問

除了做漢堡或端咖啡外，機(jī)器人還可以在倉庫中搬運(yùn)貨物、包裝食品和幫忙裝配車輛。它們是如何在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到熟練水平的呢？

答

這就要?dú)w功于機(jī)器人仿真了。

在上一篇文章中我們學(xué)習(xí)了進(jìn)行機(jī)器人開發(fā)的第一步——生成合成數(shù)據(jù)然后進(jìn)行訓(xùn)練。從 0 到 1 搭建機(jī)器人系列文章第二篇將帶領(lǐng)大家繼續(xù)學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建虛擬環(huán)境，進(jìn)行機(jī)器人的仿真開發(fā)與測(cè)試。本次要使用的工具是 NVIDIA Isaac Sim, 一款可擴(kuò)展的機(jī)器人仿真應(yīng)用程序和合成數(shù)據(jù)生成工具。

什么是機(jī)器人仿真

仿真的具體過程是：首先使用仿真器將虛擬機(jī)器人置于虛擬環(huán)境中，這樣就可以在不需要實(shí)體機(jī)器人的情況下測(cè)試機(jī)器人的軟件。最新的機(jī)器人仿真器可以生成數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練將在實(shí)體機(jī)器人上運(yùn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

然后，在這個(gè)虛擬環(huán)境中，開發(fā)人員可以創(chuàng)建機(jī)器人、環(huán)境以及可能需要的其他實(shí)體的數(shù)字版本。虛擬環(huán)境也會(huì)遵守物理定律，并模擬現(xiàn)實(shí)世界的重力、摩擦、材料和照明條件。

仿真一般被用于驗(yàn)證、確認(rèn)和優(yōu)化機(jī)器人的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)及其算法。仿真能夠在建造或改造開始前對(duì)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最高效率，同時(shí)有助于減少昂貴的制造變更。

為了讓機(jī)器人能夠在人群中安全地工作，完美的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是必不可少的。若要搬運(yùn)脆弱的物體，機(jī)器人需要能夠執(zhí)行精準(zhǔn)的接觸和抓取。這些機(jī)器以及自主移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)，都是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上訓(xùn)練出安全的運(yùn)動(dòng)方式。

仿真正在利用合成數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的虛擬進(jìn)展。今天在仿真中誕生和成長的機(jī)器人，將被用于解決現(xiàn)實(shí)世界中的各種問題。

機(jī)器人仿真的工作原理

先進(jìn)的機(jī)器人仿真器從應(yīng)用基本的物理學(xué)方程開始，比如使用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，確定物體如何在一個(gè)小的時(shí)間增量或一個(gè)時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)。還可以加入對(duì)機(jī)器人的物理限制，比如加入一個(gè)鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)或者使其不能通過其他物體。

仿真器使用各種方法來檢測(cè)物體之間可能發(fā)生的碰撞、識(shí)別碰撞物體之間的接觸點(diǎn)，并計(jì)算力或脈沖，以防止物體之間相互碰撞。仿真器還可以計(jì)算用戶需要的傳感器信號(hào)，比如機(jī)器人關(guān)節(jié)處的扭矩或機(jī)器人抓手與物體之間的力。

使用機(jī)器人仿真的過程中，用戶通常會(huì)導(dǎo)入機(jī)器人的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，并導(dǎo)入或生成感興趣的目標(biāo)對(duì)象來構(gòu)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景。開發(fā)人員可以使用一套算法執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，然后規(guī)定控制信號(hào)來執(zhí)行這些計(jì)劃。這使機(jī)器人能夠以特定的方式執(zhí)行任務(wù)并移動(dòng)，比如拿起一個(gè)物體并將其放到目標(biāo)位置。

開發(fā)人員可以觀察計(jì)劃輸出的結(jié)果控制信號(hào)，然后根據(jù)需要修改它們以確保成功。最近，人們開始使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。用戶不必直接規(guī)定控制信號(hào)，而是只需要規(guī)定一個(gè)期望的行為，比如在不發(fā)生碰撞的情況下移動(dòng)到一個(gè)位置。這時(shí)，一個(gè)由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的算法會(huì)根據(jù)機(jī)器人的仿真?zhèn)鞲衅餍盘?hào)生成控制信號(hào)。

此類算法包括模仿學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，前者以人類示范作為參考，后者讓機(jī)器人通過智能試錯(cuò)學(xué)會(huì)行為，依靠經(jīng)過加速的虛擬體驗(yàn)迅速完成多年的學(xué)習(xí)。

然后，仿真器將按照用戶要求的時(shí)間間隔重復(fù)這一過程。一些仿真器，比如建立在 NVIDIA Omniverse 上的應(yīng)用 NVIDIA Isaac Sim 等還可以按照間隔時(shí)間，提供其輸出結(jié)果的精確物理學(xué)可視化圖表。

使用 NVIDIA Isaac Sim 進(jìn)行仿真

NVIDIA Omniverse Cloud 平臺(tái)上的Isaac Sim 是一個(gè)機(jī)器人仿真應(yīng)用和 SDG 工具，驅(qū)動(dòng)逼真的、物理準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境。在 NVIDIA Omniverse 的賦能下，Isaac Sim 使分布在全球的團(tuán)隊(duì)能夠開展遠(yuǎn)程協(xié)作，一起構(gòu)建、訓(xùn)練、仿真、驗(yàn)證和部署機(jī)器人。

前文提到，仿真利用合成數(shù)據(jù)以推動(dòng)虛擬化世界的進(jìn)程，而合成數(shù)據(jù)離不開另一助力：NVIDIA Omniverse Replicator，一款可擴(kuò)展的高級(jí) SDK，使開發(fā)者能夠生成物理精準(zhǔn)的 3D 合成數(shù)據(jù)，并輕松構(gòu)建自定義合成數(shù)據(jù)生成 (SDG) 工具，以提高感知網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和準(zhǔn)確性。真實(shí)世界中的數(shù)據(jù)是昂貴、需要人工標(biāo)記的，容易出錯(cuò)且不完整，而 Omniverse Replicator 擴(kuò)展了這些數(shù)據(jù)，這一引擎能夠創(chuàng)建大量、多樣化的精確物理數(shù)據(jù)，以滿足機(jī)器人開發(fā)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(chǎn)設(shè)施中，并讓他們執(zhí)行堆放包裹、推送小車等常見的任務(wù)。目前支持許多常見的行為，模擬這些行為就像發(fā)布命令一樣簡(jiǎn)單。

為了最大程度地減少在模擬世界中觀察到的結(jié)果與在真實(shí)世界中看到的結(jié)果之間的差距，必須要有符合物理學(xué)的傳感器模型。憑借NVIDIA RTX技術(shù)，Isaac Sim 可以實(shí)時(shí)渲染來自傳感器的符合物理學(xué)的數(shù)據(jù)。在使用 RTX 模擬激光雷達(dá)時(shí)，光線追蹤可以在各種照明條件下，或者在對(duì)反射材料做出反應(yīng)時(shí)提供更加準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)。

Isaac Sim 還提供了許多新的可模擬 3D 資產(chǎn)，這對(duì)于建立符合物理學(xué)的模擬環(huán)境至關(guān)重要。從倉庫零件到機(jī)器人都是現(xiàn)成的，開發(fā)者可以快速開始構(gòu)建。

我們一起了解了如何在虛擬環(huán)境中進(jìn)行機(jī)器人的仿真開發(fā)與測(cè)試，下一次我們將更進(jìn)一步，還請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注系列內(nèi)容！

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

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

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