CN116310078B - 一种基于urdf的数字孪生创建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于URDF的机器人数字孪生创建方法，将建立的数字孪生模型以URDF文件格式进行压缩存储；通过http请求获取压缩的URDF文件；将URDF文件中xml配置文件进行解析，获取到URDF文件中所存储的几何模型转化为临时文件；通过临时文件获取机器人几何结构的位置、大小、旋转信息，根据这些信息在web页面上创建一个三维仿真场景；根据创建的三维仿真场景，可视化的配置数据模型；实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置数据后，将数据通过socket TCP协议发送给数字孪生模型的数据模型，同步更新数据模型中的数据。本方法能够直观的反馈绑定进度，降低数字孪生开发难度，降低开发人员对整个流程的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生技术领域，涉及一种基于URDF的数字孪生创建方法。
背景技术
数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段，在智能制造业具有广阔的应用前景，随着信息时代的发展，数字孪生技术已成为实现智能制造的方法之一。数字孪生的基本组成包括：系统仿真模型、数据采集系统、反馈系统、信息同步系统，和传统软件相比，数字孪生设计的方面更多。
然而我国目前共有超过900万家制造企业，50％以上为小微企业。后端企业大量环节数据未打通，制造业的信息化基础有待提高，主要工业软件的普及率较低，后端制造数字化发展慢于前端，究其原因，主要是对应用和产品创新的重视程度高于对生产制造的优化。90％的受访制造业企业对数字化转型存在需求，但面临巨大挑战。主要原因在于企业数字化基础相对薄弱，数据来源不够，同时存在数据孤岛现象。另外，企业对信息化和数据价值认识还不到位，对数字化转型的必要性也没有充分认识。再有，数字化转型项目投入较大，特别是早期成本压力大，数字化专业服务商不多、技术方案复杂，行业解决方案较少，同时缺乏复合型人才。
URDF(United Robotics Description Format)是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的语言格式。根据该格式的设计者所言，设计这一格式的目的在于提供一种尽可能通用的机器人描述规范，目前该规范已经在工业智能制造行业普及开来。
目前数字孪生的实现方法主要是先根据物理实体建立虚拟模型，然后将物理实体和虚拟模型进行一一映射，数据采集模块采集物理实体的位置、工艺等信息，最后通过网络反馈到虚拟模型。主要分为如下两种方式：
第一种，基于html5开发，使用浏览器运行，通过JavaScript脚本调用浏览器的WebGL接口，实现三维模型的加载和用户界面的展示。通过JavaScript脚本接受鼠标键盘输入，实现三维界面和用户的互动。这种模式在三维模型较大、场景比较复杂时，从服务器下载模型耗时较长，加载比较慢，渲染效果也不佳。
第二种，使用基于c/c++的三维引擎开发，打包成客户端程序运行，三维模型集成在客户端里，只需要从服务器获取要展示的数据信息，运行过程中三维场景访问流畅，渲染效果好。这种模式需要安装客户端才能访问，对运行客户端程序的机器性能有较高的要求，无法跨平台访问，需要针对各个平台单独开发。
上述的两种方法均需要各个部分的开发人员对整个流程有足够的了解，在开发的过程中，需要开发人员对三维场景中的每一个零部件和实际物理设备关联起来，这无疑大大降低了开发进度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于URDF的数字孪生创建方法，用于解决数字孪生创建过程中的虚拟模型一一映射问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于URDF的数字孪生创建方法，包括以下步骤：
步骤1、建立数字孪生模型：通过在三维软件中导入机器人相关几何模型，根据几何模型创建包括数据模型和行为模型的机器人数字孪生模型，使行为模型和机器人物理实体设备保持一致，将数字孪生模型以URDF文件格式进行存储；
步骤2、将URDF文件进行文件压缩；
步骤3、通过http请求获取压缩的URDF文件；
步骤4、将URDF文件中xml配置文件进行解析，获取到URDF文件中所存储的几何模型；并将获取的几何模型文件转化为临时文件；
步骤5、通过步骤4中临时文件，获取机器人几何结构的位置、大小、旋转信息，根据这些信息在web页面上创建一个三维仿真场景；
步骤6、根据创建的三维仿真场景，可视化的配置数据模型，在三维仿真场景中对几何模型和数据模型进行一一绑定，配置数据模型中数据来源，标识出打印工件所在位置坐标系；
步骤7、实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置数据后，将数据通过socket TCP协议发送给数字孪生模型的数据模型，同步更新数据模型中的数据；
步骤8、将机器人物理实体设备和数字孪生模型进行实时同步更新：根据机器人数据模型，同步修改三维仿真场景中的机器人几何模型的位置和姿态。
进一步地，所述机器人数字孪生模型包括：
几何模型：用于表示机器人几何结构；
数据模型：用于驱动几何模型运动，结构为机器人物理实体设备的属性参数集合；
行为模型：用于表示机器人的位置、运动状态和姿态。
进一步地，步骤4中，获取到的URDF文件中所存储的几何模型，包括模型stl文件、模型位置、模型所在坐标系、模型对应部件名称和各个模型之间的关系。
进一步地，执行步骤6以后，还包括在web页面上在三维仿真场景中二次调整几何模型的行为模型的步骤。
进一步地，步骤7中，由网关设备实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置数据。
进一步地，还包括步骤9，接收到实时的尖端焊枪位置信息后，将所有历史焊枪位置信息汇总生成实时打印工件的几何模型，将打印工件模型放入步骤6中配置的位置坐标系。
进一步地，还包括通过webgl对更新完成的数字孪生模型进行展示的步骤。
本发明所达到的有益效果：
本发明借助可视化的进行三维场景和实际场景的一一绑定，能够直观的反馈绑定进度，有效提升效率。
本发明公开的基于URDF的数字孪生创建方法，能够降低数字孪生开发难度，降低开发人员对整个流程的依赖。
本发明可以将抽象的数据具象化，可以在三维场景中展示工件进度。
附图说明
图1是该发明的结构框图；
图2是数字孪生模型的数据模型和几何模型绑定过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例中公开了一种基于URDF的数字孪生创建方法，包括以下步骤：
1、建立数字孪生模型：通过在vc等三维软件中导入机器人相关几何模型，根据几何模型创建机器人数字孪生模型，设置数字孪生模型的行为模型，使行为模型和机器人物理实体设备保持一致，包括物理实体设备的位置、姿态和运动状态等，如图2所示，然后将数字孪生模型以URDF文件格式进行存储。
如图1所示，所述机器人数字孪生模型包括：
几何模型：用于表示机器人几何结构；
数据模型：用于驱动几何模型运动，结构为物理实体机器人设备的属性参数集合；
行为模型：用于表示机器人的运动状态和姿态等。
2、然后将URDF文件进行文件压缩，便于后续步骤的网络传输，以提高网络传输速度和效率；
3、通过http请求获取压缩的URDF文件；
4、将URDF文件中配置xml配置文件进行解析，获取到URDF文件中所存储的几何模型，如模型stl文件、模型位置position、模型所在坐标系、模型对应部件名称name、各个模型之间的关系等；并将获取的几何模型文件转化为临时文件，方便使用；
5、通过步骤4中临时文件，获取机器人几何结构的位置、大小、旋转等信息，根据这些信息在web页面上创建一个三维仿真场景；
6、根据上述步骤创建的三维仿真场景，可视化的配置数据模型，在三维仿真场景中对几何模型和数据模型进行一一绑定，配置数据模型中数据来源，可选的标识出打印工件所在位置坐标系；
7、可选的在web页面上在三维仿真场景中二次调整几何模型的行为模型；步骤1所用三维软件可能坐标系标准不一样，在web页面上展示会造成差异，在开发时设计的机器人几何模型位置等不一定符合实际场景，因此，需要在web页面上在三维仿真场景中二次调整几何模型的行为模型；
8、网关设备等设备实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置等数据后，将数据通过socket TCP协议发送给数字孪生模型的数据模型，同步更新数据模型中的数据；
9、将机器人物理实体设备和数字孪生模型进行实时同步：根据机器人数据模型，同步修改三维仿真场景中的机器人几何模型的位置和姿态；
10、可选的接收到实时的尖端焊枪位置(焊枪的位置与打印中工件实时的位置是对应的)信息后，将所有历史焊枪位置信息汇总生成实时打印工件的几何模型，将打印工件模型放入步骤6中配置的位置坐标系；
11、最后可以通过webgl对更新完成的数字孪生模型进行展示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于URDF的数字孪生创建方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、建立数字孪生模型：通过在三维软件中导入机器人相关几何模型，根据几何模型创建包括数据模型和行为模型的机器人数字孪生模型，使行为模型和机器人物理实体设备保持一致，将数字孪生模型以URDF文件格式进行存储；URDF是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的语言格式；
步骤2、将URDF文件进行文件压缩；
步骤3、通过http请求获取压缩的URDF文件；
步骤4、将URDF文件中xml配置文件进行解析，获取到URDF文件中所存储的几何模型；并将获取的几何模型文件转化为临时文件；
步骤5、通过步骤4中临时文件，获取机器人几何结构的位置、大小、旋转信息，根据这些信息在web页面上创建一个三维仿真场景；
步骤6、根据创建的三维仿真场景，可视化的配置数据模型，在三维仿真场景中对几何模型和数据模型进行一一绑定，配置数据模型中数据来源，标识出打印工件所在位置坐标系；
步骤7、实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置数据后，将数据通过socket TCP协议发送给数字孪生模型的数据模型，同步更新数据模型中的数据；由网关设备实时采集获取到机器人物理实体设备相关的轴角度、尖端焊枪位置数据；
步骤8、将机器人物理实体设备和数字孪生模型进行实时同步更新：根据机器人数据模型，同步修改三维仿真场景中的机器人几何模型的位置和姿态；
步骤9，接收到实时的尖端焊枪位置信息后，将所有历史焊枪位置信息汇总生成实时打印工件的几何模型，将打印工件模型放入步骤6中配置的位置坐标系。
2.根据权利要求1所述的基于URDF的数字孪生创建方法，其特征是，所述机器人数字孪生模型包括：
几何模型：用于表示机器人几何结构；
数据模型：用于驱动几何模型运动，结构为机器人物理实体设备的属性参数集合；
行为模型：用于表示机器人的位置、运动状态和姿态。
3.根据权利要求1所述的基于URDF的数字孪生创建方法，其特征是，步骤4中，获取到的URDF文件中所存储的几何模型，包括模型stl文件、模型位置、模型所在坐标系、模型对应部件名称和各个模型之间的关系。
4.根据权利要求1所述的基于URDF的数字孪生创建方法，其特征是，执行步骤6以后，还包括在web页面上在三维仿真场景中二次调整几何模型的行为模型的步骤。
5.根据权利要求1所述的基于URDF的数字孪生创建方法，其特征是，还包括通过webgl对更新完成的数字孪生模型进行展示的步骤。
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