(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211284107.4 (22)申请日 2022.10.20 (71)申请人 四川大学 地址 610065 四川省成 都市一环路南 一段 24号 (72)发明人 佃松宜　马丛俊　斯帅　钟许可　 肖权　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 李蜜 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 19/00(2006.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 柔性机械臂虚拟试验平台和数字 孪生系统 (57)摘要 本发明公开了一种柔性机械臂虚拟试验平 台， 其包括与柔性机械臂物理实体匹配的柔性机 械臂虚拟实体、 应用控制模块和运动控制模块。 本发明还公开了基于上述柔性机械臂虚拟试验 平台的数字孪生系统， 基于构建的柔性机械臂虚 拟实体， 利用数字孪生技术， 建立柔性机械臂物 理实体和虚拟实体一起面向应用服务的高同步 连接； 能够实现柔性机械臂虚拟实体的实时三维 状态显示。 且柔性机械臂虚拟实体具有与物理实 体相同的物理属性， 能够真实且准确地反映柔性 机械臂的运动状态。 权利要求书2页 说明书10页 附图3页 CN 115533913 A 2022.12.30 CN 115533913 A 1.一种柔性机械臂虚拟试验平台， 其特征在于， 包括与柔性机械臂物理实体匹配的柔 性机械臂虚拟实体、 应用控制模块和运动控制模块： 所述柔性机械臂物理实体包括经连接体连接在一起的一段以上的柔性臂及位于末端 的末端关节， 每段柔性臂结构相同， 均包括顺次串联的若干万向节和将若干万向节连接在 一起的一根以上的驱动丝； 所述柔性机械臂虚拟实体包括与柔性机械臂物理实体中万向节 数量和位置匹配的万向节模型、 连接体模型、 驱动丝模型， 还包括相 邻两个万向节之 间水平 转轴模型或垂直转轴模型； 各万向节模型、 连接体模型、 水平转轴模型、 垂直转轴模型和驱 动丝模型均配置与柔 性机械臂物理实体相匹配的物理属性； 应用控制模块， 用于依据接收的外部操作请求， 结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿 真数据， 基于嵌入的运动控制算法生成柔性机械臂虚拟实体下一时刻目标定位信息， 并将 目标定位信息发送给柔 性机械臂虚拟实体运动控制模块； 运动控制模块； 用于依据接收的下一时刻目标定位信息， 结合柔性机械臂虚拟实体当 前时刻定位信息， 确定各模型物理属 性变化量， 并将其作为驱动信号实现对柔性机械臂虚 拟实体运动控制。 2.根据权利要求1所述的柔性机械臂虚拟试验平台， 其特征在于， 柔性机械臂物理实体 包括经连接体连接在一起的柔性臂第一段、 柔性臂第二段以及穿过柔性臂第一段和柔性臂 第二段的弹性支撑体； 柔性臂第一段和 柔性臂第二段结构相同， 均包括若干万向节和将若 干万向节串联在一起的驱动丝； 相邻两个万向节之间通过虎克铰链方式连接； 柔性臂第一 段中驱动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连， 另一端与连接体固连； 柔性臂第二段中驱 动丝一端穿过基座与相应驱动电机相连， 另一端与末端关节固连。 3.根据权利要求2所述的柔性机械臂虚拟试验平台， 其特征在于， 柔性机械臂虚拟 实体 包括与柔性机械臂物理实体中万向节数量和位置匹配的万向节模型、 连接体模型、 基座模 型、 末端关节模型、 驱动丝模型； 还包括若干水平转轴模型和垂直转轴模型； 所述水平转轴 或垂直转轴设置于相邻两个万向节模型之间、 基座模型与相邻万向节模型之间、 连接体模 型两端与相邻万向节模型之 间以及末端关节模型与相 邻的万向节模型之间， 水平转轴模型 和垂直转轴模型相互垂 直且交替排布； 并对柔性机械臂虚拟实体各模型均配置与柔性机械 臂物理实体相匹配的物理属性。 4.根据权利要求1所述的柔性机械臂虚拟试验平台， 其特征在于， 所述应用控制模块用 于依据接 收到的操作请求， 结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据， 应用嵌入的柔性 机械臂末端定位控制算法或/和臂形控制算法或/和柔性臂轨迹控制算法， 对柔性机械臂虚 拟实体下一时刻进行定位。 5.一种柔 性机械臂数字 孪生系统， 其特 征在于， 包括： 柔性机械臂物理实体； 多传感器采集系统， 与柔性机械臂物理实体连接， 用于对柔性机械臂物理实体行为信 息和状态信息进行实时采集； 物理数据处理模块， 与多传感器采集系统通信连接， 用于依据多传感器采集系统采集 的行为信息和状态信息， 结合柔性机械臂物理实体历史物理数据， 得到与柔性机械臂物理 实体相关的当前时刻物理数据， 并对历史物理数据进行 更新； 仿真数据处理模块， 与物理数据处理模块通信连接， 用于依据其得到的与柔性机械臂权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115533913 A 2物理实体相关的物理数据， 结合柔性机械臂虚拟实体历史仿真数据， 得到与柔性机械臂虚 拟实体相关的当前时刻仿真数据， 并对历史仿真数据进行 更新同步； 权利要求1至4任一项所述的柔性机械臂虚拟试验平台； 所述柔性机械臂虚拟试验平台 包括柔性机械臂虚拟实体、 应用控制模块和运动控制模块； 所述应用控制模块用于依据接 收的操作请求， 结合柔性机械臂虚拟实体当前时刻仿真数据， 基于嵌入的运动控制算法生 成柔性机械臂虚拟实体生成下一时刻目标定位信息； 并将目标定位信息发送 给运动控制模 块； 所述运动控制模块用于依据接 收的下一时刻目标定位信息， 结合柔性机械臂虚拟实体 当前时刻定位信息， 确定各模型物理属 性变化量， 并将其作为驱动信号实现对柔性机械臂 虚拟实体运动控制； 同时运动控制模块将驱动信号发送给柔性机械臂物理实体， 实现对柔 性机械臂虚拟实体运动控制； 三维显示模块， 用于实时显示 柔性机械臂虚拟实体三维图像。 6.根据权利要求5所述的柔性机械臂数字孪生系统， 其特征在于， 多传感器采集系统所 采集的行为信息包括驱动电机转速； 采集的状态信息包括柔性机械臂末端位姿信息、 臂形 变量； 为了采集上述行为信息和状态信息， 所述多传感器采集系统包括电机编码器、 末端位 姿传感器、 FBG传感器。 7.根据权利要求5所述的柔性机械臂数字孪生系统， 其特征在于， 物理数据处理模块得 到的与柔性机械臂物理实体相关的物理数据包括臂形变量、 末端位姿、 驱动电机转速、 驱动 丝线长、 驱动丝线长变化 量、 相邻万向节转动角度、 万向节重量。 8.根据权利要求5所述的柔性机械臂数字孪生系统， 其特征在于， 仿真数据处理模块得 到的与柔性机械臂虚拟实体相关的仿真数据包括臂形变量、 各万向节模型物理属 性、 连接 体模型物理属性、 末端关节物理属性、 驱动丝模型物理属性、 水平转轴模型和垂 直转轴模型 物理属性。 9.根据权利要求5所述的柔性机械臂数字孪生系统， 其特征在于， 应用控制模块生成的 目标定位信息包括 柔性机械臂臂形或/和末端位姿信息 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115533913 A 3