基于數字孿生的機器人實驗平臺設計*

趙俊英 李云龍 邵 欣 胡成琳 鄧 玖

（天津中德應用技術大學，天津 300350）

工業機器人在焊接、裝配、分揀和涂膠等制造業領域應用廣泛，相關應用和人才需求迅速增加[1?2]。機器人二次開發和出廠檢測的時候，需要進行大量的實驗驗證，已有的工業機器人實驗臺大多采用工業機器人真機或仿真系統[3]。這些載體存在以下弊端：一是價格較為昂貴，實驗資源有限，且試錯的成本較高[4]；二是不能實現虛實同步，仿真與實物往往互相獨立，缺少虛擬資源與真實設備的聯動，不能發揮出虛擬資源的真正優勢；三是結構封閉，機器人公司所配備的機器人本體和控制系統大多是封閉式結構，并且各個品牌間沒有統一的標準[5]，導致實驗過程的可視性差，并加大了設備的維護、升級改造的難度與成本。另一方面，在實際工程應用中，機器人運動學理論的運算和建模計算工作量繁重[6]。針對以上問題，通過引入數字孿生技術設計基于數字孿生的機器人平臺，可降低二次開發應用的成本、節約時間。

利用該平臺，可以進行工業機器人坐標系標定、工業機器人本體控制及與周邊設備的協同控制等，還可以開展機器人正逆解研究及其他類型設備的運動學研究，完成機器人運動學參數配置等實驗。

1 整體結構設計

依據數字孿生五維模型理論[7]，構建了基于數字孿生的機器人平臺系統，包括物理對象、虛擬模型、連接、數據和服務系統，設計思路如圖1所示。工業機器人的核心是控制系統，而控制的關鍵對象是多伺服電機的協同動作；另外工業機器人本體結構及控制系統存在封閉性高、技術升級困難等弊端[5],設計開放性的控制系統對于二次開發具有十分重要的作用。針對以上問題，平臺采取開放式的設計，使機器人的運動軸及控制系統直接展現出來。

圖1 實驗平臺設計思路

1.1 結構組成與通信

實驗平臺整體硬件架構由機器人控制柜、PLC與觸摸屏和計算機三大部分組成，其主要作用分別為實現工業機器人運動功能、構建孿生數據庫及搭建虛擬模型。三部分硬件實時互聯互通，如圖2所示。平臺硬件系統采用開放式設計，包括機器人6個關節的驅動元件（即6個伺服電機）、伺服控制器、機器人控制器、機器人示教器、擴展板、交換機、開關電源、按鈕、指示燈、PLC和觸摸屏等。

圖2 實驗平臺結構簡圖及實物圖

整個工業網絡通信通過工業交換機進行連接。首先介紹控制柜，6個電機的伺服控制器通過X8 IN端口與機器人控制器端口2連接，又通過X9 OUT與擴展I/O板的IN口相連，均采用EtherCAT通信。擴展I/O板的OUT口與擴展模塊相連。機器人控制器端口1，經控制柜總接口連接到交換機端口1；PLC連接到交換機端口4，通信協議為Modbus TCP，實現機器人控制器與PLC的通信。除上述連接外，PLC與HMI采用Profinet通信協議；PLC與計算機中仿真軟件采用OPC UA進行數據采集，OPC UA是實現設備層數據到計算機虛擬仿真軟件的關鍵。另外，機器人示教器通過航空插頭連接到控制柜。

機器人實驗平臺結構簡圖及實物圖如圖2所示。

1.2 實驗平臺工作流程

整體上，實驗平臺是通過在真實的示教器中操作、編程，使實體工業機器人控制系統與虛擬機器人聯動運行，即實現物理實體與仿真模型虛實同步。圖3為平臺對J2（第二關節）的控制流程。

圖3 運行狀態下實驗平臺工作流程

（1）在運行狀態下，通過示教器發出控制指令，經機器人控制器轉換后傳遞給伺服控制器，進而通過脈沖輸出控制電機2轉動。同時，機器人控制器發出的控制信息，經控制柜總接口1傳遞至PLC，并在PLC數據庫中儲存、處理，而后被仿真系統采集，進而驅動虛擬機器人第二關節轉動。至此虛擬機器人與物理實體實現實時聯動，即實現虛實同步。如圖3所示。

（2）在初始狀態下，虛擬模型則通過上述流程讀取物理實體的參數值并執行，使虛擬模型狀態與物理實體保持一致。

2 數字孿生模型的構建

基于數字孿生理念，本文在虛擬系統中構建了實際物理系統的數字映像，實現了虛實間的數據交互、狀態同步等，為物理實體的狀態監控和運動控制等擴展了新的能力。構建數字孿生模型時，先在SolidWorks軟件中創建CAD模型，經兼容性處理后導入Tecnomatix仿真環境中，在虛擬環境中設置虛擬模型的運動參數、虛實控制映射關系等。通過西門子S7-1500PLC實現虛擬環境與物理實體間數據收發、運動控制和運行結果可視化等功能。虛擬模型如圖4所示。

圖4 Tecnomatix數字仿真系統及某一虛擬模型

2.1 仿真模型的運動控制

工業機器人本體的運動控制分為兩類，它們是PTP（點到點運動）和CP（連續軌跡）的運動控制[8]。為了對虛擬機器人實現這兩種控制，機器人控制器需要對采集到的數據進行計算，使其轉換成能夠正確驅動仿真模型的數據。

（1）PTP運動控制。在進行PTP運動時，需要通過關節角參數值，計算得到機器人末端執行器的位置和姿態，也就是進行運動學的正向求解。

本文選用D-H矩陣來進行求解,通過建立各關節所代表的坐標系矩陣并計算乘積，求出虛擬手抓在虛擬機器人系統的基坐標系中的齊次變換矩陣。依照式（1）求出虛擬機器人各關節組成部位之間的變換矩陣，從而求出手抓的坐標姿態。

式中：αi為關節扭轉角，ai為連桿長度，θi為關節角，di為連桿偏移量。

通過計算各部位的矩陣乘積即可得出虛擬手抓在虛擬機器人系統的基坐標系中的齊次變換矩陣0T6

（2）CP連續運動控制。當虛擬機器人執行此類運動時，需要進行逆向求解。即已知末端執行器的位姿0T6求解出各個關節角的角度值θi。求解時，聯立式（1）、（2），并利用矩陣求逆，可得到

求得

式中：ci表示cosθi，si表示sinθi。

2.2 數據的采集與交互

數字孿生體與物理實體的虛實融合需要高質量的數據交互作為物質載體[9]。本文主要涉及真實機器人系統對實時數據信息的采集與傳遞，以及數字孿生體對物理實體狀態的實時讀取與監控。在這種雙向性的實時數據和信息交互下，一方面機器人驅動電機等物理實體的動態，將以可視化的形式反映在其數字孿生體上，對其狀態進行監控；另一方面，其數字孿生體對得到的數據、狀態等進行分析，可以反向影響、控制物理機器人本體。數據傳輸如圖5所示，圖6展示了某一組數據在PLC中存儲、轉換的程序段。

圖5 數據傳輸示意圖

圖6 在PLC中進行數據存儲與處理

3 實驗與驗證

工業機器人系統應能夠實現對機器人本體的控制，以及與周邊設備的協調控制[10?11]。從這個角度出發，對平臺進行虛實同步驗證實驗、工業機器人坐標系標定實驗、工業機器人本體控制及與周邊設備的協同控制實驗。

3.1 虛實同步性能驗證

針對平臺的虛實同步性能進行了一系列實驗。某次實驗中，J2初始值為?0.12，通過示教器使J2的角度值增加至0.15，理論上，電機實物與仿真機器人的第二關節都應向正方向轉動0.27°，實驗過程如圖7所示。經過多次實驗，得到表1所示數據，實驗結果表明該平臺虛實同步性能可靠。

圖7 虛實同步性能實驗

表1 虛實同步性能實驗數據

3.2 工業機器人坐標系標定實驗

在工業機器人的實際應用中，不同的使用環境，要求工具的位姿具有不同的特點。因此，快速實現工具坐標系的創建與標定，是工業機器人調試的重要環節。圖8是采用7點標定法進行工具坐標系標定時的場景，依此方法在示教器中完成7個點位標定后，即完成了該工具坐標系標定。

圖8 采用7點標定法進行工具坐標系標定

基于前文“2.2 數據的采集與交互”中所述數據計算方法，在示教器輸出運動控制信息后，Tecnomatix軟件中的虛擬模型收到已解析的數據，并進行相應運動。實驗平臺的可視化模塊，使得電機旋轉角度、速度等參量值在虛擬界面動態顯示，如圖9所示。

圖9 Tecnomatix軟件顯示的部分解析數據

3.3 機器人軌跡規劃實驗

采用上述工具坐標對機器人進行單軸運動和多軸運動實驗，使虛擬機器人完成焊接任務,虛擬機器人的焊接運動控制軌跡如表2所示。

表2 軌跡運動控制實驗

圖10所示為機器人速度與加速度曲線，觀察可知機器人速度和加速度的初始值和終止值均為 0，曲線平緩光滑，無突變、跳躍和間斷，說明機器人運動平穩。實驗表明，該平臺能夠更準確地實現機器人軌跡控制，同時也驗證了平臺中虛擬機器人的工具坐標系創建和標定準確可靠。

圖10 機器人速度與加速度曲線

3.4 工業機器人與周邊設備的協同控制

通過搬運碼垛任務驗證工業機器人與周邊設備的協同控制。

機器人系統需對指定數量的工件進行搬運，以紅、綠、黃等不同顏色的指示燈指示工作狀態。完成搬運時，虛擬機器人發出“碼垛完成”的信號，經PLC傳遞給機器人控制器實體；控制器經過程序判斷，發出紅燈常量控制指令；該指令通過PLC同時傳遞給紅燈實物和虛擬機器人，以I/O控制的方式點亮實物紅燈，同時以開關量信號點亮虛擬模型中的紅燈，如圖11所示。實驗表明，平臺中可準確實現機器人與周邊設備的協同控制。

4 結語

針對已有的工業機器人實驗載體存在的弊端，設計了基于數字孿生的工業機器人平臺。設計并搭建了開放式的硬件平臺，建立了數字孿生模型，實現了虛實同步。與已有的單一仿真系統相比，該平臺應用數字孿生技術實現虛擬資源與真實設備的聯動，可實現多種工作環境的快速、個性化創設，以更快的速度、更低的成本，驗證機器人設計的合理性與應用效果；該平臺還可以對試驗系統的運行狀態進行實時監控、反饋。另外，開放式的設計提升了可視化效果，也使得設備便于維護、升級和改造。實驗結果表明，該平臺虛實同步性能可靠，能準確可靠地實現工業機器人坐標系標定、工業機器人本體運動控制及與周邊設備的協同控制。

目前該系統已在天津某公司投入應用，為二次開發、技術研發、員工培訓使用，實際使用效果表明該平臺降低了二次開發應用的成本、節約了時間。