引言
机器人技术是一个专注于机器人设计与建造的科学领域，旨在通过复制或替代人类行为来执行任务并做出决策。它是一个多学科的综合体，融合了以下几个关键领域：
- 电气工程：主要负责传感器和执行器的设计与集成。传感器从环境中收集数据，将物理属性转换为电信号（类似于人类的五感）；执行器则将这些信号转化为物理动作或运动（好比人类的肌肉）。
- 机械工程：关注物理结构的设计和运动实现。
- 计算机科学：负责人工智能软件和算法的开发。
目前，ROS (机器人操作系统)是机器人领域的主要框架，它以模块化的方式处理机器人所有不同的组成部分（传感器、电机、控制器、摄像头等），并协调它们之间的数据交换。ROS框架专为真实的机器人原型设计，可同时支持Python和C++。鉴于其广泛的流行度，许多库都在ROS之上构建，其中最先进的3D模拟器就是Gazebo。
图片由 Simon Kadula 在Unsplash上发布
由于Gazebo相对复杂，开发者仍然可以在ROS生态系统之外学习机器人技术的基础知识并构建用户友好的模拟。主要的Python库包括：
- PyBullet（适合初学者）：非常适合用来探索URDF（统一机器人描述格式），这是一种用于描述机器人本体、部件和几何形状的XML模式。
- Webots（适合中级用户）：其物理模拟更为精确，能够构建更复杂的仿真。
- MuJoCo（适合高级用户）：作为一款真实世界模拟器，它常用于研究级别的实验。OpenAI的RoboGYM库就是基于MuJoCo构建的。
本文中的可视化效果使用PyBullet创建。
作为一份面向初学者的教程，本文将展示如何使用PyBullet构建简单的3D仿真。其中将包含一些实用的Python代码，这些代码可以轻松应用于其他类似场景（只需复制、粘贴、运行），并会逐行进行注释讲解，以便读者能够轻松复现示例。
环境设置
PyBullet是一款用户友好的物理模拟器，广泛应用于游戏、视觉特效、机器人技术和强化学习领域。通过以下任一命令，即可轻松安装（如果pip安装失败，conda通常可以解决）：
pip install pybullet
conda install -c conda-forge pybullet
PyBullet主要有两种运行模式：
p.GUI→ 打开一个窗口并实时显示模拟过程。p.DIRECT→ 无图形界面模式，主要用于脚本运行。
import pybullet as p
p.connect(p.GUI) #或 p.connect(p.DIRECT)
作为一个物理模拟器，首要任务是设置重力：
p.resetSimulation()
p.setGravity(gravX=0, gravY=0, gravZ=-9.8)
此代码设置了模拟的全局重力向量。“-9.8”在Z轴上表示向下9.8米/秒²的加速度，这与地球上的重力加速度相同。若不设置重力，机器人和地面会像在太空中一样，漂浮在零重力环境中。
URDF文件
如果将机器人比作人体，那么URDF文件就是定义其物理结构的骨架。它以XML格式编写，是机器人的基本蓝图，规定了机器人的外观和运动方式。
接下来将展示如何创建一个简单的立方体，这相当于3D世界中的“Hello World”。
urdf_string = """
<robot name="cube_urdf">
<link name="cube_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.5"/> <!-- 50 cm cube -->
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.5 0.5 0.5"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1.0"/>
<inertia ixx="0.0001" iyy="0.0001" izz="0.0001"
ixy="0.0" ixz="0.0" iyz="0.0"/>
</inertial>
</link>
</robot>
"""
这些XML代码可以保存为URDF文件，也可以直接作为字符串使用。
import pybullet as p
import tempfile
## setup
p.connect(p.GUI)
p.resetSimulation()
p.setGravity(gravX=0, gravY=0, gravZ=-9.8)
## create a temporary URDF file in memory
with tempfile.NamedTemporaryFile(suffix=".urdf", mode="w", delete=False) as f:
f.write(urdf_string)
urdf_file = f.name
## load URDF
p.loadURDF(fileName=urdf_file, basePosition=[0,0,1])
## render simulation
for _ in range(240):
p.stepSimulation()
请注意，上述循环运行了240步。为何是240步？这是视频游戏开发中常用的固定时间步长，旨在提供流畅且响应迅速的体验，同时避免CPU过载。当以60 FPS（每秒帧数）渲染时，每1/60秒显示一帧，这意味着1/240秒的物理步长为每个渲染帧提供了4次物理更新。
在之前的代码中，立方体是通过p.stepSimulation()进行渲染的。这意味着模拟并非实时进行，而是由用户控制何时执行下一步物理计算。另一种方法是使用time.sleep将其绑定到实际时间。
import time
## render simulation
for _ in range(240):
p.stepSimulation() #添加一个物理步长（CPU速度 = 0.1秒）
time.sleep(1/240) #减慢到实时速度（240步 × 1/240秒休眠 = 1秒）
随着机器人XML代码变得越来越复杂，幸好PyBullet自带了一系列预设的URDF文件。无需手动创建XML，便可以直接加载默认的立方体模型。
import pybullet_data
p.setAdditionalSearchPath(path=pybullet_data.getDataPath())
p.loadURDF(fileName="cube.urdf", basePosition=[0,0,1])
URDF文件的核心在于定义两个主要元素：连杆（links）和关节（joints）。连杆是机器人的刚性部分（如同人体的骨骼），而关节则是连接两个刚性连杆的部位（如同人体的肌肉）。没有关节，机器人将只是一尊雕塑；有了关节，它才能成为一台拥有运动能力和特定功能的机器。
简而言之，每个机器人都是一个由关节连接起来的连杆树。每个关节可以是固定的（不可移动），也可以旋转（“旋转关节”）或滑动（“平移关节”）。因此，了解所使用的机器人结构至关重要。
接下来，以《星球大战》中著名的机器人R2D2为例进行说明。
图片由 Alexandr Popadin 在Unsplash上发布
关节分析
这次，除了机器人，还需要导入一个平面作为机器人的地面。如果没有平面，物体将缺乏碰撞表面，会无限期地向下坠落。
## setup
p.connect(p.GUI)
p.resetSimulation()
p.setGravity(gravX=0, gravY=0, gravZ=-9.8)
p.setAdditionalSearchPath(path=pybullet_data.getDataPath())
## load URDF
plane = p.loadURDF("plane.urdf")
robo = p.loadURDF(fileName="r2d2.urdf", basePosition=[0,0,0.1])
## render simulation
for _ in range(240):
p.stepSimulation()
time.sleep(1/240)
p.disconnect()
在使用机器人之前，必须了解其组成部分。PyBullet对信息结构进行了标准化，因此导入的每个机器人都将始终由相同的17个通用属性定义。为了运行脚本，这里选择不带图形界面的物理服务器连接模式（p.DIRECT）。分析关节的主要函数是p.getJointInfo()。
p.connect(p.DIRECT)
dic_info = {
0:"joint Index", #从0开始
1:"joint Name",
2:"joint Type", #0=旋转关节 (revolute)，1=平移关节 (prismatic)，4=固定关节 (fixed)
3:"state vectorIndex",
4:"velocity vectorIndex",
5:"flags", #忽略，通常为0
6:"joint Damping",
7:"joint Friction", #摩擦系数
8:"joint lowerLimit", #最小角度
9:"joint upperLimit", #最大角度
10:"joint maxForce", #允许的最大力
11:"joint maxVelocity", #最大速度
12:"link Name", #连接到此关节的子连杆
13:"joint Axis",
14:"parent FramePos", #位置
15:"parent FrameOrn", #方向
16:"parent Index" #−1 = 基础连杆 (base)
}
for i in range(p.getNumJoints(bodyUniqueId=robo)):
print(f"--- JOINT {i} ---")
joint_info = p.getJointInfo(bodyUniqueId=robo, jointIndex=i)
print({dic_info[k]:joint_info[k] for k in dic_info.keys()})
无论是轮子、肘部还是夹持器，每个关节都必须具备这些相同的特性。上述代码显示R2D2有15个关节。我们来分析第一个关节，名为“base to right-leg”：
- 关节类型为4，表示它不可移动。父连杆为-1，意味着它连接到机器人的基础连杆（base），即机器人的根部（如同人类的脊柱）。对于R2D2来说，基础连杆就是那个巨大的蓝白色圆筒形主体。
- 连杆名称是“right leg”，因此可以理解这个关节连接了机器人的基础连杆和右腿，但它并非电动关节。这一点由关节轴、关节阻尼和关节摩擦力都为零所证实。
- 父框架位置和方向定义了右腿连接到基础连杆的位置。
连杆分析
另一方面，为了分析连杆（物理身体段），必须遍历关节以提取连杆名称。然后，可以使用两个主要函数：p.getDynamicsInfo() 来了解连杆的物理属性，以及 p.getLinkState() 来获取其空间状态。
p.connect(p.DIRECT)
for i in range(p.getNumJoints(robo)):
link_name = p.getJointInfo(robo, i)[12].decode('utf-8') #字段 12="link Name"
dyn = p.getDynamicsInfo(robo, i)
pos, orn, *_ = p.getLinkState(robo, i)
dic_info = {"Mass":dyn[0], "Friction":dyn[1], "Position":pos, "Orientation":orn}
print(f"--- LINK {i}: {link_name} ---")
print(dic_info)
让我们分析第一个连杆，“right-leg”。其质量为10千克，这会影响重力和惯性；而摩擦力则影响其与地面接触时的滑动程度。方向（0.707=sin(45°)/cos(45°)）和位置表明右腿连杆是一个实心部件，相对于基础连杆略微向前（5厘米），并倾斜了90度。
机器人运动
现在，我们来看看一个可以实际移动的关节。
例如，关节2是右前轮。它是一个类型为0的旋转关节。这个关节连接着右腿（连杆索引1）和右前轮：即基础连杆 → 右腿 → 右前轮。关节轴为(0,0,1)，这表示车轮绕Z轴旋转。其限制（下限=0，上限=-1）表明车轮可以无限旋转，这对于转子来说是正常的。
我们可以轻松地驱动这个关节。控制机器人执行器的主要命令是p.setJointMotorControl2()，它允许控制关节的力、速度和位置。在这种情况下，若要使车轮旋转，需要施加力使其速度从零逐渐达到目标速度，然后通过平衡施加的力与阻力（如摩擦力、阻尼、重力）来维持该速度。
p.setJointMotorControl2(bodyUniqueId=robo, jointIndex=2,
controlMode=p.VELOCITY_CONTROL,
targetVelocity=10, force=5)
现在，如果对所有4个轮子施加相同的力，就能让这个小机器人向前移动。根据前面进行的分析，我们知道车轮的关节编号分别是2和3（右侧），以及6和7（左侧）。
考虑到这一点，首先可以通过仅旋转一侧的轮子让R2D2转身，然后再对所有轮子同时施加力使其向前移动。
import pybullet as p
import pybullet_data
import time
## setup
p.connect(p.GUI)
p.resetSimulation()
p.setGravity(gravX=0, gravY=0, gravZ=-9.8)
p.setAdditionalSearchPath(path=pybullet_data.getDataPath())
## load URDF
plane = p.loadURDF("plane.urdf")
robo = p.loadURDF(fileName="r2d2.urdf", basePosition=[0,0,0.1])
## settle down
for _ in range(240):
p.stepSimulation()
right_wheels = [2,3]
left_wheels = [6,7]
### first turn
for _ in range(240):
for j in right_wheels:
p.setJointMotorControl2(bodyUniqueId=robo, jointIndex=j,
controlMode=p.VELOCITY_CONTROL,
targetVelocity=-100, force=50)
for j in left_wheels:
p.setJointMotorControl2(bodyUniqueId=robo, jointIndex=j,
controlMode=p.VELOCITY_CONTROL,
targetVelocity=100, force=50)
p.stepSimulation()
time.sleep(1/240)
### then move forward
for _ in range(500):
for j in right_wheels + left_wheels:
p.setJointMotorControl2(bodyUniqueId=robo, jointIndex=j,
controlMode=p.VELOCITY_CONTROL,
targetVelocity=-100, force=10)
p.stepSimulation()
time.sleep(1/240)
p.disconnect()
请注意，每个机器人具有不同的质量（重量），因此其运动表现可能会因模拟物理特性（例如重力）而异。读者可以尝试不同的力与速度值，直到找到理想的运动效果。
结论
本文作为一份教程，旨在介绍PyBullet以及如何为机器人技术创建非常基础的3D仿真。读者学习了如何导入URDF对象，并分析关节和连杆。同时，也使用著名的R2D2机器人进行了实践。未来将推出更多关于高级机器人的教程。
本文的完整代码请访问：GitHub
