【摘 要】
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随着微型精密机械、微惯性器件等技术的发展,出现了大量异质异构的微型零部件,必须通过微装配技术装配构成各种微机构。传统微装配系统利用显微视觉技术协助完成装配操作,存在观察不便、效率低等问题。采用虚拟现实技术和数字孪生技术实现微装配操作的虚拟化和孪生化,能够降低对操作者的要求,提高装配效率,是微装配技术发展的必然。目前,虚拟微装配系统尚未解决虚拟和物理空间微装配系统的数字孪生问题。主要存在两方面问题:
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金项目（基于并联机构六维谐振的压电式六维振动能量收集方法与关键技术研究,批准号:61301030）
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随着微型精密机械、微惯性器件等技术的发展,出现了大量异质异构的微型零部件,必须通过微装配技术装配构成各种微机构。传统微装配系统利用显微视觉技术协助完成装配操作,存在观察不便、效率低等问题。采用虚拟现实技术和数字孪生技术实现微装配操作的虚拟化和孪生化,能够降低对操作者的要求,提高装配效率,是微装配技术发展的必然。目前,虚拟微装配系统尚未解决虚拟和物理空间微装配系统的数字孪生问题。主要存在两方面问题:一是缺乏可重构性,即能够根据不同的装配任务重构出对应的虚拟微装配系统;二是尚未解决多操作手间的协同装配问题,无法提高装配操作效率。针对上述问题,本文提出并研究了一种面向可重构多操作手协同装配的数字孪生微装配系统,并完成了相关理论研究、系统设计及实验测试。本文的主要研究工作如下:（1）针对虚拟微装配系统的可重构问题,提出一种可重构的数字孪生微装配系统的体系结构,包括系统理论模型、结构组成等;建立了机构和组件的运动学模型和力学模型;提出了能够管理系统数据的数据结构及方法;分析了数字孪生微装配系统中虚实微装配系统间的数据交互方法。（2）研究了数字孪生微装配系统中多操作手协同装配的微装配路径规划方法。提出了一种基于OBB包围盒的模型层次包围盒方法,能够满足不同精度的路径规划需求。在此基础上,提出了基于栅格法的微装配空间地图动态生成方法,并基于A*算法建立了针对三维微装配空间的微装配操作手路径规划方法。（3）设计了数字孪生微装配系统的微装配系统、数据交互接口和虚拟微装配系统;分析了所设计的数字孪生微装配系统的精度及误差补偿方法。（4）建立了数字孪生微装配系统的标定测试方法,以测微校准尺为基准通过视觉测量方式完成了系统的标定,对操作手末端位移误差进行了补偿;测试分析了数字孪生微装配系统的实时性和开环控制的位置精度,并验证了微装配路径规划的算法。实验结果表明,标定测试方法合理有效,经过轨迹修正,操作手末端运动轨迹得到优化;位姿同步实验表明,虚拟空间和物理空间微装配系统中微夹钳末端位置在虚实环境中满足位姿实时同步。本文的研究工作为数字孪生微装配系统的研究和设计奠定了理论基础,对于微装配技术的发展具有理论指导意义和实用价值。
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