第四讲、Isaaclab与刚性物体交互

0 前言

官方教程：https://isaac-sim.github.io/IsaacLab/main/source/tutorials/01_assets/run_rigid_object.html
Isaacsim+Isaaclab安装：https://blog.csdn.net/m0_47719040/article/details/146389391?spm=1001.2014.3001.5502

在之前的教程中，我们学习了独立python脚本如何启动Issacsim以及如何在仿真场景中生成不同的对象(prim)。本教程将演示如何创建刚体对象并与之交互。本节将围绕Isaac Lab 中提供的assets.RigidObject类展开研究。

教程对应的脚本为run_rigid_object.py在scripts/tutorials/01_assets目录下。

运行该程序：

• 进入安装 isaac lab 时创建的conda虚拟环境
• 在该环境下进入 isaac sim文件夹中运行source setup_conda_env.sh
• 终端中输入python scripts/tutorials/01_assets/run_rigid_object.py运行你的代码，会在isaac sim中出现4个绿色的锥体。

代码主体部分由三个函数构成：design_scene()、run_simulator()以及main()，其中main()作为主函数由design_scene()和run_simulator()构成。实际上就是讲整个仿真模拟过程分为两个步骤：

• 场景设计：顾名思义，这部分负责讲所有的对象（prim）添加到场景（stage）中。
• 运行模拟：此部分负责启动模拟器，与场景中的基本对象进行交互，例如改变它们的姿态，以及对他们应用各种复杂指令。

分阶段进行仿真模拟是必要的，因为运行模拟必须在场景设计完成后并重置模拟器才会正常进习惯。重置模拟器后不能再经任何新的对象添加到场景中，但可以通过手柄或键盘与对象进行交互。比如，我们可以通过键盘控制四足机器人前后左右运动。

1 场景设计 design_scene()

构建场景的第一步是向场景中添加一个地平面和一个光源：

	# 添加地平面
	cfg = sim_utils.GroundPlaneCfg()
	cfg.func("/World/defaultGroundPlane", cfg)
	# 添加光源
	cfg = sim_utils.DomeLightCfg(intensity=2000.0, color=(0.8, 0.8, 0.8))
	cfg.func("/World/Light", cfg)

基于assets.RigidObject向场景中添加多个锥形刚体对象：

前一节中使用下述代码创建刚体对象，通过sim_utils.ConeCfg指定是锥体，通过rigid_props=sim_utils.RigidBodyPropertiesCfg()指定刚体属性。

cfg_cone_rigid = sim_utils.ConeCfg(
        radius=0.15,
        height=0.5,
        rigid_props=sim_utils.RigidBodyPropertiesCfg(),
        mass_props=sim_utils.MassPropertiesCfg(mass=1.0),
        collision_props=sim_utils.CollisionPropertiesCfg(),
        visual_material=sim_utils.PreviewSurfaceCfg(diffuse_color=(0.0, 1.0, 0.0)),
    )
    cfg_cone_rigid.func(
        "/World/Objects/ConeRigid", cfg_cone_rigid, translation=(-0.2, 0.0, 2.0), orientation=(0.5, 0.0, 0.5, 0.0)
    )

本节中将生成配置包装到assets.RigidObjectCfg类中，该类包含对象加载策略、默认初始状态和其他对象信息，将该类实例传递给 assets.RigidObject类时，会生成对行并再开启仿真时初始化相应的物理属性。

# 创建原点组（Xform 容器），创建四个空变换节点作为父容器
origins = [[0.25, 0.25, 0.0], [-0.25, 0.25, 0.0], [0.25, -0.25, 0.0], [-0.25, -0.25, 0.0]]
# Prim路径 /World/Origin0 到 /World/Origin3
for i, origin in enumerate(origins):
    prim_utils.create_prim(f"/World/Origin{i}", "Xform", translation=origin)
# 创建锥形刚体参数    
cone_cfg = RigidObjectCfg(
	# 正则表达式 /World/Origin.*/Cone 匹配所有 /World/Origin{i}/Cone 路径
	prim_path="/World/Origin.*/Cone",  # 正则路径模式
	spawn=sim_utils.ConeCfg(          # 锥体几何参数
	    radius=0.1,                   # 底面半径（米）
	    height=0.2,                   # 高度（米）
	    rigid_props=sim_utils.RigidBodyPropertiesCfg(),  # 默认刚体属性
	    mass_props=sim_utils.MassPropertiesCfg(mass=1.0),  # 质量1kg
	    collision_props=sim_utils.CollisionPropertiesCfg(),  # 默认碰撞属性
	    visual_material=sim_utils.PreviewSurfaceCfg(       # 视觉材质
	        diffuse_color=(0.0, 1.0, 0.0),  # 漫反射颜色（RGB绿色）
	        metallic=0.2                   # 金属质感（0-1）
	    ),
	),
	init_state=RigidObjectCfg.InitialStateCfg(),  # 初始状态（默认位姿）
)
# 实例化刚体对象
cone_object = RigidObject(cfg=cone_cfg)
#1 路径匹配：扫描场景中所有匹配 /World/Origin.* 的 Xform 节点
#2 子节点生成：在每个匹配的 Xform 下创建 /Cone 子 Prim
#3 物理绑定：为每个 Cone Prim 添加 PhysX 刚体属性
# /World/Origin0/Cone
# /World/Origin1/Cone
# /World/Origin2/Cone
# /World/Origin3/Cone
# 返回场景信息
scene_entities = {"cone": cone_object}

2 运行模拟循环

循环模拟部分，循环的与刚体进行交互，其中主要包含三个步骤：

• 以固定间隔重置仿真状态
• 步进仿真
• 更新刚体缓冲区 （数据同步，确保获取最新物理状态）

3 重置模拟状态

重置刚体对象prim的模拟状态，需要设置刚体prim的（重置）姿态和速度，两者一起决定了根状态（Root State）。

物理引擎只理解世界坐标系，所以在更新刚体的位置时坐标必须时世界坐标系下的～
物理引擎的坐标系要求：PhysX 等物理引擎仅处理全局坐标系下的刚体状态，忽略 USD 层级中的父节点变换。

# 父 Xform 位置：/World/Origin0 (x=0.25, y=0.25, z=0)
# 锥体局部位置：/World/Origin0/Cone (x=0, y=0, z=0)
# 物理引擎视角：锥体实际位置为 (0.25, 0.25, 0)

从Isaacsim中更直观的看有(Origin0)：

• assets.RigidObject.data.default_root_state ：获取生成的刚体对象prim的默认根状态。
• assets.RigidObjectCfg.init_state：上述默认状态可以从该方法中配置。
• assets.RigidObject.write_root_pose_to_sim()：设置刚体对象prim的所需姿态。
• assets.RigidObject.write_root_velocity_to_sim()：设置刚体对象prim的所需速度。

"""Runs the simulation loop."""
    # 对象提取与初始化
    cone_object = entities["cone"] # 从场景字典提取锥体管理器实例
    # 仿真时间参数配置
    sim_dt = sim.get_physics_dt() # 获取物理步长时间（默认 1/60 秒
    sim_time = 0.0 # 累计仿真时间
    count = 0 # 步数计数器
    # 仿真循环
    while simulation_app.is_running():  # 持续运行直到用户停止
        # 每250步触发重置
        if count % 250 == 0:
  					
            # --- 阶段1: 重置参数 ---
            sim_time = 0.0 # 重置累计时间
            count = 0 # 重置步数计数器
            
            # --- 阶段2: 生成新根状态 ---
            root_state = cone_object.data.default_root_state.clone() # 克隆默认状态（包含初始位姿、速度）
            # 在原点基础上叠加圆柱形随机偏移
            '''
            这部分实际上就是把默认的位置转换为圆锥的世界坐标系的位置，实际上就是在初始origins坐标的基础上做了一个随机的偏移。
			'''
            root_state[:, :3] += origins # origins为各实例父节点的世界坐标
            root_state[:, :3] += math_utils.sample_cylinder(
                radius=0.1, # 圆柱半径
                h_range=(0.25, 0.5), # 高度范围（Z轴）
                size=cone_object.num_instances, # 实例数量
                device=cone_object.device # 计算设备（CPU/GPU）
            )
            
            # --- 阶段3: 写入物理引擎 ---
            cone_object.write_root_pose_to_sim(root_state[:, :7]) # 写入位姿（位置 + 四元数）
            cone_object.write_root_velocity_to_sim(root_state[:, 7:]) # 写入速度（线速度 + 角速度）
            # --- 阶段4: 重置内部状态 ---
            cone_object.reset() # 更新对象内部缓冲区
            print("----------------------------------------")
            print("[INFO]: Resetting object state...")

注：可以修改origins坐标及随机圆柱半径看看结果，以下是我将origins修改为origins = [[0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0]]的结果，注意这里是刚体，开始仿真后可以看到有的圆锥会被挤走～

4 逐步进行模拟

在开始模拟之前，我们先执行该assets.RigidObject.write_data_to_sim()方法。该方法会将其他数据（例如外力）写入模拟缓冲区。在本教程中，我们不对刚体施加任何外力，因此该方法并非必需。但为了完整性，我们仍然包含该方法。

        # 将其他数据（例如外力）写入模拟缓冲区
        cone_object.write_data_to_sim()
        # 步进
        sim.step()
        # 更新参数
        sim_time += sim_dt
        count += 1

5 更新状态

逐步模拟后，我们更新刚体prim的内部缓冲区，使其与物理引擎的当前状态同步。此操作使用assets.RigidObject.update()方法完成。

        # 更新缓冲区
        cone_object.update(sim_dt)

不调用 update() 的后果：

• 状态滞后：读取到的位置/速度比实际物理状态晚 1 帧或多帧
• 控制失效：设置的指令未提交到物理引擎，物体无响应
• 传感器数据过期：相机图像或 LiDAR 点云停留在旧时间戳