一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统

本发明涉及工业自动控制，特别涉及一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统。

背景技术：

0、技术背景

1、随着智能制造和柔性生产的发展，机械臂已广泛应用于加工、装配、焊接及检测等制造环节，并常与夹具、变位装置、加工设备和检测设备等共同组成协同作业单元。

2、现有制造系统通常在工件处于预定装夹状态时预先生成机械臂运动轨迹，并依据既定节拍或设备状态组织各执行对象依次作业；部分系统还结合传感检测、仿真模型或数字化映射对机械臂和工件状态进行监测，以便在运行异常时调整后续控制过程。然而，连续生产过程中，工件可能因夹紧载荷变化、接触面差异、局部滑移或工位调整产生小幅位置或姿态偏差。该类偏差通常只会影响与当前工件空间关系直接相关的部分作业过程，但现有控制方式往往难以准确判断该状态变化对后续机械臂动作及其他设备动作的实际影响范围，容易将本可继续执行的控制过程一并纳入重新规划，或者在局部调整后仍沿用原有设备动作关系，造成额外计算、控制等待及作业衔接失配。

3、因此，现有多设备协同制造控制方式在工件装夹状态发生变化后，对其实际影响范围的判断仍不够准确，容易造成不必要的控制调整和作业衔接波动，仍有进一步改进空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，包括数字孪生控制状态构建模块，用于获取工件基准位姿、机械臂基准路径、至少一个关联生产设备的运行状态及设备动作顺序和释放条件，在统一坐标基准下建立数字孪生控制状态，并将机械臂基准路径划分为多个路径段；

3、控制关联生成模块，用于针对各路径段生成状态依赖型控制关联记录，记录装夹状态引用项、工件相对目标位姿及允许范围、前置设备状态条件、关联设备控制段和后续释放条件；

4、装夹变化确定模块，用于根据当前工件位姿与工件基准位姿确定装夹位姿增量；

5、局部失效控制域确定模块，用于基于当前工件位姿将待执行的未修正路径段目标执行位姿转换至当前工件坐标系，将超出对应允许范围的路径段确定为初始失效路径段，并根据所述状态依赖型控制关联记录，将以初始失效路径段完成状态作为进入条件的后续控制段纳入局部失效控制域；

6、协同增量规划模块，用于根据装夹位姿增量修正局部失效控制域内的机械臂路径，并以修正路径段的完成状态更新关联设备控制段的释放条件；

7、数字孪生联合校验模块，用于推演修正后的局部失效控制域获得边界输出状态，校验机械臂运动约束和设备控制时序，并与下一未修正控制段的进入条件比较，未满足时沿控制关联记录迭代扩展局部失效控制域并重新执行协同增量规划；

8、集中执行控制模块，用于在联合校验通过后向机械臂控制器和关联生产设备控制器下发控制数据，并根据实体执行状态更新数字孪生控制状态。

9、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

10、本发明根据工件装夹状态变化确定受影响的机械臂路径，并结合后续控制关系限定实际需要调整的控制范围，避免因局部位姿变化而对整个制造任务进行重新规划，有利于减少不必要的控制数据重构。

11、本发明在局部路径修正过程中同步调整关联生产设备的控制关系，使机械臂路径变化与相关设备动作能够保持对应衔接，降低局部路径调整后仍沿用原有控制关系所造成的执行不同步问题。

12、本发明通过数字孪生对修正后的控制过程进行联合推演，并依据后续控制段是否仍满足执行条件确定影响范围是否继续扩展，使装夹状态变化的影响边界能够随实际控制状态进行判断，提高局部调整范围确定的合理性。

13、本发明在控制数据下发后继续采集机械臂、工件及关联生产设备的实际运行状态，并与对应预测状态进行比较，根据偏差影响程度选择继续执行、局部重新规划或扩大调整范围，有利于保持多设备制造过程的连续性和控制协调性。

1.一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述路径段和关联设备控制段均作为控制段；

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述装夹变化确定模块将当前工件位姿与工件基准位姿转换至所述统一坐标基准，基于二者的相对变换得到装夹位姿增量，所述装夹位姿增量包括位置变化量和姿态变化量；

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述局部失效控制域确定模块将待执行的未修正路径段在统一坐标基准下的目标执行位姿转换至当前工件坐标系，获得当前工件相对位姿，并与对应控制关联记录中的工件相对目标位姿及位姿允许范围进行比较；

5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述数字孪生联合校验模块在局部失效控制域完成一次协同增量规划后，按照控制关联记录推演所述局部失效控制域；

6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述协同增量规划模块根据当前工件位姿和局部失效控制域内失效路径段的工件相对目标位姿确定修正目标位姿，将所述修正目标位姿转换至机械臂工作坐标系并进行逆运动学求解，得到候选关节轨迹；

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述协同增量规划模块针对局部失效控制域中的关联设备控制段，读取其后续释放条件中引用的原机械臂路径段完成状态，并将该完成状态更新为对应修正路径段的完成状态，使关联设备控制段由所述修正路径段达到完成状态触发；

8.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述数字孪生联合校验模块将局部失效控制域、其前一控制段完成状态及各下一未修正控制段进入条件载入数字孪生控制状态，按照控制关联记录依次推演局部失效控制域中的控制段；

9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述集中执行控制模块在局部失效控制域通过数字孪生联合校验后，按照控制关联记录确定的控制顺序分别向机械臂控制器和关联生产设备控制器发送控制数据；

10.根据权利要求9所述的一种基于数字孪生的机械臂装夹与路径规划系统，其特征在于，所述集中执行控制模块将对齐后的实体执行状态与数字孪生控制状态中的对应预测状态进行比较；