国家开放大学《计算机仿真技术基础》形考任务1-3+实验任务1-2参考答案

国家开放大学《计算机仿真技术基础》形考任务1-3+实验任务1-2参考答案《计算机仿真技术基础》是国家开放大学机器人工程（本科）专业的一门必修专业课程。本课程为4学分，课程教学总学时为72学时，其中实验学时为24学时。课程代码：04859形考任务11.ROS的全称是机器人操作系统（RobotOperatingSystem），它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象层、底层设备驱动控制层、常用软件工具、进程间通信机制以及程序包管理等等，同时它也提供用于获取、编写、编译和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。（√）2.ROS中的应用功能涵盖各种各样的功能包，可简单分为底层驱动、上层功能、控制模块以及常用组件四个类别。（√）3.ROS是提供了机器人编程开发的框架，通过该系统框架把原本松散的底层驱动、检测、控制、智能算法等零部件融合在一起，为它们提供通信架构和服务。（√）4.ROS需要有效的结构去管理无数的节点、消息、服务、工具和库文件。（√）5.消息是节点之间进行传递的载体，节点之间的通讯需要某种格式的消息，才能正确的对数据进行识别和处理。（√）形考任务21.基本上所有的ROS功能包都是通过Topic话题和Server服务进行通讯，实现数据的交互和传递。（√）2.在ROS的通信方式中，topic是使用最多的一种消息发布机制。topic是一种点对多点的单向通信方式，这里的“点”指的是节点node，也就是说node之间可以通过topic方式来单向传递信息。（√）3.Service通信是单向的，它只可发送消息，不会得到反馈信息。（×）4.URDF全称为UnifiedRobotDescriptionFormat，意为统一机器人描述格式。机器人3D建模或部分结构模型主要用于仿真机器人或者为了简化开发者的工作，ROS中的机器人建模就通过URDF文件来实现。（√）5.Gazebo是一款功能强大的三维物理仿真平台，具备强大的物理引擎、高质量的图形渲染、方便的编程与图形接口。（√）形考任务31.机器人本体、末端执行器是执行任务的核心机械部件，当执行不同工作时，在快换接头处可以更换不同的末端执行器，以实现不同的功能，比如，抓取、放置、焊接等用途。（√）2.机器人工作站主要由机械模块、控制模块构成。（√）3.机器人基本部件、夹持器(工具)和控制装置等部件组成物体移动作业的搬运类工业机器人系统。（√）4.程序指令中的指令码又称操作码，是用来规定控制系统需要执行的操作，操作数又称操作对象，它用来定义执行这一操作的对象。（√）5.离线编程是通过编程软件直接编制程序的一种方法。离线编程不仅可编制程序，而且还可进行运动轨迹的离线计算，并虚拟机器人现场操作的环境，对程序进行仿真运行，由此验证程序的正确性。（√）实验任务一考核说明要求实验一至五中选二个完成，其中实验一至实验三中任选一个完成并提交实验报告，实验四至实验五中任选一个完成并提交实验报告。实验一：ROS的简易编程（4学时）实验内容：在第二章的学习过程中已经完成了ROS操作系统的安装，本实验在此基础上要求学生在ROS操作系统下完成发布者和订阅者、客户端和服务端的编程实现，并运行小乌龟仿真控制小乌龟运动并使用rqt_graph可视化查看当前ROS系统中的计算图。最后在教师的带领之下熟悉rviz与gazebo等工具的使用。参考答案：《ROS简易编程实验报告》一、实验目的1.掌握在ROS操作系统下发布者和订阅者、客户端和服务端的编程实现方法。2.学会使用小乌龟仿真控制小乌龟运动，并通过rqt_graph可视化查看ROS系统中的计算图。3.熟悉rviz与gazebo等工具的使用。二、实验环境已安装ROS操作系统的计算机。三、实验原理1.发布者和订阅者机制在ROS中，发布者负责将消息发布到特定的话题上，而订阅者则订阅感兴趣的话题以接收消息。这种机制实现了节点之间的数据通信和信息共享。2.客户端和服务端机制客户端向服务端发送请求，服务端接收请求并进行处理，然后将响应返回给客户端。这用于实现特定的任务或获取特定的信息。3.小乌龟仿真与控制通过编写程序控制小乌龟在仿真环境中的运动，利用ROS的相关功能和接口实现对小乌龟的位置、速度等参数的控制。4.rqt_graph可视化rqt_graph工具可以以图形化的方式展示当前ROS系统中节点之间的连接关系和通信拓扑结构，帮助理解系统的运行机制。5.rviz与gazebo工具rviz是ROS的三维可视化工具，可用于显示机器人模型、传感器数据等信息，方便对机器人的状态进行直观观察和调试。gazebo是强大的物理仿真平台，能模拟真实环境中的物理特性，为机器人的仿真测试提供更真实的场景。四、实验步骤1.发布者和订阅者编程实现（1）创建一个新的ROS包（假设包名为my_package）。（2）在包中编写发布者节点代码（例如python语言）：（3）在包中编写订阅者节点代码：（4）打开终端，进入ROS工作空间，编译新创建的包：（5）运行发布者和订阅者节点：2.客户端和服务端编程实现（1）在ROS包中创建服务端代码（假设服务名为my_service，服务类型为自定义的MyServiceMessage）：（2）创建客户端代码：（3）编译包并运行服务端和客户端：3.小乌龟仿真控制与rqt_graph可视化（1）启动ROS核心：（2）启动小乌龟仿真环境：（3）编写控制小乌龟运动的程序（例如使用键盘控制小乌龟的方向）：（4）运行控制程序：（5）在另一个终端中运行rqt_graph查看计算图：4.rviz与gazebo工具使用（1）rviz使用启动rviz：在rviz界面中，通过“Add”按钮添加需要显示的内容，如机器人模型（如果有）、激光雷达数据（假设已配置）、图像数据等。可以调整显示的参数，如颜色、坐标系、显示范围等，以满足观察和调试的需求。例如，添加一个机器人模型并设置其姿态显示，以便直观地查看机器人在虚拟环境中的位置和状态。（2）gazebo使用启动gazebo：在gazebo中，可以导入机器人模型（如果有相应的模型文件）和环境模型。可以设置环境的物理参数，如重力、摩擦力等。例如，创建一个简单的平面环境，将机器人模型放置在其中，然后通过模拟按钮运行仿真，观察机器人在模拟环境中的运动和与环境的交互情况，如碰撞检测等。五、实验结果1.成功实现了发布者和订阅者的通信，在终端中可以看到发布者发布的消息被订阅者正确接收并显示。2.客户端能够向服务端发送请求，服务端处理请求后返回响应，客户端接收到响应并显示在终端中。3.在小乌龟仿真环境中，能够通过编写的程序控制小乌龟的运动，并且可以看到小乌龟按照输入的指令进行移动。通过rqt_graph可视化工具，能够清晰地看到ROS系统中节点之间的连接关系和通信流向，例如可以看到发布者、订阅者、小乌龟控制节点等之间的关系。4.在rviz中成功显示了相关的机器人模型和数据（如果有配置），能够直观地观察机器人的状态。在gazebo中成功模拟了机器人在环境中的运动，并且可以观察到机器人与环境的物理交互效果。六、实验总结1.通过本次实验，深入了解了ROS的基本编程概念和方法，包括发布者和订阅者、客户端和服务端的编程实现，掌握了它们之间的通信机制。2.学会了使用小乌龟仿真来测试和验证控制程序的正确性，并且能够利用rqt_graph工具对ROS系统的运行情况进行可视化分析，这对于理解和调试复杂的ROS系统非常有帮助。3.熟悉了rviz和gazebo这两个重要的工具。rviz用于可视化展示机器人的状态和数据，方便进行调试和观察；gazebo则提供了强大的物理仿真环境，可以更真实地模拟机器人的运行情况，对于机器人的开发和测试具有重要意义。4.在实验过程中也遇到了一些问题，例如在编写代码时可能会出现语法错误或者逻辑错误，需要仔细检查和调试。在使用工具时，可能需要对一些参数和配置进行适当的调整才能达到预期的效果。通过解决这些问题，提高了自己的问题解决能力和对ROS系统的理解。5.后续可以进一步深入学习ROS的高级功能和应用，如机器人导航、感知融合等，将ROS应用到更复杂的机器人系统开发中。实验任务二考核说明要求实验一至五中选二个完成，其中实验一至实验三中任选一个完成并提交实验报告，实验四至实验五中任选一个完成并提交实验报告。实验四：机械臂建模与仿真（4学时）实验内容：在第六章学习过程中已经完成了ABB工业机器人建模基础知识的学习，本实验在此基础上要求学生在老师的指导之下独立完成一个机械臂的建模，并在RobotStudio中完成仿真。实验五：机械臂编程实现夹取与搬运（6学时）实验内容：在第七章学习过程中已经完成了ABB工业机器人RAPID编程基础知识的学习，本实验要求学生在老师的带领之下完成对实验4机械臂程序的编写，能够使用机械臂完成一系列夹取与搬运动作。参考答案：《机械臂建模与仿真实验报告》一、实验目的1.掌握机械臂建模的基本方法和流程。2.能够在RobotStudio软件中独立完成机械臂的建模操作。3.学会对建立的机械臂模型进行仿真，验证其运动性能和功能。二、实验环境安装有RobotStudio软件的计算机。三、实验原理1.机械臂建模原理（1）机械臂通常由多个连杆和关节组成。通过定义连杆的几何形状、尺寸、质量等参数以及关节的类型（如旋转关节、移动关节等）、运动范围和连接关系，构建出机械臂的物理模型。（2）利用数学模型来描述机械臂各关节之间的运动学关系，包括正运动学（已知关节角度求末端执行器位姿）和逆运动学（已知末端执行器位姿求关节角度），以便实现对机械臂运动的控制和规划。2.RobotStudio仿真原理（1）RobotStudio是一款专门用于机器人仿真和编程的软件。它基于虚拟环境技术，能够模拟机械臂在实际工作场景中的运动和操作。（2）通过导入或创建机械臂模型，设置其运动参数、工作环境、任务逻辑等，然后运行仿真，软件会根据预先定义的模型和参数，实时计算机械臂的运动轨迹和状态，并以可视化的方式呈现出来，帮助用户分析和评估机械臂的性能和可行性。四、实验步骤1.机械臂建模（1）打开RobotStudio软件。（2）创建一个新的机器人系统项目。（3）在“建模”功能区中，选择“创建机械装置”。（4）按照机械臂的实际结构，依次创建连杆。定义连杆的形状（如长方体、圆柱体等），输入尺寸参数（长度、直径等），并设置连杆的质量属性（质量、质心位置等）。（5）创建关节。选择关节类型（如旋转关节对应机械臂的旋转轴，移动关节对应线性运动部分），设置关节的运动范围（最小和最大角度或位移）和初始位置。（6）连接连杆和关节，确定机械臂的结构关系。按照从基座到末端执行器的顺序，将各个连杆通过相应的关节连接起来，形成完整的机械臂模型。（7）对机械臂模型进行命名和保存，以便后续使用和修改。2.在RobotStudio中完成仿真（1）设置工作环境。在软件中添加工作对象（如工件、夹具等），定义工作区域的范围和布局，设置环境的物理属性（如重力、摩擦力等），以模拟真实的工作场景。（2）配置机械臂的运动参数。设置关节运动的速度、加速度限制，定义机械臂的运动模式（如点到点运动、连续路径运动等），以及规划运动路径的方式（如直线插补、圆弧插补等）。（3）编写机器人任务程序（可选）。如果需要机械臂执行特定的任务动作，可以使用RobotStudio提供的编程工具编写机器人程序。例如，实现机械臂的抓取、放置、焊接等操作的程序逻辑。（4）运行仿真。点击软件中的“仿真运行”按钮，启动机械臂的仿真。观察机械臂在虚拟环境中的运动情况，检查其运动是否符合预期，是否与工作对象和环境发生碰撞等异常情况。（5）分析仿真结果。在仿真过程中，可以通过软件提供的各种可视化工具和数据分析功能，查看机械臂的运动轨迹、关节角度变化曲线、速度和加速度曲线等信息，评估机械臂的性能指标，如运动精度、工作效率、能量消耗等。根据分析结果，对机械臂模型或运动参数进行调整和优化，再次进行仿真，直到达到满意的效果。五、实验结果1.成功创建了一个机械臂模型，其外观和结构与预期设计相符。在RobotStudio的建模界面中，可以清晰地看到机械臂的各个连杆和关节，并且可以通过操作界面进行关节的手动旋转和移动，验证模型的连接关系和运动自由度。2.在仿真过程中，机械臂能够按照设置的运动参数和任务程序进行运动。能够准确地到达指定的目标位置，完成预设的动作序列，如抓取工件并放置到指定位置等。3.通过观察仿真结果的可视化数据，如运动轨迹曲线和关节角度变化曲线等，发现机械臂的运动平稳，没有出现明显的抖动或异常波动。运动精度在可接受范围内，能够满足一般的工作要求。同时，通过分析能量消耗数据，也可以对机械臂的运动效率进行评估，为进一步优化提供参考依据。4.在仿真过程中，对机械臂与工作环境的交互进行了检查，没有发现碰撞或干涉现象，说明模型的尺寸和运动范围设置合理，能够在给定的工作空间内正常工作。六、实验总结1.通过本次实验，深入了解了机械臂建模和仿真的全过程，掌握了在RobotStudio软件中进行机械臂建模和仿真的基本技能。2.在建模过程中，对机械臂的结构和运动学原理有了更深刻的理解。认识到准确定义连杆和关节的参数对于建立精确的模型至关重要，任何一个参数的偏差都可能影响到机械臂的运动性能和仿真结果。3.在仿真环节，学会了如何设置工作环境和运动参数，以及如何编写简单的任务程序来控制机械臂的运动。通过对仿