一种基于数字孪生教学机械臂的压感可视化结构

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.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。
附图说明
8.图1为本发明系统结构图。
9.图2为一般数字孪生运行机制图。
10.图3为机械臂与压感可视化结构装配关系示意图。
11.图4为环状压感可视化件局部的剖切截面示意图。
12.图5为弧状压感可视化件的局部放大示意图。
13.其中：物理外设1、机械臂10、基座100、机械爪连接部101、肩部旋转关节102、肘部旋转关节103、腕部旋转关节104、接触面105、肩部翻转关节106、肘部翻转关节107、腕部翻转关节108、压感可视化结构11、环状压感可视化件110、透明壳体1100、端口安装环1101、流量传感器1102、具有导磁粉末的流动导体1103、磁通量传感器1104、led灯条1105、弧状压感可视化件111、信息采集传感器12、视觉与位置传感器120、声音传感器121、温度传感器122、湿度传感器123、气压传感器124、主控制器13、通信接口2、有线通信接口20、无线通信接口21、数字孪生模拟设备3、几何表达模块30、交互动力模块31、形变渲染模块32、输出模块33、交互硬件34、物体4。
具体实施方式
14.下面结合附图与相关实施例对本发明的实施方式进行说明，本发明的实施方式不局限于如下的实施例中，并且本发明涉及本技术领域的相关必要部件，应当视为本技术领域内的公知技术，是本技术领域所属的技术人员所能知道并掌握的。
15.结合图1至图5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1、通信接口2与数字孪生模拟设备3；所述物理外设1包括设有压感可视化结构11的机械臂10、设于作业环境内的信息采集传感器12、以及与所述机械臂10与信息采集传感器12连接并用于交互数据和指令的主控制器13；所述通信接口2包括有线通信接口20与无线通信接口21，且所述通信接口2连接于机械臂10、信息采集传感器12与主控制器13之间；所述数字孪生模拟设备3包括与主控制器13连接用于对物理外设1及其处置的物体4进行几何建模的几何表达模块30、用于机械臂10与环境之间提供虚拟接触力的交互动力模块31和用于
真实环境交互动力学特性的形变渲染模块32、将物理外设1及其处置的物体4的模型经过主控制器13的传输进行交互和计算后可视化展示的输出模块33、以及用于物理外设1与数字孪生模拟设备3的进行人机交互的交互硬件34；其中，设有压感可视化结构11的机械臂10包括机械臂10以及压感可视化结构11，所述机械臂10底部设有活动连接的基座100、机械臂10的活动端设有机械爪连接部101，所述压感可视化结构11设于机械臂10自身、机械臂10与基座100之间、机械臂10与机械爪连接部101之间3处位置，所述机械臂10与基座100之间，设有环绕机械臂10底部的环状压感可视化件110，所述机械臂10在各个存在有自由度的关节处，设有环状压感可视化件110以及弧状压感可视化件111。
16.参照图2所示，一般性的物理车间是车间客观存在的实体集合，主要负责接收wss下达的生产任务，并严格按照虚拟车间仿真优化后预定义的生产指令，执行生产活动并完成生产任务；虚拟车间是物理车间的忠实的、完全数字化镜像，主要负责对生产计划/活动进行仿真、评估及优化，并对生产过程进行实时监测、预测与调控等；wss是数据驱动的各类服务系统功能的集合或总称，主要负责在车间孪生数据驱动下对车间智能化管控提供系统支持和服务，如对生产要素、生产计划/活动、生产过程等的管控与优化服务等；车间孪生数据是物理车间、虚拟车间和wss相关的数据，以及三者数据融合后产生的衍生数据的集合，是物理车间、虚拟车间和wss运行及交互的驱动。
17.在生产前，虚拟车间基于与物理车间实体高度逼近的模型，对wss的生产计划进行迭代仿真分析，真实模拟生产的全过程，从而及时发现生产计划中可能存在的问题，实时调整和优化。在生产中，虚拟车间不断积累物理车间的实时数据与知识，在对物理车间高度保真的前提下，对其运行过程进行连续的调控与优化。同时，虚拟车间逼真的三维可视化效果可使用户产生沉浸感与交互感，有利于激发灵感、提升效率；且虚拟车间模型及相关信息可与物理车间进行叠加与实时交互，实现虚拟车间与物理车间的无缝集成、实时交互与融合。
18.为了进一步解释本发明公开的数字孪生系统部分的结构及其运作机理，引入专利号cn111708332b公开了的生产线数字孪生系统作为参考，其中针对于如何仿真车间生产线制造执行过程给出了思路，实时数据采集模块相当于本实用新型中的信息采集传感器12及其主控制器13，完成的功能是对实际生产过程中的生产状态数据采集后，传输至人机交互模块等用于数字孪生仿真的功能区域当中，该数据的传输可通过通信接口2中的有线或者无线的方式进行，而本发明中的数字孪生模拟设备3，由几何表达模块30、交互动力模块31、形变渲染模块32、输出模块33、交互硬件34等部分组成，相对于现有技术而言，其工业信息模型模块相当于本发明中所述的几何表达模块30、交互动力模块31等结构所需要完成的功能，本发明中，可能还需要涉及的存储、监控、信息分类等功能需求，可通过加装对应的存储器、监控终端、信息管理程序等方式实现，本领域技术人员可依照具体需要进行适应性设置，以实现数字孪生虚拟与现实中需要的真实映射关系为标准。而人机交互模块，在本发明中的输出模块33、交互硬件34基础之上，实际上涉及到的数据分解、真实状态输出环节，由形变渲染模块32或其他必要的程序、硬件进行支持，再由输出模块33将对应的拟真信息进行屏幕输出和虚拟同步，最后由交互硬件34实现虚拟仿真车间和现实实体车间的操作同步。
19.实际来说，本发明针对的是数字孪生加工车间当中的一个环节的虚拟与现实的映射，并不需要反映整个生产流水线或者车间的完整情况，出于教学的目的而言，只需要针对
于机械臂、刀具架、加工机床、物料架等实现对应仿真功能所需要的硬件外设即可，因而，信息采集传感器12的设置方式，以能够完整采集上述部件的运作环境以及动作过程为要求即可，同样的，针对于映射过程的运算和输出，也同样不必像完整生产线映射一样具备高要求，开发人员以及教职人员亦可根据场地的实际情况进行设置。
20.参照图1所示，本发明基于现有的数字孪生原理，即使在应用于教学过程中，同样也区分为针对于物理车间的物理外设1以及针对虚拟车间的数字孪生模拟设备3，需要说明的是，以及连接两者之间的软硬件结构的通信接口2，本发明中的上述结构说明，并不代表本发明为实现完整的功能仅存在上述零部件即可实施，而是仅指出必要的特定组成部分及其连接关系，而其他必要非特定组成部分及其连接关系，属于本领域技术人员结合实际情况应当或者能够理解并加以实施的，此处不再赘述。
21.针对于虚拟车间的数字孪生模拟设备3，由各个用于采集物理车间中物理外设的信息采集传感器12、设置在机械臂10上的压感可视化结构11以及机械臂10自身的数控结构采集并通过有线通信接口20与无线通信接口21向着各个模块进行对应的数据交互，由各个模块处理相关的数据信息并加以运算和模拟后，与操作者实现人机交互。数据主要包括工作场景的几何信息、物理信息，其中几何信息包括工作场景中主要实体的形状、大小尺寸和位置等三维信息，其中，物理信息主要为机器人与环境接触的接触力，上述内容通过几何表达模块30、交互动力模块31、形变渲染模块32等具备上述功能的微电脑、智能电子芯片、智能化模组、单片机等数据运算处理结构，在完成数据的交互以及分析处理后，将其变为可视化信息输出到输出模块33中，而输出模块33一般指的是具有图像输出能力的显示设备，并由操作者通过交互硬件34输入操作者自身判断的对应指令，一般来说交互硬件34为键盘鼠标或者是遥控器、智能平板等方便学生和老师操作的硬件设施。
22.而本发明最重要的压感可视化结构11，其起到的作用是可视化指示，需要将指示结构与机械臂10进行有机结合才能发挥作用，因而，在具体应用时，与机械臂10本身通过物理的方式相连后，将活动过程中的压力变化情况，经过简单的处理直接后就能以肉眼可见的光照变化反馈到操作者的视觉之中，再同时将对应的数据传输到虚拟车间之中，实现双向并行。上述结构的连接，对机械臂10本身的结构不需要作出大改动，理论上也不会干扰到机械臂10的活动，故可在不影响虚拟车间的模拟效率的同时，操作者能够第一时间以肉眼可见的程度，观察到机械臂10各个自由度结构在活动过程中的压力变化情况，从而直观明白自身设置的指令究竟是否合乎安全要求，使得当出现不良苗头的时候，就可以及时中止指令的进一步执行，避免更大问题的发生，再快速进入到把握指令所影响到的是机械臂10真实结构的哪个位置的阶段，提高问题处理效率。
23.结合图1所示，本发明较优实施例之一，所述信息采集传感器12由多个的视觉与位置传感器120、声音传感器121、温度传感器122、湿度传感器123、气压传感器124组成，围绕于所述机械臂10所处的工作环境进行设置，结合图1可知，信息采集传感器12是将物理车间的信息以多个维度采集不同的环境变量后反馈到虚拟车间之中方便其建模和实时同步用的，一般设置的数量和设置的位置可根据实际的场景布置条件以及物理加工件的结构特征进行适应性的设置，尤其是视觉与位置传感器120的设置，是关乎建模以及仿真的重要传感结构，因此其设置的数量和角度更加需要针对实际情况适应性调整，具体来说通过安放在工作空间的周围的多个视觉与位置传感器，从多个角度采集工作场景中环境的位置信息与
色彩信息，声音传感器121、温度传感器122、湿度传感器123、气压传感器124采集更多的加工环境信息，上述信息通过通信接口2以及主控制器13与数字孪生模拟设备3之间进行数据交互。
24.结合图4所示，本发明较优实施例之一，所述机械臂包括旋转关节，所述环状压感可视化件110包括圆环状、具有弹性的透明壳体1100，所述透明壳体1100的厚度自内环向外环逐渐递增，并于最外沿设有端口安装环1101，所述透明壳体1100内设有一圈若干个的与端口安装环1101连接的流量传感器1102，所述透明壳体1100内密封有具有导磁粉末的流动导体1103，于所述透明壳体1100的底面设有一圈若干个的与端口安装环1101连接的磁通量传感器1104，所述透明壳体1100体内封装有一圈呈环状、与端口安装环连接的led灯条1105，所述主控制器13与所述端口安装环1101连接。
25.上述结构的反馈原理在于，透明壳体1100具有弹性，内部填充了具有导磁粉末的流动导体1103，会随着透明壳体1100的挤压发生流动，进而产生流量变化信息，同时具有导磁粉末的流动导体1103被挤压后，必然会有透明壳体1100单位长度段内容量变小以及容量变大的情况，该长度段内的磁通量大小也会随着导磁粉末总量的变化而变化，从而产生磁通量变化信息，而均匀设置在透明壳体1100内的流量传感器1102和磁通量传感器1104，则可以及时捕捉到上述的信息后，根据设置的需要，将其变为对应颜色的电信号传导至对应信息产生位置的led灯条1105的长度段上，led灯条1105可以发出对应颜色的光，进而视觉上提醒操作者压力的变化状况，流量传感器1102适用于连续旋转时候的压力变化，而磁通量传感器1104适用于静止状态的压力变化，以2个维度提供更加全面的压力信息，让环状压感可视化件110更好的反映旋转自由度的机械关节的运转情况。
26.本发明较优实施例之一，所述端口安装环1101设有探入透明壳体1100内一圈的连接端口，所述连接端口通过线路连接于所述流量传感器1102、磁通量传感器1104、led灯条1105与主控制器13之间，对应的密封结构此处不再赘述。
27.结合图4所示，本发明较优实施例之一，所述机械臂10设有翻转关节，该翻转关节包括相互铰接的上段1116以及下段1117，所述弧状压感可视化件111包括环绕于所述下段1117的铰接处设置的led灯珠环1110、开设在所述led灯珠环1110外侧的弧状通孔1111、对应于所述弧状通孔1111设置在所述上段1116的拨杆1112、均匀环绕于所述弧状通孔1111的边缘并铰接的压感动片1114、设置于所述压感动片1114铰接处的位置传感器1113以及设置在所述拨杆1112端部的触片1115组成。
28.该结构下，所述压感动片1114与所述下段1117之间通过铰接的形式相互连接，其铰接处可设置小尺寸的伺服电机、旋转幅度在90
°
的伺服或一般气缸或者是所有的压感动片1114的铰接处通过传动链相互连接后由设置在下段1117上的单个可控电机结构驱动，使之绕着铰接处转动，因实现方式较多，故本发明中不具体公开可控转动方式的结构，本领域技术人员可以根据需要自主进行选择并设置。
29.而上述结构中，所述上段1116与下段1117指代翻转关节两侧的臂体，所述弧状通孔1111设置在下段1117上，而所述拨杆1112设置在上段1116对应于通孔1111的位置，使得上段1116与下段1117之间发生相对运动时，拨杆1112可沿着通孔1111的路径活动，当拨杆1112活动状态时，所述压感动片1114如图5所示均未发生转动，不会阻挡拨杆1112的路径，设置在拨杆1112端部的触片1115也会随着拨杆1112的运动而运动，而设置在压感动片1114
铰接处的位置传感器1113可以感应触片1115是否经过，当触片1115停留在对应压感动片1114的位置传感器1113时，通过程序或者电路的设置，让每一个位置传感器1113均对应上led灯珠环1110对应位置的led灯珠，让对应的led灯珠点亮，当拨杆1112离开位置传感器1113所在位置时，led灯珠熄灭，从而很好地通过灯珠的亮灭显示出翻转关节的移动轨迹。
30.此时，当且仅当翻转关节停止发生姿态变化时，所述压感触片1114通过驱动，绕铰接点旋转90
°
，使之阻挡拨杆1112的路径，使得最近的压感触片1114很可能与拨杆1112发生压力接触或是将要发生接触。在此节点上，所述压感触片1114的表面应当设置压力传感器，如果机械臂10在对应动作的时候，翻转关节承受了额外的负载的时候，拨杆1112就会相对于压感触片1114表面的压力传感器发生进一步的位移，进而发生挤压，使之获得压力信号，通过主控制器13以及相关的程序电路设置，可以改变对应位置led灯珠的亮度，来指示受力的发生。理论上说，压感触片1114设置的密度越大，上述负载的感应精度就越高。
31.此处举例，假若按照绿黄红来定义压力或拉力变化的从小中大，则挤压发生时必然会对压感触片1114表面的压力传感器产生瞬时压力，并后续持续挤压，只要压力传感器在拨杆1112静止后，感应到压力的进一步变化，就可以准确定位受压的位置，如果压力持续变大，则可以感受负载的大小，从而根据压力情况，控制结构可以在对应位置的led灯条1105输送绿色、黄色或者红色的光指令，让led灯条1105对应位置的灯珠照射出对应颜色的光，学生就可以直观的看到压力的情况，进而判断自己设置的指令是否合理。
32.压感可视化结构11将流量信息或磁通量信息转化为发光指令的过程，本领域技术人员可以根据实际情况设置对应的电子元器件完成指令的转化，而led灯条1105和led灯珠1116的多彩功能可以由多彩led灯组元件实现，结构简单但十分巧妙。
33.此外，需要指出的是，理论上说，机械臂的弯折自由度是较大的，因此其摆动范围很有可能超过如图3所述条件下透明壳体二1110以及连接卡扣1112的活动极限，如拉伸极限或者是弯折极限，产生破坏的潜在可能，针对于此，本发明还有进一步的实施方式以适应上述情况，结合图1、图3和图4所示，本发明较优实施例之一，所述旋转关节自下而上依次为相互连接的肩部旋转关节102、肘部旋转关节103与腕部旋转关节104，此处的自下而上指的是自基座100向着机械爪连接处101的方向，环绕于所述肩部旋转关节102、肘部旋转关节103和腕部旋转关节104各自所连接的部位设有具有边倒圆边沿的接触面105，任意一个所述接触面105均与单独对应的一个环状压感可视化件110的透明壳体1100的外表面接触连接。
34.上述结构为旋转自由度所存在的机械关节，各个关节实际上是连接了机械臂10的肩部、肘部或者腕部的两段结构，一段是视为安装座的固定结构，另一段是视为活动件的活动结构，而接触面105优选为较小半径边倒圆样态，具体来说该边倒圆的半径应当不超过活动结构部分直径的1/10，因此并非整个活动结构的底部是一个球体，因而活动结构的主要质量并不会施加在连接的环状压感可视化件111上，而是由安装座的结构承压，只需要少许压力变化就能满足环状压感可视化件111的数据采集需求，且不会破坏环状压感可视化件111以及机械臂10的结构强度。
35.结合图1、图3和图5所示，本发明较优实施例之一，所述翻转关节自下而上依次为相互连接的肩部翻转关节106、肘部翻转关节107、腕部翻转关节108，，此处的自下而上指的
是自基座100向着机械爪连接处101的方向，其中所述腕部翻转关节108与所述机械爪连接部101固定连接。
36.上述结构的安装方式，可以参考拉力计的安装方式，在机械臂10的肩部翻转关节106、肘部翻转关节107、腕部翻转关节108的两侧端分别连接后，就会随着机械臂10对应关节的翻转而发生变化，由于透明壳体二1110具有弹性，因此可以拉伸、压缩和弯曲，且只需要少量的形变就能获得足够的磁通量变化，连接卡扣1112与连接端1111之间的连接优选为刚性连接，而连接卡扣1112与机械臂10每一个关节的两端连接优选为相反的弹性连接，可通过弹性橡胶材料或者弹簧结构实现，这样整个结构才能满足翻转关节的设计需要而不会轻易发生断裂，还能及时反馈拉力变化信息，十分方便。
37.本发明所公开的上述结构，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。
38.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。