BladeMaster: Real-Time Robotic Cutting Simulation with Online-Generated Persistent Discontinuities
作者: Zhanyu Yang, Yunuo Chen, Yanjia Huang, Joseph Masterjohn, Yin Yang, Chenfanfu Jiang
分类: cs.RO, cs.GR
发布日期: 2026-09-23
💡 一句话要点
提出BladeMaster以解决机器人切割仿真中的拓扑变化问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人切割 切割仿真 材料点法 GPU加速 拓扑变化 实时性能 双向耦合
📋 核心要点
- 现有的切割仿真方法通常需要预先定义切割表面，难以处理动态变化的拓扑结构。
- BladeMaster通过在线生成持久侧标签来编码切割历史，避免了对切割表面的预定义要求。
- 实验结果显示，该方法在工具驱动切割后实现了超实时性能，显著提升了仿真效率。
📝 摘要（中文）
切割改变了可变形物体的形状和拓扑，使得机器人操作中的准确仿真变得具有挑战性。现有的仿真方法通常需要预先定义切割表面或将材料分离与辅助几何场耦合。本文提出了BladeMaster，一个基于总拉格朗日材料点法（TLMPM）的GPU加速切割框架。其核心思想是通过在线生成的持久侧标签直接在材料点上编码切割历史，这些标签控制粒子与网格的耦合，保持完整材料内的连通性，同时防止在工具撤回后切割面之间的虚假耦合。实验表明，该方法支持逐步和交叉切割，且在代表性任务上实现了超实时性能。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决机器人切割仿真中由于切割导致的形状和拓扑变化的准确模拟问题。现有方法往往依赖于预定义的切割表面或辅助几何场，限制了其灵活性和适应性。
核心思路：BladeMaster的核心思路是通过在线生成的持久侧标签直接在材料点上编码切割历史。这种设计使得切割过程中的物体状态能够被实时跟踪，同时避免了切割面之间的虚假耦合。
技术框架：该框架基于总拉格朗日材料点法（TLMPM），主要模块包括切割工具的跟踪、材料点的状态更新、持久标签的生成与管理，以及工具与材料的双向耦合。
关键创新：BladeMaster的最大创新在于其持久侧标签的在线生成，这一机制与传统方法的预定义切割表面形成了本质区别，极大提高了切割仿真的灵活性和准确性。
关键设计：在实现中，关键参数包括材料点的耦合策略和标签生成算法，确保了切割后材料的连通性和交互性。此外，设计了双向耦合机制，使得材料反作用力能够影响工具的运动。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，BladeMaster在工具驱动切割后实现了超实时性能，显著提升了仿真效率。与传统方法相比，该框架在处理逐步和交叉切割时表现出更高的灵活性和准确性，能够有效减少切割面之间的虚假耦合。
🎯 应用场景
BladeMaster的研究成果在机器人切割、制造业和虚拟现实等领域具有广泛的应用潜力。通过提供高效、准确的切割仿真，该技术可以提升自动化生产线的效率，改善虚拟环境中的交互体验，并推动智能机器人在复杂任务中的应用。
📄 摘要（原文）
Cutting changes both the shape and topology of deformable objects, making accurate simulation challenging for robotic manipulation. A simulator must track the cutting tool as a cut develops, preserve the resulting discontinuities after tool withdrawal, and enable newly exposed surfaces to interact with the tool and with each other. Existing formulations often prescribe cut surfaces in advance or couple material separation to auxiliary geometric fields. We introduce BladeMaster, a GPU-accelerated cutting framework based on the total Lagrangian material point method (TLMPM). Our key idea is to encode the cutting history directly on material points through persistent side labels generated online from the blade geometry. These labels govern particle-grid coupling, preserving connectivity within intact material while preventing spurious coupling across cut faces after tool withdrawal. Our formulation supports progressive and intersecting cuts without predefined cut surfaces or particle duplication. Material-material contact enables cut surfaces to recontact and slide against each other without reconnecting, while two-way tool-material coupling allows material reaction forces to influence tool motion. Experiments demonstrate tool-driven cutting followed by manipulation, with faster-than-real-time performance on representative tasks.