【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械臂路径规划领域，尤其涉及一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法、系统。
技术介绍
1、随着自动化技术的发展，工业机械臂被广泛用于搬运、拆卸、上下料、焊接、装配等应用领域，针对特定的任务执行特定的运动，替代人工完成高强度工作，极大的提升了生产效率。传统工业生产中机械臂主要用于单一的流水线型任务,其运行依赖于操作工人的示教编程，是一种效率低且适应性差的方法。当机械臂工作环境或作业流程发生变化时,其无法有效的避开障碍物可能导致严重的安全事故。随着机械臂加工作业环境越来越来复杂，需要机械臂能依据环境的变化、作业流程的变化规划路径，确保机械臂完成加工作业流程并避开所有障碍物。
2、目前国内外学者更多的是对机械臂路径规划算法进行改进与优化，基于matalab、ros等软件进行算法验证、仿真分析，该类仿真分析平台存在如下缺陷：(1)无法对机械臂加工作业产线实际情况进行障碍物精确建模，难以实现真实产线环境下的路径规划算法仿真验证，实际应用意义有待提升；(2)传统机械臂路径规划采用包络法进行关节与障碍物的碰撞检测，包络法对障碍物的简化提升了障碍物的体积，减少了机械臂的运行空间，特别是在加工机床内部的狭小环境下，容易导致路径规划失败；(3)当机械臂作业流程、加工环境发生变化时，传统的仿真验证平台需重新构建障碍物环境，效率较低，且难以把路径规划结果实时传输至机械臂进行示教点更新，无法调控产线其他控制信号，如机械臂地轨位置、设备急停信号等；(4)传统仿真分析平台难以对实体机械臂进行实时运行监测，容易因为设置失误导致机
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法、系统。本专利技术提供的基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法可以解决机械臂路径规划仿真实验真实产线障碍物环境无法还原、算法仿真验证真实性不够、车间产线人工示教操作繁琐的问题。
2、本专利技术所采用的技术方案如下：
3、根据本专利技术的一个方面，提供一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，包括以下步骤:
4、s1、构建机械臂和车间产线其他设备的三维模型并进行模型处理，构建机械臂运行逻辑模型并脚本化，将机械臂运行逻辑模型脚本与机械臂三维模型绑定完成机械臂孪生模型构建，依据车间产线的实际布局和设备位置数据完成数字孪生场景搭建；
5、s2、实时采集机械臂运行数据、车间产线控制信号，并基于socket数据传输技术进行数据实时传输；
6、s3、基于获取的机械臂运行数据驱动机械臂孪生模型运行，完成虚实同步一致性验证；
7、s4、基于实体机械臂构建机械臂运动学模型，采用碰撞体进行碰撞检测，调用机械臂路径规划算法进行机械臂路径规划仿真分析；
8、s5、将路径规划仿真结果传输至实体机械臂完成示教点更新，基于机械臂孪生模型与实体机械臂的同步运行对实体机械臂进行运行监测。
9、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，所述步骤s1具体包括：
10、s11、依据机械臂及其车间产线其他设备的尺寸数据、结构关系、装配关系，应用数字化建模技术1:1构建三维模型，并对三维模型添加材质属性；
11、s12、依据各设备的装配关系完成各设备三维模型的“父子”层级划分，并为机械臂三维模型增加各个关节的限位约束；
12、s13、确定机械臂运动部件、运动行为、运动顺序，对机械臂的运动部件进行运动行为与控制逻辑的分析后构建机械臂运行逻辑模型，并完成脚本化，通过脚本将机械臂三维模型的运动部件与机械臂运行逻辑模型相绑定，完成机械臂孪生模型构建；
13、s14、基于机械臂孪生模型、其他设备的三维模型和实际车间产线布局、各设备的位置数据完成机械臂加工作业车间产线的数字孪生场景构建。
14、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，所述s2中的机械臂运行数据包括：实体机械臂运行时的关节轴实时角度值和实时速度值、机械臂地轨位置数据；s2中的车间产线控制信号包括：机械臂启停信号、加工设备启停信号、各设备急停信号。
15、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，s3中的虚实同步一致性验证为：
16、基于实体机械臂的实时运行数据驱动机械臂孪生模型运行，实现机械臂孪生模型与实体机械臂的同步运行，同步完成加工作业全过程，对机械臂孪生模型运行过程与实体机械臂运行过程进行一致性判定验证，若机械臂孪生模型运行过程与实体机械臂不一致则进行调整，直至一致为止。
17、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，s4包括：
18、s41、基于实体机械臂尺寸数据和结构关系，采用改进d-h参数法构建机械臂运动学模型，并进行正逆运动学求解，将机械臂末端姿态转化为机械臂关节角度；
19、s42、在机械臂孪生模型和其他设备三维模型的基础上，对机械臂及其他设备容易发生碰撞的部件，使用精度更高的网格碰撞体，以模型表面网格进行碰撞检测，对不容易发生碰撞的部件，使用普通碰撞体进行碰撞检测；
20、s43、将机械臂路径规划算法进行封装与脚本化，调用机械臂路径规划算法中的动态椭球约束采样rrt*-connect算法进行机械臂路径规划仿真分析。
21、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，所述的动态椭球约束采样rrt*-connect算法包括：
22、确定起点与终点，初始化状态空间与双向随机搜索树tree1和tree2，起点与终点分别为tree1和tree2的初始节点；
23、判断两棵搜索树的节点数量，节点少的随机搜索树开始搜索，初始默认tree1开始搜索；
24、在扩展过程中，基于动态椭球约束采样策略进行采样，获得采样点qrand，以采样点qrand为扩展方向，离qrand最近的搜索树节点qnear为扩展起点，基于动态步长策略向扩展方向走一个动态步长获得新节点qnew，判断扩展过程是否发生碰撞，若发生碰撞则重新采样，若未发生碰撞则进行父节点重选与重连后将新节点qnew加入搜索树；
25、生成新节点qnew后，采用贪婪策略，对向的搜索树开始以离qnew最近的节点qnearest2为起点朝着新节点qnew贪婪直线扩展，直到碰到障碍物或两棵搜索树连接为止；
26、若两棵搜索树相连则通过路径回溯获取初始路径，若未相连则重新判断两棵搜索树的节点数量，选择节点少的搜索树继续重复搜索扩展过程，直至两棵搜索树相连为止；
27、获得初始路径后进行冗余点删除，并使用三次b样条曲线进行拟合，平滑路径。
28、进一步的，上述基于数字孪生的机械臂路径规划本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，S1包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，S2中的机械臂运行数据包括：实体机械臂运行时的关节轴实时角度值和实时速度值、机械臂地轨位置数据；S2中的车间产线控制信号包括：机械臂启停信号、加工设备启停信号、各设备急停信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，S3中的虚实同步一致性验证为：
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，S4包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，动态椭球约束采样RRT*-Connect算法包括：
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，动态椭球约束采样策略为：
8.根据权利要求6所述的一种
9.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，S5包括：
10.一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，s1包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，s2中的机械臂运行数据包括：实体机械臂运行时的关节轴实时角度值和实时速度值、机械臂地轨位置数据；s2中的车间产线控制信号包括：机械臂启停信号、加工设备启停信号、各设备急停信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂路径规划仿真分析方法，其特征在于，s3中的虚实同步一致性验证为：
5.根据权利要求1所述的一种基于数...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠，阴艳超，潘欣，冯根昌，张家刚，王嵩岭，沈俊童，刘一豪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：
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