1、课程简介

1.1 前沿

大家好，今天给大家带来CoppeliaSim V4.6版本的使用教程，在介绍软件的使用之前，先聊解几句闲话：我本身是做机器人方向，机器人的控制要不是真机控制，要不是仿真。

真机控制不是本套教程的重点；里面涉及机器人（比如franka、UR等等）的实际操作，SDK的使用、ROS的开源包、编写C++、Python代码，以后有需要或者有成熟的想法再发布相关的教程。

机器人仿真有很多软件，我以前做过非常非常简单的基于Matlab的机器人工具箱（robotics-toolbox-matlab）的教程，目前这个工具箱也有对象的Python版本了。

除此之外，还有很多关于机器人的仿真软件，overall comparison of physics simulators

Hint

• 课程内容，暂不对外开放

仿器真软件名称	（物理引擎）	（渲染引擎）	运动学求解器
CoppeliaSim V4.6（原Vrep）；	bullet 2.78 Bullet 2.83 ODE Vortex Newton MuJoCo
Gazebo；	ODE	OGRE	链接
Drake；
Webots；
MuJoCo；	Mujoco	OGRE
PyBullet；	Bullet	OGRE
RaiSim（ETH，不开源）；	RaiSim	OGRE
ISAAC（Nvidia，不开源）；	PhysX	RTX
Matlab的Robotics System Toolbox
Matlab的Simscape中的Multibody等。

还有一些机器人方面的常用运动学、动力学、轨迹规划等库

• Pinocchio：（重要），github链接，学习-ing

• KDL：github网址

• ikfast：是OpenRAVE运动规划软件中的一个逆运动学求解器，官网好像很久远，也是MoveIt的一个Kinematics Solver

• trac_ik：在MoveIt中作为它的一种Kinematics Solver

• RBDL：Featherstone的《Rigid body dynamics algorithms》，高效C++库。好像没有pinocchio好用。

• Movelt：目前分Movelt1.0和Movelt2.0，分别对应ROS1、ROS2

• OMPL等。

目前机器人领域中，很多问题可以转为求解优化问题，涉及优化的求解器：

• CVX：Matlab Software；（Stephen Boyd）
• OSQP；
• qpsolvers；
• MindOpt；
• COPT；
• ALGLIB；
• SCIP；
• Gurobi Optimizer；
• CPLEX；
• BARON；
• Mosek；
• ACADO等等（Nonlinear Optimal Control、Multi-Objective Optimal Control、State and Parameter Estimation、Model Predictive Control、Code Generation for Fast NMPC and MHE）。

今天，我们的重点是机器人的仿真软件 --- CoppeliaSim V4.6。

1.2 CoppeliaSim V4.6 简介与下载

简单介绍一下这个CoppeliaSim仿真软件

CoppeliaSim原来的叫做V-REP（virtual robot experimentation platform），是Switzerland的Coppelia Robotics, Ltd.的一款机器人仿真软件。

基于分布式控制架构：每个对象/模型都可以通过an embedded script（脚本，非常重要的概念）、a plugin、a ROS node、a remote API（也很重要，可以和matlab，python等联合仿真）或a custom solution单独控制，这使得CoppeliaSim非常通用。控制器可以用C/C++， Python，Java，Lua，Matlab或Octave编写。（不理解也没关系，后面慢慢理会）

本教程采用的是V4.6版本，CoppeliaSim的网址是这个。进去以后，软件下载安装步骤如下：

记得勾选I have understood and agree with the above terms，然后根据自己的硬件平台选择即可。

之前写过安装教程，大家可以选择性参考

• mac或者windows请参考这里的第一章，下载以后一般双击安装即可；

• ubuntu版本参考这个。

最后，本教程所参考的资料基本都来源于这里；论坛；老版本（4.5、4.1）

1.3 本教程特点

• 由浅入深，不仅是CoppeliaSim机器人仿真软件的讲解，还有机器人的基础知识，常用概念等；
• 不仅是软件中的已有模型的拖拽使用，侧重代码实现，代码逐行讲解；
• 每章都会留作业，帮助大家巩固、复习

---

2、用户界面（User interface）

2.1 页面与视图（Pages and views）

启动软件以后，界面如下所示；

关闭多个场景的某个场景Scene，鼠标右击没有反应

方法

• 可以使用快捷键ctrl+w（command+w）
• File-Close scene

2.2 CoppeliaSim V4.6、V4.1对比

如果是刚结束的小伙伴，可以直接跳过本小节，后续有了深入理解再来学习

首先，说明一下V4.5的新的特点

打开软件，界面如下

• V4.1中菜单栏的Plugins和Add-ons，变成了V4.5版本中的Modules

• V4.1中右侧的Calculation Modules、Collections、Path、Selection没有了

• V4.5中软件自带的*.ttm模型有所更新

• V4.5中Dynamics engine增加了MuJoCo

• V4.5中场景的new scene中的主脚本，点开后只有一行代码，需要再调用defaultMainScript

选择defaultMainScript，右击选择Open'defaultMainScript'

就会打开默认的主脚本，右上角可以看到其存储路径***/CoppeliaRobotics/CoppeliaSimEdu/lua/defaultMainScript.lua。

• V4.5脚本中，获取对象名称需要考虑对象所处位置，涉及相对路径，下图是ABB IRB 360.ttm模型的某段代码。

• 上述是一些直观感受，还有比较重要的变化是模型的运动学求解方式，在V4.1中可以直接使用Tools---Calculation module properties工具

在V4.6版本中，需要手动编写运动学程序，不能通过拖拖拽拽点点了，涉及一些运动学等函数的使用（后续研究2023.7.18）

simIK.createIKGroup
simIK.setIKGroupCalculation
simIK.method_pseudo_inverse

simIK.applyIKEnvironmentToScene
...
...

• 对于用户说明手册，V4.1中的Calculation modules和Miscellaneous变成了Functionality，里面的内容也有很多不同

更细节一点的，在V4.5中Functionality的Geometric calculation、Kinematics、Dynamics中的内容更丰富一些

在Scene objects中，V4.1中展示物体的属性更多一些（Renderable objects），并且Paths的设置也很丰富；但是V4.5中Paths的信息比较少

2.3 位置/姿态操作（Position/Orientation manipulation）

3.2 对象位姿操作

3.3 Euler Angles、shortcuts、command line

本小节简单介绍一下Euler Angles（欧拉角）的相关问题，欧拉角是描述刚体（rigid body）的姿态（orientation）的一种方法，当然还有很多其他的方法，比如：旋转矩阵、RPY角、轴角法（罗德里格旋转公式）、四元数等。

我以前录过几期关于《机器人学》的教程，里面有关于欧拉角的解释。

欧拉角有12种不同的形式，分为两种

• Proper Euler angles
• Tait-Bryan angles

在CoppeliaSim中，使用Tait-Bryan angles，alpha(\(\(\alpha\)\))、beta(\(\(\beta\)\))、gamma(\(\(\gamma\)\)) $$ R_{total}=R_x(\alpha)R_y(\beta)R_z(\gamma) $$ Rz、Ry和Rx分别表示绕着固定坐标系的Z轴、Y轴和X轴的旋转。

CoppeliaSim中的欧拉角规则：XYZ欧拉角。

3.场景和模型（Scenes and models）

3.环境（Environment）

3、实体（Entities）

4、功能（Functionality）

5、编程（Writing code）

x.1

x.2

5.x 仿真（Simulation）

6、教程（Tutorials）

6.1