🐛 软体机器人#
体积肌肉模拟#
Genesis 支持使用 MPM 和 FEM 进行软体机器人的体积肌肉模拟。在以下示例中，我们演示了一个非常简单的软体机器人，具有球形体，由正弦波控制信号驱动。
import numpy as np
import genesis as gs
########################## init ##########################
gs.init(seed=0, precision='32', logging_level='info')
########################## create a scene ##########################
scene = gs.Scene(
sim_options=gs.options.SimOptions(
dt = 5e-4,
substeps=10,
gravity=(0, 0, 0),
),
viewer_options= gs.options.ViewerOptions(
camera_pos=(1.5, 0, 0.8),
camera_lookat=(0.0, 0.0, 0.0),
camera_fov=40,
),
mpm_options=gs.options.MPMOptions(
lower_bound=(-1.0, -1.0, -0.2),
upper_bound=( 1.0, 1.0, 1.0),
),
fem_options=gs.options.FEMOptions(
damping=45.0,
),
vis_options=gs.options.VisOptions(
show_world_frame=False,
),
)
########################## entities ##########################
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())
E, nu = 3.e4, 0.45
rho = 1000.
robot_mpm = scene.add_entity(
morph=gs.morphs.Sphere(
pos=(0.5, 0.2, 0.3),
radius=0.1,
),
material=gs.materials.MPM.Muscle(
E=E,
nu=nu,
rho=rho,
model='neohooken',
),
)
robot_fem = scene.add_entity(
morph=gs.morphs.Sphere(
pos=(0.5, -0.2, 0.3),
radius=0.1,
),
material=gs.materials.FEM.Muscle(
E=E,
nu=nu,
rho=rho,
model='stable_neohooken',
),
)
########################## build ##########################
scene.build()
########################## run ##########################
scene.reset()
for i in range(1000):
actu = np.array([0.2 * (0.5 + np.sin(0.01 * np.pi * i))])
robot_mpm.set_actuation(actu)
robot_fem.set_actuation(actu)
scene.step()
你会看到：
与实例化常规可变形实体相比，大部分代码都非常标准。只有两个小区别实现了这个效果：
实例化软体机器人
robot_mpm和robot_fem时，我们分别使用材质gs.materials.MPM.Muscle和gs.materials.FEM.Muscle。在步进模拟时，我们使用
robot_mpm.set_actuation或robot_fem.set_actuation来设置肌肉的驱动。
默认情况下，只有一个肌肉横跨整个机器人身体，肌肉方向垂直于地面 [0, 0, 1]。
在下一个示例中，我们展示如何通过设置肌肉组和方向来模拟蠕虫向前爬行，如下所示。（完整脚本可在 tutorials/advanced_worm.py 找到。）
########################## entities ##########################
worm = scene.add_entity(
morph=gs.morphs.Mesh(
file='meshes/worm/worm.obj',
pos=(0.3, 0.3, 0.001),
scale=0.1,
euler=(90, 0, 0),
),
material=gs.materials.MPM.Muscle(
E=5e5,
nu=0.45,
rho=10000.,
model='neohooken',
n_groups=4,
),
)
########################## set muscle ##########################
def set_muscle_by_pos(robot):
if isinstance(robot.material, gs.materials.MPM.Muscle):
pos = robot.get_state().pos
n_units = robot.n_particles
elif isinstance(robot.material, gs.materials.FEM.Muscle):
pos = robot.get_state().pos[robot.get_el2v()].mean(1)
n_units = robot.n_elements
else:
raise NotImplementedError
pos = pos.cpu().numpy()
pos_max, pos_min = pos.max(0), pos.min(0)
pos_range = pos_max - pos_min
lu_thresh, fh_thresh = 0.3, 0.6
muscle_group = np.zeros((n_units,), dtype=int)
mask_upper = pos[:, 2] > (pos_min[2] + pos_range[2] * lu_thresh)
mask_fore = pos[:, 1] < (pos_min[1] + pos_range[1] * fh_thresh)
muscle_group[ mask_upper & mask_fore] = 0 # upper fore body
muscle_group[ mask_upper & ~mask_fore] = 1 # upper hind body
muscle_group[~mask_upper & mask_fore] = 2 # lower fore body
muscle_group[~mask_upper & ~mask_fore] = 3 # lower hind body
muscle_direction = np.array([[0, 1, 0]] * n_units, dtype=float)
robot.set_muscle(
muscle_group=muscle_group,
muscle_direction=muscle_direction,
)
set_muscle_by_pos(worm)
########################## run ##########################
scene.reset()
for i in range(1000):
actu = np.array([0, 0, 0, 1. * (0.5 + np.sin(0.005 * np.pi * i))])
worm.set_actuation(actu)
scene.step()
你会看到：
这段代码片段中有几点值得注意：
在指定材质
gs.materials.MPM.Muscle时，我们设置了一个额外的参数n_groups = 4，这意味着这个机器人最多可以有 4 个不同的肌肉。我们可以通过调用
robot.set_muscle来设置肌肉，它接受muscle_group和muscle_direction作为输入。两者的长度都与n_units相同，在 MPM 中n_units是粒子数，而在 FEM 中n_units是单元数。muscle_group是一个整数数组，范围从0到n_groups - 1，表示机器人身体的某个单元属于哪个肌肉组。muscle_direction是一个浮点数数组，指定肌肉方向的向量。注意我们不进行归一化，因此你可能需要确保输入的muscle_direction已经归一化。在这个蠕虫示例中，我们设置肌肉的方式是简单地将身体分成四部分：上前部、上后部、下前部和下后部，使用
lu_thresh作为下/上的阈值，fh_thresh作为前/后的阈值。现在给定四个肌肉组，当通过
set_actuation设置控制时，驱动输入的形状为(4,)。
混合（刚-软）机器人#
另一种软体机器人是使用刚体内骨骼来驱动软体外皮肤，或者更准确地说，混合机器人。由于 Genesis 已经实现了刚体和软体动力学，因此也支持混合机器人。以下示例是一个具有两连杆骨骼的混合机器人，包裹软皮肤推动一个刚体球。
import numpy as np
import genesis as gs
########################## init ##########################
gs.init(seed=0, precision='32', logging_level='info')
######################## create a scene ##########################
scene = gs.Scene(
sim_options=gs.options.SimOptions(
dt=3e-3,
substeps=10,
),
viewer_options= gs.options.ViewerOptions(
camera_pos=(1.5, 1.3, 0.5),
camera_lookat=(0.0, 0.0, 0.0),
camera_fov=40,
),
rigid_options=gs.options.RigidOptions(
gravity=(0, 0, -9.8),
enable_collision=True,
enable_self_collision=False,
),
mpm_options=gs.options.MPMOptions(
lower_bound=( 0.0, 0.0, -0.2),
upper_bound=( 1.0, 1.0, 1.0),
gravity=(0, 0, 0), # mimic gravity compensation
enable_CPIC=True,
),
vis_options=gs.options.VisOptions(
show_world_frame=True,
visualize_mpm_boundary=False,
),
)
########################## entities ##########################
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())
robot = scene.add_entity(
morph=gs.morphs.URDF(
file="urdf/simple/two_link_arm.urdf",
pos=(0.5, 0.5, 0.3),
euler=(0.0, 0.0, 0.0),
scale=0.2,
fixed=True,
),
material=gs.materials.Hybrid(
material_rigid=gs.materials.Rigid(
gravity_compensation=1.,
),
material_soft=gs.materials.MPM.Muscle( # to allow setting group
E=1e4,
nu=0.45,
rho=1000.,
model='neohooken',
),
thickness=0.05,
damping=1000.,
func_instantiate_rigid_from_soft=None,
func_instantiate_soft_from_rigid=None,
func_instantiate_rigid_soft_association=None,
),
)
ball = scene.add_entity(
morph=gs.morphs.Sphere(
pos=(0.8, 0.6, 0.1),
radius=0.1,
),
material=gs.materials.Rigid(rho=1000, friction=0.5),
)
########################## build ##########################
scene.build()
########################## run ##########################
scene.reset()
for i in range(1000):
dofs_ctrl = np.array([
1. * np.sin(2 * np.pi * i * 0.001),
] * robot.n_dofs)
robot.control_dofs_velocity(dofs_ctrl)
scene.step()
你会看到：
你可以使用材质
gs.materials.Hybrid指定混合机器人，它由gs.materials.Rigid和gs.materials.MPM.Muscle组成。注意这里只支持 MPM，而且必须是 Muscle 类，因为混合材质在内部复用了为Muscle实现的muscle_group。控制机器人时，由于驱动来自内部刚体骨骼，因此有类似于刚体机器人的接口，例如
control_dofs_velocity、control_dofs_force、control_dofs_position。此外，控制维度与内部骨骼的 DoF 相同（在上面的示例中为 2）。皮肤由内部骨骼的形状决定，其中
thickness决定包裹骨骼时的皮肤厚度。默认情况下，我们根据骨骼的形状生长皮肤，由
morph指定（在此示例中为urdf/simple/two_link_arm.urdf）。gs.materials.Hybrid的参数func_instantiate_soft_from_rigid具体定义了皮肤应如何基于刚体morph生长。在 genesis/engine/entities/hybrid_entity.py 中有一个默认实现default_func_instantiate_soft_from_rigid。你也可以实现自己的函数。当
morph是Mesh而不是URDF时，网格指定软体外层，内部骨骼基于皮肤形状生长。这由func_instantiate_rigid_from_soft定义。也有一个默认实现default_func_instantiate_rigid_from_soft，它基本上实现了 3D 网格的骨架化。gs.materials.Hybrid的参数func_instantiate_rigid_soft_association决定每个骨骼部分如何与皮肤关联。默认实现是找到软皮肤中距离刚体骨骼部分最近的粒子。