基于三軸機(jī)械手裝配平臺(tái)的數(shù)字孿生可視化分析＊

蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司 李公文

鑒于數(shù)字孿生可視化研究較少，三維建模及模型簡化處理仍是當(dāng)前主要難點(diǎn)，本文以三軸機(jī)械手裝配平臺(tái)為研究對(duì)象，系統(tǒng)介紹了三維模型構(gòu)建、模型輕量化處理、虛實(shí)映射通訊等構(gòu)建方法，通過可視化智能運(yùn)維系統(tǒng)展示數(shù)字孿生技術(shù)在智能監(jiān)測、信息反饋、決策控制等方面的應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)字孿生（Digital Twin）以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[1,2]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不少學(xué)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化工廠可視化中的應(yīng)用展開了研究[3]，Unity3D 作為輕量化易上手的三維游戲引擎被廣泛應(yīng)用于數(shù)字展示及數(shù)字孿生[4,5]。本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)、基于三軸機(jī)械手利用Unity3D 開出一套實(shí)用的數(shù)字孿生系統(tǒng)，提升了三維的可視化效果。

1 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

數(shù)字孿生模型可分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型[6]，靜態(tài)模型完全按照實(shí)體工作臺(tái)進(jìn)行布置，同時(shí)對(duì)于模型所含的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行層級(jí)關(guān)系處理、硬件約束設(shè)置和物理屬性配置。動(dòng)態(tài)模型指的是裝配平臺(tái)上進(jìn)行具體裝配動(dòng)作的裝配氣缸、物料和裝配機(jī)器人等；靜態(tài)模型指的是工作臺(tái)箱體、顯示屏、支架等靜止不動(dòng)的模型。本文對(duì)不同狀態(tài)的模型采用了不同的實(shí)現(xiàn)方法。

1.1 對(duì)孿生場景中的靜態(tài)實(shí)體進(jìn)行建模

對(duì)于主要部件應(yīng)力求還原實(shí)體（如：裝配工作臺(tái)中的機(jī)器人模型，機(jī)器人模型在工作臺(tái)中的相對(duì)位置，裝配物料在工作臺(tái)中的相對(duì)位置等），對(duì)于次要實(shí)體要素應(yīng)當(dāng)簡化或忽略（如：裝配工作臺(tái)中的線路、連接氣缸的氣管等）。

1.2 對(duì)屬性方法的建模

分析孿生場景確定各實(shí)體模型部件所具有的屬性和方法，對(duì)需要的屬性和方法進(jìn)行綜合分析提取共性屬性和方法進(jìn)行模塊化、組件化的編程實(shí)現(xiàn)，其中方法組件應(yīng)提供靈活的外部接口以實(shí)現(xiàn)不同表現(xiàn)形式的方法執(zhí)行（如裝配機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方法需要根據(jù)相應(yīng)的約束規(guī)則確定其運(yùn)動(dòng)方向和速度等）。

1.3 規(guī)則與約束的模型建立

應(yīng)當(dāng)在分析了孿生場景之后提取與場景相關(guān)或主要相關(guān)的規(guī)則與約束，這是由于在數(shù)字化建模中對(duì)現(xiàn)實(shí)物理約束的建模實(shí)現(xiàn)困難且效果相較于其他模型較差，因此只提取主要的或相關(guān)的約束與規(guī)則進(jìn)行建模。規(guī)則與約束模型的具體建模方法為：用XML 語言存儲(chǔ)規(guī)則與約束信息，在需要對(duì)模型賦予這些規(guī)則和約束的時(shí)候提取相應(yīng)的XML 語言文件轉(zhuǎn)化為程序文件。

1.4 數(shù)據(jù)模型

對(duì)于數(shù)據(jù)模型的建立依賴于孿生場景的功能和上述三個(gè)步驟，數(shù)據(jù)模型的建立應(yīng)當(dāng)是穿插于各個(gè)建模步驟之間的，通過不同類型模型的建立過程的功能與模型分析對(duì)孿生場景中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，在確定了相關(guān)數(shù)據(jù)之后比較、分析數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，從而確定一個(gè)或多個(gè)主要數(shù)據(jù)（即主鍵）用以規(guī)范數(shù)據(jù)的存取（以裝配工作臺(tái)為例，數(shù)據(jù)模型選取時(shí)間戳為主鍵，聯(lián)系機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和裝配狀態(tài)）。

1.5 不同模型的融合模型

對(duì)于不同場景和需求的模型，其模型融合的具體規(guī)則應(yīng)當(dāng)具體分析，但其核心仍然是通過分析實(shí)體模型不同部件與屬性和方法模型的相互作用范圍，以及規(guī)則約束模型對(duì)實(shí)體模型及其所具有的屬性和方法的驅(qū)動(dòng)方式和效果（如裝配平臺(tái)中對(duì)于裝配材料物理屬性的約束和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為的約束）通過將動(dòng)作時(shí)序關(guān)系、工藝約束關(guān)系、能量流、信息流、物料流等映射到模型中，使模型之間產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)擬合的邏輯、行為。在Unity3D 引擎中，經(jīng)過以上步驟可以完成對(duì)虛擬模型的構(gòu)建工作，最終成品如圖1 所示。

圖1 三軸機(jī)械手裝配平臺(tái)三維模型Fig.1 3D model of three-axis manipulator assembly platform

2 三維模型簡化處理

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，設(shè)備數(shù)量不斷增加，其數(shù)字孿生模型的規(guī)模一般比較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]，這就導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的CAD 組合體數(shù)字模型的規(guī)模和復(fù)雜性也日益增長。因此數(shù)字孿生模型需要做簡化處理，根據(jù)引用[8]的思想，數(shù)字孿生模型簡化處理流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生模型簡化處理流程Fig.2 Digital twins simplify processing

步驟1：首先利用Solidworks 進(jìn)行三維建模并輸出為WRL 格式；

步驟2：利用3D MAX 軟件對(duì)三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化、合并網(wǎng)格等操作，同時(shí)對(duì)三維模型的面片數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)進(jìn)一步的優(yōu)化，減少模型網(wǎng)格數(shù)，并輸出為FBX 格式；

步驟3：將簡化后三維模型Unity3D 中，通過相應(yīng)的Shader 開發(fā)、系統(tǒng)交互開發(fā)等，完成三維模型的搭建與簡化工作。

3 通訊及孿生控制

通過Unity3D 中構(gòu)建OPC UA 服務(wù)器，讀取PLC中數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，使用OPC UA 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到搭載數(shù)字孿生平臺(tái)的設(shè)備或其他可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通訊及數(shù)字孿生虛實(shí)同步控制，數(shù)字孿生系統(tǒng)接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，孿生控制方案包含以下模塊：數(shù)據(jù)解析、驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行監(jiān)控和異常處理，具體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生控制方案流程圖Fig.3 Flow chart of digital twin control scheme

步驟1：構(gòu)建OPC UA 服務(wù)器，通過SimensS7 TCP/IP Ethernet 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)端到服務(wù)器端的傳輸；

步驟2：在服務(wù)器設(shè)備端接收到PLC 發(fā)送的數(shù)據(jù)后，使用OPC UA 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到搭載數(shù)字孿生平臺(tái)的設(shè)備或其他可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的設(shè)備；

步驟3：孿生平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，主要目的就是將通信模塊獲取的孿生原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)與孿生驅(qū)動(dòng)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、查驗(yàn)，在確保數(shù)據(jù)無誤且可用之后調(diào)用數(shù)據(jù)處理方法并激活驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行孿生驅(qū)動(dòng)；

步驟4：孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。在獲取到孿生所需的數(shù)據(jù)之后，依據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生平臺(tái)各個(gè)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)孿生的基礎(chǔ)功能；

步驟5：在第4 步基礎(chǔ)功能之上，結(jié)合運(yùn)行監(jiān)控模塊通過孿生平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配工作臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)、把握裝配過程中的重要細(xì)節(jié)，同時(shí)，基于數(shù)據(jù)解析模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的處理結(jié)果；

步驟6：異常處理模塊將進(jìn)行進(jìn)一步的加工、分析，在符合預(yù)設(shè)的條件時(shí)觸發(fā)異常處理方法。孿生平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制功能也依賴于控制模塊，當(dāng)用戶在人機(jī)交互界面觸發(fā)了相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制指令時(shí)，控制模塊會(huì)對(duì)比、分析控制指令從而調(diào)動(dòng)相應(yīng)的通信模塊功能進(jìn)行對(duì)用戶指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量修改，從而達(dá)到精確的遠(yuǎn)程控制功能。

4 可視化界面設(shè)計(jì)

3D 可視化系統(tǒng)主要是針對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)二維圖表展示不形象、不直觀等用戶痛點(diǎn)提出的，主要是為了解決生產(chǎn)過程中故障設(shè)備設(shè)施定位困難等問題[9,10]。本文機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)融入到可視化界面中，狀態(tài)參數(shù)是機(jī)器人的運(yùn)行位置和速度、數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性，因此提供了檢測數(shù)據(jù)通信狀態(tài)的可視化監(jiān)控窗口和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)測窗口，通過兩個(gè)監(jiān)測窗口可以準(zhǔn)確、直觀的把握孿生系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，最終界面如圖4 所示。

圖4 三軸機(jī)械手裝配平臺(tái)數(shù)字孿生狀態(tài)監(jiān)測畫面Fig.4 Three-axis manipulator assembly platform digital twin state monitoring screen

5 結(jié)語

通過本方案的構(gòu)建，搭建一個(gè)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)展示與研究平臺(tái)，后續(xù)結(jié)合設(shè)備及功能需要，可以添加各類傳感器（如：溫度、濕度、壓力、流量、加速度等傳感器）可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測、控制以及監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，此外為后續(xù)研究基于孿生的故障預(yù)測提供一個(gè)基礎(chǔ)通用平臺(tái)。