ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-889-895ntv-71Research ArticleАВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКАAUTOMATIC CONTROL AND ROBOTICSФормирование траектории цифрового двойника многозвенного механизма с использованием адаптивного алгоритма оценки параметров нелинейного движенияAdaptive nonlinear motion parameters estimation algorithm for digital twin of multi-link mechanism motion trajectory synthesishttps://orcid.org/0000-0001-9981-8299МешковА. В.MeshkovA. V.

Мешков Алексей Викторович — аспирант, инженер

Санкт-Петербург, 197101

sc 57222576415

Aleksei V. Meshkov — PhD Student, Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 57222576415

avmeshkov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2416-3766ГромовВ. С.GromovV. S.

Громов Владислав Сергеевич — кандидат технических наук, доцент

Санкт-Петербург, 197101

sc 57222576415

Vladislav S. Gromov — PhD, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 57196959497

gromov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202212122024225889895Copyright © Мешков А.В., Громов В.С., 20242024Мешков А.В., Громов В.С.Meshkov A.V., Gromov V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/71Предмет исследования

Предмет исследования. Системы контроля автоматизированных линий требуют высокой точности и скорости обработки получаемой информации. В последние годы быстро развиваются технологии цифрового двойника, цифровой модели системы, повторяющей параметры реального объекта. Цифровой двойник используется в задачах удаленного контроля состояния реальных систем, испытаний реакций воздействия внешних факторов, без прямого влияния на реальную систему. Цифровой двойник применяется во многих сферах, таких как здравоохранение, промышленность, образование, городская инфраструктура и многих других. Несмотря на популярность исследований данной тематики, не выделено единого подхода к формированию цифрового двойника. Зачастую в современных работах освещается задача синтеза двойника с известными параметрами рассматриваемой системы. В данной работе предложен метод формирования цифрового двойника многозвенного механизма с неизвестными параметрами движения рассматриваемой системы, основанный на адаптивной оценке параметров траектории движения многозвенных механизмов, который способен облегчить задачу удаленного контроля состояния производства и расширить применимость технологии цифрового двойника на новый класс задач.

Метод

Метод. В работе представлено описание синтеза адаптивного регулятора, основанного на внутренней модели, приведено теоретическое обоснование представленного алгоритма, а также описано его применение в задаче слежения за траекторией движения многозвенного механизма.

Основные результаты

Основные результаты. Выполнена экспериментальная апробация формирования цифрового двойника робота-манипулятора Kuka youBot в реальном времени с использованием адаптивного оценщика, основанного на внутренней модели. Адаптивная оценка параметров движения проведена для двух звеньев манипулятора с целью подтверждения возможности формирования цифрового двойника многозвенного механизма в условиях неизвестных параметров. Параметры движения звеньев робота-манипулятора задавались вручную посредством хаотических генераторов и не были известны адаптивному регулятору. Такой подход к формированию траектории движения звеньев манипулятора использован для оценки точности работы алгоритма путем вычисления ошибки слежения адаптивного алгоритма. Ошибка слежения определена как разность между эталонным воздействием, обеспечивающим движения манипулятора, и выходным сигналом адаптивного оценщика, который использован для описания траектории на модели робота-манипулятора в трехмерном пространстве. Проведены испытания, целью которых стала оценка ошибки слежения описываемого алгоритма. Положительными результатами принято считать сходимость ошибки слежения в области [–0,005, 0,005] рад. По результатам испытаний построены графики оценки, которые показали положительный результат. Существуют колебания ошибки слежения вокруг нуля, что обусловлено шумами измерений и задержками при симуляции режима работы реального времени в выбранной среде моделирования. По итогам испытаний приведены дальнейшие шаги по увеличению точности и производительности описываемого подхода к формированию цифрового двойника.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты представленной работы могут быть использованы при дальнейших исследованиях технологий цифрового двойника, в условиях неизвестных параметров системы. Представленный метод формирования может применяться в задачах телеуправления манипуляторами, в системах контроля технического состояния роботов на производственной линии, а также в общих задачах слежения за траекторией движения многозвенных механизмов.

Monitoring systems of automated production lines requires high accuracy and processing speed of acquired data. Nowadays digital twin technologies are rapidly developing as part of Industry 4.0. Digital twin is a virtual representation of a physical system that mimics the behaviour of a real object, and is used in real-time control, monitoring and disturbance prediction, without influence on a real object. Digital twin is being used in many fields of application such as: healthcare, manufacturing, education, city development, etc. Nonetheless, despite the rising popularity of digital twin researches, there is no basic approach to digital twin synthesis. Mostly, in state of the art articles, systems with known parameters are considered. In this paper, approach to development of digital twin, based on internal model for multi-link mechanisms with unknown motion parameters, is presented. Described approach intended to ease the task of production line monitoring and extend digital twin technology application field. In this article adaptive controller design, based on internal model, is presented, theoretical explanations of design process are provided, and application of the control algorithm in the task of multi-link mechanism motion trajectory parameters estimation is described. In this work the experimental synthesis of digital twin for Kuka youBot manipulator based on presented approach in real time is described. Adaptive motion parameters estimation was made for two links of the manipulator for the sake of confirmation of presented approach usage in the task of digital twin for systems with unknown parameters. Motion trajectory parameters of the robot links were defined manually with the use of chaotic generators to estimate the accuracy of the adaptive control system. This approach was used in order to calculate the error of reference tracking by comparing the control signal for digital twin with the reference exogenous input for manipulator links. As the results of the experiment, the graphs of the error reference tracking for both links are presented. As the goal of the experiment, the convergence of reference tracking error to the field [–0.005, 0.005] radian was set, and as can be seen from graphs this goal was achieved. There is a small disturbance of the error convergence on the graphs within the desired field which was caused by noised measurements and delays of the chosen modelling environment real-time simulations. In the conclusion of this paper, further work to reduce the influence of mentioned causes is described. The results of this paper can be used in further digital twin technology researches. Presented approach can be implemented in robots remote control tasks, production lines technical condition monitoring and in general motion trajectory parameters estimation tasks for multi-link mechanisms.

цифровой двойникадаптивная оценкамногозвенные механизмынелинейная траектория движенияdigital twinadaptive estimationmulti-joint mechanismsnonlinear motion trajectoryРабота поддержана грантом Президента Российской Федерации № МД-3574.2022.4.The work was supported by President of the Russian Federation (grant МД-3574.2022.4).ReferencesRasheed A., San O., Kvamsdal T. Digital twin: Values, challenges and enablers from a modeling perspective // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 21980–22012. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2970143Rasheed A., San O., Kvamsdal T. Digital twin: Values, challenges and enablers from a modeling perspective. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 21980–22012. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2970143He B., Bai K.J. Digital twin-based sustainable intelligent manufacturing: A review // Advances in Manufacturing. 2021. V. 9. N 1. P. 1–21. https://doi.org/10.1007/s40436-020-00302-5He B., Bai K.J. Digital twin-based sustainable intelligent manufacturing: A review. Advances in Manufacturing, 2021, vol. 9, no. 1, pp. 1–21. https://doi.org/10.1007/s40436-020-00302-5Cimino C., Negri E., Fumagalli L. Review of digital twin applications in manufacturing // Computers in Industry. 2019. V. 113. P. 103130. https://doi.org/10.1016/j.compind.2019.103130Cimino C., Negri E., Fumagalli L. Review of digital twin applications in manufacturing. Computers in Industry, 2019, vol. 113, pp. 103130. https://doi.org/10.1016/j.compind.2019.103130Madni A.M., Madni C.C., Lucero S.D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering // Systems. 2019. V. 7. N 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/systems7010007Madni A.M., Madni C.C., Lucero S.D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering. Systems, 2019, vol. 7, no. 1, pp. 7. https://doi.org/10.3390/systems7010007Tao F., Zhang H., Liu A., Nee A.Y.C. Digital twin in industry: Stateof-the-art // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2019. V. 15. N 4. P. 2405–2415. https://doi.org/10.1109/TII.2018.2873186Tao F., Zhang H., Liu A., Nee A.Y.C. Digital twin in industry: Stateof-the-art. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, vol. 15, no. 4, pp. 2405–2415. https://doi.org/10.1109/TII.2018.2873186Lu Y., Liu C., Wang K.-K., Huang H., Xu X. Digital Twin-driven smart manufacturing: Connotation, reference model, applications and research issues // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2020. V. 61. P. 101837. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2019.101837Lu Y., Liu C., Wang K.-K., Huang H., Xu X. Digital Twin-driven smart manufacturing: Connotation, reference model, applications and research issues. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2020, vol. 61, pp. 101837. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2019.101837Shahat E., Hyun C.T., Yeom C. City digital twin potentials: A review and research agenda // Sustainability. 2021. V. 13. N 6. P. 3386. https://doi.org/10.3390/su13063386Shahat E., Hyun C.T., Yeom C. City digital twin potentials: A review and research agenda. Sustainability, 2021, vol. 13, no. 6, pp. 3386. https://doi.org/10.3390/su13063386Bilberg A., Malik A.A. Digital twin driven human–robot collaborative assembly // CIRP Annals. 2019. V. 68. N 1. P. 499–502. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2019.04.011Bilberg A., Malik A.A. Digital twin driven human–robot collaborative assembly. CIRP Annals, 2019, vol. 68, no. 1, pp. 499–502. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2019.04.011Gromov V., Borisov O., Vedyakov A., Pyrkin A., Shavetov S., Bobtsov A., Salikhov V., Aranovskiy S. Adaptive multisinusoidal signal tracking system with input delay // IFAC-PapersOnLine. 2016. V. 49. N 13. P. 105–110. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.07.935Gromov V., Borisov O., Vedyakov A., Pyrkin A., Shavetov S., Bobtsov A., Salikhov V., Aranovskiy S. Adaptive multisinusoidal signal tracking system with input delay. IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, no. 13, pp. 105–110. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.07.935Huang J. Nonlinear Output Regulation: Theory and Applications. SIAM, 2004. 318 p. https://doi.org/10.1137/1.9780898718683Huang J. Nonlinear Output Regulation: Theory and Applications. SIAM, 2004, 318 p. https://doi.org/10.1137/1.9780898718683Isidori А., Marconi L. Shifting the internal model from control input to controlled output in nonlinear output regulation // Proc. of the 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC). 2012. P. 4900–4905. https://doi.org/10.1109/CDC.2012.6426464Isidori А., Marconi L. Shifting the internal model from control input to controlled output in nonlinear output regulation. Proceedings of the 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC), 2012, pp. 4900–4905. https://doi.org/10.1109/CDC.2012.6426464Astolfi D., Isidori A., Marconi L., Praly L. Nonlinear output regulation by post-processing internal model for multi-input multioutput systems // IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). 2013. V. 9. N 1. P. 295–300. https://doi.org/10.3182/20130904-3FR-2041.00118Astolfi D., Isidori A., Marconi L., Praly L. Nonlinear output regulation by post-processing internal model for multi-input multioutput systems. IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline), 2013, vol. 9, no. 1, pp. 295–300. https://doi.org/10.3182/20130904-3-FR-2041.00118Pyrkin А., Isidori A. Adaptive output regulation of invertible mimo systems // IFAC-PapersOnLine. 2017. V. 50. N 1. P. 5498–5503. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.1089Pyrkin А., Isidori A. Adaptive output regulation of invertible mimo systems. IFAC-PapersOnLine, 2017, vol. 50, no. 1, pp. 5498–5503. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.1089Pyrkin А., Isidori A. Output regulation for robustly minimum-phase multivariable nonlinear systems // Proc. of the 56th IEEE Annual Conference on Decision and Control (CDC). 2017. P. 873–878. https://doi.org/10.1109/CDC.2017.8263769Pyrkin А., Isidori A. Output regulation for robustly minimum-phase multivariable nonlinear systems. Proc. of the 56th IEEE Annual Conference on Decision and Control (CDC), 2017, pp. 873–878. https://doi.org/10.1109/CDC.2017.8263769Zapateiro M., Vidal Y., Acho L. A secure communication scheme based on chaotic duffing oscillators and frequency estimation for the transmission of binary-coded messages // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2014. V. 19. N 4. P. 991–1003. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2013.07.029Zapateiro M., Vidal Y., Acho L. A secure communication scheme based on chaotic duffing oscillators and frequency estimation for the transmission of binary-coded messages. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2014, vol. 19, no. 4, pp. 991–1003. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2013.07.029

The authors declare that there are no conflicts of interest present.