随着数字孪生技术的快速发展，数字孪生技术与其他技术的兼容性不断增强，正因为如此，图像识别技术在数字孪生技术中的应用才能够成为现实。然而，数字孪生技术中的关键点——虚实互控技术还不够成熟。
不仅如此，数字孪生技术中对于图像识别技术的应用也存在着坐标系维度变换的问题，而坐标系的维度变换问题正是图像识别技术与数字孪生技术融合的关键。因此，本文以七巧板拼接为例，提出了一种图像识别技术在数字孪生技术中的应用方案。
关键词：数字孪生、图像识别、机械臂
1.方法介绍1.1 硬件准备
硬件准备分别包括一套常规的七巧板组件、KUKA KR6机械臂及其配件（KUKA Robotics Co., LTD）、S7-1200型可编程逻辑控制器（PLC）（SIEMENS）、Windows系统电脑主机。七巧板组件包括两块40cm*40cm*3cm的纯黑色底板，由普通石材制成，分为左底板和右底板。右底板用于放置分散的七巧板组件，左底板用于放置拼接的七巧板组件。底板为黑色，以便于后期图像识别中的颜色处理。此外，还使用了一组传统的七巧板组件。七巧板组件的尺寸如图1所示。每块七巧板的中心位置用铅笔线标出，并指定初始旋转角度，以方便后期图像定位。
图1 七巧板组件
KUKA KR6 机械臂和组件包括KUKA KR6 机械臂（KUKA Robotics Co., LTD）有六个自由轴，每个轴的旋转角度都在 120° 以上，重复精度为 0.015mm 到 0.2mm，如图 2 所示。KUKA KR6机械臂第六轴安装二维工业相机（杭州海康威视数码科技有限公司）进行图像识别，相机周围安装圆形补光灯。在相机拍摄过程中，环形补光灯进行曝光补光，保证每次采集图像的一致性和可靠性。KUKA KR6机械臂的第六轴除了图像采集组件外，还配备了两个气动模块，分别连接两个五点二通电磁阀，以提供足够的吸力来吸食七巧板。气阀通过气管与第六轴相连，其前方装有弹性吸盘，防止机械臂过度伸长造成物理损伤。
图2 Kuka kr6机械臂及其组件
S7-1200 可编程逻辑控制器。控制系统采用SIEMENS S7-1200的PLC和16×24VDC输入输出模块，如图3所示。PLC选择配置1215DC/DC。S7-1200型PLC提供16个输入（I）口和16个输出（O）口，共32个I/O口。S7-1200型PLC还提供PROFINET通讯协议，用于建立虚拟I/O通道，将真实输出转换为模拟输出，控制KUKA KR6机械臂。本文采用PROFINET协议来减少PLC与KUKA KR6机械臂之间的通讯时间。这样就减少了电磁波对脉冲信号的影响，提高了实验的准确性。S7-1200 PLC作为本实验的中控系统，主要负责KUKA KR6机械臂数据的多维处理，以及KUKA KR6机械臂与仿真软件Demo3D之间的实时数据传输。
图3 PLC硬件及模态图
1.2 软件准备
在本实验中，上位机使用Windows系统，所有软件都支持Windows7/8/10系统。仿真软件采用Demo3D（2015）。Demo3D具有高保真的物流系统动画、仿真和控制平台，并适应各种类型的PLC。Demo3D通过OLE进行过程控制标准化协议(OPC)与PLC进行通信。
