1.1 研究目的及意义

随着计算机技术的飞速发展，机器人技术已经渗透到世界各个行业，在人类的生产生活中发挥着极为重要的作用。特别是在制造业领域，工业机器人的加入使得传统制造在制造技术方面发生了质的变化，不再是单纯地依靠人力和传统的机器设备进行制造，极大地减少了人力和时间成本。流水线式的生产模式加快产品生产速度，精密的计算分析和控制技术提高产品质量，而随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟现实技术与工业机器人车间相结合而建立的数字孪生虚拟车间已成为当前的研究热点。

数字孪生是信息物理系统与虚拟现实技术相结合的新一代技术，根据物理对象数据来构造1:1的虚拟模型，再利用历史数据和传感器更新的实时数据，重现物理对象的整个生产活动过程，并不断积累相关知识与物理对象进行信息融合与交互^[1]。

目前，工业机器人在中国制造领域具有良好的发展前景，存在巨大的消费市场。工业机器人虚拟化系统作为研究工业机器人的重要工具，工业机器人车间虚拟化研究在对整个物理车间进行实时监听、远程控制、机器人行为预测及教学演示中都发挥着重要的作用。

面向数字孪生的工业机器人车间虚拟化系统具有以下特点：

一，物理车间与虚拟车间实时联动，物理车间的生产活动情况能够真实反映到虚拟车间中,从而可以实时监控机器人工作状态。这样不仅能避免意外事故的发生，减少财产损失，减轻制造业生产过程中对工作人员造成的伤害，还可以弥补当前制造业生产中监控、视频和影像资料的不足。

二，制造企业可以在虚拟车间进行物理车间内实际生产活动的设计与不断的优化，从而减少损失，降低生产成本。将虚拟现实技术应用于工业机器人的行为预测和路径轨迹规划中,进行虚拟模型与物理对象的运动轨迹的对比,可以检测运动一致性。

三，真实的工业机器人车间体积庞大，环境复杂，制造企业难以了解其实际的运作原理及环境。相对于静态的二维画面，将物理车间映射为1:1的虚拟车间，然后通过物理车间传送到虚拟系统的数据对工业机器人车间虚拟化方法可以实时地演示整个加工制造流程，其中包括自动化立体仓库管理、工业机器人抓取控制以及生产流水线的运行过程管理，从而给用户更真实的感受、更简便的操作和更深刻的印象。同时，由于受到环境和各种条件的约束，很多人主要通过视频资料，或者少数几次的车间参观活动来学习机器人的相关知识及整个物理车间的运作，学习到的只是皮毛，而通过学习整个数字孪生的虚拟车间系统，可以学习掌握其内部的原理，这是单纯的视频资料学习所不能及的。所以，随着虚拟现实技术的发展，由数字孪生得到的虚拟工业车间的学习模式必将普及于工业机器人的学习中，给各行各业带来诸多方便，给社会带来巨大效益。

此外，由于受到设备、经济、环境等条件的约束，在车间建设、产线调试和员工培训的过程中，工业机器人车间操作人员的学习难度大、成本高、过程不直观。通过面向数字孪生的工业机器人车间虚拟化系统，用户可以在计算机仿真环境下操作整个车间的所有设备，了解其运行机制和使用方法，进而可以进行工业机器人设备的虚拟安装与调试，有利于制造企业快速部署工业机器人产线，并提高员工的技术学习效率，具有良好的经济、社会效益。

目前，国内针对工业机器人在制造领域的三维仿真系统的研发相对较少，所以，面向数字化孪生的工业机器人车间虚拟系统无论是在加工制造领域还是教学演示领域都有重要的意义。