[發明專利]一種工業機器人數字孿生系統仿真方法及裝置

在審

• 申請號: 201810679938.9
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108724190A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 韓九強;楊若琪;鄭輯光;呂紅強
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發明提供了一種工業機器人數字孿生系統仿真方法及裝置，包括：工業機器人、安裝在機器人末端的相機和線結構光發射器組成的視覺感知單元、計算機；建立工業機器人仿真系統，對機器人建模，對三種指令解析、運行；使用線結構光幾何三角法獲取機器人視覺系統的目標三維測量模型；對于機器人的工作任務，確定運動指令，通過計算機進行虛擬仿真，進行可達點以及碰撞點檢測；實際機器人通過視覺感知單元進行目標物體的識別、定位，進而驅動機器人的實際運動；本發明虛擬仿真安全可靠，避免了實際運行中可能出現的異常，通過視覺感知單元利用三維視覺技術進行目標對象的識別、定位，提高了機器人對現場環境的自適應能力，增強了柔性和智能性。

技術領域

本發明屬于工業機器人技術領域，特別涉及一種工業機器人數字孿生系統仿真方法及裝置。

背景技術

隨著機器人技術的發展，工業機器人廣泛應用于工業生產，在機械加工、焊接、裝配、噴涂、搬運等領域發揮著重要作用，成為衡量國家綜合國力以及制造業水平的重要指標。目前工業機器人的使用主要通過示教編程來實現，機器人必須在線、效率低下，對于機器人在運動過程中出現的軸超限不可達或者碰撞問題，不能提前預警，安全性差。同時，國內外大量應用于生產的工業機器人無現場環境感知能力，機器人不具有自適應性，無法根據對象的狀態調控作業路徑，使得加工質量、加工精度不能滿足需求，極大地限制了機器人在工業生產中的應用。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種工業機器人數字孿生系統仿真方法及裝置，將機器人的虛擬仿真與真機運行結合在一起組成孿生系統。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種工業機器人數字孿生系統仿真方法，其特征在于，所述工業機器人為六軸工業機器人，將其虛擬仿真與真機運行結合在一起組成孿生系統，包括：

利用計算機實現工業機器人的虛擬控制，搭建與實際環境相一致的虛擬三維場景，通過運動學仿真方法模擬工業機器人的整個運動過程，進行可達點以及碰撞點檢測；

在工業機器人末端安裝由相機和線結構光發射器組成的視覺感知單元，利用視覺感知單元采集圖像，通過線結構光幾何三角3D數據獲取模型、工業機器人目標三維測量模型得到目標的三維信息；

最終，工業機器人按照視覺感知單元的三維信息完成指定的工作任務。

所述工業機器人的虛擬控制是確定上述六軸機器人的連桿坐標系和連桿參數，利用D-H法建立機器人關節動力學模型，在六軸機器人的各個關節處建立參考坐標系，相鄰關節坐標系之間的轉換關系已知，末端執行器的坐標系相對于基坐標系的轉換矩陣為一系列相鄰連桿坐標系轉換矩陣的乘積，確定機器人正逆運動學求解。

所述虛擬三維場景的搭建是在虛擬環境下導入機器人模型、工件模型的STEP標準文件，通過校準操作保證與實際物理環境的一致性。

所述運動學仿真方法是對以下三種運動指令進行翻譯、解析和執行，確定路徑中的多組關節角，得到工業機器人各關節所在位置，實現虛擬運動：

(1)關節空間運動MOVJ：應用逆運動學得到目標位姿的各個關節角，采用三次多項式插值的方法計算機器人運動過程中每個時刻的關節角；

(2)笛卡爾空間直線運動MOVL：采用笛卡爾空間直線插補算法，計算起始點和終點之間多個點的位姿，逆運動學求解關節角；

(3)笛卡爾空間圓弧運動MOVC：將空間圓弧轉換為平面圓弧，在平面上進行圓弧插補，獲得機器人基坐標系下的空間位置插補點以及姿態插補點，逆運動學求解關節角。

所述可達點檢測是在虛擬運動過程中，依據工業機器人的六個關節的運動限制范圍，如果某個末端位姿通過逆運動學求解得到的關節角超過了限制，認為該位置不可達，所述運動限制范圍從廠家提供的工業機器人機械使用維護手冊上獲取。