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系列文章目录

前言

一、安装

SAPIEN 通过 PyPI 发布

1.1 依赖关系

Python 版本：

Python 3.8、3.9、3.10、3.11、3.12

操作系统： Linux

Linux Ubuntu 18.04+, Centos 7+

Windows （实验版）： Windows 10,11

硬件

渲染：英伟达或 AMD GPU

光线追踪英伟达™（NVIDIA®）RTX GPU 或 AMD 同等产品

光线追踪去噪英伟达™（NVIDIA®）图形处理器

GPU 模拟英伟达™（NVIDIA®）图形处理器

软件

光线追踪英伟达™（NVIDIA®）驱动程序 >= 470

去噪 (OIDN) 英伟达驱动 >= 520

1.2 通过 Pip(PyPI) 或 Conda 安装

pip install sapien

1.3 安装夜间版本

可以通过 haosulab/SAPIEN 访问 SAPIEN 的最新开发版本。可以使用 pip install {url} 安装构建版，其中 url 是与您的 Python 版本相对应的 .whl 文件链接。

1.4 从源代码构建

由于最新的SAPIEN可通过每晚发布的版本获取，因此只有在为不支持的平台或开发平台构建时，才需要从源代码构建SAPIEN。

1.4.1 克隆 SAPIEN

git clone --recursive https://github.com/haosulab/SAPIEN.git
cd SAPIEN

1.4.2 在 Docker 中构建

虽然可以在 Linux 上构建 SAPIEN，但我们强烈建议使用 Docker 构建。我们强烈建议使用 Docker 构建。

./docker_build_wheels.sh

注意

docker_build_wheels.sh 默认为所有 Python 版本构建。要为特定版本构建，请输入版本号（例如，./docker_build_wheels.sh 310 用于 Python 3.10）

本地构建

对于 Windows 用户，应直接构建 SAPIEN。所需的环境包括最新的 Visual Studio 和所需 Python 版本的 Conda 环境。

python setup.py bdist_wheel

1.5 验证安装

服务器（无显示）

警告

此脚本将在当前工作目录下生成 sapien_offscreen.png。

您可以使用以下命令测试 SAPIEN 的屏幕外渲染效果

python -m sapien.example.offscreen

在没有显示屏的服务器上。它可能会生成有关显示的错误。您可以忽略这些警告。

如果 SAPIEN 安装正确。将在当前工作目录下生成以下图片，命名为 sapien_offscreen.png。

桌面（带显示屏）

您可以使用以下命令测试 SAPIEN 的屏幕渲染效果

python -m sapien.example.hello_world

该命令将打开一个查看器窗口，显示地面上的红色立方体。

二、Hello World

SAPIEN 提供用于构建物理仿真环境的 API。

在本教程中，您将学习以下内容：

创建仿真场景
设置可视化
运行仿真循环

完整脚本可在此处下载 hello_world.py

2.1 模拟场景

要使用 SAPIEN 进行模拟，首先需要创建一个场景。

    scene = sapien.Scene()  # Create an instance of simulation world (aka scene)scene.set_timestep(1 / 100.0)  # Set the simulation frequency

场景是模拟世界的一个实例。调用构造函数 sapien.Scene 可以创建多个场景，并且这些场景是独立的。

默认情况下，SAPIEN 使用 PhysX 5 模拟刚体。scene.set_timestep 设置调用 scene.step 时物理模拟器前进的秒数。

2.2 添加刚体

到目前为止，我们的场景是空的。

在 SAPIEN 中，场景包含一个实体列表。实体的行为由附加到实体上的组件列表决定。在 SAPIEN 中，我们将具有物理行为的实体称为演员。例如，一个附有刚体组件的实体就是一个演员。让我们在场景中添加两个角色：地面和盒子。演员的创建将在 “创建演员 ”中详细说明。

    scene.add_ground(altitude=0)  # Add a groundactor_builder = scene.create_actor_builder()actor_builder.add_box_collision(half_size=[0.5, 0.5, 0.5])actor_builder.add_box_visual(half_size=[0.5, 0.5, 0.5], material=[1.0, 0.0, 0.0])box = actor_builder.build(name="box")  # Add a boxbox.set_pose(sapien.Pose(p=[0, 0, 0.5]))

2.3 查看器

查看器创建一个窗口（图形用户界面）来渲染模拟世界。只有连接显示器后才能使用。显示器可以是物理的（如显示器），也可以是虚拟的（如 VNC）。图形用户界面的使用方法将在 Viewer 中详细说明。

    viewer = scene.create_viewer()  # Create a viewer (window)# The coordinate frame in Sapien is: x(forward), y(left), z(upward)# The principle axis of the camera is the x-axisviewer.set_camera_xyz(x=-4, y=0, z=2)# The rotation of the free camera is represented as [roll(x), pitch(-y), yaw(-z)]# The camera now looks at the originviewer.set_camera_rpy(r=0, p=-np.arctan2(2, 4), y=0)viewer.window.set_camera_parameters(near=0.05, far=100, fovy=1)

注释

如果只需要模拟和渲染，如收集政策学习经验，则不需要图形用户界面。

2.4 模拟循环

建立模拟世界后，实际模拟将在循环中进行。每迭代一次，场景模拟一步，并向渲染器更新世界。查看器调用渲染器更新屏幕上的结果。

    while not viewer.closed:  # Press key q to quitscene.step()  # Simulate the worldscene.update_render()  # Update the world to the rendererviewer.render()

2.5 完整脚本

import sapien as sapien
from sapien.utils import Viewer
import numpy as npdef main():scene = sapien.Scene()  # Create an instance of simulation world (aka scene)scene.set_timestep(1 / 100.0)  # Set the simulation frequency# NOTE: How to build (rigid bodies) is elaborated in create_actors.pyscene.add_ground(altitude=0)  # Add a groundactor_builder = scene.create_actor_builder()actor_builder.add_box_collision(half_size=[0.5, 0.5, 0.5])actor_builder.add_box_visual(half_size=[0.5, 0.5, 0.5], material=[1.0, 0.0, 0.0])box = actor_builder.build(name="box")  # Add a boxbox.set_pose(sapien.Pose(p=[0, 0, 0.5]))# Add some lights so that you can observe the scenescene.set_ambient_light([0.5, 0.5, 0.5])scene.add_directional_light([0, 1, -1], [0.5, 0.5, 0.5])viewer = scene.create_viewer()  # Create a viewer (window)# The coordinate frame in Sapien is: x(forward), y(left), z(upward)# The principle axis of the camera is the x-axisviewer.set_camera_xyz(x=-4, y=0, z=2)# The rotation of the free camera is represented as [roll(x), pitch(-y), yaw(-z)]# The camera now looks at the originviewer.set_camera_rpy(r=0, p=-np.arctan2(2, 4), y=0)viewer.window.set_camera_parameters(near=0.05, far=100, fovy=1)while not viewer.closed:  # Press key q to quitscene.step()  # Simulate the worldscene.update_render()  # Update the world to the rendererviewer.render()if __name__ == "__main__":main()

三、创建角色

添加到 SAPIEN 场景中的每个对象都是一个实体。具有物理属性的实体通常称为演员。

在本教程中，您将学习以下内容：

创建实体并添加组件
使用基元（方框、球体、胶囊）创建刚体角色
使用网格文件创建刚体角色
使用姿势设置实体的姿势

完整的脚本可在此处下载 create_actors.py。香蕉的碰撞网格和可视化网格可在 collision.obj 和 visual.glb 中找到。

3.1 创建实体

实体的唯一属性包括姿势（位置和旋转）和名称。实体的行为完全由其附加组件决定。PhysxRigidDynamicComponent 可使实体在 PhysX 模拟器中遵循刚体动力学。渲染体组件（RenderBodyComponent）可让相机渲染该实体。

以下代码展示了我们如何创建实体、设置其姿势和名称、附加物理组件和渲染组件并将其添加到场景中。

def create_box(scene: sapien.Scene,pose: sapien.Pose,half_size,color=None,name="",
) -> sapien.Entity:"""Create a box.Args:scene: sapien.Scene to create a box.pose: 6D pose of the box.half_size: [3], half size along x, y, z axes.color: [4], rgbaname: name of the actor.Returns:sapien.Entity"""entity = sapien.Entity()entity.set_name(name)entity.set_pose(pose)# create PhysX dynamic rigid bodyrigid_component = sapien.physx.PhysxRigidDynamicComponent()rigid_component.attach(sapien.physx.PhysxCollisionShapeBox(half_size=half_size, material=sapien.physx.get_default_material()))# create render body for visualizationrender_component = sapien.render.RenderBodyComponent()render_component.attach(# add a box visual shape with given size and rendering materialsapien.render.RenderShapeBox(half_size, sapien.render.RenderMaterial(base_color=[*color[:3], 1])))entity.add_component(rigid_component)entity.add_component(render_component)entity.set_pose(pose)# in general, entity should only be added to scene after it is fully builtscene.add_entity(entity)# name and pose may be changed after added to scene# entity.set_name(name)# entity.set_pose(pose)return entity

注意

碰撞形状并不一定与视觉形状相对应。例如，您可能需要一个简单的碰撞形状来进行快速模拟，但却需要一个复杂的视觉形状来进行逼真的渲染。

世界坐标系中方块的姿态可由 Pose 指定。Pose 描述了一个 6 维姿势，由一个 3 维位置矢量 p 和一个 4 维四元数 q（按 wxyz 约定表示旋转）组成。

3.2 用演员生成器创建演员

使用底层实体 API 创建角色似乎有点繁琐，因此我们提供了一个方便的 ActorBuilder 类，用于创建角色。用下面的代码就可以创建同一个盒子。

def create_box_v2(scene: sapien.Scene,pose: sapien.Pose,half_size,color=None,name="",
) -> sapien.Entity:"""Create a box.Args:scene: sapien.Scene to create a box.pose: 6D pose of the box.half_size: [3], half size along x, y, z axes.color: [3] or [4], rgb or rgbaname: name of the actor.Returns:sapien.Entity"""half_size = np.array(half_size)builder: sapien.ActorBuilder = scene.create_actor_builder()builder.add_box_collision(half_size=half_size)  # Add collision shapebuilder.add_box_visual(half_size=half_size, material=color)  # Add visual shapebox: sapien.Entity = builder.build(name=name)box.set_pose(pose)return box

除方框外，SAPIEN 支持的原始形状还包括球体、胶囊和圆柱体。代码中包含创建球体和胶囊的示例代码。圆柱体是一个特殊的基元，因为 PhysX 本身不支持圆柱体碰撞基元。我们使用凸网格来实现圆柱体碰撞。

3.3 使用多个基元创建演员

接下来，我们将举例说明如何通过多个方块（带四条腿的桌面）创建一个角色（桌子）。

def create_table(scene: sapien.Scene,pose: sapien.Pose,size,height,thickness=0.1,color=(0.8, 0.6, 0.4),name="table",
) -> sapien.Entity:"""Create a table (a collection of collision and visual shapes)."""builder = scene.create_actor_builder()# Tabletoptabletop_pose = sapien.Pose([0.0, 0.0, -thickness / 2])  # Make the top surface's z equal to 0tabletop_half_size = [size / 2, size / 2, thickness / 2]builder.add_box_collision(pose=tabletop_pose, half_size=tabletop_half_size)builder.add_box_visual(pose=tabletop_pose, half_size=tabletop_half_size, material=color)# Table legs (x4)for i in [-1, 1]:for j in [-1, 1]:x = i * (size - thickness) / 2y = j * (size - thickness) / 2table_leg_pose = sapien.Pose([x, y, -height / 2])table_leg_half_size = [thickness / 2, thickness / 2, height / 2]builder.add_box_collision(pose=table_leg_pose, half_size=table_leg_half_size)builder.add_box_visual(pose=table_leg_pose, half_size=table_leg_half_size, material=color)table = builder.build(name=name)table.set_pose(pose)return table

我们可以调用 add_box_collision(pose=Pose(...),...)来设置演员坐标系中碰撞形状的姿势。同样，我们可以调用 add_box_visual(pose=Pose(...),...)来设置视觉形状。请注意，table.set_pose(pose) 设置的是演员在世界帧中的坐标系姿势。

3.4 从网格文件创建角色

除了基元，还可以通过网格文件创建角色。

    builder = scene.create_actor_builder()builder.add_convex_collision_from_file(filename="../assets/banana/collision_meshes/collision.obj")builder.add_visual_from_file(filename="../assets/banana/visual_meshes/visual.glb")mesh = builder.build(name="mesh")mesh.set_pose(sapien.Pose(p=[-0.2, 0, 1.0 + 0.05]))

注意事项

SAPIEN 中动态刚体的任何碰撞形状都必须是凸形。为此，在模拟中使用之前，网格将被 “烹制 ”为凸网格。

3.5 删除实体

手动或通过演员生成器将实体添加到场景后，可以调用 scene.remove_entity(entity) 或 entity.remove_from_scene() 将其移除。移除的实体可以再次添加到场景中，但已在场景中的实体则不能再次添加。

四、物理学

由于 SAPIEN 是一个物理仿真框架，我们希望展示如何改变物理属性，从而产生不同的行为。

在本教程中，您将学习以下内容：

使用 PhysxSceneConfig 初始化默认物理属性
使用 PhysxMaterial 设置不同的物理材料
创建运动角色
为动作体启用阻尼
获取刚体的运动学量（姿态、速度、角速度

该示例展示了一个从斜坡上滑下的物体。计算姿势需要 transforms3d，可通过 pip install transforms3d 安装。

完整脚本可在此处下载 physics.py

4.1 设置默认物理属性

创建场景时可以指定默认的物理属性。这些属性包括重力、静摩擦力、动摩擦力以及回复力（碰撞弹性）。

    scene_config = sapien.physx.PhysxSceneConfig()# The default physical properties can be modified through sapien.SceneConfigprint(scene_config.gravity)scene_config.gravity = np.array([0.0, 0.0, args.gravity])sapien.physx.set_scene_config(scene_config)# SAPIEN's default physical material for PhysX can be modified at any time# It is not bound to a scenedefault_material = sapien.physx.get_default_material()print(default_material.static_friction)print(default_material.dynamic_friction)print(default_material.restitution)sapien.physx.set_default_material(static_friction=0.3, dynamic_friction=0.3, restitution=0.0)# by default, SAPIEN scene consists of PhysxSystem and RenderSystem# The PhysxSystem can take a PhysxSceneConfig to custom its behaviorscene = sapien.Scene([sapien.physx.PhysxCpuSystem(),sapien.render.RenderSystem(),

注意 PhysxSceneConfig 描述了场景的全局物理属性。但是，默认的物理材料是整个 SAPIEN 流程的全局材料。

4.2 设置物理材料

PhysxMaterial 描述 PhysX 刚体材料的物理（接触）属性（摩擦力和回复力）。可以在创建角色时在 ActorBuilder 中指定。如果没有提供，将使用由场景默认物理属性生成的默认物理材料。

    # It is not bound to a scenedefault_material = sapien.physx.get_default_material()print(default_material.static_friction)print(default_material.dynamic_friction)print(default_material.restitution)sapien.physx.set_default_material(

其他一些物理属性，如密度，会直接提供给碰撞形状。我们将更新 Create Actors 中的 create_sphere 函数。

def create_sphere(scene: sapien.Scene,pose: sapien.Pose,radius,color=None,density=1000.0,physical_material: sapien.physx.PhysxMaterial = None,name='',
) -> sapien.Entity:"""Create a sphere."""builder = scene.create_actor_builder()builder.add_sphere_collision(radius=radius, material=physical_material, density=density)builder.add_sphere_visual(radius=radius, material=color)sphere = builder.build(name=name)sphere.set_pose(pose)return sphere

备注

SAPIEN 目前未对滚动阻力（摩擦）进行建模。

4.3 创建运动角色

现在，让我们创建一个斜坡。斜坡应该是一个运动对象，而不是动态对象。换句话说，它不能受外力影响。我们可以在创建角色时设置 is_kinematic=True。

def create_box(scene: sapien.Scene,pose: sapien.Pose,half_size,color=None,is_kinematic=False,density=1000.0,physical_material: sapien.physx.PhysxMaterial = None,name='',
) -> sapien.Entity:"""Create a box.Args:scene: sapien.Scene to create a box.pose: 6D pose of the box.half_size: [3], half size along x, y, z axes.color: [3] or [4], rgb or rgba.is_kinematic: whether an object is kinematic (can not be affected by forces).density: float, the density of the box.physical_material: physical material of the actor.name: name of the actor.Returns:sapien.Entity"""half_size = np.array(half_size)builder = scene.create_actor_builder()builder.add_box_collision(half_size=half_size, material=physical_material, density=density)  # Add collision shapebuilder.add_box_visual(half_size=half_size, material=color)  # Add visual shapeif is_kinematic:box = builder.build_kinematic(name=name)else:box = builder.build(name=name)box.set_pose(pose)return box

4.4 为演员设置阻尼

有时，您可能会模拟一些与（线性或角度）速度成正比的阻力，例如空气阻力。这可以通过设置角色的阻尼来实现。

    rigid_component = actor.find_component_by_type(sapien.physx.PhysxRigidBodyComponent)rigid_component.set_linear_damping(args.linear_damping)

4.5 获取演员的运动量（姿势、速度

我们可以通过 get_pose()、get_linear_velocity() 和 get_angular_velocity()获取演员的运动量（姿势、线速度、角速度）。

            print('step:', steps)print('Pose', actor.get_pose())print('Velocity', rigid_component.get_linear_velocity())

五、创建衔接

衔接是一组用特殊关节连接在一起的链接（每个链接的行为都类似于一个刚体）。例如，抽屉可以通过棱柱关节（滑块）与桌子连接，门可以通过反卷关节（铰链）与坐标系连接。机器人也是关节的一个实例。关节通常从 URDF XML 中加载，我们将在其他示例中看到这一点。本教程展示了如何通过 SAPIEN 编程创建关节。

关节衔接可以通过在关节上施加扭矩来控制。为了使关节运动达到预期状态，用户可以应用控制器，根据实际与预期之间的差异计算修正扭矩。

在本教程中，您将学习以下内容：

创建衔接
使用内置控制器控制衔接
获取衔接的运动学量

本示例说明了如何从零开始制作一辆可控玩具车。

完整脚本可在此处下载 create_articulations.py

创建根链接

在 SAPIEN 中，衔接被表示为一棵树。每个节点都是一个链接，每条边都表示子链接通过关节与父链接相连。要制作一辆玩具车，我们先从车身开始。