(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 202210657272.3 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北 大街438号 申请人 燕控科技 （秦皇岛） 有限公司 (72)发明人 丁伟利　李健　华长春　杨凌云　 (74)专利代理 机构 石家庄众志华清知识产权事 务所(特殊普通 合伙) 13123 专利代理师 王忠良 (51)Int.Cl. G01M 99/00(2011.01) G05B 17/02(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验 平台 (57)摘要 本发明公开一种基于数字孪生的挖掘机器 人实验平台， 包括服务器、 虚拟场景生成模块、 挖 掘机器人孪生体、 路径及轨迹规划模块、 多自由 度挖掘机器人、 控制器以及实验平台； 服务器用 于执行虚拟场景生成模块、 挖掘机器人孪生体、 路径及轨迹规划模块和控制器所需的计算； 虚拟 场景生成模块实时生成挖掘机器人孪生体所需 要的虚拟作业环境， 通过路径及轨迹规划模块实 现挖掘机器人孪生体的运动控制； 控制器控制多 自由度挖掘机器人的运动， 并采集多自由度挖掘 机器人反馈的信息； 通过网络与所述虚拟场景生 成模块通信， 实时交换虚拟和现实信息； 实验平 台包括沙盘以及设置在顶部的激光雷达， 沙盘用 于模拟施工现场的作业环境， 多自由度挖掘机器 人在沙盘上作业。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 115060518 A 2022.09.16 CN 115060518 A 1.一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 包括服务器、 虚拟场景 生成模块、 挖掘机器人孪生体、 路径及轨迹规划模块、 多自由度挖掘 机器人、 控制器以及实 验平台； 所述服务器， 用于执行虚拟场景生成模块、 挖掘机器人孪生体、 路径及轨迹规划模块和 控制器所需的计算； 所述虚拟场景生成模块实时生成挖掘机器人孪生体所需要的虚拟作业环境， 通过路径 及轨迹规划模块实现挖掘机器人孪生体的运动控制； 多自由度挖掘机器人与虚拟场景中的挖掘机器人孪生体在外形和 功能方面一一对应， 挖掘机器人孪生体通过接 收到的多自由度挖掘机器人传感器数据可以实现与多自由度挖 掘机器人的一 致性运动； 所述控制器控制多自由度挖掘机器人的运动， 并采集多自由度挖掘机器人反馈的信 息； 通过网络与所述虚拟场景生成模块 通信， 实时交换虚拟和现实信息； 所述实验平台， 包括沙盘以及 设置在顶部的激光雷达 （6） ， 沙盘用于模拟施工现场的作 业环境， 多自由度 挖掘机器人在沙盘上作业， 激光雷达 （6） 用来采集沙盘内的变化数据。 2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 所述多自由度挖掘机器人包括铝合金铲斗、 斗杆、 动臂、 旋转工作台、 行走装置， 多自由度挖 掘机器人上安装有霍尔编码器、 角度传感器以及控制 器， 霍尔编码器和角度传感器收集多 自由度挖掘机器人工作时的姿态和位置信息 。 3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 虚拟场景生成模块由3D虚拟现实软件仿 真生成， 通过读取数据库中的激光点云数据和已建 立的场景三 维模型实时生成挖掘机器人孪生体所需要的虚拟作业环境， 虚拟场景生成模块 外接控制摇杆和体感控制器； 所述控制器包括树莓派4B以及电机驱动板， 树莓派4B通过 GPIO口与电机驱动板相连， 采集角度传感器和霍尔传感器反馈的信息 。 4.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 角度传感器安装于多自由度挖掘机器人的铲斗、 斗杆、 动臂以及旋转工作台上， 用于实时获 取多自由度挖掘 机器人的姿态， 霍尔编码器安装于行走装置的电机上， 用于精确反馈多自 由度挖掘机器人的行 走速度和距离 。 5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 外接的体感控制器通过采集操作者食指关节的弯曲变化， 用于控制挖掘机器人孪生体的机 械臂姿态， 结合控制摇杆的数据， 并根据 虚拟作业环境的地形， 利用路径及轨迹规划模块规 划合理的轨 迹， 并进一 步控制多自由度 挖掘机器人的姿态。 6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 所述实验平台， 还包括立柱、 电动滑轨， 沙盘周围设置有四根立柱， 立柱之间通过电动滑轨 相连， 激光雷达 （6） 安装于 沙盘顶部的电动滑轨上。 7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 激光雷达反馈的激光点云数据传输至服务器内的数据库， 用于实时采集沙盘内沙堆的变 化， 在所述虚拟场景生成模块中进行多自由度挖掘 机器人的同步定位和实时建图， 并将作 业环境的变化数据同步到所述虚拟场景生成模块， 实时更新虚拟作业场景。 8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115060518 A 2虚拟场景生成模块根据实验平台沙盘上方的激光雷达 （6） 实时采集的激光点云和数据库中 已建立的虚拟场景三 维模型， 通过三 维网格动态可视化技术生成与所述 实验平台一致的挖 掘机器人虚拟作业场景， 并能够实时更新虚拟作业场景； 通过外接控制 遥杆和体感控制器 的联合控制， 结合路径及轨迹规划模块， 控制多自由度挖掘机器人的工作状态； 通过网络与 多自由度挖掘机器人的控制器通信， 将控制摇杆和体感控制器的控制命令同步到所述多自 由度挖掘机器人 上， 能够控制多自由度 挖掘机器人在所述实验平台 内作业。 9.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生技术的挖掘机器人实验平台， 其特征在于： 所述实验流 程包括如下步骤： 步骤1， 操作人员将实验平台内的激光雷达 （6） 与虚拟场景生成模块相连， 然后运行虚 拟场景生成模块， 同时根据激光雷达 （6） 反馈的沙盘激光雷达数据， 同步进行定位建图， 初 始化虚拟作业场景； 步骤2， 接通多自由度挖掘机器人的电源， 打开动力开关， 使多自由度挖掘机器人处于 监听状态， 此时多自由度挖掘 机器人将与虚拟场景生成模块建立通信， 将各个关节角度信 息同步到虚拟场景生成模块， 初始化挖掘机器人孪生体的姿态； 步骤3， 操作人员将控制摇杆以及体感控制器与虚拟场景生成模块相连， 操作人员确认 虚拟场景和挖掘机器人孪生体与沙盘场景和多自由度挖掘机器人位置与姿态对应无误后， 即可开始实验； 步骤4， 操作人员 选择摇杆按键： 如果选择手动模式， 则可以根据虚拟场景生成模块的 界面上显示的虚拟作业场景， 通过摇杆控制挖掘机器人孪生体到达设定的目标位置； 如果 选择自动模式， 则 利用路径规划及轨 迹规划方法， 根据设定的任务， 自动生成挖掘轨 迹； 步骤 5， 操作人员将左手置于体感控制器上方， 右手操作控制摇杆， 此时通过左手手指 的弯曲变化， 基于生成的轨迹可以控制挖掘 机器人孪生体机械臂姿态， 并进一步控制多自 由度挖掘 机器人在作业场景内执行各种设定的挖掘任务， 同时， 位于沙盘顶部的激光雷达 （6） 会实时反馈 沙盘变化数据到虚拟场景生成模块， 实时更新虚拟作业场景； 步骤6： 操作人员通过摇杆按键选择自动模式， 在该模式下可选择预先设置好的多种挖 掘任务， 进 行自动作业， 虚拟场景生成模块将根据选择的挖掘任务， 依靠多自由度挖掘机器 人的传感器以及沙盘电动滑轨上的激光雷达反馈的实时数据， 实时规划路径， 自主作业。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115060518 A 3