论文推荐 | 基于数字孪生的可重构生产系统中协作机器人编程与控制范式

A Digital Twin-based paradigm for programming and control of cooperating robots in reconfigurable production systems

Dimosthenopoulos, D., Basamakis, F. P., Glykos, C., Bavelos, A. C., Mountzouridis, G., & Makris, S. 

Laboratory for Manufacturing Systems and Automation, Department of Mechanical Engineering and Aeronautics, University of Patras, Patras, Greece

摘要

向产品个性化的转变是工业 4.0 背后的主要推动因素，并且催生了部署灵活且可重构装配系统的需求。本文探讨了利用数字孪生（DT）通过各种功能来实现系统灵活性和可重构性，进而提升系统整体弹性的情况。所提出的数字孪生基础设施包含两个主要组成部分：a）车间的虚拟呈现，它结合了多种传感器数据以及计算机辅助设计（CAD）模型；b）实时多机器人行为控制。数字孪生层面中物理实体与虚拟实体之间的通信层是通过机器人操作系统（ROS）框架来实现的。数字孪生在包含各类组件（如规划系统）的整体生产系统中的集成，是通过资产管理外壳（AAS）以及负责在这两种格式之间进行数据转换的定制化 ROS - AAS 连接器来实现的。最后，一个负责将规划任务分配给指定资源的编排系统（被称为工位控制器）已经得以实施。所开发的基础设施通过一个受消费电子行业启发的案例研究得到了验证，该案例研究聚焦于两种不同产品（修剪器头和显示器外壳）的装配。不过，所提出的解决方案旨在能轻易适用于任何类似场景。

关键词

数字孪生，多机器人控制，工业 4.0，资产管理外壳，灵活性

1. 研究背景

研究问题：随着工业4.0的推进，传统的生产系统需要向更加灵活和可重配置的方向发展，以适应大规模定制和动态变化的市场需求。如何通过数字孪生技术增强现有多机器人装配系统的功能，实现从预编程工作站到可定制解决方案的快速、灵活转变，是本文研究的核心问题。

研究难点：在多机器人系统中，需要解决机器人之间无缝通信和物理交互的问题，同时在线上机器人运动规划的复杂性增加。此外，如何设计一个易于重配置和灵活的生产环境，以提供实际装配单元的准确数字表示，并通过各种传感器生成的外部数据进行增强和持续更新，也是研究中的一大挑战。

文献综述：文章回顾了智能制造的实现需要制造系统的数字化，介绍了数字孪生技术在不同工业领域和生产阶段的应用，包括产品设计、生产、预测和健康管理等。同时，文章也提到了数字孪生技术在人机协作环境中的应用，以及在任务规划和决策支持机制中的作用。此外，还探讨了数字孪生在在线监控和评估大规模网络物理生产系统中的应用，以及在设计和重配置灵活装配系统中的框架。

2. 数字孪生基础范式

系统灵活性与可重构性：研究提出了一种基于数字孪生（DT）的范式，旨在通过各种功能实现系统灵活性和可重构性，从而提高系统的整体韧性。该范式包括两个主要组成部分：一是虚拟车间的表示，结合了多种传感器数据和CAD模型；二是实时多机器人行为控制。

通信层实现：物理和虚拟代理之间的通信层通过ROS框架实现。DT与生产系统中各种组件（如规划系统）的集成通过资产行政壳（AAS）和自定义的ROS-AAS连接器实现，负责在两种格式之间翻译数据。

调度系统：实现了一个调度系统（称为站控制器），负责将计划的任务分派给指定的资源。

3. 文献综述

智能制造的实现：智能制造的实现需要制造系统的数字化。先进的技术资产，如智能传感器、物联网（IoT）、云计算、机器学习和人工智能（AI），在数字孪生技术的发展中起着关键作用。

数字孪生技术应用：数字孪生技术已在产品设计、生产、预测和健康管理等多个工业领域和生产阶段成功实施。它支持监控、设计和优化、维护、控制和安全等功能。

4. 方法论

机器人行为生成：为了使机器人臂具备运动规划能力，实施的DT利用软件架构，促进了运动学、感知和操作能力。通过基于模板的方法自动化了任务转换为简单动作的过程。

碰撞避免：DT为机器人臂运动规划器提供了特定接口，以访问3D规划场景，确保机器人轨迹的碰撞自由。

多机器人协调运动：通过规划场景接口，生成机器人应避免的碰撞对象，使规划算法能够生成避免这些碰撞对象的轨迹。

基于感知的目标识别：目标可以是静态的或动态的。对于静态目标，可以提供特定的机器人关节状态来计算轨迹。对于动态目标，使用视觉系统检测部件的位置和方向，为运动规划器提供目标。

力控制运动：在组装小型精密部件时，精确控制末端执行器施加的力以避免损坏部件也很重要。使用外部六轴力/扭矩传感器实时测量施加在机器人末端执行器上的力。

5. 实施

机器人行为生成：开发了基于模板的组件，负责将分配给机器人的任务转换为低级机器人动作。

实时多机器人行为控制：实现了四个特定功能，创建了一个完整的多机器人控制系统，实现了对装配系统中涉及的机器人资源的灵活性和实时控制。

基于ROS的通信环境：整个机器人控制策略建立在DT各组件之间的通信和数据交换之上，通过ROS实现。

组件编排和AAS模型连接：通过自定义REST连接器实现了站控制器与AAS之间的连接，允许数据在AAS和DT之间传输。

6. 案例研究

案例研究概述：在消费电子公司的装配线上部署了实施的系统，该装配线由几个机器人单元组成，每个单元具有一个或多个专用功能，共同塑造装配过程。

产品和任务：研究考虑了两种不同的产品，剃须刀的修剪头和显示器的盖子。每种产品都需要不同的装配任务，这些任务由UR 10e机器人臂和Comau Racer 7-14机器人臂执行。

功能验证：使用ROS可视化工具（RVIZ）设置研究场景，验证了DT模型的功能。通过CAD文件、ROS虚拟控制器、视觉数据、机器人轨迹数据和力感测数据，测试了DT的实时更新和机器人行为的适应性。

7. 总体结论

系统灵活性与可重构性：提出的基于数字孪生的系统能够快速适应新产品的引入，最小化生产停机时间。同时，单元的灵活性得到提高，能够同时处理两种不同的产品。

未来工作：未来的研究应关注扩展框架能力以处理大数据量，使其适用于更多资源、产品类型或同一产品的变体。此外，应进一步探索与ERP系统的标准化AAS接口的集成，以使系统易于集成和调整到任何工业企业。最后，应增强系统以实现自动化的工具更换能力，以进一步减少处理不同产品变体所需的重构需求。

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