離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統研究

樊夢成 ，溫春雨 ，余 鋮 ，周凱琪 ，于 航 ，周士禹 ，陳子昂 ，葉銀海

（浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

隨著移動互聯網業務的爆發式增長，離散制造環境下的庫存優化有了新的需求和挑戰。倉庫存儲的物資量大幅度增加，加重了離散制造環境中物料運轉的負擔。因此，如何實現更高效的物料流轉，降本增效是當前亟需解決的問題。

雖然RMFS 的“貨架到人”物流模式很大程度上提高了揀選效率，減少了人工成本，但是這種人工手動模式效率低、錯誤率高，而分揀機器人能夠緩解這個問題。劉振宇等[1]提出目標分塊處理算法和Hough-鏈碼識別算法解決規則幾何工件的分揀問題。倪鶴鵬等[2]針對分揀系統提出了一種基于時間和工件位置的去重算法和基于牛頓-拉夫森迭代的動態抓取算法，實現了較低的誤抓率。伍錫如等[3]提出的多目標分塊處理算法和Hough-鏈碼識別算法可以解決規則幾何工件的分類問題。彭剛等[4]提出的改進的自適應閾值的Canny 邊緣提取算子通過提取邊緣信息，從而提高分揀效率。

數字孿生（digital twin）的概念最早由Grieves教授提出[5]。數字孿生是利用數字化手段拓展物理實體的功能[6]，在智能生產車間[7]等方面應用廣泛，Tao 等[8]提出了數字孿生車間的新概念，并在2019 年提出了數字孿生五維模型的概念[9]。李玉等[10]構建了一種多AGV 動態調度數字孿生框架和調度問題模型，用于碼頭作業。

本研究在已有研究的基礎上，構建了離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統，利用Unity技術構建了與真實場景一致的三維孿生空間，構建AGV、分揀機器人、運行場景等孿生模型，可快速模擬不同訂單任務的AGV搬運物料情況和分揀情況，實現虛擬世界與物理世界之間的實時映射，從而達到全過程實時感知。

1 離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統架構

離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統架構如圖1 所示，該分揀系統主要由物理空間系統、虛擬空間系統、孿生數據服務系統、系統支撐服務4 個部分組成。1）物理空間系統。物理空間系統是數字孿生系統的基礎，是在真實環境中運行的系統，主要體現在各類資源的組織、協同和管理，接收并執行孿生數據服務系統下發的指令。2）虛擬空間系統。虛擬空間系統是物理系統在虛擬空間中的展現形式，通過三維模型、物理屬性、模型約束和觸發事件等，來描述虛擬空間中的幾何模型、物理模型、邏輯模型和行為模型。3）孿生數據服務系統。孿生數據服務系統主要功能包括孿生數據存儲、虛實交互映射、數據處理、數據對比和數據傳輸等。4）系統支撐服務。系統支撐服務是為用戶提供服務，保障以上三部分之間的相互聯系，是孿生系統能夠提供各種功能需求的基礎。

圖1 基于數字孿生的分揀系統架構

2 構建面向離散制造環境下分揀系統的數字孿生系統

孿生系統構建方法如圖2 所示，通過此技術路線實現孿生系統的構建，具體構建步驟如下。

圖2 孿生系統構建方法

1）使用SolidWorks 工具制作出離散制造環境虛擬系統所需的真實物理環境模型，如AGV、分揀機器人、貨架位、物料等。

2）將CAD 模型進行模型輕量化處理，針對細小特征的模型或者結構進行簡化，使用3DMAX 或C4D將CAD模型轉換為面片模型，進行輕量化處理。

3）將輕量化處理后的文件導出為.fbx 格式，導入Unity 軟件中，在設置好模型比例參數后，借助Toolbag 等工具進行模型表面處理，同時添加模型相關的物理屬性，如重量、地面摩擦力、剛體屬性等，使虛擬模型滿足高保真性，提升一致性。

將模型在虛擬空間系統構建成與物理空間系統中相同的結構，圖3 為分揀機器人孿生模型構建，圖4 為運輸AGV 孿生模型構建，圖5 為離散制造環境下數字孿生系統局部圖，圖6 為Unity 中部分模型屬性設置。通過完成上部步驟，實現物理實體與虛擬實體的實時映射，實時感知系統運行情況并能夠及時地進行人工干預，實現虛實交互。

圖3 分揀機器人孿生模型構建

圖4 運輸AGV 孿生模型構建

圖5 離散制造環境下數字孿生系統局部圖

圖6 Unity 中部分模型屬性設置

3 系統實現與驗證

在運輸AGV 運行過程中，保證四輪差速結果與虛擬系統中運輸AGV 模型的運動情況相同，激光雷達點云成像結果實時反饋到虛擬系統運輸AGV 中，保證虛擬系統中能夠實現與物理系統相同的避障效果。當物料運輸到分揀站點時，分揀機器人經過視覺檢測智能算法進行物料分類入庫，使用了深度學習網絡與傳統點對特征匹配算法相級聯的方法來解決物體的位姿估計問題。以斜盤外圈分揀應用場景為例，本研究提出的離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統構建方法在實際的物理環境中進行了搭建、測試、驗證。圖7、圖8 為物料的運輸、分揀過程，運輸AGV 確認上料完成后，由系統支撐服務層結合當前全局的AGV 布局情況，規劃好路徑數據后，運輸AGV 運輸物料到分揀點，由分揀機器人識別物料、規劃運動姿態，完成分揀。與此同時，虛擬系統中對應的物理實體的模型實時映射物理系統中的運行情況，中間通過對運行消息和控制消息的訂閱和發布，實現虛實雙向交互，形成了對斜盤外圈檢測流程運行情況的透明化感知。

圖8 斜盤外圈和離散制造環境下基于數字孿生的分揀系統