【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械工程和计算机科学领域，具体涉及一种面向协作机器人关节的数字孪生模型构建方法。
技术介绍
1、当前，协作机器人在各个领域得到广泛应用，但协作机器人的运行会受到工作环境恶劣、环境突然改变、零部件老化等因素的影响，导致性能下降，威胁协作机器人的安全稳定运行，进而导致生产中断、维修成本增加以及安全风险。在工业场景下，基于信号的深度学习已成为机器人故障诊断的主流方法。然而，深度学习的方法面临着故障模式多样性、故障数据难以获取等问题。本专利技术公开了一种面向协作机器人关节的全维度数字孪生模型构建方法，在数字孪生模型建模过程中融入故障知识，在一定程度上为解决机器人关节故障数据难以获取的问题提供数字孪生模型支撑。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供一种面向协作机器人关节的数字孪生模型构建方法，对使用数字孪生技术解决机器人关节故障数据难以获取的问题提供模型支撑。
2、本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：一种面向协作机器人关节的数字孪生模型构建方法，其特征在于：
3、步骤(1)、构建协作机器人关节的几何模型，其具体实现如下：
4、步骤(1.1)、构建机器人关节零件级几何模型：根据零件在机械运动中的作用，分为关键零件cpi和辅助零件api，对关键零件按外形、材料属性、表面特征进行精确建模，对辅助零件按其外形和与关键零件的配合关系建模，得到全体零件集合{cpi，api}。所述关键零件指直接参与到机械运动过程中，对运动具有
5、步骤(1.2)、构建机器人关节部件级几何模型：根据机器人关节的功能分区，将步骤(1.1)构建的零件集合{cpi，api}划分为电机部件集合mc＝{cp1，ap1，ap2，ap6}、减速器部件集合rc＝{ap3，cp21，cp22，...cp2n}、控制器部件集合cc＝{ap4，ap81，...ap8i}、传感器部件集合sc＝{ap51，...ap5m，ap8i+1，...ap8k}，在各个集合内，按照配合关系和位置关系将零件级模型组装为部件级模型；
6、步骤(1.3)、构建机器人关节产品级几何模型：基于关节各部件在关节外壳中的位置、部件间的机械传动关系和线束连接关系将步骤(1.2)构建的四个部件级几何模型组装为产品级几何模型。
7、步骤(2)、构建协作机器人关节的规则模型，其具体实现如下：
8、步骤(2.1)、构建机器人关节的控制规则模型：基于机器人关节程序在外部扰动、自身故障下对机器人关节参数范围和变化率的控制策略，构建n条“if-then”规则ri(i＝1,2…n)。
9、步骤(2.2)、构建机器人关节的输出扭矩衰减规则模型：基于archard磨损方程(v＝kfvd)构建机器人关节的输出扭矩衰减规则模型，其中v为零件磨损的体积，k为关键零件材料的磨损系数，f为零件之间的表面接触压力；v为零件间的相对运动速度，d为零件间的滑动距离；扭矩衰减τweak＝μv，其中μ为扭矩衰减系数。
10、步骤(3)、构建协作机器人关节的物理模型，其具体实现如下：
11、步骤(3.1)、构建机器人关节的扭矩动力学方程：基于拉格朗日方程(l＝t-u+τtotal)构建机器人关节的扭矩动力学方程，其中t为动能项，u为势能项，τtotal为输出扭矩，τtotal＝τgear-τweak，τgear为减速器输出扭矩；τweak为磨损对输出扭矩的影响，由步骤(2.2)建立的扭矩衰减规则模型计算。
12、步骤(3.2)、构建机器人关节关键零件的温度场：基于热网络法计算关键零件表面的温度场tcp，所述热网络法的计算依据为热传导方程、初始条件、热交换边界条件，热传导方程为其中x为空间坐标，k(x)是导热系数，t(x，t)为温度分布，ρ(x)为密度，c(x)为比热容，t为时间；初始条件为t(x，t＝0)＝tsensor，其中tsensor为传感器采集的温度；关节和关键零件之间的热交换边界条件为其中hconv为热传导系数，tcp为关键零件的温度；
13、步骤(4)、构建协作机器人关节的行为模型，其具体实现如下：
14、步骤(4.1)、构建机器人关节行为树节点：基于机器人关节在外部扰动、自身故障等多状况下的行为，构建机器人关节行为树节点。所述树节点包括触发节点ti、行为节点bi和执行节点pi，一个触发节点表示一个能够触发行为的条件，一个行为节点表示一个具体行为，一个执行节点表示一个机器人关节内的零件。
15、步骤(4.2)、连接机器人关节行为树节点：以行为节点bi为中间层，向上连接触发节点ti，向下连接执行节点pi。触发节点和行为节点的连接表示该触发节点表示的条件会触发该行为节点表示的行为，行为节点和执行节点的连接表示该行为节点表示的行为由该执行节点表示的零件参与。
16、步骤(5)、融合几何-物理-行为-规则多维模型，其具体实现如下：
17、基于数据湖技术，对步骤(1)至步骤(4)构建的几何、物理、行为、规则四个模型的数据进行分类存储；构建多维模型与数据湖间的事件驱动异步通信接口，所述事件驱动的事件类型为数据更新类事件和数据调用类事件。数据更新类事件是指四个维度的模型进行数据更新，以及数据处理程序使用当前数据湖中管理的数据计算得到新数据，数据调用类事件是指四个维度的模型对数据湖中管理的数据提出调用请求。
18、进一步，步骤(5)中、基于数据湖技术，对步骤(1)至步骤(4)构建的几何、物理、行为、规则四个模型的数据进行分类存储；具体存储方式为，几何模型的数据包含机器人关节各零件形状、结构和空间位置相关的信息，使用三维网格存储模型的形状，使用点云存储零件级-部件级-产品级模型的空间结构、使用cad模型格式存储模型的实体；物理模型的数据包含机器人关节各零件材料性能、力学特性、物理参数、扭矩运动学方程和温度场方程，使用表格存储材料性质、力学参数表格化数据，使用xml存储包含层次结构的物理模型信息、扭矩运动学方程和温度场方程，使用图数据库存储物理模型中间的关系；行为模型的数据包括对机器人关节的运动、动作和反应的描述，使用事件日志存储装备的行为事件和状态变化，使用时间序列数据库存储与时间相关的行为数据，使用图数据库存储步骤(4)构建的行为树节点和连接；规则模型的数据包含对机器人关节操作规程、控制规则的描述，使用文本文件存储规则文档和操作规程，使用关系数据库存储步骤(2.1)建立的n条规则，使用图数据库存储规则间的关系。
19、本专利技术与现有技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向协作机器人关节的数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中、基于数据湖技术，对步骤(1)至步骤(4)构建的几何、物理、行为、规则四个模型的数据进行分类存储；具体存储方式为，几何模型的数据包含机器人关节各零件形状、结构和空间位置相关的信息，使用三维网格存储模型的形状，使用点云存储零件级-部件级-产品级模型的空间结构、使用CAD模型格式存储模型的实体；物理模型的数据包含机器人关节各零件材料性能、力学特性、物理参数、扭矩运动学方程和温度场方程，使用表格存储材料性质、力学参数表格化数据，使用XML存储包含层次结构的物理模型信息、扭矩运动学方程和温度场方程，使用图数据库存储物理模型中间的关系；行为模型的数据包括对机器人关节的运动、动作和反应的描述，使用事件日志存储装备的行为事件和状态变化，使用时间序列数据库存储与时间相关的行为数据，使用图数据库存储步骤(4)构建的行为树节点和连接；规则模型的数据包含对机器人关节操作规程、控制规则的描述，使用文本文件存储规则文档和操作规程，使用关系数据库存储步骤(2.1
...【技术特征摘要】
1.一种面向协作机器人关节的数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中、基于数据湖技术，对步骤(1)至步骤(4)构建的几何、物理、行为、规则四个模型的数据进行分类存储；具体存储方式为，几何模型的数据包含机器人关节各零件形状、结构和空间位置相关的信息，使用三维网格存储模型的形状，使用点云存储零件级-部件级-产品级模型的空间结构、使用cad模型格式存储模型的实体；物理模型的数据包含机器人关节各零件材料性能、力学特性、物理参数、扭矩运动学方程和温...
【专利技术属性】
技术研发人员：左颖，王煜程，陶飞，李奕霖，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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