CN116945190A - 一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法 - Google Patents

一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法 Download PDF

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    • B25J9/163—Programme controls characterised by the control loop learning, adaptive, model based, rule based expert control

Abstract

本发明公开了基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法，包括：实体机械臂、中继控制单元和虚拟机械臂，虚拟机械臂是实体机械臂的虚拟映射；实体机械臂与中继控制单元进行实体通信，虚拟机械臂与中继控制单元进行虚体通信；中继控制单元包括虚拟机械臂类模块、虚拟环境类模块、控制算法模块和人机交互控制界面；虚拟机械臂类模块用于定义虚拟机械臂的运动学和动力学模型；虚拟环境类模块用于提供功能实现的函数和算法库；虚拟机械臂类模块为虚拟环境类模块提供参数共享，以实现虚拟机械臂的运动方式数据的可视化；本发明中可以通过用户控制界面或外部接口对虚拟机械臂进行控制，将虚拟机械臂的运动变化同步到实体机械臂上。

Description

一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法
技术领域
本发明涉及数字孪生技术领域,更具体的说是涉及一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法。
背景技术
数字孪生以数字化的方式映射物理实体的虚拟对象，通过在虚拟体表征和模拟物理实体的真实行为，以达到通过虚实交互反馈、数据融合分析和决策迭代优化来提升和扩展物理实体能力的目的。
目前数字孪生被广泛用于模拟仿真和状态监测，数据流向多为实体端到虚拟端，而由虚拟端对物理端的反向控制研究较少，双线特征映射能力尚且不足。
区别于状态监测，虚拟控制的数据源由实体设备转变为虚拟体，数据性质由真实的工况数据转变为虚拟体在虚拟工况下的模拟数据，即虚拟体在物理赋能后自我进化的数据，虚拟端到物理端的控制为虚拟体远程指导实体设备工作提供了可能性，可以在实体设备故障时进行虚拟维护，将本地的工作模式赋予实体，例如将虚拟机械臂训练好的工作轨迹部署到实体机械臂上。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法，解决虚拟机械臂对实体机械臂的反向控制研究较少，双线特征映射能力不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，包括：
实体机械臂、中继控制单元和虚拟机械臂，所述虚拟机械臂是所述实体机械臂的虚拟映射；所述实体机械臂与所述中继控制单元进行实体通信，所述虚拟机械臂与所述中继控制单元进行虚体通信；
所述中继控制单元包括虚拟机械臂类模块、虚拟环境类模块、控制算法模块和人机交互控制界面；
所述虚拟机械臂类模块用于定义虚拟机械臂的运动学和动力学模型；
所述虚拟环境类模块用于提供功能实现的函数和算法库；
所述虚拟机械臂类模块为所述虚拟环境类模块提供参数共享，以实现虚拟机械臂运动方式数据的可视化；
所述虚拟环境类模块为所述控制算法模块提供虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据；
所述控制算法模块采用滑模变结构控制算法，对来自虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据进行实时优化，用于解决实体机械臂运动轨迹对虚拟机械臂运动轨迹的跟踪问题；
所述人机交互控制界面用于孪生数据集成，将运动优化的控制数据的格式进行转换和转义，生成对实体机械臂的控制指令。
进一步地，所述虚拟机械臂的运动学和动力学模型包括机械臂各关节的当前速度、当前位置、当前力矩以及目标速度、目标位置和目标力矩；
所述功能实现的函数和算法库包括虚拟环境的客户端建立、环境启动、参数更新、虚拟通信建立、对象迭代的函数和算法。
进一步地，所述实体机械臂设有CAN、串口或网络通信接口；
所述实体机械臂与所述中继控制单元之间采用TCP/IP通信。
进一步地，所述中继控制单元基于Qt进行创建，所述虚拟机械臂基于CoppeliaSim构建，CoppeliaSim提供BlueZero或B0-based通信接口，用于实现虚拟机械臂与Qt建立的中继控制单元之间的通信。
为了进一步优化上述技术方案：数字孪生的虚拟环境由CoppeliaSim建立，通过虚拟环境自身或CoppeliaSim外部接口进行虚拟机械臂的运动轨迹规划，例如通过CoppeliaSim的线程脚本或搭建深度强化学习平台完成这项工作。
本发明还提供了一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，应用于上述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，包括以下步骤：
S1、创建孪生空间，基于CoppeliaSim构建虚拟环境及虚拟机械臂，基于Qt建立中继控制单元；
S2、初始化配置，将实体机械臂和所述虚拟机械臂进行初始化配置，基于所述中继控制单元中构建的虚拟机械臂类模块，对所述实体机械臂、虚拟机械臂和虚拟机械臂的各关节进行初始化；
S3、将所述实体机械臂与所述中继控制单元建立实体通信连接，将所述虚拟机械臂与所述中继控制单元建立虚体通信连接，当所述实体机械臂与所述虚拟机械臂分别与所述中继控制单元完成通信连接后，执行步骤S4，否则重新执行步骤S3；
S4、对所述虚拟机械臂通过运动学正向求解，控制各关节，对所述虚拟机械臂的各关节的虚拟运动数据进行采样，获取各关节实时位置数据；
对虚拟机械臂通过逆向运动求解，控制机械臂末端，进行虚拟机械臂运动规划，对虚拟运动数据进行采样，获取机械臂末端的空间位姿数据，对虚拟机械臂中父对象添加线程脚本，进行逆运动学求解，将机械臂末端的空间位姿数据转换为各关节实时位置数据；
S5、基于在所述中继控制单元中机器人滑模变结构控制算法，对采集到的所述虚拟机械臂的各关节实时位置数据进行实时优化，生成对应的各关节实时位置的控制数据；
S6、基于所述中继控制单元中构建的人机交互界面，对实时优化的各关节实时位置的控制数据转换为对所述实体机械臂的控制指令；
S7、中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制。
进一步地，所述步骤S2中初始化配置，具体包括：在系统运行时，将坐标原点统一到所述实体机械臂和所述虚拟机械臂的基坐标下，对所述实体机械臂、虚拟机械臂的各关节进行复位，将所述虚拟机械臂各关节的原点与所述实体机械臂各关节的原点保持一致，使所述虚拟机械臂的初始姿态与所述实体机械臂的初始姿态保持一致；对所述中继控制单元中的虚拟机械臂类也做关节初始化。
进一步地，所述步骤S4中，对所述各关节的实时位置数据和机械臂末端的空间位姿数据的获取，每10ms采集一次，并记录。
进一步地，所述中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制，具体包括：所述中继控制单元基于定时器每隔20ms对所述实体机械臂发出一次控制指令，每发送一次控制指令就跳出一次通讯循环。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的技术效果为：
1、本发明采用的CoppeliaSim具有构建多物理驱动的数字孪生虚拟环境的条件，由于虚拟机械臂无法与实体机械臂直接进行通信；因此，本发明基于Qt构建了中继控制单元以实现实体机械臂与虚拟机械臂之间的通信，进行物理赋能的虚拟机械臂能高保真地按照实体机械臂的动力学模型进行运动规划，具有可靠性高，且更有利于控制算法的融合与封装。
2、在虚拟机械臂，可以通过鼠标直接拖动虚拟机械臂或程序指令两种方法控制实体机械臂，拖动控制方式具有操作快捷方便的特点，用户仅用鼠标便可以对虚拟对象进行操作，通过视觉观感即可以判断运行效果和安全性。程序控制方式充分利用了CoppeliaSim脚本驱动的优势，通过构建用户控制界面或外部接口对虚拟机械臂进行控制，将虚拟机械臂的运动状态同步到实体机械臂上。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
下面结合附图对本发明基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统及方法作进一步说明；
图1是本发明基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统结构图；
图2是本发明基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明实施例公开了基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，包括：
实体机械臂、中继控制单元和虚拟机械臂，所述虚拟机械臂是所述实体机械臂的虚拟映射；所述实体机械臂与所述中继控制单元进行实体通信，所述虚拟机械臂与所述中继控制单元进行虚体通信；
所述中继控制单元包括虚拟机械臂类模块、虚拟环境类模块、控制算法模块和人机交互控制界面；
所述虚拟机械臂类模块用于定义虚拟机械臂的运动学和动力学模型；
所述虚拟环境类模块用于提供功能实现的函数和算法库；
所述虚拟机械臂类模块为所述虚拟环境类模块提供参数共享，以实现虚拟机械臂的运动方式数据的可视化；
所述虚拟环境类模块为所述控制算法模块提供虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据；
所述控制算法模块采用滑模变结构控制算法，对来自虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据进行实时优化，用于解决实体机械臂运动轨迹对虚拟机械臂运动轨迹的跟踪问题；
所述人机交互控制界面用于孪生数据集成，将运动优化的控制数据的格式进行转换和转义，生成对实体机械臂的控制指令。
为了优化上述技术方案，由于实体机械臂自身要求的通信协议各不相同，未经转换和转义的数据无法直接被实体机械臂使用，因此在此步骤完成数据的转换和转义。
所述虚拟机械臂的运动学和动力学模型包括机械臂各关节的当前速度、当前位置、当前力矩以及目标速度、目标位置和目标力矩；
所述功能实现的函数和算法库包括虚拟环境的客户端建立、环境启动、参数更新、虚拟通信建立、对象迭代的函数和算法。
所述实体机械臂设有CAN、串口或网络通信接口；
所述实体机械臂与所述中继控制单元之间采用TCP/IP通信。
所述中继控制单元基于Qt进行创建，所述虚拟机械臂基于CoppeliaSim构建，CoppeliaSim提供BlueZero或B0-based通信接口，用于实现虚拟机械臂与Qt建立的中继控制单元之间的通信。
为了进一步优化上述技术方案：孪生通信的建立主要围绕所述的物理端、中继控制单元和虚拟端展开。物理端与中继控制单元进行实体通信，通信方式为网络、串口或CAN通信，物理端作为服务器，中继控制单元作为客户端。虚拟端与中继控制单元进行虚体通信，所述虚拟端由CoppeliaSim构建，CoppeliaSim提供了BlueZero和B0-based等通信接口，用于实现虚拟端到Qt建立的中继控制单元之间的通信。
需要说明的是，Qt是一个跨平台的C++开发库，主要用来开发图形用户界面(Graphical UserInterface，GUI)程序；CoppeliaSim是一个轻量化的机器人仿真模拟器；BlueZero是一个跨平台的中间件，它将多个进程或多个线程互连，并按照类似于ROS(RobotOperating System，机器人操作系统)的松耦合分布式通信进行消息传输；B0-Based是基于BlueZero中间件及其与CoppeliaSim的接口插件。
如图2所示，本发明还提供了一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，应用于上述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，包括以下步骤：
S1、创建孪生空间，基于CoppeliaSim构建虚拟环境及虚拟机械臂，基于Qt建立中继控制单元；
S2、初始化配置，将实体机械臂和所述虚拟机械臂进行初始化配置，基于所述中继控制单元中构建的虚拟机械臂类模块，对所述实体机械臂、虚拟机械臂和虚拟机械臂的各关节进行初始化；
S3、将所述实体机械臂与所述中继控制单元建立实体通信连接，将所述虚拟机械臂与所述中继控制单元建立虚体通信连接，当所述实体机械臂与所述虚拟机械臂分别与所述中继控制单元完成通信连接后，执行步骤S4，否则重新执行步骤S3；
S4、对所述虚拟机械臂通过运动学正向求解，控制各关节，对所述虚拟机械臂的各关节的虚拟运动数据进行采样，获取各关节实时位置数据；
对虚拟机械臂通过逆向运动求解，控制机械臂末端，进行虚拟机械臂运动规划，对虚拟运动数据进行采样，获取机械臂末端的空间位姿数据，对虚拟机械臂中父对象添加线程脚本，进行逆运动学求解，将机械臂末端的空间位姿数据转换为各关节实时位置数据；
S5、基于在所述中继控制单元中机器人滑模变结构控制算法，对采集到的所述虚拟机械臂的各关节实时位置数据进行实时优化，生成对应的各关节实时位置的控制数据；
S6、基于所述中继控制单元中构建的人机交互界面，对实时优化的各关节实时位置的控制数据转换为对所述实体机械臂的控制指令；
S7、中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制。
为了优化上述技术方案，在虚拟机械臂的各关节和所述虚拟机械臂末端的数据完成到对实体机械臂的控制指令的转换和转义后，为了防止数据传输因阻塞而发生丢包的情况，中继控制单元基于定时器每隔20ms对所述实体机械臂发出一次控制指令，每发送一次控制指令就跳出一次通讯循环，有效的避免了机械臂只执行第一条指令的状况。
所述步骤S2中初始化配置，具体包括：在系统运行时，将坐标原点统一到所述实体机械臂和所述虚拟机械臂的基坐标下，对所述实体机械臂、虚拟机械臂的各关节进行复位，将所述虚拟机械臂各关节的原点与所述实体机械臂各关节的原点保持一致，使所述虚拟机械臂的初始姿态与所述实体机械臂的初始姿态保持一致；对所述中继控制单元中的虚拟机械臂类也做关节初始化。
所述步骤S4中，对所述各关节的实时位置数据和机械臂末端的空间位姿数据的获取，每10ms采集一次，并记录。
所述中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制，具体包括：所述中继控制单元基于定时器每隔20ms对所述实体机械臂发出一次控制指令，每发送一次控制指令就跳出一次通讯循环。
为了优化上述技术方案，虚拟环境类模块包括虚拟环境的客户端建立、环境启动、参数更新、虚拟通信建立、对象迭代的函数和算法，这些迭代算法都是相互独立的，且都在虚拟环境类模块下实现，虚拟环境类模块可被视为底层技术支持，需要借助来自虚拟机械臂类模块的参数共享实现，并以此完成数字到虚拟机械臂、实体机械臂的转换。
为了优化上述技术方案，控制算法采用机器人滑模变结构控制算法，不需要被控对象的精确数学模型，只需模型中的参数变化范围。
为了优化上述技术方案，在所述中继控制单元中，虚拟机械臂类的主要输出为关节的目标速度，即joint.out[i]＝joint.tar_vel[i]，其中，Joint.out[i]是实际的关节速度，joint.tar_vel[i]是目标关节速度，虚拟机械臂的关节速度方向为布尔变量；1和0分别表示正向和反向。对于虚拟机械臂目标速度数据的侦听是循环往复的，以备接口连接实体设备时提供实时的虚拟数据。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，其特征在于，包括：
实体机械臂、中继控制单元和虚拟机械臂，所述虚拟机械臂是所述实体机械臂的虚拟映射；所述实体机械臂与所述中继控制单元进行实体通信，所述虚拟机械臂与所述中继控制单元进行虚体通信；
所述中继控制单元包括虚拟机械臂类模块、虚拟环境类模块、控制算法模块和人机交互控制界面；
所述虚拟机械臂类模块用于定义虚拟机械臂的运动学和动力学模型；
所述虚拟环境类模块用于提供功能实现的函数和算法库；
所述虚拟机械臂类模块为所述虚拟环境类模块提供参数共享，以实现虚拟机械臂的运动方式数据的可视化；
所述虚拟环境类模块为所述控制算法模块提供虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据；
所述控制算法模块采用滑模变结构控制算法，对来自虚拟机械臂对实体机械臂的控制数据进行实时优化，用于解决实体机械臂运动轨迹对虚拟机械臂运动轨迹的跟踪问题；
所述人机交互控制界面用于孪生数据集成，将运动优化的控制数据的格式进行转换和转义，生成对实体机械臂的控制指令。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，其特征在于，所述虚拟机械臂的运动学和动力学模型包括机械臂各关节的当前速度、当前位置、当前力矩以及目标速度、目标位置和目标力矩；
所述功能实现的函数和算法库包括虚拟环境的客户端建立、环境启动、参数更新、虚拟通信建立、对象迭代的函数和算法。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，其特征在于，所述实体机械臂设有CAN、串口或网络通信接口；
所述实体机械臂与所述中继控制单元之间采用TCP/IP通信。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，其特征在于，所述中继控制单元基于Qt进行创建，所述虚拟机械臂基于CoppeliaSim构建，CoppeliaSim提供BlueZero或B0-based通信接口，用于实现虚拟机械臂与Qt建立的中继控制单元之间的通信。
5.一种基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，应用于权利要求1-4任一所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、创建孪生空间，基于CoppeliaSim构建虚拟环境及虚拟机械臂，基于Qt建立中继控制单元；
S2、初始化配置，将实体机械臂和所述虚拟机械臂进行初始化配置，基于所述中继控制单元中构建的虚拟机械臂类模块，对所述实体机械臂、虚拟机械臂和虚拟机械臂的各关节进行初始化；
S3、将所述实体机械臂与所述中继控制单元建立实体通信连接，将所述虚拟机械臂与所述中继控制单元建立虚体通信连接，当所述实体机械臂与所述虚拟机械臂分别与所述中继控制单元完成通信连接后，执行步骤S4；否则，重新执行步骤S3；
S4、对所述虚拟机械臂通过运动学正向求解，控制各关节，对所述虚拟机械臂的各关节的虚拟运动数据进行采样，获取各关节实时位置数据；
对虚拟机械臂通过逆向运动求解，控制机械臂末端，进行虚拟机械臂运动规划，对虚拟运动数据进行采样，获取机械臂末端的空间位姿数据，对虚拟机械臂中父对象添加线程脚本，进行逆运动学求解，将机械臂末端的空间位姿数据转换为各关节实时位置数据；
S5、基于在所述中继控制单元中机器人滑模变结构控制算法，对采集到的所述虚拟机械臂的各关节实时位置数据进行实时优化，生成对应的各关节实时位置的控制数据；
S6、基于所述中继控制单元中构建的人机交互界面，对实时优化的各关节实时位置的控制数据转换为对所述实体机械臂的控制指令；
S7、中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，其特征在于，所述步骤S2中初始化配置，具体包括：在系统运行时，将坐标原点统一到所述实体机械臂和所述虚拟机械臂的基坐标下，对所述实体机械臂、虚拟机械臂的各关节进行复位，将所述虚拟机械臂各关节的原点与所述实体机械臂各关节的原点保持一致，使所述虚拟机械臂的初始姿态与所述实体机械臂的初始姿态保持一致；对所述中继控制单元中的虚拟机械臂类也做关节初始化。
7.根据权利要求5所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述各关节的实时位置数据和机械臂末端的空间位姿数据的获取，每10ms采集一次，并记录。
8.根据权利要求5所述的基于数字孪生的机械臂虚拟同步控制方法，其特征在于，所述中继控制单元通过控制指令对实体机械臂进行运动控制，具体包括：所述中继控制单元基于定时器每隔20ms对所述实体机械臂发出一次控制指令，每发送一次控制指令就跳出一次通讯循环。
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