[发明专利]一种结合智能视觉的工业机器人数字孪生系统及其运行方法

说明书

本发明提供一种结合智能视觉的工业机器人数字孪生系统及其运行方法，包括物理层、信息层、虚拟层及连接层；物理层包括工业机器人、机器人控制设备与数据采集设备，物理层借助数据采集设备采集机器人的运行状态数据，并传输至信息层；信息层包含运行状态数据库、智能化分析模型与作业指令系统；虚拟层通过三维可视化引擎实现，包含机器人数字孪生模型与系统服务模块，利用信息层的数据对工业机器人进行三维状态映射并提供功能服务；连接层负责物理层与信息层之间、信息层与虚拟层之间的数据交互。本发明利用消息中间件进行数据传输，降低了系统各功能模块之间的耦合程度，具有较高的可扩展性。

技术领域

本发明涉及一种结合智能视觉的工业机器人数字孪生系统，属于智能制造与工业设备数字化技术领域。

背景技术

数字孪生作为连接物理世界和信息世界的桥梁，可有效实现信息物理系统的融合，成为实现智能制造的有效途径，在近期得到了广泛和高度关注。目前数字孪生在车间与机床等方面的研究与应用较多，但整体还处于初级探索阶段。同时，人工智能、大数据等新一代信息技术发展迅猛，在工业领域的应用开始增多。

工业机器人是当前及未来智能工厂的重要组成部分，是实现智能制造的重要设备。但目前的工业机器人大多在结构化的环境中工作，缺少智能视觉来提供外界感知，并且缺乏对工业机器人的智能化管控。为满足工业机器人在智能制造中的需求，利用结合智能视觉的数字孪生技术来提高工业机器人的智能化水平是非常有必要的。

数字孪生在工业机器人等工业设备上的应用并不多，公开号为CN109571476A的中国专利申请公开了一种工业机器人数字孪生实时作业控制、监控与精度补偿方法，建立了工业机器人与其数字孪生模型之间的联系。机器人数字孪生模型与机器人控制器之间通过双方开发的接口进行数据通讯，包括以太网、Modbus、Can或串口的方式。机器人数字孪生模型在实时的关节角数据的驱动下运动，并将数据发送给机器人控制器，驱动机器人同步运动，并通过机器人控制器实时采集机器人角度信息，并与机器人数字孪生模型的关节角信息做比较，对误差进行补偿操作。

该工业机器人数字孪生实时作业控制、监控与精度补偿方法仅对机器人的关节角信息进行采集、计算与补偿，数据采集与分析不够全面，并未从提高工业机器人智能化水平的角度出发，也并未建立完整的数字孪生系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人数字孪生系统。系统可实现机器人与机器人数字孪生模型之间的状态映射，并借助智能化手段，为工业机器人进行目标识别定位与智能化状态分析，提高工业机器人的智能化水平。

本发明的目的是这样实现的：一种工业机器人数字孪生系统，包括物理层、信息层、虚拟层及连接层；物理层包括工业机器人、机器人控制设备与数据采集设备，物理层借助数据采集设备采集机器人的运行状态数据，并传输至信息层；信息层包含运行状态数据库、智能化分析模型与作业指令系统；虚拟层通过三维可视化引擎实现，包含机器人数字孪生模型与系统服务模块，利用信息层的数据对工业机器人进行三维状态映射并提供功能服务；连接层负责物理层与信息层之间、信息层与虚拟层之间的数据交互。

优选的，在所述物理层中，数据采集设备包括数据采集服务器、传感器和相机，负责实时采集机器人的运行状态数据，包括关节角度数据、末端执行器压力数据、运动速度数据、电机温度数据、工作场景图像。

优选的，在所述信息层中，作业指令系统包含运动学求解模块、轨迹规划模块和指令生成模块，用于生成控制指令控制工业机器人与机器人数字孪生模型运动；运行状态数据库基于关系型数据库构建，用于对系统中的数据进行组织、存储与管理；智能化分析模型包括智能视觉识别定位模型、故障检测模型与状态预测模型。