(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211157311.X (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 太原理工大 学 地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79 号 (72)发明人 王学文　刘曙光　谢嘉成　黄卓　 石昕翠　刘俊　郝梓翔　葛福祥　 闫泽文　孟浩　 (74)专利代理 机构 太原倍智知识产权代理事务 所(普通合伙) 14111 专利代理师 张宏 (51)Int.Cl. G06N 3/00(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01)G06F 8/30(2018.01) (54)发明名称 煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统 及其运行方法 (57)摘要 本发明公开了一种煤矿井下多功能四足机 器人数字孪生系统与运行方法， 属于数字孪生技 术领域。 本发明系统， 包括机器人虚拟空间与机 器人物理实体， 机器人物理实体为四足结构， 包 含自主感知模块、 自主决策模块与自主控制模 块， 机器人虚拟空间包含机器人虚拟仿真、 机器 人虚拟规划、 机器人虚拟调试、 机器人虚拟监控 四个子系统。 机器人虚拟仿真、 虚拟规划、 虚拟调 试子系统为机器人物理实体的设计与运行提供 信息与参考； 机器人虚拟监控子系统为机器人物 理实体提供三维的运行状态监测以及远程可视 的人机交互接口。 通过物理与虚拟空间的实时双 向信息交互映射， 为煤矿井下机器人的设计、 运 维、 监控提供数字孪生解决方案， 提升煤矿智能 化水平。 权利要求书4页 说明书10页 附图5页 CN 115329922 A 2022.11.11 CN 115329922 A 1.一种煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统， 包括机器人虚拟空间与机器人物理 实体， 其特 征在于： 所述机器人虚拟空间包括机器人虚拟仿真子系统、 机器人虚拟规划子系统、 机器人虚 拟调试子系统、 机器人虚拟监控子系统； 所述机器人虚拟仿真子系 统由Unity3d开发， 用 作前期机器人本体设计与运动学建模 的测试验证平台； 所述机器人虚拟规划子系 统由Unity3d开发， 用于在虚拟环境下完成煤矿井下多功能 四足机器人的路径规划； 所述机器人虚拟调试子系统由Webots开发， 用于机器人虚拟规划子系统的测试与优 化； 所述机器人虚拟监控子系统由Un ity3d开发， 包括机器人虚拟监测模块与遥操作模块； 所述机器人物理实体采用四足结构， 包括自主感知模块、 自主决策模块与自主控制模 块； 机器人物理实体和机器人虚拟调试系统通过无线串口通信模块与机器人虚拟监控系统 Unity3d上位机通信； 所述自主感知模块用于感知机器人自身状态以及所处环境信息； 所述自主决策模块用于完成机器人机身高度自适应、 机身姿态自适应、 机器人步态规 划三种对于未知复杂地形的自适应； 所述自主控制模块用于接收来自Unity3d上位机的控制指令， 并将控制指令转化为机 器人动作。 2.根据权利要求1所述的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统， 其特征在于： 机器 人虚拟监控子系统中， 虚拟监测模块通过串口读取自主感知 模块发送的机器人各关节角度 信息， 将各关节数据按发送的规律拆解， 并将数据赋值到机器人数字孪生体的各关节角度， 实现机器人实时运行状态的三维可视化监测， 在虚拟环境中实时观察机器人 的位姿状态， 也能够读取自主感知 模块发送的机器人周围的环 境地图， 在虚拟环境中实时观察机器人的 周边环境。 3.根据权利要求2所述的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统， 其特征在于： 机器 人虚拟监控子系统中， 所述遥操作模块通过Unity3 d中的UGUI人机交互面板远程控制机器 人物理实体或机器人虚拟调试系统中机器人 数字孪生体完成不确定性的复杂任务。 4.根据权利要求1或3所述的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统， 其特征在于： 所述自主感知模块包括三维激光雷达、 单目相机、 机身姿态传感器、 舵机内部角度传感器、 足端触地传感器； 三维激光雷达、 单目相机与机身姿态传感器用于在机器人虚拟规划系统中构建环境地 图， 同时利用环境信息进行自主定位， 三 者融合能够提高系统的鲁棒 性和准确性； 舵机内部角度传感器用于反馈 机器人各关节的角度信息； 足端触地传感器用于在机器人足端触地时提供反馈信号， 使足端停止下落， 以适应未 知复杂地 面。 5.根据权利要求4所述的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统， 其特征在于： 机身 姿态传感器除用于构建环境地图与自主定位外， 还用于实时感知机器人机身的姿态信息， 以保持机器人姿态的稳定 。权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115329922 A 26.权利要求5所述的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统的运行方法， 其特征在 于， 包括以下步骤： S1： 在机器人虚拟仿真子系统中完成Unity3d环境下的煤矿井下多功能机器人数字孪 生体构建， 具体过程如下： S101： 设计机器人尺寸， 并在建模软件中建立机器人模型； S102： 将机器人模型导入三维渲染软件， 调整各部件坐标轴， 对模型进行渲染， 并导入 机器人虚拟仿 真子系统； 所述调整各部件坐标轴是将机器人模型各部件的局部坐标系调整 至适当位置， 以保证导入Un ity3d的模型没有局部坐标轴的旋转； S103： 在机器人虚拟仿真子系统中为机器人模型建立父子关系， 为各部件添加 Transform组件， 使各部件具 备基础的平 移、 旋转变换能力； S2： 在机器人虚拟仿真子系统中对机器人的结构、 运动学模型和步态模型进行验证与 优化， 具体过程如下： S201： 建立煤矿井下多功能四足机器人运动学模型， 编写运动学模型C#脚本， 挂载到机 器人数字孪生体之上； S202： 进行煤矿井下多功能四足机器人步态规划， 将规划结果编写为步态规划C#脚本， 挂载到机器人数字孪生体之上； S203： 机器人数字孪生体在机器人虚拟仿真子系统中运行， 对机器人的结构、 运动学模 型和步态进行测试与优化； S3： 将优化完毕的煤矿井下多功能四足机器人数字孪生体导入机器人虚拟规划子系 统， 并依据机器人 数字孪生体搭建机器人物理实体； S4： 在机器人虚拟调试子系统中建立Webots环境下的煤矿井下多功能四足机器人数字 孪生体构建， 具体过程如下： S401： 将机器人模型导入Webots， 在场景树中建立机器人模型主 要节点； S402： 为机器人模型添加惯性单元 （InertialUnit） 、 位置传感器 （PositionSensor） 、 旋 转电机 （Rotati onalMotor） 与接触传感器 （Touc hSensor） ， 并设置适当的参数； S403： 建立机器人模型主控制器程序与运动学程序， 并搭建主控制器与惯性单元、 位置 传感器、 旋转电机、 接触传感器之间的接口； S5： 分别向机器人虚拟规划子系统与机器人虚拟调试子系统中导入煤矿井下离线地 图； S6： 在机器人虚拟调试子系统中对煤矿井下多功能四足机器人进行调试， 通过机器人 虚拟规划子系统规划机器人路径， 在机器人虚拟调试子系统中执行规划结果， 通过机器人 虚拟监控子系统进行机器人半自主控制与人工控制， 具体过程如下： S601： 同步机器人虚拟规划子系统与机器人虚拟调试子系统中机器人数字孪生体的初 始位姿； S602： 建立基于A*算法的煤矿井下多功能四足机器人路径规划模型， 编写路径规划C# 脚本， 挂载到 机器人虚拟规划子系统中的机器人 数字孪生体之上； S603： 在机器人虚拟规划子系统中进行机器人路径规划， 并将规划结果同步至机器人 虚拟调试子系统中， 按照路径规划结果完成行 走； S604： 通过机器人虚拟监控子系统进行对机器人虚拟调试子系统中的数字孪生体进行权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115329922 A 3