CN110738739A - 一种面向机器人装配的数字孪生***的构建*** - Google Patents

一种面向机器人装配的数字孪生***的构建*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，包括物理空间、承载数字孪生***的数字空间，以及连接物理空间和数字空间的通信接口；物理空间包括装配机器人、装配用设备、装配目标物、主端控制器、装配环境和数字传感器，数字传感器安装于工作场景，采集装配机器人、装配用设备、装配目标物和环境的几何信息和物理信息，并通过通信接口发送至数字空间。与现有技术相比，本发明具有虚拟模型考虑全面等优点。

Description

一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***
技术领域
本发明涉及智能装配领域，尤其是涉及一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***。
背景技术
在企业的生产流程中，装配作业需要耗费大量的人力、物力，在整个生产成本中占有很大的比例，随着科研技术的不断提升，装配机器人被研发，并广泛地运用在制造业中。然而由于工业技术和信息技术的迅速发展，装配工业愈发复杂，导致装配故障率增加，维修成本上升。因此，准确、实时地监测和优化机器人装配过程逐渐称为研究的热点。为满足和适应社会化、个性化和智能化等制造发展的需求和趋势，世界各国相继提出了各自的制造发展战略，先进的传感器技术、强大的计算机建模技术和不断提高的算力使得数字孪生技术应运而生。数字孪生技术是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，在虚拟空间完成映射，从而反映实体***的全生命周期过程。因此将数字孪生技术应用于机器人装配***中，有助与操作人员全方位、准确、实时地了解装配***运行状态，优化装配过程，提高产线制造效率。然而如何建立一个真实的映射关系是一个关键问题，也是将数字孪生技术应用于***优化和故障诊断等的基础。
中国专利CN109359507A公开了一种车间人员数字孪生体模型快速建模方法，该方法通过对车间全局范围内的视觉传感器采集到的图像，利用深度卷积神经网络对图像中的人员进行识别和检测，获得物理世界中实时的人员位置信息，以此构建人员的数字孪生体。单该方法只考虑建立车间人员的数字孪生模型，并不适用自动装配环境。
中国专利CN109571476A公开了一种工业机器人数字孪生实时作业控制、监测与精度补偿方法，改方法利用实时关节数据来驱动机器人数字模型，并利用真实机器人的关节角信息和数字孪生模型的实时关节角信息对比进行关节角补偿更新，但该方法只对机器人的关节信息进行补偿，没有建立装配***的物理模型，缺乏一般性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种虚拟模型考虑全面的面向机器人装配的数字孪生***的构建***，通过建立真实空间的精确虚拟映射、真实和虚拟空间之间的信息传输策略来搭建机器人装配场景下的数字孪生***，有助与操作人员全方位、准确、实时地了解装配***运行状态，优化装配过程，提高产线制造效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，包括物理空间、承载数字孪生***的数字空间，以及连接物理空间和数字空间的通信接口；
所述物理空间包括装配机器人、装配用设备、装配目标物、主端控制器、装配环境和数字传感器，所述数字传感器安装于工作场景，采集装配机器人、装配用设备、装配目标物和环境的几何信息和物理信息，并通过通信接口发送至数字空间。
所述数字传感器至少包括：
深度传感器和RGB传视觉感器，均设有多个，分别从多个角度采集工作场景中装配机器人、装配用设备、装配目标物的深度信息和色彩，形成***的三维点云数据集；
力矩传感器，安装于装配机器人各关节处，用于获得运动的力、力矩方向及作用点信息；
电气传感器，安装于各装配用设备内部，用于采集各设备内部包括电流电压在内的电气参数；
环境传感器，用于采集包括温度在内的环境数据。
所述通信接口包括无线通信接口和有线通信接口。
所述数字空间包括用于建立物理世界的准确、多维数字映射的多维虚拟模型，该多维虚拟模型包括：
几何表达模块，用于建立***的几何模型；
物理参数化表达模块，用于反映机电***的本质关系。
所述几何表达模块将不同视角下的点云数据进行配准转换到同一坐标系下融合，并采用经典的迭代最近点配准算法进行刚性配准，其最小化目标点云集和源点云集的最近点对距离以得到平移向量和旋转矩阵：
Figure BDA0002243150600000031
其中：pi和qi是目标点云集和源点云集上的最近点对，R为平移向量，T为旋转矩阵。
所述物理参数化表达模块利用多领域建模语言Modelica，采用面向对象的方式构建。
所述数字空间还包括用于通过构建虚拟模型评价函数，设计模型更新策略并对多维虚拟模型更新的模型更新控制模块。
所述数字空间还包括三维展示与控制平台，该三维展示与控制平台利用虚拟现实技术对多维虚拟模型进行沉浸式渲染，并提供人与装配***交互接口，使操作人员可以在三维环境中实时观察机器人装配***的运行情况，并在必要时对其进行人工干预指导。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：融合了实际***的几何模型、物理模型，从多角度对***进行数字映射，其中物理模型利用多领域建模语言Modelica，采用面向对象的方式构建，方便实现复杂物理***多模型融合，可以真实地反映机电***的本质关系；针对***通讯量和模型准确度之间的矛盾，为了提高***的鲁棒性，减小传输压力，本发明基于多维虚拟模型，以装配效率等为主要匹配度指标建立模型评价函数，构建模型的更新策略。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为模型更新策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，如图1所示，包括物理空间、承载数字孪生***的数字空间，以及连接物理空间和数字空间的通信接口；
物理空间包括装配机器人、装配用设备、装配目标物、主端控制器、装配环境和数字传感器，数字传感器安装于工作场景，采集装配机器人、装配用设备、装配目标物和环境的几何信息和物理信息，并通过通信接口发送至数字空间。主端控制器控制机器人运行、生产调度和物理空间的信息传输。
数字传感器至少包括：
深度传感器和RGB传视觉感器，均设有多个，分别从多个角度采集工作场景中装配机器人、装配用设备、装配目标物的深度信息和色彩，形成***的三维点云数据集；
力矩传感器，安装于装配机器人各关节处，用于获得运动的力、力矩方向及作用点信息；
电气传感器，安装于各装配用设备内部，用于采集各设备内部包括电流电压在内的电气参数；
环境传感器，用于采集包括温度在内的环境数据。
通信接口包括无线通信接口和有线通信接口，主要有Wifi、5G和TCP/IP等，用于连接物理空间和数字空间，保证可靠的实时数据通信。
数字空间包括用于建立物理世界的准确、多维数字映射的多维虚拟模型，该多维虚拟模型包括：
几何表达模块，用于建立***的几何模型；
物理参数化表达模块，用于反映机电***的本质关系。
由于单视角下的点云信息只能采集到实体表面的部分数据，因此要建立整个***的几何模型，需要将不同视角下的数据进行配准转换到同一坐标系下融合。几何建模模块采用经典的迭代最近点(Iterative Closet Point,ICP)配准算法进行刚性配准，其基本思路是最小化目标点云集和源点云集的最近点对距离，其最小化目标点云集和源点云集的最近点对距离以得到平移向量和旋转矩阵：
Figure BDA0002243150600000041
其中：pi和qi是目标点云集和源点云集上的最近点对，R为平移向量，T为旋转矩阵。最小化上式可以获得平移向量T和旋转矩阵R，使得转换后的目标点云集合源点云尽可能重合。至此，得到整体的形状和布局等，完成物理空间的几何表达。
物理参数化表达模块利用多领域建模语言Modelica，采用面向对象的方式构建，方便实现复杂物理***多模型融合，可以真实的反映机电***的本质关系，其主要包括机械子***和电气子***。
数字空间还包括用于通过构建虚拟模型评价函数，设计模型更新策略并对多维虚拟模型更新的模型更新控制模块。
如图2所示，考虑到非必须的信息实时传输需求，减小带宽压力，模型更新控制模块通过构建虚拟模型评价函数，设计模型更新策略，有条件地对多维虚拟模型更新。具体地，首先基于几何表达模块和物理参数化表达模块搭建可调参数数据库，根据环境场景数据库，建立以虚拟场景中机器人轨迹精度、重复定位精度、位置精度、姿态精度和装配效率为主的匹配度模型，通过聚类分析分类历史交互任务，根据不同类型的装配任务及其主要性能要求，分配不同匹配度指标的权重，构建基于可调模型参数为变量的虚拟模型评价函数。模型更新控制模块根据物理空间的数据定时检测当前多维虚拟模型的状态，当评价函数输出即匹配度指标小于设定阈值时，认为当前时刻需对虚拟模型进行更新，以此确定虚拟模型更新的频率；考虑到可调参数强耦合性和***高效传输要求，基于因子分析对可调参数库进行降维处理，并根据数字孪生模型评价函数将可调参数按权重从大到小排列成一区间，通过尺取法，从大权重至小权重不断扩大参数选择区间，直至满足匹配度要求，以此确定虚拟模型更新的参数。然后通过通信接口将所需更新参数请求发送回物理空间，物理空间根据请求发回相应的参数，继而完成多维虚拟模型的更新。
由于显示数据的多源性和复杂的装配环境，数字空间还包括三维展示与控制平台，该三维展示与控制平台利用虚拟现实技术对多维虚拟模型进行沉浸式渲染，并提供人与装配***交互接口，使操作人员可以在三维环境中实时观察机器人装配***的运行情况，并在必要时对其进行人工干预指导。

Claims (8)

1.一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，包括物理空间、承载数字孪生***的数字空间，以及连接物理空间和数字空间的通信接口；
所述物理空间包括装配机器人、装配用设备、装配目标物、主端控制器、装配环境和数字传感器，所述数字传感器安装于工作场景，采集装配机器人、装配用设备、装配目标物和环境的几何信息和物理信息，并通过通信接口发送至数字空间。
2.根据权利要求1所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述数字传感器至少包括：
深度传感器和RGB传视觉感器，均设有多个，分别从多个角度采集工作场景中装配机器人、装配用设备、装配目标物的深度信息和色彩，形成***的三维点云数据集；
力矩传感器，安装于装配机器人各关节处，用于获得运动的力、力矩方向及作用点信息；
电气传感器，安装于各装配用设备内部，用于采集各设备内部包括电流电压在内的电气参数；
环境传感器，用于采集包括温度在内的环境数据。
3.根据权利要求1所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述通信接口包括无线通信接口和有线通信接口。
4.根据权利要求1所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述数字空间包括用于建立物理世界的准确、多维数字映射的多维虚拟模型，该多维虚拟模型包括：
几何表达模块，用于建立***的几何模型；
物理参数化表达模块，用于反映机电***的本质关系。
5.根据权利要求4所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述几何表达模块将不同视角下的点云数据进行配准转换到同一坐标系下融合，并采用经典的迭代最近点配准算法进行刚性配准，其最小化目标点云集和源点云集的最近点对距离以得到平移向量和旋转矩阵：
Figure FDA0002243150590000011
其中：pi和qi是目标点云集和源点云集上的最近点对，R为平移向量，T为旋转矩阵。
6.根据权利要求4所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述物理参数化表达模块利用多领域建模语言Modelica，采用面向对象的方式构建。
7.根据权利要求4所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述数字空间还包括用于通过构建虚拟模型评价函数，设计模型更新策略并对多维虚拟模型更新的模型更新控制模块。
8.根据权利要求4所述的一种面向机器人装配的数字孪生***的构建***，其特征在于，所述数字空间还包括三维展示与控制平台，该三维展示与控制平台利用虚拟现实技术对多维虚拟模型进行沉浸式渲染，并提供人与装配***交互接口，使操作人员可以在三维环境中实时观察机器人装配***的运行情况，并在必要时对其进行人工干预指导。
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