基于公理设计的人机协作数字孪生建模技术

来源：计算机集成制造系统编辑部

作者：刘鑫 李公法等

关键词: 人本智造, 人机协作, 数字孪生, 公理化设计, 建模方法

智能制造作为我国制造业创新发展的重要抓手，是实现制造业转型升级的重要途径，也是加速建设制造强国的主攻方向。作为先进信息技术与先进制造技术的深度融合，智能制造的理念和技术贯穿于产品开发、服务和运维等全生命周期的各个环节及相应系统，旨在不断提升企业的产品质量、效益和服务水平，减少资源消耗，推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。当前，随着智能制造技术的不断发展，研究人员逐渐加强了对“人”的重视程度，提出了以人为本的智能制造发展方向。人是智能制造的最终服务对象，人本智造是未来智能制造发展的重要方向，而安全性高、稳定可靠的人机协作是实现人本智造的基础。

随着科学技术的发展，人机关系一直处于快速演变的过程中。从最初的人机共存，经过人机合作和人机交互，逐渐发展到现在的人机协作。在人机协作模式下，机器只负责执行少数固定的任务，其余大部分任务交予工人处理。人机协作中的人和机器可以通过直接接触或间接接触的方式共享操作意图和行为，共同协调系统内的资源与信息，共同承担系统的决策与控制，动态调整和优化任务的执行过程。在执行任务的过程中，由于工人操作的不稳定性以及决策规划的不精确性，导致了人机协作并不能总是顺利地完成。近年来，数字孪生技术的兴起推动了人类生产生活的数字化、网络化和智能化发展，为实现面向人本智造的人机协作新范式提供了新思路。

数字孪生是以多维模型和融合数据为驱动，通过实时连接、映射、分析、交互来刻画、仿真、预测、优化和控制物理世界，使物理系统的全要素、全过程、全价值链达到最大限度的优化。面向人本智造的人机协作新范式旨在以人为核心，关注人在协作过程中的状态变化，这与数字孪生技术所强调的以虚仿实、以虚映实、以虚控实和以虚优实相匹配，能够有效促进人机协作过程中的状态感知、认知分析和控制决策。因此，“以人为本”的人机协作数字孪生系统应运而生，该系统旨在以人为核心，激发人类潜能，提升人类技能，实现人机协作的融合发展。

近年来，虽然数字孪生在人机协作领域的应用不断丰富，但大多数研究的重点在于如何通过数字孪生实现工作任务，对于模型具体构建过程的描述并不多，缺乏一套详细的、完整的人机协作数字孪生模型建模方法与实施步骤。模型作为数字孪生的核心要素，模型构建是实现对物理世界映射、交互和预测的基础和前提。与大多研究领域中的单一研究对象不同，人机协作领域中包含人和机器人两个研究对象。因此，如何分别构建“人”和“机”的数字孪生模型，充分融合人的灵巧性和机器人的准确性，从而得到满足人本智造需求的人机协作数字孪生模型，是当前人机协作领域中应用数字孪生技术的难点。

本文面向以人为本的智能制造，提出一种人机协作数字孪生建模方法。本文创新点如下：

1）探讨了人机协作领域数字孪生模型的建模机理，从机器人模型和协作人员模型两个方面研究了人机协作领域应用数字孪生技术的特征与难点。

2）分析了人机数字孪生模型在建模过程中的影响因素，在此基础上分别定义了机器人数字孪生模型和协作人员数字孪生模型的基本组成结构。

3）提出了基于公理设计的人机协作数字孪生模型的建模路线，并以人机协作抓取为案例，详细验证了所提建模方法。

本研究工作强调“人”在协作任务中的重要性，充分考虑协作人员的心理状态和生理状态，首次提出了人机协作领域中数字孪生模型的建模方法，为数字孪生在人机协作领域的应用提供了参考，为实现面向人本智造的人机协作新范式提供了支撑。