基于增强现实的6自由度工业机器人示教研究

针对机器人离线编程效率低和交互性差的问题,提出了一种6自由度机器人增强现实示教系统。利用位置姿态跟踪系统采集手持式示教器的位置和姿态,以示教器位置和姿态作为输入,利用6自由度机器人逆运动学模型求解机器人各关节姿态,驱动虚拟机器人模型运动,使虚拟机器人末端执行器复现示教器路径和姿态;利用增强现实技术将6自由度虚拟机器人叠加到真实工作环境中,并通过检查虚拟机器人模型是否与真实工作环境存在干涉,实现对机器人的增强现实示教。研究结果表明:该系统可以准确地把虚拟机器人叠加到真实环境中,实时地跟踪示教器的位置和姿态,且具有良好的人机交互性。     

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。     

面向复杂曲面加工的虚拟夹具辅助机器人示教编程研究

为解决面向复杂曲面加工的机器人示教编程中虚拟夹具构造困难、难以依据操作者意图自适应调整等问题,提出一种虚拟夹具离线构造和在线迭代更新的辅助机器人示教编程策略。采用示教曲面流形离线构造先验虚拟夹具，若先验虚拟夹具吻合待加工曲面，则利用弹簧阻尼系统对示教路径偏差进行在线补偿，否则通过虚拟夹具刚柔性自适应调整实现迭代修正。研究结果表明，由曲面流形构造虚拟夹具简单且具有泛化特性，提高了复杂曲面虚拟夹具构造效率；以正弦/风扇轨迹作为虚拟夹具辅助示教，能使辅助示教路径位置误差、姿态误差分别降低至少84%、81%，并能根据操作者意图自适应调整虚拟夹具以更加吻合目标曲面。     

面向ABB IRB4600机器人的虚拟示教系统研究

针对当前工业机器人示教中,虚拟示教方式存在场景真实度低、灵活性差等问题,对工业机器人的虚拟示教进行了研究,应用虚拟现实技术,提出了一种面向ABB IRB4600系列机器人的虚拟示教设计方法。分析了ABB IRB4600机器人的运动学特性,进行了其正逆运动学的求解。参照真实示教器,进行了虚拟示教器的开发:利用正则表达式设计了RAPID语言解释器,对机器人的运动轨迹进行了规划,用于运动指令的解析。以真实机器人车间为例,进行了虚拟示教场景的搭建。研究结果表明:所开发的机器人虚拟示教系统在一定程度上弥补了当前工业机器人虚拟示教存在的不足,具有较高的灵活性、沉浸感强,用户可以方便地进行机器人的示教。     

基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测研究

采用数字孪生技术对码垛机器人工作站进行研究,针对码垛机器人工作站的基本工艺流程,提出一种数字孪生模型构建方法,设计并完成了码垛机器人工作站在线监测系统,通过通信协议(Transmission Control Protocol, TCP)技术和机器人操作系统(Robot Operating System, ROS)共同完成物理码垛机器人工作站与虚拟码垛机器人工作站两者之间数据交互与实时通信,实现对码垛机器人工作站的工作状态进行可视化在线监测。研究表明,所构建的码垛机器人工作站孪生体可与物理实体实时随动,通过对物理实体工作状态的数据采集,完成实时可视化在线监测,保证了六轴协作臂对物块的抓取和定位准确率高达99.17%,可以进行准确的位置码放。     

基于误差修正的遥操作力反馈技术研究

基于虚拟现实的遥操作技术是目前实现时延下遥操作准确力反馈的重要方法。分析了遥操作虚拟模型误差,提出以虚拟手指尖位移来获取场景中手指碰撞信息,利用基于弹簧、振子、阻尼的动力学模型计算虚拟力。为减小虚拟模型误差,以从端反馈数据修正虚拟场景碰撞信息,采用自适应的最小二乘法实现对动力学模型各参数的在线参数辨识。实验结果表明,上述方法可实现快速模型误差修正,并使虚拟力与真实力基本吻合,提高操作的准确性。     

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。     

面向核退役设施拆除的机器人遥操作系统设计及实现研究

在核电站等具有强核辐射的高危环境中,遥控机器人拆除核退役设施具有非常重要的意义。在自行研制的核退役设施拆除机器人基础上,文中设计并实现了遥操作主端,为操作者提供手柄控制、编程控制和示教控制等多种控制方式。由于操作者与机器人在空间上是隔绝的,操作者无法实时观察机器人空间构型。为了避免机器人遥操作过程中的自碰撞问题,设计了机器人虚拟仿真软件。通过导入机器人几何模型,增加碰撞检测功能,为操作者实时反馈现场机器人作业时的构型,提升机器人作业操作的安全性。     

基于数字孪生技术的工业机器人故障预测方法

为了提高工业机器人的运行效率，采用数字孪生技术和卷积神经网络算法设计了工业机器人故障的预测方法。首先设计了工业机器人故障预测的基本架构，然后利用数字孪生技术构建了虚实映射的工业机器人的物理模型，并提取工业机器人的运动姿态特征，最后利用卷积神经网络算法构建了工业机器人电机故障的预测模型，通过对故障特征信号特征提取和分类，实现了故障的实时预测。仿真结果表明：通过孪生虚拟模型获取的工业机器人运行状态与实际运行状态高度重合，采用提出的故障预测方法对100组数据处理，得到的正确率、精确率、召回率和F1值4个性能指标分别为0.961 7、0.903 5、0.925 4和0.923 1，均明显高于其他两种对比方法，为工业机器人进行故障诊断和预测提供有力的技术支持。     

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。     

基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究

数字孪生体是实现数字孪生范式的关键所在，针对忽略系统可演化性导致的数字孪生体孤岛问题，提出了一种基于领域驱动设计的数字孪生体构建方法，用于构建具有演化性的数字孪生体。数字孪生体的领域模型由镜像、功能和关联3个子域组成。其中，镜像子域描述物理实体的静态属性，如尺寸、材质等，是通用域；功能子域描述物理实体的能力属性，如制造能力、运动能力等，是核心域；关联子域描述物理实体所处空间尺度的上下文交互关系，是支撑域。围绕所提出的领域模型，设计了数字孪生体的演化性实现机制，以构建工业机器人数字孪生体为例，对所提出的数字孪生体构建方法和可演化机制进行了可行性分析。     

遥操作机器人运动的实时三维监控方法研究

针对一般遥操作机器人实时运动监控的不足之处,提出一种新型遥操作机器人运动实时三维监控方法。首先根据遥机器人外形建立一个虚拟机器人三维外观网格模型,再根据机器人本体内部的关节及其他运动机构的位置,建立一个内嵌于网格模型下的骨骼模型;经过坐标、数学模型转换,把遥机器人运动学模型应用到虚拟机器人骨骼模型上,实现遥机器人与机器人骨骼模型的运动学模型一致。通过无线发送把遥机器人运动数据传输到监控端,利用Direct3D编程计算把运动数据转换成虚拟机器人运动指令,运动指令控制骨骼模型运动,骨骼模型的运动同时驱动虚拟机器人三维网格模型运动,虚拟机器人三维模型将产生一个与遥机器人同步运动的动画,从而实现了对遥操作机器人运动的三维监控。     

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。     

基于数字孪生的火箭起飞安全系统设计

为解决射前火箭起飞安全性分析与控制的及时性和准确性问题,提出一种基于数字孪生的火箭起飞安全系统设计方案。该系统采用数字化仿真、多源模型处理等技术完成虚拟仿真场景的构建。系统的数据采集模块对火箭、地面设备等产品的实时信息进行采集,完成火箭起飞场景数字孪生体的演化。采用数字化仿真技术,实现火箭起飞过程仿真、干涉检查和安全性分析。同时,系统根据仿真结果对火箭姿态进行优化和控制。为保证火箭起飞安全系统的正确性,采用火箭起飞过程中的真实数据,对系统模型进行不断评估和修正。该系统提高了火箭发射的可靠性,为火箭安全起飞提供了保障。     

基于数字孪生的综采工作面工业虚拟服务系统

针对传统虚拟综采工作面数字化程度低、工艺规划周期长、装备运行状态监测困难等问题,设计了基于数字孪生的综采工作面生产系统。围绕综采工作面运行规律及特点,构建了物理综采工作面、虚拟综采工作面、综采虚拟软件服务系统和综采孪生数据系统,研究了系统间的数据交互流程和驱动优化方法。提出虚拟综采工作面元素模型的系统性构建方法,完成了多种类煤层及综采装备建模;基于综采虚拟软件服务系统对综采生产过程进行虚拟仿真,实现了采煤机截割路径规划和不同综采工艺的预演评价;利用相关传感器及软件技术实现了综采装备运行姿态在虚拟环境中的实时映射,在此基础上,建立了分布式局域网协同模型,借助一致性哈希算法实现了多装备监测任务的动态优化分配。经应用测试,该综采虚拟软件服务系统能有效为数字孪生和综采工作面的深度融合及终端装备的生产、规划、监测等问题提供服务。     

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。     

基于数字孪生的卷烟厂仓储研究与应用

针对目前仓储存在运作效率低、数据实时性差、设备健康管理缺乏等问题，设计了基于数字孪生的仓储优化方案。通过三维模型和虚拟场景的搭建，构建了仓储的数字孪生模型，提出了数字孪生仓储的体系架构，选用了OPC UA通讯框架进行数据采集和通信，利用数据驱动数字孪生模型，实现了数字空间与物理空间的交互融合。最后通过某卷烟厂仓储的落地应用，验证了系统的可行性和有效性，为数字孪生技术在仓储管理领域的应用提供了技术支撑。     

基于力反馈的机器人砂带磨削虚拟示教轨迹规划方法

提出了一种基于力反馈的机器人砂带磨削虚拟示教轨迹规划方法,开发了一套机器人虚拟示教系统。该系统通过给予操作者连续的磨削力觉反馈和视觉仿真,使操作者沉浸在一个虚拟现实的环境中,能够像真实的手工磨削一样动态地规划工件的磨削轨迹和参数,以避免加工干涉并获得较好的加工表面质量。为了提高示教精度和效率,建立了一个虚拟夹具模型来辅助并引导操作者快速地完成复杂零件的轨迹规划任务。实验研究表明,该方法生成的轨迹能够有效避免机器人磨削复杂零件时的各类干涉,对提升机器人砂带磨削轨迹规划效率具有重要意义。     

空间机器人遥操作系统设计

为了帮助操作者快速直观地规划空间机器人轨迹,开发了一种遥操作系统,该系统由预测仿真 软件、图像监控软件、任务规划软件和手控器４个子系统构成。基于遥操作系统进行了３项实验。一是对于 系统的双边力反馈功能进行了实验,操作者可以根据时延大小实时调整手柄运动的速度;二是进行了单关 节故障仿真实验,通过容错规划后空间机器人仍能以固定姿态完成观测成像任务;三是进行了碰撞检测仿 真实验,利用实时遥编程功能可以验证规划路径的合理性,避免碰撞发生。     

环形穿梭车数字孪生系统可视化场景的搭建与实现

基于数字孪生理论搭建环形穿梭车数字孪生系统可视化模场景。从多角度对环形穿梭车进行物理结构、动作逻辑、运行数据上的分析，并使用模型编辑程序、模型驱动程序等工具搭建了一个同步于环形穿梭车物理实体的虚拟映射孪生体。通过对实时采集的环形穿梭车运行数据进行分析处理，实现对环形穿梭车系统的数字化监控和运维。