基于数字孪生的高通量化学实验机器人自主管理调度系统

本发明涉及机器人控制，具体而言，尤其涉及一种基于数字孪生的高通量化学实验机器人自主管理调度系统。

背景技术：

1、随着人工智能和机器人技术的发展，机器人被应用于各种领域当中，在化学相关的领域中，将智能的复合机器人应用于重复性高、危险性大、实验环境恶劣的化学实验任务中是非常有效和必要的。2018年来自格拉斯哥大学的研究人员就训练出了一个由人工智能驱动的化学合成机器人，从而使探索大量化学反应的过程实现自动化。

2、专利cn114995467a公开了一种化学机器人管理和规划调度系统、方法及设备，系统包括：实验流程动态优化模块，能接收化学实验流程文件，并从中获取化学实验机器人对应化学实验任务包含的多个顺序工作站流程，对全部顺序工作站流程进行动态迭代优化，得出每一步应执行的最优操作，以化学实验工作站点指令发送给任务实验模块；任务实验模块，能接收化学实验工作站点指令，并按给出的最优操作，控制化学机器人移动至目标化学实验工作站点，完成对应的化学实验操作；并将执行结果反馈给所述实验流程动态优化模块；以及能根据化学机器人进行的对应化学实验操作控制对应化学仪器的工作。该方法及系统能使化学机器人高效、准确的完成化学实验操作。

3、然而，该专利存在着一定的不足之处。1、现有的化学实验室管理系统，对于整个实验流程的反馈不够具体和完善，无法实时地观察到各个设备的具体运行情况，在面对发生故障时，无法复原故障发生时的整个流程，只有单纯的字面数据，对于故障分析和解决存在优化的空间。2、现有的化学实验室管理系统，没有辅助的定位算法，只依赖于单一算法的定位，装配误差，加上运行时间增加带来的传感器误差都会累积，导致定位时误差超出允许范围的可能性增大。3、现有的化学实验室管理系统，当实验人员在多次观察实验流程后，可能会产生新的不同于优化算法迭代出来的流程改进，这时没有人工介入的功能，便不能快速实现流程的改进。但数字孪生则提供了人工直接介入的功能，在仿真世界模拟新的流程，再与之前的流程进行比对，得出更优的实验流程。

技术实现思路

1、根据上述提出化学实验室管理系统不存在数字孪生系统进行反馈调节的技术问题，而提供一种基于数字孪生的高通量化学实验机器人自主管理调度系统。本发明主要将数字孪生结合生产执行单元，通过互通的数据交互，提高了高通量化学实验的效率和实验样品产出。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于数字孪生的高通量化学实验机器人自主管理调度系统，包括数字孪生单元和生产执行单元；

4、所述数字孪生单元用以建立化学实验室和化学机器人整体的的数字孪生模型，所述数字孪生模型采集高通量化学实验整体的运行数据和仿真数据形成实时信号，所述数字孪生模型发送实时信号至生产执行单元；所述数字孪生单元接收生产执行单元发送的生产结果信号并根据生产结果信号进行仿真优化，所述数字孪生模型将仿真优化后生成的第二生产指令信号发送至生产执行单元；

5、所述仿真优化的方法如下：所述数字孪生模型接收生产结果信号并将生产结果信号转化为第一实验流程，得出第一实验流程所需时间；所述数字孪生模型根据外部输入实验得到第二实验流程，得出第二实验流程所需时间；所述数字孪生模型将第一实验流程所需时间与第二实验流程所需时间进行比较，当第一实验流程所需时间大于第二实验流程所需时间时采用第二实验流程作为第二生产指令信号；当第一实验流程所需时间小于第二实验流程所需时间时采用第一实验流程作为第二生产指令信号；

6、所述生产执行单元用以输入生产指令并输出第一生产指令信号，所述生产执行单元根据第一生产指令信号和第二生产指令信号控制机器人进行化学实验操作，所述生产执行单元将生产结果信号反馈至数字孪生单元。

7、进一步地，所述数字孪生模型包括化学实验室宏观场景、主机设备及其辅机、纹理素材与渲染材质；

8、所述化学实验室宏观场景包括实验室的模型、实验室的布局、光照系统、天空盒。

9、进一步地，高通量化学实验中各个设备的通讯过程如下：

10、高通量化学实验各个设备之间的通信使用tcp/ip通信协议，设置各个设备的ip地址；

11、使用网络交换机将高通量化学实验各个设备连接至同一局域网中。

12、进一步地，所述生产执行单元包括订单模块、编辑模块、日志模块和实验模块；

13、所述编辑模块用以基于现有设备和机器人所能完成的操作编辑新的实验并发送第一生产指令信号和第二生产指令信号至订单模块；

14、所述订单模块用以添加实验室要完成的实验并发送第一生产指令信号和第二生产指令信号至实验模块；

15、所述日志模块用以记录每日系统的操作，每日系统的操作包括第一生产指令信号和第二生产指令信号所产生的订单实验；

16、所述实验模块用以接收第一生产指令信号和第二生产指令信号并按第一生产指令信号和第二生产指令信号执行订单实验。

17、进一步地，所述实验模块包括监视模块和任务模块；

18、所述监视模块用以实时监控化学实验室中各个设备的状态，各个设备的状态包括设备是否在线、是否正常工作、实验信息和实验进度；

19、所述任务模块用以接收第一生产指令信号和第二生产指令信号，所述任务模块与数字孪生单元通信连接，所述任务模块接收复合机器人和相应设备的反馈情况，所述任务模块控制复合机器人和其他设备进行相关的高通量化学实验操作以实现订单实验。

20、进一步地，所述实验信息包括运行的实验数量、当前所运行的实验名称和当前实验的操作人员，所述实验进度显示当前进行的实验名称、实验设备和当前任务。

21、进一步地，所述任务模块包括任务接收子模块、导航定位控制子模块、多站点控制子模块、任务反馈子模块和故障处理子模块；

22、所述任务接收子模块用以接收订单模块发送的第一生产指令信号和第二生产指令信号并发送至导航定位控制子模块；

23、所述导航定位控制子模块与任务接收子模块通信连接，所述导航定位控制子模块接收第一生产指令信号和第二生产指令信号并按第一生产指令信号和第二生产指令信号给出相应的导航定位信号，所述复合机器人根据导航定位信号到达移动定位至目标化学实验工作站点；

24、所述多站点控制子模块用以控制复合机器人按目标化学实验工作站点的对应操作流程完成对应的化学实验操作；

25、所述任务反馈子模块与数字孪生单元通信连接，数字孪生单元实时显示复合机器人与相应设备的工作状态，所述任务反馈子模块从数字孪生单元中获得复合机器人对订单实验的执行结果和各工作站点的任务完成情况并发送反馈信号至数字孪生单元；

26、所述故障处理子模块用以在复合机器人与相应设备发生故障时，使复合机器人停止当前正在进行的化学实验操作。

27、进一步地，所述复合机器人的导航定位算法包括amcl算法和基于二进制方形基准标记的辅助定位算法，所述基于二进制方形基准标记的辅助定位算法用于对复合机器人移动底盘的空间定位及机械臂抓取过程物体空间位姿补偿；

28、各个化学实验工作站点的地面贴有方形基准；

29、在复合机器人根据导航定位信号到达移动定位至目标化学实验工作站点的过程中，当复合机器人因底盘运动误差原因导致机械臂无法准确抓取时，所述复合机器人的机械臂末端相机对复合机器人目标化学实验工作站点基准进行拍摄，得到方形基准的三维二维码，取三维二维码的顶点形成临时空间坐标系，将临时空间坐标系与工位标定时的空间坐标系作比较进行计算，得到移动底盘在x、y轴方向的偏移误差及绕z轴的角度旋转误差，根据偏移误差和旋转误差得到需要补偿的误差值，所述复合机器人根据补偿的误差值进行运动，实现精准定位。

30、进一步地，所述多站点控制子模块包括地图原点控制子模块、起始样品摆放控制子模块、称量机器人控制子模块、液相色谱仪控制子模块、气质联用仪控制子模块、移液机器人控制子模块、反应区控制子模块和旋盖机控制子模块；

31、所述地图原点控制子模块用以对复合机器人复位至地图原点任务的操作进行控制；

32、所述起始样品摆放控制子模块用以控制复合机器人抓取起始位置样品任务和处理废弃样品；

33、所述称量机器人控制子模块用以执行把需加入定量的试剂的样品放入称量机器人工作站点任务的操作和取出称量后样品任务的操作进行控制的操作，以及控制称量机器人的操作；

34、所述液相色谱仪控制子模块用以执行把需进行液相色谱分析的样品放入液相色谱仪工作站点任务的操作和取出色谱分析后样品任务的操作进行控制的操作，以及控制液相色谱仪的操作；

35、所述气质联用仪控制子模块用以执行把需进行气相色谱和质谱分析的样品放入气质联用仪工作站点任务的操作和取出气相色谱和质谱分析后样品任务的操作进行控制的操作，以及控制气质联用仪的工作的操作；

36、所述移液机器人控制子模块用以执行把需添加化学试剂和溶液的样品模组放入移液机器人工作站点任务的操作和取出移液后样品模组任务的操作进行控制的操作，以及控制移液机器人的操作；

37、所述反应区控制子模块用以执行把需要加热和振荡的样品模组放入反应区工作站点任务的操作和取出反应后样品模组任务的操作进行控制的操作，以及控制振荡和加热设备的操作；

38、所述旋盖机控制子模块用以执行把需要旋盖或拧开螺栓的样品模组放入旋盖机工作站点任务的操作和取出旋盖后样品模组任务的操作进行控制的操作，以及控制旋盖机的动作的操作。

39、进一步地，所述地图原点控制子模块按以下方式对复位至地图原点任务的操作进行控制，包括：进入地图原点任务，控制复合机器人的六轴机械臂复位，控制复合机器人底盘移动至地图原点，完成到达地图原点任务；

40、所述起始样品摆放控制子模块按以下方式对放置样品任务的操作和处理废弃样品任务的操作进行控制，包括：进入起始样品抓取任务，控制复合机器人抓取样品，完成起始样品抓取任务；进入处理废弃样品任务，控制复合机器人抓取废弃样品，移动至专用垃圾回收处，放置废弃样品，完成处理废弃样品任务；

41、所述称量机器人控制子模块按以下方式对放入需添加定量试剂的样品任务的操作和取出称量后样品任务的操作进行控制，包括：进入放入称量样品任务，控制复合机器人向称量机器人工作站点放入需添加定量试剂的样品，称量机器人工作，将样品放入称量添加试剂的设备，启动添加试剂设备，完成放入样品任务；进入取出称量后样品任务，控制复合机器人从称量机器人工作站点取出样品，完成取出样品操作；

42、所述液相色谱仪控制子模块按以下方式对放入需进行液相色谱分析样品任务的操作和色谱分析后取出样品任务的操作进行控制，包括：进入放入液相色谱样品任务，控制复合机器人向液相色谱仪放入样品，启动液相色谱仪，完成放入液相色谱样品任务；进入取出色谱分析后样品任务，控制复合机器人从液相色谱仪中取出色谱分析后的样品，完成取出色谱分析后样品任务；

43、所述气质联用仪控制子模块按以下方式对放入需气相色谱和质谱分析的样品任务的操作和取出气相色谱和质谱分析后样品任务的操作进行控制，包括：进入放入需气相色谱和质谱分析的样品任务，控制复合机器人向气质联用仪放入样品，启动气质联用仪，完成放入需气质联用分析的样品任务；进入取出气质联用分析后样品任务，控制复合机器人从气质联用仪取出气质联用分析后样品，完成取出气质联用分析后样品任务；

44、所述移液机器人控制子模块按以下方式对放入需添加化学试剂和液体的样品模组任务的操作和取出移液后样品模组任务的操作进行控制，包括：进入放入需添加化学试剂和溶液的样品任务，控制复合机器人向移液机器人工作站点放入样品模组，移液机器人工作，将相应化学试剂或溶液添加进样品中，完成放入需添加化学试剂和溶液的样品模组任务；进入取出移液后样品模组任务，控制复合机器人从移液机器人工作站点取出移液后样品模组，完成取出移液后样品模组任务；

45、所述反应区控制子模块按以下方式对放入需要加热和振荡的样品模组任务的操作和取出反应后样品模组任务的操作进行控制，包括：进入放入需要加热和振荡的样品模组任务，控制复合机器人向反应区工作站点放入样品模组，启动加热和振荡的设备，完成放入需要加热和振荡的样品模组任务；进入取出反应后样品模组任务，控制复合机器人从反应区工作站点取出反应后的样品模组，完成取出反应后样品模组任务；

46、所述旋盖机控制子模块按以下方式对放入需要旋盖或拧开螺栓的样品模组任务的操作和取出旋盖后样品模组任务的操作进行控制，包括：进入放入需要旋盖或拧开螺栓的样品模组任务，控制复合机器人向旋盖机工作站点放入需要旋盖或拧开螺栓的样品模组，启动旋盖机，完成旋盖或拧开螺栓操作，完成放入需要旋盖或拧开螺栓的样品模组任务；进入取出旋盖后样品模组任务，控制复合机器人从旋盖机工作站点取出旋盖后样品模组，完成取出旋盖后样品模组任务。

47、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

48、本发明通过设置相互反馈的数字孪生单元和生产执行单元，可以实施观察到各个设备的具体运行情况，可以实时观察复合机器人和相应设备的操作情况，且数字孪生单元与生产执行单元通信连接，可以将复合机器人和相应设备的情况反馈给生产执行单元，实现整个自主管理调度系统的闭环。

49、本发明通过设置复合机器人的导航定位算法，实现机器人在面对高通量化学实验的多工位的精准定位。

50、本发明通过采用数字孪生系统，提供了人工直接介入的功能，在仿真世界模拟新的流程，再与之前的流程进行比对，得出更优的实验流程。

51、本发明的生产执行单元通过分析数据库中记录的设备信息和订单信息，分配各个设备与机器人之间的工作顺序，控制复合机器人同时进行多组样品的制备和反应，无需等待之前实验的完成，在相对的短时间内就能完成多批化学实验，得到大量的样品数据，实现高通量化学实验快速、高效的完成。而且在实验所需等待时间较长时，系统控制复合机器人使用无线充电装置，实现了在不耽误实验进度的情况下延长复合机器人的工作时间。

52、本发明的生产执行单元可以通过订单模块来安排所需的实验，方便进行设备和复合机器人的规划调度。生产执行单元可以通过编辑模块实现基于现有设备的新实验方法的生成，通过调用不同设备的相应指令组合来完成新实验的流程。