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Isaac Sim 5 与 ROS2 机械臂仿真教程

本教程將指導您在 Isaac Sim 5 中導入機械臂模型並與 ROS2 整合，實現機械臂的仿真控制。

資料來源

本教程基於以下資源製作：

前提條件

開始前，請確保已安裝以下軟體：

  1. Isaac Sim 5：參考 官方安裝指南 安裝
  2. ROS2：參考 Isaac Sim ROS2 安裝文件 配置 ROS2 環境

第一步：取得機械臂模型

TheRobotStudio 開源 SO-ARM101 機械臂，提供完整 URDF 文件：

git clone https://github.com/TheRobotStudio/SO-ARM100.git
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提示：URDF（統一機器人描述格式）包含機械臂的幾何結構、關節資訊和物理屬性。

第二步：啟動 Isaac Sim

開啟終端，導航至 Isaac Sim 安裝目錄並啟動：

cd <Isaac Sim 路徑>
./isaac-sim.sh
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

注意：請將 <Isaac Sim 路徑> 替換為實際安裝路徑。

第三步：導入機械臂模型

  1. 在 Isaac Sim 介面點擊 File -> Import
  2. 在文件選擇對話框中，導航至 <SO-ARM100 路徑>/Simulation/SO101/so101_new_calib.urdf
  3. 選擇 URDF 文件並點擊導入

導入成功後，應可在 Isaac Sim 的 3D 視窗中看到完整機械臂模型。

第四步：添加仿真環境

為進行仿真，需為機械臂添加地面：

  1. 點擊 Create -> Physics -> Ground Plane
  2. 將在場景中添加物理地面

第五步：配置 ROS2 介面

為機械臂添加 ROS2 通信介面，實現外部控制。

5.1 建立 Joint States 節點

  1. 點擊 Tools -> Robotics -> ROS 2 OmniGraphs -> Joint States

5.2 配置 Articulation Root

在對話框中：

  1. 點擊 Articulation Root 輸入框右側選擇按鈕
  2. 在場景樹中選擇 so101_new_calib 下的 root_joint

Articulation Root 是機械臂的根關節，定義基礎座標系與物理屬性。

5.3 啟用發布與訂閱

  1. 勾選 Publisher（發布關節狀態至 ROS2）
  2. 勾選 Subscriber（接收 ROS2 控制命令）
  3. 點擊 OK 確認

第六步：完善控制圖

6.1 開啟 Action Graph

  1. 在 Stage 視窗找到 ROS_JointStates 節點
  2. 右鍵點擊，選擇 Open Graph
  3. 檢查是否有 Articulation Controller 節點。若已自動建立，跳至第七步；若無，依以下步驟手動建立。

6.2 添加 Articulation Controller

在 Action Graph 視窗中：

  1. 在 Nodes 面板搜索 Articulation Controller
  2. 將節點拖曳至畫布

Articulation Controller 是控制機械臂關節運動的核心組件。

6.3 建立節點連線

將 ROS2 Subscribe Joint State 的以下輸出埠連接到 Articulation Controller 的對應輸入埠：

  • Joint Names（關節名稱）
  • Position Command（位置命令）
  • Exec Out -> Exec In

第七步：啟動仿真

點擊 Isaac Sim 介面左側 Play 按鈕開始仿真，機械臂將發布狀態資訊至 ROS2，並準備接收控制命令。

第八步：驗證 ROS2 通信

8.1 啟動 ROS2 環境

開啟新終端並啟動 ROS2 環境：

source /opt/ros/jazzy/setup.sh
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注意：請根據您的 ROS2 版本調整路徑，如 humble、iron 等。

8.2 查看 ROS2 主題

使用以下命令查看可用 ROS2 主題：

ros2 topic list
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應看到以下輸出：

/joint_command
/joint_states
/parameter_events
/rosout
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8.3 監控關節狀態

使用以下命令即時查看機械臂關節狀態：

ros2 topic echo /joint_states
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將顯示每個關節的位置、速度和力矩資訊。

第九步：編寫控制腳本

以下為基礎鍵盤控制範例：

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import JointState
import sys
import termios
import tty
import select

class JointKeyboardControl(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('joint_keyboard_control')
        self.publisher_ = self.create_publisher(JointState, '/joint_command', 10)

        # 關節名稱（與 /joint_states 一致）
        self.joint_names = [
            'shoulder_pan',
            'shoulder_lift',
            'elbow_flex',
            'wrist_flex',
            'wrist_roll',
            'gripper'
        ]

        # 當前關節位置（初始為0）
        self.joint_positions = [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0]

        # 當前選中關節索引（預設第一個）
        self.selected_joint = 0

        # 關節調整步長
        self.step_size = 0.01

        # 保存終端設定
        self.old_settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)

        # 操作提示
        self.print_instructions()

    def print_instructions(self):
        print("\n=== 機械臂鍵盤控制 ===")
        print("1-6: 選擇關節")
        print("a/d: 調整關節位置（a=減小, d=增大）")
        print("q: 退出程式")
        print("當前關節:", self.joint_names[self.selected_joint])
        print("當前位置:", self.joint_positions[self.selected_joint])

    def get_key(self):
        # 非阻塞讀取鍵盤輸入
        if select.select([sys.stdin], [], [], 0) == ([sys.stdin], [], []):
            return sys.stdin.read(1)
        return None

    def run(self):
        try:
            # 設置終端為非阻塞模式
            tty.setcbreak(sys.stdin.fileno())

            while rclpy.ok():
                key = self.get_key()
                if key is not None:
                    # 選擇關節（1-6）
                    if key in ['1', '2', '3', '4', '5', '6']:
                        self.selected_joint = int(key) - 1
                        print("\n當前關節:", self.joint_names[self.selected_joint])
                        print("當前位置:", self.joint_positions[self.selected_joint])

                    # 調整關節位置（a=減小, d=增大）
                    elif key == 'a':
                        self.joint_positions[self.selected_joint] -= self.step_size
                        self.publish_joint_command()
                        print("位置 -:", self.joint_positions[self.selected_joint])

                    elif key == 'd':
                        self.joint_positions[self.selected_joint] += self.step_size
                        self.publish_joint_command()
                        print("位置 +:", self.joint_positions[self.selected_joint])

                    # 退出程式（q）
                    elif key == 'q':
                        print("\n退出程式...")
                        break

                # 短暫休眠，避免CPU過高
                rclpy.spin_once(self, timeout_sec=0.01)

        finally:
            # 恢復終端設定
            termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, self.old_settings)

    def publish_joint_command(self):
        msg = JointState()
        msg.header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
        msg.name = self.joint_names
        msg.position = self.joint_positions
        self.publisher_.publish(msg)

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    joint_keyboard_control = JointKeyboardControl()

    try:
        joint_keyboard_control.run()
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        joint_keyboard_control.destroy_node()
        rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()
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執行控制腳本

將程式碼儲存為 joint_keyboard_control.py，然後執行：

python3 joint_keyboard_control.py
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您可在終端使用鍵盤控制機械臂運動，同時觀察 Isaac Sim 中機械臂的即時回應。

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