一、項目背景

數字孿生工作站（TwinSimulationWorkstation，以下簡稱“TSW"）是德威科技推出的專屬智慧制造領域的仿真/實景融合的工作平臺，屬于德威二次開發環境SmartAgent的一部分。

按照硬件和系統架構，分為PC（X86）版和ARM版。基于ARM構架的類似產品業界基本見不到，是針對低功耗、低成本、小型化、布應用而專門安排設計的。從產業化和廣泛應用的角度看，比PC版有更高的應用價值和潛力。

二、配置與描述

2.1 設計理念

從設計之初，TSW就不是力圖去打造一個大而全的產品平臺，而是著力于解決智慧制造之柔性制造的現場工程和實施急需解算的相關問題。諸如根據視覺或其它技術獲取工件位置和方位，快速獲得機器人適宜的免碰撞驅動轉角，并提供通訊鏈路控制機器人定位到工件相應位置進行必要的操作。

工作站融合了德威已有的工業物聯網產品技術，廣泛采集工作現場的各種工況數據，并提供驅動機器人，數控加工中心和PLC等設備的聯網同步工作。

2.2 構架形式

產品分為TSW-PC版本和TSW-ARM版本。通常的應用模式是，二次開發和部署在PC版本上完成，而現場部署和應用則交由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，查看三維實體的組成組件的細節并可任意操控。

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

3、 運動學支持：支持運動學意義的正向和逆向計算。

4、 動力學支持：支持Bullet等動力學引擎的工程計算；

5、 機器人正向/逆向解算：根據工件的位置和方位，并可結合速度、加速度、加加速度等參數限制的A-B路徑規劃，同步支持環境避障，并實時快速計算多軸機器人的轉角軸值，有較強的工程應用價值和意義；

6、 模型庫：通過建立各種設備的實體模型，逐步豐富應用部件庫，為現場實施提供直接支撐；

7、 多通訊協議：通訊協議既向下支持各種設備協議（如法蘭克CNC，西門子CNC、海德漢CNC、三菱CNC、馬扎克CNC、機器人統一接口驅動、各種PLC等）和工業現場協議（如EtherCat、etherNet/IP、Profinet/Profibus、Modbus、Canopen等），也平行和向上支持應用協議（opcua、mqtt、mtconnect等），為工業物聯網提供重要的互通基礎。

8、 基礎庫建設：除了上述內容外，平臺還包括其它相關的可以快速實現工程實施設計需求的應用庫支撐。

9、 二次開發平臺SmartagentIDE：二次開發平臺是德威推出配套的“一站式"開發、部署和維護軟件環境，支持德威相關產品的快速工程應用。特點包括：

● 支持在Windows、Ubuntu、MacOS桌面環境下搭建開發平臺進行應用開發，Ubuntu；

● 整個項目系統均使用DW-SmartAgent平臺進行開發，使用弱類型語言JavaScript進行應用開發；

● 支持應用“無移植式"一鍵發布到常見的主流終端平臺，包括Windows、Ubuntu、MacOS、Android、iOS、EmbeddedLinux等，能有效解決因應用終端差異而引起的重復開發問題；

● 開發平臺支持拖拉式設計UI交互界面，“所見即所得"進行實時調試和預覽；

● 支持常見工業現場協議和設備協議：

①      工業現場協議主要包括包括EtherCAT、ProfiBus/Profinet、Ethernet/IP、Modbus、CANopen、DeviceNet等；

②      設備協議支持FANUCCNC、SIEMENS828D/840D、海德漢CNC、三菱CNC、馬扎克CNC，以及各種主流PLC設備等；并通過統一接口驅動支持絕大部分機器人的網絡監控；

● 支持OpenCV4.0，支持多數Tensorflow、Caffe人工智能模型的編譯和應用發布；

● 平臺支持常用的應用層國際標準協議，包括OPCUA架構、MQTT服務、CoAP、MTConnect等；

● 直接對接MySQL、PostgreSQL、SQLServer數據庫，無需開發后臺連接池服務；

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

三、應用場景

采用數字孿生進行仿真，用途很多。例如，通過對現場設備的當前狀態建模，將屬性映射到虛擬空間中，進行數據分析，用以預測產品在當前狀態下的工作性能及可能出現的意外情況，提高操作人員對物理實體的了解，極大的降低了運營成本，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際項目有較強的指導甚至直接實施的工程意義。

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。這些內容已經模塊化和函數化，簡單易用，用戶根據情況直接調用集成即可。

模塊內容包括相機內標定、2點或9點坐標變換外標定、相機配置和圖像捕獲、圖像處理等眾多功能。圖像處理基于優化的版OpenCV，封裝格式與OpenCV函數功能一致，方便學習和借鑒使用。

本實例中，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，相機等。

b） 半仿真：

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

c） 全實景：

全實景則表示所有的元素都是實景的。相機現場獲得工件實時圖像并送到相機處理單元進行計算獲得所需信息。

3.2 機器人末端匹配

    

實踐當中，我們通常在知道工件的空間位置后，需要操控機器人的末端到達工件適宜位置，以抓舉或放置工件。

平臺提供了快速的逆向工程算法，根據目標工件的位置和方位，根據路徑規劃結果，計算出機器人到達工件適宜位置的各軸的回轉角度，結果送到平臺集成的控制器對機器人進行操控。

3.3 四輪小車路徑仿真規劃

這里的AGV小車的仿真使用了動力學引擎算法。算法根據四輪的不同速差/扭力，模擬場景中的行走軌跡和位置走向。

實際上，由于TSW支持實景的操控，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等驅動控制算法控制小車的實際行走。

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

3.4 四輪小車+Robot仿真

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

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

3.5 車間作業

車間作業集成了更多的虛擬設備和裝置。通常，會包括CNC加工設備、機器人、小車和倉儲等，實際也可以包括更多的其它特定和輔助設備。所有的設備都可以仿真運行，種類和數量并沒有限制。

另外，TSW集成了德威*的工業物聯網支持部分，可以很容易與實景中的實物進行同步互動。例如，TSW支持法蘭克、西門子、海德漢、三菱等CNC，支持基于統一接口驅動控制機器人（理論上與機器人品牌無關），支持基于485、CAN、Modbus、Ethercat、Ethernet/ip、Probus/Profinet、Canopen、Devicenet、GPIO、A/D、D/A等等進行采集和控制。