ROS2与Gazebo11入门教程-扭转摩擦（Torsional Friction）

说明：

• 介绍如何在GUI或SDF中对扭转摩擦进行设置

概述

• 扭转摩擦当前仅适用于ODE物理引擎

为什么要扭转摩擦

无扭转摩擦的行为

• 当一个方盒在某个平面上旋转时，它们之间会有很大的接触面。

• 在每个接触点上，平移摩擦都会使方盒减速。您可以自己尝试一下：

  • 1. 使用默认的物理引擎打开Gazebo，并插入一个方盒；
  • 2. 选中“视图（View）”->“透明（Transparent）”菜单项，然后选中“视图（View）”->“接触（Contacts）”菜单项，这样我们就可以看到接触点。
  • 3. 右键单击该方盒，然后选择“应用力和扭矩（Apply Force and Torque）”菜单项。
  • 4. 在打开的对话框中，在扭矩（torque）的Z轴上输入1000.0 Nm，然后按下“应用扭矩（Apply Torque）”按钮。该方盒就会旋转一下子然后停下来。

• 现在，对球体也尝试上述相同的操作。您将会看到该球体开始旋转并且永远不会停下来。这是为什么呢？

• 方盒和球体发生不同行为的原因在于，Gazebo默认情况下会使用默认参数启用平移摩擦，但是默认情况下会禁用扭转摩擦。

• 方盒的表面很大，与地面有多个接触点，可以在上图中看到它们被显示为蓝色小球。每个接触点都具有垂直于接触法线方向的角速度和线速度。其中线速度的存在会触发平移摩擦。

• 另一方面，球体的单个接触点没有线速度，因此平移摩擦不会作用于球体上。如果我们希望球体由于摩擦而停下来，则需要为其设置扭转摩擦。

有扭转摩擦的行为

• 现在向仿真世界中添加另一个球体，并为其设置一些参数以启用使扭转摩擦。操作步骤如下：

  • 1. 在仿真世界中插入另一个球体；
  • 2. 右键单击该球体，然后选择“编辑模型（Edit model）”菜单项，这样就会进入模型编辑器。
  • 3. 双击该球体以打开其检查器。进入到“碰撞（Collision）”选项卡，然后找到“表面（Surface）”->“摩擦（Friction）”项。那里有一些对于扭转摩擦很重要的参数，下文会对其进行说明。现在，需要将“Use patch radius”参数设置为false，并将该球体的半径（0.5 m）输入到“Surface radius”参数中。请注意，默认情况下，扭转摩擦系数为1.0。
  • 4. 由于接触面积很小，扭转摩擦通常很小。对于我们的实验，需要很大的摩擦力以使该球体快速停下来。实现这个目的的一种方法就是让球体很重，这样会使其紧贴地面。因此，需要进入到“链接（Link）”选项卡，然后将质量（mass）设置为10000Kg。该球体越重，它压在地面上的力就越大，摩擦力也就越大。
  • 5. 应用所做的更改，关闭检查器，然后转到“文件（File）”->“退出模型编辑器（Exit Model Editor）”菜单项。确保保存该新模型。从“模型编辑器”返回后，仿真仍然处于暂停状态。在继续下一步之前，请确保单击“play”按钮以运行仿真
  • 6. 回到主窗口，像对上面那个无扭转摩擦的球体一样对这个新球体施加扭矩。与第一个球体（仍在旋转且它会一直旋转下去）不同，当施加扭矩时，新球体会快速停止旋转。

扭转摩擦的工作原理

扭转摩擦方程

• 扭转摩擦扭矩是基于接触深度和表面半径进行计算的，其公式如下（可以在此处找到更详细的计算方法）：

T = 3*PI/16 * a * coefficient * N

• 式中：

  • T——由于扭转摩擦而产生的扭矩。

  • 3*PI/16——常数，约等于0.589

  • N——接触点的法向力。

  • Coefficient——扭转摩擦系数。这通常与平移摩擦系数mu和mu2是相同的。

  • a——接触面半径（即SDF中的patch_radius）。这是两个表面之间的接触区域的半径。平面上的球体会产生一个圆形的接触面，该接触面取决于球体半径和接触深度，如下图所示。

• 接触面半径的计算公式如下：

a = sqrt(R * d)

• 式中：

  • R——接触点上的表面半径（即SDF中的surface_radius）；

  • d——接触深度。

  • SDF参数

• 从上面的方程式可以看出，与平移摩擦不同，扭转摩擦不是仅仅取决于法向力及其摩擦系数，还取决于表面之间的接触面积。

• SDF提供了两种参数化接触表面的方法。用户要么定义一个与接触深度无关、大小总是相同的patch_radius（上面的a），要么定义一个与接触深度一起使用的surface_radius（上面的R）。请注意，在这两种情况下，用户都为整个表面指定了一个值，因此为非球形表面选取值时可能需要进行微调。

• 要在这两种方法之间做出选择，可以对use_patch_radius标记进行设置，选择patch_radius参数时需要将其设置为true，而将其设置为false则会选用surface_radius。

• 默认值

coefficient：与mu和mu2一样，该参数的默认值为1.0。

use_patch_radius：默认为True，因此会使用patch_radius。

patch_radius：默认为零，因此即使设置了coefficient，也不会有扭转摩擦。

surface_radius：默认为零，因此即使设置了coefficient，也不会有扭转摩擦。

示例

• 回到上面的示例，由于知道该球体的半径，因此通过将use_patch_radius参数设置为false来选用surface_radius方法。然后也设置了正确的半径。

• 由于从定义上说扭转摩擦很小（想一下球体保持旋转的时间有多长），因此将球体质量增加到一个很大的值，以产生很大的压力并增大接触深度，从而加大了扭转摩擦。

• 在SDF中，该球体示例的扭转摩擦应该如下所示：

<model ...>

...

<link ...>

<collision ...>

...

<surface>

<friction>

<torsional>

<coefficient>1.0</coefficient>

<surface_radius>0.5</surface_radius>

<use_patch_radius>false</use_patch_radius>

</torsional>

</friction>

...

</surface>

</collision>

</link>

</model>

示例仿真世界

• Gazebo自带了一个演示仿真世界，可以用以下命令来运行该仿真世界：

gazebo -u worlds/torsional_friction_demo.world

• 在该演示中，有许多模型在旋转。摩擦更大的模型会先停下来，可以观看此视频直观了解该演示的效果。

参考:

• 资料来源