柔性机械臂虚拟试验平台和数字孪生系统技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性机械臂虚拟试验平台，其包括与柔性机械臂物理实体匹配的柔性机械臂虚拟实体、应用控制模块和运动控制模块。本发明专利技术还公开了基于上述柔性机械臂虚拟试验平台的数字孪生系统，基于构建的柔性机械臂虚拟实体，利用数字孪生技术，建立柔性机械臂物理实体和虚拟实体一起面向应用服务的高同步连接；能够实现柔性机械臂虚拟实体的实时三维状态显示。且柔性机械臂虚拟实体具有与物理实体相同的物理属性，能够真实且准确地反映柔性机械臂的运动状态。机械臂的运动状态。机械臂的运动状态。

【技术实现步骤摘要】
柔性机械臂虚拟试验平台和数字孪生系统


[0001]本申请属于机器人
，涉及机电设备的数字孪生技术，尤其涉及柔性机械臂虚拟仿真技术和基于该柔性机械臂虚拟仿真技术构建的柔性机械臂数字孪生系统。

技术介绍

[0002]在对柔性机械臂装置进行运动控制的过程中，往往无法知道其当前状态，尤其是柔性机械臂的真实臂形与末端位姿，以及柔性机械臂的历史运动状态等高维运动数据，更无法用交互模型控制柔性臂物理实体。同时，传统柔性机械臂无法借助人机交互软件利用数据进行更加智能和自动化的作业任务；进而，也无法对柔性机械臂进行友好的人机交互控制。
[0003]专利申请号为CN201910447859.X公开了一种柔性机械臂遥操作的人机交互终端及方法。，主要从交互与操作的角度，描述了如何使用交互终端设备进行柔性臂的人机交互控制。然而，该柔性机械臂遥操作的人机交互终端只描述了如何利用VR显示器和操作手柄在Unity3D操作软件中操控柔性臂运动，未明确说明Unity虚拟环境中所述柔性机械臂具有哪些特性，与柔性机械臂物理实体之间的关系。此外，其并不具备基于柔性臂历史数据与运行状态的智能运动控制功能描述，仍属于传统模型固化的遥操作方法，难以实现对柔性机械臂运动的高度还原。
[0004]综上所述，如何实现柔性机械臂的虚拟仿真，并基于柔性机械臂虚拟实体构建数字孪生技术驱动下的柔性机械臂智能控制环境，是目前机电设备数字孪生技术发展丞待解决的关键技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的旨在针对现有技术中存在的上述技术问题，构建具有物理属性的高仿真柔性机械臂虚拟试验平台，能够实现对柔性机械臂运动的高度还原。
[0006]本专利技术的另一目的旨在提供一种柔性机械臂数字孪生系统，基于数字孪生思想，实现柔性机械臂实体与虚拟柔性机械臂的虚实交互，从操作层面大幅提升用户对柔性机械臂设备的操作便利性和运行过程中的三维可视化效果，并从运动控制层面实现柔性机械臂的智能驱动。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案来实现。
[0008]本专利技术提供的柔性机械臂虚拟试验平台，其包括与柔性机械臂物理实体匹配的柔性机械臂虚拟实体、应用控制模块和运动控制模块：
[0009]所述柔性机械臂物理实体包括经连接体连接在一起的一段以上的柔性臂及位于末端的末端关节，每段柔性臂结构相同，均包括顺次串联的若干万向节和将若干万向节连接在一起的一根以上的驱动丝；所述柔性机械臂虚拟实体包括与柔性机械臂物理实体中万向节数量和位置匹配的万向节模型、连接体模型、驱动丝模型，还包括相邻两个万向节之间水平转轴模型或垂直转轴模型；各万向节模型、连接体模型、水平转轴模型、垂直转轴模型
和驱动丝模型均配置与柔性机械臂物理实体相匹配的物理属性；
[0010]应用控制模块，用于依据接收的外部操作请求，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据，基于嵌入的运动控制算法生成柔性机械臂虚拟实体下一时刻目标定位信息，并将目标定位信息发送给柔性机械臂虚拟实体运动控制模块；
[0011]运动控制模块；用于依据接收的下一时刻目标定位信息，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻定位信息，确定各模型物理属性变化量，并将其作为驱动信号实现对柔性机械臂虚拟实体运动控制。
[0012]上述柔性机械臂虚拟试验平台，结合了柔性机械臂虚拟实体、应用控制模块、运动控制模块，从多时间尺度、多空间尺度对柔性机械臂物理实体(PE)进行描述与刻画。
[0013]基于柔性机械臂虚拟实体、应用控制模块、运动控制模块，构建了与柔性机械臂物理实体匹配的柔性机械臂虚拟实体。所述柔性机械臂物理实体即柔性机械臂实体设备，其主体结构为刚柔耦合型线驱动柔性机械臂。本专利技术中，柔性机械臂物理实体包括经连接体连接在一起的柔性臂第一段、柔性臂第二段以及穿过柔性臂第一段和柔性臂第二段的弹性支撑体；柔性臂第一段和柔性臂第二段结构相同，均包括若干万向节和将若干万向节串联在一起的一根以上的驱动丝；相邻两个万向节之间通过虎克铰链方式连接；柔性臂第一段中驱动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连，另一端与连接体固连；柔性臂第二段中驱动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连，另一端与末端关节固连。本专利技术中，柔性机械臂虚拟实体包括与柔性机械臂物理实体中万向节数量和位置匹配的万向节模型、连接体模型、基座模型、末端关节模型、驱动丝模型；此外，还在相邻两个万向节模型之间设置了水平转轴模型或垂直转轴，且基座模型与相邻万向节模型之间、连接体模型两端与相邻万向节模型之间，以及末端关节模型与相邻的万向节模型之间也可以设置水平转轴模型或垂直转轴模型；水平转轴模型和垂直转轴模型相互垂直且交替排布。并对柔性机械臂虚拟实体各模型(包括各万向节模型、连接体模型、末端关节模型、驱动丝模型等)均配置与柔性机械臂物理实体相匹配的物理属性；同时也对水平转轴模型和垂直转轴模型配置了物理属性；例如，对于万向节模型、连接体模型的物理属性包括位置、质量，末端关节模型的物理属性(也即柔性机械臂末端物理属性)包括姿态、位置、运动速度，驱动丝模型的物理属性包括位于柔性机械臂内驱动丝部分初始线长、当前线长(简称驱动丝线长)以及驱动丝线长变化量，水平转轴模型和垂直转轴模型的属性包括水平转轴模型和垂直转轴模型角度，等等；上述物理属性中，质量、原始长度等为模型的固有属性，这些一般是固定不变的。这样，通过调整柔性机械臂虚拟实体的物理属性，便可实现对柔性机械臂虚拟实体的运动控制。本专利技术中，通过调整水平转轴和垂直转轴的角度，可以实现对相邻万向节模型(或连接体模型、末端关节模型)位置的调节，进而确定驱动丝当前长度和驱动丝线长变化量。
[0014]上述应用控制模块，主要是用于柔性机械臂应用服务(Ss)，针对柔性机械臂在进行运动控制的人机交互过程中遇到的末端定位控制、臂形控制、轨迹规划、动态可视化、算法测试、故障诊断等内容展开。所述应用控制模块用于依据接收到的操作请求，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据，应用嵌入的运动控制算法(例如柔性机械臂末端定位控制算法或/和臂形控制算法或/和柔性臂轨迹控制算法等)，对柔性机械臂虚拟实体下一时刻进行定位，得到下一时刻目标定位信息；所述目标定位信息包括柔性机械臂臂形或/和末端位姿信息。柔性机械臂末端定位控制算法、臂形控制算法、柔性臂轨迹控制算法等可以采
用本领域已经披露的常规算法。柔性机械臂末端定位控制算法参见马丛俊,赵涛,向国菲,等.基于逆运动学的柔性机械臂末端定位控制[J].机械工程学报,2021,57(13):1
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9；臂形控制算法参见Torres L G,Kuntz A,Gilbert H B,et al.A motion planning approach to automatic obstacle avoidance during concentric tube robot teleoperation[C]//IEEE International Conference on Robotics&Automation本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性机械臂虚拟试验平台，其特征在于，包括与柔性机械臂物理实体匹配的柔性机械臂虚拟实体、应用控制模块和运动控制模块：所述柔性机械臂物理实体包括经连接体连接在一起的一段以上的柔性臂及位于末端的末端关节，每段柔性臂结构相同，均包括顺次串联的若干万向节和将若干万向节连接在一起的一根以上的驱动丝；所述柔性机械臂虚拟实体包括与柔性机械臂物理实体中万向节数量和位置匹配的万向节模型、连接体模型、驱动丝模型，还包括相邻两个万向节之间水平转轴模型或垂直转轴模型；各万向节模型、连接体模型、水平转轴模型、垂直转轴模型和驱动丝模型均配置与柔性机械臂物理实体相匹配的物理属性；应用控制模块，用于依据接收的外部操作请求，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据，基于嵌入的运动控制算法生成柔性机械臂虚拟实体下一时刻目标定位信息，并将目标定位信息发送给柔性机械臂虚拟实体运动控制模块；运动控制模块；用于依据接收的下一时刻目标定位信息，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻定位信息，确定各模型物理属性变化量，并将其作为驱动信号实现对柔性机械臂虚拟实体运动控制。2.根据权利要求1所述的柔性机械臂虚拟试验平台，其特征在于，柔性机械臂物理实体包括经连接体连接在一起的柔性臂第一段、柔性臂第二段以及穿过柔性臂第一段和柔性臂第二段的弹性支撑体；柔性臂第一段和柔性臂第二段结构相同，均包括若干万向节和将若干万向节串联在一起的驱动丝；相邻两个万向节之间通过虎克铰链方式连接；柔性臂第一段中驱动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连，另一端与连接体固连；柔性臂第二段中驱动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连，另一端与末端关节固连。3.根据权利要求2所述的柔性机械臂虚拟试验平台，其特征在于，柔性机械臂虚拟实体包括与柔性机械臂物理实体中万向节数量和位置匹配的万向节模型、连接体模型、基座模型、末端关节模型、驱动丝模型；还包括若干水平转轴模型和垂直转轴模型；所述水平转轴或垂直转轴设置于相邻两个万向节模型之间、基座模型与相邻万向节模型之间、连接体模型两端与相邻万向节模型之间以及末端关节模型与相邻的万向节模型之间，水平转轴模型和垂直转轴模型相互垂直且交替排布；并对柔性机械臂虚拟实体各模型均配置与柔性机械臂物理实体相匹配的物理属性。4.根据权利要求1所述的柔性机械臂虚拟试验平台，其特征在于，所述应用控制模块用于依据接收到的操作请求，结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据，应用嵌入的柔性机械臂末端定位控制算法或/和臂形控制算法或/和柔性臂轨迹控制算法，对柔性机械臂虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：佃松宜，马丛俊，斯帅，钟许可，肖权，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：