Розроблення комплексу лабораторних робіт для вивчення робототехнічних систем в середовищі CoppeliaSim

Abstract

Цвігун І.В., Васильківський І.С. (керівник).Розроблення комплексу лабораторних робіт для вивчення робототехнічних систем в середовищі CoppeliaSim. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. Розширена анотація У сучасному ландшафті розвитку робототехніки автоматизовані системи управління відіграють ключову роль у забезпеченні ефективної та точної роботи робототехнічних систем. У робототехнічних застосуваннях системи управління інтегровані на різних рівнях, від окремих роботів-маніпуляторів до складних мультироботних систем, які досягають конкретних операційних цілей. Симуляційні платформи, такі як CoppeliaSim, надають неоціненний інструмент для розробки та тестування систем управління роботами, мережевих комунікацій та протоколів безпеки у віртуальному середовищі, тим самим зменшуючи ризики та оптимізуючи продуктивність перед впровадженням у реальному світі. Серед різних симуляційних платформ CoppeliaSim вирізняється своєю гнучкістю, підтримкою багатьох мов програмування, таких як Python, C++ та Lua, а також наявністю безкоштовної освітньої версії, що робить його ідеальним вибором для розробки комплексних лабораторних робіт у галузі робототехнічної освіти. Об’єктом дослідження магістерської кваліфікаційної роботи є комплекс лабораторних робіт, призначених для вивчення робототехнічних систем. Предметом дослідження є методи та засоби розроблення комплексу з використанням симуляційного середовища CoppeliaSim. Метою дослідженняє створення комплексу лабораторних робіт, які використовують можливості CoppeliaSimдля навчання основам робототехніки, зокрема моделюванню, програмуванню та керуванню роботами. У першому розділі У першому розділі проведено порівняльний аналіз різних симуляційних платформ, таких як Gazebo, Webots, RoboDK, Unity, Matlab та CoppeliaSim[1, 2, 3]. Кожен інструмент оцінювався за критеріями функціональних можливостей, зручності використання та підтримки спільноти. Зокрема, CoppeliaSim було обрано як оптимальне середовище завдяки його гнучкості, підтримці широкого спектру моделей роботів та інтеграції з різними мовами програмування, такими як Python, C/C++, Lua та іншими[6, 7]. Важливим фактором став також факт наявності безкоштовної освітньої версії CoppeliaSim Edu, яка надає повний набір функцій для симуляції та редагування, що робить її ідеальною для навчальних цілей[8, 9]. У другому розділідетально розглянуто архітектуру та функціональні можливості цього інструменту[1, 6]. Зокрема, описано симуляційні двигуни, такі як Bullet Physics, Newton та Vortex Dynamics, які забезпечують точне моделювання фізичних взаємодій[9]. Також висвітлено підтримку різних типів датчиків та виконавчих механізмів, а також інструменти для скриптування та програмування[2, 10]. Ці можливості дозволяють точно моделювати поведінку роботів у віртуальному середовищі. У третьому розділі наведено практичні приклади створення та симуляції різних типів роботів, включаючи маніпулятори, мобільні платформи та дрони[3, 6]. Показано, як CoppeliaSim дозволяє моделювати складні сценарії, такі як взаємодія роботів з оточенням, планування траєкторій та координація роботів[9, 10]. Дослідження демонструють здатність платформи підтримувати комплексні задачі [2]. У четвертому розділіописано процес розроблення серії лабораторних робіт. Кожна робота включає теоретичний матеріал, покрокові інструкції з використання CoppeliaSim та практичні завдання, що охоплюють ключові аспекти робототехніки, такі як кінематика, динаміка, планування руху та інтеграція сенсорів[5, 7, 8]. Наприклад, студенти можуть моделювати рух маніпулятора, інтегрувати віртуальні датчики для виявлення кольорів або програмувати керування маніпуляторами. Це дозволяє набути практичних навичок, необхідних для роботи з реальними роботами [4, 8].Tsvihun I., Vasylkivskyi I. (head). Development of Complex of Laboratory Works for Studying Robotic Systems in CoppeliaSim Environment. Master’s thesis. – Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2025. Abstract In today's robotics development landscape, automated control systems play a key role in ensuring efficient and accurate operation of robotic systems. In robotics applications, control systems are integrated at various levels, from individual robot manipulators to complex multi-robot systems that achieve specific operational goals. Simulation platforms such as CoppeliaSim provide an invaluable tool for developing and testing robot control systems, network communications and safety protocols in a virtual environment, thereby reducing risks and optimising performance before real-world implementation. Among the various simulation platforms, CoppeliaSim stands out for its flexibility, support for multiple programming languages such as Python, C++ and Lua, and the availability of a free educational version, making it an ideal choice for developing comprehensive labs in robotics education. The object of research of the master's qualification work is a set of laboratory works intended for the study of robotic systems. The subject of research is the methods and means of developing the complex using the CoppeliaSim simulation environment. The purpose of the study is to create a set of laboratory works that use the capabilities of CoppeliaSim to teach the basics of robotics, including modeling, programming and controlling robots. Translated with DeepL.com (free version)In the first section, a comparative analysis of various simulation platforms such as Gazebo, Webots, RoboDK, Unity, Matlab, and CoppeliaSim was carried out [1, 2, 3]. Each tool was evaluated by the criteria of functionality, ease of use, and community support. In particular, CoppeliaSim was chosen as the optimal environment due to its flexibility, support for a wide range of robot models, and integration with various programming languages such as Python,C/C++,Lua, and others [6, 7]. An important factor was also the fact that CoppeliaSim Edu is available as a free educational version,which provides a full set of simulation and editing functions, making it ideal for educational purposes [8, 9]. The second section describes the architecture and functionality of this tool in detail [1, 6]. In particular, it describes simulation engines such as Bullet Physics, Newton, and Vortex Dynamics, which provide accurate modelling of physical interactions [9]. Support for various types of sensors and actuators, as well as scripting and programming tools are also covered [2, 10]. These features allow you to accurately model the behaviour of robots in a virtual environment. The third section provides practical examples of creating and simulating various types of robots, including manipulators, mobile platforms, and drones [3, 6]. It is shown how CoppeliaSim allows simulating complex scenarios such as robot interaction with the environment, trajectory planning, and robot coordination [9, 10]. Studies demonstrate the platform's ability to support complex tasks [2]. The fourth section describes the process of developing a series of labs. Each activity includes theoretical material, step-by-step instructions on how to use CoppeliaSim, and practical tasks covering key aspects of robotics, such as kinematics, dynamics, motion planning, and sensor integration [5, 7, 8]. For example, students can simulate the movement of a manipulator, integrate virtual sensors to detect colours, or program the control of manipulators. This allows them to acquire the practical skills necessary to work with real robots [4, 8].