《機(jī)器人基礎(chǔ)與數(shù)字孿生系統(tǒng)》 課件第1章 緒論

第1章緒論1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.1機(jī)器人的起源機(jī)器人的起源可以追溯到3000多年前。我國(guó)西周時(shí)代，巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)能歌善舞的木偶；公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書(shū)籍中，描寫(xiě)過(guò)一個(gè)具有類(lèi)似機(jī)器人角色的機(jī)械化劇院；我國(guó)東漢時(shí)期，張衡發(fā)明的指南車(chē)是世界上最早的機(jī)器人雛形；公元618至907年間，四川能工巧匠楊行廉制作的能走會(huì)動(dòng)的“木僧”，江蘇馬待封制作的“酒山”；民間流傳十分廣泛的三國(guó)諸葛亮制作的木牛流馬。1.1機(jī)器人學(xué)介紹近代之后，人類(lèi)期望發(fā)明各種機(jī)械工具和動(dòng)力機(jī)器，用以協(xié)助甚至代替人們從事各種體力勞動(dòng)的夢(mèng)想更加強(qiáng)烈。瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于1768—1774年間，設(shè)計(jì)制造出三個(gè)像真人一樣大小的機(jī)器人——寫(xiě)字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人；德國(guó)梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”；日本物理學(xué)家細(xì)川半藏設(shè)計(jì)的各種自動(dòng)機(jī)械圖形；法國(guó)杰夸特設(shè)計(jì)的機(jī)械式可編程序織造機(jī)；加拿大摩爾設(shè)計(jì)的能行走的機(jī)器人“安德羅丁”；1.1機(jī)器人學(xué)介紹機(jī)器人一詞的起源1920年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）在他的科幻情節(jié)劇《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，第一次提出了“Robot”這個(gè)名詞，被認(rèn)為是機(jī)器人一詞的起源。機(jī)器人三守則美國(guó)著名科學(xué)幻想小說(shuō)家阿西莫夫于1950年在他的小說(shuō)《我是機(jī)器人》中，提出了有名的“機(jī)器人三守則”：機(jī)器人必須不危害人類(lèi)，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；機(jī)器人必須絕對(duì)服從于人類(lèi)，除非這種服從有害于人類(lèi)；機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類(lèi)或者是人類(lèi)命令它做出犧牲。第一代機(jī)器人的誕生美國(guó)人喬治·德沃爾在1954年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人，并于1961年發(fā)表了該項(xiàng)機(jī)器人專(zhuān)利。1962年，美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化（Unimati-on）公司的第一臺(tái)機(jī)器人Unimate在美國(guó)通用汽車(chē)公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.2機(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.國(guó)際機(jī)器人學(xué)的發(fā)展近年來(lái)，全球機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到294.1億美元，其中，工業(yè)機(jī)器人159.2億美元，服務(wù)機(jī)器人94.6億美元，特種機(jī)器人40.3億美元。2014—2019年的平均增長(zhǎng)率約為12.3％。此時(shí)全世界運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)在200萬(wàn)臺(tái)以上。2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）2.國(guó)內(nèi)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.1機(jī)器人學(xué)介紹中國(guó)于1972年開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人，雖起步較晚但進(jìn)步較快，已在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各方面取得明顯成績(jī)，為我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一段產(chǎn)業(yè)化過(guò)程后，其市場(chǎng)發(fā)展已呈井噴之勢(shì)。2019年，中國(guó)新增工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量為14.05萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)78.3萬(wàn)臺(tái)，總量居亞洲第一，年增長(zhǎng)率為12％。智能機(jī)器人1986年3月，中國(guó)啟動(dòng)實(shí)施了“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“863”計(jì)劃）。按照“863”計(jì)劃智能機(jī)器人主題的總體戰(zhàn)略目標(biāo)，智能機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作的實(shí)施分為型號(hào)和應(yīng)用工程、基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)、實(shí)用技術(shù)開(kāi)發(fā)、成果推廣4個(gè)層次，通過(guò)各層次的工作體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)。特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，特種機(jī)器人的開(kāi)發(fā)包括管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、水下機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)和排險(xiǎn)機(jī)器人等。1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.3機(jī)器人的定義至今還沒(méi)有對(duì)機(jī)器人的統(tǒng)一定義，要給機(jī)器人下一個(gè)合適的和為人們普遍接受的定義是困難的?，F(xiàn)在，世界上對(duì)機(jī)器人還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，各國(guó)有自己的定義，專(zhuān)家們也采用不同的方法來(lái)定義這個(gè)術(shù)語(yǔ)。英國(guó)簡(jiǎn)明牛津字典的定義。機(jī)器人是“貌似人的自動(dòng)機(jī)，是具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義。機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手（manipulator）”。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JapanRobotAssociation，JARA）的定義。工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（endeffecter）的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器”。1.1機(jī)器人學(xué)介紹美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的定義。機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的定義。機(jī)器人是“一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”?！吨袊?guó)大百科全書(shū)》對(duì)機(jī)器人的定義。能靈活地完成特定的操作和運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并可再編程序的多功能操作器。而對(duì)機(jī)械手的定義為：一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械，它可按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。1.2機(jī)器人的分類(lèi)1.2.1操作機(jī)器人操作型機(jī)器人通常是指機(jī)械手或機(jī)械臂。機(jī)械手工作空間是指末端執(zhí)行器可以達(dá)到的空間范圍。按照工作空間的幾何形狀，可將機(jī)械手劃分為笛卡爾、圓柱型、球形和關(guān)節(jié)機(jī)械手。通常，機(jī)械手由諸如PPP或RPP之類(lèi)的序列指定，這些序列指示組成機(jī)器人的移動(dòng)（P）和轉(zhuǎn)動(dòng)（R）關(guān)節(jié)的類(lèi)型和順序。例如，一個(gè)PPP機(jī)械手是由三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的，而一個(gè)RPP機(jī)器人是由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)連續(xù)的移動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成。1.2機(jī)器人的分類(lèi)1.笛卡爾機(jī)械手笛卡爾機(jī)器人（Cartesianrobot）是由三個(gè)相互正交的移動(dòng)關(guān)節(jié)定義的PPP機(jī)械手，PPP手臂是最簡(jiǎn)單的機(jī)械手之一。特征模型以及用于定位和移動(dòng)這些機(jī)器人的控制定律都易于推導(dǎo)；系統(tǒng)趨向于剛性；可以承受和傳遞大負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)高精度的定位；需要大面積的操作空間，并且工作空間小于機(jī)器人本身；用于移動(dòng)關(guān)節(jié)的導(dǎo)向裝置必須密封，以防異物進(jìn)入，這會(huì)使維護(hù)變得困難。實(shí)例Sepro集團(tuán)的笛卡爾機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)2.圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手假設(shè)笛卡爾機(jī)器人中的第一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)被轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)代替。通過(guò)適當(dāng)選擇旋轉(zhuǎn)軸的方向，RPP機(jī)器人就是圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人（cylindricalrobot）的示例。特征機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型容易推導(dǎo)，關(guān)聯(lián)的控制定律同樣非常容易確定；非常適合進(jìn)入具有型腔或其他類(lèi)似復(fù)雜幾何形狀的工件；精度很高，可用于流水線上的拾取和放置操作；在某些構(gòu)形中，機(jī)器人的背面可能伸入工作空間，這可能會(huì)干擾工作空間并使路徑規(guī)劃和控制變得復(fù)雜；導(dǎo)向裝置表面必須清潔且無(wú)碎屑，使維護(hù)和保養(yǎng)更加困難。實(shí)例STRobotics的圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)3.SCARA機(jī)械手引人SCARA（SelectiveComplianceArticulatedRobotArm）RRP機(jī)器人是在高剛性機(jī)器人（例如笛卡爾機(jī)器人）和可訪問(wèn)幾何形狀復(fù)雜的工作空間（例如球形機(jī)械手）的機(jī)器人之間的折中方案。特征機(jī)器人在水平平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)中相對(duì)柔順，而在垂直于該平面的運(yùn)動(dòng)中剛度較大；工作空間是高度結(jié)構(gòu)化的；十分適用于精確的拾取和放置操作。實(shí)例EpsonSynthisTMT3多合一SCARA機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)4.球形機(jī)械手RRP球形機(jī)械手（sphericalroboticmanipulator）由兩個(gè)垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成。對(duì)于某些關(guān)節(jié)之間固定偏置的選擇，工具或機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)可以用球坐標(biāo)表示，成為該機(jī)器人名字來(lái)源。特征適用于必須在復(fù)雜幾何形狀上執(zhí)行的各種任務(wù)；可容納的球形工作空間更大；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型比笛卡爾或圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型更為復(fù)雜，控制定律也更加復(fù)雜；機(jī)器人的剛性要比笛卡爾機(jī)械手小，定位精度可能會(huì)降低；可能更適合于諸如焊接或噴漆之類(lèi)的任務(wù)。實(shí)例Unimate球形機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)5.PUMA機(jī)械手歷史上，裝配線上使用最廣泛的機(jī)械手之一是PUMA（ProgrammableUniversalMachineforAssembly）RRR機(jī)器人。該機(jī)器人的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)圍繞垂直軸，接下來(lái)的兩個(gè)平行的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)垂直于垂直軸。特征具有豐富的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性并且可以到達(dá)較大的半球形工作空間；剛性不如笛卡爾機(jī)器人；非常適合需要大型且可配置程度高的工作空間的應(yīng)用。實(shí)例PUMA機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂（articulatedrobotarm）或仿人機(jī)械臂（anthropomorphicrobotarm）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似人手臂動(dòng)作的機(jī)械手。所有仿人的機(jī)械手臂至少具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，并且通常有五個(gè)、六個(gè)或更多的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。特征可以進(jìn)入較大的工作空間，并且可以將位于其尖端的工具以任意方向擺放；在裝配線上的焊接和噴涂中得到了廣泛的應(yīng)用；該臂具有復(fù)雜的幾何形狀；描述此機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相應(yīng)方程式形式復(fù)雜，從這些模型得出的控制定律也是如此。實(shí)例KUKA關(guān)節(jié)型機(jī)器人6.關(guān)節(jié)型機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類(lèi)1.2.2移動(dòng)型機(jī)器人1.仿人機(jī)器人從出現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的最早階段開(kāi)始，設(shè)計(jì)師就夢(mèng)想著創(chuàng)造出外觀和功能都與人類(lèi)相似的機(jī)器人。如今，仿人機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到能夠執(zhí)行非常復(fù)雜任務(wù)的程度。2022年在泰國(guó)曼谷舉行的RoboCup機(jī)器人比賽上，來(lái)自德國(guó)波恩大學(xué)的NimbRo團(tuán)隊(duì)贏得了類(lèi)人組中成人組的冠軍和最佳人形獎(jiǎng)。世界各地的研究人員目前也在開(kāi)發(fā)全尺寸仿人機(jī)器人，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。右下圖為波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的Atlas機(jī)器人，該款機(jī)器人經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)已能夠完成跑酷動(dòng)作。1.2機(jī)器人的分類(lèi)2.自主地面車(chē)輛如右上圖所示，Waymo公司在舊金山的道路上測(cè)試全自動(dòng)駕駛車(chē)輛JaguarI-PACE。右下圖展示了百度第六代量產(chǎn)無(wú)人車(chē)ApolloRT6。該產(chǎn)品是百度面向未來(lái)出行自主研發(fā)、正向設(shè)計(jì)的量產(chǎn)車(chē)，整車(chē)針對(duì)乘客需求和無(wú)人駕駛出行場(chǎng)景進(jìn)行了深度設(shè)計(jì)。自主地面車(chē)輛（autonomousgroundvehicle，AGV）的設(shè)計(jì)、分析和制造已經(jīng)在美國(guó)和世界各地進(jìn)行了多年。近年來(lái)，AGV機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)接近成熟，并出現(xiàn)了一些可靠的、高性能的商用和軍事機(jī)器人。1.2機(jī)器人的分類(lèi)3.無(wú)人機(jī)近幾年，無(wú)人機(jī)（autonomousaerialvehicle，AAV）的應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已被提議用于農(nóng)業(yè)、救災(zāi)、警察監(jiān)視和邊境安全等領(lǐng)域。2022年11月，DJI大疆農(nóng)業(yè)正式發(fā)布T50、T25農(nóng)業(yè)無(wú)人飛機(jī)以及Mavic3多光譜版無(wú)人飛機(jī)。兩款全新農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)全面升級(jí)，針對(duì)大田噴灑、肥料播撒，果樹(shù)噴灑等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行多項(xiàng)優(yōu)化。如右上圖所示，T50農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)正在執(zhí)行噴灑作業(yè)。右下圖展示了弗吉尼亞理工大學(xué)的CraigWoolsey教授在各種研究活動(dòng)中使用的SPAARO自主無(wú)人機(jī)。這款無(wú)人機(jī)支持從農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和氣載病原體遙感到自主無(wú)人機(jī)梯隊(duì)的協(xié)調(diào)控制等方面的研究。1.2機(jī)器人的分類(lèi)4.自主海上航行器自主海上航行器的發(fā)展如同AGV、AAV一樣面臨著特殊挑戰(zhàn)，這些障礙在過(guò)去幾年里開(kāi)發(fā)的許多自主水面船舶（autonomoussurfacevehicle，ASV）和自主水下機(jī)器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）中得到了說(shuō)明。如右上圖所示，美國(guó)在ASV上安裝了武器，并于2016年試航了一艘名為“SeaHawk”的新型無(wú)人反潛艦艇。如右下圖所示，海豚一號(hào)是一種小型AUV，搭載浙江大學(xué)研制的合成孔徑聲納，主要用于探測(cè)水下小目標(biāo)和掩埋目標(biāo)。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.3.1數(shù)字孿生的發(fā)展歷程數(shù)字孿生國(guó)外發(fā)展進(jìn)程如下圖所示。美國(guó)NASA在1969年阿波羅計(jì)劃時(shí)就開(kāi)始利用鏡像系統(tǒng)來(lái)管理航空和航天設(shè)備；2003年，數(shù)字孿生技術(shù)概念，由MichaelGrieves教授提出；經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)外的一些大公司開(kāi)始針對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了大量的研究，全球著名IT研究機(jī)構(gòu)Gartner在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢(shì)之一。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹公司數(shù)字孿生平臺(tái)功能優(yōu)勢(shì)GEPredix物理機(jī)械和分析技術(shù)結(jié)合，利用虛實(shí)互聯(lián)，構(gòu)建飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生使維修過(guò)程變得更加細(xì)致、透明ANSYSTwinBuilder構(gòu)建真實(shí)世界系統(tǒng)的完整虛擬模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)度維護(hù)，對(duì)響應(yīng)進(jìn)行反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品和資產(chǎn)的全生命周期管理，防止計(jì)劃外停機(jī)，降低成本SiemensTeamcenterX部署產(chǎn)品、生產(chǎn)和性能數(shù)字孿生，構(gòu)建多域和材料集成的數(shù)字孿生減少物理原型的需求、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高質(zhì)量PTCThingWorx可視化物聯(lián)網(wǎng)收集的重要信息，并與ANSYS連接可布置于云端和本地，可視化方式更加靈活VuforiaEngineAreaTargets實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化沉浸式互動(dòng)，進(jìn)行機(jī)械虛擬操作提高效率，具有強(qiáng)大的擴(kuò)增環(huán)境能力和靈活性SAPSAPLeonardo實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化部署數(shù)字孿生，進(jìn)行數(shù)據(jù)快速計(jì)算采用邊云協(xié)同方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸和反饋MicrosoftAzureDigitalTwins實(shí)現(xiàn)物理世界業(yè)務(wù)流程的構(gòu)建，輔助更好的優(yōu)化產(chǎn)品和管理采用物聯(lián)網(wǎng)，打破連接孤島，建立于可信的企業(yè)級(jí)平臺(tái)Dassault3DEXPERIENCE快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造之間的無(wú)縫銜接，并提供對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造間的協(xié)同，確保產(chǎn)品的可追溯性AutodeskInfraWorks、Tandem面向工程建筑等，提供更好的決策和前瞻性洞察創(chuàng)建最新的易于訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，提供更智能的決策IBMDigitalTwinExchange智能評(píng)估管理、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)維護(hù)，確保安全性和可靠性可下載3DCAD文件、工程手冊(cè)等，建立信息模型，更靈活右表所示為部分國(guó)外企業(yè)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究成果。顯而易見(jiàn)，國(guó)外著名工業(yè)或軟件企業(yè)緊跟潮流，分別通過(guò)不同的方式探索數(shù)字孿生概念與應(yīng)用場(chǎng)景。從諸多企業(yè)的競(jìng)相追逐中也不難看出，數(shù)字孿生具有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹相較于國(guó)外，在國(guó)內(nèi)也有學(xué)者在數(shù)字孿生方面取得了一些研究成果。北京航空航天大學(xué)的陶飛于2019年提出數(shù)字孿生五維架構(gòu)體系。同濟(jì)大學(xué)的屈國(guó)強(qiáng)等人提出了類(lèi)似NIST的數(shù)字孿生車(chē)間概念。莊存波教授提出了全新的數(shù)字孿生體系架構(gòu)，并基于該數(shù)字孿生體系架構(gòu)詳細(xì)分析了數(shù)字孿生的可能應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展前景。陳振把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)零部件的裝配工作上，并進(jìn)一步研究了如何基于數(shù)字孿生技術(shù)高效管理工業(yè)生產(chǎn)。從數(shù)字孿生的概念誕生以來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已得到了快速發(fā)展，各主流架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)相繼被提出，以數(shù)字孿生為標(biāo)題的論文數(shù)量亦逐年上升，現(xiàn)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)入成長(zhǎng)期階段，發(fā)展勢(shì)頭正盛，其發(fā)展趨勢(shì)如下圖：1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹目前而言，對(duì)于數(shù)字孿生沒(méi)有統(tǒng)一共識(shí)的定義，不同的學(xué)者、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等對(duì)數(shù)字孿生的理解也存在著不同的認(rèn)識(shí)。1.3.2數(shù)字孿生的定義MichaelGrieves教授認(rèn)為，數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可以從微觀原子級(jí)別到宏觀幾何級(jí)別全面描述潛在的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過(guò)數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息。李培根院士指出,“物理生命體”是指“孕、育”過(guò)程（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程）和服役過(guò)程（運(yùn)行、使用）中的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備），數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其孕育和服役過(guò)程中的數(shù)字化模型。北京航空航天大學(xué)陶飛教授提出，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。……以衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化、管理和控制為例，如圖所示，通過(guò)獲取衛(wèi)星近實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)在地面站構(gòu)建數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)反映衛(wèi)星的健康狀態(tài)并預(yù)估衛(wèi)星各系統(tǒng)、各部件的使用壽命，并對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，呈現(xiàn)給使用者全面細(xì)致的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口，同時(shí)還優(yōu)化了衛(wèi)星的調(diào)度管理和控制，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星使用壽命的延長(zhǎng)。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)1.4.1數(shù)字孿生的技術(shù)劃分?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于諸多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其技術(shù)按照從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層到頂層應(yīng)用層依次可以分為數(shù)據(jù)保障層、建模計(jì)算層、數(shù)字孿生功能層和沉浸式體驗(yàn)層共四層，每一層的實(shí)現(xiàn)都建立在前面各層的基礎(chǔ)之上，是對(duì)前面各層功能的進(jìn)一步豐富和拓展。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)保障層是整個(gè)數(shù)字孿生技術(shù)層面的基礎(chǔ)，支撐著整個(gè)上層體系的運(yùn)作，其主要由高性能傳感器數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)傳輸和全壽命周期數(shù)據(jù)管理三部分構(gòu)成。先進(jìn)傳感器技術(shù)及分布式傳感技術(shù)使整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠獲得更加準(zhǔn)確、充分的數(shù)據(jù)源支撐；高帶寬光纖技術(shù)的采用使得海量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸不再受帶寬的限制，保障了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；分布式云服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展為全壽命周期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提供了平臺(tái)保障。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)建模計(jì)算層在獲得數(shù)據(jù)保障層提供的數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和基于數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多物理、多尺度層面的建模，使所建立的模型與實(shí)際系統(tǒng)準(zhǔn)備匹配、實(shí)時(shí)同步，并能預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)和壽命，依據(jù)其當(dāng)前和未來(lái)健康狀態(tài)評(píng)估其執(zhí)行任務(wù)成功的可能性。建模計(jì)算層主要由建模算法和一體化計(jì)算平臺(tái)兩部分構(gòu)成，智能算法部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深度特征提取和建模，計(jì)算部分包括系統(tǒng)嵌入式計(jì)算和云服務(wù)器計(jì)算兩部分，協(xié)同完成系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)功能層面向?qū)嶋H的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)需求提供相應(yīng)的功能，包括多層級(jí)系統(tǒng)壽命估計(jì)、系統(tǒng)集群執(zhí)行任務(wù)能力的評(píng)估、系統(tǒng)集群維護(hù)保障、系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策等功能。作為整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的直接價(jià)值體現(xiàn)，功能層可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要進(jìn)行定制，在建模計(jì)算層提供的強(qiáng)大信息接口的基礎(chǔ)上，功能層可以滿足高可靠性、高準(zhǔn)確度、高實(shí)時(shí)性以及智能輔助決策等多個(gè)性能指標(biāo)，提升產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)的表現(xiàn)性能。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)沉浸式體驗(yàn)層的主要目的在于提供給使用者人機(jī)交互良好的使用環(huán)境，令使用者獲得身臨其境般的技術(shù)體驗(yàn)，迅速了解和掌握復(fù)雜系統(tǒng)的特性和功能，并能便捷地通過(guò)語(yǔ)音和肢體動(dòng)作，來(lái)訪問(wèn)數(shù)字孿生體功能層提供的信息，獲得分析和決策方面的信息支持。體驗(yàn)層是直接面向用戶的層級(jí)，以用戶可用性和交互友好性為主要參考指標(biāo)。1.4.2數(shù)字孿生的核心技術(shù)1.多領(lǐng)域多尺度融合建模1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)方法當(dāng)前大部分建模方法是在特定領(lǐng)域進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)和熟化，然后在后期采用集成和數(shù)據(jù)融合的方法將來(lái)自不同領(lǐng)域的獨(dú)立的模型融合為一個(gè)綜合的系統(tǒng)級(jí)模型，但這種融合方法融合深度不夠且缺乏合理解釋?zhuān)拗屏藢?lái)自不同領(lǐng)域的模型進(jìn)行深度融合的能力。多領(lǐng)域建模是指在正常和非正常工況下從不同領(lǐng)域視角對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行跨領(lǐng)域融合建模，且從最初的概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始實(shí)施，從深層次的機(jī)理層面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)理解和建模。難點(diǎn)多領(lǐng)域融合建模的難點(diǎn)，在于多種特性的融合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)方程具有很大的自由度，同時(shí)傳感器采集的數(shù)據(jù)要求與實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度一致，以確保基于高精度傳感測(cè)量的模型動(dòng)態(tài)更新。2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理模型融合的狀態(tài)評(píng)估1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)目前數(shù)據(jù)與模型融合的難點(diǎn)，在于兩者原理層面的融合與互補(bǔ)，如何將高精度的傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性與系統(tǒng)的機(jī)理模型合理、有效地結(jié)合起來(lái)，獲得更好的狀態(tài)評(píng)估與監(jiān)測(cè)效果，是亟待考慮和解決的問(wèn)題。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)物理模型進(jìn)行更新、修正、連接和補(bǔ)充，充分融合系統(tǒng)機(jī)理特性和運(yùn)行數(shù)據(jù)特性，能夠更好地結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，獲得動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估系統(tǒng)。方法目前數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與解析模型相融合的方法主要有兩種思路，一種是以解析模型為主，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)解析模型的參數(shù)進(jìn)行修正;另一種是將兩種方法并行使用，最后依據(jù)兩者輸出的可靠度進(jìn)行加權(quán)，得到最后的評(píng)估結(jié)果。3.數(shù)據(jù)采集和傳輸1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)，溫度、壓力、振動(dòng)等各個(gè)類(lèi)型的傳感器性能都要最優(yōu)，以復(fù)現(xiàn)實(shí)體目標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理實(shí)體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)超現(xiàn)實(shí)映射，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸和更新對(duì)于數(shù)字孿生具有至關(guān)重要的作用。方法微機(jī)電系統(tǒng)傳感器日趨低成本和高集成度；高帶寬和低成本的無(wú)線傳輸，能夠?yàn)楂@取更多用于表征和評(píng)價(jià)對(duì)象系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或異常、故障、退化等復(fù)雜狀態(tài)提供前提。難點(diǎn)目前數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)在于傳感器的種類(lèi)、精度、可靠性、工作環(huán)境等受到當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制，采集數(shù)據(jù)的方式也受到局限。數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于實(shí)時(shí)性和安全性，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受限于當(dāng)前技術(shù)水平，無(wú)法滿足更高級(jí)別的傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)安全性保障在實(shí)際應(yīng)用中同樣應(yīng)予以重視。4.全壽命周期數(shù)據(jù)管理1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式管理，對(duì)維持整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。難點(diǎn)全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的實(shí)現(xiàn)需要借助于服務(wù)器的分布式和冗余存儲(chǔ)，由于數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)的分布架構(gòu)、存儲(chǔ)方式和檢索方法，獲得實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)讀取性能，是其應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。方法考慮工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)安全以及裝備領(lǐng)域的信息保護(hù)，構(gòu)建以安全私有云為核心的數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)管理體系，是目前較為可行的技術(shù)解決方案。5.VR呈現(xiàn)1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)