(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211033073.1 (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 绍兴市上虞区武汉理工大 学高等研 究院 地址 312000 浙江省绍兴 市上虞区曹娥街 道江西路2288号浙大网新科技园A1楼 5楼 申请人 武汉理工大 学 (72)发明人 曹小华　彭帅宇　郭玲琼　梁世亮　 赵亚飞　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 黄靖 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种关节机 器人的数字 孪生系统及方法 (57)摘要 本文提出了一种基于关节机器人的数字孪 生方法及系统， 包括关节机器人基础实体系统、 物理孪生系统、 关节机器人虚拟仿真系统， 历史 数据库以及传感器数据采集处理模块。 在该系统 中其虚拟 仿真系统是独立与物理系统的， 利用实 物运动产生的数据集， 优化关节机器人的运动学 模型从而构建高保真度的虚拟 仿真系统。 虚拟系 统在数据传输框架中作为核心， 分别 与历史数据 库， 机器人基础实体系统以及传感器数据采集处 理模块进行连接。 该数字孪生系统集实时映射， 历史映射， 远程控制， 虚拟仿真以及虚拟监控于 一体， 功能强大。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 115319748 A 2022.11.11 CN 115319748 A 1.一种关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 包括： 关节机器人基础实体系统、 物理 孪生系统、 关节机器人虚拟仿真系统， 历史数据库以及 传感器数据采集处 理模块； 其中， 所述关节机器人基础实体系统包括机器人机械实体、 机器人机械实体控制系统 和机器人机械实体应用界面， 所述机器人机械实体控制系统对所述机器人机械实体进 行驱 动， 所述机械实体应用界面连接所述机器人机械实体控制系统反应所述机器人机械实体控 制系统参数； 所述物理孪生系统用于连接所述关节机器人基础实体系统和关节机器人仿真系统并 实现所述关节机器人基础实体系统和关节机器人仿真系统之间的实时映射； 所述关节机器人虚拟仿真系统包括关节机器人3D模型、 虚拟控制器以及虚拟应用界 面， 所述关节机器人虚拟仿 真系统集虚拟仿 真， 数据驱动于一体， 能够独立于所述物理孪生 系统进行仿真运动； 所述历史数据库， 存 储物理孪生系统运行的历史数据； 传感器数据采集处理模块， 采集传感器报文数据并解码成所需数据， 作为中间处理模 块。 2.根据权利要求1所述的关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 所述的机械实体应用 界面包括数据监控界面， 参数设置界面以及运动控制界面； 数据监控界面， 显示采集处 理后的各个数据的值， 用于监控机器人机 械实体当前状态； 参数设置界面， 设置 机器人机 械实体的运动速率以及运动模式； 运动控制界面， 使得机器人按照关节角运动以及根据坐标点以及末端状态逆解 运动。 3.根据权利要求1所述的关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 所述的历史数据库 所 输入的数据包括所述传感器数据采集处理模块处理后的数据以及采取数据的时间， 并按照 时间序列从上之下一次写入所述历史数据库中， 外部通过时间为主键进行访问， 进行历史 数据驱动， 从而达 到场景再现的功能。 4.根据权利要求1所述的关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 所述的虚拟仿真系统 包括关节机器人3D模型， 虚拟应用界面以及虚拟控制器； 所述关节机器人3D模型包括机器人实体模型以及周边障碍物环境， 根据优化后的运动 学模型DH参数以及机器人实体的尺寸建立1： 1子装配模型， 并正确装配保证机器人DH参数 以及机器人与环境的相对位置的正确 性， 渲染赋予材质， 并建立关节机器人各个关节的父 子物体关系简化模型关节运动； 所述的虚拟控制器， 基于物理孪生系统采用的关节角路径规划运动函数模型， 利用历 史数据库数据， 对该模型进 行修正， 利用固定时间刷新函数， 通过不同时间的位置进 行插值 驱动各个关节， 以达 到仿真运动目的； 所述的虚拟应用界面包括虚拟人机交互界面、 虚拟数据监控 界面和虚拟历史数据读取 界面。 5.根据权利要求 4所述的关节机器人 数字孪生系统， 其特 征在于， 其中， 所述虚拟人机交互界面， 控制机器人按照关节运动以及点对点运动， 并插入机器人运 动学逆解 算法； 所述虚拟数据监控界面监控关节角数据、 末端执行器位置以及姿态， 碰撞预警信 息， 运 行时间以及设置有虚拟摄 像头， 为远程控制提供决策以及调试依据；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115319748 A 2所述虚拟历史数据读取界面， 根据输入的时间段， 在历史数据库中进行查找并依照 时 间间隔读取， 达 到场景再现目的。 6.根据权利要求1所述的关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 所述关节机器人数字 孪生系统以关节机器人仿 真系统为核心， 通过数据线以及电脑IO口将关节机器人基础实体 系统、 物理孪生系统、 关节机器人虚拟仿 真系统， 历史数据库以及传感器数据采集处理模块 建立起数据连接 。 7.根据权利要求4所述的关节机器人数字孪生系统， 其特征在于， 所述的虚拟数据监控 界面在空间布置虚拟摄像头对关节机器人3D模型进 行监控， 合理参数化设置周围环境的组 件大小， 在虚拟空间中从设定好的距离内获取到即将碰撞到的机器人连杆部件信息， 提前 预警辅助决策； 对虚拟机器人末端执行器的位置以及姿态监控， 得到物体坐标在世界坐标 系下的坐标点， y， z， x轴的向量方向， 正确的配置父子物体通过旋转矩阵的换算， 即可以得 到末端执行器的位置以姿态信息， 建立优化运动学模型获取优化的D H参数是虚拟监控实现 的前提。 8.一种关节机器人的数字 孪生方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 基于厂家提供的机器人DH参数， 建立 修正前的关节机器人运动学 数学模型； 步骤二： 基于关节机器人编码器采集关节角 报文数据并解码成正常关节角数据， 绑定 采集数据的时间进行 数据传输； 步骤三： 基于激光跟踪仪进行测量得到关节机器人末端执行器的坐标， 结合步骤二中 关节角数据获得关节角 ‑末端执行器坐标 数据对采集； 步骤四： 建立机器人优化后的运动学模型以推导出最优化的关节机器人3D虚拟模型； 步骤五： 基于最优化的关节机器人3D虚拟模型以及处理完的关节角数据， 对机器人运 动实体以及周围环境进行三维动态可视化显示； 步骤六： 基于驱动完后的历史数据， 构建历史数据库结构， 将历史数据按照时间序列存 储， 为历史数据驱动提供基础； 步骤七： 基于历史数据库， 对历史数据进行分析， 得到机器人关节角运动模型， 为机器 人仿真运动提供基础； 步骤六： 基于关节机器人3D虚拟模型对机器人机械状态进行虚拟监控以及远程控制， 通过虚拟系统中展示的关节角， 末端执行器位置和方向， 碰撞预警信息以及三维模型多视 角的状态， 有助于操作人员做出 更好的决策以及进行设备调试。 9.根据权利要求8所述的一种关节机器人的数字孪生方法， 其特征在于， 所述步骤四 中， 所述机器人优化后的运动学模型是通过厂家 提供的机器人DH参数构建初始的运动学模 型， 结合机器人连杆长度以及连杆偏移 量的误差， 利用采集的关节角 ‑末端执行器坐标数据 对的数据集， 利用最小二乘法多次迭代得到最优的DH参数， 从而建立优化 运动学模型。 10.根据权利要求8所述的一种关节机器人的数字孪生方法， 其特征在于， 所述关节角 运动模型是通过实际机器人系统采用的关节角控件轨迹规划模型， 利用历史数据库中时 间‑关节角数据进行修 正得到。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115319748 A 3