[发明专利]数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统

说明书

本发明公开了一种数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，包括：数字孪生仿真模型构建模块，基于机械臂CAD装配体模型构建机械臂数字孪生集成仿真模型；机械臂控制模块，实现机械臂数字孪生集成仿真模型的闭环反馈控制；数据采集、预处理与特征构建模块，采集机械臂运行数据并进行预处理，根据机械臂运动学及动力学特性构建用于机械臂故障监测的机理特征；故障监测模块，利用预处理好的机械臂运行数据与构建的机理特征对机械臂数字孪生集成仿真模型闭环运行过程的机械臂运行状态进行实时监测。本发明可有效地实现智能装配机械臂的预期轨迹跟踪控制和数字孪生闭环系统运行过程的实时故障监测。

技术领域

本发明涉及智能制造领域，尤其涉及一种数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统。

背景技术

随着工业4.0、工业互联网的提出，传统制造业正朝着智能制造的方向发展。工业4.0的本质就是通过信息物理系统(CPS)构建智能工厂，使用智能制造的手段来生产智能产品。

在智能制造环境下，制造物联网搭建了车间人、机、物之间的互联互通，实现物理实体的可识别、可跟踪、可交互；而数字孪生(Digital Twin， DT)技术则构建了车间“情境感知-仿真计算-协同决策-生产执行”的闭环逻辑，使得制造业生产管控模式发生了显著变化。

数字孪生技术利用数字化建模和仿真的方法，对物理实体的动力学特征、结构拓扑、三维动态数据等关键信息进行描述与刻画，并融合其在全生命周期中产生的历史数据和实时反馈信息，在虚拟空间中建立与实际物理对象相互映射的虚拟实体。

运用数字孪生技术可以实现在虚拟空间建立机械臂的模型，对物理空间的真实状态进行模拟。当更改机械臂的工作任务时可以通过对数字模型编程调试来实现对实际机械臂运动的规划，从而大幅提高对实体机械臂编程的效率，避免传统直接在实体机械臂上进行实验而带来的成本。结合物理模型、传感器、运行历史等数据还可以实现对机械臂运行状况、健康状况的分析评估，实现对机械臂的轨迹优化与检修预报，从而使柔性制造流水线相应的提高了生产效率，使制造型企业工厂车间真正实现面向服务的智能制造。

对于机械臂建模、仿真、控制和监测等方面内容的研究，学术界/工业界通常是分开进行的，比如：机械臂运动学/动力学模型资源库由机械臂厂商提供、机械臂虚拟可视化仿真由专业的三维装配仿真软件来完成，机械臂控制器设计、部署和实施由控制工程师来分析和综合，而机械臂闭环运行过程的离线/在线故障监测系统则通常是由算法工程师建立的独立于生产运行系统的子系统。

因此，目前尚不存在将机械臂建模、控制与监测各部分整合统一考虑的数字孪生集成系统框架。

发明内容

本发明提供了一种数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，可有效地实现智能装配机械臂的预期轨迹跟踪控制和数字孪生闭环系统运行过程的实时故障监测。

具体技术方案如下：

一种数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，包括：

数字孪生仿真模型构建模块，根据机械臂物理实体搭建机械臂CAD 装配体模型，基于所述机械臂CAD装配体模型通过模型转换插件构建机械臂数字孪生集成仿真模型，所述机械臂数字孪生仿真模型具有机械臂数字孪生虚实交互的功能接口；

所述机械臂数字孪生仿真模型实现机械臂数字孪生体的三维可视化仿真与运行模拟；

机械臂控制模块，面向智能流水线柔性装配环节机械臂设定目标的轨迹跟踪，通过构建机械臂数字孪生集成仿真的控制系统，实现机械臂数字孪生集成仿真模型的闭环反馈控制；

数据采集、预处理与特征构建模块，采集机械臂数字孪生集成仿真模型运行过程中的机械臂运行数据并进行预处理，并根据机械臂运动学及动力学特性构建用于机械臂故障监测的机理特征；