圖撲軟體根據實驗室構建的工業產線機械臂數字孿生環境，對數字孿生關鍵構件、工作過程進行驗證，形成此文，與大家共同探討數字孿生系統構建的關鍵技術。
場景概覽
工業產線機械臂透過精確的重複動作執行復雜的任務。圖撲軟體自主研發的 HT for Web 產品數字孿生搭建應用，使機械臂的每個動作、每次維護和每次故障都能在虛擬空間中得到對映和分析。 不僅提高了機械臂的執行效率，還透過預測性維護降低了意外停機的風險。本案例驗證功能涵蓋了產線機械臂資料採集、基於組態平臺的監控場景搭建、資料繫結、機械臂運動動畫、異常感知處理、控制指令下發、多監控屏聯動、VR 控制等。
整體架構
數字孿生產線機械臂整合了工業控制、資料採集、物聯網、低程式碼開發和虛擬模擬等技術的先進應用。圖撲依託自研 HT 低程式碼數字孿生平臺，構建生產線機械臂的高精度虛擬模型，既能實時對映物理機器人在生產線上的操作狀態，又能控制機械臂運動狀態，為虛實聯動提供了強大而靈活的支援。
HT 低程式碼數字孿生平臺（二三維一體化組態平臺），基於自主可控二三維一體化引擎實現，以搭積木形式構建工業產線數字孿生應用，平臺支援素材模型和功能庫，支援自主搭建新的業務場景， 配置化方式對接多源異構資料，資料驅動數字孿生場景執行。
支援接入協議
本案例透過採集器獲取裝置實時資料並執行控制命令。 系統可接入工業產線的各類裝置，支援多種接入協議：
HT 機械臂案例採用三菱 FX3U 系列 PLC 作為產線機器人的控制器。因此我們使用三菱 FX 程式設計口專用通訊協議採集/控制機械臂，並使用 RS-485 進行物理連線。
在系統功能和可訪問性上，圖撲 HT 引擎強大的底層技術實現了監控系統的多裝置相容性。使用者可透過 PC、大屏、手機、平板、VR/AR 等多種終端靈活操作。
工業採集器
工業採集器主要功能
☑ 資料採集：從各種工業裝置如感測器、PLC、DCS 等實時收集資料。
☑ 協議轉換：將不同裝置的資料轉換成通用格式，實現異構系統的互聯互通。
☑ 邊緣處理：在資料來源頭進行初步處理，如過濾、聚合、分析，以減少傳輸資料量和提高響應速度。
☑ 資料儲存：將採集的資料儲存到資料庫中，支援後續的查詢和分析。
☑ 資料分析：對儲存的資料進行統計、分析和挖掘，提取有用的資訊和知識。
☑ 實時監控：實時顯示裝置狀態和生產過程，提供必要的報警和通知。
☑ 安全保障：確保資料在採集、傳輸和儲存過程中的安全性，防止未授權訪問和資料洩露。
☑ 系統整合：與其他企業系統整合，實現資料的無縫流動和業務協同。
部署環境
資料採集器支援的作業系統和平臺包括但不限於：
HT 機械臂主要功能
工業機械臂主要由基座、旋轉臂、前臂、末端執行器和控制系統組成。基於這種機械臂結構，圖撲 HT 搭建了輕量化裝置監控、控制和管理的一體化平臺， 主要功能包括：
① 根據設定的資料採集週期，實時上報產線機器人的各點位資料，還原機械臂的實際姿態。
② 操控機械臂啟動和停止等。
③ 切換機械臂的工作狀態。
④ 為機械臂程式設計工作流程。
⑤ 調整機械臂的工作引數，包括速度、工作模式和手抓切換等。
⑥ 恢復機械臂的出廠設定。
正常運轉
場景內機械臂根據指令完成物體抓取放置到目標位置，分解動作還原：機械臂啟動-張開抓手-驅動抓手-抓取物體-旋轉機械臂到目標位置上方-放下機械臂-張開抓手釋放物體-回到初始狀態。
異常監測與處置
場景內還支援利用紅外感測器實時監測抓取目標的位置狀態。當監測異常情況（如目標被意外移走）時，機械臂會自動歸位並開始下一輪抓取流程。幫助企業提高生產線的適應性和魯棒性，一定限度地減少因異常情況導致的停機時間，提高整體生產效率。
緊急停止
緊急停止功能用於產線機器人在工作過程中隨時被停止。這可透過產線機器人的物理按鍵、操作皮膚或數字孿生視覺化介面的停止按鈕實現。
從工業生產線控制角度來看，緊急停止和異常監測兩大功能確保生產過程的安全性和效率至關重要。透過實時監控和快速響應機制，在生產效率和安全性之間取得平衡。
機械臂手動程式設計設定
場景兩側 2D 皮膚所展示內容主要用於手動定義機械臂的運動方式。 左側皮膚包含了原點設定、清除指令、編輯程式、新建動作序列以及精確調整關節座標，右側皮膚則是設定程式設計時的相應引數。透過這些功能，操作者可以靈活地建立、修改和最佳化機械臂的動作，確保其能夠準確執行各種複雜的任務。
控制流程
HT 低程式碼平臺支援模型檔案匯入，機械臂部件匯入後，可以在模型編輯器中編輯組裝成完整機械臂模型，配置裝置部件之間的父子關係以實現各軸之間的運動關聯效果，並且對各軸可運動範圍做資料繫結，最終實現一個方便場景中複用的機械臂裝置。
接著需要為場景中的裝置進行測點繫結。這一步驟將機械臂的關鍵屬性，如各軸角度和氣爪開關狀態，與資料集中的相應點位建立關聯， 並配置點位返回值的資料轉換。
圖紙中的按鈕等互動元素可配置多樣化的事件觸發機制，實現控制指令下發、介面切換和動畫播放等功能，提升使用者體驗和操作效率。
多屏聯動應用
該場景內實現了採集資料驅動的多屏聯動技術。所有開啟監控畫面的終端（PC、大屏、手機、平板、VR/AR），均能實時接收資料，監控螢幕中的內容緊隨資料波動實時更新展現。
多屏聯動技術各領域應用
多屏聯動技術在不同行業中的應用日益廣泛，它透過將多個顯示螢幕聯動起來，實現內容的同步展示和互動，從而提高資訊傳遞的效率和互動體驗。
1.工業自動化： 透過在多個螢幕上展示不同的資料和控制介面，提高操作的效率和響應速度。例如，Web 端 P&ID 及三維線上多屏聯動系統，實現了智慧 P&ID 與三維模型的線上瀏覽和多屏聯動。
2.智慧教育： 多終端互動實現教學內容在多個螢幕上的共享與互動，提高教學的互動性和學生的參與度。
3.智慧醫療及醫療裝置： 醫生可以同時檢視患者的不同醫療資料和影像資料，實現遠端醫療、多學科協同會診、醫療裝置資料的共享和管理等功能。
4.數字展覽展示： 展覽內容可以在不同的螢幕上以不同的形式和角度聯動展示，不僅提升了展廳的科技感，也吸引了使用者的互動體驗。
5.智慧座艙： 實現了“一芯多屏”的發展趨勢，透過一顆晶片驅動多個螢幕，提供更加豐富和流暢的人機互動體驗。
VR / AR 裝置支援
在現代教育與培訓領域，VR 和 AR 扮演了十分重要的角色，如實驗室的虛擬模擬培訓、工業的裝置拆解培訓、醫療的創傷急救場景模擬、航空航天的機組人員在太空飛行培訓、建築工程的挖掘機等大型裝置的虛擬操作培訓、軍事領域的戰地醫療和搜救等場景模擬培訓、汽車製造業的車輛駕駛和車輛零部件組裝培訓、能源與電力行業電力工人在高壓環境下的裝置維護與修理培訓等等。
同樣，在我們的案例中，使用者可以透過 VR 裝置下發控制機械臂的操作指令，利用自定義的手柄事件觸發對應的指令。 當使用者佩戴 VR 頭盔後，眼前即可看到與現實 1:1 比例的裝置模型，以及兩個虛擬手柄，每個手柄都能投射出一條射線，用於與虛擬環境中的物體進行互動。當射線指向某個虛擬物體時，對應的事件就會派發。HT 平臺接收到這些事件，並將其轉化為具體的裝置控制指令，從而實現對機械臂的精確操控。
本案例選用 WebXR API 與 VR 頭盔進行對接。WebXR 是一個 Web API，目的是幫助開發者在瀏覽器中建立沉浸式的虛擬現實(VR)和擴增實境(AR)體驗。作為 WebVR 的升級版，其目標是統一 VR 和 AR 的標準介面。目前圖撲 HT 透過與 WebXR API 的對接，簡化接入流程並封裝了易用的介面，使用者只需進行簡單配置就能將三維場景完美呈現在 VR 頭盔中。 此外，還支援跨裝置使用，開發者無需關心具體裝置的型號。目前，主流的 VR 頭盔裝置如 Pico Neo3、Pico 4、Oculus Quest 2/3、HTC VIVE 等都可支援應用。
透過 VR 與機械臂裝置控制的結合，使用者可以在虛擬世界中沉浸式地控制裝置。
如果使用者想瞭解機械臂的零部件構造，HT 組態平臺支援提供三維說明書模組，用於詳細展示機械臂零部件的拆解和組裝過程。 VR 在三維說明書中的應用主要體現於提升使用者對複雜產品或裝置的操作、維護和裝配過程的理解。相較於傳統的二維圖紙或文字說明，VR 提供了更直觀、沉浸式的互動體驗。
HT 智慧機械臂相關應用
針對連續製造業這類生產過程持續不斷、系統複雜度高，且對精確控制有著極為嚴格要求的領域，圖撲 HT 搭建的智慧機械臂生產線監測平臺，以其高效的排程感知、運控和視覺驅動等功能，賦予機械臂"眼睛"與"大腦"。使其能精準識別工件、自動規劃路徑， 並進行精準抓取與裝配。結合 HMI 人機介面控制檯，幫助企業快速實現智慧生產線的智慧化控制。
再如，離散製造業作為製造業的關鍵分支，其生產過程特徵為各階段相對獨立，最終產品通常由多個獨立零部件組裝而成，如汽車製造、電子元器件製造、服裝產線等等。像智慧機械臂這樣高精度、多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的複雜系統，尤其適用於此。
汽車製造領域
車輛自動化生產線中的機械臂已成為現代汽車製造業的核心元件。它們通常可分為 2-6 軸，模仿人類手臂動作，實現高效、精確的全自動化生產流程。
在圖撲數字孿生汽車製造全流程解決方案中，利用 HT 數字孿生的高精度智慧焊接機器人，能夠在衝壓、焊接、噴塗和總裝車間執行弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆和碼垛等多項任務。既能精細化安裝儀表盤、座椅等大型部件，也能靈活地處理小型零件的安裝。結合圖撲先進人機介面(HMI/SCADA/MMI)，用於操作和監視生產裝置、調整引數和收集資料，平臺中允許單一操作員同時監控和控制多臺機械臂。 為車企實現了高效的人機協同作業模式，促進企業的自動化和集約化程序。
圖撲 HT 智慧生產線數字孿生解決方案，主要透過以下幾個步驟，實現了機械臂的精準建模及動作狀態實時展示：
1.建模與動畫支援： 對機械臂外觀進行高度還原建模，細緻拆分可活動軸，支援流暢的骨骼動畫展示。
2. PLC 測點資料對接： 部署 PLC 資料採集服務，配置機械臂各軸的關鍵測點資訊，實時採集並傳輸資料至前端介面。
3.虛實聯動實現： 在前端介面將機械臂骨骼模型與對應測點繫結，整合 PLC 資料與模型，實現虛擬與現實無縫聯動，為使用者提供直觀、實時的生產狀態監控。
圖撲軟體自研 HT 產品在實際專案中還擴充套件實現了以下功能，助力燈塔工廠進一步提高機械臂的智慧化水平和生產效率：
☑ 機械臂碰撞告警： 將機械臂各軸模型抽象為安全區域內的方塊模型。當與裝置設施或人員位置出現交點時，觸發前端告警。 這不僅適用於裝置碰撞預警，也可用於人員安全保護。
☑ 管線聯動： 圖撲 HT 前端支援管線與機械臂各軸的聯動，確保機械臂模型整體的完整性，避免管線穿模問題，更真實地模擬實際生產場景中各軸與管線的同步活動。
手機端裝置管理
除上述功能外，圖撲 HT 還開發了手機端運維管理系統，在智慧生產線監控環節為機械臂等裝置維護和管理提供了強大的支援。
☑ 全面的運維功能： 系統整合了維修 、 巡檢 、 保養 、 報警以及裝置臺賬等多項監管操作，使運維團隊能夠全面管理智慧機械臂的各個方面。
☑ 精準的故障定位： 系統利用三維定位技術，能夠多維動態展示裝置故障位置及原因，並同步於維修工單詳情頁面中。
☑ 靈活的任務分配： 系統會根據實際情況進行轉派處理人操作，能更好地調配作業人手，有針對性地執行維修任務。
☑ 多功能三維模型工具： 產品允許使用者建立、編輯、渲染和匯出三維模型，能適用於各種工業網際網路領域。
智慧教學
智慧機械臂不僅在工業生產中提供強有力支撐，更為職業院校提供創新型智慧教學解決方案，成為創新型教學工具。透過圖撲 HT 平臺，學生可以在虛擬環境中操作智慧機械臂，深入學習感測器應用、資料分析和遠端控制等先進概念。3D 場景下讓學生能夠在安全的條件下進行各種複雜的實驗和測試，將理論知識與實踐技能緊密結合。
以模擬汽車噴塗產線為例，在圖撲視覺化虛擬環境中，學生可以模擬操作汽車噴漆自動控制噴塗機械裝置， 學習如何根據油漆噴塗量的大小，嚴格控制噴嘴與噴漆面之間的距離等影響噴漆效果的因素。同時，學習如何應用 HMI 人機介面控制檯操作機械臂完成汽車零部件的噴塗工作， 更直觀地理解噴塗機械臂如何提升塗裝的自動化程度等操作情況。
智慧產線機械臂應用前景
數字孿生工業產線機械臂將物理機械臂與虛擬模型相結合，透過實時資料採集和分析，實現對機械臂執行狀態的監控、最佳化和預測。
圖撲 HT 數字孿生產線機械臂的主要特點和應用場景：
實時監控與最佳化
實時監控機械臂的執行狀態，透過虛擬模型反映物理實體的實際工作情況。
預測性維護
透過分析機械臂的實時資料，預測潛在的故障和維護需求，減少意外停機時間。
虛擬除錯與培訓
在虛擬環境中，工程師可以在不影響實際生產的情況下對機械臂進行除錯和最佳化，同時，也可用於操作人員的培訓，提高操作安全性。
設計與製造融合
數字孿生技術將產品設計與生產過程緊密結合，實現個性化製造，滿足客戶定製需求，並進行全生命週期管理。
資料驅動的決策
數字孿生模型可以整合大量資料，包括生產資料、運算元據和分析軟體資訊，幫助企業做出更加精準的資料驅動決策。
虛實聯動
透過圖撲 HT 數字孿生平臺，實現虛擬機器械臂與現實機械臂的同步控制，提供了直觀、高效的虛實互動體驗。
智慧控制
結合深度強化學習演算法，數字孿生體可以用於訓練和實現對工業機械臂的智慧控制。
跨學科融合
數字孿生技術的發展將與可靠性、複雜系統工程、量子力學等學科理論進一步交叉融合，服務新型工業化和新質生產力需求。
國際合作與標準制定
加強國際交流合作，研製數字孿生模型、資料、應用等相關國際標準，進一步達成共識。
關於圖撲 HT 組態平臺
組態平臺是一種用於工業自動化控制系統設計、配置和管理的整合開發環境，允許使用者透過圖形化、拖拽式的組態方法，快速構建和定製適合特定工業場景的應用軟體，無需編寫大量底層程式碼。
主要功能實現
圖形化介面設計
使用者可以透過圖撲 HT 豐富的圖表元素、動畫效果和實時資料顯示元件，構建清晰直觀的操作介面，反映工業現場裝置狀態、工藝流程、報警資訊等多元化的資訊檢視。
裝置驅動與通訊配置
組態平臺支援多種協議和標準，能讀寫諸如 PLC(可程式設計邏輯控制器)、DCS(分散式控制系統)、智慧儀表、板卡等各種工業裝置，實現對現場訊號的採集和控制指令的傳送。
資料採集與處理
可以對工業現場產生的大量實時資料進行有效採集、處理和儲存，包括資料過濾、轉換、邏輯運算等功能，幫助使用者實時分析和最佳化生產過程。
報警與事件管理
當工業現場發生緊急情況時，組態平臺能夠及時觸發警報並透過多種方式（如介面顯示、郵件、簡訊、語音播報等）通知相關人員，確保問題得到迅速響應。
控制邏輯與指令碼程式設計
提供簡單的程式設計環境，允許使用者根據生產工藝要求編制控制邏輯，甚至支援更高階的指令碼語言，實現複雜的演算法計算和邏輯控制。
歷史資料記錄與報告
整合了資料庫管理系統，能夠長時間記錄工業資料並生成各類圖表和報表，為企業決策提供詳實的歷史資料分析依據。
遠端監控與網路通訊
支援區域網和廣域網環境下的遠端訪問和監控，便於企業實現跨地域、多層級的生產管理和遠端診斷。
Web-Based 訪問和編輯
組態平臺可以透過瀏覽器訪問和編輯，無需下載和安裝，適配多種裝置和平臺，實現現場裝置控制、車間內部工作場所、家庭、集團遠端管理等多場景應用。
高可靠性和穩定性
組態平臺能夠連續穩定執行上萬小時，支援雙機熱備，秒級切換，全鏈路日誌收集，確保工業自動化系統的穩定執行。
高效能渲染和低時延資料響應
自研 HT 渲染框架支援大量元件同時渲染，單頁可處理上千動態點位，雙向長連結通訊，資料響應時間短，指令下發迅速。
易於專案實施交付
支援跨工廠應用匯入匯出，自定義 URL，點位複用，視覺化開發自定義元件，一次定義，多處使用，簡化專案實施和交付流程。
數字孿生系統
HT 低程式碼平臺支援 2D 場景、2.5D 場景、3D 場景展示、2D GIS 場景、3D GIS 場景，適用於不同場景的應用搭建。
以上功能使得 HT 組態平臺成為工業自動化領域中不可或缺的工具，幫助企業大幅提高生產效率和產品質量，降低運營成本和風險。
產品優勢
圖撲軟體低程式碼數字孿生平臺以其在工業數字孿生和視覺化監控運維領域的顯著優勢，正推動行業的創新浪潮。HT 平臺採用尖端的 Web 輕量化建模技術，成功超越了傳統工業組態模擬軟體的約束。HT 的輕量級運維方案摒棄了對龐大製造模型庫的依賴，更加精準地滿足實際應用的需求，實現了真正的跨平臺相容性。依託 B/S 架構，平臺的 Web 化設計將模擬軟體的執行環境從高效能工作站和專業顯示卡的束縛中解放出來。 現在，這些軟體能夠在任何標準的網路瀏覽器中流暢執行，顯著提升了系統的可訪問性和使用者的操作便利性。
HT 摒棄了傳統 BIM 在運維中的侷限性，在效能與實用性之間找到了平衡點。儘管其模型精度和細節可能不及傳統 BIM 模型，但這種權衡恰好滿足了監控運維的實際需求，避免了過度複雜化。為使用者提供了一個更加高效、實用且低成本部署和維護的解決方案。
圖撲自研國產化 HT for Web 引擎支援與國產嵌入式環境對接。擁有國產信創的適配認證，包括瑞芯微 RK3588 晶片和鴻蒙 HarmonyOS 等。這意味著在保證科技自主可控的同時，避免卡脖子風險，真正實現科技自主可控。
圖撲 HT 數字孿生技術在工業產線機械臂的應用，推進了智慧工廠中資料分析、處理、融合和應用問題的不斷改進，不僅提高了生產效率和產品質量，還降低了運營成本和風險。成為推動工業 4.0 、智慧製造、工業元宇宙、產業元宇宙發展的重要支撐技術之一。
您可以至圖撲軟體官網檢視更多案例及效果：
https://www.hightopo.com/demos/index.html