[发明专利]一种面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统和方法

权利要求书

1.一种面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统，其特征在于，包括物理空间、通信接口和数字孪生空间；其中，

物理空间包括机器人、作用环境、数据传感器、主端控制器；其中

数据传感器安装在工作场景，用于采集数据，并通过数据接口与通信接口连接；

主端控制器控制机器人运行和物理空间的信息传输；

通信接口用于连接物理空间和数字孪生数字空间，实现实时数据通信；

数字孪生空间包括几何表达模块、物理表达模块和三维展示与控制平台；其中

几何表达模块实现物理空间中物体的几何建模；

物理表达模块包括交互动力学模块和形变渲染模块，其中，

交互动力学模块包括环境接触动力学模型；环境接触动力学模型用于提供机械手与环境之间的虚拟接触力；形变渲染模块采用基于网格曲面的变形方法，引入真实交互场景下的环境动力学特性，直接对三维物体的网格表面进行操作；

三维展示与控制平台用于对多维虚拟模型及计算结果进行沉浸式渲染。

2.如权利要求1所述的面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统，其中，采集的数据包括工作场景的几何信息、物理信息，其中几何信息包括工作场景中实体的形状、大小尺寸和位置；物理信息包括机器人与环境接触的接触力；数据传感器包括RGB视觉传感器和力矩传感器。

3.如权利要求2所述的面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统，其中，几何表达模块采用统一机器人描述格式描述机器人的机械臂连杆和关节及其相对位置；基于ICP(Iterative Closest Point)配准算法完成多角度下的接触环境点云融合，重建接触环境的三维模型，利用OpenGL增加纹理和颜色信息。

4.如权利要求3所述的面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统，其中，环境接触动力学模型采用Kelvin-Voigt模型：

其中F_P(k)为k时刻施加在环境表面点p上的接触力，θ(k)＝[K(k)，B(k)]^T，K和B分别表示环境的刚度和阻尼，x和分别表示接触点位移和速度；利用视觉传感器获得接触点的位移、速度以及接触力，采用自扰动递归最小二乘法实现模型参数的在线辨识，估算环境的刚度和阻尼系数，完成动力学建模。

5.如权利要求4所述的面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统，其中，在形变渲染模块中，设顶点i在时刻t的位置为S_i(t)，S_i∈S^N，则在t+Δt的位置表示为

S_i(t+Δt)＝S_i(t)+Φ_i(S_i，N_i，S_P，F_P，B，K|t)*(1/r)；

其中r＝1/Δt是渲染速率，Φ_i(S_i，N_i，S_P，F_P，B，K|t)表示顶点位移函数，且有

其中N_i为法线、S_P为接触点位置、F_p为接触力；K为环境刚度、B为阻尼系数；D_j，p为各顶点到接触点的距离；σ为标准差，R为变形半径。