中圖分類號：TG441.7

Digital twin technology of welding robot for on-site maintenance

GAO Hui， HU Xiaohui， WANG Long， ZHOU Canfeng， JIAO Xiangdong （Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing1O2617，China）

Abstract： The engineering field environment of nuclear power，shield structure，ship and ocean engineering and other industries is characterised by complex，unstructured and severe conditions，which has anurgent demand for the use of robots to replace manual welding operations.In order to solve the problem of welding operations incomplex environments，this paper addresses the key technologies such as network communication，threedimensional modelling，pose update，collsion detection，data acquisition，and human-machine interaction. Based on digital twin technology，a teleoperation test platform for the welding robot has been established.This platform creates a real-time and reliable bi-directional data channel between the upper computer controling the virtual robot and the lower computer controlling the physical robot，thereby achieving precise synchronous control of the poses of both the virtual and physical robots.Atthe same time，a robot teleoperation MIG welding test is carried out as the potential application scene of shield machine cuter plate field repair for Q345 steel plate material in 2Gand 3G positions，and the welded seam with good appearance is obtained. The results show that the robotic digital twin and teleoperation technology has certain advantages in solving the high-quality welding under complex working conditions，and has a broad application prospect in the field of nuclear power，shield structure， ship and ocean engineering repair.

Key words： digital twin； welding robot； network communication; 3D modeling; posture update

0 前言

數(shù)字孿生在智能制造、數(shù)字化工廠、焊接機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛而快速發(fā)展，并且與虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合日益緊密。數(shù)字孿生的本質(zhì)是在信息世界對物理世界的等價(jià)映射，因此數(shù)字孿生更好的詮釋了信息物理系統(tǒng)（cyber-physi-calsystems，CPS），成為實(shí)現(xiàn)CPS的最佳技術(shù)。西門子公司率先開展工業(yè)4.0生產(chǎn)線數(shù)字孿生體建設(shè)，針對可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller，PLC）控制效果虛擬仿真[1，開發(fā)了FactoryIO軟件，提供以三維模型為基礎(chǔ)的工業(yè)控制應(yīng)用場景，仿真PLC 編程的控制效果。Friederich等人[2]發(fā)展了數(shù)據(jù)驅(qū)動的用于智能制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生體框架;Agapa-kie 等人[3]應(yīng)用工業(yè)數(shù)據(jù)集分割算法，有效提高了數(shù)字孿生體的建模效率;Schroeder等人4采用web服務(wù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)字孿生體可視化研究；Ludera等人[5]基于AutomationML進(jìn)行了多源異構(gòu)信息的集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)字孿生行為模型的構(gòu)建；Adel等人[6通過關(guān)節(jié)誤差離線補(bǔ)償提高了工業(yè)機(jī)器人的精度;Stefania等人[在汽車車體裝配中，對多臺點(diǎn)焊機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)和運(yùn)動規(guī)劃;Jacopo 等人[]對工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)、感知和協(xié)作進(jìn)行了研究;Benjamin等人[9]研究了數(shù)字孿生中的模型如何更逼真地映射現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)設(shè)備，提出了形狀一模型一貼圖設(shè)計(jì)流程概念，實(shí)現(xiàn)了孿生模型與有限元仿真的輕量化融合；Ghosh等人[1]研究了基于傳感器信號的智能數(shù)字孿生機(jī)床，提出了數(shù)字孿生系統(tǒng)中機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從歷史傳感器信號數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)所需的知識，并建立了與傳感器信號無縫交互的數(shù)字孿生適應(yīng)系統(tǒng)；王冠等人[1]采用數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行了數(shù)字孿生的焊接成套裝備車間現(xiàn)場管理輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仇曉黎等人[12]以離散制造系統(tǒng)的螺線管裝配生產(chǎn)線為研究對象，從物理、行為、信息決策等方面探究生產(chǎn)線的數(shù)字孿生建模技術(shù)；李穎等人[13]利用TECNOMATIX系列軟件中的ProcessSimulate進(jìn)行機(jī)器人點(diǎn)焊工位的數(shù)字化建模與運(yùn)動定義，綜合利用TIAPortal和S7-PLCSIMAdvanced搭建虛擬仿真調(diào)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)由外部虛擬PLC控制加工工位的多機(jī)器人協(xié)同工作。

數(shù)字孿生焊接機(jī)器人按照應(yīng)用場景的特點(diǎn)，可以分為兩類：第一類是焊接車間用數(shù)字孿生焊接機(jī)器人，第二類是工程現(xiàn)場用數(shù)字孿生焊接機(jī)器人，國內(nèi)外機(jī)器人廠商的產(chǎn)品絕大多數(shù)是面向第一類應(yīng)用。工程現(xiàn)場是復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，對機(jī)器人的感知、智能有更高的要求，而且如果是在一些嚴(yán)酷環(huán)境開展機(jī)器人作業(yè)，則通常需要采用遙操作方式，而數(shù)字李生是實(shí)現(xiàn)遙操作的有效技術(shù)手段。目前對于面向工程現(xiàn)場維修的焊接機(jī)器人數(shù)字孿生技術(shù)的研究很少。

以盾構(gòu)機(jī)刀盤現(xiàn)場的機(jī)器人堆焊維修為潛在應(yīng)用場景，開展焊接機(jī)器人數(shù)字孿生技術(shù)研究，構(gòu)建了焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺，解決了數(shù)字孿生技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)通信、三維建模、位姿更新、碰撞檢測、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人位姿的精確同步，成功地模擬了盾構(gòu)機(jī)刀盤現(xiàn)場堆焊維修的機(jī)器人遙操作MIG焊，開展的研究工作既具有創(chuàng)新性，也具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1盾構(gòu)機(jī)刀盤現(xiàn)場維修與焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺構(gòu)建

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀盤刀具受到強(qiáng)烈的沖擊和摩擦，容易發(fā)生刀具斷裂、刀盤磨損等故障，現(xiàn)場維修有時(shí)需要進(jìn)行焊接切割作業(yè)。北京地下直徑線項(xiàng)目泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤嚴(yán)重磨損，前面兩次維修委托給德國北海公司，維修費(fèi)用高達(dá)數(shù)千萬元，影響工期長達(dá)6個月.項(xiàng)目牽頭單位中鐵隧道局集團(tuán)有限公司組織北京石油化工學(xué)院等單位開發(fā)了高壓環(huán)境焊接切割技術(shù)，在氣墊艙內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，焊工采用手工電弧焊、碳弧氣刨[14完成了泥水艙內(nèi)刀具刀盤焊接維修任務(wù)，圖1是盾構(gòu)機(jī)刀盤維修橫焊現(xiàn)場圖片。

針對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境開發(fā)的遙操作機(jī)器人，采用熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧切割等先進(jìn)工藝替換現(xiàn)有技術(shù)，不僅能夠避免人員艙內(nèi)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，而且有利于維修質(zhì)量和效率的大幅度提升。對于遙操作而言，虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人構(gòu)成主從關(guān)系，在計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)高度發(fā)達(dá)的當(dāng)下，主機(jī)器人由原來的實(shí)體形式替換成為虛擬形式，這個虛擬形式就是從機(jī)器人的數(shù)字孿生體。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺構(gòu)成如圖2所示。作業(yè)端設(shè)備包括6軸焊接機(jī)器人、數(shù)字化逆變MIG焊接電源、回轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)2軸變位機(jī)、焊接電流電壓傳感器、CCD等，操作端設(shè)備包括PC和NI數(shù)據(jù)采集卡等。建立6軸焊接機(jī)器人的數(shù)字孿生體，并使之與實(shí)體機(jī)器人之間具備雙向數(shù)據(jù)交互能力。6軸焊接機(jī)器人具備手控盒、監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面虛擬機(jī)器人兩種操作模式，前者用于就近作業(yè)，后者用于遙操作作業(yè)，也就是通過網(wǎng)絡(luò)將對虛擬機(jī)器人的操作指令傳輸給實(shí)體機(jī)器人，實(shí)體機(jī)器人精確再現(xiàn)虛擬機(jī)器人的位姿。PC作為上位機(jī)與作為下位機(jī)的6軸實(shí)體機(jī)器人的計(jì)算機(jī)之間采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 關(guān)鍵技術(shù)重建算法

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信

焊接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖3所示.虛擬機(jī)器人的PC機(jī)與實(shí)體機(jī)器人的計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是TCP/IP傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議，采用客戶機(jī)/服務(wù)器C/S模式實(shí)現(xiàn)兩臺計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享。服務(wù)器在接收連接請求后，客戶端會給服務(wù)器發(fā)送請求，比如請求得到機(jī)器人每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度、運(yùn)動位置等信息。在文中焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺中，通信的信息內(nèi)容可以分為三大類：機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息、機(jī)器人運(yùn)動信息和控制機(jī)器人的指令。機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的信息包括機(jī)器人的PMAC運(yùn)動控制卡狀態(tài)、機(jī)器人的運(yùn)行模式、機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)名稱和機(jī)器人所發(fā)出的錯誤信息。例如，查詢機(jī)器人的PMAC卡狀態(tài)的信息，它所傳送的char型數(shù)組中的第0個元素為 0xc0 ，代表了該數(shù)據(jù)是由客戶端傳來的信息。

焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺利用Windows中的WinsockAPI，使用流式套接字來實(shí)現(xiàn)通信。WinsockAPI包含一些接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的庫函數(shù)，可以用于TCP/IP協(xié)議，在Windows平臺下的應(yīng)用程序可以調(diào)用這些庫函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)所需的功能。使用Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程是：服務(wù)器端首先建立Socket套接字，綁定IP與端口信息，然后開始監(jiān)聽準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。在調(diào)用Accept函數(shù)之后，運(yùn)行此流程的線程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到有客戶端連接到此服務(wù)器，在服務(wù)器與客戶端連接后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2 三維建模

虛擬機(jī)器人的位姿更新、碰撞檢測等主要功能在游戲引擎Unity3D中實(shí)現(xiàn)。Unity3D建模能力偏弱，考慮到平臺對機(jī)器人模型有較高的精度要求，選擇使用SolidWorks完成建模任務(wù)，然后將文件導(dǎo)入到3dsMax中，利用3dsMax更改模型的坐標(biāo)軸等信息，最后導(dǎo)出FBX格式的文件，供Unity3D使用。在Unity3D場景中加載3dsMax所導(dǎo)出的FBX文件，將加載后的文件作為prefab進(jìn)行使用和管理。prefab是Unity3D的一種資源類型，該資源類型能夠在程序運(yùn)行中動態(tài)的創(chuàng)建、銷毀和克隆，從而可以減少資源加載時(shí)的消耗，方便管理場景中的物體。如圖4所示，在Unity3D的Project目錄中可以看到模型文件，這些模型文件可以被加載到場景中，之后可以通過代碼控制它們的位移、旋轉(zhuǎn)、縮放與顏色等屬性。

在實(shí)體機(jī)器人的運(yùn)動過程中，各個關(guān)節(jié)存在層級關(guān)系。例如，當(dāng)機(jī)器人腰部運(yùn)動時(shí)，腰部以上的手臂、手腕等部分都隨之運(yùn)動，但是基座靜止。虛擬機(jī)器人也模仿實(shí)體機(jī)器人的這個特點(diǎn)，子物體繼承父物體的位置，父物體不會繼承子物體的位置。為了使整個場景更具有真實(shí)感，為場景添加了光源。

2.3 位姿更新

平臺要求虛擬機(jī)器人、實(shí)體機(jī)器人二者精確同步，需要采用通信數(shù)據(jù)控制機(jī)器人的行為、更新圖形用戶界面的內(nèi)容。平臺機(jī)器人運(yùn)動監(jiān)控程序使用Unity3D支持的C#語言，IDE選用了MicrosoftVisualStudio，程序中的人機(jī)界面使用界面開發(fā)插件NGUI進(jìn)行設(shè)計(jì)。在通信過程中，客戶端將數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲于字符數(shù)組中，Unity3D將該客戶端作為一個DLL文件，通過引用該DLL，讀取該字符數(shù)組中的內(nèi)容。監(jiān)控程序保持虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人同步運(yùn)動，其方法是根據(jù)通信獲得的數(shù)據(jù)，逐幀更新虛擬機(jī)器人。Unity3D中虛擬機(jī)器人逐幀更新的關(guān)鍵函數(shù)是FixedUpdate，該函數(shù)在固定的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行，用于存放更新虛擬機(jī)器人的相關(guān)方法.Unity3D場景中的物體均附加有一個Transform類，用于描述物體的位移、旋轉(zhuǎn)和縮放，該類中有局部坐標(biāo)、全局坐標(biāo)、全局坐標(biāo)的軸向旋轉(zhuǎn)角和局部坐標(biāo)的軸向旋轉(zhuǎn)角等成員變量，此外還有旋轉(zhuǎn)、移動等成員方法可以使用。本程序中使用Transform類中的Rotate函數(shù)將模型旋轉(zhuǎn)，Rotate函數(shù)接受3個float型的參數(shù)，分別為圍繞局部坐標(biāo)中 x，y，z 軸的旋轉(zhuǎn)量，返回值為void。

2.4 碰撞檢測

平臺機(jī)器人運(yùn)動監(jiān)控程序基于Unity3D引擎編寫，其中的碰撞檢測算法使用的是AABB（axis-ali-genedboundingbox）軸對齊包圍盒的方式，該包圍盒的盒體與世界坐標(biāo)軸平行，并且六面體中的每一個面都與一個坐標(biāo)軸相垂直，具有構(gòu)造簡單、檢測效率高的特點(diǎn)。如圖5所示，機(jī)器人焊槍在距離環(huán)境物體很近時(shí)，即將發(fā)生碰撞的部分變?yōu)榱它S色，其余沒有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的部分則不改變顏色。

2.5 數(shù)據(jù)采集

Qt軟件開發(fā)平臺擁有代碼開源、優(yōu)秀的跨平臺能力、豐富的API，以及窗口設(shè)計(jì)工具.采用Qt的元對象系統(tǒng)、信號與槽機(jī)制、QtDesigner以及用于圖表繪制的qwt類庫，完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)。程序具備焊接電壓電流采集與繪制波形圖、攝像機(jī)控制、攝像機(jī)畫面捕捉、數(shù)據(jù)存儲等功能。

2.6 人機(jī)交互

平臺人機(jī)交互界面主要設(shè)置了5項(xiàng)功能。首先是與PMAC運(yùn)動控制卡的通信狀態(tài)，代表與實(shí)際機(jī)器人的通信是否成功；工作信息分為兩個內(nèi)容，其一是負(fù)責(zé)將機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)名稱顯示在界面上，其二是顯示機(jī)器人當(dāng)前是再現(xiàn)模還是示教模式；關(guān)節(jié)運(yùn)動速度顯示將機(jī)器人的每一個關(guān)節(jié)的瞬時(shí)移動速度顯示出來；虛擬攝像機(jī)控制負(fù)責(zé)觀察三維場景中的機(jī)器人及其周圍環(huán)境，虛擬攝像機(jī)有2臺，一臺在場景中自由移動，另一臺附著在機(jī)器人焊槍工裝上；最后是控制實(shí)際機(jī)器人的急停與恢復(fù)功能，程序中采用兩個按鈕進(jìn)行控制。人機(jī)界面設(shè)計(jì)使用Unity3D中的NGUI插件，界面中的大多數(shù)功能都需要和實(shí)體機(jī)器人控制程序進(jìn)行通信，顯示的數(shù)據(jù)來源于通信后存儲的數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1盾構(gòu)機(jī)刀盤現(xiàn)場焊接維修的特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)刀盤屬于非常復(fù)雜的大型焊接結(jié)構(gòu)，當(dāng)在隧道內(nèi)進(jìn)行刀盤面板維修時(shí)，主要涉及橫焊焊縫和立焊焊縫，如圖6所示。

3.2盾構(gòu)機(jī)刀盤模擬維修機(jī)器人遙操作焊接試驗(yàn)

焊接機(jī)器人系統(tǒng)、數(shù)字孿生體、焊接電流電壓與視頻界面分別如圖7、圖8、圖9所示。焊接試驗(yàn)所使用的焊接電源是芬蘭肯比公司FastMigKMS450，變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)范圍為 0～95^° 。

焊接試驗(yàn)材料使用的是盾構(gòu)機(jī)刀盤普遍使用的Q345鋼板，鋼板厚度 5mm ，長度 160mm 、寬度100mm，鋼板安裝在處于垂直位置的變位機(jī)上。焊材為AWSA5.18ER70S-6，保護(hù)氣體為 80%Ar+20%CO₂ 混合氣體。采用的焊接速度為 40mm/s ，焊接電流為169A，電弧電壓為 25.5V 。機(jī)器人遙操作MIG焊試驗(yàn)如圖10所示，獲得的焊件如圖11所示，焊縫外觀成形良好。

4結(jié)論

（1）基于數(shù)字孿生技術(shù)，搭建了由焊接機(jī)器人系統(tǒng)、遙操作監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的焊接機(jī)器人遙操作試驗(yàn)平臺。（2）解決了網(wǎng)絡(luò)通信、三維建模、位姿更新、碰撞檢測、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人位姿的精確同步。（3）在提出盾構(gòu)機(jī)維修機(jī)器人換人設(shè)想的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)造性地進(jìn)行了機(jī)器人遙操作MIG焊試驗(yàn)，獲得的外觀成形良好的焊縫。（4）針對盾構(gòu)機(jī)刀盤維修的焊接機(jī)器人數(shù)字孿生技術(shù)，可以在核電、船舶與海洋工程等復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境維修中借鑒、推廣和應(yīng)用。

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通信

作者簡介：周燦豐，博士，教授；Email：canfeng @ bipt.edu. cn.