基于Drake的Solo12机器人腿部动力学建模最优方案咨询

我正在使用某库的lower_leg_2_parts分支对Solo12机器人建模，机器人模型通过AddModelFromFile从URDF文件加载到Drake中，之后连接控制器到仿真模型。

柔性体定义：

• 材料：PETG RELAX（具备相应特性）
• 包围盒尺寸：x:y:z = 10:10:14 mm
• 形状参考特温特大学大行程柔性关节相关视频、Mark Naves所著《大行程柔性机构设计与优化》及大行程柔性铰链论文

我希望建模类似示例图的结构，实物原型参考对应图片，同时使用SPACAR柔性多体动力学软件进行参数优化及非线性建模。

我提出了几种可行方案，现咨询哪种方案最优：

1. 拆分机器人刚性部分与4个腿部柔性部分并连接：通过AddModelFromFile添加刚体，RegisterDeformableBody添加柔性体到同一模型，柔性体建模分两种：
   1.1 通过PyDrake的DeformableModel类采用FEM仿真柔性体。问题：无法将deformable与rigid body连接，尝试WeldFrames等方法但无法获取对应bodyB: drake::multibody::Body<double>参数，且柔性体无自身坐标系。
   1.2 参考相关issue方案，使用C++的ForceElement建模柔性体。
2. 将腿部建模为多关节结构并添加小角度约束，但曾出现无阻尼共振振荡问题。
3. 在PyChrono与Drake间搭建桥接，用PyChrono建模柔性体。

• Drake版本：master分支最新版
• 操作系统：Ubuntu 20.04
• 安装方式：CMake源码编译

我已研究deformable_torus.ipynb示例，查阅相关文档未获答案，可提供程序复现步骤。

方案优劣势分析 #

方案1.1（PyDrake DeformableModel FEM） #

• 优势：Drake生态内原生完成仿真，无需跨工具，FEM建模精度较高，能还原柔性体真实形变特性。
• 劣势：当前版本Drake中刚性体与可变形体无法直接焊接，需通过高刚度接触约束间接实现连接；可变形体的坐标系需在注册时绑定到刚性体的参考帧，不能直接调用WeldFrames操作。

方案1.2（C++ ForceElement） #

• 优势：Drake原生柔性建模方式，计算效率远高于FEM，适配实时仿真；可直接将SPACAR优化得到的柔性参数（刚度、阻尼、非线性形变关系）映射到力元模型，精度可控。
• 劣势：需要C开发，若项目以PyDrake为主，需额外编写C扩展或调用编译后的库；需手动完成SPACAR参数到力元模型的映射，对建模细节要求高。

方案2（多关节+小角度约束） #

• 优势：实现简单，完全基于Drake刚性体框架，无额外学习成本。
• 劣势：小角度假设与大行程柔性铰链特性不符，无阻尼共振问题难以根治，即使添加阻尼也无法精准还原非线性形变，仿真精度低。

方案3（PyChrono+Drake桥接） #

• 优势：PyChrono对大行程柔性体建模支持成熟，可复用SPACAR优化结果。
• 劣势：跨工具桥接需处理数据同步、步长对齐等问题，开发复杂度高；两个工具的仿真精度匹配、实时性难以保证，后期调试难度大。

最优方案推荐 #

优先选择方案1.2（C++ ForceElement），理由如下：

1. 完全适配Drake生态，无需跨工具，后期维护与调试成本低；
2. 计算效率满足实时仿真需求，适合控制器开发与验证；
3. 可精准映射SPACAR优化得到的柔性特性，保证仿真精度。

若坚持使用PyDrake开发，可优化方案1.1的连接方式：注册可变形体时绑定刚性体的参考帧，设置刚性体与可变形体的接触刚度为极高值模拟焊接，同时为可变形体添加阻尼项抑制振荡。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Dmitriy Ogureckiy