自動(dòng)化農(nóng)業(yè)中機(jī)械臂的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在建設(shè)數(shù)字化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略背景下，開展自動(dòng)化農(nóng)業(yè)中機(jī)械臂的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化高質(zhì)量發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生模型停留在數(shù)字大屏階段，探討了自動(dòng)化農(nóng)業(yè)中機(jī)械臂的基于游戲引擎UNITY的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于物聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的三維模型建模與渲染、近實(shí)時(shí)數(shù)字孿生體控制、虛實(shí)互動(dòng)等功能。概述了數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代化、數(shù)字化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了帶控制的機(jī)器人數(shù)字孿生系統(tǒng)建模方法和原理，總結(jié)了基于數(shù)字孿生技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人在無人自動(dòng)化農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維方面的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生; 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè); 物聯(lián)網(wǎng); 遠(yuǎn)程運(yùn)維; UNITY

中圖分類號(hào)：S126 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "文章編號(hào)：1002-204X（2024）09-0005-06

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.09.003

Design and Implementation of Digital Twin System for Robotic Arm

in Automated Agriculture

Lu Daixing1，2， Xue Xinyu2， Wang Yubo3， He Yuanjun1， Lu Junjie1*

（1.School of Mechanical Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418; 2.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， Jiangsu 210014; 3.Faculty of Mechanical Engineering， RheinMain University of Applied Sciences， Russelsheim， Germany 65428）

Abstract Under the strategic background of constructing digital modern agriculture， the design and implementation of digital twin system of robotic arm in automated agriculture is of great strategic significance to promote the high-quality development of agricultural and rural informatization. In view of the traditional agricultural digital twin model staying in the digital large-screen stage， the design method of the digital twin system based on game engine UNITY for robotic arm in automated agriculture is discussed. Based on the Internet of Things and digital twin technology， the functions of 3D model modeling and rendering， near-real-time digital twin control and virtual and real interaction of robotic arm are realized. The development status of digital twin technology in the field of modern digital agriculture is summarized. The modeling method and principle of robot digital twin system with control are described in detail. The advantages of industrial robots based on digital twin technology in unmanned automated agriculture and remote operation and maintenance of agricultural systems are summarized.

Key words Digital twin; Modern agriculture; Internet of Things; Remote operation and maintenance; UNITY

機(jī)械臂在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，它們?cè)谔嵘a(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)力、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能化管理方面發(fā)揮了重要作用。機(jī)械臂配備視覺識(shí)別系統(tǒng)（例如深度相機(jī)和圖像處理算法），能夠準(zhǔn)確識(shí)別果實(shí)的成熟度并進(jìn)行三維定位。通過靈活的抓手或吸盤，機(jī)械臂能夠輕柔地采摘水果（如蘋果、橙子、草莓等），有效降低人工采摘的成本和損失。

在溫室或植物工廠中，機(jī)械臂可用于播種、澆水、施肥、修剪枝葉、授粉等工作，配合精準(zhǔn)灌溉和施肥系統(tǒng)，提高作物生長(zhǎng)環(huán)境的精細(xì)化管理水平，監(jiān)測(cè)和管理作物的生長(zhǎng)情況。

助力機(jī)械手可以用于秧苗的快速精準(zhǔn)移植，結(jié)合自動(dòng)化育苗生產(chǎn)線，大大提高育苗和移栽效率。對(duì)于玉米、番茄等農(nóng)作物，機(jī)械臂可以集成在收割機(jī)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘穗、割莖或切割果實(shí)，顯著提高收獲速度和質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中涉及大量的物料搬運(yùn)，例如飼料投放、農(nóng)產(chǎn)品分揀及包裝等環(huán)節(jié)，都可以使用機(jī)械臂進(jìn)行自動(dòng)化處理。在大型農(nóng)場(chǎng)或現(xiàn)代化養(yǎng)殖場(chǎng)中，機(jī)械臂可以用于清理畜舍、更換飲水槽、維修設(shè)施等日常維護(hù)工作。

機(jī)械臂作為未來智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分，將不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化進(jìn)程，助力農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

數(shù)字孿生的概念是在21世紀(jì)初由GRIEVES M[1]在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品生命周期管理（product lifecycle management， PLM）課程演講中首次提出的，并稱之為“鏡像空間模型”。GRIEVES將數(shù)字孿生劃分為真實(shí)的物理空間、虛擬的數(shù)字空間以及兩者之間的聯(lián)系3個(gè)部分。在此基礎(chǔ)上陶飛等[2-3]通過將數(shù)據(jù)和服務(wù)作為Digital Twins 的一部分，將這個(gè)概念擴(kuò)展為5個(gè)組成部分。

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字孿生技術(shù)一般包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及模擬仿真/機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，主要強(qiáng)調(diào)物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型構(gòu)建。在建模過程中，又從正向的角度通過物理/數(shù)學(xué)原理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，或者通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，生成物理實(shí)體的代理模型。為了達(dá)到實(shí)時(shí)性，可以對(duì)正向模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，或者應(yīng)用代理模型，以及強(qiáng)調(diào)基于物聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)耦合，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的工業(yè)/農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建。

本研究結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，將機(jī)械臂智能化升級(jí)，進(jìn)一步豐富機(jī)械臂在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)被納入了政府“十四五”規(guī)劃，并在智能制造、智慧城市、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也在積極探索數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在遠(yuǎn)程運(yùn)維方面，劉大同等[5]通過分析數(shù)字孿生技術(shù)與其制成的工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等的相互支撐和相互促進(jìn)的關(guān)系，歸納了面向復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)和復(fù)雜裝備的智能運(yùn)維領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。在智慧農(nóng)業(yè)方面，郭博健等[6]、王武英等[7]從檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)字孿生方面進(jìn)行了相應(yīng)研究。馬博文等[8]、郭大方等[9]分別對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)單個(gè)設(shè)備以及通用農(nóng)業(yè)裝備方面進(jìn)行了數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建和研究。在帶控制的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，霍賽[10]、黃萬祥[11]以及SANGVIK H[12]分別在海工平臺(tái)供給棧橋的主動(dòng)控制領(lǐng)域，對(duì)棧橋以及液壓系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字孿生模型構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的3自由度液壓系統(tǒng)的主動(dòng)控制。

作為農(nóng)業(yè)數(shù)字化的綜合設(shè)計(jì)框架，數(shù)字孿生技術(shù)成功整合了從種植、生產(chǎn)到市場(chǎng)營(yíng)銷的全鏈條信息，構(gòu)建了一個(gè)完備的農(nóng)業(yè)信息化生態(tài)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。王維等[13]運(yùn)用創(chuàng)新的元宇宙數(shù)字孿生技術(shù)，有效整合了農(nóng)業(yè)資源，建設(shè)了先進(jìn)的數(shù)字孿生植物工廠。該工廠借助數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物的三維建模，同時(shí)利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成高精度的3D農(nóng)田地圖，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的精細(xì)化，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化的深度轉(zhuǎn)型和升級(jí)注入了新的活力和動(dòng)力。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)建模

協(xié)作機(jī)器人的建模包括機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建模和控制系統(tǒng)建模兩個(gè)方面，本研究通過兩種方式對(duì)帶控制的協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行建模。一種是在Matlab中建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，導(dǎo)出到Simulink里進(jìn)行控制系統(tǒng)耦合;一種是在UNITY中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模，并將控制信號(hào)導(dǎo)入到UNITY中，實(shí)現(xiàn)可視化效果更好的數(shù)字孿生模型。

2.1 Matlab/Simulink建模

本研究所用到的機(jī)器人是英國(guó)Automata公司生產(chǎn)的Eva協(xié)作機(jī)器人，支持OPC UA接口，見圖1。

對(duì)協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述，就是如何確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和位姿。Eva協(xié)作機(jī)器人是一個(gè)由多個(gè)關(guān)節(jié)和機(jī)械臂組成的6自由度機(jī)器人，關(guān)節(jié)和機(jī)械臂之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了描述末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，需要確定各個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。建立坐標(biāo)系可以方便描述運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)6自由度機(jī)器人，機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)為6，可運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂數(shù)量也為6個(gè)，在每個(gè)機(jī)械臂上建立坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最終表示出末端執(zhí)行器的位姿。

在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建模中，常用DH法或改進(jìn)的DH法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行描述[14]。本研究使用改進(jìn)的DH法對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行建模。

圖2中，關(guān)節(jié)i和i+1為第i個(gè)桿前后的兩個(gè)關(guān)節(jié)，連同桿i組成一個(gè)機(jī)械臂單元i，改進(jìn)的DH法在驅(qū)動(dòng)軸上建立機(jī)械臂體固定坐標(biāo)系，設(shè)基座和第一個(gè)關(guān)節(jié)之間的連桿編號(hào)為0，參考坐標(biāo)系編號(hào)也為0。

兩個(gè)相鄰機(jī)械臂坐標(biāo)系以及相互運(yùn)動(dòng)方式如圖3所示，DH法通過αi，ai，di，θi四個(gè)參數(shù)來描述，其中αi為坐標(biāo)系i和i-1中z軸的夾角，ai為坐標(biāo)軸i和i-1的公垂線，di為坐標(biāo)系i和i-1中z方向上的距離，θi為坐標(biāo)系i和i-1中x軸的夾角。

由于空間多體旋轉(zhuǎn)不遵守交換律，DH法則定義了確定的轉(zhuǎn)換順序：αi，ai，di，θi。由坐標(biāo)系間的關(guān)系，可推出協(xié)作機(jī)器人的DH參數(shù)，見表1。

EVA機(jī)器人末端執(zhí)行器端點(diǎn)位置向量可表示為：

Re=TR0 " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，Re為末端執(zhí)行器端點(diǎn)的坐標(biāo)，R0為基座上參考點(diǎn)坐標(biāo)，T為從參考點(diǎn)到末端點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣。

由6個(gè)機(jī)械臂轉(zhuǎn)換矩陣相乘得到：

T=T=TTTTTT " " " " " " " " " " （2）

寫成DH參數(shù)形式，得到：

式中元素對(duì)應(yīng)展開式為：

T11=cosφ6×（sinφ5×（cosφ1×cosφ2×sinφ3+cosφ1×cosφ3×sinφ2）+cosφ5×（sinφ1×sinφ4+cosφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3）））-sinφ6×（cosφ4×sinφ1-sinφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3））;

T12=-sinφ6×（sinφ5×（cosφ1×cosφ2×sinφ3+cosφ1×cosφ3×sinφ2）+cosφ5×（sinφ1×sinφ4+cosφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3）））-cosφ6×（cosφ4×sinφ1-sinφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3））;

T13=sinφ5×（sinφ1×sinφ4+cosφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3））-cosφ5×（cosφ1×cosφ2×sinφ3+cosφ1×cosφ3×sinφ2）;

T14=L1×sinφ1+L2×sinφ1-L5×（cosφ5×（cosφ1×cosφ2×sinφ3+cosφ1×cosφ3×sinφ2）-sinφ5×（sinφ1×sinφ4+cosφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3）））+L3×（cosφ1×cosφ2×sinφ3+cosφ1×cosφ3×sinφ2）-L4×（cosφ4×sinφ1-sinφ4×（cosφ1×cosφ2×cosφ3-cosφ1×sinφ2×sinφ3））;

T21=cosφ6×（sinφ5×（cosφ2×cosφ3-sinφ2×sinφ3）-cosφ4×cosφ5×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2））-sinφ4×sinφ6×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2）;

T22=-sinφ6×（sinφ5×（cosφ2×cosφ3-sinφ2×sinφ3）-cosφ4×cosφ5×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2））-cosφ6×sinφ4×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2）;

T23=-cosφ5×（cosφ2×cosφ3-sinφ2×sinφ3）-cosφ4×sinφ5×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2）;

T24=L3×（cosφ2×cosφ3-sinφ2×sinφ3）-L5×（cosφ5×（cosφ2×cosφ3-sinφ2×sinφ3）+cosφ4×sinφ5×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2））-L4×sinφ4×（cosφ2×sinφ3+cosφ3×sinφ2）;

T31=cosφ6×（sinφ5×（cosφ2×sinφ1×sinφ3+cosφ3×sinφ1×sinφ2）-cosφ5×（cosφ1×sinφ4-cosφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3）））+sinφ6×（cosφ1×cosφ4+sinφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3））;

T32=cosφ6×（cosφ1×cosφ4+sinφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3））-sinφ6×（sinφ5×（cosφ2×sinφ1×sinφ3+cosφ3×sinφ1×sinφ2）-cosφ5×（cosφ1×sinφ4-cosφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3）））;

T33=-cosφ5×（cosφ2×sinφ1×sinφ3+cosφ3×sinφ1×sinφ2）-sinφ5×（cosφ1×sinφ4-cosφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3））;

T34=L3×（cosφ2×sinφ1×sinφ3+cosφ3×sinφ1×sinφ2）-L2×cosφ1-L5×（cosφ5×（cosφ2×sinφ1×sinφ3+cosφ3×sinφ1×sinφ2）+sinφ5×（cosφ1×sinφ4-cosφ4×（cosφ2×cosφ3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3）））-L1×cosφ1+L4×（cos1×cos4+sinφ4×（cos2×cos3×sinφ1-sinφ1×sinφ2×sinφ3））;

T41=0;

T42=0;

T43=0;

T44=1。

式（3）中前三行中，最后一列T

T

T

表示末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系0的位置，前三列T11 T12 T13

T21 T22 T23

T31 T32 T33表示末端執(zhí)行器的位姿。

對(duì)式（3）求導(dǎo)，得到機(jī)器人末端執(zhí)行器端點(diǎn)的速度矢量：

ve=TR0 " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式（4）聯(lián)立式（3）組成了機(jī)器人的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

將Matlab程序?qū)С鰹閙-function函數(shù)，并導(dǎo)入到Simulink中，耦合Simulink控制模型，得到帶控制的機(jī)器人模型。

2.2 UNITY數(shù)字孿生模型

為了進(jìn)一步提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化水平，將機(jī)器人的3D模型導(dǎo)入到游戲引擎軟件UNITY中，調(diào)用Nvidia PhysX三維物理系統(tǒng)，定義模型中的機(jī)械臂為剛體組件，關(guān)節(jié)為連結(jié)組件，如圖4所示。

UNITY中用Transform類控制剛體的空間運(yùn)動(dòng)，用歐拉角或四元數(shù)來表示旋轉(zhuǎn)，用Time類描述系統(tǒng)相對(duì)于時(shí)間的變化，對(duì)于可能出現(xiàn)的機(jī)器人快速移動(dòng)，本項(xiàng)目選取可變時(shí)間步長(zhǎng)，并通過distance Per Second （每秒運(yùn)動(dòng)的距離）乘以Time. delta Time來提高相對(duì)快速變化場(chǎng)景的顯示效果。

接著開放控制信號(hào)輸入接口，實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人數(shù)字孿生體的交互。人機(jī)交互在UNITY中是通過Event（事件）來實(shí)現(xiàn)。UNITY的人機(jī)交互界面使用畫布（Canvas）組件，所有的按鈕、拖動(dòng)條、切換鍵等均創(chuàng)建于Canvas上，如圖5中白色邊框所示，里面包含了按鈕等各種人機(jī)交互組件，每種人機(jī)交互組件都可以根據(jù)需求在Inspector內(nèi)改變外觀，有些人機(jī)交互組件內(nèi)部還包含文字，這些文字的字體、大小等也可以進(jìn)行相應(yīng)的修改。

接著，根據(jù)按鈕功能創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的腳本，如運(yùn)動(dòng)腳本、通信腳本等。這樣UNITY將機(jī)器人收到的控制信號(hào)作為UNITY數(shù)字孿生體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)事件觸發(fā)的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)帶控制的虛擬模型，從而實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的數(shù)字孿生模型的搭建。

圖6是AR眼鏡中，現(xiàn)實(shí)EVA機(jī)器人與數(shù)字孿生體共同出現(xiàn)的場(chǎng)景。

2.3 數(shù)字孿生虛實(shí)互控理論模型

本研究數(shù)字孿生系統(tǒng)的框架如圖7所示，數(shù)字孿生系統(tǒng)由物理實(shí)體、數(shù)字孿生體和OPC UA服務(wù)器3部分組成，物理實(shí)體與數(shù)字孿生體不管哪一方先發(fā)生變化，其改變的數(shù)據(jù)都將先傳入OPC UA服務(wù)器，然后傳輸至另一方，以達(dá)到雙向控制的目的。

物理實(shí)體由控制模塊和裝配體組成，其中控制模塊包含了PLC、UaExpert、Siemens TIA，裝配體為EVA機(jī)器人;數(shù)字孿生體部分主要是基于UNITY3D搭建的，將EVA機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入到UNITY3D內(nèi)創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景和人機(jī)交互界面，同時(shí)通過C#語言編寫各類腳本來實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，最后將場(chǎng)景打包至AR等輸出平臺(tái)，建立基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

圖8是數(shù)字孿生體在AR眼鏡中的模型和控制面板界面，EVA機(jī)器人數(shù)字孿生體各個(gè)關(guān)節(jié)可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過控制面板按鈕給定。經(jīng)測(cè)試機(jī)器人實(shí)體以及數(shù)字孿生體能夠?qū)刂菩盘?hào)進(jìn)行精確反饋，虛擬面板可以實(shí)現(xiàn)控制權(quán)申請(qǐng)、各個(gè)關(guān)節(jié)目標(biāo)角度設(shè)定，同時(shí)在Information面板顯示機(jī)器人目前狀態(tài)，以及各個(gè)關(guān)節(jié)的位置與位姿。

在數(shù)字孿生體連接成功后，操作者可以點(diǎn)擊人機(jī)交互界面中的按鈕對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制。由于數(shù)據(jù)的傳輸需要基于各種物理載體，因此在操作者點(diǎn)擊按鈕后，機(jī)械臂不會(huì)立刻運(yùn)動(dòng)，將點(diǎn)擊按鈕作為起始時(shí)刻，機(jī)械臂開始運(yùn)動(dòng)的那一瞬間作為終止時(shí)刻，兩個(gè)時(shí)刻間的這一段時(shí)間間隔稱為響應(yīng)時(shí)間。圖9為本數(shù)字孿生系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)。

可以看到由于網(wǎng)絡(luò)延遲等原因的存在，響應(yīng)時(shí)間在1 s左右波動(dòng)，但系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的數(shù)字孿生。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家現(xiàn)代化、自動(dòng)化農(nóng)業(yè)政策的實(shí)施，機(jī)器人等工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越多，應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富。本研究通過2種方法實(shí)現(xiàn)了帶控制的機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)字孿生：第1種方法是通過MATLAB對(duì)機(jī)器人多體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并將模型導(dǎo)入到Simulink中耦合控制模型，從而實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸入以及對(duì)機(jī)器人數(shù)字孿生體的控制;反過來通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體運(yùn)動(dòng)，仿真計(jì)算出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)實(shí)體，實(shí)現(xiàn)虛控實(shí)。

為了進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化效果，通過游戲引擎軟件UNITY對(duì)機(jī)器人進(jìn)行3D建模、渲染，高度還原實(shí)體機(jī)器人外觀表征及周圍環(huán)境，并通過UNITY軟件的Nvidia PhysX三維物理系統(tǒng)賦能數(shù)字孿生體的機(jī)械臂和關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)接入，以及數(shù)字孿生體精確響應(yīng)。

通過對(duì)EVA協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行數(shù)字孿生體構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了EVA協(xié)作機(jī)器人近實(shí)時(shí)、高仿真、帶控制的數(shù)字孿生系統(tǒng)，未來可以在無人自動(dòng)化農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)植保系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護(hù)等方面對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化農(nóng)業(yè)進(jìn)行智能化升級(jí)。

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