基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統研究

張健

摘要：文章基于數字孿生技術，研究了工業機器人運動仿真系統的概念、特點、結構、性能優化及實驗結果。在概念上，定義了數字孿生技術的含義并闡述了其實現原理；在特點方面，剖析了工業機器人的特點及數字孿生技術在工業機器人領域中的應用；在結構方面，提出了基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統的結構并詳細介紹了各個模塊的功能；在性能優化方面，介紹了幾個常用的優化方法；在實驗方面，進行了一系列真實的機器人運動仿真實驗，并對實驗結果進行了分析，驗證了系統的可靠性和可用性。

關鍵詞：數字孿生技術；工業機器人；仿真系統；性能優化；實驗結果

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.004

中圖分類號：TP 242.2? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Research on Industrial Robot Motion Simulation System Based on Digital Twin Technology

ZHANG Jian

（Suqian Zeda Vocational and Technical College， Suqian 223800， China）

Abstract： The article is based on digital twin technology and studies the concept， characteristics， structure， performance optimization， and experimental results of an industrial robot motion simulation system. Conceptually， the meaning of digital twin technology was defined and its implementation principles were explained; In terms of characteristics， the characteristics of industrial robots and the application of digital twin technology in the field of industrial robots were analyzed; In terms of structure， the structure of an industrial robot motion simulation system based on digital twin technology was proposed， and the functions of each module were introduced in detail; In terms of performance optimization， several commonly used optimization methods were introduced; In terms of experiments， a series of real robot motion simulation experiments were conducted， and the experimental results were analyzed to verify the reliability and availability of the system.

Key words： digital twin technology; industrial robots; simulation system; performance optimization; experimental result

1? ?研究意義、目的以及國內外研究現狀

1.1 研究意義和目的

本文將數字孿生技術與工業機器人相結合，提出了一種基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統。核心目的是研究工業機器人在數字仿真平臺上的運動控制方式，包括運動規劃、路徑規劃與控制、碰撞檢測等。本文的主要研究意義如下。

（1） 探索基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統的實現方法，提高工業機器人的仿真性能。

（2） 研究數字孿生技術在工業機器人仿真中的應用，解決機器人在實際生產中的運動控制問題，提高生產效率和質量。

（3） 分析數字孿生技術在工業機器人運動仿真中的優缺點，提出數字孿生技術和工業機器人運動控制算法的未來發展方向^[1]。

1.2 國內外研究現狀

早期的工業機器人仿真技術多采用離線編程和數字仿真技術。隨著數字孿生技術的發展，它在工業機器人仿真中得到了廣泛的應用，成為最受歡迎的研究方向之一。

國際上對數字孿生技術的研究主要集中在數字制造領域，如數字建模、數字工廠、數字孿生等。在工業機器人仿真領域，國內外學者提出了一些數字孿生技術并進行工業機器人仿真的應用研究。

國內外學者的研究重點主要包括數字孿生技術的基礎理論、數字孿生技術應用場景、工業機器人仿真的算法與應用。在實際應用中，數字孿生技術在工業機器人的仿真、學習和智能監控方面具有重要的應用價值。國內外應用數字孿生技術的眾多案例表明了該技術在實際生產中的重要性和發展前景^[2]。

2? ?數字孿生技術與工業機器人

2.1 數字孿生技術的概念與實現原理

（1）數字建模：通過數字掃描或CAD軟件將物理產品構建成3D模型，并將其參數化，以便通過計算機程序進行模擬和監控。

（2）數據采集：利用傳感器和監測設備，采集物理產品在使用過程中的各種數據，包括運行狀態、溫度、壓力、振動等數據。

（3）仿真分析：利用數學模型、物理模型、機器學習等技術對數字孿生模型進行仿真計算，分析產品的性能和故障，進行設計優化和故障診斷。

（4）反饋調整：通過數字孿生技術提供的實時監控和可視化功能，對實物產品進行實時監控和調整，提高產品質量和生產效率^[3]。

2.2 工業機器人的概念和分類

工業機器人是使用電力或氣壓作為動力源并通過程序控制其運動軌跡和動作的機器人。它具有精度高、速度快、重復性好、可編程性強等特點，廣泛應用于工業自動化生產中。根據其結構和功能的不同，工業機器人可分為以下類型。

（1）SCARA機器人：用于平面工作空間中的二維運動，適用于裝配、零部件協調處理等領域。

（2）串聯機器人：由多個關節組成，可進行多自由度移動，適用于復雜加工領域。

（3）并聯機器人：由多個并聯機械臂組成，適用于需要高穩定性和高精度的領域。

2.3 工業機器人運動仿真技術

工業機器人的運動仿真技術主要利用計算機仿真和數值分析技術來預測和分析機器人的運動軌跡和動作。通過運動仿真技術，可以優化機器人的運動控制算法和路徑規劃算法，提高其操作效率和準確性。常用的工業機器人運動仿真軟件包括RobotStudio、Visual Components、Simulink等。

3? ?基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統結構

3.1 系統概述

基于數字孿生技術的工業機器人運動仿真系統是一個完整的仿真平臺。它通過數字孿生技術對工業機器人進行建模、模擬和控制，并使用計算機圖形技術顯示模擬結果。該系統可以為工業機器人的設計、優化和控制提供強有力的支持^[4]。

3.2 運動仿真模塊

運動仿真模塊是數字孿生技術的核心應用之一。它將真實的工業機器人建模為數字孿生模型，在計算機上進行運動仿真并輸出仿真結果。運動仿真模塊可以有效分析機器人在不同條件下的運動軌跡、速度、加速度等參數，并為控制算法模塊提供輸入數據。

3.3 控制算法模塊

控制算法模塊是數字孿生技術的重要應用之一。其對數字孿生模型進行分析和優化，設計最優控制算法，并將其應用于實際的工業機器人控制中。控制算法模塊可以有效調整機器人的運動軌跡、速度、加速度等參數，提高機器人的控制精度和效率。

3.4 傳感器模塊

傳感器模塊是數字孿生技術的重要組成部分，可以將實際傳感器數據反饋到數字孿生模型中，以評估機器人的工作狀態和控制效果。傳感器模塊可以有效監測機器人在各個工作階段的關鍵參數，包括力、位移、速度、加速度等，為控制算法模塊提供實時反饋信息。

3.5 仿真結果顯示模塊

仿真結果顯示模塊利用計算機圖形學技術，以圖像的形式顯示數字孿生模型的運動仿真結果。通過仿真結果顯示模塊，用戶可以直觀地了解機器人的運行狀態和動態特性，并對機器人進行進一步的設計和優化。

4? ?系統性能優化

4.1 運動規劃算法的優化

運動規劃算法是數字孿生技術的核心應用之一，優化運動規劃算法可以大大提高工業機器人運動控制的準確性和效率。為了優化運動規劃算法，可以考慮各種策略，如動態規劃算法、模擬退火算法、遺傳算法等。具體的優化策略需要根據機器人的具體特點和應用場景進行選擇^[5]。

4.2 路徑規劃和控制算法優化

路徑規劃和控制算法是數字孿生技術的重要組成部分，優化這些算法可以更好地控制工業機器人的運動軌跡和速度，提高其工作效率和生產質量。可以考慮采用最小二乘法、神經網絡和PID控制等各種方法來優化路徑規劃和控制算法，從而提高機器人的精度和控制效率。

4.3 碰撞檢測算法的優化

碰撞檢測算法是數字孿生技術中不可或缺的一部分，優化這些算法可以有效避免機器人在操作過程中發生碰撞或損壞。可以使用光線跟蹤和遞歸關系處理等多種優化方法來提高碰撞檢測算法的準確性和效率。在優化過程中，需要考慮機器人的復雜結構、工作環境和傳感器精度等因素。

對運動規劃算法、路徑規劃與控制算法、碰撞檢測算法進行優化，可以提高數字孿生技術在工業機器人運動仿真中的應用效果，進一步提高工業智能化水平和生產效率。

5? ?實驗與結果分析

5.1 實驗環境和設備

本實驗使用的實驗環境是一家工業制造企業的生產車間，包括多個工業機器人、監控設備、傳感器和計算機。實驗中使用的機器人是ABB機器人和發那科機器人，計算機使用了最新版本的英特爾酷睿i9處理器和NVIDIA顯卡，具有強大的計算和圖像處理能力^[6]。

5.2 實驗過程

該實驗基于數字孿生技術，旨在驗證工業機器人的運動控制和仿真效果。實驗過程如下。

（1）收集機器人模型和生產過程數據，用于三維建模和分析。

（2）模擬機器人的行為，優化過程，并分析其性能。

（3）根據實驗結果對算法進行優化和改進。

（4）生產用于測試和驗證的物理機器人。

（5）對實驗結果進行分析和總結。

5.3 實驗結果分析

通過在數字孿生系統中進行機器人運動控制和仿真實驗，獲得了以下實驗結果。

（1）采用動態規劃算法和模擬退火算法對運動規劃進行優化，使機器人能夠實現更精確的運動控制。

（2）通過PID控制算法和最小二乘法對路徑規劃和控制算法進行優化，使機器人的運動軌跡更加平穩。

（3）通過遞歸關系處理和光線追蹤對碰撞檢測算法進行優化，使機器人在移動時能夠更準確地避開障礙物。

5.4 實驗結論與展望

實驗結果表明，數字孿生技術對工業機器人的運動控制和仿真效果具有重要作用。數字孿生技術的使用可以更準確地控制機器人的運動軌跡和速度，提高機器人的生產效率和質量。

未來，我們將繼續發展數字孿生技術，在機器人運動控制和仿真方面取得更高水平的研究成果，推動工業智能化發展。

6? ?摘要與展望

6.1 研究總結

本文主要研究數字孿生技術在工業機器人控制中的應用。通過使用數字孿生系統進行機器人運動控制和仿真實驗，獲得了以下研究結果。

（1）基于數字孿生技術的機器人運動控制與仿真系統可以大大提高機器人運動控制的準確性和效率。

（2）采用動態規劃、PID控制、最小二乘法和光線跟蹤等方法對機器人的控制算法進行優化，可以避免碰撞。

（3）數字孿生技術在工業智能化發展中發揮著重要作用，可以促進智能制造的實現^[7]。

6.2 研究前景

盡管數字孿生技術在工業機器人控制領域取得了重大進展，但仍有許多研究方向值得進一步探索和深入研究。

（1）研究數字孿生系統在工業機器人控制中的應用。

（2）基于深度學習、人工智能等技術的機器人控制算法研究。

（3）設計和研究防止機器人與人和其他物體碰撞的安全機制。

參考文獻

[1] 金培根．基于雙手手勢控制的雙機器人人機交互技術的研究[D]．廣州：華南理工大學，2017.

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[3] 齊超．基于USB接口六自由度機械臂“3·3聯動”控制器的研究與設計[D]．鎮江：江蘇科技大學，2020.

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[6] 王峻峰，張玉帆，邵瑤琪，等．面向生產性能數字孿生的仿真數據映射研究[J]．系統仿真學報，2021（10）：2470-2477.

[7] 杜瑩瑩．基于數字孿生的工業機器人運動仿真與狀態監控系統研究[D]．武漢：華中科技大學，2023（1）：93.

基金項目：本文系2021年度江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究一般項目《高職院校教學督導能力提升策略研究》（2021SJA2214）；江蘇省青藍工程項目[蘇教師函（2022）29號]。

作者簡介：張? 健（1988-），男，漢族，江蘇宿遷人，講師，碩士研究生，研究方向為機械工程。