Isaacsim

名詞介紹

• c-space：描述機(jī)器人姿態(tài)的多維空間，每個(gè)維度是機(jī)器人的一個(gè)自由度DoF。
• frame：某個(gè)部件的位置（坐標(biāo)系原點(diǎn)）姿態(tài)（xyz軸方向，四元數(shù)）。常見的如world/base/joint/link frame等
• Articulation：多關(guān)節(jié)連接的物體，如機(jī)器人、機(jī)械臂等，其結(jié)構(gòu)通常為多關(guān)節(jié)（joint）連接多個(gè)連桿 （link），封裝了關(guān)節(jié)約束、質(zhì)量、慣性等參數(shù)。能夠讀取各關(guān)節(jié)位置、速度、受力，使用ArticulationAction控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、扭矩，獲取整體或局部位姿。

Assets

實(shí)體對(duì)象，基于USD的復(fù)合數(shù)據(jù)格式，包括以下部分：

• 幾何 Geometry：包括1. Mesh，即多邊形模型；2. Collision Shape，碰撞檢測(cè)，通常比mesh簡(jiǎn)單以簡(jiǎn)化計(jì)算。
• Transform Hiearchy：以父子關(guān)系組織的坐標(biāo)變換，形成骨架結(jié)構(gòu)，例如關(guān)節(jié)的子節(jié)點(diǎn)為連桿
• Physics Properties：定義物理引擎中的行為，包括Mass/Inertia/Collision Group/動(dòng)力學(xué)類型（static/dynamic/kinematic）
• Material：視覺材質(zhì)（UsdShade）包括顏色、粗糙度、金屬度、透明度、自發(fā)光。物理材質(zhì)（UsdPhysics）包括靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)（Restitution）、密度。
• Joints：針對(duì)可運(yùn)動(dòng)的asset。包括關(guān)節(jié)類型，運(yùn)動(dòng)限位、阻尼、剛度等。
• Sensors：傳感器及其參數(shù)
• Metadata：額外信息如名稱、作者、版本、標(biāo)簽等

Physics

Motion Generation（extension）

Kinematics Solver (KS)

負(fù)責(zé)前向和逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算，其對(duì)機(jī)器人模型有其內(nèi)在表示。主要屬性如下：所有關(guān)節(jié)名、所有frame name、base pose、避障。

• Articulation Kinematics Solver：將Articulation映射至KS，包含前向和逆向的映射方法
• Lula Kinematics Solver: 不包含避障，但可以set/get內(nèi)部設(shè)置，需要機(jī)器人的URDF和YAML（關(guān)節(jié)列表及默認(rèn)c-space）。

Trajectory Generation

用于定義c-space和task-space的軌跡。

• Trajectory Interface：連續(xù)時(shí)間軌跡。包括起始和終止時(shí)間、活動(dòng)關(guān)節(jié)及其目標(biāo)位置或角度（關(guān)于時(shí)間的函數(shù)）
• Articulation Trajectory：用軌跡映射（控制）Articulation。兩個(gè)方法：1. 獲得指定時(shí)間點(diǎn)的ArticulationAction；2. 間隔timestep的ArticulationAction采樣點(diǎn)列表。
• Lula Trajectory Generator：用于通過c-space或task-space的waypoints生成軌跡（插值），兩個(gè)class分別為LulaCSpaceTrajectoryGenerator和LulaTaskSpaceTrajectoryGenerator。同樣需要提供URDF和YAML（加速和扭轉(zhuǎn)限制）。
• LulaCSpaceTrajectoryGenerator：起止速度均為0，加速均最大以使總軌跡時(shí)間最短。
• LulaTaskSpaceTrajectoryGenerator：一系列的task-space targets和end effector frame name。

Path Planner Algorithm

用于在c-space的起止位姿之間，或?yàn)檫_(dá)到task-space的目標(biāo)位姿，生成一條避障路線。其對(duì)機(jī)器人也有內(nèi)部表達(dá)，不同于USD。

• Active and Watched Joints: 為從usd映射到pathplanner內(nèi)部表達(dá)，需要fullfill .get_activate_joint()和.get_watched_joints()。前者要控制，后者要觀測(cè)以規(guī)劃。
• Inputs: World State: 通過pathplanner.add_sphere()可以將world中的移動(dòng)障礙物加入計(jì)算，目前（4.5.0）僅支持sphere和cone。
• Inputs: Robot State：通過PathPlanner.set_robot_base_pose()設(shè)置base pose；通過PathPlanner.get_active_joints() 和 PathPlanner.get_watched_joints()指定的順序獲得關(guān)節(jié)位置。
• Outputs: Path：compute_path返回一系列waypoints，可以插值形成避障路線。
• Path Planner Visualizer：可視化規(guī)劃路徑，匹配機(jī)器人關(guān)節(jié)與規(guī)劃器關(guān)節(jié)，核心函數(shù)PathPlannerVisualizer.compute_plan_as_articulation_actions(max_c-space_dist)可將規(guī)劃結(jié)果轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可直接執(zhí)行的ArticulationAction指令，并通過插值保證平滑，參數(shù)max_c-space_dist控制路徑精細(xì)度。

Lula RRT

用于PathPlanner，其中c-space用RRT-Connect，task-space用Jacobian transpose RRT。RRT當(dāng)前不支持目標(biāo)方向。
文件需要URDF、YAML描述文件、YAML配置文件（RRT參數(shù)如終止條件、探索權(quán)重、step size）

Motion Policy Algorithm

Motion Policy接受機(jī)器人的狀態(tài)，輸出一個(gè)期望的狀態(tài)變化量，過程中考慮單或多目標(biāo)、約束、環(huán)境狀態(tài)。

• Active and Watched Joints：同上
• Input：World States：同上
• Inputs: Robot State：同上
• Outputs: Robot Joint Targets：控制目標(biāo)關(guān)節(jié)
• Articulation Motion Policy：其需要一個(gè)Articulation和一個(gè)MotionPolicy初始化，目標(biāo)是映射兩者的關(guān)節(jié)，其核心函數(shù)ArticulationMotionPolicy.get_next_articulation_action()根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和MotionPolicy獲得可執(zhí)行的關(guān)節(jié)控制指令。
• Motion Policy Controller：將一個(gè)MotionPolicy包裝為一個(gè)BaseController。

RMPFlow

利用黎曼幾何中的度量張量（metric tensor），離障礙物越近的地方將度量張量放得越大，因此通過最短路徑尋找即可實(shí)現(xiàn)在c-space中實(shí)現(xiàn)智能避障。需要一個(gè)URDF、YAML描述文件（包括球形障礙）以及RMP配置文件。

RMPFlow Tuning Guide

通常使用example configuration即可，根據(jù)實(shí)際機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)以及尺寸大小對(duì)其做相應(yīng)修改。如果還需要繼續(xù)調(diào)整，則關(guān)閉所有RMP及慣量，依次重啟RMP以微調(diào)。