基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统研究

张健

摘要：文章基于数字孪生技术，研究了工业机器人运动仿真系统的概念、特点、结构、性能优化及实验结果。在概念上，定义了数字孪生技术的含义并阐述了其实现原理；在特点方面，剖析了工业机器人的特点及数字孪生技术在工业机器人领域中的应用；在结构方面，提出了基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统的结构并详细介绍了各个模块的功能；在性能优化方面，介绍了几个常用的优化方法；在实验方面，进行了一系列真实的机器人运动仿真实验，并对实验结果进行了分析，验证了系统的可靠性和可用性。

关键词：数字孪生技术；工业机器人；仿真系统；性能优化；实验结果

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.004

中图分类号：TP 242.2            文献标志码：A            文章编码：1672-7274（2024）01-00-03

Research on Industrial Robot Motion Simulation System Based on Digital Twin Technology

ZHANG Jian

（Suqian Zeda Vocational and Technical College， Suqian 223800， China）

Abstract： The article is based on digital twin technology and studies the concept， characteristics， structure， performance optimization， and experimental results of an industrial robot motion simulation system. Conceptually， the meaning of digital twin technology was defined and its implementation principles were explained; In terms of characteristics， the characteristics of industrial robots and the application of digital twin technology in the field of industrial robots were analyzed; In terms of structure， the structure of an industrial robot motion simulation system based on digital twin technology was proposed， and the functions of each module were introduced in detail; In terms of performance optimization， several commonly used optimization methods were introduced; In terms of experiments， a series of real robot motion simulation experiments were conducted， and the experimental results were analyzed to verify the reliability and availability of the system.

Key words： digital twin technology; industrial robots; simulation system; performance optimization; experimental result

1   研究意義、目的以及国内外研究现状

1.1 研究意义和目的

本文将数字孪生技术与工业机器人相结合，提出了一种基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统。核心目的是研究工业机器人在数字仿真平台上的运动控制方式，包括运动规划、路径规划与控制、碰撞检测等。本文的主要研究意义如下。

（1） 探索基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统的实现方法，提高工业机器人的仿真性能。

（2） 研究数字孪生技术在工业机器人仿真中的应用，解决机器人在实际生产中的运动控制问题，提高生产效率和质量。

（3） 分析数字孪生技术在工业机器人运动仿真中的优缺点，提出数字孪生技术和工业机器人运动控制算法的未来发展方向^[1]。

1.2 国内外研究现状

早期的工业机器人仿真技术多采用离线编程和数字仿真技术。随着数字孪生技术的发展，它在工业机器人仿真中得到了广泛的应用，成为最受欢迎的研究方向之一。

国际上对数字孪生技术的研究主要集中在数字制造领域，如数字建模、数字工厂、数字孪生等。在工业机器人仿真领域，国内外学者提出了一些数字孪生技术并进行工业机器人仿真的应用研究。

国内外学者的研究重点主要包括数字孪生技术的基础理论、数字孪生技术应用场景、工业机器人仿真的算法与应用。在实际应用中，数字孪生技术在工业机器人的仿真、学习和智能监控方面具有重要的应用价值。国内外应用数字孪生技术的众多案例表明了该技术在实际生产中的重要性和发展前景^[2]。

2   数字孪生技术与工业机器人

2.1 数字孪生技术的概念与实现原理

（1）数字建模：通过数字扫描或CAD软件将物理产品构建成3D模型，并将其参数化，以便通过计算机程序进行模拟和监控。

（2）数据采集：利用传感器和监测设备，采集物理产品在使用过程中的各种数据，包括运行状态、温度、压力、振动等数据。

（3）仿真分析：利用数学模型、物理模型、机器学习等技术对数字孪生模型进行仿真计算，分析产品的性能和故障，进行设计优化和故障诊断。

（4）反馈调整：通过数字孪生技术提供的实时监控和可视化功能，对实物产品进行实时监控和调整，提高产品质量和生产效率^[3]。

2.2 工业机器人的概念和分类

工业机器人是使用电力或气压作为动力源并通过程序控制其运动轨迹和动作的机器人。它具有精度高、速度快、重复性好、可编程性强等特点，广泛应用于工业自动化生产中。根据其结构和功能的不同，工业机器人可分为以下类型。

（1）SCARA机器人：用于平面工作空间中的二维运动，适用于装配、零部件协调处理等领域。

（2）串联机器人：由多个关节组成，可进行多自由度移动，适用于复杂加工领域。

（3）并联机器人：由多个并联机械臂组成，适用于需要高稳定性和高精度的领域。

2.3 工业机器人运动仿真技术

工业机器人的运动仿真技术主要利用计算机仿真和数值分析技术来预测和分析机器人的运动轨迹和动作。通过运动仿真技术，可以优化机器人的运动控制算法和路径规划算法，提高其操作效率和准确性。常用的工业机器人运动仿真软件包括RobotStudio、Visual Components、Simulink等。

3   基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统结构

3.1 系统概述

基于数字孪生技术的工业机器人运动仿真系统是一个完整的仿真平台。它通过数字孪生技术对工业机器人进行建模、模拟和控制，并使用计算机图形技术显示模拟结果。该系统可以为工业机器人的设计、优化和控制提供强有力的支持^[4]。

3.2 运动仿真模块

运动仿真模块是数字孪生技术的核心应用之一。它将真实的工业机器人建模为数字孪生模型，在计算机上进行运动仿真并输出仿真结果。运动仿真模块可以有效分析机器人在不同条件下的运动轨迹、速度、加速度等参数，并为控制算法模块提供输入数据。

3.3 控制算法模块

控制算法模块是数字孪生技术的重要应用之一。其对数字孪生模型进行分析和优化，设计最优控制算法，并将其应用于实际的工业机器人控制中。控制算法模块可以有效调整机器人的运动轨迹、速度、加速度等参数，提高机器人的控制精度和效率。

3.4 传感器模块

传感器模块是数字孪生技术的重要组成部分，可以将实际传感器数据反馈到数字孪生模型中，以评估机器人的工作状态和控制效果。传感器模块可以有效监测机器人在各个工作阶段的关键参数，包括力、位移、速度、加速度等，为控制算法模块提供实时反馈信息。

3.5 仿真结果显示模块

仿真结果顯示模块利用计算机图形学技术，以图像的形式显示数字孪生模型的运动仿真结果。通过仿真结果显示模块，用户可以直观地了解机器人的运行状态和动态特性，并对机器人进行进一步的设计和优化。

4   系统性能优化

4.1 运动规划算法的优化

运动规划算法是数字孪生技术的核心应用之一，优化运动规划算法可以大大提高工业机器人运动控制的准确性和效率。为了优化运动规划算法，可以考虑各种策略，如动态规划算法、模拟退火算法、遗传算法等。具体的优化策略需要根据机器人的具体特点和应用场景进行选择^[5]。

4.2 路径规划和控制算法优化

路径规划和控制算法是数字孪生技术的重要组成部分，优化这些算法可以更好地控制工业机器人的运动轨迹和速度，提高其工作效率和生产质量。可以考虑采用最小二乘法、神经网络和PID控制等各种方法来优化路径规划和控制算法，从而提高机器人的精度和控制效率。

4.3 碰撞检测算法的优化

碰撞检测算法是数字孪生技术中不可或缺的一部分，优化这些算法可以有效避免机器人在操作过程中发生碰撞或损坏。可以使用光线跟踪和递归关系处理等多种优化方法来提高碰撞检测算法的准确性和效率。在优化过程中，需要考虑机器人的复杂结构、工作环境和传感器精度等因素。

对运动规划算法、路径规划与控制算法、碰撞检测算法进行优化，可以提高数字孪生技术在工业机器人运动仿真中的应用效果，进一步提高工业智能化水平和生产效率。

5   实验与结果分析

5.1 实验环境和设备

本实验使用的实验环境是一家工业制造企业的生产车间，包括多个工业机器人、监控设备、传感器和计算机。实验中使用的机器人是ABB机器人和发那科机器人，计算机使用了最新版本的英特尔酷睿i9处理器和NVIDIA显卡，具有强大的计算和图像处理能力^[6]。

5.2 实验过程

该实验基于数字孪生技术，旨在验证工业机器人的运动控制和仿真效果。实验过程如下。

（1）收集机器人模型和生产过程数据，用于三维建模和分析。

（2）模拟机器人的行为，优化过程，并分析其性能。

（3）根据实验结果对算法进行优化和改进。

（4）生产用于测试和验证的物理机器人。

（5）对实验结果进行分析和总结。

5.3 实验结果分析

通过在数字孪生系统中进行机器人运动控制和仿真实验，获得了以下实验结果。

（1）采用动态规划算法和模拟退火算法对运动规划进行优化，使机器人能够实现更精确的运动控制。

（2）通过PID控制算法和最小二乘法对路径规划和控制算法进行优化，使机器人的运动轨迹更加平稳。

（3）通过递归关系处理和光线追踪对碰撞检测算法进行优化，使机器人在移动时能够更准确地避开障碍物。

5.4 实验结论与展望

实验结果表明，数字孪生技术对工业机器人的运动控制和仿真效果具有重要作用。数字孪生技术的使用可以更准确地控制机器人的运动轨迹和速度，提高机器人的生产效率和质量。

未来，我们将继续发展数字孪生技术，在机器人运动控制和仿真方面取得更高水平的研究成果，推动工业智能化发展。

6   摘要与展望

6.1 研究总结

本文主要研究数字孪生技术在工业机器人控制中的应用。通过使用数字孪生系统进行机器人运动控制和仿真实验，获得了以下研究结果。

（1）基于数字孪生技术的机器人运动控制与仿真系统可以大大提高机器人运动控制的准确性和效率。

（2）采用动态规划、PID控制、最小二乘法和光线跟踪等方法对机器人的控制算法进行优化，可以避免碰撞。

（3）数字孪生技术在工业智能化发展中发挥着重要作用，可以促进智能制造的实现^[7]。

6.2 研究前景

尽管数字孪生技术在工业机器人控制领域取得了重大进展，但仍有许多研究方向值得进一步探索和深入研究。

（1）研究数字孪生系统在工业机器人控制中的应用。

（2）基于深度学习、人工智能等技术的机器人控制算法研究。

（3）设计和研究防止机器人与人和其他物体碰撞的安全机制。

参考文献

[1] 金培根．基于双手手势控制的双机器人人机交互技术的研究[D]．广州：华南理工大学，2017.

[2] 李智超．基于机器视觉的孔组直径测量技术研究[D]．长春：吉林大学，2017.

[3] 齐超．基于USB接口六自由度机械臂“3·3联动”控制器的研究与设计[D]．镇江：江苏科技大学，2020.

[4] 魏一雄，郭磊，陈亮希，等．基于实时数据驱动的数字孪生车间研究及实现[J]．计算机集成制造系统，2021（2）：352-363.

[5] 侯正航，何卫平．基于数字孪生的飞机装配状态巡检机器人的建模与控制[J]．计算机集成制造系统，2021（4）：981-989.

[6] 王峻峰，张玉帆，邵瑶琪，等．面向生产性能数字孪生的仿真数据映射研究[J]．系统仿真学报，2021（10）：2470-2477.

[7] 杜莹莹．基于数字孪生的工业机器人运动仿真与状态监控系统研究[D]．武汉：华中科技大学，2023（1）：93.

基金项目：本文系2021年度江苏省教育厅高校哲学社会科学研究一般项目《高職院校教学督导能力提升策略研究》（2021SJA2214）；江苏省青蓝工程项目[苏教师函（2022）29号]。

作者简介：张  健（1988-），男，汉族，江苏宿迁人，讲师，硕士研究生，研究方向为机械工程。