摘要：针对数字孪生车间中工业机器人的动作映射失真、复杂装配环境适应性差等问题，提出一种数字孪生机器人虚实双向控制的方法，首先，对机器人进行关节轴向修正建模，引入改进DH参数法建立机器人的运动学数学模型；其次，构建低延时数据通信网络；最后，引入人工势场法改进避障算法搭建复杂环境下机器人避障运动控制框架。实验结果表明，所提出的方法使得虚实机器人的映射精度达到±0.15 mm，虚实双向数据传输延时低至96ms，性能提升81%，有效解决孪生机器人对实体机器人行为动作的实时精准映射难题，同时避障路径的长度减少了25.56%，提升了孪生系统对实体机器人仿真优化的控制能力。

　　关键词：数字孪生；工业机器人；虚实双向驱动；避障规划；低延时通信

　　0引言

　　随着工业4.0和中国制造2025的发展，企业迫切需要提高车间的数字化和智能化水平[1-2]。近年来，数字孪生技术的兴起为实现车间“智能制造”提供了全新的思路和方案[3-4]。工业机器人是制造车间的重要组成部分，实现其在孪生空间中仿真优化与实体机器人的虚实双向驱动，具有重要研究意义和应用价值。

　　针对数字孪生车间建立的研究，陶飞等[5]提出一种五维数字孪生架构，用于车间复杂设备全生命周期的监控；赵浩然等[6]提出一种基于实时数据通信的车间三维可视化方法，实现了虚拟车间对物理车间的映射，但是孪生动作的映射采用实时数据触发预定义动画的方式，缺乏与物理动作真实一致性；陈玉娇等[7]搭建了一个工业机器人码垛数字孪生系统，实现了基于数字孪生技术的工业机器人码垛虚拟可视化仿真与策略优化信息反馈，但是孪生系统的模型精度误差在±12 mm范围，难以满足虚实精准映射的要求；Kousi Niki等[8]设计用ROS提供的开放接口库并结合多传感器和CAD模型搭建虚拟车间，在ROS的框架下实现物理实体与虚拟模型的交互控制，但是基于ROS系统的控制过程冗余且不具有通用性；刘怀兰等[9]设计了一种孪生车间机器人虚实驱动模块化构建框架，模块化构架孪生车间提升了建模速度，但是虚实驱动控制流程烦琐冗余；闫俊涛等[10]针对车间现场设备数据采集问题，提出了一种基于车间产线可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的数据采集架构，但是该架构通信流程冗余延时较大，不符合数字孪生对实时性的要求；陈子阳等[11]构建了一个工业机器人监控平台，通过对机器人建立模型、缓存通信数据、数据重调度，实现对机器人的三维实时监控，但是监控平台未能提供控制决策服务，未能对实体机器人进行优化控制；杨艳芳等[12]提出了一种基于数字孪生的断路器装配机器人控制方法，实现对单个装配机器人的孪生驱动映射，但并未对实体机器人提供避障路径规划策略，优化控制程度不足。

　　针对上述研究存在的问题，本文以工业机器人为研究对象，主要创新是在虚拟空间建立机器人运动学模型，为实现虚实双向驱动控制建立基础。设计低延时数据通信网络进行物理设备层多源异构数据的采集和孪生系统控制数据的传输网络，保证虚实映射的实时性。优化机器人避障路径规划算法并构建以虚控实运动框架，提高复杂环境下工业机器人的自主避障能力。构建机器人虚实双向驱动数字孪生系统，最后以断路器的机器人柔性装配单元为例对数字孪生系统虚实双向驱动方法进行验证。本文所提方法最终可以实现对高维度多变量控制的车间物理实体动作的真实映射，保证了孪生车间机器人与实体机器人之间交互的实时性、准确性、真实性，为数字孪生制造车间中复杂机器人的控制提供方案。

　　1数字孪生机器人虚实双向驱动架构

　　如图1所示，本文构建数字孪生机器人虚实双向驱动总体架构，主要包含物理实体层、数据通信层、孪生模型和应用服务层4个部分。通过数据通信层链接物理实体层与孪生模型层进行数据的实时交互传输，应用服务层对物理实体层机器人动作的实时映射，同时对孪生模型层机器人的动作进行避障仿真并驱动控制物理实体层机器人同步运动。

　　2孪生机器人及虚拟环境搭建

　　孪生模型是对实体机器人的数字化呈现，主要在虚拟空间反映物理车间的生产活动，其中包括实体的几何大小、摆放位置、行为动作等属性。因此精准的几何模型是实现孪生机器人对实体机器人动作同步跟随和驱动控制的保障。

　　2.1关节轴向修正模型

　　在构建物理实体的数字孪生体时，为达到与物理实体的真实一致性，首先从机器人制造商处获得三维模型，它能够忠实反映机器人的几何尺寸、外观纹理与结构框架等物理特征[13-14]。当前在机器人三维模型向孪生模型转换处理的过程中，仅对三维模型进行了层级关系分析以及关联逻辑处理，如图2所示，机械臂由基座、大臂、小臂等6部分组成，将各部分按照串联逻辑建立父子关系，搭建机器人模型的层级逻辑关系。上述对机器人模型的初始化处理方法，忽略了对三维模型的坐标轴的修正标定，导致孪生模型在虚拟空间运动时与实体机器人的动作缺乏一致性。