基于数字孪生的无菌检测过程控制及优化

作     者：崔金恒 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚友平;杨卫波

授予年度：2024年

学科分类：1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 100704[医学-药物分析学] 081203[工学-计算机应用技术] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0835[工学-软件工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 10[医学] 

主      题：无菌检测 数字孪生 轨迹规划 径向基函数神经网络 

摘      要：目前因食品、药品被污染而导致人员伤亡的事件层出不穷,迫切需要一台能够对食品和药品进行全自动无菌检测的装备。而现有的无菌检测装备存在机器人行程冗余,检测效率低下和系统采用开环控制导致设备运行不稳定等问题,并且由于无法监测无菌检测装备运行状态,所以仍需要人工轮流进行值守。针对上述问题,本文提出建立无菌检测装备的数字孪生系统,结合数字孪生技术实现无菌检测装备运行状态实时监测和控制,并基于无菌检测装备数字孪生系统控制无菌检测过程,优化机器人行走轨迹,提高设备运行效率和系统稳定性。本文研究工作如下: 1.针对无法监测无菌检测装备运行状态的问题,提出无菌检测装备数字孪生系统“三层次五维度的系统设计方案。结合实际工况,将无菌检测装备机器人作为设备层中的物理实体,通信设备和传感器等作为服务层中的孪生数据、连接和服务,机器人模型等作为模型层中的虚拟实体。确定了以基于TCP协议的socket数据传输方法为通信方式,准确传输运动数据和传感器数据。以径向基函数神经网络作为服务层中的数据处理方式,优化虚拟实体的网格节点数量,保证了数据轻量化后仍能在模型层中表现出虚拟实体的主要特征,实现监测无菌检测装备运行状态的功能。 2.针对无菌检测装备行程冗余、检测效率低下的问题,提出使用径向基函数作为轨迹规划算法的引导函数,结合数字孪生技术对无菌检测装备行走轨迹进行规划。在无菌检测装备数字孪生系统的服务层中使用碰撞检测技术,基于快速扩展随机树算法对无菌检测装备行走轨迹进行规划。由无菌检测装备数字孪生系统进行最优行走轨迹全局搜索,加快了搜索速度,节省计算资源,避免了行走过程中产生碰撞,提高了检测效率,使无菌检测装备运行更加稳定。 3.针对无菌检测装备采用开环控制导致设备运行不稳定的问题,提出基于无菌检测装备数字孪生系统对无菌检测过程进行控制优化。本文分析了原有的无菌检测流程,对机器人气动夹爪在运送物料时无法判断是否准确夹起物料和是否到达指定地点的问题进行了改进。分别对气动夹爪在空载时和夹持物料时的状态进行静力学分析,得到其变形量数据,在无菌检测装备数字孪生系统的服务层中进行处理,将气动夹爪的变形量数据以云图的方式实时展示在数字孪生系统界面,系统根据力传感器反馈回的数据判断气动夹爪的运行状态,用户也可以根据显示状态在界面上直观的看到当前的检测情况。 4.搭建无菌检测装备数字孪生系统,现场验证无菌检测装备的运行状态监测功能和轨迹规划后的检测效率。拟合机器人内部信号分析器记录的各轴运动数据和无菌检测装备数字孪生系统接收到的各轴运动数据,对比两曲线重合度验证了无菌检测装备数字孪生系统可以对无菌检测装备运行状态进行监测;基于无菌检测装备数字孪生系统优化机器人行走轨迹并控制其运动,对比系统发送的数据曲线和分析器记录的数据曲线,验证了无菌检测装备数字孪生系统可以对无菌检测装备运行状态进行控制。对比原无菌检测装备进行一个检测周期需要64.488s,改进后的无菌检测装备进行一个检测周期只需要35.544s,可以得到检测效率提高了81.4%。无菌检测装备数字孪生系统优化了机器人行走轨迹,并实现了对无菌检测装备运行状态的监测和控制,提高了检测效率和系统稳定性。