摘要：为解决玻璃幕墙注胶行业在生产加工过程中面临的困难，如成本高、效率低和难以实现全面智能化和自动化等问题，设计并研发了一种基于数字孪生的玻璃幕墙注胶机器人检测控制系统。首先，使用建模软件SolidWorks建立了注胶机器人的仿真模型，并搭建仿真实体机器人。接着，通过虚拟机器人运动仿真平台CoppeliaSim构建虚拟场景，实现了机器人注胶过程的运动仿真，并进行机器人运动控制与检验。在此过程中，利用Visual Studio 2022设计了人机交互界面和基于C#的串口通信模块，以实现界面、仿真平台和机器人的有效通信，达到虚拟模型与注胶机器人的动态实时交互的目的。在系统控制检测方面，对机器人进行了正逆运动学分析，结合包围盒算法和GJK算法实现了机器人碰撞检测。实验结果表明，注胶机器人能够有效响应控制指令，响应延迟小于200ms，界面能够实时显示运动参数，参数误差小于5%，动态交互成功实现。该系统为玻璃幕墙注胶行业提供了技术支持与解决方案，有效提升了生产效率并降低了成本。

　　关键词：数字孪生；CoppeliaSim；动态实时交互；玻璃幕墙注胶机器人

　　0引言

　　随着现代化发展，人们对玻璃幕墙的需求量越来越大，其中玻璃幕墙的注胶环节对产品生产效率有着很大的影响。但目前建筑幕墙行业的注胶机器人系统的工作方式单一，只能实现对平面玻璃幕墙进行注胶，无法满足对不同形状、不同状态下的玻璃幕墙进行注胶，难以满足多样化的需求。加快推进工程建造技术科技化、信息化、智能化水平，实现建筑行业的智能化发展已成为紧迫需求。

　　数字孪生，作为智能制造发展的关键技术，被广泛应用于航天航空、汽车制造、城市规划、农业、医疗等领域。它可以将现实世界中的物体或系统实现数字化转化，通过模拟和仿真技术进行预测、优化和改进。陶飞等[1]定义数字孪生为：首先在数字世界创建物理实体的虚拟模型，通过数据让虚拟模型模拟现实环境中物理实体的行为，借助虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等技术，使物理实体获得新的能力。目前，在工业机器人领域，数字孪生技术实现了智能化、自动化加工生产和故障检测。陈永强等[2]提出了激光焊接机器人复杂曲面加工轨迹数字孪生控制算法，提高了机器人对复杂曲面加工的效率和控制性能；马逸飞等[3]设计并实现了面向铁路智能运维特殊作业的机器人数字孪生系统，为铁路可靠性运输提供了技术保障；孙恺廷等[4]基于B/S架构，开发了工业机器人三维虚拟监控系统，进行了可行性验证。然而，在玻璃幕墙注胶行业中，数字孪生技术并没有得到充分的应用，尚无应用到玻璃幕墙的智能化生产的先例。

　　鉴于此，本文针对玻璃幕墙生产过程中提升智能化、自动化以及多样化程度的需求，设计与研发了一种基于数字孪生的玻璃幕墙注胶机器人检测控制系统，达到实现玻璃幕墙注胶机器人可视化的目的。利用虚拟仿真平台，可以在安全的数字孪生环境中进行实验，不受设备、场地和时间的限制，从而推动玻璃幕墙注胶机器人系统的研究和应用。这对于未来机器人理想系统的开发具有重要参考价值，也对我国的幕墙产业及智能制造发展有着深远影响。

　　1数字孪生系统总体设计

　　基于数字孪生技术的工业机器人，可以实现机器人工作中的可视化控制检测，实时数据传输以及动态交互，满足实体工业机器人与虚拟仿真模型的联动通信，减少工业实验的危险性和成本，有利于推动工业的智能化发展。根据现有的数字孪生系统模型构成，系统可以分为物理实体层、数据连接层、虚拟仿真层、应用交互层，其中通过数据流实现每层的连接[5]。数字孪生系统模型构成如图1所示。

　　在数字孪生系统中，物理实体层包括实际机器人和控制器等物理装置，构成系统的基础。数据连接层作为物理实体与虚拟模型之间的桥梁，实现了虚实结合和动态交互，包括数据获取、传输和处理功能。虚拟仿真层通过三维建模、关节添加和控制脚本编写，映射了物理实体在数字环境中的运动特征。应用交互层则支持操作者对机器人的运动控制、仿真验证以及动态实时交互的分析和决策。数据流则贯穿各层，是系统的核心连接组成部分。

　　基于数字孪生的玻璃幕墙注胶机器人控制检测系统的设计主要分为仿真场景构建、机器人运动的控制与检测、机器人虚实的动态实时交互三部分，最后再通过实验测试证明系统的可行性、实时性和准确性。系统设计架构如图2所示。

　　2仿真场景构建

　　仿真场景的构建主要包括实体机器人的搭建和仿真场景的建立。实体机器人是仿真场景中的主体和被仿真的对象，实体机器人的正常工作是仿真成功的关键。虚拟场景是机器人在数字世界的体现，实现可视化的运动仿真。

　　2.1实体机器人

　　本系统的物理实体层中的实体机器人采用的是基于广州伯乐智能技术的智能注胶装备为原型搭建的玻璃幕墙注胶机器人，该机器人主要包括龙门式桁架结构、三关节机械臂以及控制、传感单元[6~7]。桁架结构采用X、Y、Z三个直线轴，三关节机械臂手采用A、B、C旋转轴，在控制系统中分别定义为J1、J2、J3、J4、J5、J6，轴之间的相互联动实现所需的空间位置和行走轨迹，最终完成注胶工作。玻璃幕墙注胶机器人基本参数如图3所示。

　　使用三维建模软件SolidWorks来建立玻璃幕墙注胶机器人的三维模型，分别对龙门式桁架结构、三关节机械臂等建模，最后对各部分进行装配，实现机器人的运动配合。

       三维建模如图4所示。完成三维建模后进行实现机器人的搭建，其中需要保证实体机器人和虚拟模型各关节运动动

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