Microsoft Robotics Studio 實戰：打造真實物理模擬環境

Microsoft Robotics Studio (MSRS) 雖然名為機器人開發工具，但其功能遠超機器人控制。這個約兩年前由 Microsoft Research 推出的工具包，提供了基於服務導向架構的運行庫、視覺化編程語言 (VPL) 以及視覺模擬環境 (VSE)，讓開發者無需昂貴硬體即可構建複雜的機器人模擬應用。

核心架構與運行庫

MSRS 運行庫建立在 CLR 2.0 之上，包含兩大核心組件：

• 分散軟體服務 (DSS)：基於 REST 原則的輕量級服務導向運行庫
• 協調與並發運行庫 (CCR)：支援非同步處理的 .NET Framework 庫，對處理大量感測器與致動器資料至關重要

視覺模擬環境 (VSE) 入門

安裝 MSRS 後需確認顯示卡支援 DirectX 9.0、頂點著色器 VS_2_0 及像素著色器 PS_2_0 以上版本。物理引擎採用 AGEIA PhysX，無需額外購買物理加速卡即可運作。

啟動「基本模擬環境」可看到地球儀與箱狀物體，實際場景還包含主攝影機、地面、天空與太陽等實體。透過「模式」→「編輯」可檢視並修改所有實體屬性，包括位置、渲染方式等。

圖 1 基本模擬環境

圖 2 編輯模式下的實體屬性面板

實體與實體類型

實體類型是建立實體的模板。VSE 中透過「實體」→「新建」對話框可添加預設實體類型（如 iRobot Create）。但若要模擬不在預設清單中的機器人（如 Parallax Boe-Bot），需自行建立實體類別。

圖 3 新建實體對話框

以程式碼建立模擬服務

使用 Visual Studio 建立「Simple Dss Service (1.5)」專案，需引用以下組件：

• PhysicsEngine - AGEIA 物理引擎存取
• RoboticsCommon - PhysicalModel 命名空間
• SimulationCommon - 模擬與物理引擎類型定義
• SimulationEngine - 模擬引擎存取
• SimulationEngine.proxy - 模擬引擎代理

圖 4 新建 DSS 服務專案

核心命名空間引用：

using Microsoft.Robotics.Simulation;
using Microsoft.Robotics.Simulation.Engine;
using engineproxy = Microsoft.Robotics.Simulation.Engine.Proxy;
using Microsoft.Robotics.Simulation.Physics;
using Microsoft.Robotics.PhysicalModel;

建立 Boe-Bot 實體類別

Boe-Bot 採用差速驅動系統，因此繼承 DifferentialDriveEntity 可重用移動邏輯。建構函數中需設定質量、底盤尺寸、輪子參數等物理特性，並指定網格模型檔案 (boe-bot.bos)。

圖 5 BoeBot 實體類別程式碼

3D 網格模型製作與轉換

使用 SoftImage 等 3D 工具建立 .obj 格式模型，再透過 MSRS 提供的 Obj2bos.exe 轉換為優化的 .bos 二進位格式：

Obj2bos.exe /i:"store\media\Boe-bot.obj"

圖 6 SoftImage 中的 Boe-Bot 網格模型

填充模擬場景

在服務的 Start() 方法中呼叫 PopulateWorld() 添加實體：

private void PopulateWorld() {
    AddSky();
    AddGround();
    AddBoeBot(new Vector3(1, 0, 1));
    AddBox(new Vector3(2, 1, 1));
}

AddSky() 建立天空穹頂與方向光源；AddGround() 使用高度場實體建立地面；AddBoeBot() 實例化機器人並啟動模擬驅動服務；AddBox() 添加障礙物。

圖 7 添加天空與光源

圖 8 建立箱狀障礙物

清單檔與執行模擬

使用 DSS Manifest Editor 設定服務合作夥伴，加入 SimpleDashboard 作為控制面板。執行專案後，在 SimpleDashboard 中輸入 localhost 連接，即可使用虛擬搖桿控制 Boe-Bot 在場景中移動並與障礙物碰撞。

圖 9 DSS 清單編輯器最終配置

圖 10 SimpleDashboard 控制介面

圖 11 虛擬環境中操控 Boe-Bot

擴充性：非差速驅動系統

若需模擬三輪驅動等其他系統，需自行實作對應的驅動類別。MSRS 的可擴充架構支援任意硬體平台，這正是其在學術研究中的核心價值。

模擬雖無法完全複製真實世界的干擾因素，但提供了低成本、高安全性的驗證平台，尤其適合資源有限的教學與研發環境。