據 Gartner 預測，到 2033 年，空間計算市場將從 2023 年的 1100 億美元增長至 1.7 萬億美元。

Human-machine synergy brings together the physical and digital worlds.

? Spatial computing: Digitally enhances the physical world using technologies like augmented and virtual reality to offer immersive experiences.

Spatial Computing Creates Immersive Experiences for Businesses and Customers Alike.

? Spatial computing technology merges the real and virtual worlds for employees and customers — and it’s coming soon.

空間計算(Spatial Computing)是利用增強現實和虛擬現實等技術，以數字方式增強物理世界。它將實體和虛擬體驗之間的交互提升到一個新的級別。在未來五到七年內，空間計算的使用將通過簡化工作流程和增強協作能力來提高企業效率。

圖撲軟件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

工業產線機械臂通過精確的重復動作執行復雜的任務。圖撲軟件自主研發的 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映射和分析。不僅提高了機械臂的運行效率，還通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數據采集、基于組態平臺的監控場景搭建、數據綁定、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集成了工業控制、數據采集、物聯網、低代碼開發和虛擬仿真等技術的先進應用。圖撲依托自研 HT 低代碼數字孿生平臺，構建生產線機械臂的高精度虛擬模型，既能實時映射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持。

HT 低代碼數字孿生平臺（二三維一體化組態平臺），基于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，平臺支持素材模型和功能庫，支持自主搭建新的業務場景，配置化方式對接多源異構數據，數據驅動數字孿生場景運行。

支持接入協議

本案例通過采集器獲取設備實時數據并執行控制命令。系統可接入工業產線的各類設備，支持多種接入協議：

MQTT協議、Modbus協議、OPC UA協議、自定義協議、IEC 104 協議(IEC 60870-5-104)、西門子 PLC 協議(S7)、三菱 PLC 協議(MC)、三菱 PLC FX 編程口協議

HT 機械臂案例采用三菱 FX3U 系列 PLC 作為產線機器人的控制器。因此我們使用三菱 FX 編程口專用通信協議采集/控制機械臂，并使用 RS-485 進行物理連接。

關于三菱 FX 編程口專用通信協議

上位機可以通過三菱 FX 編程口專用通信協議，利用 PLC 的串口模塊與 PLC 建立通信，實現數據雙向傳輸。串口類型可能是 RS-232C、RS-422、RS-485，具體取決于使用的硬件模塊。該協議支持以下功能：

?監視 PLC 的運行狀態。

?采集 PLC 的各項數據。

?顯示 PLC 的數據和錯誤信息。

?上位機可下載/上傳 PLC 階梯圖程序至 PLC。

?使用 RS-422 時，單個上位機可同時連接多達 16 臺 PLC。

通信格式簡介

上位機可通過使用下列特定指令搭配固定的通信格式，或寫入 FX 系列 PLC 各元器件(X,Y,M,S,T,C,D)的 ON/OFF 狀態及數值。

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設備兼容性。用戶可通過 PC、大屏、手機、平板、VR/AR 等多種終端靈活操作。

工業采集器

工業采集器主要功能

? 數據采集：從各種工業設備如傳感器、PLC、DCS 等實時收集數據。

? 協議轉換：將不同設備的數據轉換成通用格式，實現異構系統的互聯互通。

? 邊緣處理：在數據源頭進行初步處理，如過濾、聚合、分析，以減少傳輸數據量和提高響應速度。

? 數據存儲：將采集的數據存儲到數據庫中，支持后續的查詢和分析。

? 數據分析：對存儲的數據進行統計、分析和挖掘，提取有用的信息和知識。

? 實時監控：實時顯示設備狀態和生產過程，提供必要的報警和通知。

? 安全保障：確保數據在采集、傳輸和存儲過程中的安全性，防止未授權訪問和數據泄露。

? 系統集成：與其他企業系統集成，實現數據的無縫流動和業務協同。

部署環境

數據采集器支持的操作系統和平臺包括但不限于：

Windows 7 及以上版本、Windows Server 2012 及以上版本、Windows Server 2012 及以上版本、Rocky Linux 8 及以上版本、RHEL/CentOS 7 及以上版本、其它 Linux 分支、統信 UOS、麒麟（包括中標、銀河及服務器版和桌面版）

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。基于這種機械臂結構，圖撲 HT 搭建了輕量化設備監控、控制和管理的一體化平臺，主要功能包括：

① 根據設定的數據采集周期，實時上報產線機器人的各點位數據，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 為機械臂編程工作流程。

⑤ 調整機械臂的工作參數，包括速度、工作模式和手抓切換等。

⑥ 恢復機械臂的出廠設置。

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

場景內還支持利用紅外傳感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，機械臂會自動歸位并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。

數字孿生界面

人機交互界面

緊急停止

緊急停止功能用于產線機器人在工作過程中隨時被停止。這可通過產線機器人的物理按鍵、操作面板或數字孿生可視化界面的停止按鈕實現。

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。通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。

機械臂手動編程設置

場景兩側 2D 面板所展示內容主要用于手動定義機械臂的運動方式。左側面板包含了原點設置、清除指令、編輯程序、新建動作序列以及精確調整關節坐標，右側面板則是設置編程時的相應參數。通過這些功能，操作者可以靈活地創建、修改和優化機械臂的動作，確保其能夠準確執行各種復雜的任務。

原點

清除

編輯

新建

控制流程

HT 低代碼平臺支持模型文件導入，機械臂部件導入后，可以在模型編輯器中編輯組裝成完整機械臂模型，配置設備部件之間的父子關系以實現各軸之間的運動關聯效果，并且對各軸可運動范圍做數據綁定，最終實現一個方便場景中復用的機械臂設備。

接著需要為場景中的設備進行測點綁定。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，與數據集中的相應點位建立關聯，并配置點位返回值的數據轉換。

圖紙中的按鈕等交互元素可配置多樣化的事件觸發機制，實現控制指令下發、界面切換和動畫播放等功能，提升用戶體驗和操作效率。

多屏聯動應用

該場景內實現了采集數據驅動的多屏聯動技術。所有打開監控畫面的終端（PC、大屏、手機、平板、VR/AR），均能實時接收數據，監控屏幕中的內容緊隨數據波動實時更新展現。

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，它通過將多個顯示屏幕聯動起來，實現內容的同步展示和互動，從而提高信息傳遞的效率和互動體驗。

1.工業自動化：通過在多個屏幕上展示不同的數據和控制界面，提高操作的效率和響應速度。例如，Web 端 P&ID 及三維在線多屏聯動系統，實現了智能 P&ID 與三維模型的在線瀏覽和多屏聯動。

2.智慧教育：多終端互動實現教學內容在多個屏幕上的共享與互動，提高教學的互動性和學生的參與度。

3.智慧醫療及醫療設備：醫生可以同時查看患者的不同醫療數據和影像資料，實現遠程醫療、多學科協同會診、醫療設備數據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屏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，也吸引了用戶的互動體驗。

5.智能座艙：實現了“一芯多屏”的發展趨勢，通過一顆芯片驅動多個顯示屏，提供更加豐富和流暢的人機交互體驗。

VR / AR 設備支持

在現代教育與培訓領域，VR 和 AR 扮演了十分重要的角色，如實驗室的虛擬仿真培訓、工業的設備拆解培訓、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、建筑工程的挖掘機等大型設備的虛擬操作培訓、軍事領域的戰地醫療和搜救等場景模擬培訓、汽車制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設備維護與修理培訓等等。

同樣，在我們的案例中，用戶可以通過VR設備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。當用戶佩戴 VR 頭盔后，眼前即可看到與現實 1:1 比例的設備模型，以及兩個虛擬手柄，每個手柄都能投射出一條射線，用于與虛擬環境中的物體進行交互。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，并將其轉化為具體的設備控制指令，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創建沉浸式的虛擬現實(VR)和增強現實(AR)體驗。作為 WebVR 的升級版，其目標是統一 VR 和 AR 的標準接口。目前圖撲 HT 通過與 WebXR API 的對接，簡化接入流程并封裝了易用的接口，用戶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，還支持跨設備使用，開發者無需關心具體設備的型號。目前，主流的 VR 頭盔設備如 Pico Neo3、Pico 4、Oculus Quest 2/3、HTC VIVE 等都可支持應用。

通過 VR 與機械臂設備控制的結合，用戶可以在虛擬世界中沉浸式地控制設備。

如果用戶想了解機械臂的零部件構造，HT 組態平臺支持提供三維說明書模塊，用于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于提升用戶對復雜產品或設備的操作、維護和裝配過程的理解。相較于傳統的二維圖紙或文字說明，VR 提供了更直觀、沉浸式的交互體驗。

HT 智能機械臂相關應用

針對連續制造業這類生產過程持續不斷、系統復雜度高，且對精確控制有著極為嚴格要求的領域，圖撲 HT 搭建的智能機械臂生產線監測平臺，以其高效的調度感知、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，并進行精準抓取與裝配。結合 HMI 人機界面控制臺，幫助企業快速實現智慧生產線的智能化控制。

再如，離散制造業作為制造業的關鍵分支，其生產過程特征為各階段相對獨立，最終產品通常由多個獨立零部件組裝而成，如汽車制造、電子元器件制造、服裝產線等等。像智能機械臂這樣高精度、多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的復雜系統，尤其適用于此。

汽車制造領域

車輛自動化生產線中的機械臂已成為現代汽車制造業的核心組件。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制造全流程解決方案中，利用 HT 數字孿生的高精度智能焊接機器人，能夠在沖壓、焊接、噴涂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。結合圖撲先進人機界面(HMI/SCADA/MMI)，用于操作和監視生產設備、調整參數和收集數據，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進程。

圖撲 HT 智慧生產線數字孿生解決方案，主要通過以下幾個步驟，實現了機械臂的精準建模及動作狀態實時展示：

1.建模與動畫支持：對機械臂外觀進行高度還原建模，細致拆分可活動軸，支持流暢的骨骼動畫展示。

2.PLC 測點數據對接：部署 PLC 數據采集服務，配置機械臂各軸的關鍵測點信息，實時采集并傳輸數據至前端界面。

3.虛實聯動實現：在前端界面將機械臂骨骼模型與對應測點綁定，集成 PLC 數據與模型，實現虛擬與現實無縫聯動，為用戶提供直觀、實時的生產狀態監控。

圖撲軟件自研 HT 產品在實際項目中還擴展實現了以下功能，助力燈塔工廠進一步提高機械臂的智能化水平和生產效率：

? 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。當與設備設施或人員位置出現交點時，觸發前端告警。這不僅適用于設備碰撞預警，也可用于人員安全保護。

? 管線聯動：圖撲 HT前端支持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。

手機端設備管理

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設備維護和管理提供了強大的支持。

? 全面的運維功能：系統集成了維修、巡檢、保養、報警以及設備臺賬等多項監管操作，使運維團隊能夠全面管理智能機械臂的各個方面。

? 精準的故障定位：系統利用三維定位技術，能夠多維動態展示設備故障位置及原因，并同步于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：產品允許用戶創建、編輯、渲染和導出三維模型，能適用于各種工業互聯網領域。

智慧教學

智能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。通過圖撲 HT 平臺，學生可以在虛擬環境中操作智能機械臂，深入學習傳感器應用、數據分析和遠程控制等先進概念。3D 場景下讓學生能夠在安全的條件下進行各種復雜的實驗和測試，將理論知識與實踐技能緊密結合。

以模擬汽車噴涂產線為例，在圖撲可視化虛擬環境中，學生可以模擬操作汽車噴漆自動控制噴涂機械裝置，學習如何根據油漆噴涂量的大小，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 人機界面控制臺操作機械臂完成汽車零部件的噴涂工作，更直觀地理解噴涂機械臂如何提升涂裝的自動化程度等操作情況。

智能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，通過實時數據采集和分析，實現對機械臂運行狀態的監控、優化和預測。

圖撲 HT 數字孿生產線機械臂的主要特點和應用場景：

實時監控與優化

實時監控機械臂的運行狀態，通過虛擬模型反映物理實體的實際工作情況。

預測性維護

通過分析機械臂的實時數據，預測潛在的故障和維護需求，減少意外停機時間。

虛擬調試與培訓

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調試和優化，同時，也可用于操作人員的培訓，提高操作安全性。

設計與制造融合

數字孿生技術將產品設計與生產過程緊密結合，實現個性化制造，滿足客戶定制需求，并進行全生命周期管理。

數據驅動的決策

數字孿生模型可以集成大量數據，包括生產數據、操作數據和分析軟件信息，幫助企業做出更加精準的數據驅動決策。

虛實聯動

通過圖撲 HT 數字孿生平臺，實現虛擬機械臂與現實機械臂的同步控制，提供了直觀、高效的虛實交互體驗。

智能控制

結合深度強化學習算法，數字孿生體可以用于訓練和實現對工業機械臂的智能控制。

跨學科融合

數字孿生技術的發展將與可靠性、復雜系統工程、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，研制數字孿生模型、數據、應用等相關國際標準，進一步達成共識。

關于圖撲 HT 組態平臺

組態平臺是一種用于工業自動化控制系統設計、配置和管理的集成開發環境，允許用戶通過圖形化、拖拽式的組態方法，快速構建和定制適合特定工業場景的應用軟件，無需編寫大量底層代碼。

主要功能實現

圖形化界面設計

用戶可以通過圖撲 HT 豐富的圖表元素、動畫效果和實時數據顯示組件，構建清晰直觀的操作界面，反映工業現場設備狀態、工藝流程、報警信息等多元化的信息視圖。

設備驅動與通訊配置

組態平臺支持多種協議和標準，能讀寫諸如 PLC(可編程邏輯控制器)、DCS(分布式控制系統)、智能儀表、板卡等各種工業設備，實現對現場信號的采集和控制指令的發送。

數據采集與處理

可以對工業現場產生的大量實時數據進行有效采集、處理和存儲，包括數據過濾、轉換、邏輯運算等功能，幫助用戶實時分析和優化生產過程。

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并通過多種方式（如界面顯示、郵件、短信、語音播報等）通知相關人員，確保問題得到迅速響應。

控制邏輯與腳本編程

提供簡單的編程環境，允許用戶根據生產工藝要求編制控制邏輯，甚至支持更高級的腳本語言，實現復雜的算法計算和邏輯控制。

歷史數據記錄與報告

集成了數據庫管理系統，能夠長時間記錄工業數據并生成各類圖表和報表，為企業決策提供詳實的歷史數據分析依據。

遠程監控與網絡通信

支持局域網和廣域網環境下的遠程訪問和監控，便于企業實現跨地域、多層級的生產管理和遠程診斷。

Web-Based 訪問和編輯

組態平臺可以通過瀏覽器訪問和編輯，無需下載和安裝，適配多種設備和平臺，實現現場設備控制、車間內部工作場所、家庭、集團遠程管理等多場景應用。

高可靠性和穩定性

組態平臺能夠連續穩定運行上萬小時，支持雙機熱備，秒級切換，全鏈路日志收集，確保工業自動化系統的穩定運行。

高性能渲染和低時延數據響應

自研 HT 渲染框架支持大量組件同時渲染，單頁可處理上千動態點位，雙向長鏈接通信，數據響應時間短，指令下發迅速。

易于項目實施交付

支持跨工廠應用導入導出，自定義 URL，點位復用，可視化開發自定義組件，一次定義，多處使用，簡化項目實施和交付流程。

數字孿生系統

HT 低代碼平臺支持 2D 場景、2.5D 場景、3D 場景展示、2D GIS 場景、3D GIS 場景，適用于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。

關于圖撲

圖撲軟件低代碼數字孿生平臺以其在工業數字孿生和可視化監控運維領域的顯著優勢，正推動行業的創新浪潮。HT 平臺采用尖端的 Web 輕量化建模技術，成功超越了傳統工業組態仿真軟件的約束。HT 的輕量級運維方案摒棄了對龐大制造模型庫的依賴，更加精準地滿足實際應用的需求，實現了真正的跨平臺兼容性。依托 B/S 架構，平臺的 Web 化設計將仿真軟件的運行環境從高性能工作站和專業顯卡的束縛中解放出來。現在，這些軟件能夠在任何標準的網絡瀏覽器中流暢運行，顯著提升了系統的可訪問性和用戶的操作便利性。

HT 摒棄了傳統 BIM 在運維中的局限性，在性能與實用性之間找到了平衡點。盡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，避免了過度復雜化。為用戶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 引擎支持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 芯片和鴻蒙 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，推進了智能工廠中數據分析、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 、智能制造、工業元宇宙、產業元宇宙發展的重要支撐技術之一。

審核編輯 黃宇