【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大型滚动型刀具更换，具体涉及一种盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法。
技术介绍
1、目前在大型滚动型刀具更换方面，主要还是依靠人工和一些辅助工具，其过程繁琐，不便。为了减少人工成本，在更换刀具过程中引入专用机械臂，通过视觉定位等方式，完成机械臂对大型滚动型刀具的自主更换。由于使用机器人对盾构机进行换刀任务时要考虑突发障碍与实际障碍，根据盾构机实际换刀抓取位置进行机器人轨迹规划，为机器人输出最优运动路径结果。
技术实现思路
1、针对大型滚动型刀具更换中对成本高、效率低、准确度低、安全性差的问题，提出了一种盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法。
2、利用虚拟仿真平台对机器人的运动轨迹进行模拟验证，给出最优运动规划结果，同时对设备运行信息进行显示和存储。
3、本专利技术的技术方案为：
4、一种盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，通过以下流程实现：
5、运动仿真：让用户在虚拟环境下设计机器人起始和终止位姿，完成机器人的路径规划，在机器人实际工作之前检验路径的安全性，运用碰撞检测技术提前发现路径中的碰撞点；
6、三维可视化监控：对机器人运行状态进行监控并三维展示，这些状态包括机器人各轴的速度、加速度、角度；
7、运行状态重现：将机器人运行数据进行存储，用户通过输入历史时间节点，重现运行状态；
8、具体实现步骤如下：
9、步骤s1：首先基于虚拟仿真平台开发系统，对应的所有需求均可通过界面进行直
10、步骤s2：将对应的盾构机自动换刀机器人及刀具空间位姿模拟机构的模型导入到虚拟仿真平台中，在虚拟平台中建立完全对应实际物体和空间布局的等比例环境模型；
11、步骤s21：对虚拟环境中的机器人的关节进行运动控制，通过虚拟仿真平台输入各关节对应的转动角度，使机械臂运动到指定位置，为机器人孪生模型设计示教点；
12、步骤s22：选择轨迹规划的模式，根据用户设计的示教点，利用机器人正逆解和轨迹规划算法对机器人进行轨迹规划，得到规划序列，其中轨迹规划算法以脚本形式写入虚拟仿真平台中，利用虚拟仿真平台中的相关函数进行插值进而实现运动；
13、步骤s23：进行运动仿真分析和碰撞检测，利用虚拟环境对规划结果进行运动仿真，在仿真过程中调用碰撞检测算法；
14、步骤s24：在仿真过程中如果检测到碰撞，进行碰撞提示，碰撞检测通过基于包围盒的技术实现；
15、步骤s25：对末端轨迹进行跟踪，直观地展示运动轨迹，同时输出规划结果，控制物理实体，进而把结果导入控制器去控制实体机器人的运动；
16、步骤s3：利用虚拟仿真平台建立虚拟系统，将孪生数据映射到虚拟系统中，实现虚拟系统和物理实体的同步，使虚拟系统中的三维模型和真实设备同步运行，同时对设备运行信息进行显示和存储，通过逻辑层脚本的控制，在每一帧中更新模型属性，使模型跟随真实设备同步运动，同时显示出当前设备运行数据；
17、步骤s4：对于服务器端传输的数据，一方面作为实时数据映射到模型，驱动模型运动，另一方面存储到数据库中，作为查询历史工作状态时的数据来源；系统采用c/s架构，即由客户端和服务器端构成，机器人控制器作为服务器端，虚拟仿真平台建立的仿真监控系统作为客户端；利用socket实现服务器端和客户端之间的通信；
18、选择数据库作为数据存储平台，在虚拟仿真平台中加载数据库插件，开发数据库操作类sql类，将数据库的连接、关闭、增删改查操作封装为方法。
19、优选的，虚拟仿真平台为unity3d软件。
20、优选的，数据库为mysql数据库。
21、进一步的，步骤s1中，界面包括监控启动面板、运行状态重现面板、运动仿真面板和数据显示面板。
22、进一步的，步骤s22中，轨迹规划算法以脚本形式写入虚拟仿真平台中，利用虚拟仿真平台中的相关函数进行插值进而实现运动；其中，关节空间插补通过利用mathf.lerp实现，其返回值为一个浮点数；直线插补用vector3.lerp实现，其返回值为一个三维向量；通过在每帧的动画中，即在update()方法中通过改变time的值从而改变返回值，进而改变各关节转角形成连续动画。
23、进一步的，步骤s22中，轨迹规划的模式包括关节规划、直线规划、圆弧规划三种方式。
24、进一步的，步骤s24中，碰撞检测通过基于包围盒的技术实现，具体为：
25、步骤s241通过求出检测对象的aabb包围盒，作为树的根节点；
26、步骤s242，找包围盒最长的一个轴，以这个轴的中点作为分裂点，过分裂点做一个垂直于分裂轴的平面，即为分裂平面，按照分裂平面将模型的三角面片分为两个子集，对于位于分裂平面上的三角形，将其分到三角形较少的集合中；
27、步骤s243，为划分好的集合构建包围盒，作为父节点的左右子节点，并重复步骤s242和步骤s243的过程。
28、进一步的，步骤s3中，监控数据包括每个轴的控制值、电机操作模式、电机实际位置、关节角度、关节速度、关节加速度、关节力矩。
29、本专利技术的有益效果在于：
30、1、本专利技术通过搭建孪生数据映射，提高虚拟平台与机器人实物而定同步性，可使机械臂空间信息捕获精度≤0.5mm。
31、2、本专利技术采用混合层次包围盒构建模型，有效的降低了检测所需平均时间。
32、3、本专利技术采用全系统流程方案，在仿真的基础上提供状态重现和三维可视化监控，便于后续对碰撞情况进行统计分析。
33、4、充分模拟验证机器人换刀的路径规划，为机器人输出最优运动路径结果，提高机器人换刀过程中的安全性和效率。
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1.一种盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，通过以下流程实现：
2.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，虚拟仿真平台为Unity3D软件。
3.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，数据库为MySQL数据库。
4.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤S1中，界面包括监控启动面板、运行状态重现面板、运动仿真面板和数据显示面板。
5.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤S22中，轨迹规划算法以脚本形式写入虚拟仿真平台中，利用虚拟仿真平台中的相关函数进行插值进而实现运动；其中，关节空间插补通过利用Mathf.Lerp实现，其返回值为一个浮点数；直线插补用Vector3.Lerp实现，其返回值为一个三维向量；通过在每帧的动画中，即在Update()方法中通过改变time的值从而改变返回值，进而改变各关节转角形成连续动画。
6.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤
7.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤S24中，碰撞检测通过基于包围盒的技术实现，具体为：
8.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤S3中，监控数据包括每个轴的控制值、电机操作模式、电机实际位置、关节角度、关节速度、关节加速度、关节力矩。
...【技术特征摘要】
1.一种盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，通过以下流程实现：
2.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，虚拟仿真平台为unity3d软件。
3.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，数据库为mysql数据库。
4.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤s1中，界面包括监控启动面板、运行状态重现面板、运动仿真面板和数据显示面板。
5.根据权利要求1所述的盾构机换刀的虚拟仿真平台验证方法，其特征在于，步骤s22中，轨迹规划算法以脚本形式写入虚拟仿真平台中，利用虚拟仿真平台中的相关函数进行插值进而实现运动；其中，关节空间插补通过利用mathf.ler...
【专利技术属性】
技术研发人员：周梅杰，王立刚，王青山，付仕凯，黄志鹏，
申请(专利权)人：上海机器人产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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