今天我很荣幸地介绍我的同事塞巴斯蒂安·卡斯特罗作为客座博主。他将分享一个接触建模简介．塞巴斯蒂安，舞台是你的了!

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在这篇文章中，我将讨论如何使用Simulink®、Simscape™和Simscape Multibody™模拟机械接触。金宝app

动机

机械接触建模可用于为各种工程领域构建逼真的模拟，包括

• 机械系统:轮式机器人，步行机器人，机器人抓手
• 汽车系统:轮胎与地面的相互作用，悬挂和传动系统组件
• 工业自动化系统:机器人夹持器(再次)，流水线组件，如传送带，托辊和其他机构

接触力学建模

接触力是固体之间相互作用的结果。为了在仿真中近似接触行为，我们使用接触模型。

接触力的两个主要组成部分可以分解为

• 正常的力量:当物体碰撞时，将它们相互推开。顾名思义，这些力对接触点是正常的。
• 摩擦力量:防止接触的物体完美地从彼此之间滑开。这些力沿接触面作用，与接触面的光洁度或粗糙度有关。

法向力可以用几种方法建模，包括

• Impulse-based:这是两个物体碰撞时发生的一次性事件。在碰撞前，每个物体都有一定的动量(质量*速度，或其旋转当量)。碰撞后，每个物体动量的大小和方向会根据碰撞类型；例如，弹性vs.非弹性。这种方法在对象不频繁接触或不接触的模型中效果最好。

• 部队:法向力根据作用力定律作用于物体上。一种常用的方法是应用惩罚力；例如，将接触面视为弹簧和阻尼器，其系数近似于现实世界的行为。惩罚力允许物体重叠，这可以接近这些物体碰撞时的变形(或“压扁”)。与基于脉冲的方法不同，基于力的碰撞可能需要多个仿真时间步才能达到稳态。

• 运动约束:在这里，我们假设物体总是在接触，所以我们不必担心碰撞动力学。例如，如果我们假设一个轮子总是在地面上，我们不需要建模法向力;我们只需要一个摩擦模型来把轮子的转动与其直线运动联系起来。

摩擦力通常由两个不同区域的作用力定律组成。

• 静态摩擦表示静止物体开始沿其接触面滑动所需的初始力。
• 动摩擦表示物体沿其接触面移动时的阻力。

摩擦力曲线可以用方程表示，也可以直接用查找表中的曲线数据表示。

与Simulink®联系金宝app

金宝appSimulink®让您图形化实现方程。机械系统动力学可以用微分方程来建模，这通常与机械系统动力学有关积分器块。这是因为牛顿的2^nd法律(力=质量*加速度)．加速度可以积分一次来计算速度，再积分一次来计算位置。

要实现基于力的接触和摩擦力，可以使用用于数学运算的块表示力定律，或者直接将摩擦曲线表示为查找表。这些力可以被总结并传递到Integrator块中，如下所示。

与Simscape™的1D接触

Simscape™扩展了Simuli金宝appnk®，无需推导运动方程即可对1D物理网络(电，流体，机械等)建模。每个机械Simscape™组件都是通过建立速度和力/扭矩之间的关系来实现的，因此您可以在Simscape™中实现一维基于力的接触。

Simscape™具有内置块，例如平移摩擦而且平移硬停块，为接触建模提供了良好的起点。如果您想实现不同的法力定律或摩擦力定律，您可以查看Simscape™块的源代码并自定义它们的方程—或者您也可以从头创建自己的组件．

与Simscape Multibody™的3D接触

您可以使用Simscape Multibody™来建模3D刚体系统。您可以使用这些模型实现两种类型的联系。

如果要将1D接触连接到更大的3D模型，例如执行器限制或摩擦，则可以使用Simscape Multibody™多物理库以帮助您连接一个单独的转动或移动关节块到硬停止和上述摩擦块。

否则，您可以通过以下方法实现更通用的(2D或3D)惩罚力关系

1. 测量两个物体之间的相对运动(将传感器）
2. 使用Simulink®块进行“数学运算”金宝app
3. 将产生的接触力/力矩施加于接触对象(外力+力矩）

的Simscape多体™接触力库已经为某些基本形状实现了这些力，如球体、平面和管。我强烈建议使用这个库作为起点，如果你需要实现一些不同的东西，你可以自定义这些块。

结论

我们刚刚介绍了在Simulink®、Simscape™和Simscape Multibody™中建模机械接触的几种方法。金宝app总而言之,

• 金宝app仿真软件®是最灵活的工具，让您实现基于脉冲和基于力的接触。但是，你需要推导出所有的运动方程。
• Simscape™让你建模一维机构，而不需要推导运动方程，并包含基本块(可定制)，以表示正常和摩擦接触力。
• Simscape多体™让您建模三维刚体系统，而无需推导运动方程。
  • 的Simscape Multibody™多物理库帮助您接口单独的旋转或平移自由度与1D Simscape™块。
  • 的Simscape多体™接触力库包含用于简单形状之间的2D或3D接触力的块。

要了解更多信息，请观看这篇博客文章中的视频。您还可以从文件交换．

你正在计划或正在进行机械接触的模拟吗?你对我们在这篇文章中分享的方法或库有什么评论吗?我们很想听到你的消息。

——塞巴斯蒂安