國家開放大學(xué)《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實驗任務(wù)1-2參考答案_第1頁
國家開放大學(xué)《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實驗任務(wù)1-2參考答案_第2頁
國家開放大學(xué)《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實驗任務(wù)1-2參考答案_第3頁
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國家開放大學(xué)《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》形考任務(wù)1-3+實驗任務(wù)1-2參考答案《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》是國家開放大學(xué)機器人工程(本科)專業(yè)的一門必修專業(yè)課程。本課程為4學(xué)分,課程教學(xué)總學(xué)時為72學(xué)時,其中實驗學(xué)時為24學(xué)時。課程代碼:04859形考任務(wù)11.ROS的全稱是機器人操作系統(tǒng)(RobotOperatingSystem),它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù),包括硬件抽象層、底層設(shè)備驅(qū)動控制層、常用軟件工具、進程間通信機制以及程序包管理等等,同時它也提供用于獲取、編寫、編譯和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)。(√)2.ROS中的應(yīng)用功能涵蓋各種各樣的功能包,可簡單分為底層驅(qū)動、上層功能、控制模塊以及常用組件四個類別。(√)3.ROS是提供了機器人編程開發(fā)的框架,通過該系統(tǒng)框架把原本松散的底層驅(qū)動、檢測、控制、智能算法等零部件融合在一起,為它們提供通信架構(gòu)和服務(wù)。(√)4.ROS需要有效的結(jié)構(gòu)去管理無數(shù)的節(jié)點、消息、服務(wù)、工具和庫文件。(√)5.消息是節(jié)點之間進行傳遞的載體,節(jié)點之間的通訊需要某種格式的消息,才能正確的對數(shù)據(jù)進行識別和處理。(√)形考任務(wù)21.基本上所有的ROS功能包都是通過Topic話題和Server服務(wù)進行通訊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和傳遞。(√)2.在ROS的通信方式中,topic是使用最多的一種消息發(fā)布機制。topic是一種點對多點的單向通信方式,這里的“點”指的是節(jié)點node,也就是說node之間可以通過topic方式來單向傳遞信息。(√)3.Service通信是單向的,它只可發(fā)送消息,不會得到反饋信息。(×)4.URDF全稱為UnifiedRobotDescriptionFormat,意為統(tǒng)一機器人描述格式。機器人3D建?;虿糠纸Y(jié)構(gòu)模型主要用于仿真機器人或者為了簡化開發(fā)者的工作,ROS中的機器人建模就通過URDF文件來實現(xiàn)。(√)5.Gazebo是一款功能強大的三維物理仿真平臺,具備強大的物理引擎、高質(zhì)量的圖形渲染、方便的編程與圖形接口。(√)形考任務(wù)31.機器人本體、末端執(zhí)行器是執(zhí)行任務(wù)的核心機械部件,當執(zhí)行不同工作時,在快換接頭處可以更換不同的末端執(zhí)行器,以實現(xiàn)不同的功能,比如,抓取、放置、焊接等用途。(√)2.機器人工作站主要由機械模塊、控制模塊構(gòu)成。(√)3.機器人基本部件、夾持器(工具)和控制裝置等部件組成物體移動作業(yè)的搬運類工業(yè)機器人系統(tǒng)。(√)4.程序指令中的指令碼又稱操作碼,是用來規(guī)定控制系統(tǒng)需要執(zhí)行的操作,操作數(shù)又稱操作對象,它用來定義執(zhí)行這一操作的對象。(√)5.離線編程是通過編程軟件直接編制程序的一種方法。離線編程不僅可編制程序,而且還可進行運動軌跡的離線計算,并虛擬機器人現(xiàn)場操作的環(huán)境,對程序進行仿真運行,由此驗證程序的正確性。(√)實驗任務(wù)一考核說明要求實驗一至五中選二個完成,其中實驗一至實驗三中任選一個完成并提交實驗報告,實驗四至實驗五中任選一個完成并提交實驗報告。實驗一:ROS的簡易編程(4學(xué)時)實驗內(nèi)容:在第二章的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ROS操作系統(tǒng)的安裝,本實驗在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生在ROS操作系統(tǒng)下完成發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實現(xiàn),并運行小烏龜仿真控制小烏龜運動并使用rqt_graph可視化查看當前ROS系統(tǒng)中的計算圖。最后在教師的帶領(lǐng)之下熟悉rviz與gazebo等工具的使用。參考答案:《ROS簡易編程實驗報告》一、實驗?zāi)康?.掌握在ROS操作系統(tǒng)下發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實現(xiàn)方法。2.學(xué)會使用小烏龜仿真控制小烏龜運動,并通過rqt_graph可視化查看ROS系統(tǒng)中的計算圖。3.熟悉rviz與gazebo等工具的使用。二、實驗環(huán)境已安裝ROS操作系統(tǒng)的計算機。三、實驗原理1.發(fā)布者和訂閱者機制在ROS中,發(fā)布者負責(zé)將消息發(fā)布到特定的話題上,而訂閱者則訂閱感興趣的話題以接收消息。這種機制實現(xiàn)了節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信和信息共享。2.客戶端和服務(wù)端機制客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求,服務(wù)端接收請求并進行處理,然后將響應(yīng)返回給客戶端。這用于實現(xiàn)特定的任務(wù)或獲取特定的信息。3.小烏龜仿真與控制通過編寫程序控制小烏龜在仿真環(huán)境中的運動,利用ROS的相關(guān)功能和接口實現(xiàn)對小烏龜?shù)奈恢谩⑺俣鹊葏?shù)的控制。4.rqt_graph可視化rqt_graph工具可以以圖形化的方式展示當前ROS系統(tǒng)中節(jié)點之間的連接關(guān)系和通信拓撲結(jié)構(gòu),幫助理解系統(tǒng)的運行機制。5.rviz與gazebo工具rviz是ROS的三維可視化工具,可用于顯示機器人模型、傳感器數(shù)據(jù)等信息,方便對機器人的狀態(tài)進行直觀觀察和調(diào)試。gazebo是強大的物理仿真平臺,能模擬真實環(huán)境中的物理特性,為機器人的仿真測試提供更真實的場景。四、實驗步驟1.發(fā)布者和訂閱者編程實現(xiàn)(1)創(chuàng)建一個新的ROS包(假設(shè)包名為my_package)。(2)在包中編寫發(fā)布者節(jié)點代碼(例如python語言):(3)在包中編寫訂閱者節(jié)點代碼:(4)打開終端,進入ROS工作空間,編譯新創(chuàng)建的包:(5)運行發(fā)布者和訂閱者節(jié)點:2.客戶端和服務(wù)端編程實現(xiàn)(1)在ROS包中創(chuàng)建服務(wù)端代碼(假設(shè)服務(wù)名為my_service,服務(wù)類型為自定義的MyServiceMessage):(2)創(chuàng)建客戶端代碼:(3)編譯包并運行服務(wù)端和客戶端:3.小烏龜仿真控制與rqt_graph可視化(1)啟動ROS核心:(2)啟動小烏龜仿真環(huán)境:(3)編寫控制小烏龜運動的程序(例如使用鍵盤控制小烏龜?shù)姆较颍海?)運行控制程序:(5)在另一個終端中運行rqt_graph查看計算圖:4.rviz與gazebo工具使用(1)rviz使用啟動rviz:在rviz界面中,通過“Add”按鈕添加需要顯示的內(nèi)容,如機器人模型(如果有)、激光雷達數(shù)據(jù)(假設(shè)已配置)、圖像數(shù)據(jù)等??梢哉{(diào)整顯示的參數(shù),如顏色、坐標系、顯示范圍等,以滿足觀察和調(diào)試的需求。例如,添加一個機器人模型并設(shè)置其姿態(tài)顯示,以便直觀地查看機器人在虛擬環(huán)境中的位置和狀態(tài)。(2)gazebo使用啟動gazebo:在gazebo中,可以導(dǎo)入機器人模型(如果有相應(yīng)的模型文件)和環(huán)境模型??梢栽O(shè)置環(huán)境的物理參數(shù),如重力、摩擦力等。例如,創(chuàng)建一個簡單的平面環(huán)境,將機器人模型放置在其中,然后通過模擬按鈕運行仿真,觀察機器人在模擬環(huán)境中的運動和與環(huán)境的交互情況,如碰撞檢測等。五、實驗結(jié)果1.成功實現(xiàn)了發(fā)布者和訂閱者的通信,在終端中可以看到發(fā)布者發(fā)布的消息被訂閱者正確接收并顯示。2.客戶端能夠向服務(wù)端發(fā)送請求,服務(wù)端處理請求后返回響應(yīng),客戶端接收到響應(yīng)并顯示在終端中。3.在小烏龜仿真環(huán)境中,能夠通過編寫的程序控制小烏龜?shù)倪\動,并且可以看到小烏龜按照輸入的指令進行移動。通過rqt_graph可視化工具,能夠清晰地看到ROS系統(tǒng)中節(jié)點之間的連接關(guān)系和通信流向,例如可以看到發(fā)布者、訂閱者、小烏龜控制節(jié)點等之間的關(guān)系。4.在rviz中成功顯示了相關(guān)的機器人模型和數(shù)據(jù)(如果有配置),能夠直觀地觀察機器人的狀態(tài)。在gazebo中成功模擬了機器人在環(huán)境中的運動,并且可以觀察到機器人與環(huán)境的物理交互效果。六、實驗總結(jié)1.通過本次實驗,深入了解了ROS的基本編程概念和方法,包括發(fā)布者和訂閱者、客戶端和服務(wù)端的編程實現(xiàn),掌握了它們之間的通信機制。2.學(xué)會了使用小烏龜仿真來測試和驗證控制程序的正確性,并且能夠利用rqt_graph工具對ROS系統(tǒng)的運行情況進行可視化分析,這對于理解和調(diào)試復(fù)雜的ROS系統(tǒng)非常有幫助。3.熟悉了rviz和gazebo這兩個重要的工具。rviz用于可視化展示機器人的狀態(tài)和數(shù)據(jù),方便進行調(diào)試和觀察;gazebo則提供了強大的物理仿真環(huán)境,可以更真實地模擬機器人的運行情況,對于機器人的開發(fā)和測試具有重要意義。4.在實驗過程中也遇到了一些問題,例如在編寫代碼時可能會出現(xiàn)語法錯誤或者邏輯錯誤,需要仔細檢查和調(diào)試。在使用工具時,可能需要對一些參數(shù)和配置進行適當?shù)恼{(diào)整才能達到預(yù)期的效果。通過解決這些問題,提高了自己的問題解決能力和對ROS系統(tǒng)的理解。5.后續(xù)可以進一步深入學(xué)習(xí)ROS的高級功能和應(yīng)用,如機器人導(dǎo)航、感知融合等,將ROS應(yīng)用到更復(fù)雜的機器人系統(tǒng)開發(fā)中。實驗任務(wù)二考核說明要求實驗一至五中選二個完成,其中實驗一至實驗三中任選一個完成并提交實驗報告,實驗四至實驗五中任選一個完成并提交實驗報告。實驗四:機械臂建模與仿真(4學(xué)時)實驗內(nèi)容:在第六章學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ABB工業(yè)機器人建模基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí),本實驗在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生在老師的指導(dǎo)之下獨立完成一個機械臂的建模,并在RobotStudio中完成仿真。實驗五:機械臂編程實現(xiàn)夾取與搬運(6學(xué)時)實驗內(nèi)容:在第七章學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)完成了ABB工業(yè)機器人RAPID編程基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí),本實驗要求學(xué)生在老師的帶領(lǐng)之下完成對實驗4機械臂程序的編寫,能夠使用機械臂完成一系列夾取與搬運動作。參考答案:《機械臂建模與仿真實驗報告》一、實驗?zāi)康?.掌握機械臂建模的基本方法和流程。2.能夠在RobotStudio軟件中獨立完成機械臂的建模操作。3.學(xué)會對建立的機械臂模型進行仿真,驗證其運動性能和功能。二、實驗環(huán)境安裝有RobotStudio軟件的計算機。三、實驗原理1.機械臂建模原理(1)機械臂通常由多個連桿和關(guān)節(jié)組成。通過定義連桿的幾何形狀、尺寸、質(zhì)量等參數(shù)以及關(guān)節(jié)的類型(如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動關(guān)節(jié)等)、運動范圍和連接關(guān)系,構(gòu)建出機械臂的物理模型。(2)利用數(shù)學(xué)模型來描述機械臂各關(guān)節(jié)之間的運動學(xué)關(guān)系,包括正運動學(xué)(已知關(guān)節(jié)角度求末端執(zhí)行器位姿)和逆運動學(xué)(已知末端執(zhí)行器位姿求關(guān)節(jié)角度),以便實現(xiàn)對機械臂運動的控制和規(guī)劃。2.RobotStudio仿真原理(1)RobotStudio是一款專門用于機器人仿真和編程的軟件。它基于虛擬環(huán)境技術(shù),能夠模擬機械臂在實際工作場景中的運動和操作。(2)通過導(dǎo)入或創(chuàng)建機械臂模型,設(shè)置其運動參數(shù)、工作環(huán)境、任務(wù)邏輯等,然后運行仿真,軟件會根據(jù)預(yù)先定義的模型和參數(shù),實時計算機械臂的運動軌跡和狀態(tài),并以可視化的方式呈現(xiàn)出來,幫助用戶分析和評估機械臂的性能和可行性。四、實驗步驟1.機械臂建模(1)打開RobotStudio軟件。(2)創(chuàng)建一個新的機器人系統(tǒng)項目。(3)在“建?!惫δ軈^(qū)中,選擇“創(chuàng)建機械裝置”。(4)按照機械臂的實際結(jié)構(gòu),依次創(chuàng)建連桿。定義連桿的形狀(如長方體、圓柱體等),輸入尺寸參數(shù)(長度、直徑等),并設(shè)置連桿的質(zhì)量屬性(質(zhì)量、質(zhì)心位置等)。(5)創(chuàng)建關(guān)節(jié)。選擇關(guān)節(jié)類型(如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)機械臂的旋轉(zhuǎn)軸,移動關(guān)節(jié)對應(yīng)線性運動部分),設(shè)置關(guān)節(jié)的運動范圍(最小和最大角度或位移)和初始位置。(6)連接連桿和關(guān)節(jié),確定機械臂的結(jié)構(gòu)關(guān)系。按照從基座到末端執(zhí)行器的順序,將各個連桿通過相應(yīng)的關(guān)節(jié)連接起來,形成完整的機械臂模型。(7)對機械臂模型進行命名和保存,以便后續(xù)使用和修改。2.在RobotStudio中完成仿真(1)設(shè)置工作環(huán)境。在軟件中添加工作對象(如工件、夾具等),定義工作區(qū)域的范圍和布局,設(shè)置環(huán)境的物理屬性(如重力、摩擦力等),以模擬真實的工作場景。(2)配置機械臂的運動參數(shù)。設(shè)置關(guān)節(jié)運動的速度、加速度限制,定義機械臂的運動模式(如點到點運動、連續(xù)路徑運動等),以及規(guī)劃運動路徑的方式(如直線插補、圓弧插補等)。(3)編寫機器人任務(wù)程序(可選)。如果需要機械臂執(zhí)行特定的任務(wù)動作,可以使用RobotStudio提供的編程工具編寫機器人程序。例如,實現(xiàn)機械臂的抓取、放置、焊接等操作的程序邏輯。(4)運行仿真。點擊軟件中的“仿真運行”按鈕,啟動機械臂的仿真。觀察機械臂在虛擬環(huán)境中的運動情況,檢查其運動是否符合預(yù)期,是否與工作對象和環(huán)境發(fā)生碰撞等異常情況。(5)分析仿真結(jié)果。在仿真過程中,可以通過軟件提供的各種可視化工具和數(shù)據(jù)分析功能,查看機械臂的運動軌跡、關(guān)節(jié)角度變化曲線、速度和加速度曲線等信息,評估機械臂的性能指標,如運動精度、工作效率、能量消耗等。根據(jù)分析結(jié)果,對機械臂模型或運動參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化,再次進行仿真,直到達到滿意的效果。五、實驗結(jié)果1.成功創(chuàng)建了一個機械臂模型,其外觀和結(jié)構(gòu)與預(yù)期設(shè)計相符。在RobotStudio的建模界面中,可以清晰地看到機械臂的各個連桿和關(guān)節(jié),并且可以通過操作界面進行關(guān)節(jié)的手動旋轉(zhuǎn)和移動,驗證模型的連接關(guān)系和運動自由度。2.在仿真過程中,機械臂能夠按照設(shè)置的運動參數(shù)和任務(wù)程序進行運動。能夠準確地到達指定的目標位置,完成預(yù)設(shè)的動作序列,如抓取工件并放置到指定位置等。3.通過觀察仿真結(jié)果的可視化數(shù)據(jù),如運動軌跡曲線和關(guān)節(jié)角度變化曲線等,發(fā)現(xiàn)機械臂的運動平穩(wěn),沒有出現(xiàn)明顯的抖動或異常波動。運動精度在可接受范圍內(nèi),能夠滿足一般的工作要求。同時,通過分析能量消耗數(shù)據(jù),也可以對機械臂的運動效率進行評估,為進一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。4.在仿真過程中,對機械臂與工作環(huán)境的交互進行了檢查,沒有發(fā)現(xiàn)碰撞或干涉現(xiàn)象,說明模型的尺寸和運動范圍設(shè)置合理,能夠在給定的工作空間內(nèi)正常工作。六、實驗總結(jié)1.通過本次實驗,深入了解了機械臂建模和仿真的全過程,掌握了在RobotStudio軟件中進行機械臂建模和仿真的基本技能。2.在建模過程中,對機械臂的結(jié)構(gòu)和運動學(xué)原理有了更深刻的理解。認識到準確定義連桿和關(guān)節(jié)的參數(shù)對于建立精確的模型至關(guān)重要,任何一個參數(shù)的偏差都可能影響到機械臂的運動性能和仿真結(jié)果。3.在仿真環(huán)節(jié),學(xué)會了如何設(shè)置工作環(huán)境和運動參數(shù),以及如何編寫簡單的任務(wù)程序來控制機械臂的運動。通過對仿

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