CN108582068A - 一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法，包括收集断路器装配生产线的相关信息并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，确定各个构件的装配时间与顺序；根据装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，并计算机械臂的运动参数建立运动模型；将运动参数运动仿真，保证模型参数的合理性，最后将断路器装配模型与机械臂模型引入unity3d场景中，实现断路器装配机器人的虚拟运动。实施本发明，基于逆运动学求解机械臂的运动参数，通过Petri网建立逻辑关系，对断路器装配机器人的运动仿真建立虚拟装配系统来实现现实与虚拟同步交互式展示。

Description

一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，尤其涉及一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法及系统。

背景技术

小型断路器是配电网中的重要电气设备，其可靠性对于电网稳定安全运行意义重大。小型断路器日产量巨大，其装配工艺和制造流程十分复杂，传统的以手工生产为主的制造方式，严重制约了产品性能和效率的提升，研究和开发以自动化、数字化为主要特征的新型断路器集成化制造系统，对于提升产品性能及其整体生产效率具有重要意义。

时间Petri网建模可以完善制造系统的工艺布局与方案设计问题，并且能够解决断路器数字化制造系统的流水线上，由于零部件众多，制造工艺复杂，装配过程涉及硬件设备、装配对象、零部件约束装配序列等复杂因素，流程复杂，逻辑关系繁多，所导致的生产节拍调整和时间控制问题。

然而，现有的时间Petri网建模仅局限于对模型和工艺的研究与讨论，缺乏后续的仿真验证，没有将模型计算结果进行形象化地对比和展示，同时缺乏交互性，特别是在以流水线为主要组织形式的现代化制造系统中，机器人的深度参与已成为其数字化、自动化特征的主要体现，研究者还没有开发出利用虚拟现实技术实现机器人机械臂的动态仿真来实现现实与虚拟同步交互式展示。因此，如何将机器人的逆运动学问题与流水线的整体时间节拍控制进行统一，传递给虚拟现实系统并进行交互式展现，是虚拟化数字制造技术中的难点。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法及系统，基于时间Petri网建模，并通过对断路器装配机器人的运动仿真上述时间Petri网建模模型来实现现实与虚拟同步交互式展示。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法，所述方法包括：

步骤S1、收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

步骤S2、根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

步骤S3、建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

步骤S4、通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

其中，所述步骤S1具体包括：

收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

其中，所述步骤S2具体包括：

确定时间节拍约束，将所述断路器装配生产线的生产工序划分成等时间段的多个等数量生产的生产工序来分别作为时间节拍；

对所述断路器装配生产线的物理模型及其对应各机械设备在各个时刻上的运动状态信息进行区分，确定所述断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，并进一步根据所述时间节拍以及所述断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，基于Petri网络设计出所述断路器装配生产线中各机械装配设备的逻辑模型；其中，所述逻辑模型为分级设置的Petri网络模型。

其中，所述步骤S3具体包括：

利用SolidWorks三维制图软件绘制所述断路器装配机器人的机械臂的各个零部件，装配出完整的机械臂三维模型，建立所述断路器装配机器人中各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型，完成装配机器人的机械臂的轨迹规划与运动规划，确定机械臂的运动模型。

其中，所述装配出完整的机械臂三维模型的具体步骤包括：

根据所述断路器的装配信息确定所述断路器装配机器人在运行过程中的运动速度可控的运动轨迹，并采用运动学反解将所述运动轨迹中的路径点转化为关节矢量角度值，且进一步对每个关节拟合成一个光滑时间函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点；

通过预先在预设的笛卡尔空间内对所述运动轨迹的关键点进行选定，将所述运动轨迹的运动路径分解成在关键点间的分段运动，进而采用采用代数法求逆解，得到各关节变量值；

根据得到的各关节变量值，建立机械臂的三维虚拟现实模型。

其中，所述步骤S4具体包括：

根据所述的装配机器人的机械臂运动参数，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性；

将所述的断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

本发明实施例还提供了一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的系统，所述系统包括：物理模型构建单元、逻辑模型构建单元、机器人运动模型构建单元、虚拟仿真单元；其中，

所述物理模型构建单元，用于收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

所述逻辑模型构建单元，用于根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

所述机器人运动模型构建单元，用于建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

所述虚拟仿真单元，用于通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

其中，所述物理模型构建单元包括：

信息收集模块，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

物理模型构建模块，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

其中，所述逻辑模型构建单元包括：

节拍确定模块，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

逻辑模型分级构建模块，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

其中，所述虚拟仿真单元包括：

三维虚拟现实模型构建模块，用于根据所述的装配机器人的机械臂运动参数，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性；

虚拟仿真模块，用于将所述的断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于基于时间Petri网建模，并将基于时间Petri网建模引入unity3d场景，并通过断路器装配机器人在unity3d场景中来模拟基于时间Petri网所建模型的虚拟运动，从而将基于时间Petri网建模和虚拟仿真技术相结合，通过对断路器装配机器人的运动仿真上述时间Petri网建模模型来实现现实与虚拟同步交互式展示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法中主逻辑模型的应用场景图；

图3为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法中主逻辑模型下一分级模型的应用场景图；

图4为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法中主逻辑模型下另一分级模型的应用场景图；

图5为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法中机械臂的应用场景图；

图6为本发明实施例提供的对断路器装配机器人进行虚拟仿真的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法，所述方法包括：

步骤S1、收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

步骤S2、根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

步骤S3、建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

步骤S4、通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

具体过程为，在步骤S1中，收集断路器装配生产线的相关信息，该断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

同时，将收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

在步骤S2中，确定时间节拍约束，将断路器装配生产线的生产工序划分成等时间段的多个等数量生产的生产工序来分别作为时间节拍；

同时，对断路器装配生产线的物理模型及其对应各机械设备在各个时刻上的运动状态信息进行区分，且进一步确定断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，并进一步根据时间节拍以及断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，基于Petri网络设计出断路器装配生产线中各机械装配设备的逻辑模型；其中，该逻辑模型为分级设置的Petri网络模型。

在步骤S3中，利用SolidWorks三维制图软件绘制所述断路器装配机器人的机械臂的各个零部件，装配出完整的机械臂三维模型，建立所述断路器装配机器人中各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型，完成装配机器人的机械臂的轨迹规划与运动规划，确定机械臂的运动参数来构建运动模型。

在步骤S4中，根据所述的装配机器人的机械臂运动模型，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性，最后将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

在本发明实施例中，建立断路器装配机器人中各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型的具体步骤包括：首先且进一步确定断路器装配机器人在运行过程中的运动速度可控的运动轨迹，并采用运动学反解将运动轨迹中的路径点转化为关节矢量角度值，且进一步对每个关节拟合成一个光滑时间函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点；其次，通过预先在预设的笛卡尔空间内对运动轨迹的关键点进行选定，将运动轨迹的运动路径分解成在关键点间的分段运动，进而采用代数法求逆解，得到各关节变量值；最后，根据得到的各关节变量值，建立机械臂的三维虚拟现实模型

如图2至图5所示，对本发明实施例中的一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法的应用场景做进一步说明：

整个断路器装配生产线的主线包括外壳上料、手柄装配、磁系统、热系统等13道基本生产工序，即13个单元，整个生产线中，装配主体放置在承座上通过传送带运转完成装配动作，承座通过承座回流模块实现在传送带中的循环使用。

生产线中，在完成磁系统等部件的装配之前需完成其包含零件的配合组装。而部件配合单元中又包含若干零件上料以及对应的配合过程。单一零件的上料工作以及后续的配合工作由机器人单元或机械单元自动完成。机器人装配是用机器人代替人工在指定约束时间内完成零件的夹取与装配工作，其中在虚拟场景中机器人的运动必须符合整个装配的协调与整体控制。

首先收集断路器装配生产线的相关信息，将收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态。

其次，断路器流水装配生产线工作场合专业化程度高，工艺过程封闭，生产模块按工艺顺序排列，劳动对象在工序间作单向移动。每道工序的工序地数量同各道工序的加工时间比例相一致。每道工序都按照统一的节拍进行生产。

整个断路器流水装配生产线动作可看作是一个多单元局部循环的过程，单个单元从初始状态经过一定规律转化为终止状态，且该单元的终止状态与下一个单元的初始状态一致，再由一定次数的循环即可完成装配流水线的仿真。

基于装配流水线的运动设计原理，将整个流水线描述为A＝(F，O，G，T，M，C，K)，以此来表达生产线装配中所涉及到的所有信息，实现对断路器虚拟装配生产线中各对象的时间-逻辑的动作层次的表达描述，如表1所示。

表1

由以上分析可以得出装配流水线实现运动需要满足以下条件：

(1)虚拟编译环境中需存在全局变量来控制零部件的动画；

(2)虚拟环境中必须包括所有必要零件模型，及各个零件的分组信息；

(3)零件模型之间需具有正确的结构、配合关系；

(4)各个对象在不同时间节点需具有不同的运动规律；

(5)在一个循环后对象和节点均需要进行重置；

(6)虚拟场景中对象的运动规律应该符合装配流水线本身的工艺性；

(7)每个对象必须具有其特定的运动规律；

在基本Petri网N＝(S,T,F)中加入等元素，构成装配流水线Petri网APN＝(S,Sa,TR,F,K,M,M0,TP,T)，其中：

S代表库所集，系统中的资源状态；

Sa代表前期工位完成的装配状态；

TR代表变迁系统中的资源消耗、变化、生成等操作；

F代表流信息，指代装配零件或设备从一个状态到另一种状态的过程；

K代表由一个库所即将发生的多个变迁的权重值；

M为对象每个时间域中的变换量，M＝{M_i}，(i＝1～n)，其中M_i代表对象i的变换量；M_j＝{m_j}，(j＝1～k)，其中m_j代表对象单个时间域内的变换量，如手柄上料需移动的距离。m_js＝{x_js,y_js,z_js；x_je,y_je,z_je}其中(x_js,y_js,z_js)为对象初始坐标点，(x_je,y_je,z_je)为对象目标坐标点。

M0为初始信息，即代表运动未发生时所有模型姿态信息；

TP为时间节点，从动作的开始，随着Fixed Update函数刷新频率进行自加，并到达一定额度后进行对象状态重置和时间点重置，其中TP＝{tp},tp∈[0,kT]。

T为对象的动作时间域，T＝{T_i},(i＝1～n)，其中T_i代表对象i的时间域,如T1为手柄运动的时间域。一个对象的某个动作也分为多个时间段，T_i＝{t_j},(j＝1～k)，t_j代表对象的某个时间域，如t₁为手柄上料的运动时间。t_j＝{t_js,t_je}，t_js和t_je分别代表该对象的变换时间开始和终止节点，如t_js为手柄上料动作开始的节点，t_je为手柄上料动作完成节点。

根据断路器装配流水线的工作原理和结构特征，可以得出如图2所示的APN结构图，通过APN结构图可以描述整个断路器装配主线的工作行为。图2中S0～S13为断路器装配状态，如S0代表为空，S1代表承座装配完成，S12代表所有装配完成。由图1可知，系统8个生产模块共13个基本操作，所以Sa0～Sa12代表断路器装配所需的基本操作已完成状态，如Sa0代表承座上料，Sa12代表合盖。TR1～TR13代表断路器装配运动的过程。K1～K13代表零部件装配次数。

手柄扭簧、磁系统等零部件完成装配之前需完成其各个零部件的配合装配，通过搭建零部件装配Petri网JAPN＝(J,TP,F,K,M0)来描述部件的配合过程，简化后的局部结构图如图3所示。图3中Ji(i＝1～n)代表了部件组合过程中的各零件上料或配合，如J1表示第一个零件已就位，J3代表前两个零件的配合组装。TP(2i-1)代表零件的变迁动作，由上料单元变迁到承座组合进行配合。TP0，TP2，TP4等TP(2i)表示带着前i个零件的承座组合变迁到下一个零件装配工位动作，Sai表示最后组合完成的部件。

零件上料具有单独的装配线路，还需搭建局部零件装配Petri网LAPN＝(P,TH,F,W,M0)来描述单个零件模型的上料，具体如图4所示。图4中，P1～Pi代表模型状态，Th1～Th3代表自动化夹具设备或机器人带动零件进给变迁的过程，Th(-1)～Th(-i)代表零件夹取设备或机械臂在零件上料完毕后的重置过程。运行最后达到JAPN中的Ji状态，即上料完成或配合完成。

最后，将逻辑模型引入unity3d场景。

同时，采用RC90六轴工业机器人作为断路器装配系统的机器人，建立各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型。利用SolidWorks三维制图软件绘制机械臂的各个零部件，装配出完整的机械臂三维模型。

在建立断路器装配机器人中各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型中，首先且进一步确定断路器装配机器人在运行过程中的运动速度可控的运动轨迹，并采用运动学反解将运动轨迹中的路径点转化为关节矢量角度值，且进一步对每个关节拟合成一个光滑时间函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点；

由于关节轨迹插值计算方法较多，本发明实施例中断路器装配机器人采用了点到点运动的轨迹规划，即它的起始点为0，运动到1点完成一定任务后，再将1点视为起始点，运动到2点完成了目标工作任务，然后又将2点视为起始点，继续运动。

点到点的轨迹规划，运用三次多项式方法可以完成。设某一关节在运动初始时刻t_i和终止时刻t_f的角度分别为θ_i和θ_f，两时刻的速度设为0，为实现关节的连续、平稳运动，轨迹函数：

θ(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³ (1)

应满足四个已知约束条件：θ(t_js)＝θ_js，θ(t_je)＝θ_je，将已知条件代入(1)(2)和(3)式中，得到各个系数为：

c₀＝θ_i c₁＝0

其次，通过预先在预设的笛卡尔空间内对运动轨迹的关键点进行选定，将运动轨迹的运动路径分解成在关键点间的分段运动，进而采用采用代数法求逆

对断路器装配机器人进行逆运动学分析，且进一步确定断路器装配机器人的关节和连杆参数如下表2所示：

表2

在轨迹规划过程中，需要在已知末端执行器到达点位姿的情况下求解对应关节角度变量值，即求解逆运动学问题。已知末端执行器的位姿:

式中矢量P表示机械臂末端执行器夹手指尖中心原点，a、o、n为描述夹手方向的三个矢量，接近矢量a处于夹手进入物体的方向上，方向矢量o处于规定的夹手方向上，从一指尖指向另一指尖。法线矢量n与矢量o和a一起构成一个右手矢量集合，而且满足交乘规则：n＝o×a。求解逆运动学问题本质即求解下列方程：

其中为第i关节的转换矩阵，描述第(i+1)坐标系相对第i坐标系的位置和方位。运动学逆解需要考虑机器人工作空间的约束，并存在多解的问题。在机械臂装配过程中，预先在笛卡尔空间内对轨迹途径的关键点进行选定，将较复杂的运动路径分解成在关键点间的分段运动，进而采用代数法求逆解，将逆解问题简化。运用MATLAB的矩阵运算功能可实现求解，求得的各关节变量的表达式如下

式中，

k₄＝-(a₃+a₂c₃)p_z+(c₁p_x+s₁p_y)(a₂s₃-d₄)，k₅＝(-d₄+a₂s₃)p_z+(c₁p_x+s₁p_y)(a₂c₃+a₃)，k₆＝-a_xs₁+a_yc₁，k₇＝-a_xc₁c₂₃-a_ys₁c₂₃+a_zs₂₃，c_ij＝cos(θ_i+θ_j)，s_ij＝sin(θ_i+θ_j)，式中的代号s_i是sinθ_i的缩写，c_i是cosθ_i的缩写。

上述表达式中求得的解有多可能，但是机械臂的结构限制了角度，有的解不能实现，所以应取最满意的一组解。在MATLAB计算仿真中，设置限制角度条件，则自动选取最优解为结果。

运用MATLAB来进行计算仿真，根据模型分析机器人模型结构、机械臂结构参数等数据，在MATLAB中建立机器人模型。为了便于分析和计算，对机器人结构进行简化如图6所示。

仿真运行中，各关节平滑运动到下一目标点。由末端关节的位姿变化也可以看出，机器人关节的运动可以实现不同方位的姿态，即说明了其参数的合理性。将结果代入unity3d虚拟平台中，可以实现断路器装配机器人装配断路器外壳的工作。同时，将建立的Petri网模型中的库所、变迁与unity3d虚拟场景中的实体对象相对应，设置相关参数，通过编程架设Petri网所描述的系统结构，实现系统行为，从而实现Petri网模型到虚拟平台unity3d的映射。

如图6所示，为本发明实施例中，提供的一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的系统，所述系统包括物理模型构建单元110、逻辑模型构建单元120、机器人运动模型构建单元130和虚拟仿真单元140；其中，

所述物理模型构建单元110，用于收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

所述逻辑模型构建单元120，用于根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

所述机器人运动模型构建单元130，用于建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

所述虚拟仿真单元140，用于通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

其中，所述物理模型构建单元110包括：

信息收集模块1101，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

物理模型构建模块1102，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

其中，所述逻辑模型构建单元120包括：

节拍确定模块1201，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

逻辑模型分级构建模块1202，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

其中，所述虚拟仿真单元140包括：

三维虚拟现实模型构建模块1401，用于根据所述的装配机器人的机械臂运动参数，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性；

虚拟仿真模块1402，用于将所述的断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于基于时间Petri网建模，并将基于时间Petri网建模引入unity3d场景，并通过断路器装配机器人在unity3d场景中来模拟基于时间Petri网所建模型的虚拟运动，从而将基于时间Petri网建模和虚拟仿真技术相结合，通过对断路器装配机器人的运动仿真上述时间Petri网建模模型来实现现实与虚拟同步交互式展示。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个系统单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种对断路器装配机器人进行虚拟仿真的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

步骤S2、根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

步骤S3、建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

步骤S4、通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

确定时间节拍约束，将所述断路器装配生产线的生产工序划分成等时间段的多个等数量生产的生产工序来分别作为时间节拍；

对所述断路器装配生产线的物理模型及其对应各机械设备在各个时刻上的运动状态信息进行区分，确定所述断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，并进一步根据所述时间节拍以及所述断路器装配生产线中各机械装配设备的行为相互关系，基于Petri网络设计出所述断路器装配生产线中各机械装配设备的逻辑模型；其中，所述逻辑模型为分级设置的Petri网络模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

利用SolidWorks三维制图软件绘制所述断路器装配机器人的机械臂的各个零部件，装配出完整的机械臂三维模型，建立所述断路器装配机器人中各关节运动可控的机械臂的三维虚拟现实模型，完成装配机器人的机械臂的轨迹规划与运动规划，确定机械臂的运动模型。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述装配出完整的机械臂三维模型的具体步骤包括：

根据所述断路器的装配信息确定所述断路器装配机器人在运行过程中的运动速度可控的运动轨迹，并采用运动学反解将所述运动轨迹中的路径点转化为关节矢量角度值，且进一步对每个关节拟合成一个光滑时间函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点；

通过预先在预设的笛卡尔空间内对所述运动轨迹的关键点进行选定，将所述运动轨迹的运动路径分解成在关键点间的分段运动，进而采用采用代数法求逆解，得到各关节变量值；

根据得到的各关节变量值，建立机械臂的三维虚拟现实模型。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

根据所述的装配机器人的机械臂运动参数，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性；

将所述的断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

7.一种对断路器装配生产线进行虚拟仿真的系统，其特征在于，所述系统包括：物理模型构建单元、逻辑模型构建单元、机器人运动模型构建单元、虚拟仿真单元；其中，

所述物理模型构建单元，用于收集断路器装配生产线的相关信息，并导入预设的模型软件中，构建断路器装配生产线的物理模型，且进一步确定断路器装配过程中各个构件的装配时间与装配顺序；

所述逻辑模型构建单元，用于根据所述断路器装配生产线的物理模型及其对应的装配信息，基于Petri网络设计出断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型；

所述机器人运动模型构建单元，用于建立与断路器装配信息相适应的装配机器人的机械臂三维模型，完成机械臂的轨迹规划以及运动规划，并确定机械臂的运动参数来建立机械臂的运动模型；

所述虚拟仿真单元，用于通过MATLAB运动仿真所述机械臂的运动模型的合理性，并将断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述物理模型构建单元包括：

信息收集模块，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

物理模型构建模块，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述逻辑模型构建单元包括：

节拍确定模块，用于收集所述断路器装配生产线的相关信息，所述断路器装配生产线的相关信息包括每道生产工序及其分别对应的机械装配设备形状和所对应各机械装配设备在各个时刻上运动位置坐标值和运动轨迹；

逻辑模型分级构建模块，用于将所述收集到的断路器装配生产线的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，构建所述断路器装配生产线的物理模型，并在3dmax中对所述断路器装配生产线中各生产工序的各机械装配设备的运动状态进行分析，得到各机械装配设备各个时刻上的运动姿态，且进一步求解出各机械装配设备各个时刻上运动状态的关系、运动位置坐标值和运动距离后作为所述断路器装配生产线上各机械装配设备在各个时刻上的运动状态信息。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述虚拟仿真单元包括：

三维虚拟现实模型构建模块，用于根据所述的装配机器人的机械臂运动参数，将得到的运动模型通过MATLAB进行初步仿真确认其运动的合理性；

虚拟仿真模块，用于将所述的断路器装配中各机械装配设备的逻辑模型与运动仿真后的机械臂的运动模型引入unity3d场景中，结合对应的运动关系以及逻辑关系，实现断路器装配机器人的虚拟运动。