羅明坤 鄧三鵬* 薛強 陸宇立 馬傳慶 丁昊然

（1天津職業(yè)技術師范大學機器人及智能裝備研究院，天津，300222；2天津市智能機器人技術及應用企業(yè)重點實驗室，天津，300350；3天津博諾智創(chuàng)機器人技術有限公司，天津，300350；4湄洲灣職業(yè)技術學院，福建莆田，351119）

0 引言

在制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的大趨勢下，數(shù)字孿生技術逐步從萌芽期走向發(fā)展期，正在從數(shù)字化產(chǎn)品的角度推動著社會的變革[1]。

工業(yè)機器人系統(tǒng)結構復雜、工作環(huán)境惡劣，而且時常處于變工況運行狀態(tài)（如變速、變載等），故對工業(yè)機器人實時監(jiān)測有助于及時發(fā)現(xiàn)、處理故障，并實現(xiàn)故障預測。本文以工業(yè)機器人“減速器模型”裝配生產(chǎn)線為例，通過采集工業(yè)機器人和裝配生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，并基于數(shù)字孿生技術開發(fā)了工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將物理世界的狀態(tài)映射到數(shù)字世界中，實時數(shù)據(jù)驅動數(shù)字模型，直觀并精準地監(jiān)測設備的運行狀態(tài)。

1 基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

如圖1所示為基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體構架圖，該監(jiān)測系統(tǒng)設計步驟如下。

圖1 基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體構架圖

1）利用建模軟件對工業(yè)機器人應用系統(tǒng)的特征和性能等進行建模，確保工業(yè)機器人的幾何、材料等方面與物理世界的實物保持一致，并對零部件采用“父子”節(jié)點的組織方式，從而準確地描述系統(tǒng)的狀況。

2）通過工業(yè)機器人監(jiān)測系統(tǒng)對物理世界中工業(yè)機器人運行時的動作、狀態(tài)進行數(shù)據(jù)實時采集，通過Modbus TCP通信協(xié)議將采集的物理世界數(shù)據(jù)傳送到數(shù)字世界。

3）將采集到的數(shù)據(jù)按照特定格式進行修改，應用數(shù)字孿生技術將物理世界的狀態(tài)映射到數(shù)字世界的工業(yè)機器人應用系統(tǒng)模型中。

4）以信息可視化的形式將運行中的機器人數(shù)據(jù)信息在監(jiān)測界面中展現(xiàn)。

2 孿生模型構建

本文通過三維建模軟件（如Solidworks、UG等）建立工業(yè)機器人應用系統(tǒng)的幾何模型。在搭建數(shù)字世界場景過程中，需要注意工業(yè)機器人各零部件之間的隸屬關系，例如，工業(yè)機器人的零部件包括底座、轉座、大臂、小臂、小臂桿、手腕、末端法蘭，且需要將前一個運動臂作為后一個運動臂的父級，如當父級底座轉動時，其子級部分跟隨轉動，然后將這種設備層次關系在三維建模軟件中描述出來，使數(shù)字世界的模型與物理世界實體特征對應。對模型中的其他零部件的隸屬關系也同樣表達出來，最后將所有的模型導入工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，按照真實的布局布置監(jiān)測場景。

3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)實時映射設計

3.1 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)是實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的實時數(shù)據(jù)的映射，也是工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測的基礎。實時采集的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)包括物理世界平臺的幾何形狀、大小、零件位置等的數(shù)據(jù)，如工業(yè)機器人六根軸的角度、速度、加速度、位置和力矩等。這些數(shù)據(jù)主要通過物理世界的控制器和傳感器采集得到，其中，通過PLC采集平臺中各運行設備的數(shù)據(jù)；通過視覺傳感器采集零部件特征數(shù)據(jù)。如圖2所示為狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和傳輸構架圖。

圖2 狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和傳輸構架圖

為了保證所采集到的數(shù)據(jù)能快速、穩(wěn)定地傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)中，需要做到以下幾點：

1）在數(shù)據(jù)傳輸過程中，傳輸數(shù)據(jù)的速度應大于所采集數(shù)據(jù)的速度，從而保證數(shù)據(jù)能夠被及時地消耗掉，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)堵塞；

2）可以利用監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行臨時存儲，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)臨時存儲到內存中，從而提高采集數(shù)據(jù)的讀寫速度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?/p>

3）以Socket通信作為物理世界與監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式，Socket是AE（應用實體）與TCP/IP協(xié)議族進行雙向通信端點的抽象，同時也是一組接口，可保證數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的正確性和完整性，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

3.2 數(shù)字孿生與工業(yè)機器人狀態(tài)可視化映射

構建數(shù)字孿生與工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測的關鍵一步是要建立數(shù)字世界與物理世界運行狀態(tài)的映射。在工業(yè)機器人裝配“減速器模型”過程中，為了能夠全覆蓋智能制造裝配生產(chǎn)線全生命周期的實時監(jiān)測，需要在設備和裝配工藝兩方面進行研究。其中，設備的映射是通過傳感器技術、以太網(wǎng)技術等實現(xiàn)物理世界設備動作的實時感知，并基于孿生數(shù)據(jù)驅動孿生模型實現(xiàn)物理世界的設備在虛擬環(huán)境下的虛實同步；在“減速器模型”裝配方面，產(chǎn)品模型的映射是在實現(xiàn)設備映射的基礎上，將產(chǎn)品模型裝配的工藝流程、實時位置以及設備模型實時狀態(tài)轉換為不同的模塊事件，基于事件驅動的方法實現(xiàn)產(chǎn)品模型的動態(tài)改變，最終實現(xiàn)產(chǎn)品模型狀態(tài)的實時映射。其中，模塊事件包括工業(yè)機器人本體、立體倉儲模塊、旋轉供料模塊、井式供料模塊、皮帶輸送模塊和伺服變位模塊。減速器裝配映射過程如圖3所示。

3.3 孿生數(shù)據(jù)存儲

本文選擇MySQL數(shù)據(jù)庫作為孿生數(shù)據(jù)存儲平臺，可在裝配“減速器模型”過程中實時存儲工業(yè)機器人在運行中的數(shù)據(jù)。MySQL具有功能強大、運行速度快、安全性高、成本低等特點，提升了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實時性與安全性。將狀態(tài)監(jiān)測軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫，不但可以作為實時孿生數(shù)據(jù)映射到模型，來驅動模型運動，還可以通過這些存儲的數(shù)據(jù)為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供支持。

4 實驗與分析

本文以“減速器模型”的裝配為例，將庫卡機器人（KUKA-KR4型）及設備平臺的幾何模型導入監(jiān)測系統(tǒng)中，通過監(jiān)測機器人本體、集成系統(tǒng)平臺、立體倉儲模塊、旋轉供料模塊、井式供料模塊、皮帶輸送模塊、伺服變位模塊和末端快換模塊等，映射真實的開發(fā)環(huán)境。機器人本體監(jiān)測主要以機器人關節(jié)坐標、工具坐標的運動作為監(jiān)控對象，通過采集的實時數(shù)據(jù)驅動，設備運行信息以數(shù)字的形式進行展示，實現(xiàn)對工業(yè)機器人運動狀態(tài)的實時可視化。

“減速器模型”裝配流程是：

1）工業(yè)機器人抓取減速器的剛輪將其放置在伺服變位模塊上；

2）利用旋轉供料模塊將柔輪放置在規(guī)定位置上；

3）井式供料模塊與皮帶輸送模塊依次對中間法蘭和輸出法蘭進行傳輸；

4）工業(yè)機器人通過吸盤將中間法蘭和輸出法蘭依次裝配在剛輪上；

5）將裝配好的減速器模型放置在立體倉儲模塊上。至此，工業(yè)機器人裝配智能產(chǎn)線完成對“減速器模型”裝配任務。

圖4為采用工業(yè)機器人裝配“減速器模型”過程，圖5為機器人工作站運行部分程序。

圖4 減速器模型智能裝配

圖5 機器人工作站運行程序

以某個時間段機器人6個軸的角度數(shù)據(jù)為例，虛擬模型從數(shù)據(jù)庫中調用歷史數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如表1所示，j1-j6分別表示接收到的6個軸的角度值。

表1 數(shù)字孿生實時采集的角度數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡調試將讀取字符串的數(shù)值轉換成8位數(shù)字，發(fā)送到監(jiān)測系統(tǒng)中，從而提高了工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測的實時性。經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)字世界只比物理世界延遲約30ms，可以滿足在實際裝配過程中的監(jiān)測需求。

本文設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備空間姿態(tài)、機器人系統(tǒng)狀態(tài)（在線、離線、故障狀態(tài)）、機器人系統(tǒng)統(tǒng)計（工作時間）、坐標軸數(shù)據(jù)等實時動態(tài)、全面的數(shù)據(jù)化展示，監(jiān)測方式豐富，有效提高了智能化狀態(tài)監(jiān)測效果。

5 結論

本文設計的基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對物理世界數(shù)據(jù)采集、實時映射，實現(xiàn)了對工業(yè)機器人的在線監(jiān)測。實驗表明，該系統(tǒng)能夠準確、及時地采集工業(yè)機器人在“減速器模型”裝配運行過程中的多種物理信息數(shù)據(jù)，通過實時傳輸信號，不斷地更新數(shù)字孿生模型，真實地反映出“減速器模型”的裝配狀態(tài)。通過“減速器模型”裝配實例，數(shù)字孿生技術在智能裝配中得到了應用，為工業(yè)機器人狀態(tài)監(jiān)測的研究提供了一定的參考。