BrickSim: A Physics-Based Simulator for Manipulating Interlocking Brick Assemblies
作者: Haowei Wen, Ruixuan Liu, Weiyi Piao, Siyu Li, Changliu Liu
分类: cs.RO, cs.GR
发布日期: 2026-03-17
备注: 9 pages, 9 figures
🔗 代码/项目: GITHUB
💡 一句话要点
BrickSim：用于操作互锁积木组件的基于物理的实时仿真器
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 物理仿真 机器人操作 互锁积木 卡扣配合 凸二次规划
📋 核心要点
- 现有刚体仿真器难以准确模拟互锁积木的卡扣配合力学，阻碍了机器人操作此类组件的研究。
- BrickSim提出了一种基于力的卡扣配合连接模型，并采用凸二次规划求解内力分布，实现高保真仿真。
- 实验表明，BrickSim在静态稳定性预测中达到100%准确率，并能真实重现动态跌落测试中的结构坍塌。
📝 摘要（中文）
互锁积木组件为富含接触和长时程的机器人操作提供了一个标准化但具有挑战性的测试平台，但现有的刚体仿真器无法真实地捕捉卡扣配合的力学特性。我们提出了BrickSim，这是第一个用于互锁积木组件的基于物理的实时仿真器。BrickSim引入了一种紧凑的基于力的卡扣配合连接力学模型，并使用结构化的凸二次规划来求解由此产生的内力分布。结合混合架构，将刚体动力学委托给底层物理引擎，同时单独处理卡扣配合力学，BrickSim实现了对组装、拆卸和结构坍塌的实时、高保真仿真。在150个真实世界的组件上，BrickSim在静态稳定性预测中实现了100%的准确率，平均求解时间为5毫秒。在动态跌落测试中，它也能真实地重现真实世界的结构坍塌，精确地反映了断裂的发生和具体的断裂位置。BrickSim构建于Isaac Sim之上，进一步支持与各种机器人和现有流程的无缝集成。我们展示了使用BrickSim进行积木组件的机器人构建，突出了其作为灵巧、长时程机器人操作研究基础的潜力。BrickSim是开源的，代码可在https://github.com/intelligent-control-lab/BrickSim上获得。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决现有物理引擎在模拟互锁积木组件时，无法准确捕捉卡扣配合力学特性的问题。现有刚体仿真器通常将连接视为理想约束，忽略了卡扣连接的形变和内力，导致仿真结果与真实情况不符，限制了机器人操作此类组件的算法开发和验证。
核心思路：BrickSim的核心思路是将卡扣配合连接的力学特性建模为一个紧凑的基于力的模型，并将其与刚体动力学解耦。通过显式地计算卡扣连接产生的内力，可以更准确地模拟组件之间的相互作用，从而提高仿真的真实性和可靠性。这种解耦设计允许BrickSim利用现有的高效刚体动力学引擎，同时专注于卡扣配合力学的建模和求解。
技术框架：BrickSim采用混合架构，主要包含两个模块：刚体动力学模块和卡扣配合力学模块。刚体动力学模块负责模拟积木组件的整体运动，由底层的物理引擎（如Isaac Sim）处理。卡扣配合力学模块则负责计算卡扣连接产生的内力，并将其作为外力施加到刚体上。这两个模块通过迭代的方式进行交互，直到系统达到平衡状态。整体流程包括：1) 从场景描述中读取积木组件的初始状态；2) 使用刚体动力学引擎计算组件的运动；3) 使用卡扣配合力学模型计算卡扣连接产生的内力；4) 将内力作为外力施加到组件上，更新组件的运动状态；5) 重复步骤2-4，直到系统达到平衡。
关键创新：BrickSim的关键创新在于提出了一个紧凑的基于力的卡扣配合连接力学模型。该模型将卡扣连接简化为一组弹簧和阻尼器，其参数可以通过实验或有限元分析获得。与传统的基于约束的方法相比，该模型能够更准确地捕捉卡扣连接的形变和内力，并且易于求解。此外，BrickSim还采用了一种结构化的凸二次规划来求解内力分布，保证了求解的稳定性和实时性。
关键设计：卡扣配合力学模型的核心参数包括弹簧刚度和阻尼系数。这些参数可以通过实验测量或有限元分析获得。凸二次规划的目标函数是最小化系统的总能量，约束条件包括力的平衡和力矩平衡。为了提高求解效率，BrickSim利用了卡扣连接的稀疏性，采用了一种结构化的求解器。此外，BrickSim还提供了一组预定义的积木组件模型，方便用户快速构建复杂的场景。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
BrickSim在150个真实世界的积木组件上进行了测试，静态稳定性预测准确率达到100%，平均求解时间仅为5毫秒。在动态跌落测试中，BrickSim能够精确地重现真实世界的结构坍塌，包括断裂的发生和具体位置。这些结果表明，BrickSim能够提供高保真、实时的仿真，为机器人操作研究提供有力的支持。
🎯 应用场景
BrickSim可应用于机器人组装、拆卸和结构分析等领域。它能够帮助研究人员开发更鲁棒、更智能的机器人操作算法，并可用于虚拟装配线的仿真和优化。此外，BrickSim还可用于教育和娱乐领域，例如虚拟积木搭建游戏和机器人编程教学。
📄 摘要（原文）
Interlocking brick assemblies provide a standardized yet challenging testbed for contact-rich and long-horizon robotic manipulation, but existing rigid-body simulators do not faithfully capture snap-fit mechanics. We present BrickSim, the first real-time physics-based simulator for interlocking brick assemblies. BrickSim introduces a compact force-based mechanics model for snap-fit connections and solves the resulting internal force distribution using a structured convex quadratic program. Combined with a hybrid architecture that delegates rigid-body dynamics to the underlying physics engine while handling snap-fit mechanics separately, BrickSim enables real-time, high-fidelity simulation of assembly, disassembly, and structural collapse. On 150 real-world assemblies, BrickSim achieves 100% accuracy in static stability prediction with an average solve time of 5 ms. In dynamic drop tests, it also faithfully reproduces real-world structural collapse, precisely mirroring both the occurrence of breakage and the specific breakage locations. Built on Isaac Sim, BrickSim further supports seamless integration with a wide variety of robots and existing pipelines. We demonstrate robotic construction of brick assemblies using BrickSim, highlighting its potential as a foundation for research in dexterous, long-horizon robotic manipulation. BrickSim is open-source, and the code is available at https://github.com/intelligent-control-lab/BrickSim.