通过 Isaacsim 仿真 reBotArm

简介

reBot-Isaacsim 是一个专为 reBotArm 设计的 NVIDIA Isaac Sim 仿真项目。它利用 Isaac Sim 的高保真物理引擎，在虚拟环境中精确复现机械臂的运动学特性与夹爪联动逻辑，为控制算法开发、轨迹规划验证及通信协议测试提供独立的纯仿真环境。

环境需求

• 操作系统：Ubuntu 22.04 LTS / 24.04 LTS（推荐）或 Windows 11（需 WSL2）
• GPU：NVIDIA RTX 系列显卡（推荐 RTX 3070 及以上），显存 ≥ 8GB
• 驱动：NVIDIA 官方驱动 ≥ 535.x，支持 CUDA 12.x
• 内存：≥ 32GB RAM（Isaac Sim 场景加载与物理仿真对内存消耗较大）
• 存储：≥ 100GB SSD 可用空间（用于 Isaac Sim 安装、缓存及 USD 资产）

info

本wiki中使用的计算机配备了 NVIDIA RTX 4080 GPU，并运行 Ubuntu 22.04 LTS 操作系统。

安装Isaacsim

官方链接和资源：

https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/6.0.0/installation/quick-install.html

https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/6.0.0/installation/download.html#isaac-sim-latest-release

🔧 方式一：预编译二进制安装

💡 适合大多数用户，无需编译，开箱即用。

下载与解压

从 NVIDIA 官网 下载 isaac-sim-standalone-6.0.0-linux-x86\_64.zip。

mkdir -p ~/isaacsim
cd ~/Downloads
unzip isaac-sim-standalone-6.0.0-linux-x86_64.zip -d ~/isaacsim
cd ~/isaacsim
./post_install.sh

设置环境变量

将以下内容添加到 ~/.bashrc 或 ~/.zshrc：

export ISAACSIM_PATH="${HOME}/isaacsim"
export ISAACSIM_PYTHON_EXE="${ISAACSIM_PATH}/python.sh"
export ISAACSIM_ROOT="${HOME}/isaacsim"

然后执行 source ~/.bashrc 使其生效。

启动验证

${ISAACSIM_PATH}/isaac-sim.sh

首次启动会缓存着色器，可能需要 5-10 分钟，请耐心等待 GUI 出现。

⚙️ 方式二：从源码构建（推荐）

💡 适合需要修改底层代码或调试核心功能的开发者。

安装依赖

sudo apt update
sudo apt install cmake build-essential git python3-pip

确保 CUDA 和 cuDNN 已正确安装并匹配 GPU 驱动。

克隆与构建

git clone https://github.com/NVIDIA-Omniverse/IsaacSim.git
cd IsaacSim
./build.sh release

构建过程可能需要 30-60 分钟，取决于硬件性能。

运行测试

_build/linux-x86_64/release/isaac-sim.sh

源码构建完成后，将 ISAACSIM_ROOT 指向该运行目录，供 run_isaacsim_receiver.sh 使用：

export ISAACSIM_ROOT="$PWD/_build/linux-x86_64/release"

下载项目

本仓通过 git submodule 引用上游控制库 reBotArm_control_py。克隆时需一并拉取子模块：

git clone --recurse-submodules https://github.com/Seeed-Projects/reBot-Isaacsim.git

若已经 clone 过且 third_party/reBotArm_control_py 为空：

git submodule update --init --recursive

在仓库根目录安装发送端依赖（run_sender.sh 与 uv run 都使用根目录的 uv 工作空间）：

cd reBot-Isaacsim
uv sync

将硬件配置切到 RS

本仓 Isaac Sim 资产是 RS（usd/RS-rebot-dev-arm）。上游 rebotarm.yaml 默认是 DM。RebotArm() 和 load_robot_model() 都读这一份，所以重力补偿、只读映射、IK、Traj 都要先切到 RS；不切的话电机协议会对不上，Pinocchio 也会用 DM URDF。只改 submodule 工作区，不要提交：

cd reBotArm_Isaacsim
python set_hw_rs.py

成功时会打印 .../config/rebotarm.yaml -> rebotarm_rs.yaml。

功能组件概览

本项目提供多种发送端，以满足不同的使用场景：

组件	说明
gravity_joint_sender	重力补偿手柄模式：改装机械臂（拆卸夹爪，加装手柄），手动掰动；补偿由上游 GravityCompensation 提供，本仓只镜像关节角到 Isaac Sim
isaacsim_ik_sender	逆运动学（IK）模式：输入末端位姿，通过 IK 求解器得到关节角，发送到 Isaac Sim
isaacsim_traj_sender	轨迹规划（Traj）模式：在 IK 基础上增加关节空间轨迹规划（MIN_JERK 时间剖面），实现平滑运动控制
isaacsim_joint_test_sender	关节测试模式：无需真实机械臂，发送预设关节角轨迹，用于验证 Isaac Sim 接收端和通讯是否正常
joint_reader_sender	Real-to-Sim 映射模式：只读关节角并映射到 Isaac Sim，适合与其他控制项目配合使用（例如：实际机械臂在运行其他任务时，同步映射到 Isaac Sim 进行可视化）

目录结构

reBot-Isaacsim/
├── pyproject.toml                           # uv 工作空间配置
├── README.md
├── README_EN.md
├── README_ES.md
├── reBotArm_Isaacsim/                       # 主示例目录
│   ├── gravity_joint_sender.py              # 重力补偿手柄模式（调用上游 GravityCompensation + UDP）
│   ├── isaacsim_ik_sender.py                # 逆运动学模式（IK 控制）
│   ├── isaacsim_traj_sender.py              # 轨迹规划模式（IK + 关节空间轨迹）
│   ├── isaacsim_joint_test_sender.py        # 关节测试模式（预设轨迹，无需硬件）
│   ├── joint_reader_sender.py                # Real-to-Sim 映射模式（只读关节，同步可视化）
│   ├── isaacsim_joint_receiver.py           # Isaac Sim 接收端（关节角同步）
│   ├── live_sync.py                         # 启动说明脚本
│   ├── set_hw_rs.py                         # 将 submodule 硬件配置切到 RS（本机，勿提交）
│   ├── run_sender.sh                        # 启动发送端
│   └── run_isaacsim_receiver.sh             # 启动 Isaac Sim 接收端
├── .gitmodules
├── third_party/
│   └── reBotArm_control_py/                 # git submodule：上游控制库
└── usd/
    └── RS-rebot-dev-arm/
        └── RS-rebot-dev-arm.usda            # Isaac Sim 机械臂资产

启动（双终端模式）

需要两个独立终端。终端 1 是 Isaac Sim 接收端，终端 2 根据不同功能选择对应的发送端。

终端 1 — 启动 Isaac Sim 接收端（所有模式共用）

cd reBotArm_Isaacsim
./run_isaacsim_receiver.sh

预期输出：

• 启动 Isaac Sim 图形界面
• 加载地面和机械臂 USD 资产
• 监听 UDP 127.0.0.1:5005
• 等待发送端连接

终端 2 — 根据功能选择对应的发送端

启动顺序：先接收端，再发送端。

tip

部分功能需要连接实际机械臂，以下是usb-to-can配置。

# 查看 CAN 接口状态
ip link show can0

# 配置为 UP，bitrate为1000000
sudo ip link set can0 up type can bitrate 1000000 restart-ms 100

① 关节测试模式（isaacsim_joint_test_sender）

无需真实硬件，预设轨迹循环发送，用于验证通讯和 Isaac Sim 接收端：

cd reBotArm_Isaacsim
uv run python isaacsim_joint_test_sender.py

测试发送端在几个预设关节姿态之间缓慢插值循环发送，不读硬件 YAML，无需 set_hw_rs.py 或 CAN。

② 逆运动学模式（isaacsim_ik_sender）

输入末端位姿（位置/姿态），IK 求解后驱动 Isaac Sim 仿真机械臂。load_robot_model() 读 submodule 的 rebotarm.yaml，需先切到 RS：

cd reBotArm_Isaacsim
python set_hw_rs.py
uv run python isaacsim_ik_sender.py

输入格式（每行一条）：

x y z                       # 位置 (米)，姿态保持当前
x y z r p y                 # 位置 + 姿态 (米/度)
q j1 j2 j3 j4 j5 j6         # 直接发送关节角 (度)
gripper <0~1>                # 单独更新夹爪

③ 轨迹规划模式（isaacsim_traj_sender）

在 IK 基础上增加关节空间轨迹规划（MIN_JERK），实现平滑运动。同样通过 load_robot_model() 读那份 YAML，需先切到 RS：

cd reBotArm_Isaacsim
python set_hw_rs.py
uv run python isaacsim_traj_sender.py

输入格式（每行一条）：

x y z                       # 位置 (米)
x y z r p y                 # 位置 + 姿态 (米/度)
q j1 j2 j3 j4 j5 j6         # 关节空间直发 (度)
gripper <0~1>                # 单独更新夹爪
speed <scale>                # 调整轨迹时长比例
resync                       # 重新从仿真端读取当前关节角

④ 重力补偿手柄模式（gravity_joint_sender）

适用于改装后的机械臂（拆卸夹爪、加装手柄），手动掰动控制 Isaac Sim 仿真：

cd reBotArm_Isaacsim
python set_hw_rs.py
./run_sender.sh

预期行为：

• set_hw_rs.py 把 submodule 的 rebotarm.yaml 指到 rebotarm_rs.yaml，电机和重力模型共用这一份（本机改动，勿提交）
• 连接真实机械臂，启动上游 GravityCompensation（与 example/9 同一套 MIT + g(q) 前馈）
• 机械臂可自由掰动
• 本脚本只把关节角以 60 Hz 通过 UDP 发给 Isaac Sim
• 不要同时再运行上游 example/9，以免抢 CAN

⑤ Real-to-Sim 映射模式（joint_reader_sender）

只读关节角并映射到 Isaac Sim，适合实际机械臂在运行其他任务时同步映射可视化。RebotArm() 读 submodule 的 rebotarm.yaml，需先切到 RS：

cd reBotArm_Isaacsim
python set_hw_rs.py
uv run python joint_reader_sender.py

预期行为：

• set_hw_rs.py 把电机配置切到 RS（本机改动，勿提交）
• 仅读取关节角（被动反馈模式），不发送任何控制指令
• 关节角以 60 Hz 持续通过 UDP 发送
• 实际机械臂由其他项目控制时，可同时在 Isaac Sim 中可视化

通信协议

UDP JSON，端口 127.0.0.1:5005。

发送端每帧 Payload：

{
  "sequence": 123,
  "timestamp": 1718000000.123,
  "joint_positions": [0.0, 0.1, 0.2, -0.1, 0.0, -0.02],
  "gripper_position": 0.05
}

字段	类型	说明
sequence	int	递增序号
timestamp	float	Unix 时间戳（秒）
joint_positions	float[6]	前 6 个关节角（rad）
gripper_position	float	夹爪指位置目标（m），各发送端有各自的换算方式（见下表）

夹爪控制链： 接收端将收到的 gripper_position 直接作为左右两个滑动关节的位置目标，并按各指裁剪到 [0, 上限]（USD 上限：两指均为 0.05 m；两指由同一电机通过单个小齿轮驱动，行程严格 1:1）。接收端不做额外缩放。各发送端到 gripper_position 的换算如下：

发送端	到 gripper_position（m）的换算
gravity_joint_sender	gripper_q × 0.03（GRIPPER_POSITION_SCALE = 0.03）
joint_reader_sender	gripper_q × 0.007（GRIPPER_POSITION_SCALE = 0.007）
isaacsim_traj_sender	ratio × 0.045（gripper <0~1> 输入，裁剪到 0.045 m）
isaacsim_ik_sender	原始 ratio ∈ [0, 1] 直接按米发送，因此 ratio ≥ 某指上限时该指完全打开

配置参数

发送端 (gravity_joint_sender.py)

参数	默认值	说明
硬件 YAML	set_hw_rs.py → rebotarm_rs.yaml	RebotArm() 读取 submodule config/rebotarm.yaml；电机与 Pinocchio 共用
ARM_JOINT_COUNT	6	关节数
DEFAULT_PORT	5005	UDP 端口
DEFAULT_SEND_HZ	60.0	发送频率（Hz）
GRIPPER_POSITION_SCALE	0.03	夹爪角到位置的缩放系数
position_alpha	0.2	低通滤波系数

接收端 (isaacsim_joint_receiver.py)

参数	默认值	说明
ARM_JOINT_COUNT	6	关节数
DEFAULT_PORT	5005	UDP 端口
DEFAULT_RENDER_HZ	120.0	仿真渲染频率（Hz）
ROBOT_PRIM_PATH	/World/reBotArm	Isaac Sim 中的机械臂 Prim 路径
ASSET_RELATIVE_PATH	usd/RS-rebot-dev-arm/RS-rebot-dev-arm.usda	USD 资产相对路径

常见问题

OSError: [Errno 98] Address already in use

端口 5005 已被占用。先确认并终止占用进程：

# 查看占用端口的进程
sudo lsof -i :5005

# 终止进程（将 PID 替换为实际值）
kill <PID>

Isaac Sim 资产未找到

确认 USD 资产路径存在，或检查 REPO_ROOT 是否正确：

ls usd/RS-rebot-dev-arm/RS-rebot-dev-arm.usda

CAN 总线未就绪

确保 CAN 接口 up 且 bitrate 正确：

can_restart can0
# 验证：
ip -details link show can0 | grep bitrate

关节角不同步

• 确认发送端和接收端端口一致（均为 5005）
• 检查发送端日志中 [send] 是否有持续输出
• 检查接收端日志中 [recv] 是否有持续输出
• 尝试使用 isaacsim_joint_test_sender.py 排除硬件问题

组件与 Python 环境

组件	Python 环境	启动脚本
发送端（真实机械臂）	reBotArm_control_py uv 环境	run_sender.sh
发送端（测试模式）	reBotArm_control_py uv 环境	isaacsim_joint_test_sender.py
接收端	Isaac Sim 官方 Python (python.sh)	run_isaacsim_receiver.sh

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