CN112560263A - 一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，属于机器人领域。本发明包括移动机器人实体和移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述移动机器人状态监控与维修保养预警平台包括孪生移动机器人、移动机器人保养方案指导模块等。该平台通过数字孪生技术实现孪生移动机器人与移动机器人实体的结构参数与状态趋近一致，通过孪生移动机器人的状态对移动机器人实体的状态进行监控，通过对孪生移动机器人的疲劳分析给出移动机器人实体的保养方案。根据移动机器人状态监控与维修保养预警平台的反馈信息对移动机器人实体进行运行状态的调整、保养和维护。本发明实现了对移动机器人实体的状态监控、运行状态的远程调整和预测性维护。

Description

一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统。

背景技术

数字孪生是一种仿真过程，它利用实体空间的物理模型，传感器和运行状态数据在数字空间进行仿真，实现从实体空间到数字空间的映射，从而在数字空间模拟出实体空间内实体的运动状态和全生命周期过程。

移动机器人是融合了计算机技术、通信技术、机器人技术等，可以工作在复杂环境中的机器人。由于移动机器人具有更大的机动性和灵活性，所以在危险、恶劣和人所不及的环境下，移动机器人发挥着越来越重要的作用。因此机器人工作时的环境和任务会随着机器人的移动而发生变化，但是目前对移动机器人的状态监控大多数都是依赖工作人员的观察和上一次作业完成后的返回状态。利用数字孪生实现实时仿真，从而获取移动机器人的运行状态，进行实时检测，实现预测性的维护对提高移动机器人作业完成的速度与质量有着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统。利用数字孪生实现实时仿真，通过移动机器人状态监控与维修保养预警平台实现对移动机器人状态监控与维护保养。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，包括移动机器人实体和移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述移动机器人实体包括移动机器人机械本体，以及安装于其上的电池、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述实体状态采集模块通过传感器实时采集移动机器人实体运行时的状态数据，并将移动机器人实体运行时的状态数据分别传输给大容量信息存储模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述结构参数采集模块根据接收到的移动机器人实体运行时的状态数据判断其运动状态，计算出移动机器人各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数发送到远程数据传输模块；所述远程数据传输模块通过设置于移动机器人实体上的无线通信接口与5G网络将移动机器人实体的状态数据和结构参数传输给移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述信息接收模块用于接收移动机器人状态监控与维修保养预警平台的输出信号，并将接收的信息传输至移动机器人驱动与控制模块；所述移动机器人驱动与控制模块根据接收的信息控制移动机器人实体的运动状态；所述电池为移动机器人机械本体、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块提供电源；

所述移动机器人状态监控与维修保养预警平台包括设置于机器人状态监控室的移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块，孪生移动机器人，基于实际野外运行环境的孪生环境模块，孪生状态信息处理与存储模块，实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，孪生移动机器人参数趋实化模块，孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，孪生移动机器人远程数据传输模块，孪生移动机器人的报警模块，移动机器人保养方案指导模块；所述孪生移动机器人包括孪生移动机器人机械本体，与电池相对应的虚拟电池，与传感器种类、数目与位置参数相同的虚拟传感器，孪生移动机器人数据采集模块与孪生移动机器人大容量信息存储模块；所述孪生移动机器人数据采集模块是基于虚拟传感器获取孪生移动机器人状态信息的模拟模块，用于采集孪生移动机器人运行时的状态数据，并将孪生移动机器人运行时的状态数据传输给孪生移动机器人大容量信息存储模块和孪生状态信息处理与存储模块；所述移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块实时接收远程数据传输模块的数据，并对接收的数据进行预处理、存储，再将预处理后的数据传输至实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块同时接收孪生状态信息处理与存储模块的数据信息，并将移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策；然后将比对与决策的结果信息传输至孪生移动机器人参数趋实化模块，由孪生移动机器人参数趋实化模块实时地对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整；使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；所述孪生移动机器人的结构参数和状态信息传输至孪生状态信息处理与存储模块，所述孪生状态信息处理与存储模块对接收的孪生移动机器人的数据进行预处理、存储并传输至孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块将孪生移动机器人运行状态数据实时地与提前构建的移动机器人在正常行走状态下的运行状态进行对比，对偏差进行调整；并将比对与调整结果信息传输至孪生移动机器人远程数据传输模块、孪生移动机器人的报警模块和移动机器人保养方案指导模块，所述孪生移动机器人远程数据传输模块通过无线通信接口与5G网络将移动机器人状态监控与维修保养预警平台发射的信号传输给移动机器人实体的信息接收模块；所述孪生移动机器人的报警模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息，对触发报警阈值的情况及时发出报警信号，工作人员或维修服务机器人在报警提示下，通过移动机器人驱动与控制模块控制移动机器人实体的运动状态；所述移动机器人保养方案指导模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；所述基于实际野外运行环境的孪生环境模块是基于地理测绘以及气象信息构建的可切换和设置的环境模型包，用于模拟移动机器人实体运行时的环境情况。

进一步地，所述传感器包括速度传感器、加速度传感器、视觉传感器、姿态传感器、角度传感器、压力传感器、温度传感器，所述速度传感器布置在移动机器人的躯干以及机器人关节上，用来测量移动机器人前进时的速度；所述加速度传感器布置在移动机器人躯干与关节处，布置在移动机器人躯干上的加速度传感器用来测量移动机器人前进时的加速度，布置在关节处的传感器用来测量移动机器人运行时关节的角加速度；所述视觉传感器布置在移动机器人的躯干前方，用于检测移动机器人周围的障碍物以及识别路标或环境；所述姿态传感器布置在移动机器人的躯干上，用来检测移动机器人在移动时的姿态与方位的变化；所述角度传感器布置在移动机器人的各个关节上，检测移动机器人的关节旋转角度；所述压力传感器布置在移动机器人的足端，用来检测移动机器人运行时的足端压力；所述温度传感器布置于移动机器人躯干内部，用来检测移动机器人温度。

再进一步地，所述孪生移动机器人机械本体是由三维建模软件建立的与移动机器人实体结构相同的模型，并基于设置在移动机器人机械本体上的传感器建立孪生移动机器人的正逆运动学及动力学模型，实现孪生移动机器人与移动机器人实体的姿态、运动状态及受力状态完全相同，通过三维可视化功能，通过人为观察实现对移动机器人运行状态的实时监控；所述虚拟电池通过BMS电池系统实现虚拟电池与电池状态同步，从而实时地监测移动机器人实体的电池状态。

更进一步地，所述结构参数采集模块根据接收到的移动机器人实体运行时的状态数据判断其运动状态，计算出移动机器人各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数发送到远程数据传输模块；具体是利用卡尔曼滤波器组计算出各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组发送到远程数据传输模块。

更进一步地，所述环境模型包能够模拟移动机器人实体运行时的路谱、风力、空气湿度、光照、环境温度，构造移动机器人实体运行时的地理环境，采用地图模型进行路径搜索，通过获取到的地图模型和移动机器人实体的视觉进行移动机器人实体行走时的无碰路径规划，移动机器人实体的位置通过GPS和视觉联合确定。

更进一步地，所述移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块对接收的数据进行预处理，其中预处理时需消除掉其中缺失、重复、异常的信息，并将预处理后的数据形成高级上下文信息存储到数据库，供后续调用。

更进一步地，所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块对移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策的原则为：以移动机器人的结构参数和运行状态数据为基准，将孪生移动机器人与移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组进行比对与决策，将孪生移动机器人的与移动机器人的运行状态数据与进行比对与决策；所述孪生移动机器人参数趋实化模块对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整的原则为：按照移动机器人结构参数发生概率从大到小的顺序分组对孪生移动机器人的结构参数进行修正与调整；并按照移动机器人的实时运行状态数据对孪生移动机器人的运行状态数据进行修正与调整，若根据一组结构参数和运行状态数据修正与调整后的孪生移动机器人的运行状态数据趋近于移动机器人实体的运行状态数据，则证明该组结构参数为移动机器人实体的结构参数；孪生移动机器人即可根据该组数据对孪生移动机器人的结构参数进行修正与调整，并按照移动机器人的实时运行状态数据对孪生移动机器人的运行状态数据进行修正与调整，使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；当移动机器人实体发生不可预知的磨损或外界的撞击或外物质粘附情况而改变其结构参数时，所述孪生移动机器人参数趋实化模块则有针对性地对孪生移动机器人的结构参数进行相同的修正与调整，从而使孪生移动机器人的结构参数与运行状态趋近于移动机器人实体，达到准确地对移动机器人实体进行状态监控与预测的目的；当移动机器人机械本体因内部零部件的轻微磨损而造成移动机器人腿与腿之间在相同驱动量下末端运动轨迹存在偏差时，通过孪生移动机器人参数趋实化模块对驱动量进行差别化调整，实现孪生移动机器人腿与腿之间末端轨迹与移动机器人实体一致。

更进一步地，当孪生移动机器人的运行状态数据与正常行走状态下的移动机器人的运行状态数据出现少量偏差时，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块根据移动机器人正常行走状态下的运行状态数据库将数据信息发送到孪生移动机器人远程数据传输模块，通过孪生移动机器人远程数据传输模块、信息接收模块将数据发送给移动机器人驱动与控制模块，从而自动调整运动状态，使移动机器人实体正常运行。

更进一步地，所述孪生移动机器人的报警模块与报警装置连接，在以下情况触发报警装置：当孪生移动机器人自动调整后的运行状态数据与移动机器人正常行走状态下的运行状态数据仍有较大差异时，超过机器人安全可靠运行的阈值，触发报警装置，此时工作人员或维修服务机器人即可根据孪生移动机器人的状态进行手动调整使机器人恢复正常运行状态。

更进一步地，所述移动机器人保养方案指导模块是针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；具体是利用有限元进行移动机器人的疲劳分析，获得疲劳点状态图，根据分析结果对移动机器人实体的特定部位需要进行维修与保养，并给出量化的保养方案，当移动机器人实体的零件处于接近于疲劳极限的状态时，该模块即可发送信号至孪生移动机器人远程数据传输模块，通知移动机器人返航；当移动机器人实体遇到自身无法克服的困难时，移动机器人保养方案指导模块会发出报警信息给工作人员或维修服务机器人为其提供维修与保养服务。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过孪生移动机器人的运行状态可以实现实时地对移动机器人实体的状态进行监控。

2、可以通过移动机器人状态监控与维修保养预警平台实现移动机器人实体状态的自动调整。

3、可以针对移动机器人的疲劳点状态给出量化的保养方案，从而实现对移动机器人的保养与维护。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，包括移动机器人实体和移动机器人状态监控与维修保养预警平台。

所述移动机器人实体包括移动机器人机械本体，以及安装于其上的电池、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述实体状态采集模块通过传感器实时采集移动机器人实体运行时的状态数据，并将移动机器人实体运行时的状态数据分别传输给大容量信息存储模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述大容量信息存储模块用于存储移动机器人实体的状态数据，所述结构参数采集模块接收移动机器人实体运行时的状态数据，并根据移动机器人实体运行时的状态数据判断其运动状态，利用卡尔曼滤波器组计算出移动机器人各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组发送到远程数据传输模块；所述远程数据传输模块通过设置于移动机器人实体上的无线通信接口与5G网络将移动机器人实体的状态数据和结构参数传输给移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述信息接收模块用于接收移动机器人状态监控与维修保养预警平台的输出信号，并将接收的信息传输至移动机器人驱动与控制模块；所述移动机器人驱动与控制模块根据接收的信息控制移动机器人实体的运动状态；所述电池为移动机器人机械本体、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块提供电源；

所述传感器的种类包括速度传感器、加速度传感器、视觉传感器、姿态传感器、角度传感器、压力传感器、温度传感器。速度传感器布置在移动机器人的躯干以及机器人关节上，用来测量移动机器人前进时的速度；加速度传感器布置在移动机器人躯干与关节处，布置在移动机器人躯干上的加速度传感器用来测量移动机器人前进时的加速度，布置在关节处的传感器用来测量移动机器人运行时关节的角加速度；视觉传感器布置在移动机器人的躯干前方，可以绕移动机器人中心作360°旋转，利用视觉信息跟踪移动机器人的行走路径，检测移动机器人周围的障碍物以及识别路标或环境，从而确定移动机器人所在方位；姿态传感器布置在移动机器人的躯干上，用来检测移动机器人在移动时的姿态与方位的变化，保持移动机器人的正确姿态，实现指令要求的方位；角度传感器布置在移动机器人的各个关节上，检测移动机器人的关节旋转角度；压力传感器布置在移动机器人的足端，用来检测移动机器人运行时的足端压力；温度传感器布置于移动机器人躯干内部，用来检测移动机器人温度。

所述移动机器人状态监控与维修保养预警平台包括设置于机器人状态监控室的移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块，孪生移动机器人，基于实际野外运行环境的孪生环境模块，孪生状态信息处理与存储模块，实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，孪生移动机器人参数趋实化模块，孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，孪生移动机器人远程数据传输模块，孪生移动机器人的报警模块，移动机器人保养方案指导模块。

所述孪生移动机器人包括孪生移动机器人机械本体，与电池相对应的虚拟电池，与传感器种类、数目与位置参数相同的虚拟传感器，孪生移动机器人数据采集模块与孪生移动机器人大容量信息存储模块。其中，所述孪生移动机器人机械本体是由三维建模软件建立的与移动机器人实体结构相同的模型，并基于设置在移动机器人机械本体上的速度传感器、加速度传感器、姿态传感器，基于设置于移动机器人机械本体足端的压力传感器、机械腿各关节传感器和移动机器人的正逆运动学及动力学模型，实现孪生移动机器人与移动机器人实体的姿态、运动状态及受力状态完全相同，通过三维可视化功能，通过人为观察实现对移动机器人运行状态的实时监控；所述虚拟传感器用来获取孪生移动机器人的状态信息；所述虚拟电池通过BMS电池系统实现虚拟电池与电池状态同步，从而实时地监测移动机器人实体的电池状态。

所述孪生移动机器人数据采集模块是基于虚拟传感器获取孪生移动机器人状态信息的模拟模块，用于采集孪生移动机器人运行时的状态数据，并将孪生移动机器人运行时的状态数据传输给孪生移动机器人大容量信息存储模块和孪生状态信息处理与存储模块；

所述移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块实时接收远程数据传输模块的数据，并对接收的数据进行预处理，消除掉其中缺失、重复、异常的信息，并将预处理后的数据形成高级上下文信息存储到数据库，供后续调用，再将预处理后的数据传输至实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块同时接收孪生状态信息处理与存储模块的数据信息，并将移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策；然后将比对与决策的结果信息传输至孪生移动机器人参数趋实化模块，由孪生移动机器人参数趋实化模块实时地对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整；使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；所述孪生移动机器人的结构参数和状态信息传输至孪生状态信息处理与存储模块，所述孪生状态信息处理与存储模块对接收的孪生移动机器人的数据进行预处理、存储并传输至孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块将孪生移动机器人运行状态数据实时地与提前构建的移动机器人在正常行走状态下的运行状态进行对比，对偏差进行调整；并将比对与调整结果信息传输至孪生移动机器人远程数据传输模块、孪生移动机器人的报警模块和移动机器人保养方案指导模块，所述孪生移动机器人远程数据传输模块通过无线通信接口与5G网络将移动机器人状态监控与维修保养预警平台发射的信号传输给移动机器人实体的信息接收模块；所述孪生移动机器人的报警模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息，对触发报警阈值的情况及时发出报警信号，工作人员或维修服务机器人在报警提示下，通过移动机器人驱动与控制模块控制移动机器人实体的运动状态；所述移动机器人保养方案指导模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；所述基于实际野外运行环境的孪生环境模块是基于地理测绘以及气象信息构建的可切换和设置的环境模型包，用于模拟移动机器人实体运行时的环境情况。

所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块对移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策的原则为：以移动机器人的结构参数和运行状态数据为基准，将孪生移动机器人与移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组进行比对与决策，将孪生移动机器人的与移动机器人的运行状态数据与进行比对与决策；所述孪生移动机器人参数趋实化模块对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整的原则为：按照移动机器人结构参数发生概率从大到小的顺序分组对孪生移动机器人的结构参数进行修正与调整；并按照移动机器人的实时运行状态数据对孪生移动机器人的运行状态数据进行修正与调整，若根据一组结构参数和运行状态数据修正与调整后的孪生移动机器人的运行状态数据趋近于移动机器人实体的运行状态数据，则证明该组结构参数为移动机器人实体的结构参数；孪生移动机器人即可根据该组数据进行修正与调整，使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；当移动机器人实体发生不可预知的磨损或外界的撞击或外物质粘附情况而改变其结构参数时，所述孪生移动机器人参数趋实化模块则有针对性地对孪生移动机器人的结构参数进行相同的修正与调整，从而使孪生移动机器人的结构参数与运行状态趋近于移动机器人实体，达到准确地对移动机器人实体进行状态监控与预测的目的；当移动机器人机械本体因内部零部件的轻微磨损而造成移动机器人腿与腿之间在相同驱动量下末端运动轨迹存在偏差时，通过孪生移动机器人参数趋实化模块对驱动量进行差别化调整，实现孪生移动机器人腿与腿之间末端轨迹与移动机器人实体一致。

其中，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块是以提前构建的移动机器人在正常行走状态下的运行状态数据库为基准，将孪生移动机器人运行状态数据实时地与其进行对比。当孪生移动机器人的运行状态数据与正常行走状态下的移动机器人的运行状态数据出现少量偏差时，该模块根据移动机器人正常行走状态下的运行状态数据库将数据信息发送到孪生移动机器人远程数据传输模块，通过孪生移动机器人远程数据传输模块将指令发送给移动机器人实体，从而自动调整运动状态，使移动机器人实体正常运行。该模块主要用途之一是当移动机器人内部零部件轻微的磨损而造成的移动机器人腿与腿之间在相同驱动量下末端运动轨迹存在偏差时，通过该模块对驱动量进行差别化调整实现腿与腿之间末端轨迹与机器人运行状态基准数据库一致。

其中，所述环境模型包能够模拟移动机器人实体运行时的路谱、风力、空气湿度、光照、环境温度，构造移动机器人实体运行时的地理环境，采用地图模型进行路径搜索，通过获取到的地图模型和移动机器人实体的视觉进行移动机器人实体行走时的无碰路径规划，移动机器人实体的位置通过GPS和视觉联合确定。

其中，所述孪生移动机器人的报警模块与报警装置连接，在以下情况触发报警装置：当孪生移动机器人自动调整后的运行状态数据与移动机器人正常行走状态下的运行状态数据仍有较大差异时，超过机器人安全可靠运行的阈值，触发报警装置，此时工作人员或维修服务机器人即可根据孪生移动机器人的状态进行手动调整使机器人恢复正常运行状态。

其中，所述移动机器人保养方案指导模块是针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；具体是利用有限元进行移动机器人的疲劳分析，获得疲劳点状态图，根据分析结果对移动机器人实体的特定部位需要进行维修与保养，并给出量化的保养方案，当移动机器人实体的零件处于接近于疲劳极限的状态时，该模块即可发送信号至孪生移动机器人远程数据传输模块，通知移动机器人返航；当移动机器人实体遇到自身无法克服的困难时，移动机器人保养方案指导模块会发出报警信息给工作人员或维修服务机器人为其提供维修与保养服务。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：包括移动机器人实体和移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述移动机器人实体包括移动机器人机械本体，以及安装于其上的电池、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述实体状态采集模块通过传感器实时采集移动机器人实体运行时的状态数据，并将移动机器人实体运行时的状态数据分别传输给大容量信息存储模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块；所述结构参数采集模块根据接收到的移动机器人实体运行时的状态数据判断其运动状态，计算出移动机器人各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数发送到远程数据传输模块；所述远程数据传输模块通过设置于移动机器人实体上的无线通信接口与5G网络将移动机器人实体的状态数据和结构参数传输给移动机器人状态监控与维修保养预警平台；所述信息接收模块用于接收移动机器人状态监控与维修保养预警平台的输出信号，并将接收的信息传输至移动机器人驱动与控制模块；所述移动机器人驱动与控制模块根据接收的信息控制移动机器人实体的运动状态；所述电池为移动机器人机械本体、传感器、大容量信息存储模块、信息接收模块、实体状态采集模块、移动机器人驱动与控制模块、结构参数采集模块和远程数据传输模块提供电源；

所述移动机器人状态监控与维修保养预警平台包括设置于机器人状态监控室的移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块，孪生移动机器人，基于实际野外运行环境的孪生环境模块，孪生状态信息处理与存储模块，实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，孪生移动机器人参数趋实化模块，孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，孪生移动机器人远程数据传输模块，孪生移动机器人的报警模块，移动机器人保养方案指导模块；所述孪生移动机器人包括孪生移动机器人机械本体，与电池相对应的虚拟电池，与传感器种类、数目与位置参数相同的虚拟传感器，孪生移动机器人数据采集模块与孪生移动机器人大容量信息存储模块；所述孪生移动机器人数据采集模块是基于虚拟传感器获取孪生移动机器人状态信息的模拟模块，用于采集孪生移动机器人运行时的状态数据，并将孪生移动机器人运行时的状态数据传输给孪生移动机器人大容量信息存储模块和孪生状态信息处理与存储模块；所述移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块实时接收远程数据传输模块的数据，并对接收的数据进行预处理、存储，再将预处理后的数据传输至实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块，所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块同时接收孪生状态信息处理与存储模块的数据信息，并将移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策；然后将比对与决策的结果信息传输至孪生移动机器人参数趋实化模块，由孪生移动机器人参数趋实化模块实时地对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整；使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；所述孪生移动机器人的结构参数和状态信息传输至孪生状态信息处理与存储模块，所述孪生状态信息处理与存储模块对接收的孪生移动机器人的数据进行预处理、存储并传输至孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块将孪生移动机器人运行状态数据实时地与提前构建的移动机器人在正常行走状态下的运行状态进行对比，对偏差进行调整；并将比对与调整结果信息传输至孪生移动机器人远程数据传输模块、孪生移动机器人的报警模块和移动机器人保养方案指导模块，所述孪生移动机器人远程数据传输模块通过无线通信接口与5G网络将移动机器人状态监控与维修保养预警平台发射的信号传输给移动机器人实体的信息接收模块；所述孪生移动机器人的报警模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息，对触发报警阈值的情况及时发出报警信号，工作人员或维修服务机器人在报警提示下，通过移动机器人驱动与控制模块控制移动机器人实体的运动状态；所述移动机器人保养方案指导模块根据孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块的反馈信息针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；所述基于实际野外运行环境的孪生环境模块是基于地理测绘以及气象信息构建的可切换和设置的环境模型包，用于模拟移动机器人实体运行时的环境情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述传感器包括速度传感器、加速度传感器、视觉传感器、姿态传感器、角度传感器、压力传感器、温度传感器，所述速度传感器布置在移动机器人的躯干以及机器人关节上，用来测量移动机器人前进时的速度；所述加速度传感器布置在移动机器人躯干与关节处，布置在移动机器人躯干上的加速度传感器用来测量移动机器人前进时的加速度，布置在关节处的传感器用来测量移动机器人运行时关节的角加速度；所述视觉传感器布置在移动机器人的躯干前方，用于检测移动机器人周围的障碍物以及识别路标或环境；所述姿态传感器布置在移动机器人的躯干上，用来检测移动机器人在移动时的姿态与方位的变化；所述角度传感器布置在移动机器人的各个关节上，检测移动机器人的关节旋转角度；所述压力传感器布置在移动机器人的足端，用来检测移动机器人运行时的足端压力；所述温度传感器布置于移动机器人躯干内部，用来检测移动机器人温度。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述孪生移动机器人机械本体是由三维建模软件建立的与移动机器人实体结构相同的模型，并基于设置在移动机器人机械本体上的传感器建立孪生移动机器人的正逆运动学及动力学模型，实现孪生移动机器人与移动机器人实体的姿态、运动状态及受力状态完全相同，通过三维可视化功能，通过人为观察实现对移动机器人运行状态的实时监控；所述虚拟电池通过BMS电池系统实现虚拟电池与电池状态同步，从而实时地监测移动机器人实体的电池状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述结构参数采集模块根据接收到的移动机器人实体运行时的状态数据判断其运动状态，计算出移动机器人各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数发送到远程数据传输模块；具体是利用卡尔曼滤波器组计算出各结构参数发生改变的概率，并将各结构发生改变后的移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组发送到远程数据传输模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述环境模型包能够模拟移动机器人实体运行时的路谱、风力、空气湿度、光照、环境温度，构造移动机器人实体运行时的地理环境，采用地图模型进行路径搜索，通过获取到的地图模型和移动机器人实体的视觉进行移动机器人实体行走时的无碰路径规划，移动机器人实体的位置通过GPS和视觉联合确定。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述移动机器人结构参数和实体状态信息接收、处理与存储模块对接收的数据进行预处理，其中预处理时需消除掉其中缺失、重复、异常的信息，并将预处理后的数据形成高级上下文信息存储到数据库，供后续调用。

7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述实体与孪生移动机器人结构参数与运行状态数据比对与决策模块对移动机器人与孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行比对与决策的原则为：以移动机器人的结构参数和运行状态数据为基准，将孪生移动机器人与移动机器人的结构参数按发生概率从大到小的顺序分组进行比对与决策，将孪生移动机器人的与移动机器人的运行状态数据与进行比对与决策；所述孪生移动机器人参数趋实化模块对孪生移动机器人的结构参数和运行状态数据进行修正与调整的原则为：按照移动机器人结构参数发生概率从大到小的顺序分组对孪生移动机器人的结构参数进行修正与调整；并按照移动机器人的实时运行状态数据对孪生移动机器人的运行状态数据进行修正与调整，若根据一组结构参数和运行状态数据修正与调整后的孪生移动机器人的运行状态数据趋近于移动机器人实体的运行状态数据，则证明该组结构参数为移动机器人实体的结构参数；孪生移动机器人即可根据该组数据对孪生移动机器人的结构参数进行修正与调整，并按照移动机器人的实时运行状态数据对孪生移动机器人的运行状态数据进行修正与调整，使孪生移动机器人的结构参数和运行时的状态趋近于移动机器人实体；当移动机器人实体发生不可预知的磨损或外界的撞击或外物质粘附情况而改变其结构参数时，所述孪生移动机器人参数趋实化模块则有针对性地对孪生移动机器人的结构参数进行相同的修正与调整，从而使孪生移动机器人的结构参数与运行状态趋近于移动机器人实体；当移动机器人因内部零部件的轻微磨损而造成移动机器人腿与腿之间在相同驱动量下末端运动轨迹存在偏差时，通过孪生移动机器人参数趋实化模块对驱动量进行差别化调整，实现孪生移动机器人腿与腿之间末端轨迹与移动机器人实体一致。

8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：当孪生移动机器人的运行状态数据与正常行走状态下的移动机器人的运行状态数据出现少量偏差时，所述孪生移动机器人的状态参数比对与调整模块根据移动机器人正常行走状态下的运行状态数据库将数据信息发送到孪生移动机器人远程数据传输模块，通过孪生移动机器人远程数据传输模块、信息接收模块将数据发送给移动机器人驱动与控制模块，从而自动调整运动状态，使移动机器人实体正常运行。

9.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述孪生移动机器人的报警模块与报警装置连接，在以下情况触发报警装置：当孪生移动机器人自动调整后的运行状态数据与移动机器人正常行走状态下的运行状态数据仍有较大差异时，超过机器人安全可靠运行的阈值，触发报警装置，此时工作人员或维修服务机器人即可根据孪生移动机器人的状态进行手动调整使机器人恢复正常运行状态。

10.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的移动机器人状态监控与保养系统，其特征在于：所述移动机器人保养方案指导模块是针对移动机器人的疲劳点进行移动机器人的保养和维护；具体是利用有限元进行移动机器人的疲劳分析，获得疲劳点状态图，根据分析结果对移动机器人实体的特定部位需要进行维修与保养，并给出量化的保养方案，当移动机器人实体的零件处于接近于疲劳极限的状态时，该模块即可发送信号至孪生移动机器人远程数据传输模块，通知移动机器人返航；当移动机器人实体遇到自身无法克服的困难时，移动机器人保养方案指导模块会发出报警信息给工作人员或维修服务机器人为其提供维修与保养服务。

Images