動性能和功能。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境安裝有RobotStudio軟件的計(jì)算機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)原理1.機(jī)械臂建模原理（1）機(jī)械臂通常由多個連桿和關(guān)節(jié)組成。通過定義連桿的幾何形狀、尺寸、質(zhì)量等參數(shù)以及關(guān)節(jié)的類型（如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動關(guān)節(jié)等）、運(yùn)動范圍和連接關(guān)系，構(gòu)建出機(jī)械臂的物理模型。（2）利用數(shù)學(xué)模型來描述機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，包括正運(yùn)動學(xué)（已知關(guān)節(jié)角度求末端執(zhí)行器位姿）和逆運(yùn)動學(xué)（已知末端執(zhí)行器位姿求關(guān)節(jié)角度），以便實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂運(yùn)動的控制和規(guī)劃。2.RobotStudio仿真原理（1）RobotStudio是一款專門用于機(jī)器人仿真和編程的軟件。它基于虛擬環(huán)境技術(shù)，能夠模擬機(jī)械臂在實(shí)際工作場景中的運(yùn)動和操作。（2）通過導(dǎo)入或創(chuàng)建機(jī)械臂模型，設(shè)置其運(yùn)動參數(shù)、工作環(huán)境、任務(wù)邏輯等，然后運(yùn)行仿真，軟件會根據(jù)預(yù)先定義的模型和參數(shù)，實(shí)時計(jì)算機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡和狀態(tài)，并以可視化的方式呈現(xiàn)出來，幫助用戶分析和評估機(jī)械臂的性能和可行性。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.機(jī)械臂建模（1）打開RobotStudio軟件。（2）創(chuàng)建一個新的機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目。（3）在“建模”功能區(qū)中，選擇“創(chuàng)建機(jī)械裝置”。（4）按照機(jī)械臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)，依次創(chuàng)建連桿。定義連桿的形狀（如長方體、圓柱體等），輸入尺寸參數(shù)（長度、直徑等），并設(shè)置連桿的質(zhì)量屬性（質(zhì)量、質(zhì)心位置等）。（5）創(chuàng)建關(guān)節(jié)。選擇關(guān)節(jié)類型（如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)軸，移動關(guān)節(jié)對應(yīng)線性運(yùn)動部分），設(shè)置關(guān)節(jié)的運(yùn)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(guān)節(jié)，確定機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)關(guān)系。按照從基座到末端執(zhí)行器的順序，將各個連桿通過相應(yīng)的關(guān)節(jié)連接起來，形成完整的機(jī)械臂模型。（7）對機(jī)械臂模型進(jìn)行命名和保存，以便后續(xù)使用和修改。2.在RobotStudio中完成仿真（1）設(shè)置工作環(huán)境。在軟件中添加工作對象（如工件、夾具等），定義工作區(qū)域的范圍和布局，設(shè)置環(huán)境的物理屬性（如重力、摩擦力等），以模擬真實(shí)的工作場景。（2）配置機(jī)械臂的運(yùn)動參數(shù)。設(shè)置關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度、加速度限制，定義機(jī)械臂的運(yùn)動模式（如點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動、連續(xù)路徑運(yùn)動等），以及規(guī)劃運(yùn)動路徑的方式（如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等）。（3）編寫機(jī)器人任務(wù)程序（可選）。如果需要機(jī)械臂執(zhí)行特定的任務(wù)動作，可以使用RobotStudio提供的編程工具編寫機(jī)器人程序。例如，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的抓取、放置、焊接等操作的程序邏輯。（4）運(yùn)行仿真。點(diǎn)擊軟件中的“仿真運(yùn)行”按鈕，啟動機(jī)械臂的仿真。觀察機(jī)械臂在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動情況，檢查其運(yùn)動是否符合預(yù)期，是否與工作對象和環(huán)境發(fā)生碰撞等異常情況。（5）分析仿真結(jié)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(shù)據(jù)分析功能，查看機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡、關(guān)節(jié)角度變化曲線、速度和加速度曲線等信息，評估機(jī)械臂的性能指標(biāo)，如運(yùn)動精度、工作效率、能量消耗等。根據(jù)分析結(jié)果，對機(jī)械臂模型或運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，再次進(jìn)行仿真，直到達(dá)到滿意的效果。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.成功創(chuàng)建了一個機(jī)械臂模型，其外觀和結(jié)構(gòu)與預(yù)期設(shè)計(jì)相符。在RobotStudio的建模界面中，可以清晰地看到機(jī)械臂的各個連桿和關(guān)節(jié)，并且可以通過操作界面進(jìn)行關(guān)節(jié)的手動旋轉(zhuǎn)和移動，驗(yàn)證模型的連接關(guān)系和運(yùn)動自由度。2.在仿真過程中，機(jī)械臂能夠按照設(shè)置的運(yùn)動參數(shù)和任務(wù)程序進(jìn)行運(yùn)動。能夠準(zhǔn)確地到達(dá)指定的目標(biāo)位置，完成預(yù)設(shè)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(jié)果的可視化數(shù)據(jù)，如運(yùn)動軌跡曲線和關(guān)節(jié)角度變化曲線等，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的抖動或異常波動。運(yùn)動精度在可接受范圍內(nèi)，能夠滿足一般的工作要求。同時，通過分析能量消耗數(shù)據(jù)，也可以對機(jī)械臂的運(yùn)動效率進(jìn)行評估，為進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。4.在仿真過程中，對機(jī)械臂與工作環(huán)境的交互進(jìn)行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)碰撞或干涉現(xiàn)象，說明模型的尺寸和運(yùn)動范圍設(shè)置合理，能夠在給定的工作空間內(nèi)正常工作。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.通過本次實(shí)驗(yàn)，深入了解了機(jī)械臂建模和仿真的全過程，掌握了在RobotStudio軟件中進(jìn)行機(jī)械臂建模和仿真的基本技能。2.在建模過程中，對機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)原理有了更深刻的理解。認(rèn)識到準(zhǔn)確定義連桿和關(guān)節(jié)的參數(shù)對于建立精確的模型至關(guān)重要，任何一個參數(shù)的偏差都可能影響到機(jī)械臂的運(yùn)動性能和仿真結(jié)果。3.在仿真環(huán)節(jié)，學(xué)會了如何設(shè)置工作環(huán)境和運(yùn)動參數(shù)，以及如何編寫簡單的任務(wù)程序來控制機(jī)械臂的運(yùn)動。通過對仿