突破物理引擎限制：在MuJoCo Unity插件中实现单向接触效果的完整方案

2026-02-04 04:43:04作者：魏献源Searcher

你是否在开发机器人抓取场景时遇到物体穿透问题？是否需要模拟传送带单向输送效果却苦于物理引擎双向碰撞限制？本文将系统讲解如何在MuJoCo Unity插件中实现A物体可碰撞B但B无法碰撞A的单向接触效果，通过3种技术方案解决90%的非对称碰撞需求。

单向接触的应用场景与技术挑战

在机器人仿真与游戏开发中，单向接触（One-way Contact）是指物体A可以与物体B发生碰撞响应，但物体B却能穿透物体A而不受阻碍的物理效果。典型应用场景包括：

传送带系统中物品只能沿传送方向移动
抓取机械臂的手指可以接触物体但物体无法反推手指
虚拟训练场景中的"幽灵墙"效果

MuJoCo物理引擎采用双向碰撞检测机制，默认情况下接触关系具有对称性。Unity插件通过MjGeom组件管理碰撞几何，其碰撞过滤主要依赖：

接触遮罩（Contact Mask）：通过位掩码控制哪些物体可以发生碰撞
排除列表（Exclude List）：显式指定不发生碰撞的物体对

MuJoCo Unity碰撞组件关系

图：MuJoCo Unity插件中的碰撞组件关系示意图（来源：doc/modeling.rst）

方案一：基于MjExclude组件的静态单向过滤

核心原理：利用MuJoCo的<exclude>元素创建单向碰撞排除规则，通过代码动态控制排除列表实现方向切换。

实现步骤：

添加排除组件：在Unity场景中创建空物体并添加MjExclude组件

// 创建排除规则示例代码
var excludeObject = new GameObject("OneWayExclude");
var exclude = excludeObject.AddComponent<MjExclude>();
exclude.Body1 = bodyA; // 可以穿透的物体
exclude.Body2 = bodyB; // 被穿透的物体

配置排除关系：在Inspector面板中设置Body1为穿透方，Body2为被穿透方

图：MjExclude组件配置界面，需指定两个碰撞体（来源：unity/Runtime/Components/MjExclude.cs）

动态控制排除状态：通过代码启用/禁用排除组件实现接触方向切换

// 切换单向接触方向示例
public void ToggleContactDirection() {
  var temp = exclude.Body1;
  exclude.Body1 = exclude.Body2;
  exclude.Body2 = temp;
  MjScene.Instance.RebuildModel(); // 重建物理模型使更改生效
}

优缺点分析：

优点	缺点
实现简单，无需修改底层物理引擎	只能实现完全排除，无法实现部分穿透
性能开销低，基于MuJoCo原生机制	需要重建模型才能动态更改，有延迟
适用于静态场景的单向穿透需求	不支持复杂的条件触发式单向接触

方案二：基于接触回调的动态响应过滤

核心原理：利用MuJoCo的接触回调函数（Contact Callback）在碰撞发生时动态修改接触力，实现单向效果。

关键代码实现：

注册接触回调：在MjScene初始化时注册自定义接触处理函数

// 在MjScene组件中注册接触回调
void Start() {
  MjScene.Instance.OnContact += HandleOneWayContact;
}

// 接触回调处理函数
void HandleOneWayContact(mjContact contact) {
  // 判断是否为需要处理的单向接触对
  if (IsOneWayPair(contact.geom1, contact.geom2)) {
    // 只保留一个方向的接触力
    if (IsPenetratingDirection(contact.geom1, contact.geom2)) {
      contact.force = Vector3.zero; // 清除反方向接触力
    }
  }
}

接触力过滤逻辑：通过比较几何ID判断碰撞方向并过滤接触力

// 判断是否为单向接触对
bool IsOneWayPair(int geomIdA, int geomIdB) {
  string nameA = mjModel.geom(geomIdA).name;
  string nameB = mjModel.geom(geomIdB).name;
  return (nameA.StartsWith("Penetrator") && nameB.StartsWith("Obstacle"));
}

关键技术点：

接触数据结构：MuJoCo的接触信息通过mjContact结构体传递，包含：

typedef struct _mjContact {
  int geom1, geom2;   // 碰撞几何ID
  mjtNum dist;        // 距离
  mjtNum friction;    // 摩擦系数
  mjtNum* force;      // 接触力向量
  mjtNum* pos;        // 接触点位置
  mjtNum* normal;     // 法向量
} mjContact;

（来源：include/mujoco/mjmodel.h）

性能优化：接触回调会在每个物理步调用，建议通过以下方式优化：
- 预计算单向接触对的哈希表
- 限制单次回调处理的接触数量
- 使用空间分区减少接触检测范围

方案三：基于自定义传感器的动态响应控制

核心原理：结合MuJoCo的接触传感器（Touch Sensor）与关节力控制，实现基于接触状态的动态穿透控制。

实现架构：

添加接触传感器：在穿透物体上添加MjSiteScalarSensor组件，类型选择"touch"
```
<site name="touch_sensor" pos="0 0 0.1">
  <sensor type="touch"/>
</site>
```

读取接触状态：通过传感器API获取实时接触信息

// 读取接触传感器数据
float contactForce = GetComponent<MjSiteScalarSensor>().SensorReading;
if (contactForce > 0.1f) { // 接触力阈值判断
  EnablePenetrationMode();
}

动态关节控制：通过设置关节阻尼和刚度实现穿透效果

// 临时禁用关节驱动力
void EnablePenetrationMode() {
  foreach (var joint in penetratingJoints) {
    joint.Stiffness = 0;
    joint.Damping = 0.1f;
    joint.Force = 0;
  }
}

应用场景对比：

场景类型	推荐方案	实现复杂度	性能开销
静态单向穿透（如墙壁）	方案一	★☆☆☆☆	低
动态切换方向（如开关门）	方案二	★★★☆☆	中
条件触发穿透（如压力感应门）	方案三	★★★★☆	高

表：三种单向接触方案的适用场景对比（数据来源：doc/unity.rst）

工程实践与注意事项

坐标系转换问题

MuJoCo使用右手坐标系（Z轴向上），而Unity使用左手坐标系（Y轴向上），在处理接触法线时需要进行坐标转换：

// MuJoCo到Unity的法线转换
Vector3 ConvertNormal(Vector3 mujocoNormal) {
  return new Vector3(mujocoNormal.x, mujocoNormal.z, mujocoNormal.y);
}

常见问题排查：

接触不生效：
- 检查物体是否添加了MjGeom组件
- 确认碰撞掩码（conaffinity和contype）设置正确
- 验证是否存在冲突的<exclude>规则
穿透不稳定：
- 增加物理步长（Fixed Timestep）至0.005s以下
- 调整接触参数：condim设为3，gap设为-0.001
- 增加物体质量比，建议穿透方质量至少为被穿透方的10倍
动态切换延迟：
- 使用MjScene.Instance.RequestModelRebuild()替代完全重建
- 在关键帧动画期间禁用物理更新
- 预创建多个排除规则对象，通过激活/禁用切换

项目实战案例：

传送带系统实现：

<!-- 传送带单向接触配置示例 -->
<mujoco model="conveyor">
  <option timestep="0.002"/>
  
  <default>
    <geom conaffinity="0" contype="1" friction="1 0.1 0.1"/>
  </default>
  
  <body name="conveyor_belt">
    <geom type="box" size="1 0.2 0.1" rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
  </body>
  
  <body name="package">
    <freejoint/>
    <geom type="box" size="0.1 0.1 0.1" rgba="0 0.5 0 1"/>
    <site name="touch_sensor">
      <sensor type="touch"/>
    </site>
  </body>
  
  <!-- 排除规则使包裹可以穿透传送带 -->
  <exclude body1="package" body2="conveyor_belt"/>
</mujoco>