基于数字孪生驱动的机器人运动仿真与状态虚实同步映射研究*

doi:10.16731/j.cnki.1671-3133.2024.05.007

现代制造工程 ›› 2024, Vol. 524 ›› Issue (5): 48-55.doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2024.05.007

基于数字孪生驱动的机器人运动仿真与状态虚实同步映射研究^*

牛进鑫, 孙文磊, 刘国良, 包胜辉, 张克战

新疆大学机械工程学院,乌鲁木齐 830017

收稿日期:2023-09-11 出版日期:2024-05-18 发布日期:2024-05-30
通讯作者: 孙文磊,博士,教授,主要研究方向为先进制造技术、制造业信息化技术。E-mail:sunwenxj@163.com
作者简介:牛进鑫,硕士研究生,主要研究方向为机器人数字孪生。E-mail:2357259486@qq.com;刘国良,博士研究生,主要研究方向为机器人智能控制、特种加工。E-mail:9073790323@qq.com;包胜辉,硕士研究生,主要研究方向为风机数字孪生。E-mail:1611566009@qq.com;张克战,硕士研究生,主要研究方向为工业设备智能运维。E-mail:861586913@qq.com
基金资助:
^*新疆维吾尔自治区重点研发项目(2018B02012);乌昌石国家自主创新示范区科技发展计划项目(2022LQ03007)

Research on robot motion simulation and virtual-real synchronized mapping driven by digital twins

NIU Jinxin, SUN Wenlei, LIU Guoliang, BAO Shenghui, ZHANG Kezhan

School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830017,China

Received:2023-09-11 Online:2024-05-18 Published:2024-05-30

摘要/Abstract

摘要： 研究在机器人系统中创新性地引入了基于数字孪生的建模方法,以推动机器人实时仿真和监测水平的提升。在Unity3D平台上,通过构建物理实体的虚拟孪生体模型并建立通信连接,实现了数据和状态的同步更新,从而精准地实现了数字孪生的虚实映射。之后,构建了虚拟场景和运动仿真模型,并通过实验验证,证明了该系统的高效性和准确性。研究呈现了一个实现机器人运动仿真和状态虚实同步技术的数字孪生系统,展示了数字孪生在机器人领域的前景和应用价值。该系统有望优化机器人作业,提升加工品质,并提高工作人员操作的安全性水平。

关键词: 数字孪生, 机器人作业, 实时映射, Unity3D, 三维可视化监测

Abstract: A digital twin-based modeling approach was innovatively introduced in robotic systems to promote the improvement of real-time simulation and monitoring of robots.On the Unity3D platform,the synchronized update of data and state was achieved by constructing a virtual twin model of a physical entity and establishing a communication connection,thus accurately realizing the virtual-reality mapping of the digital twin.After that,virtual scenes and motion simulation models were constructed and experimentally verified to demonstrate the efficiency and accuracy of the system. A digital twin system that implements robot motion simulation and state virtual-reality synchronization techniques,demonstrating the prospect and application value of digital twins in the field of robotics was presented by studies. The system is expected to optimize robot operations,improve machining quality,and increase the safety level of staff operations.

Key words: digital twinning, robot operation, real-time mapping, Unity3D, three-dimensional visualization monitoring

中图分类号:

TP242.2

牛进鑫, 孙文磊, 刘国良, 包胜辉, 张克战. 基于数字孪生驱动的机器人运动仿真与状态虚实同步映射研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 524(5): 48-55.

NIU Jinxin, SUN Wenlei, LIU Guoliang, BAO Shenghui, ZHANG Kezhan. Research on robot motion simulation and virtual-real synchronized mapping driven by digital twins[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2024, 524(5): 48-55.

参考文献

[1] BAJIC B,RIKALOVIC A,SUZIC N,et al. Industry 4.0 implement ation challenges and opportunities: a managerial perspective[J].IEEE Syst J,2020,15:546-559.
[2] GRIEVES M,VICKERS J.Digital twin: mitigating unpredictable,undesirable emergent behavior in complex systems[M]//Transdisciplinary perspectives on complex systems.
[S.l.]:Newfndings and Approaches,2017:85-113.
[3] TUEGEL E J,INGRAFEA A R,EASON T G. Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin[J].Int J Aerosp Eng,2011(2011):154798.
[4] 陶飞,刘蔚然,张萌,等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统,2019,25(1):1-18.
[5] STACZEK P, PIZON J, DANILCZUK W,et al.A Digital Twin Approach for the Improvement of an Autonomous Mobile Robots (AMR's) Operating Environment—A Case Study[J].Sensors,2021,21:7830.
[6] YAN L,QIU T,XINCHENG T,et al.A novel offline programming approach of robot welding for multi-pipe intersection structures based on NSGA-Ⅱ and measured 3D point-clouds[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2023,83: 102549.
[7] 姚宇,张秋菊,陈宵燕,等.复杂空间曲面焊接机器人自动编程系统[J].焊接学报,2023,44(5):122-128,136.
[8] 陈子阳,刘伟.基于数字孪生工业机器人建模与远程监控系统的设计[J].制造业自动化,2023,45(6):17-22.
[9] 陈玉娇,曾诗雨,和红杰,等.工业机器人码垛数字孪生系统的研究与实现[J].计算机集成制造系统2023,29(6):1930940.
[10] 李燕,张洁洁,奚方园,等.基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测研究[J].现代制造工程,2023(1):116-121.
[11] 潘帅,于正林.基于数字孪生的光纤绕线机实时监控方法研究[J].现代制造工程2023(4):124-129.
[12] ZHU Z,LIN Z,HUANG J, et al.A digital twin-based machining motion simulation and visualization monitoring system for milling robot[J].Int J Adv ManufTe, 2023,127(9):4387-4399.
[13] 何进,谢松巍.基于Socket的TCP/IP网络通讯模式研究[J].计算机应用研究,2001(8):134-135.

[1]	宋世杰, 孙文磊, 张学东, 姜任奔, 李品文, 郎双曼. 基于数字孪生和标识解析的特种变压器制造车间协同智能物料配送方法研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 537(6): 45-57.
[2]	李建勋, 李明万, 信婷婷. 面向数字孪生的物流仓储管理系统设计与开发^*[J]. 现代制造工程, 2025, 536(5): 34-41.
[3]	李颖, 朱志松. 扑翼飞行器数字孪生交互系统的研究与实现^*[J]. 现代制造工程, 2025, 535(4): 53-60.
[4]	刘亮, 贺禹铭, 祁思远. 基于数字孪生仿真的柔性作业车间调度优化研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 534(3): 41-51.
[5]	师素双, 李云风, 黄天一, 孙乐天, 张浩. 基于数字孪生的转子系统状态在线监控方法研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 533(2): 109-120.
[6]	李云风, 师素双, 姚爽, 师占群. 轴承圈尺寸检测线虚拟调试不同步问题研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 532(1): 15-22.
[7]	陈旺, 马强, 刘治红. 基于数字孪生的车间生产数据感知方法设计及实现^*[J]. 现代制造工程, 2024, 526(7): 49-60.
[8]	郑苏芮, 杨德生, 张昕, 杜贤震, 李家鹏. 数字孪生驱动的堆垛机模型可视化设计与实现^*[J]. 现代制造工程, 2024, 526(7): 109-116.
[9]	吴小超, 王维佳, 李家喜, 王宁, 万年彬. 基于混合现实的数字孪生车间调度智能管理系统设计与实现[J]. 现代制造工程, 2024, 525(6): 36-48.
[10]	张若语, 胡友民, 吴波, 杨晔, 秦峻峰. 基于BA-PNN算法与数字孪生的车间扰动判定方法[J]. 现代制造工程, 2024, 522(3): 15-22.
[11]	纪有旺, 解乃军, 殷冬年. 基于数字孪生的移动机器人可视化监控系统^*[J]. 现代制造工程, 2024, 522(3): 23-30.
[12]	房峰, 袁逸萍, 裴国庆, 田芳. 基于数字孪生的纺机钣金车间可视化监控系统研究与应用^*[J]. 现代制造工程, 2024, 522(3): 31-37.
[13]	周勇, 杨旭东, 王晋冰, 张磊, 孙栋. 烟草物流中心数字化车间监控系统研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 521(2): 93-101.
[14]	陈彦秋, 吴天豪, 刘彦, 彭俊, 倪铭, 刘禹. EGR模块的数字孪生系统构建方法研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 530(11): 51-59.
[15]	刘晋飞;程铖;李杰林;黄华;马学明. 数字孪生环境下考虑可靠性的多目标智能排序策略[J]. 现代制造工程, 2023, 516(9): 28-35.

基于数字孪生驱动的机器人运动仿真与状态虚实同步映射研究^*

Research on robot motion simulation and virtual-real synchronized mapping driven by digital twins

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