MuJoCo中机器人模型关节碰撞问题的分析与解决

问题背景

在使用MuJoCo物理引擎进行机器人仿真时，开发者经常会遇到机器人关节间出现意外碰撞的问题。这些碰撞不仅会影响仿真的准确性，还可能导致仿真系统不稳定。本文以一个六自由度工业机械臂模型为例，深入分析这类问题的成因及解决方案。

问题现象

在构建的RV4FRL机械臂模型中，观察到以下异常现象：

1. 相邻关节间出现非预期的接触碰撞
2. 添加接触排除(exclude)后仿真变得不稳定
3. 系统报出"Nan, Inf or huge value in QACC"警告

根本原因分析

经过深入排查，发现问题主要由三个因素共同导致：

1. 网格模型非凸性：STL网格模型包含大量凹面结构，MuJoCo默认会为其生成凸包碰撞体，导致实际碰撞体积大于视觉表现。

2. 接触排除设置不当：虽然使用<exclude>标签可以禁止特定物体间的碰撞检测，但若排除关键接触面，可能导致物理约束不足。

3. 控制器参数过强：执行器(actuator)的刚度(kp)设置过高，当系统检测到碰撞时会施加过大的反作用力，引发数值不稳定。

解决方案

1. 优化网格模型

建议采用以下方法处理网格模型：

• 将复杂模型拆分为多个凸体组合
• 使用专业3D软件简化模型凸度
• 为关键部位创建简化的碰撞几何体

2. 合理配置接触排除

接触排除的正确使用方法：

• 仅排除确实不会发生碰撞的物体对
• 通过可视化工具确认实际接触的几何体对
• 逐步添加排除规则，避免一次性排除过多接触

3. 调整控制器参数

执行器参数调优建议：

• 从较低刚度(kp)开始逐步增加
• 确保阻尼参数(damping)与刚度匹配
• 考虑使用力控或阻抗控制代替纯位置控制

实施效果

应用上述优化后：

• 机械臂各关节运动平滑，无异常碰撞
• 仿真系统保持数值稳定
• 物理行为与预期一致

最佳实践建议

1. 建模阶段就考虑碰撞检测需求
2. 使用MuJoCo的调试工具可视化碰撞几何体
3. 采用渐进式方法调整物理参数
4. 保持视觉几何与碰撞几何的协调

通过系统性地分析问题成因并采取针对性措施，可以有效解决MuJoCo仿真中的关节碰撞问题，获得更加真实可靠的仿真结果。