離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)研究

樊夢成 ，溫春雨 ，余 鋮 ，周凱琪 ，于 航 ，周士禹 ，陳子昂 ，葉銀海

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長，離散制造環(huán)境下的庫存優(yōu)化有了新的需求和挑戰(zhàn)。倉庫存儲的物資量大幅度增加，加重了離散制造環(huán)境中物料運轉(zhuǎn)的負(fù)擔(dān)。因此，如何實現(xiàn)更高效的物料流轉(zhuǎn)，降本增效是當(dāng)前亟需解決的問題。

雖然RMFS 的“貨架到人”物流模式很大程度上提高了揀選效率，減少了人工成本，但是這種人工手動模式效率低、錯誤率高，而分揀機(jī)器人能夠緩解這個問題。劉振宇等[1]提出目標(biāo)分塊處理算法和Hough-鏈碼識別算法解決規(guī)則幾何工件的分揀問題。倪鶴鵬等[2]針對分揀系統(tǒng)提出了一種基于時間和工件位置的去重算法和基于牛頓-拉夫森迭代的動態(tài)抓取算法，實現(xiàn)了較低的誤抓率。伍錫如等[3]提出的多目標(biāo)分塊處理算法和Hough-鏈碼識別算法可以解決規(guī)則幾何工件的分類問題。彭剛等[4]提出的改進(jìn)的自適應(yīng)閾值的Canny 邊緣提取算子通過提取邊緣信息，從而提高分揀效率。

數(shù)字孿生（digital twin）的概念最早由Grieves教授提出[5]。數(shù)字孿生是利用數(shù)字化手段拓展物理實體的功能[6]，在智能生產(chǎn)車間[7]等方面應(yīng)用廣泛，Tao 等[8]提出了數(shù)字孿生車間的新概念，并在2019 年提出了數(shù)字孿生五維模型的概念[9]。李玉等[10]構(gòu)建了一種多AGV 動態(tài)調(diào)度數(shù)字孿生框架和調(diào)度問題模型，用于碼頭作業(yè)。

本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)，利用Unity技術(shù)構(gòu)建了與真實場景一致的三維孿生空間，構(gòu)建AGV、分揀機(jī)器人、運行場景等孿生模型，可快速模擬不同訂單任務(wù)的AGV搬運物料情況和分揀情況，實現(xiàn)虛擬世界與物理世界之間的實時映射，從而達(dá)到全過程實時感知。

1 離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)架構(gòu)

離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，該分揀系統(tǒng)主要由物理空間系統(tǒng)、虛擬空間系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)、系統(tǒng)支撐服務(wù)4 個部分組成。1）物理空間系統(tǒng)。物理空間系統(tǒng)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是在真實環(huán)境中運行的系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在各類資源的組織、協(xié)同和管理，接收并執(zhí)行孿生數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)下發(fā)的指令。2）虛擬空間系統(tǒng)。虛擬空間系統(tǒng)是物理系統(tǒng)在虛擬空間中的展現(xiàn)形式，通過三維模型、物理屬性、模型約束和觸發(fā)事件等，來描述虛擬空間中的幾何模型、物理模型、邏輯模型和行為模型。3）孿生數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。孿生數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)主要功能包括孿生數(shù)據(jù)存儲、虛實交互映射、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)對比和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?）系統(tǒng)支撐服務(wù)。系統(tǒng)支撐服務(wù)是為用戶提供服務(wù)，保障以上三部分之間的相互聯(lián)系，是孿生系統(tǒng)能夠提供各種功能需求的基礎(chǔ)。

圖1 基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)架構(gòu)

2 構(gòu)建面向離散制造環(huán)境下分揀系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)

孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法如圖2 所示，通過此技術(shù)路線實現(xiàn)孿生系統(tǒng)的構(gòu)建，具體構(gòu)建步驟如下。

圖2 孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法

1）使用SolidWorks 工具制作出離散制造環(huán)境虛擬系統(tǒng)所需的真實物理環(huán)境模型，如AGV、分揀機(jī)器人、貨架位、物料等。

2）將CAD 模型進(jìn)行模型輕量化處理，針對細(xì)小特征的模型或者結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，使用3DMAX 或C4D將CAD模型轉(zhuǎn)換為面片模型，進(jìn)行輕量化處理。

3）將輕量化處理后的文件導(dǎo)出為.fbx 格式，導(dǎo)入Unity 軟件中，在設(shè)置好模型比例參數(shù)后，借助Toolbag 等工具進(jìn)行模型表面處理，同時添加模型相關(guān)的物理屬性，如重量、地面摩擦力、剛體屬性等，使虛擬模型滿足高保真性，提升一致性。

將模型在虛擬空間系統(tǒng)構(gòu)建成與物理空間系統(tǒng)中相同的結(jié)構(gòu)，圖3 為分揀機(jī)器人孿生模型構(gòu)建，圖4 為運輸AGV 孿生模型構(gòu)建，圖5 為離散制造環(huán)境下數(shù)字孿生系統(tǒng)局部圖，圖6 為Unity 中部分模型屬性設(shè)置。通過完成上部步驟，實現(xiàn)物理實體與虛擬實體的實時映射，實時感知系統(tǒng)運行情況并能夠及時地進(jìn)行人工干預(yù)，實現(xiàn)虛實交互。

圖3 分揀機(jī)器人孿生模型構(gòu)建

圖4 運輸AGV 孿生模型構(gòu)建

圖5 離散制造環(huán)境下數(shù)字孿生系統(tǒng)局部圖

圖6 Unity 中部分模型屬性設(shè)置

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

在運輸AGV 運行過程中，保證四輪差速結(jié)果與虛擬系統(tǒng)中運輸AGV 模型的運動情況相同，激光雷達(dá)點云成像結(jié)果實時反饋到虛擬系統(tǒng)運輸AGV 中，保證虛擬系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)與物理系統(tǒng)相同的避障效果。當(dāng)物料運輸?shù)椒謷军c時，分揀機(jī)器人經(jīng)過視覺檢測智能算法進(jìn)行物料分類入庫，使用了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)點對特征匹配算法相級聯(lián)的方法來解決物體的位姿估計問題。以斜盤外圈分揀應(yīng)用場景為例，本研究提出的離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)構(gòu)建方法在實際的物理環(huán)境中進(jìn)行了搭建、測試、驗證。圖7、圖8 為物料的運輸、分揀過程，運輸AGV 確認(rèn)上料完成后，由系統(tǒng)支撐服務(wù)層結(jié)合當(dāng)前全局的AGV 布局情況，規(guī)劃好路徑數(shù)據(jù)后，運輸AGV 運輸物料到分揀點，由分揀機(jī)器人識別物料、規(guī)劃運動姿態(tài)，完成分揀。與此同時，虛擬系統(tǒng)中對應(yīng)的物理實體的模型實時映射物理系統(tǒng)中的運行情況，中間通過對運行消息和控制消息的訂閱和發(fā)布，實現(xiàn)虛實雙向交互，形成了對斜盤外圈檢測流程運行情況的透明化感知。

圖8 斜盤外圈和離散制造環(huán)境下基于數(shù)字孿生的分揀系統(tǒng)