nao仿真机器人编程如何快速上手？

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NAO 是由 Aldebaran Robotics (现为 SoftBank Robotics) 开发的一款人形机器人，由于其硬件成本高昂，直接在实体机器人上进行学习和开发风险高、成本也高。NAO 仿真环境 是学习和开发 NAO 应用程序的绝佳起点。

（图片来源网络，侵删）

这篇指南将分为以下几个部分：

为什么使用 NAO 仿真？
核心工具：Choregraphe 和 NAOqi
仿真环境的安装与设置
编程方法详解（从易到难）
- 图形化编程（Choregraphe）
- Python 编程（最常用）
- C++ 编程（高性能应用）
一个简单的 Python 编程示例
总结与学习路径

为什么使用 NAO 仿真？

在开始之前,了解仿真的好处至关重要：

零成本和零风险：你不需要购买昂贵的实体机器人,不用担心编程错误导致机器人损坏。
快速迭代：可以快速地测试和修改你的代码，立即看到结果,大大缩短开发周期。
资源丰富：仿真环境提供了完整的机器人模型，包括所有电机、传感器（摄像头、麦克风、陀螺仪等）的虚拟实现。
可复制性：可以轻松地保存和分享你的仿真场景,方便团队协作和教学。

核心工具：Choregraphe 和 NAOqi

要为 NAO 编程,你必须了解两个核心概念：

Choregraphe：
（图片来源网络，侵删）
- 是什么：一个图形化编程环境，也叫“流程图编辑器”，你可以通过拖拽“盒子”（Box）来创建行为，每个盒子代表一个动作、一个传感器读数或一段代码。
- 用途：非常适合快速创建简单的动画、行为序列，以及理解 NAO 的工作流程，它也内置了仿真器,是初学者的首选。
NAOqi：
- 是什么：NAO 机器人的“大脑”或操作系统，它是一个基于模块的框架，每个模块都负责一项特定功能（如运动控制、语音合成、视觉处理等）。
- 用途：Choregraphe 本质上是在创建和连接 NAOqi 模块，当你需要更复杂、更底层的控制时，就需要直接通过 Python 或 C++ 与 NAOqi 交互。

关系：Choregraphe 是 NAOqi 的可视化前端，你在 Choregraphe 中创建的流程图，最终会被翻译成 NAOqi 可以执行的指令，无论是实体机器人还是仿真机器人，它们运行的“大脑”都是 NAOqi。

仿真环境的安装与设置

最主流的 NAO 仿真环境是 NAOqi Sim，它通常与 Choregraphe 捆绑在一起。

步骤概览：

下载：从 SoftBank Robotics 官网下载 Choregraphe，它会自动包含 NAOqi Sim。
安装：按照安装向导完成安装，在 Windows 上,它会自动配置好环境变量。
启动仿真器：
- 打开 Choregraphe。
- 在顶部菜单栏，点击 Connection -> Connect to a robot。
- 在弹出的窗口中，选择 Simulation -> Use a local simulation。
- 点击 Connect。
- 一个虚拟的 NAO 机器人窗口会弹出,你就可以在它身上测试你的程序了！

编程方法详解

图形化编程

这是最直观的方式,适合初学者和快速原型制作。

工作流程：
1. 拖拽盒子：从左侧的“库”中拖拽你需要的盒子到主画布（Say 盒子用于说话，Wait 盒子用于等待，Motion 盒子用于动作）。
2. 连接盒子：用箭头连接盒子，定义执行的先后顺序和逻辑，连接 Say 盒子的 out 端口到 Wait 盒子的 in 端口,表示说完话后等待。
3. 配置参数：双击盒子，可以修改其参数，在 Say 盒子里输入你想说的话。
4. 测试：点击顶部的“播放”按钮，仿真 NAO 就会执行你设计的流程图。
5. 保存与导出：你可以将流程图保存为 .xml 或 .py 文件，导出为 Python 文件后，你就可以在 Python 环境中进一步修改和扩展它。

Python 编程（最常用）

当你需要处理传感器数据、实现复杂逻辑或进行算法开发时，Python 是不二之选。

工作流程：
1. 建立连接：你的 Python 脚本需要通过网络连接到 NAOqi（无论是仿真器还是实体机器人）。
2. 获取代理：通过连接，获取 NAO 的各个功能模块的“代理”（Proxy），ALMotion（运动代理）、ALTextToSpeech（语音代理）、ALVideoDevice（摄像头代理）等。
3. 调用方法：通过这些代理，调用它们提供的方法来控制机器人。motionProxy.setStiffnessNames("Body", 1.0) 是让机器人身体变硬（可以运动）。
4. 处理事件：可以设置“事件回调”函数，让机器人在特定事件发生时（如检测到人脸、听到关键词）自动执行你的代码。

C++ 编程

对于需要高性能计算的应用，如图像识别、复杂的物理模拟等，可以使用 C++。

特点：
- 性能更高：运行速度比 Python 快。
- 更复杂：需要编译,开发环境配置更复杂。
- 主要用于研究：在学术界和工业界的尖端项目中使用较多。

一个简单的 Python 编程示例

下面是一个完整的 Python 示例，它会连接到仿真 NAO，让它说“你好，世界！”,然后挥手。

前提：确保你的 Choregraphe 仿真器已经启动并运行。

代码 (nao_hello.py):

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 导入必要的库
from naoqi import ALProxy
import time
# --- 配置参数 ---
# NAOqi 的 IP 地址（如果在本机运行仿真器，通常是 "127.0.0.1"）
IP = "127.0.0.1"
# NAOqi 的端口（默认为 9559）
PORT = 9559
def main():
    """
    主函数：连接 NAO 并执行简单动作
    """
    try:
        # 1. 创建代理连接到 NAOqi 的各个模块
        print("正在连接到 NAOqi 服务器...")
        # 创建语音合成代理
        tts = ALProxy("ALTextToSpeech", IP, PORT)
        print("语音代理连接成功。")
        # 创建运动代理
        motion = ALProxy("ALMotion", IP, PORT)
        print("运动代理连接成功。")
        # 2. 让机器人说话
        print("让 NAO 说话...")
        tts.say("你好，世界！我是 NAO 仿真机器人。")
        time.sleep(3)  # 等待3秒，确保话说完
        # 3. 让机器人挥手
        print("让 NAO 挥手...")
        # 让机器人手臂的关节变“硬”，否则无法运动
        motion.setStiffnessNames("LArm", 1.0) # 左臂变硬
        motion.setStiffnessNames("RArm", 1.0) # 右臂变硬
        # 定义挥手动作（这里简化，实际挥手需要更复杂的轨迹）
        # 我们让右臂从0度移动到90度
        names = ["RShoulderPitch"] # 控制右肩上下转动的关节名
        angles = [1.57] # 1.57 弧度约等于 90 度
        fractionMaxSpeed = 0.5 # 以50%的最大速度运动
        motion.angleInterpolation(names, angles, fractionMaxSpeed, True)
        time.sleep(2)
        # 让手臂回到原位
        angles = [0.0] # 0 度
        motion.angleInterpolation(names, angles, fractionMaxSpeed, True)
        time.sleep(2)
        # 动作完成后，让手臂恢复“软”状态，以节省电量
        motion.setStiffnessNames("LArm", 0.0)
        motion.setStiffnessNames("RArm", 0.0)
        print("程序执行完毕！")
    except Exception as e:
        print("发生错误：")
        print(e)
if __name__ == "__main__":
    main()

如何运行：

将上述代码保存为 nao_hello.py。
打开你的终端或命令提示符。
确保你的 NAOqi 仿真器正在运行。
切换到文件所在的目录，然后运行命令：
```
python nao_hello.py
```

你会看到：

终端打印出连接和执行步骤的日志。
仿真 NAO 会先说出中文,然后它的右臂会向上抬起再放下。

总结与学习路径

给初学者的建议学习路径：

从 Choregraphe 开始：花一两天时间熟悉 Choregraphe 的界面，尝试拖拽一些现成的盒子，连接它们，看看 NAO 如何反应,这是建立直觉最快的方式。
学习 Python 基础：如果你不熟悉 Python，请先学习 Python 的基本语法，特别是变量、函数、列表和类。
理解 NAOqi 代理：重点学习 ALMotion（运动）、ALTextToSpeech（语音）、ALAudioPlayer（播放音频）、ALMemory（全局变量/事件中心）这几个最常用的代理。
模仿和修改示例：找到官方的 Python 示例代码（在 Choregraphe 的 Resources 菜单下有示例），尝试运行并修改它们,看看会发生什么。
小项目驱动：尝试完成一些小项目，
- 让 NAO 循环播放一段舞蹈。
- 让 NAO 听到特定声音后转向声源方向。
- 让 NAO 用摄像头识别颜色,并用语音说出颜色名称。

官方资源：

SoftBank Robotics 官方文档：这是最权威、最全面的资料库，包含了所有 API 文档和教程。
- NAOqi 1.14 Documentation (Python)
- NAOqi 2.1 Documentation (Python) (新版本)
NAO 开发者社区：有大量的开发者分享他们的经验和项目。

希望这份详细的指南能帮助你顺利开启 NAO 仿真机器人的编程之旅！祝你玩得开心！

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