[发明专利]一种面向机器人装配的数字孪生系统的构建系统

权利要求书

1.一种面向机器人装配的数字孪生系统的构建系统，其特征在于，包括物理空间、承载数字孪生系统的数字空间，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，形成系统的三维点云数据集，

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，用于建立系统的几何模型，

物理参数化表达模块，用于反映机电系统的本质关系；

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：

其中：p_i和q_i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，并提供人与装配系统交互接口，使操作人员可以在三维环境中实时观察机器人装配系统的运行情况，并对其进行人工干预指导；

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系统高效传输要求，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。