IsaacSim如何用批量化运行？

作者：张新红    出品：车路漫漫

#机器人仿真  #具身智能  #IsaccSim

做机器人仿真的话估计你肯定知道IsaacSim这个软件。

今天来跟大家分享一下IsaacSim的使用技巧，主要是IsaacSim是一个需要大量UI操作来进行仿真的软件，但是我们测试开发人员往往需要进行批量化大规模运行，因此，本文分享的是如何通过代码来进行配置已实现批量化运行，本文仅以立方体为例进行演示，机器人同理。

照例先交代下我的运行环境：
· 操作系统：ubuntu 20.04
· 编程语言：python 3.6
· 仿真软件：isaacsim 6.0.0

以下是完整代码（my_application.py）。能看懂的盆友看这个就行，看不明白的我后面有挨个片段说明。

  # Launch Isaac Sim before any other imports
# Default first two lines in any standalone application
# 导入 SimulationApp 类，而不是整个模块，或者从模块中导入类
from isaacsim.simulation_app import SimulationApp

# 创建实例，注意变量名不要与导入的类名或模块名混淆（虽然这里用 simulation_app 做变量名也可以，但最好区分开）
# 推荐做法：实例化 SimulationApp 类
simulation_app = SimulationApp({"headless": False})  # we can also run as headless

# Now import Isaac Sim modules
import isaacsim.core.experimental.utils.stage as stage_utils
import numpy as np
import omni.timeline
from isaacsim.core.experimental.materials import PreviewSurfaceMaterial
from isaacsim.core.experimental.objects import Cube
from isaacsim.core.experimental.prims import GeomPrim, RigidPrim
from isaacsim.core.simulation_manager import SimulationManager
from isaacsim.storage.native import get_assets_root_path

# Add ground plane
ground_plane = stage_utils.add_reference_to_stage(
    usd_path=get_assets_root_path() + "/Isaac/Environments/Grid/default_environment.usd",
    path="/World/ground",
)

# Create a blue visual material for the cube
visual_material = PreviewSurfaceMaterial("/World/Materials/blue")
visual_material.set_input_values("diffuseColor", [0.0, 0.0, 1.0])

# Create the cube geometry
cube_shape = Cube(
    paths="/World/fancy_cube",
    positions=np.array([[0.0, 0.0, 1.0]]),
    sizes=[1.0],
    scales=np.array([[0.5, 0.5, 0.5]]),
    reset_xform_op_properties=True,
)

# Apply collision and rigid body
GeomPrim(paths=cube_shape.paths, apply_collision_apis=True)
cube = RigidPrim(paths=cube_shape.paths)

# --- [修正] 自定义物理属性 ---
# 获取 stage 和 prim 来设置阻尼
stage = omni.usd.get_context().get_stage()
prim_path = cube_shape.paths[0] # 获取字符串路径
prim = stage.GetPrimAtPath(prim_path)

if prim.IsValid():
    # 设置线性阻尼 (0.0 ~ 1.0+, 默认通常为 0.0)
    # 属性名称可能因版本略有不同，但 physxRigidBody:linearDamping 是标准名称
    attr_lin = prim.GetAttribute("physxRigidBody:linearDamping")
    if attr_lin.IsValid():
        attr_lin.Set(0.1)
        print(f"Set linear damping to 0.1")
    
    # 设置角阻尼
    attr_ang = prim.GetAttribute("physxRigidBody:angularDamping")
    if attr_ang.IsValid():
        attr_ang.Set(0.1)
        print(f"Set angular damping to 0.1")
        
    # 可选：设置质量 (Mass)
    # attr_mass = prim.GetAttribute("physics:mass")
    # if attr_mass.IsValid():
    #     attr_mass.Set(1.0)
# -------------------------

cube_shape.apply_visual_materials(visual_material)

# Start the timeline (physics simulation)
omni.timeline.get_timeline_interface().play()
simulation_app.update()

# Run the simulation loop
for i in range(50000):
    # Only query when physics is actively simulating
    if SimulationManager.is_simulating():
        positions, orientations = cube.get_world_poses()
        linear_velocities, angular_velocities = cube.get_velocities()

        # Will be shown on terminal
        print("Cube position is : " + str(positions.numpy()[0]))
        print("Cube's orientation is : " + str(orientations.numpy()[0]))
        print("Cube's linear velocity is : " + str(linear_velocities.numpy()[0]))

    # Step the app (physics + rendering)
    simulation_app.update()

# simulation_app.close()  # close Isaac Sim

上述代码执行方式为：

  me@Linux:/data/code/IsaacSim/_build/linux-x86_64/release$ ./python.sh ./exts/isaacsim.examples.interactive/isaacsim/examples/interactive/user_examples/my_application.py

1、初始化仿真应用 (Initialization)

导入 SimulationApp 类，而不是整个模块，或者从模块中导入类。
代码：

  # Launch Isaac Sim before any other imports
# Default first two lines in any standalone application
from isaacsim.simulation_app import SimulationApp

解释：从 isaacsim.simulation_app 模块中导入 SimulationApp 类。这是启动 Isaac Sim 引擎的核心类。注意：必须在导入其他 Omniverse/Isaac 模块之前执行此操作。

创建实例，注意变量名不要与导入的类名或模块名混淆（虽然这里用 simulation_app 做变量名也可以，但最好区分开）。推荐做法：实例化 SimulationApp 类。

代码：

  simulation_app = SimulationApp({"headless": False})  # we can also run as headless

解释：实例化 SimulationApp 对象。

{"headless": False}：表示启动带有图形用户界面（GUI）的窗口。如果设为 True，则只在后台运行，不显示画面，适合服务器环境。

这行代码执行后，Isaac Sim 引擎正式加载，窗口弹出。

2、导入依赖模块 (Imports)

代码：

  # 导入舞台（Stage）工具模块。stage_utils 提供了方便的方法来操作 USD 舞台，例如添加参考模型。
import isaacsim.core.experimental.utils.stage as stage_utils
import numpy as np
# 导入 Omniverse 时间线模块。用于控制仿真的播放、暂停和步进。
import omni.timeline
# 导入预览表面材质类。用于创建简单的视觉材质（如颜色、粗糙度）。
from isaacsim.core.experimental.materials import PreviewSurfaceMaterial
# 导入立方体几何体类。这是一个高级封装，用于快速创建立方体形状。
from isaacsim.core.experimental.objects import Cube
# 导入原始对象（Prim）处理类。
#  GeomPrim：用于处理几何属性，如添加碰撞体（Collision）。
#  RigidPrim：用于处理刚体属性，如质量、速度、受力。
from isaacsim.core.experimental.prims import GeomPrim, RigidPrim
# 导入仿真管理器。用于查询仿真状态（如是否正在模拟、当前时间步等）。
from isaacsim.core.simulation_manager import SimulationManager
# 获取 Isaac Sim 本地资源库的根路径。用于定位内置的资源文件（如地面、机器人模型等）。
from isaacsim.storage.native import get_assets_root_path

3、构建场景 (Scene Construction)

代码：

  # Add ground plane
ground_plane = stage_utils.add_reference_to_stage(
    usd_path=get_assets_root_path() + "/Isaac/Environments/Grid/default_environment.usd",
    path="/World/ground",
)

解释：向舞台添加一个参考模型。
usd_path：指定资源文件的路径。这里加载的是默认的网格环境，包含一个无限大的地面平面。
path：指定该模型在 USD 舞台中的层级路径为 /World/ground。
ground_plane：返回创建的 Prim 对象引用。

  # Create a blue visual material for the cube
visual_material = PreviewSurfaceMaterial("/World/Materials/blue")

解释：创建一个名为 PreviewSurfaceMaterial 的材质对象，并将其放置在舞台路径 /World/Materials/blue 下。

  visual_material.set_input_values("diffuseColor", [0.0, 0.0, 1.0])

解释：设置材质的输入参数。
"diffuseColor"：漫反射 颜色。
[0.0, 0.0, 1.0]：RGB 值，代表纯蓝色。

  # Create the cube geometry
cube_shape = Cube(
    paths="/World/fancy_cube",
    positions=np.array([[0.0, 0.0, 1.0]]),
    sizes=[1.0],
    scales=np.array([[0.5, 0.5, 0.5]]),
    reset_xform_op_properties=True,
)

解释：创建立方体几何体。
paths：立方体在舞台中的路径 /World/fancy_cube。
positions：初始位置坐标 (x=0, y=0, z=1)，即离地面 1 米高。
sizes：立方体的原始尺寸为 1x1x1 米。
scales：缩放比例为 0.5，所以最终显示大小为 0.5x0.5x0.5 米。
reset_xform_op_properties：重置变换属性，确保位置和大小的设置生效，不受默认变换影响。

4、应用物理属性 (Physics Application)

代码：

  # Apply collision and rigid body
GeomPrim(paths=cube_shape.paths, apply_collision_apis=True)

解释：为立方体添加碰撞属性。
apply_collision_apis=True：自动添加 PhysxCollisionAPI，使立方体能够与其他物体（如地面）发生碰撞检测，防止穿透。

代码：

  cube = RigidPrim(paths=cube_shape.paths)

解释：为立方体添加刚体属性。
这会添加 PhysxRigidBodyAPI，使立方体成为受物理引擎控制的刚体，具有质量、速度，并受重力影响。
cube 是一个 RigidPrim 对象，后续可以通过它查询或设置物理状态。

代码：

  # --- [修正] 自定义物理属性 ---
# 获取 stage 和 prim 来设置阻尼
stage = omni.usd.get_context().get_stage()
prim_path = cube_shape.paths[0] # 获取字符串路径
prim = stage.GetPrimAtPath(prim_path)    # Stage中的逻辑路径

解释：获取底层的 USD Stage 和 Prim 对象，以便直接修改底层属性。
cube_shape.paths[0]：因为 paths 可能是一个列表，这里取第一个路径字符串。
stage.GetPrimAtPath(...)：根据路径获取具体的 USD Prim 对象。

代码：

  if prim.IsValid():
    # 设置线性阻尼 (0.0 ~ 1.0+, 默认通常为 0.0)
    # 属性名称可能因版本略有不同，但 physxRigidBody:linearDamping 是标准名称
    attr_lin = prim.GetAttribute("physxRigidBody:linearDamping")
    if attr_lin.IsValid():
        attr_lin.Set(0.1)
        print(f"Set linear damping to 0.1")
    
    # 设置角阻尼
    attr_ang = prim.GetAttribute("physxRigidBody:angularDamping")
    if attr_ang.IsValid():
        attr_ang.Set(0.1)
        print(f"Set angular damping to 0.1")
        
    # 可选：设置质量 (Mass)
    # attr_mass = prim.GetAttribute("physics:mass")
    # if attr_mass.IsValid():
    #     attr_mass.Set(1.0)
# -------------------------

解释：通过 USD 属性接口设置物理参数。
linearDamping：线性阻尼，模拟空气阻力。值越大，物体移动越慢。
angularDamping：角阻尼，模拟旋转阻力。值越大，物体旋转停止得越快。
IsValid() 检查确保属性存在且可写，避免报错。

代码：

  cube_shape.apply_visual_materials(visual_material)

解释：将之前创建的蓝色材质应用到立方体上。这样立方体在渲染时就会显示为蓝色。

5、启动仿真 (Start Simulation)

代码：

  # Start the timeline (physics simulation)
omni.timeline.get_timeline_interface().play()
解释：获取时间线接口并调用 play()。这会启动物理引擎，开始计算重力、碰撞等物理效果。
Python
simulation_app.update()

解释：触发一次应用更新。这会渲染第一帧画面，并让物理引擎迈出第一步。

6、仿真循环 (Simulation Loop)

代码：

  # Run the simulation loop
for i in range(50000):
    # Only query when physics is actively simulating
    # 检查仿真管理器是否处于“正在仿真”状态。这是一种安全检查，确保在物理引擎就绪时才读取数据。
    if SimulationManager.is_simulating():
        # 从 RigidPrim 对象 cube 中读取当前状态。
        positions, orientations = cube.get_world_poses()    # 返回世界坐标系下的位置（Position）和方向（Orientation，四元数）。
        linear_velocities, angular_velocities = cube.get_velocities() # 返回线性速度（Linear Velocity）和角速度（Angular Velocity）。

        # Will be shown on terminal
        print("Cube position is : " + str(positions.numpy()[0]))
        print("Cube's orientation is : " + str(orientations.numpy()[0]))
        print("Cube's linear velocity is : " + str(linear_velocities.numpy()[0]))

    # Step the app (physics + rendering)
    # 推进物理引擎一步（计算下一时刻的位置和速度）。
    # 渲染引擎绘制当前帧的画面。
    # 处理窗口事件（如点击关闭按钮）。
    # 如果没有这行代码，仿真不会前进，画面也不会刷新。
    simulation_app.update()    # # close Isaac Sim