[发明专利]一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构，包括物理外设、通信接口与数字孪生模拟设备；所述物理外设包括设有压感可视化结构的机械臂、设于作业环境内的信息采集传感器、以及与所述机械臂与信息采集传感器连接并用于交互数据和指令的主控制器等；其中，设有压感可视化结构的机械臂包括机械臂以及设于机械臂各处的压感可视化结构。本发明通过将机械臂的主要受压力状况可视化后，增加数字孪生系统的数据采集维度，提升数字模拟的精确度，并让学生更直观地掌握数字孪生实际应用时需要注意的操作要点，提升教学质量，降低教学成本。

技术领域

本发明涉及智能制造技术物理外设技术领域，具体而言，涉及的是一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构。

背景技术

数字孪生是基于数字化技术建立一个与物理世界相对应的高保真虚拟世界模型的技术手段，以模拟对象在物理世界中的行为、反映物理世界运行状态并对发生的真实变化进行记录与控制、从中找出发生问题的节点、帮助提供变化规律的总结与预测等手段来优化现实生产加工活动中的一切变量产生的环节，进而实现生产力水平与学术水平共同提高这一最终目的。

基于此，数字孪生对于生产与学术的教学而言具有不言而喻的意义，其不但可以节约生产和教学成本，同样的，还能提高生产和教学时候的容错率，降低生产和教学过程中不慎误操作造成意外与故障发生的概率，更加清晰全面展示生产设计环节中种种因素对最终结果造成影响程度几何，如图2所示，为一般数字孪生运行机制的基础示意图，另外，关于数字孪生因而，有必要将数字孪生技术应用于现实教学之中。

而作为应用的一环，如何更加全面展示加工机械臂在生产加工过程中的受力状况，使之在教学中有助于学生更加全面把握设备的运行状态，避免不合理加工参数造成的设备承载零部件的寿命加速缩短甚至是应力疲劳造成的零部件失效问题成为现有的教学用数字孪生加工仿真与实操当中需要改善的一环，尤其是学生群体的知识和经验尚浅，不具备直观发现问题的能力，而实物的反馈往往比数字仿真的反馈更加具有冲击力以及说服力。

其所造成现状是，基于目前的数字孪生加工实操设备硬件条件构成，不存在或者较少具备实物反馈状态的能力，导致学生缺乏更加快速直观发现实物问题的手段，以至于小故障出现时，学生观看模拟环境不能理解问题产生的根源，对照实物没有问题产生的实感，等到小故障变成大故障的时候，往往损失已经不是一般学生能够承受的了，因此需要针对上述情况作出一些改进。

发明内容

针对背景技术中存在的技术缺陷，本发明提出一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构，解决了上述技术问题以及满足了实际需求，具体的技术方案如下所示：

一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构，包括物理外设、通信接口与数字孪生模拟设备；所述物理外设包括设有压感可视化结构的机械臂、设于作业环境内的信息采集传感器、以及与所述机械臂与信息采集传感器连接并用于交互数据和指令的主控制器；所述通信接口包括有线通信接口与无线通信接口，且所述通信接口连接于机械臂、信息采集传感器与主控制器之间；所述数字孪生模拟设备包括与主控制器连接用于对物理外设及其处置的物体进行几何建模的几何表达模块、用于机械臂与环境之间提供虚拟接触力的交互动力模块和用于真实环境交互动力学特性的形变渲染模块、将物理外设及其处置的物体的模型经过主控制器的传输进行交互和计算后可视化展示的输出模块、以及用于物理外设与数字孪生模拟设备的进行人机交互的交互硬件；其中，设有压感可视化结构的机械臂包括机械臂以及压感可视化结构，所述机械臂底部设有活动连接的基座、机械臂的活动端设有机械爪连接部，所述压感可视化结构设于机械臂自身、机械臂与基座之间、机械臂与机械爪连接部之间3处位置，所述机械臂与基座之间，设有环绕机械臂底部的环状压感可视化件，所述机械臂在各个存在有自由度的关节处，设有环状压感可视化件以及弧状压感可视化件，所述机械臂与机械爪连接部之间设有与导气结构并联的可视化组件。

本发明具有的有益效果在于：通过将机械臂的主要受压力状况可视化后，增加数字孪生系统的数据采集维度，提升数字模拟的精确度，并让学生更直观地掌握数字孪生实际应用时需要注意的操作要点，提升教学质量，降低教学成本。