[發明專利]數字孿生驅動的機械臂建模、控制與監測一體化集成系統

有效

• 申請號: 202010186762.0
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111496781B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 林潤澤;朱雄卓;馮毅萍;戴清陽;王行健
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 高燕

1.一種數字孿生驅動的機械臂建模、控制與監測一體化集成系統，其特征在于，包括：

數字孿生仿真模型構建模塊，根據機械臂物理實體搭建機械臂CAD裝配體模型，基于所述機械臂CAD裝配體模型通過模型轉換插件構建機械臂數字孿生集成仿真模型，所述機械臂數字孿生仿真模型具有機械臂數字孿生虛實交互的功能接口；

機械臂控制模塊，面向智能流水線柔性裝配環節機械臂設定目標的軌跡跟蹤，通過構建機械臂數字孿生集成仿真的控制系統，實現機械臂數字孿生集成仿真模型的閉環反饋控制；

數據采集、預處理與特征構建模塊，采集機械臂數字孿生集成仿真模型運行過程中的機械臂運行數據并進行預處理，并根據機械臂運動學及動力學特性構建用于機械臂故障監測的機理特征；

故障監測模塊，利用預處理好的機械臂運行數據與構建的機理特征對機械臂數字孿生集成仿真模型閉環運行過程的機械臂運行狀態進行實時監測；若判斷機械臂運行產生故障，則進行預警；所述的故障監測模塊包括：

慢特征分析模塊，利用慢特征分析方法，篩選出機械臂數字孿生集成仿真模型閉環運行過程的特征中變化較慢的特征，形成快、慢特征數據，

時段劃分模塊，將機械臂的運行看作廣義上的批次過程，對單個批次采樣數據進行分段，得到機械臂運行狀態的不同子時段；所述時段劃分模塊對時段進行劃分，包括以下步驟：

(S1)將機械臂運行批次過程的三維數據矩陣，按照批次軸展開為二維數據矩陣；剔除二維數據矩陣中的離群點、填補缺失值，并進行數據標準化處理，

(S2)對標準化后的每一個時間片矩陣執行PCA分析，根據累計方差貢獻率方法對所有時間片選取統一的主元個數，并計算殘差空間中的SPE指標，

(S3)從批次過程初始點開始，依次將下一個時間片與之前的時間片按照變量展開方式組合在一起形成時間塊，并對時間塊進行PCA分析，計算得到時間塊的SPE指標，并確定時間塊內每個時間片的控制限Ctr，

(S4)比較一時間塊內每個時間片上的控制限Ctr大小，如果連續三個時間片呈現的時間塊控制限Ctr_v,k大于時間片控制限Ctr_k的α倍，則在此時間處斷開時間塊，斷開點之前的時間塊形成一個時段；其中α為松弛因子，根據實際過程建模效果進行調整，

(S5)對斷開點之后的時間片重復步驟(S2)～(S4)，直到劃分完所有時間片，

故障監測算法模塊，在每個子時段中建立相應的故障監測模型，針對每個運行狀態下的快、慢特征數據采用高斯混合模型進行聚類，以樣本到各高斯混合模型的BID距離作為衡量指標，建立用來判斷新樣本是否處于故障狀態的故障監測控制限。

2.根據權利要求1所述的數字孿生驅動的機械臂建模、控制與監測一體化集成系統，其特征在于，所述的機械臂控制模塊包括機械臂關節角-力矩串級控制模塊和關節角設定值輸入模塊；所述的機械臂控制模塊對機械臂數字孿生集成仿真模型進行閉環反饋控制包括：

對機械臂的柔性抓取需求進行分解與任務下達，將預先規劃的關節空間的關節角運行指令序列下達給機械臂關節角-力矩串級控制模塊；

對關節角設定值輸入模塊、機械臂關節角-力矩串級控制模塊和機械臂關節傳感器輸出進行封裝，封裝后的模塊輸入為關節角反饋信號和力矩反饋信號、輸出為驅動關節的力矩信號，并在封裝后的模塊內加入帶有微分增益的工業PID控制器；

分別整定機械臂各個關節的關節角-力矩串級控制器參數，在保證反饋控制性能要求的基礎上，實現對系統不確定性和外部擾動的抑制。

3.根據權利要求1所述的數字孿生驅動的機械臂建模、控制與監測一體化集成系統，其特征在于，所述的數據采集、預處理與特征構建模塊包括：

集成仿真數據采集模塊，通過機械臂關節傳感器實時采集機械臂數字孿生集成仿真模型的機械臂運行數據機械臂運行數據，并傳至仿真軟件的工作區；

數據均勻降采樣模塊，對齊各個機械臂運行數據時間戳，以特定采樣時間對機械臂運行數據進行均勻降采樣；

機械臂機理特征構建模塊，根據機械臂連桿動力學原理并基于能量衡算方法構建用于機械臂故障監測的機理特征。