基于數字孿生的機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺設計

左文娟，寧 萌，王 琨，陳海衛，盛衛鋒，崔旭升

（1.江南大學a.機械工程學院；b.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫 214122；2.亞龍智能裝備集團股份有限公司，浙江溫州 325000）

0 引言

隨著機器人技術的快速發展，機器人在自動化、智能化等領域的應用日益增強，社會迫切需要以機器人為應用載體的技術型人才?！靶鹿た啤苯ㄔO對機器人工程教學改革提出新的要求［1-2］，越來越多的高校增設機器人工程專業。該專業是一個多學科交叉融合的新興前沿專業［3-5］，具有很強的新穎性、綜合性和實踐性。在培養學生學習理論知識的基礎上，更加注重學生工程實踐能力的鍛煉。

高等教育數字化是信息時代教育改革發展的必然要求，也是促進高等教育轉型升級的重要抓手［6-7］。虛擬仿真實驗中心的建設為我國實踐教學數字化奠定了良好的基礎。面向新穎性、綜合性和實踐性更強的機器人工程專業，虛擬仿真實踐環節尤為重要。

利用數字孿生技術設計了機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺，其本質為物理設備的數字化表達［8］。數字化方式創建物理設備的虛擬模型，借助現實數據分析并仿真實體行為，通過虛實結合、數據融合分析、決策迭代優化等手段，優化物理實體系統［9-11］。對物理實驗室設備、工藝流程進行虛擬仿真，實現硬件與軟件編程的完全一致性；物理實驗室與虛擬實驗室深度融合，實現機器人工程專業實踐環節的遠程教學與訓練。針對機器人工程專業不同年級學生，設計了不同難度的虛擬仿真實踐模塊，循序漸進地提高學生的實踐能力。

1 機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺簡介

機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺是基于企業開發應用程序標準平臺（Java 2 Platform Enterprise Edition，J2EE）技術，采用瀏覽器/客戶端（B/S）+應用服務器+數據庫服務器的多層構架，能夠支持大用戶數和數據量。支持分布式均衡負載、多級節點部署，用戶按需接入服務。利用B/S 架構將虛擬仿真實踐平臺部署于實驗室服務器上，并與云平臺互聯互通，進行資源和軟件功能更新，學生通過瀏覽器訪問進行虛擬實驗，不受學生電腦配置影響。實踐平臺24 h 開放，支持選課模式，同時在線并發數為35，有效拓寬實踐教學的時間和空間。

實踐平臺面向機器人工程專業學生開放，分層遞階模塊化，從大一第一學期到大四第一學期，涵蓋了專業所有實踐模塊，主要包括機器人認識實踐、機器人應用實踐、機器人集成實踐、機器人工程綜合實踐，如圖1 所示。

圖1 機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺架構

2 機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺實現

機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺包含機器人工程專業多個實踐模塊，每個實踐模塊虛擬仿真過程類似。其中，機器人應用實踐模塊是以工業機器人為應用對象，以Profinet 通信為基礎，可編程控制器（PLC）為主站，工業機器人為從站，構建單臺機器人應用工作站。主要應用單元有快速更換工具單元、軌跡單元、碼垛單元、大小料裝配單元、輸送帶分揀單元等。該平臺主要考核機器人工程專業學生的工業機器人應用控制技術、氣動控制技術、過程控制技術、可編程控制技術、自動檢測技術等多項技術的應用能力。本節以機器人應用工作站為例，介紹通過數字孿生驅動實現虛擬仿真實踐過程。

2.1 機器人應用工作站孿生結構

機器人應用工作站運行過程是一個復雜動態過程，反映了多種集成技術，可將機器人應用工作站數字孿生結構大致分為物理層、數據層、優化層，利用孿生數據指導工業機器人應用工作站孿生模型的構建。圖2 為機器人應用工作站數字孿生結構。

圖2 機器人應用工作站孿生結構

（1）物理層。與機器人應用工作站物理設備實驗過程相比，數字孿生系統中數字化工作站不僅應具備機器人運行的基本功能，還應具備數據優化處理能力，以達到實驗整體優化的目的。物理層是機器人應用工作站運行過程數字孿生系統的基礎，其余各層的設計均建立在物理層的基礎上。機器人應用工作站物理層可以分為設備、感知和控制。由工業機器人本體、機器人執行末端、變頻器、電動機、電磁閥等各種執行元件構成了設備整體。由光纖接近開關、安全光柵、電感接近開關、接近開關等各種傳感器構成了工作站的感知物理系統；同時，為了方便學生后期觀察物理設備運行狀態，在物理現場安裝攝像頭。由PLC、人機接口（HMI）、計算機（PC）以及實驗的學生共同構成了工作站物理層的控制系統。

（2）數據層。數據層是機器人應用工作站數字孿生系統的驅動層。在機器人工作站運行過程中，通過實時采集孿生數據，為整個數字孿生系統提供信息。在采集的孿生數據基礎上，建立各個模塊的孿生體，從而構成完整的機器人應用工作站孿生模型。孿生模型是物理層在數字孿生空間中的虛擬鏡像，可采用精細化建模技術，完成從物理空間到虛擬空間的實時映射，是實現機器人應用工作站仿真實驗、優化機器人工作站等功能的重要組件。

（3）優化層。優化層基于數據層為機器人應用工作站虛擬仿真實驗、物理實驗等提供服務，包括仿真優化、分析預警、實驗優化等。在這一層，建立機器人應用工作站的虛擬仿真實驗，通過孿生數據不斷優化仿真過程，利用機器人應用工作站物理實驗完成交叉驗證，對仿真分析的數字模型進行修正，生成更為準確的模型，保證其保真性與閉環性。同時，對虛擬仿真實驗數據進行收集與分析，完善機器人應用實踐的整體優化。

2.2 機器人應用工作站虛擬仿真關鍵技術

2.2.1 數字孿生模型構建

機器人應用工作站數字孿生模型主要由三部分構成，即物理和運動系統模型、電氣和行為模型、自動化模型，如圖3 所示。

圖3 數字孿生模型構成

（1）物理和運動系統模型。各個零件模塊由三維繪圖設計軟件進行建模，利用三維軟件（SolidWorks）對工作站模塊進行初步的三維建模，包括除機器人外的各種傳感元件與執行元件，實現1∶1的尺寸還原，如圖4 所示。在工業仿真和可視化軟件（VC Premium）模型庫中選擇型號與之對應的工業機器人模型，共同構成機器人應用工作站三維模型。為完成機器人離線編程及虛擬仿真，要將機器人應用工作站三維模型導入VC Premium，選擇相應型號機器人模型，機器人末端執行器可以在VC Premium 中通過組件安裝（PNP）功能進行安裝，完成物理連接。在VC Premium 中，導入的三維模型是一個整體，根據運動需求對模型拆分。對于交互式活動部件，根據其限位和自由度約束其移動和旋轉活動范圍，使其與物理設備具備一致的機械運動、干涉碰撞等特征。

圖4 機器人應用工作站物理模型

（2）電氣和行為模型。在VC Premium中雖然能完成機器人離線編程，但是缺乏電氣和氣動的虛擬仿真；本設計引入自動化仿真軟件Automation Studio，在Automation Studio中創建機器人應用工作站的電氣回路和氣動回路，用于建立工作站虛擬控制系統的建立［12-13］。

（3）自動化模型。主要包括PLC 程序、HMI程序等，這些控制程序可以直接在Automation Studio 中編寫，也可以使用博圖軟件編寫。

2.2.2 虛擬仿真實現

為實現機器人應用工作站虛擬仿真，需要用到多種仿真軟件，基于開放平臺通信統一架構（OPC UA）為不同仿真軟件建立信息交互通道［14-15］。結合OPC UA通信的數據傳輸安全性并集成多協議地址和可跨系統等特點，根據機器人應用工作站運行模式和虛擬空間與物理空間良好交互的要求，完成了機器人工作站數字孿生系統的通信系統構建，如圖5 所示。

圖5 機器人應用工作站通信系統

鑒于VC Premium和Automation Studio在OPC UA通信協議中都是客戶端的角色，沒有辦法直接通信，引入OPC UA服務器（KEPServer），為電氣、氣動仿真和機器人應用工作站孿生模型整體仿真建立虛擬模型和虛擬控制系統的映射通道。在機器人應用工作站現場布置交換機、網關等，將機器人、PLC、PC 等部署于同一局域網，為每臺設備分配同一網段內不同的IP 地址。將機器人應用工作站底層設備之間的數據統一部署到OPC UA服務器，通過OPC UA 來完成機器人應用工作站從物理模型到數字模型的映射。機器人應用工作站虛擬仿真所需部分數據如表1 所示。

表1 機器人應用工作站數據

數據通道建立完成，可以直接在Automation Studio中編寫PLC程序，也可以選擇使用博圖軟件編寫PLC程序，再導入Automation Studio中，同時在VC Premium中編寫機器人離線編程。PLC程序和機器人離線程序編寫完成后，在VC Premium中能夠看到機器人應用工作站的完整虛擬仿真過程，如圖6 所示。

圖6 機器人應用工作站虛擬仿真界面

2.2.3 虛實聯調

在完成機器人應用工作站虛擬仿真構建的基礎上，真實環境的物理設備與虛擬環境下的數字孿生模型并不獨立運行仿真，可同步實現軟件在環和硬件在環的雙向控制驗證實驗，達到真正的數字孿生。以輸送帶分揀單元為例，其工作流程如圖7 所示。

圖7 輸送帶分揀單元工作順序圖

（1）虛擬調試。首先，虛擬HMI選擇輸送帶分揀模塊確認，虛擬PLC 執行輸送帶分揀程序，虛擬電動機、虛擬傳感器、虛擬氣缸動作，最終機器人應用工作站孿生模型在VC Premium 中完成軟件在環調試。利用OPC UA 協議直接讀取真實HMI、真實PLC 等數據，應用于機器人應用工作站數字模型，完成硬件在環調試。

（2）虛實聯動。在虛擬調試基礎上，依靠正確的數字模型和完整的信息，真實反映機器人應用工作站物理世界的特性和狀態；同時，基于工業以太網，可以實時將仿真優化后的數據信息更新至真實控制系統，機器人應用工作站實物執行與仿真一樣的動作，如圖8所示。由圖8（a）可見，機器人6 個關節的模擬值與實際機器人返回的最新值非常接近，實現了虛實聯動。

圖8 虛實聯動

（3）優化設計。機器人應用工作站數字模型在VC Premium中運行時，可以通過實時監測機器人6 個關節速度來判斷機器人運行路徑是否合理（見圖9）。執行離線編程時開啟碰撞檢測和限位測試，避免出現機器人碰撞和奇異點。除了機器人防碰撞和防奇異點路徑規劃外，通過生產節拍判斷虛擬仿真實驗是否還有優化空間。同時，也可以把機器人生產節拍作為虛擬仿真實驗的判斷依據之一。以輸送分揀單元為例，完成一次黑色物料分揀，生產節拍越小給予分數越高。

圖9 機器人關節速度柱狀圖

3 實踐環節

機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺除了上述介紹的機器人應用實踐外還包含機器人認識實踐、機器人集成實踐、機器人工程綜合實踐。機器人認識實踐是基于沉浸式虛擬現實（VR）技術完成對機器人的認識實踐［16］，面向低年級學生，用時1 d。學生通過VR技術認識工業機器人，并在虛擬環境下完成工業機器人結構組裝、拆卸等實踐內容。機器人應用實踐，面向中高年級學生，用時2 周。學生完成單臺機器人應用工作站的虛擬仿真實驗，同時實現快速更換工具、軌跡、碼垛、大小料裝配、輸送帶分揀等多個應用。機器人集成實踐面向高年級學生，用時3 周，學生在認識機器人、應用機器人基礎上，完成機器人集成生產線的實踐。機器人工程綜合實踐是利用硬件基礎模塊，綜合搭建不同模式機器人，如智能巡檢機器人、智能服務機器人、智能安防機器人等；面向高年級學生，用時7 周，學生綜合利用所學知識自己搭建機器人模型，實現集智能感知、優化控制與系統設計、人機交互模式等技術的綜合應用。

4 結語

針對機器人工程專業，響應數字化教育改革號召，解決傳統實踐環節中高投入、高損耗、高風險以及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題。機器人工程專業虛擬仿真實踐平臺面向不同年級學生，設計了分層遞階的虛擬實踐環節，利用數字孿生技術將物理實驗與虛擬實驗緊密結合，借助數字化完成對實踐環節的設計與優化。利用虛擬仿真不受物理設備限制，學生不受時間和空間限制，充分調動學生學習的積極性，循序漸進地提高機器人工程專業學生的實踐能力。