CN116810782A - 一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法，以实现对电力组塔机器人性能数据的实时监测，模型包括物理空间模块、虚拟空间模块、通讯连接模块、孪生数据模块和上位机显示模块。物理空间模块的组塔机器人上布置若干的传感器；在虚拟空间模块构建与物理空间模块相对应的孪生虚拟场景；通讯连接模块用于传输组塔机器人物理空间模块数据至孪生数据模块；孪生数据模块分类处理物理空间模块多源异构数据，将组塔机器人和输电塔可视化多源模型与孪生数据模块处理的多源异构数据进行融合；技术人员通过上位机显示模块对组塔机器人性能数据的全面实时监测。本发明对于组塔机器人的设计、试验以及安全可靠的实现输电塔组立作业具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生技术领域，尤其涉及一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法。
背景技术
目前，输电铁塔组立施工主要依靠人工完成，作业人员需要爬至几十米高的上、下塔段对接位置，完成内包角钢和外包铁与上、下塔段主材的螺栓连接，作业过程存在安全风险大、人员管控难、工艺质量不高等突出问题。利用机器人代替人工完成对输电塔的组立工作，对于减少人工作业的事故发生、提高作业效率和可靠性具有现实意义。
然而，可用于输电铁塔组立的特种机器人需要定制化设计，试验及作业过程中对于目标的可达性、作业的安全性和有效性均需要进行实时的监测和验证，以进行迭代优化设计，因此本发明采用数字孪生技术提出一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法对于组塔机器人安全可靠的实现输电塔组立工作具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法，以实现对组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测，为后续的迭代优化提供参考。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面
本发明提供了一种组塔机器人数字孪生模型，包括物理空间模块、虚拟空间模块、通讯连接模块、孪生数据模块和上位机显示模块五部分；
所述物理空间模块包括组塔机器人、输电铁塔环境和在组塔机器人上布置的若干数量和类型的传感器；
所述虚拟空间模块用于构建与物理空间模块相对应的孪生虚拟场景；
所述通讯连接模块用于传输组塔机器人物理空间模块数据至孪生数据模块；
所述孪生数据模块：用于分类处理物理空间模块多源异构数据，将组塔机器人和输电塔可视化多源模型与孪生数据模块处理的多源异构数据进行融合；
上位机显示模块：用于技术人员对组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
其中，所述传感器包括超声波避障传感器、载荷传感器和应变传感器。
其中，所述多源异构数据包括各类传感器采集数据、运动控制数据和电池监测数据。
其中，所述通讯连接模块采用LoRa无线数传通讯。
第二方面
本发明还提供了一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，所述数字孪生模型采用上述的模型，包括如下步骤：
S1、在物理空间模块的组塔机器人上布置若干数量和类型的传感器，采集组塔机器人对输电铁塔脚钉、横梁的障碍感知数据、夹持单元夹臂的载荷数据和传动丝杠的屈曲数据；
S2、在虚拟空间模块中构建组塔机器人多源模型和输电铁塔多源模型，所述组塔机器人多源模型包括几何模型、物理模型和行为逻辑模型，所述输电塔多源模型包括几何模型和物理模型；
S3、通过通讯连接模块将物理空间模块组塔机器人的行为、状态等多源异构数据传输至孪生数据模块；
S4、孪生数据模块对多源异构数据进行预处理，以提高信噪比，同时将来自不同数据源的数据分组到与其相关的特定组件中，通过为每个数据项分配一个唯一的标识来准确、高效地管理数据和表达部件状态，实现组塔机器人孪生数据的虚拟融合，并采用边缘计算方法实现对组塔机器人虚拟空间模块的实时交互驱动，孪生数据模块同时对历史数据进行存储；
S5、将孪生数据模块的实时数据以三维模型驱动和量化数据更新的方式在上位机显示模块进行展示，辅助技术人员进行组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
其中，所述传感器包括超声波避障传感器、载荷传感器和应变传感器。
其中，所述多源异构数据包括各类传感器采集数据、运动控制数据和电池监测数据。
其中，所述通讯连接模块采用LoRa无线数传通讯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
特种机器人的研制往往需要经历迭代设计、试验验证和作业优化等过程，本发明提出一种组塔机器人数字孪生模型及构建方法，将数字孪生技术用于组塔机器人设计、试验和作业过程，实现对组塔机器人性能数据的全面实时监测，对于组塔机器人的设计、试验以及安全可靠的实现输电塔组立作业具有重要意义。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的模型模块组成结构示意图；
图2所示为本发明实施例提供的模型构建方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供的一种组塔机器人数字孪生模型，所述组塔机器人数字孪生模型包括物理空间模块、虚拟空间模块、通讯连接模块、孪生数据模块和上位机显示模块五部分。
(1)物理空间模块：包括真实组塔机器人、输电铁塔环境和在组塔机器人上布置的若干数量和类型的传感器；
(2)虚拟空间模块：用于构建与物理空间模块相对应的孪生虚拟场景；
(3)通讯连接模块：用于传输组塔机器人物理空间模块数据至孪生数据模块；
(4)孪生数据模块：用于分类处理物理空间模块多源异构数据，将组塔机器人和输电塔可视化多源模型与孪生数据模块处理的多源异构数据进行融合；
(5)上位机显示模块：用于技术人员对组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
如图2所示，本实施例中一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，包括如下步骤：
S1、在物理空间模块的组塔机器人上布置若干数量和类型的传感器，采集组塔机器人对输电铁塔脚钉、横梁的障碍感知数据、夹持单元夹臂的载荷数据和传动丝杠的屈曲数据；
S2、虚拟空间模块场景依托Unity3D搭建，在虚拟空间模块中构建组塔机器人多源模型和输电铁塔多源模型，所述组塔机器人多源模型包括几何模型、物理模型和行为逻辑模型，所述输电塔多源模型包括几何模型和物理模型，其中几何和物理模型均采用Solidworks三维软件绘制，并经3dMax三维软件进行贴图和轻量化处理，提高可视化效果；
S3、通过通讯连接模块将物理空间模块组塔机器人的行为、状态等多源异构数据传输至孪生数据模块；
S4、孪生数据模块对多源异构数据进行预处理，以提高信噪比，同时将来自不同数据源的数据分组到与其相关的特定组件中，通过为每个数据项分配一个唯一的标识来准确、高效地管理数据和表达部件状态，实现组塔机器人孪生数据的虚拟融合，并采用边缘计算方法实现对组塔机器人虚拟空间模块的实时交互驱动，孪生数据模块同时对历史数据进行存储；
S5、将孪生数据模块的实时数据以三维模型驱动和量化数据更新的方式在上位机显示模块进行展示，辅助技术人员进行组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
本实施例中，所述的在物理空间模块的组塔机器人上布置若干数量和类型的传感器，所述传感器包括超声波避障传感器、载荷传感器和应变传感器。
本实施例中，所述组塔机器人几何模型需依据组塔机器人的各机械零件、电器元件的几何参数和装配关系进行三维建模，同时进行细节层级渲染，使几何模型与物理实体保持高度的一致性；所述组塔机器人物理模型构建需包括为组塔机器人几何模型添加基本和运动物理属性两部分，其中基本物理属性包括各零件的材料、质量、摩擦系数、碰撞体等，运动物理属性指组塔机器人各零部件间的运动副和耦合关系，主要包括螺旋副、球副、铰链副和柱面副等；所述组塔机器人行为逻辑模型包括传感器、控制器、驱动器和执行器等电器元件的行为逻辑模型，需在组塔机器人电器元件几何模型的基础上对其工作原理、运行机制、驱动报文等进行建模，建立传感器、控制器、驱动器和执行机构之间的信号交互虚拟接口，根据物理空间模块中组塔机器人所布置传感器真实工作原理对触发条件进行定义，并与控制器对应交互信号进行关联，根据驱动器和执行机构的工作原理，在相应执行机构三维模型中对执行元件的运动控制参数进行定义，并与控制器对应交互信号进行关联。
具体地，所述输电塔几何模型需依据输电塔主材、斜材、横担、脚钉、螺栓和螺母等的几何参数和装配关系进行三维建模，同时进行细节层级渲染，使几何模型与物理实体保持高度的一致性；所述输电塔物理模型包括为各类零件赋予材质、质量、摩擦系数和碰撞体等。
本实施例中，所述多源异构数据包括各类传感器采集数据、运动控制数据和电池监测数据。
本实施例中，所述通讯连接模块采用LoRa无线数传模块进行通讯，将多源异构数据传输至孪生数据模块。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种组塔机器人数字孪生模型，其特征在于：包括物理空间模块、虚拟空间模块、通讯连接模块、孪生数据模块和上位机显示模块五部分；
所述物理空间模块包括组塔机器人、输电铁塔环境和在组塔机器人上布置的若干数量和类型的传感器；
所述虚拟空间模块用于构建与物理空间模块相对应的孪生虚拟场景；
所述通讯连接模块用于传输组塔机器人物理空间模块数据至孪生数据模块；
所述孪生数据模块：用于分类处理物理空间模块多源异构数据，将组塔机器人和输电塔可视化多源模型与孪生数据模块处理的多源异构数据进行融合；
上位机显示模块：用于技术人员对组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
2.如权利要求1所述的一种组塔机器人数字孪生模型，其特征在于：所述传感器包括超声波避障传感器、载荷传感器和应变传感器。
3.如权利要求1所述的一种组塔机器人数字孪生模型，其特征在于：所述多源异构数据包括各类传感器采集数据、运动控制数据和电池监测数据。
4.如权利要求1所述的一种组塔机器人数字孪生模型，其特征在于：所述通讯连接模块采用LoRa无线数传通讯。
5.一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，其特征在于：所述数字孪生模型采用如权利要求1所述的模型，包括如下步骤：
S1、在物理空间模块的组塔机器人上布置若干数量和类型的传感器，采集组塔机器人对输电铁塔脚钉、横梁的障碍感知数据、夹持单元夹臂的载荷数据和传动丝杠的屈曲数据；
S2、在虚拟空间模块中构建组塔机器人多源模型和输电铁塔多源模型，所述组塔机器人多源模型包括几何模型、物理模型和行为逻辑模型，所述输电塔多源模型包括几何模型和物理模型；
S3、通过通讯连接模块将物理空间模块组塔机器人的多源异构数据传输至孪生数据模块；
S4、孪生数据模块对多源异构数据进行预处理，以提高信噪比，同时将来自不同数据源的数据分组到与其相关的特定组件中，通过为每个数据项分配一个唯一的标识来管理数据和表达部件状态，实现组塔机器人孪生数据的虚拟融合，并采用边缘计算方法实现对组塔机器人虚拟空间模块的实时交互驱动，孪生数据模块同时对历史数据进行存储；
S5、将孪生数据模块的实时数据以三维模型驱动和量化数据更新的方式在上位机显示模块进行展示，辅助技术人员进行组塔机器人试验及作业过程性能数据的实时监测。
6.如权利要求5所述的一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，其特征在于：所述传感器包括超声波避障传感器、载荷传感器和应变传感器。
7.如权利要求5所述的一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，其特征在于：所述多源异构数据包括各类传感器采集数据、运动控制数据和电池监测数据。
8.如权利要求5所述的一种组塔机器人数字孪生模型的构建方法，其特征在于：所述通讯连接模块采用LoRa无线数传通讯。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117671447A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-03-08 | 河北建工集团有限责任公司 | 一种面向复杂场景的数字孪生与智能传感器的融合系统 |
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2023
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| CN117671447B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-05-07 | 河北建工集团有限责任公司 | 一种面向复杂场景的数字孪生与智能传感器的融合系统 |
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