[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在审

专利信息
申请号: 202011276714.7 申请日: 2020-11-16
公开(公告)号: CN112428272A 公开(公告)日: 2021-03-02
发明(设计)人: 何斌;李鑫;王志鹏;朱忠攀;李刚;周艳敏 申请(专利权)人: 同济大学
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16
代理公司: 杭州橙知果专利代理事务所(特殊普通合伙) 33261 代理人: 贺龙萍
地址: 200092 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 面向 数字 孪生 机器人 环境 动态 交互 渲染 系统 方法
【说明书】:

发明公开了一种面向数字孪生的机器人‑环境动态交互渲染系统,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。

技术领域

本发明涉及机器人-环境交互领域,尤其涉及面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统和方法。

背景技术

在面向机器人-环境交互的场景中,由于工作环境的复杂性、不确定性和交互的多态性、多变性,导致无法保证准确、稳定和高效的机-环交互过程。而智能制造则为解决这个问题提供了可能,智能制造是指先进制造技术与新一代信息技术深度融合,如大数据、互联网、人工智能技术,实现制造的数字化、网络化、智能化,不断提升产品质量、效益、服务水平,世界各国纷纷出台了各自的先进制造发展战略,如美国工业互联网和德国工业4.0,其目的之一是借力新一代信息技术,实现物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作,进而实现智能系统。而数字孪生技术的出现及迅速发展为实现上述目的提供了新的思路。数字孪生是一种以数字化方式创建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析和决策迭代等手段实现对物理系统的监测、优化和调控的技术,建立面向机-环交互场景下的数字孪生系统,可以有效地对机-环交互进行监测、模拟、优化和调控等,实现机-环稳定和高效交互。如何建立一个准确、实时的数字孪生系统来模拟机器人-环境交互是一个亟待解决的难点,而其中构建具有忠实映射和高保真度特性的数字孪生交互模型又是关键。

目前针对三维物体动态交互建模主要是基于计算机图形学技术实现虚拟物体的变形效果,侧重于可视化效果,如影视游戏、虚拟仿真等领域。其主要的方法包括自由变形、骨架驱动变形、基于物理的变形和基于网格曲面的变形。其中基于网格曲面的变形只需操作表面少量顶点,并可以直接对三维物体的网格表面进行操作,实现变形,极大方便了实时交互变形操作。面向机器人-环境交互数字孪生系统的物理建模是模拟真实机-环动态交互时环境对所施激励的响应,不仅要考虑三维物体交互响应的实时可视化要求,还需要考虑已存场景下真实环境的响应特性。此外环境是动态的,即在执行接触前,环境的物理特性是未知的,并且在执行过程中,随着接触物体的改变,环境的物理特性也将会不断变化。

因此,本领域的技术人员致力于开发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。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供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。

为实现上述目的,本发明在第一方面提供了一种面向数字孪生的机器人-环境动态交互渲染系统,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。

进一步地,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。

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