工业机器人码垛数字孪生系统的研究与实现

为提高工业机器人码垛的智能化水平,将数字孪生技术与机器人码垛作业流程相结合,研究并设计了工业机器人码垛数字孪生系统。分析了码垛数字孪生系统架构,规划并设计了系统的功能模块和运行机制,阐述了工业机器人数字孪生系统数据集成模块、虚拟场景构建模块、虚拟机器人码垛模块和可视化辅助服务模块的实现方法,融合真实码垛场景下的机器人作业数据,实现了对基于数字孪生技术的工业机器人码垛虚拟可视化仿真与策略优化的信息反馈。设计并开发了面向工业机器人码垛作业的数字孪生系统,以物理码垛场景数据为例,验证了本系统的有效性,为探索数字孪生技术在工业机器人智能码垛的应用进行了尝试。     

基于数字孪生的工业机器人三维可视化监控EI北大核心

为实现对工业机器人的透明、实时可视化监控,提出一种基于数字孪生的工业机器人三维实时可视化监控系统。该系统基于改进的数字孪生系统框架建立机器人数字孪生体,实现了物理单元建模,以及孪生数据的采集、传输与解析,进而同步映射物理单元与虚拟单元,实现了对机器人的三维实时监控。通过采用所开发的原型系统进行验证,证明了所提系统的可行性和有效性。     

基于数字孪生的飞机装配状态巡检机器人的建模与控制

针对飞机装配状态的检验工作,传统的检验方法是人工巡检,效率低、无监督且易出错.为解决上述人工巡检存在的问题,提出一种基于数字孪生的巡检机器人系统,通过数字孪生系统物理层和模型层的双向数据传输实现机器人相机朝向的实时优化和虚实机器人的状态同步,获取待检测区域的真实图像和标准数模图像,通过虚实图像对比获取检测结果,并使用多种可视化手段将检测结果回馈给现场工人.最后,通过设计实验验证了所提数字孪生系统对相机朝向的优化效果,并分析了各传感器精度和状态同步延迟对虚实图像区域的影响,验证了本文飞机装配状态巡检机器人数字孪生系统的可行性.     

基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统

为解决当前盾构换刀机器人缺乏有效监控方式的问题,设计了基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统。系统通过Unity3D仿真平台构建孪生模型,利用机器人运动学模型在实时数据驱动下映射物理实体的运动状态,实现换刀机器人可视化监控,并利用虚拟现实技术提高系统沉浸性和可交互性。同时,针对有限元仿真软件获取力学数据的方式耗时较长、难以满足监控系统实时性要求的问题,构建了基于BP神经网络的换刀机器人力学数据监测模型,可快速获取末端执行器的应力和形变数据以保证系统安全性。最后,开发了盾构机换刀机器人数字孪生监控系统原型样机,验证了所提监控系统的有效性和可行性。     

炭块表面清理数字孪生机器人及其运动控制

为解决我国电解铝工业中炭块表面清理难的问题，结合数字孪生技术提出一种支持机器人路径规划和运动控制的表面清理机器人控制系统解决方案。该方案基于数字孪生的五维结构系统框架，构建了虚拟空间和物理空间互联互通的数字孪生体。首先整理了炭块清理单元的生产管控框架，明确了五层系统架构的组成，分别阐述了具体各部分架构的构建方法和过程；其次对机器人清理空间进行运动学分析，通过算法优化机器人的运动路径；最后将该控制系统应用于该炭块表面清理系统，验证了所提解决方法的可行性和有效性，该方法的应用为数字孪生技术应用到实际的智能制造系统提供了参考。     

数字孪生车间机器人虚实驱动系统构建方法

针对目前数字孪生车间构建中工业机器人等虚拟实体建模复杂、开发周期长等问题,提出了一种数字孪生车间工业机器人虚实驱动系统的模块化构建方法,即将虚实驱动系统分为设置模型参数的交互层和按功能需求设计配置的控制层,然后将实体工业机器人等抽象为单功能原子模型耦合而成的仿真模型。模块化分层构建虚实驱动系统的方法能快速有效地实现工业机器人等数字孪生虚拟实体的建模,以及工业机器人在虚拟空间中的仿真运行模拟和虚实同步运行。     

基于数字孪生的机械产品运动性能调控方法

针对复杂机械产品在生产运作过程中的运动性能难以监测和控制的问题,提出一种基于数字孪生的运动调控方法。该方法以元动作理论为基础,建立机械产品基于数字孪生的运动研究六维结构模型,并规划了数字孪生驱动的运动性能调控模式。根据元动作链的运动特性,实施基于动作层的数据监测技术,解决了传感器的选择和布置问题。利用多维仿真软件和数字孪生技术强大的虚实交互融合能力,制定了具体的建模、仿真和运动优化技术方法。最后,以某六自由度工业机器人为例验证了该方法的合理性和实用性。结果表明,数字孪生驱动的运动性能调控机制适应性好,鲁棒性强,实现了机器人运动性能的精细化管理。     

基于数字孪生的数控机床自动上下料系统设计

为提高机油泵壳体加工的自动化程度,提升生产效率,需要对数控车床进行升级改造,增加C轴功能和动力刀架,并配套上下料机器人和自动料库.基于数字孪生技术,对自动上下料系统进行机电一体化设计.基于NX软件的MCD模块,建立了桁架式机器人的三维数字模型,并通过SIMIT软件实现该三维模型与控制程序的信号交换,并在此数字孪生模型的基础上,完成了上下料系统的机电一体化仿真和虚拟调试,缩短了新产品开发周期,降低了开发成本.     

工业机器人装箱与码垛工作站数字孪生系统设计与优化

为优化工业机器人装箱与码垛的作业效率,结合数字孪生技术,在Visual Components软件中搭建了数字孪生模型,完成了基于Siemens S7和Modbus协议的信息物理融合系统架构设计,实现了物理实体与数字模型的实时链接。采用遗传算法规划了工业机器人装箱与码垛最优路径,利用Visual Components软件完成了编程与数字孪生同步验证。利用搭建的数字孪生模型对动力辊道线和机器人的参数进行优化后消除了码垛机器人的怠工状态,同时将装箱与码垛工作站的工作效率提高了13%。该研究可对装箱与码垛工作站提供参考和理论依据。     

工业机器人去毛刺工作站数字孪生系统设计与优化

为优化工业机器人去毛刺工作站的作业效率,利用数字孪生技术搭建了由1台机器人和2台变位机组成的去毛刺工作站数字孪生模型,实现了物理实体与数字模型的实时通信。采用遗传算法规划工业机器人去毛刺最优路径,利用去毛刺自动跟踪系统提高去毛刺的质量,利用搭建的数字孪生环境对机器人的工具中心点（Tool Center Point,TCP）速度轨迹曲线和作业能耗进行优化分析,使去毛刺工作站的作业效率提高了3.64%。该研究可对工业机器人去毛刺工作站开展相关工作提供参考和理论依据。     

基于DSP的移动机器人智能信号采集处理模块研究

采用以DSP为核心的信号采集与信息处理技术，结合现代智能传感器技术的设计理念，设计了具有广泛适应性的移动机器人智能信号采集处理模块。该模块可以采集多种不同输出特性的传感器信号，并对信号进行智能化的补偿和校准，为决策系统提供更加准确可靠的信息。     

并联机器人末端轨迹测量系统设计

针对机器人末端轨迹检测问题，提出了一种基于拉线传感器的并联机器人末端轨迹追踪系统。该方案采用拉线式位移传感器与角度传感器作为数据采集端，经数据采集卡传递给计算机进行数据处理，实现末端轨迹测量。最后，设计试验样机并基于 Ｃ＃ ＷｉｎＦｏｒｍ 模块编写数据处理模块，从而实现仿真结果与实际相互印证的目标。     

基于嵌入式视觉的移动式自重构微小型机器人

本文提出了一种新型移动式自重构机器人。机器人包含若干可独立执行任务的移动子机器人,单元子机器人由若干模块化组件(中央处理模块、通信模块、驱动模块、弯举模块、超声模块、视觉模块等)组成,并可通过展开结构进行简单变形以增强自身机动性能与越障能力。多个子机器人可以在微型CMOS相机及其它传感器协作下自主对接为整体机器人,并可自重构为蛇形、环形等构形完成越障;在任务完成后,各子机器人可以彼此脱离,形成分布式机器人系统。为实现机器人微小型化,在模块化设计过程中大量采用了紧凑机械结构,设计了基于微型CMOS数字相机的嵌入式图像处理模块用于视觉自重构,以及基于ARM、FPGA的嵌入式中央控制器进行低能耗高效率的全局控制。单元机器人通过了完整功能测试,并完成了两个模块间的对接实验。     

结构物滑移装船平衡控制系统的研究

在对驳船受力进行了系统分析的基础上,将自动测量技术和软件集成技术应用到驳船控制,通过调载水量计算模型和稳性控制模型由程序自动判断压载水舱调节水量的大小,进行水位的调节,并对滑移装船的位移进行实时监测,提高了滑移装船的安全性、可靠性和自动化程度.系统以工控机为控制系统的核心,采用RS485网络进行通讯,由弦振式应变测量系统、潮位传感器、激光测距仪等组成数据采集系统.开发了平衡控制系统软件,建立了系统设备、驳船和大型结构物的信息数据库,并开发了检测控制模块、通讯模块和数据处理模块.进行了实验仿真,通过比较结构物滑移装船在不同工况下的计算数据,对平衡控制系统及其稳性控制进行了验证.     

双机器人制造系统的网络协作离线编程研究

在分析双机器人快速原型加工硬件特点和基础上,建立了双机器人离线编程系统总体结构,研究了图形数据处理、加工路径规划与仿真和后置处理等关键技术,并用IDEF方法对各功能模块进行了详细设计,研制了一套离线编程软件,实现了双机器人加工程序的自动生成,最后详细论述了用NetMeeting进行双机器人异地协作编程的系统配置和工作过程。     

面向微组装单元的数字孪生同步方法及系统实现

为了解决微组装生产线数字化转型面临的数据处理难和设备信息化控制难的问题,设计了微组装生产线单元数字孪生系统架构,提出一种基于实时生产数据的四维融合模型孪生同步方法,从行为实时映射、状态实时映射和动作实时映射的角度对孪生同步进行了诠释,并对其关键技术——多源异构数据分类、清洗与解析和实时数据驱动四维融合孪生模型进行了详细阐述。设计并开发了原型系统,通过实例验证了所提方法的有效性,为实现微组装生产线数字孪生提供了解决方案。     

小型格斗机器人的研究与开发

研究基于PIC单片机为控制核心的格斗机器人。该机器人由动力系统、机械系统和控制系统组成,其控制系统主要由PIC单片机、电动机驱动电路和传感器模块三部分组成。在机器人控制系统的软件设计中,采用自救、搜索和攻击算法。利用灰度传感器和接近传感器将信号经模数转化为14位数字量。在精度问题上,通过软件实现只取其中的高8位,并在实际对抗中,取得较好的效果。     

知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法

对加工过程的实时观察、分析和控制是优化零部件加工策略的重要组成部分。通过融合几何状态、物理状态和设备状态变化等多维、实时的加工过程数据,可以实现对加工过程的建模和监控。数字孪生模型是数字孪生系统的核心与基础。但是,目前还缺乏一种系统且能自适应开发高保真、多尺度、多维加工数字孪生建模方法,以辅助系统进行分析与决策。提出了一种知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法,可以在加工过程中自适应地构建产品数字孪生模型。该模型可根据加工过程自适应的变化,实时表达加工过程中的产品,为数字孪生决策系统提供数据支持。最后在一个航天零件的加工过程中测试了该方法,验证数字孪生拟态模型在加工中应用的可行性。     

面向人机交互的数字孪生系统工业安全控制体系与关键技术

面向人机交互的数字孪生系统工业安全控制体系与技术是系统应用实施的重要支撑,为了突破数字孪生系统中人机交互的安全控制机制和若干关键技术,在分析面向人机交互的数字孪生系统特征的基础上,建立了面向人机交互的数字孪生系统工业安全与控制体系架构,提出数字孪生系统工业安全与控制机制,研究了系统工业安全与控制关键技术,包括人机远程安全操控技术、人机协作作业安全控制技术、模型/数据安全技术、系统态势感知与监测预警技术。通过智能设备远程人机交互与安全操控原型系统和汽车焊接装配工作站人机协作安全控制案例,初步实现了部分关键技术。     

基于数字孪生的生产车间运行状态在线预测

针对数字孪生车间的在线预测难题,提出一种实时数据驱动的数字孪生车间运行状态在线预测方法。分析了车间数字孪生体的内涵和运行机制,构建了基于车间数字孪生体的仿真预测框架,阐述了基于事件调度法的仿真运行逻辑,建立了数字孪生车间输入特性、样本生成、事件处理逻辑之间的关系,融合实时数据实现了基于持续瞬态仿真的车间在线预测。设计并开发了面向数字孪生车间的运行状态在线仿真系统,通过实例验证了该方法的可行性和有效性。