基于三軸機械手裝配平臺的數字孿生可視化分析＊

蕪湖安普機器人產業技術研究院有限公司 李公文

鑒于數字孿生可視化研究較少，三維建模及模型簡化處理仍是當前主要難點，本文以三軸機械手裝配平臺為研究對象，系統介紹了三維模型構建、模型輕量化處理、虛實映射通訊等構建方法，通過可視化智能運維系統展示數字孿生技術在智能監測、信息反饋、決策控制等方面的應用價值。

數字孿生（Digital Twin）以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[1,2]。隨著虛擬現實和增強現實技術的進一步發展，不少學者對虛擬現實和增強現實技術在數字化工廠可視化中的應用展開了研究[3]，Unity3D 作為輕量化易上手的三維游戲引擎被廣泛應用于數字展示及數字孿生[4,5]。本文結合數字孿生技術、基于三軸機械手利用Unity3D 開出一套實用的數字孿生系統，提升了三維的可視化效果。

1 數字孿生模型構建

數字孿生模型可分為靜態模型和動態模型[6]，靜態模型完全按照實體工作臺進行布置，同時對于模型所含的動態模型進行層級關系處理、硬件約束設置和物理屬性配置。動態模型指的是裝配平臺上進行具體裝配動作的裝配氣缸、物料和裝配機器人等；靜態模型指的是工作臺箱體、顯示屏、支架等靜止不動的模型。本文對不同狀態的模型采用了不同的實現方法。

1.1 對孿生場景中的靜態實體進行建模

對于主要部件應力求還原實體（如：裝配工作臺中的機器人模型，機器人模型在工作臺中的相對位置，裝配物料在工作臺中的相對位置等），對于次要實體要素應當簡化或忽略（如：裝配工作臺中的線路、連接氣缸的氣管等）。

1.2 對屬性方法的建模

分析孿生場景確定各實體模型部件所具有的屬性和方法，對需要的屬性和方法進行綜合分析提取共性屬性和方法進行模塊化、組件化的編程實現，其中方法組件應提供靈活的外部接口以實現不同表現形式的方法執行（如裝配機器人的各個關節的運動方法需要根據相應的約束規則確定其運動方向和速度等）。

1.3 規則與約束的模型建立

應當在分析了孿生場景之后提取與場景相關或主要相關的規則與約束，這是由于在數字化建模中對現實物理約束的建模實現困難且效果相較于其他模型較差，因此只提取主要的或相關的約束與規則進行建模。規則與約束模型的具體建模方法為：用XML 語言存儲規則與約束信息，在需要對模型賦予這些規則和約束的時候提取相應的XML 語言文件轉化為程序文件。

1.4 數據模型

對于數據模型的建立依賴于孿生場景的功能和上述三個步驟，數據模型的建立應當是穿插于各個建模步驟之間的，通過不同類型模型的建立過程的功能與模型分析對孿生場景中的相關數據進行取舍，在確定了相關數據之后比較、分析數據間的聯系，從而確定一個或多個主要數據（即主鍵）用以規范數據的存取（以裝配工作臺為例，數據模型選取時間戳為主鍵，聯系機器人各個關節的運動數據和裝配狀態）。

1.5 不同模型的融合模型

對于不同場景和需求的模型，其模型融合的具體規則應當具體分析，但其核心仍然是通過分析實體模型不同部件與屬性和方法模型的相互作用范圍，以及規則約束模型對實體模型及其所具有的屬性和方法的驅動方式和效果（如裝配平臺中對于裝配材料物理屬性的約束和機器人運動行為的約束）通過將動作時序關系、工藝約束關系、能量流、信息流、物料流等映射到模型中，使模型之間產生與現實擬合的邏輯、行為。在Unity3D 引擎中，經過以上步驟可以完成對虛擬模型的構建工作，最終成品如圖1 所示。

圖1 三軸機械手裝配平臺三維模型Fig.1 3D model of three-axis manipulator assembly platform

2 三維模型簡化處理

隨著制造業的不斷發展，設備數量不斷增加，其數字孿生模型的規模一般比較大且結構復雜[7]，這就導致其對應的CAD 組合體數字模型的規模和復雜性也日益增長。因此數字孿生模型需要做簡化處理，根據引用[8]的思想，數字孿生模型簡化處理流程如圖2 所示。

圖2 數字孿生模型簡化處理流程Fig.2 Digital twins simplify processing

步驟1：首先利用Solidworks 進行三維建模并輸出為WRL 格式；

步驟2：利用3D MAX 軟件對三維模型進行格式轉化、合并網格等操作，同時對三維模型的面片數和頂點數進一步的優化，減少模型網格數，并輸出為FBX 格式；

步驟3：將簡化后三維模型Unity3D 中，通過相應的Shader 開發、系統交互開發等，完成三維模型的搭建與簡化工作。

3 通訊及孿生控制

通過Unity3D 中構建OPC UA 服務器，讀取PLC中數據進行交互，使用OPC UA 協議將數據發送到搭載數字孿生平臺的設備或其他可以進行數據處理的設備，實現通訊及數字孿生虛實同步控制，數字孿生系統接收到相應的數據后，孿生控制方案包含以下模塊：數據解析、驅動、運行監控和異常處理，具體流程如圖3 所示。

圖3 數字孿生控制方案流程圖Fig.3 Flow chart of digital twin control scheme

步驟1：構建OPC UA 服務器，通過SimensS7 TCP/IP Ethernet 協議進行數據端到服務器端的傳輸；

步驟2：在服務器設備端接收到PLC 發送的數據后，使用OPC UA 協議將數據發送到搭載數字孿生平臺的設備或其他可以進行數據處理的設備；

步驟3：孿生平臺對數據進行解析，主要目的就是將通信模塊獲取的孿生原始數據進行解析，并將解析后的數據與孿生驅動所需的數據進行比對、查驗，在確保數據無誤且可用之后調用數據處理方法并激活驅動模塊進行孿生驅動；

步驟4：孿生數據驅動。在獲取到孿生所需的數據之后，依據這些數據驅動孿生平臺各個部件進行運動，實現孿生的基礎功能；

步驟5：在第4 步基礎功能之上，結合運行監控模塊通過孿生平臺實時監控裝配工作臺的運行狀態、把握裝配過程中的重要細節，同時，基于數據解析模塊和驅動模塊的處理結果；

步驟6：異常處理模塊將進行進一步的加工、分析，在符合預設的條件時觸發異常處理方法。孿生平臺的遠程控制功能也依賴于控制模塊，當用戶在人機交互界面觸發了相應的遠程控制指令時，控制模塊會對比、分析控制指令從而調動相應的通信模塊功能進行對用戶指定的數據進行定量修改，從而達到精確的遠程控制功能。

4 可視化界面設計

3D 可視化系統主要是針對監控數據二維圖表展示不形象、不直觀等用戶痛點提出的，主要是為了解決生產過程中故障設備設施定位困難等問題[9,10]。本文機器人狀態參數融入到可視化界面中，狀態參數是機器人的運行位置和速度、數據通信的準確性，因此提供了檢測數據通信狀態的可視化監控窗口和機器人運行狀態的可視化監測窗口，通過兩個監測窗口可以準確、直觀的把握孿生系統的整體運行狀態，最終界面如圖4 所示。

圖4 三軸機械手裝配平臺數字孿生狀態監測畫面Fig.4 Three-axis manipulator assembly platform digital twin state monitoring screen

5 結語

通過本方案的構建，搭建一個數字孿生的基礎展示與研究平臺，后續結合設備及功能需要，可以添加各類傳感器（如：溫度、濕度、壓力、流量、加速度等傳感器）可以對生產過程進行檢測、控制以及監測設備運行狀態等，此外為后續研究基于孿生的故障預測提供一個基礎通用平臺。