問

除了做漢堡或端咖啡外，機器人還可以在倉庫中搬運貨物、包裝食品和幫忙裝配車輛。它們是如何在很短的時間內達到熟練水平的呢？

答

這就要歸功于機器人仿真了。

在上一篇文章中我們學習了進行機器人開發的第一步——生成合成數據然后進行訓練。從 0 到 1 搭建機器人系列文章第二篇將帶領大家繼續學習如何創建虛擬環境，進行機器人的仿真開發與測試。本次要使用的工具是 NVIDIA Isaac Sim, 一款可擴展的機器人仿真應用程序和合成數據生成工具。

什么是機器人仿真

仿真的具體過程是：首先使用仿真器將虛擬機器人置于虛擬環境中，這樣就可以在不需要實體機器人的情況下測試機器人的軟件。最新的機器人仿真器可以生成數據集，用于訓練將在實體機器人上運行的機器學習模型。

然后，在這個虛擬環境中，開發人員可以創建機器人、環境以及可能需要的其他實體的數字版本。虛擬環境也會遵守物理定律，并模擬現實世界的重力、摩擦、材料和照明條件。

仿真一般被用于驗證、確認和優化機器人的設計和系統及其算法。仿真能夠在建造或改造開始前對設施進行優化，以達到最高效率，同時有助于減少昂貴的制造變更。

為了讓機器人能夠在人群中安全地工作，完美的運動規劃是必不可少的。若要搬運脆弱的物體，機器人需要能夠執行精準的接觸和抓取。這些機器以及自主移動機器人和自動駕駛汽車系統，都是在大量數據的基礎上訓練出安全的運動方式。

仿真正在利用合成數據實現以前不可能實現的虛擬進展。今天在仿真中誕生和成長的機器人，將被用于解決現實世界中的各種問題。

機器人仿真的工作原理

先進的機器人仿真器從應用基本的物理學方程開始，比如使用牛頓運動定律，確定物體如何在一個小的時間增量或一個時間段內移動。還可以加入對機器人的物理限制，比如加入一個鉸鏈式關節或者使其不能通過其他物體。

仿真器使用各種方法來檢測物體之間可能發生的碰撞、識別碰撞物體之間的接觸點，并計算力或脈沖，以防止物體之間相互碰撞。仿真器還可以計算用戶需要的傳感器信號，比如機器人關節處的扭矩或機器人抓手與物體之間的力。

使用機器人仿真的過程中，用戶通常會導入機器人的計算機輔助設計模型，并導入或生成感興趣的目標對象來構建一個虛擬場景。開發人員可以使用一套算法執行任務規劃和運動規劃，然后規定控制信號來執行這些計劃。這使機器人能夠以特定的方式執行任務并移動，比如拿起一個物體并將其放到目標位置。

開發人員可以觀察計劃輸出的結果控制信號，然后根據需要修改它們以確保成功。最近，人們開始使用基于機器學習的方法。用戶不必直接規定控制信號，而是只需要規定一個期望的行為，比如在不發生碰撞的情況下移動到一個位置。這時，一個由數據驅動的算法會根據機器人的仿真傳感器信號生成控制信號。

此類算法包括模仿學習和強化學習，前者以人類示范作為參考，后者讓機器人通過智能試錯學會行為，依靠經過加速的虛擬體驗迅速完成多年的學習。

然后，仿真器將按照用戶要求的時間間隔重復這一過程。一些仿真器，比如建立在 NVIDIA Omniverse 上的應用 NVIDIA Isaac Sim 等還可以按照間隔時間，提供其輸出結果的精確物理學可視化圖表。

使用 NVIDIA Isaac Sim 進行仿真

NVIDIA Omniverse Cloud 平臺上的Isaac Sim 是一個機器人仿真應用和 SDG 工具，驅動逼真的、物理準確的虛擬環境。在 NVIDIA Omniverse 的賦能下，Isaac Sim 使分布在全球的團隊能夠開展遠程協作，一起構建、訓練、仿真、驗證和部署機器人。

前文提到，仿真利用合成數據以推動虛擬化世界的進程，而合成數據離不開另一助力：NVIDIA Omniverse Replicator，一款可擴展的高級 SDK，使開發者能夠生成物理精準的 3D 合成數據，并輕松構建自定義合成數據生成 (SDG) 工具，以提高感知網絡的訓練速度和準確性。真實世界中的數據是昂貴、需要人工標記的，容易出錯且不完整，而 Omniverse Replicator 擴展了這些數據，這一引擎能夠創建大量、多樣化的精確物理數據，以滿足機器人開發者的需求。

此外，Isaac Sim 具備人員模擬功能，可將人類角色添加到倉庫或生產設施中，并讓他們執行堆放包裹、推送小車等常見的任務。目前支持許多常見的行為，模擬這些行為就像發布命令一樣簡單。

為了最大程度地減少在模擬世界中觀察到的結果與在真實世界中看到的結果之間的差距，必須要有符合物理學的傳感器模型。憑借NVIDIA RTX技術，Isaac Sim 可以實時渲染來自傳感器的符合物理學的數據。在使用 RTX 模擬激光雷達時，光線追蹤可以在各種照明條件下，或者在對反射材料做出反應時提供更加準確的傳感器數據。

Isaac Sim 還提供了許多新的可模擬 3D 資產，這對于建立符合物理學的模擬環境至關重要。從倉庫零件到機器人都是現成的，開發者可以快速開始構建。

我們一起了解了如何在虛擬環境中進行機器人的仿真開發與測試，下一次我們將更進一步，還請繼續關注系列內容！

• 了解NVIDIA Isaac Sim（https://developer.nvidia.com/isaac-sim）

• 參與 DLI Isaac Sim 機器人仿真介紹課程（https://courses.nvidia.com/courses/course-v1:DLI+S-OV-03+V1/ ）

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