[发明专利]基于数字孪生的人机协同固体燃料整形系统及建立方法

说明书

本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及基于数字孪生的人机协同固体燃料整形系统及建立方法，包括以下步骤：1)对整形场景模型进行构建；2)建立固体燃料模型；3)建立机械臂数字孪生仿真模型，并在机械臂数字孪生仿真模型上设置功能接口，并与力反馈手柄连接；4)将力反馈手柄与实体机械臂连接，实现机械臂数字孪生仿真模型与实体机械臂的同步运行；5)数字孪生系统通过力控制模块处理，实时改变实体机械臂的运动状态；6)机械臂数字孪生仿真模型和固体燃料模型在整形场景模型下的三维场景重构；7)重复步骤4)‑6)。本发明比较传统遥感操作作业，孪生系统提供的模拟视角能全方位查看操作可以让操作者及时对操作过程中突发情况做出调整。

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及基于数字孪生的人机协同固体燃料整形系统及建立方法。

背景技术

“固体发动机火药的人工雕刻”，其实就是火箭发动机固体燃料的微整形。这个过程的本质是：固体推进剂通常采用浇注固化成形，固化完成后要切去多余部位，消除毛刺，使之达到设计的尺寸要求。

当前国内外的整形方式基本都离不开手工操作。只有在大型固体燃料发动机加注敏感性较低的推进剂时，才可以用数控机床缓慢切去大部分多余部位。但是机床刀具碰到金属壳体摩擦生热会点燃推进剂，因此贴近金属壳体的部位，仍然需要采用非金属手工刀人工切除。固体推进剂点燃后也没有任何方法可以灭火，温度极高，还会产生有毒性和腐蚀性的气体。因此，用机器人代替人工整形势在必行，数字孪生技术可以为燃料整形工作提供全新的解决方案。

数字孪生(Digital Twin，DT)技术构建了车间“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根本性的变化。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在虚拟空间中建立机械臂模型，与物理空间真实机械臂的状态互为映射。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，操作者也可通过虚拟机械臂体现的运行特征对实际机械臂的运行状态做出预测、监测和优化。由于固体燃料整形操作环境狭小幽暗，整形切割过程中危险性极高，但要求切割整形人员有丰富的专业经验以面对整形过程中的各种情况，所以遥操作的控制方式非常合适，而三维扫描重构实时场景也能应对较为恶劣的遥操作环境，使用数字孪生的理念系统更能为各种突发状况预测优化，在传统遥操作实施较为困难的极端环境，基于数字孪生的系统方案提供了更好的解决思路。

发明内容

本发明目的是提供一种基于数字孪生的人机协同固体燃料整形系统及建立方法，以克服上述传统遥操作作业，操作者仅能通过机械臂上的手眼相机控制机械臂，容易误撞障碍物和操作目标的缺陷，本发明的孪生系统提供的模拟视角能全方位查看操作可以让操作者及时对操作过程中突发情况，如：机械臂勿撞燃料罐、切割位置不正确、切割下来的燃料大小不符合要求及时做出调整。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于数字孪生的人机协同固体燃料整形系统的建立方法，包括以下步骤：

1)通过深度相机对场景实时扫描，将扫描后得到的点云数据发送至数字孪生系统进行处理，数字孪生系统根据处理后的点云数据对整形场景模型进行构建；

2)在整形场景模型中建立固体燃料模型，完成固体燃料整形场景模型的建立；

3)在固体燃料整形场景模型建立机械臂数字孪生仿真模型，并在机械臂数字孪生仿真模型上设置功能接口，并将功能接口与力反馈手柄连接，以实现对力反馈手柄的控制；