本发明涉及数字孪生机器人，尤其涉及一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法及系统。
背景技术：
1、数字孪生是一种新兴的技术，它将数字世界与实际世界相结合，通过数字化复制现实世界的物理系统，实时采集、分析和模拟数据，以便进行实验、优化、监控和决策支持，为各种领域的应用提供了巨大潜力。数字孪生技术通过数字化模拟和仿真的方法，为乒乓球训练带来了全新的可能性。
2、随着科技的发展和人们对人机交互训练机器人的需求的增加，国内外先后出现了各种可以与人进行交互训练的体育机器人。由于受机器人技术限制，机器人的训练技术存在一定的上限。在训练过程中由于球速很快，乒乓球在运动过程中的速度、位置和旋转方式难以捕捉研究，缺乏详细的数据记录和分析，导致无法清晰确定触球方式与乒乓球运动之间的关系，这使得学员和教练无法深入细致了解技能的弱点和改进机会。并且目前的人机训练系统通常是基于固定的算法和程序，对战中真实数据的缺失使得乒乓球机器人无法通过数据分析和自学习更新自身技术，因此限制了机器人技术上限，无法完全模拟一些高水平球员和特有技术的训练。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生技术的乒乓球机器人系统及实现方法。
2、本发明旨在将数字孪生技术应用于乒乓球机器人以完善机器人训练技术，在虚拟空间创建与现实训练场景相应的虚拟孪生体，通过通讯模块实现将物理实体模块与数字孪生模型模块进行连接，并进行数据的交互，并且改变数字孪生模型的相应参数进行推演，不断优化模型，最终通过验证之后的模型实现更高水平的辅助训练，克服传统训练方法的限制，提高乒乓球运动员的训练效率和技能水平。通过数字孪生技术，该系统将为乒乓球运动员和教练提供更强大的工具，以实现更高水平的训练和比赛表现。
3、solidworks，是一款广泛应用于工程设计和制造领域的三维建模软件。能够实现高效精确地创建、编辑和分析复杂的三维模型。solidworks支持参数化建模，可以通过调整尺寸和参数来快速修改模型，提高设计灵活性。在装配功能中，能够构建和模拟多零部件的装配体系结构。此外，软件还提供了详细的工程图和渲染功能，支持高保真场景建模。
4、unreal engine，是一款强大的游戏引擎，同时也在数字孪生领域发挥着重要作用。unreal engine在数字孪生领域的功能丰富，为用户提供了强大的工具和资源，以实现高度逼真、交互性强的虚拟环境。其先进的图形引擎和渲染技术使其能够创建高度逼真的虚拟环境，为数字孪生任务提供了出色的视觉效果。unreal engine支持实时交互和仿真，使用户能够模拟和观察数字孪生系统中的各种场景，从而优化设计、测试和培训。其强大的物理引擎和多平台支持也使其成为模拟真实世界行为的理想选择。
5、本发明的技术方案为：
6、一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，包括：
7、在实际场景即乒乓球机器人训练场景中完成各自功能，采集乒乓球的位置信息，以及乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据，乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据包括乒乓球机器人运动过程中在空间中的位姿状态、机器人控制器的数据、传感器的数据、每个动作关节处的力矩和角加速度信息和运动轨迹；
8、通过三维建模软件及仿真软件，根据数据信息，创建与实际场景中的物理实体相对应的乒乓球机器人系统的虚拟孪生模型系统；
9、将实际场景与数字孪生模型模块进行通讯连接，并进行数据的交互，通过数字孪生虚拟环境对实际场景进行实时监控；
10、通过模拟实现乒乓球运动轨迹的预测；
11、根据乒乓球的运动轨迹进行相应的位姿变化并在数字孪生模块进行实时人为操控。
12、根据本发明优选的，在实际场景中完成各自功能，采集乒乓球的位置信息，以及乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据，包括：
13、在现实世界搭建乒乓球机器人训练场景，包括：乒乓球机器人、乒乓球设备和双目相机；
14、在该训练场景下，实现乒乓球机器人击打乒乓球，双目相机完成乒乓球位置测量；
15、所述采集的信息包括乒乓球机器人的尺寸大小、材质属性、配合关系、在空间中的位姿状态、乒乓球的位置信息，并对机器人控制器的数据、传感器的数据、乒乓球的图像数据进行采集。
16、根据本发明优选的，通过三维建模软件及仿真软件，根据数据信息，创建与实际场景中的物理实体相对应的乒乓球机器人系统的虚拟孪生模型系统；包括：
17、通过采集的数据包括乒乓球的位置信息以及乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据，利用solidworks三维建模软件对场景装置进行建模，将得到的模型导入unrealengine进行虚拟环境的搭建，再利用仿真软件设置参数进行模拟，创建与现实物理空间中的物理实体相对应的数字孪生模型；通过历史数据对构建的数字孪生模型进行仿真模拟。
18、进一步优选的，历史数据是乒乓球机器人的运行过程中保存下来的运行数据；历史数据是经过数据清洗和数据转换的数据结构和数据类型统一的运行数据；历史数据获取的实现过程为：将需要采集数据的装置上安装对应的传感器，将采集到的临时数据传送到计算机，对临时数据进行识别和修复缺失值、异常值和重复记录，并进行数据转换包括归一化和标准化、编码和映射、聚合和合并、离散化、特征工程操作，从而得到历史数据。
19、根据本发明优选的，将物理实体模块与数字孪生模型模块进行通讯连接，并进行数据的交互，通过数字孪生虚拟环境对物理实体模块进行实时监控；包括：
20、利用mqtt实现实际场景和数字孪生模型的数据交互，将unreal engine作为客户端，乒乓球机器人控制器作为服务端，将乒乓球机器人系统分解建立多个客户端，连接对应的服务端，每个客户端负责接收服务端的数据并显示；所述数据包括机器人空间中的位姿状态、乒乓球的位置信息，机器人控制器的数据和传感器的数据。
21、根据本发明优选的，通过模拟实现乒乓球运动轨迹的预测，包括：
22、将历史数据导入数字孪生模型进行推演，比较数字孪生模型的输出与实际观测数据，并对差异进行分析；如果有差异，则进一步优化数字孪生模型，最终得到验证后的数字孪生模型；根据验证结果，对数字孪生模型进行迭代优化，包括：更改数字孪生模型的结构、调整参数、改进数字孪生模型的学习算法；
23、通过数字孪生模型的实时推演，以实现对于乒乓球机器人的监测，包括实现对乒乓球轨迹的预测和乒乓球机器人的实时反应决策；
24、乒乓球轨迹的预测的实现方法为：利用物理模型与数据驱动模型双驱动的方法预测乒乓球的运动；
25、物理模型指孪生实际的乒乓球拍以及乒乓球和环境，在仿真软件中实现乒乓球轨迹的预测；
26、数据驱动模型收集大量的乒乓球轨迹数据，并使用机器学习算法来训练该数据驱动模型；该数据驱动模型学习到乒乓球的运动规律，并用于未来轨迹的预测；数字孪生模型根据预测轨迹完成机械臂的反应决策，并通过通信协议将指令传输到机械臂控制器，实现对机械臂的运动控制。
27、根据本发明优选的，根据乒乓球的运动轨迹进行相应的位姿变化并在数字孪生模块进行实时人为操控，包括：
28、通过数字孪生的可视化技术建立人机交互系统界面并实时映射机器人的运动情况；利用web开发平台，前端框架选用vue.js，利用html、css和javascript设计用户界面。html用于定义页面结构，css用于样式设计，javascript用于交互和动态效果的实现。使用css框架支持响应式设计，确保用户界面能够适应不同设备和屏幕尺寸。使用状态管理工具vuex以管理组件之间的状态和数据流，使用material-ui开发ui组件。设计gui控制面板实时显示乒乓球机器人系统运行的各项数据并进行乒乓球机器人运行模式的切换，最终实现系统界面的设置。
29、进一步优选的，具体实现方法为：通过将电脑与实际机械臂连接，使用传感器提供反馈，利用搭建界面实现使用电脑控制机械臂的精确运动；通过逆运动学算法计算出关节角度，通过通信协议将指令传输到机械臂控制器，实现对机械臂的运动控制。
30、一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现系统，包括物理实体模块、数字孪生模型模块、通讯模块、乒乓球轨迹预测模块、控制模块，通讯模块是实现虚实结合的重要介质。
31、所述物理实体模块，用于：在实际场景中完成各自功能，采集乒乓球的位置信息，以及乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据；
32、所述数字孪生模型模块，用于：通过三维建模软件及仿真软件，根据数据信息，创建与实际场景中的物理实体相对应的乒乓球机器人系统的虚拟孪生模型系统；
33、所述通讯模块，用于：将实际场景与数字孪生模型模块进行通讯连接，并进行数据的交互，通过数字孪生虚拟环境对实际场景进行实时监控；
34、所述乒乓球轨迹预测模块，用于：利用双目相机测量乒乓球三维坐标；通过同时捕捉乒乓球在两个摄像头中的影像，基于影像间的视差信息，计算出乒乓球的三维坐标；
35、所述控制模块，用于：根据乒乓球的运动轨迹进行相应的位姿变化并在数字孪生模块进行实时人为操控；
36、根据本发明优选的，所述乒乓球机器人实现系统还包括数据存储模块，用于对乒乓球的位置信息、乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据以及数字孪生模型推演出的实时数据进行存储，并存储机器人运行状态、电机、传感器以及各个关节角度、角速度、角加速度、关节力矩的数据。
37、进一步优选的，数据存储模块中，选择mysql数据库系统，设计数据表以存储传感器数据、机器人配置和用户信息，编写数据采集和存储代码，提供数据访问接口以支持查询和检索，定期备份数据并记录操作日志。
38、根据本发明优选的，所述乒乓球机器人实现系统还包括可视化模块，包括实时监控系统的可视化展示面板、控制模块的操作面板实际场景中的各部分数据信息、乒乓球位置信息、乒乓球预测轨迹和机器人位姿状态数据。
39、本发明的有益效果为：
40、本发明利用数字孪生技术，高度模拟和仿真现实世界的物理系统，通过孪生实际的乒乓球机器人训练场景，克服传统训练方法不方便记录训练过程和机器人训练水平上限的限制，通过数字孪生模型推演能力优化自主决策并实现训练监测。它允许实时数据收集、模拟预测和远程控制，丰富完善了乒乓球机器人的训练功能，提高乒乓球运动员的训练效率和技能水平。通过数字孪生技术，该系统将为乒乓球运动员和教练提供更强大的工具，以实现更高水平的训练和比赛表现。
1.一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，在实际场景中完成各自功能，采集乒乓球的位置信息，以及乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据，包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，通过三维建模软件及仿真软件，根据数据信息，创建与实际场景中的物理实体相对应的乒乓球机器人系统的虚拟孪生模型系统；包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，将物理实体模块与数字孪生模型模块进行通讯连接，并进行数据的交互，通过数字孪生虚拟环境对物理实体模块进行实时监控；包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，通过模拟实现乒乓球运动轨迹的预测，包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，根据乒乓球的运动轨迹进行相应的位姿变化并在数字孪生模块进行实时人为操控，包括：
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现方法，其特征在于，具体实现方法为：通过将电脑与实际机械臂连接，使用传感器提供反馈，利用搭建界面实现使用电脑控制机械臂的精确运动；通过逆运动学算法计算出关节角度，通过通信协议将指令传输到机械臂控制器，实现对机械臂的运动控制。
8.一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现系统，其特征在于，包括物理实体模块、数字孪生模型模块、通讯模块、乒乓球轨迹预测模块、控制模块；
9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现系统，其特征在于，所述乒乓球机器人实现系统还包括数据存储模块，用于对乒乓球的位置信息、乒乓球机器人的运行状态数据和控制数据以及数字孪生模型推演出的实时数据进行存储，并存储机器人运行状态、电机、传感器以及各个关节角度、角速度、角加速度、关节力矩的数据；
10.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的乒乓球机器人实现系统，其特征在于，所述乒乓球机器人实现系统还包括可视化模块，包括实时监控系统的可视化展示面板、控制模块的操作面板实际场景中的各部分数据信息、乒乓球位置信息、乒乓球预测轨迹和机器人位姿状态数据。
