Isaac Sim 仿真环境使用简介

0. 介绍

参考：

1. Isaac Sim Documents

Isaac Sim 是 NVIDIA 开发的，基于 NVIDIA Omniverse 平台构建的，一个物理精确的虚拟环境，用于开发、测试和管理基于 AI 的机器人，它为构建虚拟机器人实验提供了基本功能，包括导入机器人模型以及仿真 RGB-D、激光雷达、接触、超声波和 IMU 等传感器。

Isaac Sim 使用 USD 交换文件格式来表示场景。通用场景描述（USD）是一种易于扩展的开源三维场景描述和文件格式。当然也支持从 URDF、Mujoco XML 文件导入。

*.usd/*.usdc: 一般的USD文件，以二进制存储与压缩，因此读取速率会快一些 *.usda: 纯文本形式的USD文件，更方便阅读 *.usdz: 以zip压缩文件形式存储的USD文件，可以将多个USD文件打包成一个 *.drc: 其它自定义的文件格式

Isaac 是一个“专为机器人和AI打造的加速平台”。

在硬件层面它支持各种类型的硬件，比如RTX的GPU等等。在系统软件层面，依赖于RTX、CUDA、PhysX等框架。在平台层面，依赖于NVIDIA AI和NVIDIA Omniverse，最终就可以实现各类应用，比如机器人数据采集、环境仿真等等。甚至还有专门针对ROS提供的一些硬件加速的函数包，叫Isaac ROS。

1. Isaac Sim 的安装 - WorkStation 版

WorkStation 版相当于安装了一个独立的应用程序，适合便捷打开 GUI 界面调试，适合通过 GUI 和扩展的方式进行程序开发。如果想通过这种方式运行代码，需要使用安装目录的 isaac-sim.sh，限制了 python 环境的可能性，例如运行 test.py 文件需要：

~/isaacsim/isaac-sim.sh ~/path/test.py

本文使用有显示器的服务器安装 Isaac Sim Workstation 演示，流程参考：https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/latest/installation/install_workstation.html 如果你使用无显示器的服务器，可以通过 Docker 安装，参考：https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/latest/installation/install_container.html

参考 Isaac Sim Requirements 查看系统是否满足要求。

• 系统：Ubuntu 20.04/22.04、Windows 10/11
• GPU：必须有 RT Cores，如 RTX 30 系、RTX 40 系
• NVIDIA 驱动：535.129.03 以上（2024 年 10 月要求，参考官网更新内容）

（1）下载 IsaacSim

打开 Isaac Sim Latest Release 网页：https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/latest/installation/download.html#isaac-sim-latest-release

下载第一行最新版的 Isaac Sim 4.5.0 压缩包。

mkdir ~/isaacsim
cd ~/Downloads
unzip "isaac-sim-standalone@4.5.0-rc.36+release.19112.f59b3005.gl.linux-x86_64.release.zip" -d ~/isaacsim
cd ~/isaacsim
./post_install.sh
./isaac-sim.selector.sh

点击 Start 即可运行 Isaac Sim 主程序。

第一次运行会 warm up shader cache 可能会比较慢比较卡。 后续可以运行 ~/isaacsim/isaac-sim.sh 启动

2. Isaac Sim 的安装 -Python 版

Python 版在创建的虚拟环境中直接安装 Isaac Sim，更容易和其他代码程序的依赖组合，个人认为更便于机器人开发。

本节参考：Isaac Sim Documents - Python Environment Installation

（1）创建虚拟环境

conda create -n env_isaacsim python=3.10
conda activate env_isaacsim

（2）安装 Isaac Sim 包

首先更新 pip

pip install --upgrade pip

安装 Isaac Sim 完整版包

pip install isaacsim[all]==4.5.0 --extra-index-url https://pypi.nvidia.com

安装 Isaac Sim 缓存扩展

pip install isaacsim[extscache]==4.5.0 --extra-index-url https://pypi.nvidia.com

（3）示例

创建 python 程序如下：

import isaacsim
from isaacsim.simulation_app import SimulationApp

simulation_app = SimulationApp({"headless": True})
## perform any Isaac Sim / Omniverse imports after instantiating the class

运行后效果为打开 Isaac Sim 窗口。

第一次运行会 warm up shader cache 可能会比较慢比较卡。

3. Isaac Sim GUI 基本使用

本节参考：Isaac Sim UI and Workflow Tutorials

3.1 UI 界面

（1）添加并操作一个立方体

点击 Create->Shape->Cube 添加一个立方体：

• 选中立方体，拖动坐标轴移动立方体
• 按 E 切换到旋转控制，调整立方体姿态，再按 E 切换到局部坐标系旋转控制
• 按 R 切换到比例控制，调整立方体形状
• 按 W 切换回位置控制，调整立方体位置，再按 W 切换到局部坐标系位置控制
• 按 Esc 取消选中立方体

所有的操作都会在右下角的属性面板显示属性变化，也可以直接在右下角输入数值设置立方体参数。

（2）视角控制

• F：相机居中并缩放到合适位置
• Alt+鼠标左键拖动：绕当前视角的中心旋转
• 滚轮 或 Alt+鼠标右键拖动：缩放
• 鼠标中间拖动：平移视角
• 鼠标右键拖动：旋转视角

（3）Stage

在窗口右侧有一个 Stage 面板。

此时如果点击 Create->Xform 可以创建一个空坐标系。

可以将方块移动到坐标系内，此时移动坐标系，方块也会跟着移动，因为此时方块是 Xform 的子级，两者之间的变换关系不会因为移动 Xform 而变化。

（4）Property

窗口右下角是属性面板（Property），不同的单元（Xform, Shape, Light）都有着不同的属性数据格式，这是因为它们在 Issac Sim 中都是不同的数据类型。

3.2 环境设置

（1）重力

点击 Create->Physics->Physics Scene 添加 Physics Scene 到右侧的 Stage Tree 中。可以通过它的属性设置重力方向为 -Z 方向，大小为 9.8（默认为国际标准单位）

（2）地面

点击 Create->Physics->Ground Plane 添加地面。

（3）照明

每个创建的 Stage 都会有默认的光源。可以通过点击 Create->Light->Sphere Light 添加一个额外的光源。

• 在属性面板中，将其 Z 轴设为 7，回复 X,Y 的默认旋转为 0
• 在 Main 中点击右侧的白色方块调整颜色
• 在 Main 中点击 Intensity 修改光照强度为 1e6
• 在 Shaping 中点击 cone:angle 将光照范围限制为 45 度，点击 cone:angle 设置边缘柔滑为 0.05。
• 为了使新的聚光灯更容易看到，打开默认光源的属性，设置其强度 Main->Intensity 为 300。

效果如下：

3.3 添加物体

（1）向场景中添加形状

• 点击 Create->Shapes->Cube 创建立方体
• 选中立方体并将其提到地面以上
• 点击左侧的 Scale 按钮，或按 R 键，激活缩放小部件，调整立方体形状
• 在右下角属性中的 Transform->translate 中设置物体的位置

同样，我们可以将其中加入其它形状。

（2）添加物理属性

• 选中所有的物体，在属性选项卡中，点击 + Add，选择 Physics->Rigid Body with Colliders Preset，设置三个形状的物理属性都是带有碰撞的刚体
• 点击 Play 三个物体都会掉落到地面上
• 查看右下角属性，往下滚能看到 Rigid Body 和 Collider，可以点击这两个 APIs 的右上角 x 删除属性

（3）添加接触和摩擦

• 点击 Create->Physics->Physics Material ，选择 Rigid Body Materials 创建新的物理材质，可以在右侧的 Stage 栏中看到
• 选中该材质，在下方的属性选项卡中可以调整摩擦系数、密度等等。
• 选中任意物体，在属性选项卡中找到 Physics materials on selected models，设置零件的材质。

（4）添加外观

刚才添加的是物理材质，但是实际上物体没有颜色反光属性（可以通过关闭光源查看），需要为物体创建外观

• 点击 Create->Materials->OmniPBR
• 选中任意物体，在属性选项卡中找到 Materials on selected models，设置零件的外观。
• 可以修改外观的属性中的 Material and Shader->Shader->Albedo 修改基础颜色，或修改反射率、粗糙度等查看变化

3.4 保存和加载场景，引用机器人

Isaac 使用 USD 格式作为所有的场景格式。

（1）保存场景

点击 File->Save As... 将当前场景保存为新 USD 文件。（如果点击 Save Flattened As 则是将所有组件保存到同一个 mesh 中）

可以选择 .usd 格式（二进制），.usda（人类可阅读格式）。

（2）加载场景

• 点击 Files->Open 打开 USD 文件直接编辑。
• 点击 Files->Add Reference 将 USD 文件作为引用添加，无法直接编辑。（直接将文件拖入到文件窗口也是以引用方式添加）

（3）引用文件添加的注意事项

引用的文件最好将所有刚体排列成有意义的分层结构，以前面场景中的物体为例，将其视为两轮小车：

1. File->Open 打开刚才保存的 USD 文件
2. 在 Stage 中右键创建一个 Xform，双击将其重命名为 mock_robot，并将其拖动到空白位置，使其和 World 以及 Environment 同级，右键设置为默认坐标系 Set as Default Prim
3. 重命名 Cube 为 body，两个 Cylinder 分别为 wheel_left, wheel_right，将刚刚创建的刚体（cube, Cylinder），以及 Physics Material 和 Looks 都拖到 mock_robot 坐标系下
4. 保存文件

新建一个文件，点击 File->Add Reference，可以看到只有机器人被添加进来

3.5 关节配置

使用 File->Open 打开刚才的文件（最好和图中的一样，后面要添加关节）

（1）添加关节

1. 点击 Create->Scope 创建一个 Scope 来存储关节，重命名为 joints。
2. 创建关节时：先点击父实体，再点击子实体，然后点击 Create->Physics->Joint->Revolute Joint 创建一个旋转关节。
3. 检查关节的属性面板中，body0 是父实体(如 body)，body1 是子实体(如 wheel_right)。
4. 在属性面板的 Revolute Joint 中将旋转轴更改为 Y/Z，根据模型的情况。
5. 将创建的 joint 重命名为 joint_wheel_right 并拖动到 joints 的 scope 中
6. 重复 2-5 步添加另一个关节

点击运行，可以观察到机器人落到了地面，按住 shift 拖动方块，可以发现两个圆柱旋转带动机器人在地面上滚动。

（2）添加关节驱动器

为了能够更好地控制关节，必须添加关节驱动器（位置控制或速度控制）实现驱动。

添加方法：选中关节，点击属性选项卡的 +Add 按钮，选择 Physics->Angular Drive 向关节添加驱动，可以在属性面板下滑找到 Drive 以设置属性。

• 位置控制：设置高刚度和零阻尼
• 速度控制：设置高阻尼和零刚度

对于该轮子来说，可以设置高阻尼如 Damping=1e4,目标速度可以设为 Target Velocity=200，点击播放可以看到机器人运动。

（3）添加 Articulation 关节

Articulation 是 Issac 中的另一种关节，与 joint 不同之处在于，它是由一系列 joint 组成的关节组。

添加方法：选择机器人的基坐标系 mock_robot，在属性选项卡中点击 +Add，添加 Physics->Articulation Root

这样就添加完成了。

（4）添加控制器

这部分主要是用来测试。

点击 Issac Utils->Common Omnigraphs->Articulation Velocity Control 添加一个速度控制图表。

Robot Prim 选择机器人基坐标系 mock_robot

点击 Stage 中的 Graphs->Velocity_Controller->JointCommandArray，修改 Input0 和 Input1，例如设置成相反数让机器人差速原地转，点击播放看效果。

3.6 添加相机和传感器

（1）创建相机

点击 Create->Camera，会在 Stage 栏中创建一个 camera，同时界面中会出现一个灰色框，代表相机视图。

可以像正常的刚体一样调整相机的位置。

（2）相机扩展

相机扩展可以实现根据相机创建不同可视化视角，查看摄像头覆盖范围，获取和设计相机姿态。

可以点击 Issac Utils->Workflows->Camera Inspector 打开相机扩展

可以看到面板中有 Camera State 一栏，显示了相机的位置姿态，便于编写代码时查看。

（3）创建相机视角

点击面板中的 Create Viewport，可以创建相机视角的窗口，如下图所示：

在该窗口中，点击左上角的菜单中的 Viewport 选项可以调整相机分辨率。

如果在仿真环境中移动相机位置，相机的状态属性等都会自动更新。

（4）将相机连接到机器人

例如现在需要添加一个车载摄像头，将其固定在 body 上，使其能够跟随 body 运动：

1. 将新添加的摄像头重命名为 car_camera
2. 为了便于我们观察相机，可以点击 Window->Viewport 启动 Viewport2 视窗，并点击上方的电影机按钮将其切换为 car_camera 的视角（注意选中 mock_robot，在视窗内按 f 可以帮助切换到中心画面）
3. 在右侧 stage 中将 car_camera 拖动到 body 下方，将相机与机器人连接在一起
4. 调整相机属性中的位置和方向，使其看向机器人前方地面，点击 Play 观察相机是否跟随机器人运动

4. Python 程序

4.1 独立 Python 程序的基本框架

Isaac Sim 仿真程序大概可以分成 Initialization 和 Simulation 两步骤，即首先初始化环境，创建世界和添加各种物体，然后是仿真的 Step 执行，示例代码如下：

##################################################
# Initialization
##################################################
# 导包
from isaacsim import SimulationApp  # 第一行一定是导入SimulationApp，就像 Omniverse 打开 Isaac Sim 一样
simulation_app = SimulationApp({"headless": False})  # 创建一个 SimulationApp 对象，参数是一个字典，headless: False 表示显示图形界面

from omni.isaac.core import World
from omni.isaac.core.objects import DynamicCuboid
import numpy as np

# 创建世界，下面相当于 setup_scene
world = World()  # 实例化一个 World 对象
world.scene.add_default_ground_plane()  # 添加一个默认的地面

# 创建物体
first_cube = world.scene.add(
    DynamicCuboid(
        prim_path = "/World/first_cube",    # 该物体的路径
        name = "first_cube",                # 该物体的名字
        position = np.array([0, 0, 1.0]),   # 该物体的位置
        scale = np.array([0.5, 0.5, 0.5]),  # 该物体的缩放
        color = np.array([0.0, 0.0, 1.0])   # 该物体的颜色
    )
)

# 重置世界
world.reset()  # 重置世界，创建完成之后，一定不要忘了

##################################################
# Simulation
##################################################

# 开始仿真
for i in range(1000):	# 或者while True:
    position, orientation = first_cube.get_world_pose()  # 获取物体的位置和姿态
    linear_velocity = first_cube.get_linear_velocity()  # 获取物体的线速度
    angular_velocity = first_cube.get_angular_velocity()  # 获取物体的角速度
    print("Cube position: ", position)
    print("Cube orientation: ", orientation)
    print("Cube linear velocity: ", linear_velocity)
    print("Cube angular velocity: ", angular_velocity)

    world.step(render=True)  # 仿真一步，render=True 表示显示图形界面

# 关闭仿真
simulation_app.close()  # 关闭仿真

4.2 独立 Python 程序控制移动机器人

from isaacsim import SimulationApp

simulation_app = SimulationApp({"headless": False})  # start the simulation app, with GUI open

import sys

import carb
import numpy as np
from isaacsim.core.api import World
from isaacsim.core.prims import Articulation
from isaacsim.core.utils.stage import add_reference_to_stage, get_stage_units
from isaacsim.core.utils.viewports import set_camera_view
from isaacsim.storage.native import get_assets_root_path

# preparing the scene
assets_root_path = get_assets_root_path()
if assets_root_path is None:
    carb.log_error("Could not find Isaac Sim assets folder")
    simulation_app.close()
    sys.exit()

my_world = World(stage_units_in_meters=1.0)
my_world.scene.add_default_ground_plane()  # add ground plane
set_camera_view(
    eye=[5.0, 0.0, 1.5], target=[0.00, 0.00, 1.00], camera_prim_path="/OmniverseKit_Persp"
)  # set camera view

# Add Franka
# asset_path = assets_root_path + "/Isaac/Robots/Franka/franka.usd"
asset_path = '/home/mahaofei/Programs/01_MR+VLM+RL/Simulation/asset/isaac_sim/ur5e_hand/ur5e_hand.usd'
add_reference_to_stage(usd_path=asset_path, prim_path="/World/Arm")  # add robot to stage
arm = Articulation(prim_paths_expr="/World/Arm", name="my_arm")  # create an articulation object

# set the initial poses of the arm so they don't collide BEFORE the simulation starts
arm.set_world_poses(positions=np.array([[0.0, 1.0, 0.0]]) / get_stage_units())
# initialize the world
my_world.reset()

init_joint_positions = np.array([0.0, -np.pi/2, np.pi/2, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0])
arm.set_joint_positions([init_joint_positions])
arm_joint_positions = init_joint_positions

while True:
    # 机器人的关节位置每次变动一点，连续变动
    arm_joint_positions[:6] += 0.001
    arm.set_joint_positions([arm_joint_positions])
    if arm_joint_positions[0] >= np.pi/2:
        arm_joint_positions = init_joint_positions

    # step the simulation, both rendering and physics
    my_world.step(render=True)

simulation_app.close()

4.3 常用 Python 程序及解释

（1）常规代码逻辑

simulation_app 的创建必须在所有 isaac sim 引用之前完成，启动 isaacsim 的仿真窗口。

# 启动 Simulation APP
from isaacsim import SimulationApp  # 第一行一定是导入SimulationApp

simulation_app = SimulationApp({"headless": False})  # 创建一个 SimulationApp 对象，参数是一个字典，headless: False 表示显示图形界面

import sys
import carb
import numpy as np
from isaacsim.core.api import World
from isaacsim.storage.native import get_assets_root_path

# 准备场景，获取NVIDIA官方asset路径
assets_root_path = get_assets_root_path()
if assets_root_path is None:
    carb.log_error("Could not find Isaac Sim assets folder")
    simulation_app.close()
    sys.exit()

# 创建世界，添加地面，添加相机视角
my_world = World(stage_units_in_meters=1.0)
my_world.scene.add_default_ground_plane()  # add ground plane
set_camera_view(
    eye=[5.0, 0.0, 1.5], target=[0.00, 0.00, 1.00], camera_prim_path="/OmniverseKit_Persp"
)  # set camera view

# 初始化world
arm.set_world_poses(positions=np.array([[0.0, 1.0, 0.0]]) / get_stage_units())
my_world.reset()

# some code

while True:
	# some code
	
	my_world.step(render=True)

simulation_app.close() # 关闭仿真

5. Isaac Sim 导入URDF模型

（1）打开 urdf 导入扩展

点击【Windows -> Entensions】，搜索【import wizard】，结果如下，打开此扩展，并且如果需要经常导入模型的话，可以勾选上Autoload，这样每次启动 IsaacSim 都可以自动启动该扩展。

然后点击【Windows】，此时可以发现已经多出了【Isaac Sim Wizard [alpha]】这个选项，这就是我们需要用到的功能，打开它。

（2）导入 URDF 模型

第一个页面，在下方勾选 【Import URDF from File】，当然这里也可以从其它模型文件导入，例如Mujoco使用的MJCF文件等。然后点击【Next】

下一个页面，没有需要操作的，直接Next即可。

然后会出来一个 URDF Importer 的窗口，在这里，我们需要填写或勾选下面图中标出的地方，其中包括

• URDF 文件位置
• 文件创建在Stage中，设置为Default Prim，并且导入时清空当前Stage
• 关节驱动类型选择为加速度驱动

（3）保存USD文件

然后模型就已经被导入了，不过可能因为没有灯光，看不太出来模型，不过这个正常。

直接按 【Ctrl+S】，将模型保存到本地。

如果想查看模型，可以新建一个Stage，将USD模型拖入进来，就可以看到有颜色的模型。