一、項(xiàng)目背景

數(shù)字孿生工作站（TwinSimulationWorkstation，以下簡稱“TSW”）是德威科技推出的專屬智慧制造領(lǐng)域的仿真/實(shí)景融合的工作平臺，屬于德威二次開發(fā)環(huán)境SmartAgent的一部分。

按照硬件和系統(tǒng)架構(gòu)，分為PC（X86）版和ARM版?；?/span>ARM構(gòu)架的類似產(chǎn)品業(yè)界基本見不到，是針對低功耗、低成本、小型化、布應(yīng)用而專門安排設(shè)計(jì)的。從產(chǎn)業(yè)化和廣泛應(yīng)用的角度看，比PC版有更高的應(yīng)用價值和潛力。

二、配置與描述

2.1 設(shè)計(jì)理念

從設(shè)計(jì)之初，TSW就不是力圖去打造一個大而全的產(chǎn)品平臺，而是著力于解決智慧制造之柔性制造的現(xiàn)場工程和實(shí)施急需解算的相關(guān)問題。諸如根據(jù)視覺或其它技術(shù)獲取工件位置和方位，快速獲得機(jī)器人適宜的免碰撞驅(qū)動轉(zhuǎn)角，并提供通訊鏈路控制機(jī)器人定位到工件相應(yīng)位置進(jìn)行必要的操作。

工作站融合了德威已有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品技術(shù)，廣泛采集工作現(xiàn)場的各種工況數(shù)據(jù)，并提供驅(qū)動機(jī)器人，數(shù)控加工中心和PLC等設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)同步工作。

2.2 構(gòu)架形式

產(chǎn)品分為TSW-PC版本和TSW-ARM版本。通常的應(yīng)用模式是，二次開發(fā)和部署在PC版本上完成，而現(xiàn)場部署和應(yīng)用則交由ARM完成。雖然PC版本也可以代替ARM版本工作，但無論從價格、功耗、體積等方面看，ARM版本更符合現(xiàn)場工作的需要。

2.3 模塊功能

1、 三維渲染：支持各種形式的三維渲染和造型，查看三維實(shí)體的組成組件的細(xì)節(jié)并可任意操控。

2、 多種3D文件兼容：支持assimp插件、Step、IGES、Obj、URDF、STL等三維應(yīng)用格式文件；

3、 運(yùn)動學(xué)支持：支持運(yùn)動學(xué)意義的正向和逆向計(jì)算。

4、 動力學(xué)支持：支持Bullet等動力學(xué)引擎的工程計(jì)算；

5、 機(jī)器人正向/逆向解算：根據(jù)工件的位置和方位，并可結(jié)合速度、加速度、加加速度等參數(shù)限制的A-B路徑規(guī)劃，同步支持環(huán)境避障，并實(shí)時快速計(jì)算多軸機(jī)器人的轉(zhuǎn)角軸值，有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值和意義；

6、 模型庫：通過建立各種設(shè)備的實(shí)體模型，逐步豐富應(yīng)用部件庫，為現(xiàn)場實(shí)施提供直接支撐；

7、 多通訊協(xié)議：通訊協(xié)議既向下支持各種設(shè)備協(xié)議（如法蘭克CNC，西門子CNC、海德漢CNC、三菱CNC、馬扎克CNC、機(jī)器人統(tǒng)一接口驅(qū)動、各種PLC等）和工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議（如EtherCat、etherNet/IP、Profinet/Profibus、Modbus、Canopen等），也平行和向上支持應(yīng)用協(xié)議（opcua、mqtt、mtconnect等），為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供重要的互通基礎(chǔ)。

8、 基礎(chǔ)庫建設(shè)：除了上述內(nèi)容外，平臺還包括其它相關(guān)的可以快速實(shí)現(xiàn)工程實(shí)施設(shè)計(jì)需求的應(yīng)用庫支撐。

9、 二次開發(fā)平臺SmartagentIDE：二次開發(fā)平臺是德威推出配套的“一站式”開發(fā)、部署和維護(hù)軟件環(huán)境，支持德威相關(guān)產(chǎn)品的快速工程應(yīng)用。特點(diǎn)包括：

● 支持在Windows、Ubuntu、MacOS桌面環(huán)境下搭建開發(fā)平臺進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，Ubuntu；

● 整個項(xiàng)目系統(tǒng)均使用DW-SmartAgent平臺進(jìn)行開發(fā)，使用弱類型語言JavaScript進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)；

● 支持應(yīng)用“無移植式”一鍵發(fā)布到常見的主流終端平臺，包括Windows、Ubuntu、MacOS、Android、iOS、EmbeddedLinux等，能有效解決因應(yīng)用終端差異而引起的重復(fù)開發(fā)問題；

● 開發(fā)平臺支持拖拉式設(shè)計(jì)UI交互界面，“所見即所得”進(jìn)行實(shí)時調(diào)試和預(yù)覽；

● 支持常見工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議和設(shè)備協(xié)議：

①      工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議主要包括包括EtherCAT、ProfiBus/Profinet、Ethernet/IP、Modbus、CANopen、DeviceNet等；

②      設(shè)備協(xié)議支持FANUCCNC、SIEMENS828D/840D、海德漢CNC、三菱CNC、馬扎克CNC，以及各種主流PLC設(shè)備等；并通過統(tǒng)一接口驅(qū)動支持絕大部分機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；

● 支持OpenCV4.0，支持多數(shù)Tensorflow、Caffe人工智能模型的編譯和應(yīng)用發(fā)布；

● 平臺支持常用的應(yīng)用層國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包括OPCUA架構(gòu)、MQTT服務(wù)、CoAP、MTConnect等；

● 直接對接MySQL、PostgreSQL、SQLServer數(shù)據(jù)庫，無需開發(fā)后臺連接池服務(wù)；

● 支持對DW系列設(shè)備的GPIO/COM/485/CAN/TCP/UDP/直接編程操作；

三、應(yīng)用場景

采用數(shù)字孿生進(jìn)行仿真，用途很多。例如，通過對現(xiàn)場設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)建模，將屬性映射到虛擬空間中，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用以預(yù)測產(chǎn)品在當(dāng)前狀態(tài)下的工作性能及可能出現(xiàn)的意外情況，提高操作人員對物理實(shí)體的了解，極大的降低了運(yùn)營成本，提高操作安全。然而，TSW的一個非常有價值的地方在于它對于實(shí)際項(xiàng)目有較強(qiáng)的指導(dǎo)甚至直接實(shí)施的工程意義。

3.1 視覺定位工件

    

TSW提供視覺識別需要的絕大部分功能和函數(shù)。這些內(nèi)容已經(jīng)模塊化和函數(shù)化，簡單易用，用戶根據(jù)情況直接調(diào)用集成即可。

模塊內(nèi)容包括相機(jī)內(nèi)標(biāo)定、2點(diǎn)或9點(diǎn)坐標(biāo)變換外標(biāo)定、相機(jī)配置和圖像捕獲、圖像處理等眾多功能。圖像處理基于優(yōu)化的版OpenCV，封裝格式與OpenCV函數(shù)功能一致，方便學(xué)習(xí)和借鑒使用。

本實(shí)例中，至少可以有三種不同的配置，分別是：

a） 全仿真：

全仿真場景中，所有的元素都是虛擬仿真的。包括采樣工件，相機(jī)等。

b） 半仿真：

可以選擇工件，或者相機(jī)是實(shí)景件。例如，可以考慮工件是拍照或其它渠道模擬獲得的圖片，相機(jī)是實(shí)景件，相機(jī)獲取圖片是以數(shù)字文件加載的方式；也可以工件是實(shí)景件，而相機(jī)是模擬的。此時，可以直接拍照獲得圖片，相機(jī)的算法計(jì)算獲得工件的偏移位置和方位，用于驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確與否。

c） 全實(shí)景：

全實(shí)景則表示所有的元素都是實(shí)景的。相機(jī)現(xiàn)場獲得工件實(shí)時圖像并送到相機(jī)處理單元進(jìn)行計(jì)算獲得所需信息。

3.2 機(jī)器人末端匹配

    

實(shí)踐當(dāng)中，我們通常在知道工件的空間位置后，需要操控機(jī)器人的末端到達(dá)工件適宜位置，以抓舉或放置工件。

平臺提供了快速的逆向工程算法，根據(jù)目標(biāo)工件的位置和方位，根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果，計(jì)算出機(jī)器人到達(dá)工件適宜位置的各軸的回轉(zhuǎn)角度，結(jié)果送到平臺集成的控制器對機(jī)器人進(jìn)行操控。

3.3 四輪小車路徑仿真規(guī)劃

這里的AGV小車的仿真使用了動力學(xué)引擎算法。算法根據(jù)四輪的不同速差/扭力，模擬場景中的行走軌跡和位置走向。

實(shí)際上，由于TSW支持實(shí)景的操控，例如，對于車道識別和行走控制，分別提供磁跡法、二維碼法、視覺識別法和人工智能方法，并通過PID等驅(qū)動控制算法控制小車的實(shí)際行走。

TSW配套的控制器提供多種外圍接口和設(shè)備，包括CAN接口、毫米波/超聲波雷達(dá)、RTK高精度GPS定位、語音播報系統(tǒng)等。

3.4 四輪小車+Robot仿真

作為AGV的另外一個實(shí)例，除了小車外，車載機(jī)器人的隨車配套也是較有前途的方向。

同樣，TSW提供機(jī)器人的虛擬仿真和實(shí)景控制的同步解算。并且，TWS的視覺和多軸逆向解算包，為工件的定位和機(jī)器人抓舉和放置工件的快速作業(yè)提供簡單易用的支持。

3.5 車間作業(yè)

車間作業(yè)集成了更多的虛擬設(shè)備和裝置。通常，會包括CNC加工設(shè)備、機(jī)器人、小車和倉儲等，實(shí)際也可以包括更多的其它特定和輔助設(shè)備。所有的設(shè)備都可以仿真運(yùn)行，種類和數(shù)量并沒有限制。

另外，TSW集成了德威*的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)支持部分，可以很容易與實(shí)景中的實(shí)物進(jìn)行同步互動。例如，TSW支持法蘭克、西門子、海德漢、三菱等CNC，支持基于統(tǒng)一接口驅(qū)動控制機(jī)器人（理論上與機(jī)器人品牌無關(guān)），支持基于485、CAN、Modbus、Ethercat、Ethernet/ip、Probus/Profinet、Canopen、Devicenet、GPIO、A/D、D/A等等進(jìn)行采集和控制。