基于數(shù)字孿生的機械臂

摘 要：隨5G時代的到來，數(shù)字孿生技術(shù)、工業(yè)5.0成為當(dāng)前制造業(yè)的熱詞。數(shù)字孿生技術(shù)有望成為推動中國實現(xiàn)制造強國的一大助力，為制造業(yè)帶來翻天覆地的變化。本研究針對如何實現(xiàn)機械臂的數(shù)字孿生，如何搭建基于數(shù)字孿生的機械臂展開討論，簡述了數(shù)字孿生機械臂對制造業(yè)發(fā)展等方面的意義。詳述了實驗用機械臂實體、孿生體的建造過程以及物聯(lián)網(wǎng)通信與交互式控制的實現(xiàn)。文章提出了一種基于數(shù)字孿生的機械臂實現(xiàn)方法、思路，為未來更多機械臂實現(xiàn)數(shù)字孿生探索可行道路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；物聯(lián)網(wǎng)；機械臂；運動控制；信息交互；自動化

中圖分類號：TP241 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.032

0 引 言

所謂數(shù)字孿生[1]（Digital twin）或譯作數(shù)字映射、數(shù)字分身，指在信息化平臺內(nèi)模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)，類似實體系統(tǒng)在信息化平臺中的雙胞胎。該技術(shù)可以在很多領(lǐng)域應(yīng)用，如城市管理、市場管理、產(chǎn)品優(yōu)化等有實物且有控制管理需求的領(lǐng)域。在制造業(yè)領(lǐng)域，機械手臂有著非常廣泛的應(yīng)用場景。所謂機械手臂[2]（Robotic Arm）是具有模仿人類手臂功能并可完成各種作業(yè)的自動控制設(shè)備，由熟練的操作者將作業(yè)順序輸入后，依樣照做并且按照設(shè)定反復(fù)完成。基于數(shù)字孿生的機械臂是數(shù)字孿生在機械臂中使用的產(chǎn)物，具有如下好處及意義：

（1）響應(yīng)國家政策，推動中國實現(xiàn)制造強國。數(shù)字孿生在機械臂中的使用有助于制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)；加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級；增強制造業(yè)核心競爭力；推動智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。數(shù)字孿生機械臂的應(yīng)用對中國實現(xiàn)制造強國具有重要的推動作用，可以提高制造業(yè)的技術(shù)水平和核心競爭力，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[3]，促進智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（2）為企業(yè)減少消耗，降低成本。減少試錯成本；優(yōu)化設(shè)計方案，降低制造成本；優(yōu)化操作流程和工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；通過預(yù)測機械臂的性能和行為，識別可能出現(xiàn)的故障和問題，提前解決，從而延長機械臂的使用壽命，降低更換成本。

（3）實現(xiàn)機械臂的能力提升、感官擴展。借助數(shù)字孿生技術(shù)，人們可以在不適宜人類生存的環(huán)境中開展活動，并有望通過機械臂突破人類體力極限。數(shù)字孿生機械臂可以使機器人具有更高的自主性和智能化程度，更好適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，滿足任務(wù)需求；可以為機器人提供虛擬實驗環(huán)境和數(shù)據(jù)模擬，進一步提高機器人的智能化水平；可以實現(xiàn)對機器人運動軌跡的模擬和預(yù)測，從而實現(xiàn)對機器人的精確控制；可以提高機器人的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低人為操作誤差，同時可以降低機器人的故障率[4]。

（4）向工業(yè)5.0不斷邁進。1760年，第一次工業(yè)革命，世界迎來了機械生產(chǎn)時代。20世紀(jì)初，第二次工業(yè)革命，世界迎來了大規(guī)模生產(chǎn)時代。1950年代開始，第三次工業(yè)革命，世界迎來了數(shù)字革命。如今正要迎接的正是下一次偉大的工業(yè)革命，人工智能將為我們迎來第四次工業(yè)革命。隨著5G時代的到來，機械臂在各行各業(yè)的普及度不斷提高。人們開始追求機械臂的品質(zhì)。“聰明”的機械臂更受追捧，人們需要的不只是會重復(fù)簡單運動的機械臂，更需要智能化的機

械臂[5]。

文章提出了一種基于數(shù)字孿生的機械臂的實現(xiàn)方法、思路，為機械臂實現(xiàn)數(shù)字孿生探索可行道路。

1 機械臂實體搭建過程

本項目機械臂實體的搭建經(jīng)過了一般產(chǎn)品的生產(chǎn)流程。本研究以開源的桌面機械臂為設(shè)計基礎(chǔ)，借助三維產(chǎn)品建模軟件完成產(chǎn)品造型設(shè)計，最終運用增材制造中的FDM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)所有主干結(jié)構(gòu)件。本次實際研究中先后依據(jù)數(shù)字孿生體的信息反饋共進行了3次實體部件的重建。圖1所示為三維產(chǎn)品建模軟件中機械臂三維模型。機械臂共具有3個自由度。具體體現(xiàn)為：底座與其上機械臂間的轉(zhuǎn)動自由度，機械臂大臂與底座間的轉(zhuǎn)動自由度，機械臂小臂與大臂間的轉(zhuǎn)動自由度。大臂、小臂、底座的運動分別由3個步進電機通過齒輪連桿等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)傳動控制[6]。

實體驅(qū)動部分采用42步進電機進行驅(qū)動。各關(guān)節(jié)處有軸承保障活動自由度，各構(gòu)件由緊固件連接。驅(qū)動電機、限位開關(guān)、各傳感器通過數(shù)據(jù)線延伸連接到實體部分的控制主板。主板自身即可實現(xiàn)機械臂的全部控制功能。主板可直接通過USB端口連線與電腦孿生體進行串口通信。主板還可以通過與設(shè)計好的遠程通信模塊連接實現(xiàn)與孿生體跨局域網(wǎng)的信息通信。圖2所示為處于搭建過程中的機械臂。

機械臂的機械限位開關(guān)用于實現(xiàn)機械臂斷電啟動時的復(fù)位以及運動控制時復(fù)位點位的標(biāo)定。此外，步進電機的控制引入了基于霍爾元件的磁感應(yīng)控制模塊，實現(xiàn)了步進電機的閉環(huán)控制。該磁傳感器可以實時獲取步進電機的位置、矢量、速度和加速度等信息，使該模塊能夠獨立工作，實現(xiàn)電機驅(qū)動和位置反饋。機械臂根據(jù)控制主板接收到的運動指令運動，并在收到信息索取指令時輸出當(dāng)前傳感器收集的信息。機械臂的末端還預(yù)留有執(zhí)行器的連接位置，可通過搭載不同的執(zhí)行器實現(xiàn)多種功能，例如夾爪可用于物品的抓取，噴槍可用于噴漆等[7]。

2 機械臂數(shù)字孿生體的建造過程

本項目的孿生體最終搭建在Unity引擎提供的三維仿真空間中。在Unity平臺上完成UI界面制作，基于現(xiàn)實機械臂的運動邏輯，通過在場景中添加對應(yīng)的鉸鏈組件實現(xiàn)各構(gòu)件間的運動連接。基于Unity引擎中的父子物體邏輯關(guān)系構(gòu)建機械臂各鉸鏈間零件的主從動運動關(guān)系。如，底座作為父級，則與其鉸鏈鏈接的機械臂上部分所有零件須作為其子集物體。父級發(fā)生運動則其所有子級跟隨同步運動。相反，如子級發(fā)生運動則其父級不一定跟隨同步運動。圖3所示為通過詳細的子父級關(guān)系完成機械臂各鉸鏈間零件的主從動運動關(guān)系的仿真[8]。

利用鉸鏈組件（圖4）中的spring功能，調(diào)用其Target Position屬性實現(xiàn)零件的轉(zhuǎn)動。此外，用該組件中的limits功能來限制傳動過程中的零件抖動。在孿生體部分將機械臂實體發(fā)送的反饋信息、孿生體收到的控制信息角度或坐標(biāo)與仿真場景中的孿生體連接起來，以實現(xiàn)對機械臂孿生體的運動控制[9]。

利用MQTT通信協(xié)議實現(xiàn)孿生體與第三方提供的服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。同時，機械臂實體也會作為客戶端與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)跨局域網(wǎng)的信息交互。

數(shù)字孿生體交互界面如圖5所示。

（1）角度控制：點擊后通過輸入機械臂各部分電機的旋轉(zhuǎn)角度來控制機械臂運動；

（2）坐標(biāo)控制：點擊后通過輸入空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)來控制機械臂運動，例如輸入空間坐標(biāo)（100，100，100）時，機械臂末端將會到達該點位置；

（3）機械臂復(fù)位：點擊“復(fù)位”后機械臂位姿回到初始狀態(tài)；

（4）通信設(shè)置：點擊“通信設(shè)置”后輸入通信IP地址、客戶端姓名、服務(wù)器名稱即可完成通信連接；

（5）退出圖標(biāo)：點擊“退出”后可退出當(dāng)前界面。

3 機械臂運動控制實現(xiàn)方法

3.1 搭建控制平臺

機械臂實體的控制主要依托Mega2560開發(fā)板實現(xiàn)，因為其已有配套的完整開發(fā)工具。利用Visual Studio Code軟件協(xié)助開發(fā)過程，設(shè)計開發(fā)了控制命令平臺并在主程序外定義了機械臂的基本功能函數(shù)。在控制命令平臺上定義基本功能執(zhí)行的邏輯順序。通過控制命令平臺與端口、云端服務(wù)器、孿生體進行數(shù)據(jù)交互。在控制命令平臺處理接收的來自孿生體或管理員的命令要求，之后向步進電機驅(qū)動板發(fā)布動作指令。同時，從機械臂搭載的傳感器上獲取信息，在控制命令平臺處理后發(fā)送給端口、云端服務(wù)器、孿生體。

所設(shè)計的機械臂基本功能包括但不限于：初始化機械臂；機械手狀態(tài)更新；設(shè)置工作模式；設(shè)置機械臂速度、加速度；檢測運動范圍；限位檢測；將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為步進電機步數(shù)；獲取當(dāng)前角度。在控制平臺上通過按照特定順序?qū)ι鲜龉δ苓M行調(diào)用，實現(xiàn)了機械臂運動控制的3種基本模式[10]。

3.2 調(diào)試模式

在調(diào)試模式下，機械臂不會執(zhí)行任何運動指令。因此，機械臂實體不會進行任何運動，所有電機的驅(qū)動板將處于非使能狀態(tài)。在確定已經(jīng)清空了機械臂電機的運動狀態(tài)后，主板會返還特定的信息值，以表示設(shè)置成功。其他模式同樣會在執(zhí)行完成后發(fā)布各自特定的信息值，以表示各自設(shè)置已

成功。

這一模式有助于開發(fā)者進行通信相關(guān)測試，對機械臂除運動指令以外的所有功能進行實際測試。

3.3 復(fù)位模式

當(dāng)機械臂第一次上電或斷電重啟后，會主動執(zhí)行這一模式，并在這一模式的所有命令執(zhí)行成功后，自動跳出該模式。該模式用于將機械臂復(fù)位到限位開關(guān)處，以確保機械臂順利進入運動模式。

進入復(fù)位模式，首先重新設(shè)置電機的運行速度以及加速度，并開啟限位開關(guān)的檢測。在檢測過程中，如果限位開關(guān)未觸發(fā)，則讓電機向著限位開關(guān)的方向運行，直至限位開關(guān)觸發(fā)。共有2個限位開關(guān)，他們之間無邏輯干擾，各自執(zhí)行復(fù)位操作。底座電機的復(fù)位需要依賴儲存空間，該儲存空間會隨運動計算改變，而運動過程中會不斷進行累積運算。初始存儲值為零，當(dāng)上述運動全部結(jié)束后，會將機械臂當(dāng)前的末端值更改為初始值，即復(fù)位成功。

3.4 運動模式

如前文所述進入運動模式有特定的觸發(fā)條件，若進入運動模式，則一定會有值已存儲在變量中以表示當(dāng)前機械臂末端的工作點位信息。同時，也一定會有已經(jīng)生成的計算值表達各電機將要執(zhí)行的動作，如值為0則電機不發(fā)生運動。

當(dāng)孿生體收到動作信號時，會將運動需求轉(zhuǎn)換成特定的命令語句發(fā)送給機械臂主板。主板接收到運動請求后，在控制平臺上調(diào)用檢測函數(shù)，檢查給定的命令語句是否在機械臂的運動范圍內(nèi)。運動范圍通過分段函數(shù)判斷。圖6所示為運動分解后大小臂所在平面內(nèi)的運動范圍的邊界。以大臂與底座連接鉸鏈中心處為坐標(biāo)原點，按圖示尺寸建立區(qū)域邊界進行范圍判斷。如判斷目標(biāo)點位可行，則繼續(xù)計算各電機的轉(zhuǎn)動角度，否則不計算。完成計算后，將所有計算值更新到各自的存儲空間，用于在運動模式中執(zhí)行運動操作，同時完成了機械臂末端位置的更新。

4 機械臂雙向信息交互的實現(xiàn)

4.1 步進電機閉環(huán)控制

圖7所示為所使用的步進電機閉環(huán)驅(qū)動板及其安裝位置。當(dāng)機械臂實體控制主板發(fā)布運動角度指令給步進電機閉環(huán)驅(qū)動板后，閉環(huán)驅(qū)動板脈沖控制電機轉(zhuǎn)動并會逐個檢測當(dāng)前電機的狀態(tài)，以確保電機的輸出與命令一致。同時將檢測到的信息實時反饋給主板。當(dāng)機械臂受外力阻礙不能達到既定運動要求時，向主板發(fā)送反饋，主板通過與孿生體的信息通信向操作者反饋信息。此時，須計算出當(dāng)前末端點位更新存儲，實現(xiàn)機械臂實體與孿生體之間的雙向控制。

4.2 機械臂運動正逆解

前述運動控制過程中涉及2個重要的計算過程，通過當(dāng)前機械臂末端點位和目標(biāo)點位計算各電機的轉(zhuǎn)動控制值以及通過運動發(fā)生前機械臂末端點位和各電機的轉(zhuǎn)動控制值，計算運動發(fā)生后機械臂末端點位，即機械臂運動的正逆解計算。這里重點講述通過當(dāng)前機械臂末端點位和目標(biāo)點位計算各電機轉(zhuǎn)動控制值的實現(xiàn)過程。實現(xiàn)思路：將三維運動過程分解為底座轉(zhuǎn)動和機械臂大、小臂驅(qū)動兩部分。

底座轉(zhuǎn)動角度的計算實質(zhì)是由當(dāng)前機械臂末端點位和目標(biāo)點位以及底座電機轉(zhuǎn)動軸所構(gòu)成的二面角的計算，可以輕松通過二面角計算公式完成。這里所得結(jié)果最終依據(jù)傳動過程、電機驅(qū)動細分?jǐn)?shù)等換算到電機實際輸出理論值。

對于三維運動過程，根據(jù)運動合成與分解規(guī)律，剝離底座轉(zhuǎn)動后僅剩大小臂所在空間平面內(nèi)的運動過程。根據(jù)機械原理及三角函數(shù)等知識，已知起始點和目標(biāo)點計算連桿的運動角度，最終依據(jù)傳動過程、電機驅(qū)動細分?jǐn)?shù)等換算到電機實際輸出理論值。

對于最終的計算結(jié)論，可以通過SolidWorks Motion進行仿真驗證，且已在實際控制中得到了驗證。

5 數(shù)字孿生機械臂的實現(xiàn)流程

如將機械臂數(shù)字孿生過程劃分為若干關(guān)鍵部分，則各部分間的影響與關(guān)系如圖8所示。

機械臂實體依據(jù)三維模型生產(chǎn)制作，對其進行改造需要依賴其三維模型的改變，這以數(shù)字孿生體的信息作為改造依據(jù)。通過三維模型的運動仿真以及實物機械臂的運動可以收集機械臂的運動數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生體以及操作機械臂實物，實現(xiàn)實體和孿生體的創(chuàng)建。在實體與孿生體之間搭建雙向信息通道，實現(xiàn)實體與孿生體之間的雙向控制，構(gòu)建起數(shù)字化交互平臺。通過收集平臺上的交互信息又可以優(yōu)化實體和孿生體，并為運動數(shù)據(jù)提供幫助。該創(chuàng)建過程完成后即可實現(xiàn)機械臂的數(shù)字孿生，搭建起基于數(shù)字孿生的機械臂。

6 結(jié) 語

文章講述了機械臂實體、孿生體、運動控制、信息交互等的具體實現(xiàn)過程，從項目數(shù)字孿生機械臂實現(xiàn)過程出發(fā)給出了實現(xiàn)機械臂數(shù)字孿生、搭建數(shù)字孿生機械臂的思路與方法。本項目最終實現(xiàn)了機械臂實體與孿生體之間跨局域網(wǎng)的雙向通信，實現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)操作孿生體對機械臂實體的控制，具體包括機械臂起始點位的復(fù)位、任意運動過程中的復(fù)位、目標(biāo)點位是否在運動空間范圍內(nèi)的判斷、運動范圍內(nèi)連續(xù)點位的依次運動控制等。

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收稿日期：2023-04-09 修回日期：2023-05-11

作者簡介：牟奇杰（2000—），男，學(xué)士，研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化（現(xiàn)代裝備與控制工程）。

項 陽（1974—），女，浙江青田人，副教授，主要從事機械CAD和圖學(xué)相關(guān)工作。