基于数字孪生的运动控制实训方法及系统

技术领域

本发明涉及机电实训技术领域，具体是涉及一种基于数字孪生的运动控制实训方法及系统。

背景技术

需要说明的是，进行自动化培训教学时，最大的支出就是机电设备本体，一套工业机器人综合实训装备最小投入需要25万左右，而且也只能满足1人或2人同时使用，导致人均教学成本高，且由于学生并不能够熟练使用实训装备，导致实训装备在使用时发生损坏，维护成本较高。因此，需要提供一种基于数字孪生的运动控制实训方法及系统，旨在解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的运动控制实训方法及系统，以解决上述背景技术中存在的问题。

本发明是这样实现的，一种基于数字孪生的运动控制实训方法，所述方法包括以下步骤：

接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，所述虚拟仿真模型由用户选择的虚拟设备构成；

生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称；

接收虚拟设备名称选择指令，生成设备编程页面，接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示；

接收用户输入的设备编程完成指令，生成电气接线页面和仿真模型编程页面，接收用户输入的电气接线信息和仿真模型编程信息；

根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，接收用户输入的动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。

作为本发明进一步的方案：所述接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型的步骤，具体包括：

接收用户输入的虚拟设备选择指令，所述虚拟设备选择指令包括若干个虚拟设备名称，每个虚拟设备名称对应有位置坐标；

根据位置坐标使得对应的虚拟设备在显示窗口中显示，搭建虚拟仿真模型。

作为本发明进一步的方案：所述接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示的步骤，具体包括：

接收用户输入的设备编程信息，根据设备编程信息确定设备动作、动作参数和动作顺序；

根据设备动作、动作参数和动作顺序使得对应的虚拟设备进行动作预览展示；

接收设备编程信息保存指令，将保存的设备编程信息与虚拟设备进行绑定。

作为本发明进一步的方案：所述根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板的步骤，具体包括：

对电气接线信息和仿真模型编程信息进行分析，确定虚拟仿真模型中所有的虚拟设备之间的动作关系以及存在的动作控制命令；

根据动作控制命令生成动作控制面板，动作控制面板中包含若干个动作控制命令，用户通过动作控制面板能够对虚拟仿真模型进行控制；

接收接线编程信息保存指令，将电气接线信息和仿真模型编程信息进行保存，并与虚拟仿真模型进行绑定。

作为本发明进一步的方案：所述方法还包括：

接收控制面板分散控制信息，将动作控制面板发送至多个用户账号；

接收多个用户账号发送的动作控制命令，根据多个动作控制命令使得虚拟仿真模型中的各个虚拟设备进行协同运作。

本发明的另一目的在于提供一种基于数字孪生的运动控制实训系统，所述系统包括：

虚拟设备选择模块，用于接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，所述虚拟仿真模型由用户选择的虚拟设备构成；

待编程弹窗模块，用于生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称；

虚拟设备编程模块，用于接收虚拟设备名称选择指令，生成设备编程页面，接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示；

电气接线确定模块，用于接收用户输入的设备编程完成指令，生成电气接线页面和仿真模型编程页面，接收用户输入的电气接线信息和仿真模型编程信息；

控制面板生成模块，用于根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，接收用户输入的动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。

作为本发明进一步的方案：所述虚拟设备选择模块包括：

选择指令接收单元，用于接收用户输入的虚拟设备选择指令，所述虚拟设备选择指令包括若干个虚拟设备名称，每个虚拟设备名称对应有位置坐标；

仿真模型搭建单元，用于根据位置坐标使得对应的虚拟设备在显示窗口中显示，搭建虚拟仿真模型。

作为本发明进一步的方案：所述虚拟设备编程模块包括：

设备编程接收单元，用于接收用户输入的设备编程信息，根据设备编程信息确定设备动作、动作参数和动作顺序；

设备动作展示单元，用于根据设备动作、动作参数和动作顺序使得对应的虚拟设备进行动作预览展示；

第一绑定单元，用于接收设备编程信息保存指令，将保存的设备编程信息与虚拟设备进行绑定。

作为本发明进一步的方案：所述控制面板生成模块包括：

信息分析单元，用于对电气接线信息和仿真模型编程信息进行分析，确定虚拟仿真模型中所有的虚拟设备之间的动作关系以及存在的动作控制命令；

控制面板生成单元，用于根据动作控制命令生成动作控制面板，动作控制面板中包含若干个动作控制命令，用户通过动作控制面板能够对虚拟仿真模型进行控制；

第二绑定单元，用于接收接线编程信息保存指令，将电气接线信息和仿真模型编程信息进行保存，并与虚拟仿真模型进行绑定。

作为本发明进一步的方案：所述系统还包括模型分散控制模块，模型分散控制模块具体包括：

分散控制信息单元，用于接收控制面板分散控制信息，将动作控制面板发送至多个用户账号；

模型协同运作单元，用于接收多个用户账号发送的动作控制命令，根据多个动作控制命令使得虚拟仿真模型中的各个虚拟设备进行协同运作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过数字孪生将实体的实训装备使用虚拟仿真模型进行替代，能够根据学生输入的电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，学生输入动作控制命令，仿真模型执行相应的动作，虽然设备是虚拟的，但是能够锻炼学生实际的电气接线和编程控制能力，能够达到自动化培训的目的，且人均教学成本大幅度下降，值得推广。

附图说明

图1为一种基于数字孪生的运动控制实训方法的流程图。

图2为一种基于数字孪生的运动控制实训方法中根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型的流程图。

图3为一种基于数字孪生的运动控制实训方法中接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示的流程图。

图4为一种基于数字孪生的运动控制实训方法中根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板的流程图。

图5为一种基于数字孪生的运动控制实训方法中通过会议室终端向云平台发送会议笔记信息的流程图。

图6为一种基于数字孪生的运动控制实训系统的结构示意图。

图7为一种基于数字孪生的运动控制实训系统中虚拟设备选择模块的结构示意图。

图8为一种基于数字孪生的运动控制实训系统中虚拟设备编程模块的结构示意图。

图9为一种基于数字孪生的运动控制实训系统中控制面板生成模块的结构示意图。

图10为一种基于数字孪生的运动控制实训系统中模型分散控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于数字孪生的运动控制实训方法，所述方法包括以下步骤：

S100，接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，所述虚拟仿真模型由用户选择的虚拟设备构成；

S200，生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称；

S300，接收虚拟设备名称选择指令，生成设备编程页面，接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示；

S400，接收用户输入的设备编程完成指令，生成电气接线页面和仿真模型编程页面，接收用户输入的电气接线信息和仿真模型编程信息；

S500，根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，接收用户输入的动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。

本发明实施例中，通过数字孪生将实体的实训装备使用虚拟仿真模型进行替代，数字孪生是利用计算机仿真在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的特性。学生进行实训时，首先需要输入虚拟设备选择指令，来选择一些进行实训的设备，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，虚拟仿真模型是三维模型，如此，学生能够直观的看到机电设备，紧接着本发明实施例会生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称，学生点击一个虚拟设备名称，相当于输入虚拟设备名称选择指令，就会生成设备编程页面，这样就可以对选择的虚拟设备进行编程了，使得虚拟设备可以完成预想的动作，这与现实的编程步骤相同，用户输入设备编程信息，对应的虚拟设备就会进行动作展示，如此，方便学生对编程信息是否正确进行判断，当所有的虚拟设备进行编程完成后，用户输入设备编程完成指令，本发明实施例直接生成电气接线页面和仿真模型编程页面，这样用户就可以通过输入电气接线信息和仿真模型编程信息，来使得各个虚拟设备之间产生关联，例如组建成一个生产线，这与现实中的电气接线和PLC编程相同，最后根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，用户可以通过动作控制面板输入动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。虽然设备是虚拟的，但是能够锻炼学生实际的电气接线和编程控制能力，能够达到自动化培训的目的，且人均教学成本大幅度下降，值得推广。

如图2所示，作为本发明一个优选的实施例，所述接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型的步骤，具体包括：

S101，接收用户输入的虚拟设备选择指令，所述虚拟设备选择指令包括若干个虚拟设备名称，每个虚拟设备名称对应有位置坐标；

S102，根据位置坐标使得对应的虚拟设备在显示窗口中显示，搭建虚拟仿真模型。

本发明实施例中，在选择虚拟设备时，同时需要确定虚拟设备的位置信息，就像工厂中每个设备都有摆放位置，进一步的，可以直接从虚拟设备库中拖拽虚拟设备达到目标位置，这就相当于输入了位置坐标，然后根据位置坐标使得对应的虚拟设备在显示窗口中显示，所有虚拟设备显示完成后，就搭建了一个虚拟仿真模型。

在本发明中，为了对所搭建的虚拟仿真模型的合理度进行评估，通过如下方法实现，具体包括如下步骤：

S111，获取虚拟设备库中每个虚拟设备的设备类型、设备大小以及设备重量；

S112，根据每个虚拟设备的设备类型、设备大小以及设备重量计算得到对应的搬运难度值；

在本步骤中，搬运难度值的计算公式表示为：

；

其中，

S113，对所述显示窗口进行分区划分以得到多个放置单元区，每个放置单元区对应有单元区位置坐标；

S114，基于每个虚拟设备的搬运难度值以及每个放置单元区的单元区位置坐标，构建得到虚拟设备放置位置合理性映射表，所述虚拟设备放置位置合理性映射表用于确定虚拟设备在每个放置单元区对应的位置合理性系数；

作为补充说明的，计算得到的虚拟设备的搬运难度值，可在一定程度上对虚拟设备的放置位置给出合理的建议。例如，作为一台较为大型的中央控制器，由于其所电性连接的设备较多，因此将中央控制器放置在中间的位置便是合理的设置，此时位置合理性系数就更高。反之，若将中央控制器放置在角落位置，则此时位置合理性系数就很低。

S115，完成搭建虚拟仿真模型后，基于所述虚拟设备放置位置合理性映射表，获取每个虚拟设备对应的位置合理性系数，并基于多个位置合理性系数计算得到虚拟仿真模型的合理度。

在本步骤中，虚拟仿真模型的合理度的计算公式表示为：

；

其中，

可以理解的，根据虚拟仿真模型的合理度，可对用户搭建的虚拟仿真模型的质量好坏进行非常直观地评判，并进行即时弹窗显示，在一定程度上也提高了用户的体验，起到了一定的建模学习的作用。如图3所示，作为本发明一个优选的实施例，所述接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示的步骤，具体包括：

S301，接收用户输入的设备编程信息，根据设备编程信息确定设备动作、动作参数和动作顺序；

S302，根据设备动作、动作参数和动作顺序使得对应的虚拟设备进行动作预览展示；

在本步骤中，为了对虚拟设备的展示动作的难度有一个更加直观的了解，通过以下方法实现，具体包括如下步骤：

S302a，获取虚拟设备进行动作预览展示所包含的所有设备动作、每个设备动作的动作参数以及由多个设备动作组成的动作顺序；

S302b，基于每个设备动作的动作类型与每个设备动作的动作参数计算得到每个设备动作的单项动作难度值；

在本步骤中，每个设备动作的单项动作难度值的计算公式表示为；

；

其中，

可以理解的，即便是同一种类的动作类型，如果设置的动作参数不同，那么对应的难度也不同。例如，手臂向上旋转30°跟手臂向上旋转60°的动作参数的难度值肯定不同。

S302c，根据多个设备动作组成的动作顺序，在预设动作顺序难度映射表中查找得到动作顺序项难度值；

S302d，根据每个设备动作的单项动作难度值以及动作顺序项难度值计算得到虚拟设备动作预览展示总难度值。

在本步骤中，虚拟设备动作预览展示总难度值的计算公式表示为：

；

其中，

S303，接收设备编程信息保存指令，将保存的设备编程信息与虚拟设备进行绑定。

本发明实施例中，设备编程信息确定后，就能够根据设备编程信息确定设备动作、动作参数和动作顺序，这与现实的情况相同，只不过在现实中，设备动作、动作参数和动作顺序会在实体设备中进行展示，而这里，动作是在虚拟设备上进行展示。

如图4所示，作为本发明一个优选的实施例，所述根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板的步骤，具体包括：

S501，对电气接线信息和仿真模型编程信息进行分析，确定虚拟仿真模型中所有的虚拟设备之间的动作关系以及存在的动作控制命令；

S502，根据动作控制命令生成动作控制面板，动作控制面板中包含若干个动作控制命令，用户通过动作控制面板能够对虚拟仿真模型进行控制；

S503，接收接线编程信息保存指令，将电气接线信息和仿真模型编程信息进行保存，并与虚拟仿真模型进行绑定。

本发明实施例中，对电气接线信息和仿真模型编程信息进行分析与现实中的PLC编程控制是一样的，只不过这里的动作关系是在虚拟设备之间进行体现，另外，虽然虚拟仿真模型会按照编程进行运行，但是也需要输入信息，不同的输入信息会产生不同的响应，这些输入信息就是动作控制命令，根据动作控制命令生成动作控制面板，动作控制面板中包含若干个动作控制命令，用户通过动作控制面板能够对虚拟仿真模型进行控制，这与实际情况下对实体设备的控制是一样的，另外，用户还可以输入接线编程信息保存指令，将电气接线信息和仿真模型编程信息进行保存，并与虚拟仿真模型进行绑定，如此，以后可以直接调取使用，更加方便。

如图5所示，作为本发明一个优选的实施例，所述方法还包括：

S601，接收控制面板分散控制信息，将动作控制面板发送至多个用户账号；

S602，接收多个用户账号发送的动作控制命令，根据多个动作控制命令使得虚拟仿真模型中的各个虚拟设备进行协同运作。

本发明实施例中，如果仿真模型较为复杂，输入信息较多，个人是很难单独完成的，例如一条生产线的设备需要多人协同操作，这时用户可以输入控制面板分散控制信息，将动作控制面板发送至多个用户账号，接收每个用户账号发送的动作控制命令，根据多个动作控制命令使得虚拟仿真模型中的各个虚拟设备进行协同运作，就如同现实中的协同运作，能够锻炼学生的协同操作能力。

如图6所示，本发明实施例还提供了一种基于数字孪生的运动控制实训系统，所述系统包括：

虚拟设备选择模块100，用于接收用户输入的虚拟设备选择指令，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，所述虚拟仿真模型由用户选择的虚拟设备构成；

待编程弹窗模块200，用于生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称；

虚拟设备编程模块300，用于接收虚拟设备名称选择指令，生成设备编程页面，接收用户输入的设备编程信息，对应的虚拟设备进行动作展示；

电气接线确定模块400，用于接收用户输入的设备编程完成指令，生成电气接线页面和仿真模型编程页面，接收用户输入的电气接线信息和仿真模型编程信息；

控制面板生成模块500，用于根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，接收用户输入的动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。

学生进行实训时，首先需要输入虚拟设备选择指令，来选择一些进行实训的设备，根据虚拟设备选择指令在显示窗口中搭建虚拟仿真模型，虚拟仿真模型是三维模型，如此，学生能够直观的看到机电设备，紧接着本发明实施例会生成虚拟设备待编程弹窗，所述虚拟设备待编程弹窗中包含虚拟仿真模型中所有的虚拟设备名称，学生点击一个虚拟设备名称，相当于输入虚拟设备名称选择指令，就会生成设备编程页面，这样就可以对选择的虚拟设备进行编程了，使得虚拟设备可以完成预想的动作，这与现实的编程步骤相同，用户输入设备编程信息，对应的虚拟设备就会进行动作展示，如此，方便学生对编程信息是否正确进行判断，当所有的虚拟设备进行编程完成后，用户输入设备编程完成指令，本发明实施例直接生成电气接线页面和仿真模型编程页面，这样用户就可以通过输入电气接线信息和仿真模型编程信息，来使得各个虚拟设备之间产生关联，例如组建成一个生产线，这与现实中的电气接线和PLC编程相同，最后根据电气接线信息和仿真模型编程信息生成动作控制面板，用户可以通过动作控制面板输入动作控制命令，仿真模型执行相应的动作。虽然设备是虚拟的，但是能够锻炼学生实际的电气接线和编程控制能力，能够达到自动化培训的目的，且人均教学成本大幅度下降。

如图7所示，作为本发明一个优选的实施例，所述虚拟设备选择模块100包括：

选择指令接收单元101，用于接收用户输入的虚拟设备选择指令，所述虚拟设备选择指令包括若干个虚拟设备名称，每个虚拟设备名称对应有位置坐标；

仿真模型搭建单元102，用于根据位置坐标使得对应的虚拟设备在显示窗口中显示，搭建虚拟仿真模型。

如图8所示，作为本发明一个优选的实施例，所述虚拟设备编程模块300包括：

设备编程接收单元301，用于接收用户输入的设备编程信息，根据设备编程信息确定设备动作、动作参数和动作顺序；

设备动作展示单元302，用于根据设备动作、动作参数和动作顺序使得对应的虚拟设备进行动作预览展示；

第一绑定单元303，用于接收设备编程信息保存指令，将保存的设备编程信息与虚拟设备进行绑定。

如图9所示，作为本发明一个优选的实施例，所述控制面板生成模块500包括：

信息分析单元501，用于对电气接线信息和仿真模型编程信息进行分析，确定虚拟仿真模型中所有的虚拟设备之间的动作关系以及存在的动作控制命令；

控制面板生成单元502，用于根据动作控制命令生成动作控制面板，动作控制面板中包含若干个动作控制命令，用户通过动作控制面板能够对虚拟仿真模型进行控制；

第二绑定单元503，用于接收接线编程信息保存指令，将电气接线信息和仿真模型编程信息进行保存，并与虚拟仿真模型进行绑定。

如图10所示，作为本发明一个优选的实施例，所述系统还包括模型分散控制模块600，模型分散控制模块600具体包括：

分散控制信息单元601，用于接收控制面板分散控制信息，将动作控制面板发送至多个用户账号；

模型协同运作单元602，用于接收多个用户账号发送的动作控制命令，根据多个动作控制命令使得虚拟仿真模型中的各个虚拟设备进行协同运作。

以上仅对本发明的较佳实施例进行了详细叙述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。