[发明专利]数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统

权利要求书

1.一种数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，其特征在于，包括：

数字孪生仿真模型构建模块，根据机械臂物理实体搭建机械臂CAD装配体模型，基于所述机械臂CAD装配体模型通过模型转换插件构建机械臂数字孪生集成仿真模型，所述机械臂数字孪生仿真模型具有机械臂数字孪生虚实交互的功能接口；

机械臂控制模块，面向智能流水线柔性装配环节机械臂设定目标的轨迹跟踪，通过构建机械臂数字孪生集成仿真的控制系统，实现机械臂数字孪生集成仿真模型的闭环反馈控制；

数据采集、预处理与特征构建模块，采集机械臂数字孪生集成仿真模型运行过程中的机械臂运行数据并进行预处理，并根据机械臂运动学及动力学特性构建用于机械臂故障监测的机理特征；

故障监测模块，利用预处理好的机械臂运行数据与构建的机理特征对机械臂数字孪生集成仿真模型闭环运行过程的机械臂运行状态进行实时监测；若判断机械臂运行产生故障，则进行预警；所述的故障监测模块包括：

慢特征分析模块，利用慢特征分析方法，筛选出机械臂数字孪生集成仿真模型闭环运行过程的特征中变化较慢的特征，形成快、慢特征数据，

时段划分模块，将机械臂的运行看作广义上的批次过程，对单个批次采样数据进行分段，得到机械臂运行状态的不同子时段；所述时段划分模块对时段进行划分，包括以下步骤：

(S1)将机械臂运行批次过程的三维数据矩阵，按照批次轴展开为二维数据矩阵；剔除二维数据矩阵中的离群点、填补缺失值，并进行数据标准化处理，

(S2)对标准化后的每一个时间片矩阵执行PCA分析，根据累计方差贡献率方法对所有时间片选取统一的主元个数，并计算残差空间中的SPE指标，

(S3)从批次过程初始点开始，依次将下一个时间片与之前的时间片按照变量展开方式组合在一起形成时间块，并对时间块进行PCA分析，计算得到时间块的SPE指标，并确定时间块内每个时间片的控制限Ctr，

(S4)比较一时间块内每个时间片上的控制限Ctr大小，如果连续三个时间片呈现的时间块控制限Ctr_v,k大于时间片控制限Ctr_k的α倍，则在此时间处断开时间块，断开点之前的时间块形成一个时段；其中α为松弛因子，根据实际过程建模效果进行调整，

(S5)对断开点之后的时间片重复步骤(S2)～(S4)，直到划分完所有时间片，

故障监测算法模块，在每个子时段中建立相应的故障监测模型，针对每个运行状态下的快、慢特征数据采用高斯混合模型进行聚类，以样本到各高斯混合模型的BID距离作为衡量指标，建立用来判断新样本是否处于故障状态的故障监测控制限。

2.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，其特征在于，所述的机械臂控制模块包括机械臂关节角-力矩串级控制模块和关节角设定值输入模块；所述的机械臂控制模块对机械臂数字孪生集成仿真模型进行闭环反馈控制包括：

对机械臂的柔性抓取需求进行分解与任务下达，将预先规划的关节空间的关节角运行指令序列下达给机械臂关节角-力矩串级控制模块；

对关节角设定值输入模块、机械臂关节角-力矩串级控制模块和机械臂关节传感器输出进行封装，封装后的模块输入为关节角反馈信号和力矩反馈信号、输出为驱动关节的力矩信号，并在封装后的模块内加入带有微分增益的工业PID控制器；

分别整定机械臂各个关节的关节角-力矩串级控制器参数，在保证反馈控制性能要求的基础上，实现对系统不确定性和外部扰动的抑制。

3.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的机械臂建模、控制与监测一体化集成系统，其特征在于，所述的数据采集、预处理与特征构建模块包括：

集成仿真数据采集模块，通过机械臂关节传感器实时采集机械臂数字孪生集成仿真模型的机械臂运行数据机械臂运行数据，并传至仿真软件的工作区；

数据均匀降采样模块，对齐各个机械臂运行数据时间戳，以特定采样时间对机械臂运行数据进行均匀降采样；

机械臂机理特征构建模块，根据机械臂连杆动力学原理并基于能量衡算方法构建用于机械臂故障监测的机理特征。