基于數(shù)字孿生的六自由度工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)

邸志民，鐘相強(qiáng)，范敬松

（安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

數(shù)字孿生技術(shù)是一種把制造業(yè)中物理世界和信息世界相互融合的技術(shù)，而工業(yè)機(jī)器人作為智能制造載體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種不同的領(lǐng)域［1-2］。近年來，很多學(xué)者對(duì)工業(yè)機(jī)器人的虛擬調(diào)試進(jìn)行了大量研究。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的祁若龍等［3］提出了一種基于VC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真與運(yùn)動(dòng)控制的方法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郁萬濤［4］基于Unity 3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎對(duì)托卡馬克作業(yè)進(jìn)行了研究，TIAN B.Y.等［5］對(duì)Kuka機(jī)器人手臂的路徑跟隨問題進(jìn)行了研究。上述學(xué)者的研究雖然實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景漫游和人機(jī)主動(dòng)交互，但僅僅停留在單邊交互，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在信息世界對(duì)物理世界的等價(jià)映射［6］。

本文旨在研究智能制造領(lǐng)域中數(shù)字孿生在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，探索利用示教編程、Works Process組件、Python腳本3種建立數(shù)字孿生體的方法，以及工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)間的通信方式，在制定加工方案時(shí)，將設(shè)備的數(shù)字孿生體貫穿于機(jī)器人加工產(chǎn)品的全生命周期過程。

1 六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文研究的六自由度工業(yè)機(jī)器人為埃夫特ER3A-C60，其末端執(zhí)行器的有效負(fù)載為3 kg、定位精度為±0.02 mm，可完成產(chǎn)品裝配、物料搬運(yùn)、打磨等。ER3A-C60機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)鏈由6個(gè)關(guān)節(jié)組成，均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角用θk(k=1～6)表示，對(duì)應(yīng)各機(jī)械臂長(zhǎng)度用di（i=0～5）表示。

圖1 ER3A-C60機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

表1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 六自由度工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體建模

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、運(yùn)行歷史等在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生技術(shù)概念模式如圖2所示，數(shù)字孿生體作為實(shí)體裝備在數(shù)字端的載體。本文采用的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體建模方法為實(shí)現(xiàn)物理端與虛擬端的機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)概念模型

2.1 工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)構(gòu)建

基于SolidWorks建立ER3A-C60的三維數(shù)學(xué)模型，以step格式導(dǎo)入Visual One中，對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以確定機(jī)器人的位置，對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)進(jìn)行檢查以確定各關(guān)節(jié)是否發(fā)生偏移，設(shè)置各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性，從而完成機(jī)器人虛擬樣機(jī)（圖3）的構(gòu)建。

圖3 工業(yè)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)

2.2 基于示教編程的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體構(gòu)建

示教器是工業(yè)機(jī)器人與操控人員進(jìn)行交互的主要工具，通過示教器對(duì)機(jī)器人的點(diǎn)動(dòng)、示教、直接編程等方式能夠?qū)崿F(xiàn)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制，通過TCP/IP協(xié)議與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)控制器反饋信息的顯示以及接口數(shù)據(jù)的傳輸。控制器接收操控人員發(fā)出的信號(hào)指令，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，包括對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的控制、各軸電機(jī)相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)［7-9］。

以抓取工件為例，將傳送帶、物料機(jī)等組件放置在機(jī)器人的工作范圍內(nèi)，對(duì)機(jī)器人的工作場(chǎng)景進(jìn)行布局。首先定義機(jī)器人抓取、釋放行為信號(hào)，通過“GripperTCP”進(jìn)行匹配設(shè)置，并將各組件之間信號(hào)的邏輯關(guān)系進(jìn)行連接，如圖4所示。

圖4 各組件間的信號(hào)邏輯關(guān)系

基于示教編程建立的孿生體及其子程序如圖5所示。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程采取的是插點(diǎn)法，將機(jī)器人工作的全過程進(jìn)行分解，每一步運(yùn)動(dòng)的信號(hào)指令作為一個(gè)程序發(fā)送給機(jī)器人，并控制機(jī)器人的每一次運(yùn)動(dòng)。

圖5 基于示教編程的孿生體

2.3 基于Works Process的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體構(gòu)建

在Visual One中使用Works庫(kù)中的Process組件創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)作業(yè)任務(wù)、設(shè)定需執(zhí)行的任務(wù)。在任務(wù)管理器中可設(shè)定和編輯多項(xiàng)任務(wù)，并按照在組件屬性Inser New AfterLine中的排列順序執(zhí)行［10］。對(duì)機(jī)器人的工作空間范圍進(jìn)行設(shè)定，按照物理端機(jī)器人抓取產(chǎn)品的動(dòng)作順序，通過Process組件按順序添加機(jī)器人抓取傳送帶上產(chǎn)品的步驟任務(wù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抓取，完成數(shù)字孿生體的建立，如圖6所示。

圖6 基于Works Process的孿生體

2.4 基于Python腳本的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體構(gòu)建

基于Python腳本的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體構(gòu)建的工業(yè)機(jī)器人孿生體如圖7所示。面對(duì)復(fù)雜的機(jī)器人裝配、生產(chǎn)線的仿真，在Visual One中調(diào)用Python腳本，通過函數(shù)“getApplication”獲取當(dāng)前各組件位置，借助“graspComponent”函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)工件的抓取，借助“l(fā)inearMoveRel”、“jointMoveToPosition”等函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的定位、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡規(guī)劃等行為動(dòng)作控制，最后對(duì)設(shè)備進(jìn)行復(fù)位，完成基于Python腳本的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體的構(gòu)建。

圖7 Python編譯孿生體

3 六自由度工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)協(xié)同作業(yè)

3.1 工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)間的通信構(gòu)建

高時(shí)效性的數(shù)據(jù)交互是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)，采用Modbus TCP協(xié)議建立Visual One與ER3A-C60機(jī)器人的通信。通過網(wǎng)線、機(jī)器人、PC之間進(jìn)行連接，在遵循類似ISO/OSI模型的基礎(chǔ)上通過TCP/IP協(xié)議建立通信。通過TCP&UDP軟件輸入目標(biāo)IP地址驗(yàn)證同一網(wǎng)段內(nèi)PC與機(jī)器人連接情況，配置虛擬調(diào)試系統(tǒng)所需的虛實(shí)信號(hào)之間的數(shù)據(jù)通道。建立的機(jī)器人與計(jì)算機(jī)的TCP服務(wù)器如圖8所示。

圖8 機(jī)器人與計(jì)算機(jī)的TCP服務(wù)器

選取ER3A-C60機(jī)器人，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，將機(jī)器人與PC接入同一交換機(jī)中，通電后，在PC上對(duì)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷（Ping），查看機(jī)器人與PC是否連通，如果連接成功則物理層準(zhǔn)備完畢。隨后通過KepServerEX軟件，建立物理端與軟件端的數(shù)據(jù)通道，對(duì)相應(yīng)的目標(biāo)機(jī)地址及虛實(shí)交互信號(hào)進(jìn)行配置，完成基于數(shù)字孿生體信號(hào)接口連通。通過KepServerEX再次檢查工控設(shè)備是否成功連接（圖9），如果未連接成功，則檢查設(shè)置的IP及端口是否正確。連接完成后，啟動(dòng)PC端的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)運(yùn)行孿生體連接和數(shù)據(jù)交互，完成工業(yè)機(jī)器人虛擬端和物理端的通信。

圖9 Kep ServerEX連通性測(cè)試

3.2 工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)協(xié)同實(shí)驗(yàn)

構(gòu)建ER3A-C60機(jī)器人的虛實(shí)協(xié)同實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)（圖10）。首先，通過KepServerEX采集現(xiàn)場(chǎng)物理實(shí)體端的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)更新時(shí)將更新后數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，并通知虛擬端孿生模型，孿生模型調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流入，實(shí)現(xiàn)物理端與虛擬端的數(shù)據(jù)互通；其次，通過示教器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成指定任務(wù)，同時(shí)查看Visual One中機(jī)器人孿生模型的行為數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)行，觀察數(shù)字孿生體工序執(zhí)行任務(wù)與物理端機(jī)器人是否映射，若未按預(yù)期工藝路徑執(zhí)行，立即停止采集，查看出錯(cuò)工序?qū)?yīng)的程序設(shè)計(jì)模塊及信號(hào)配置，更改和優(yōu)化后重新運(yùn)行，直至數(shù)字孿生體能夠按照預(yù)期完成任務(wù)，達(dá)到虛擬調(diào)式的目的。在所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)器人虛實(shí)協(xié)同實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)操作者對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作運(yùn)動(dòng)時(shí)，PC端數(shù)字孿生體的運(yùn)動(dòng)軌跡符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖10 ER3A-C60機(jī)器人的虛實(shí)協(xié)同試驗(yàn)臺(tái)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)交互技術(shù)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、虛實(shí)間的實(shí)時(shí)交互問題，提出了一種基于數(shù)字孿生的機(jī)器人協(xié)同作業(yè)方法，完成了利用示教編程、Works Process組件、Python腳本對(duì)工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生體的建模，并利用Visual One構(gòu)建ER3AC60機(jī)器人數(shù)字孿生體與計(jì)算機(jī)通信方法，根據(jù)本文所提方法搭建了機(jī)器人虛實(shí)協(xié)同作業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了機(jī)器人虛實(shí)協(xié)同作業(yè)的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字孿生能有效提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的安全性和效率，數(shù)字孿生技術(shù)可以在機(jī)器人使用過程優(yōu)化和全生命周期數(shù)字化管理中發(fā)揮更加重要的作用。本文可以為數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。參考文獻(xiàn)：

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