MuJoCo中凹面物体碰撞穿透问题的分析与解决

问题现象描述

在使用MuJoCo物理引擎模拟机械臂抓取凹面物体（如烧杯）时，发现当物体初始状态为侧放时会出现穿透地板或桌面的现象。具体表现为：

1. 当凹面物体初始设置为直立状态并自由下落时，碰撞检测表现正常
2. 当凹面物体初始设置为侧放状态时，物体部分会穿透支撑平面
3. 这种现象在UR10e机械臂抓取场景中同样存在

问题原因分析

经过技术分析，造成这种现象的主要原因在于物体坐标系设置与碰撞检测的交互关系：

1. 物体坐标系位置：凹面物体的坐标系原点通常设置在物体底部中心位置
2. 纯旋转问题：当仅对物体的自由关节施加纯旋转而不调整位置时，旋转中心位于物体底部
3. 几何穿透：侧向旋转会使物体侧面部分向下移动，导致与支撑面发生几何穿透
4. 物理约束：支撑面厚度不足时，穿透可能导致物体被"卡住"在支撑面中

解决方案

针对这一问题，MuJoCo技术团队提供了几种可行的解决方案：

方案一：调整支撑面属性

1. 增加支撑面的厚度参数
2. 确保支撑面厚度足以容纳可能的物体穿透深度

方案二：修改场景碰撞设置

1. 禁用原有桌面碰撞体
2. 添加一个无限平面作为新的碰撞表面
3. 这种方法可以避免有限厚度带来的穿透问题

方案三：调整物体初始位置

1. 计算物体侧放时的有效半径
2. 将物体初始位置在垂直方向上抬高半径长度
3. 公式：新高度 = 原始高度 + 物体半径

技术实现建议

对于需要侧放凹面物体的场景，推荐采用以下实现步骤：

1. 测量或计算物体的最大半径尺寸
2. 在模型定义中，设置物体的初始位置偏移量
3. 确保偏移量至少等于物体半径
4. 对于复杂形状物体，考虑使用凸包近似或网格碰撞体

总结

MuJoCo物理引擎中物体碰撞检测的准确性依赖于正确的几何定义和初始状态设置。对于凹面物体特别是需要非标准姿态的情况，开发者需要特别注意物体坐标系与碰撞几何的关系。通过合理调整支撑面属性、修改碰撞设置或调整物体初始位置，可以有效解决穿透问题，获得更真实的物理模拟效果。