隨著制造商和倉儲(chǔ)商轉(zhuǎn)向利用機(jī)器人技術(shù)來應(yīng)對(duì)壓倒傳統(tǒng)技術(shù)和實(shí)踐的市場壓力，機(jī)器人的地位空前高漲。然而，這些機(jī)器人不是過去的那種機(jī)器了，前者是物理上令人生畏的系統(tǒng)，但智能性和機(jī)動(dòng)性很有限，不能很好地與人類交互?，F(xiàn)在的機(jī)器人是一種靈活的系統(tǒng)，智能性和感知能力顯著提升，可以在和人類協(xié)同工作的時(shí)候執(zhí)行復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)。

要構(gòu)建新一代機(jī)器人，工程師們就需要能夠提供更高可視性、靈活性和效率的技術(shù)和實(shí)踐。為了應(yīng)對(duì)前所未有的復(fù)雜程度，所有工程學(xué)科都必須以前所未有的協(xié)作方式展開協(xié)同，利用數(shù)據(jù)豐富的環(huán)境。

這就是數(shù)字孿生的用武之地。

借助數(shù)字孿生技術(shù)帶來的增強(qiáng)建模和仿真功能，工程師們可以更好地設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署和監(jiān)控制造和倉庫應(yīng)用中的機(jī)器人。

NVIDIA機(jī)器人高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Erin Rapacki表示：“我們現(xiàn)在擁有創(chuàng)建真實(shí)世界數(shù)字孿生所需的技術(shù)。制造設(shè)施和倉儲(chǔ)物流設(shè)施的數(shù)字孿生仿真，將使運(yùn)營企業(yè)能夠優(yōu)化效率并顯著降低成本和浪費(fèi)。”

Rapacki指出，要進(jìn)行這些復(fù)雜的模擬，用戶就需要模擬數(shù)字孿生的所有方面，包括機(jī)器人、傳感器、人、和傳送帶等其他資產(chǎn)。

他表示：“在部署到現(xiàn)實(shí)世界之前，機(jī)器人開發(fā)人員需要能夠在模擬環(huán)境中對(duì)包括安全系統(tǒng)在內(nèi)的完整軟件堆棧進(jìn)行數(shù)千次演練。”

實(shí)現(xiàn)無痛設(shè)計(jì)

在開發(fā)新的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)希望快速嘗試不同的設(shè)計(jì)和控制理念，并鎖定最終的產(chǎn)品要求。通過訪問物理系統(tǒng)的數(shù)字模型，會(huì)有一個(gè)虛擬測試臺(tái)來運(yùn)行迭代設(shè)計(jì)，與每次創(chuàng)建物理原型相比，成本更低且交付時(shí)間更短。這使設(shè)計(jì)工程師們可以進(jìn)一步撒網(wǎng)，投入時(shí)間和資源來探索傳統(tǒng)方法所無法支持的概念和方法。

Maplesoft公司戰(zhàn)略解決方案副總裁Chris Harduwar表示：“在打造新的創(chuàng)新用途時(shí)，這種更為廣泛的分析能力，讓我們能夠考慮到以前會(huì)因?yàn)樵u(píng)估時(shí)間過長而被大打折扣的極端案例。由于數(shù)字模型與運(yùn)營數(shù)據(jù)是保持同步的，因此形成了一個(gè)全面的數(shù)字孿生，可以像實(shí)物資產(chǎn)一樣做出響應(yīng)。這種數(shù)字孿生模型還可以被作為一種靈活的平臺(tái)，用于驗(yàn)證控制策略和生產(chǎn)線計(jì)劃更新，從而生成出更加安全、更加堅(jiān)固的產(chǎn)品。”

然而，要獲得數(shù)字孿生技術(shù)所承諾的全部回報(bào)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須考慮全局，其中涉及的所有學(xué)科。數(shù)字孿生模型和模擬也可以提供幫助。

Rapacki說：“制造設(shè)施或者倉庫物流設(shè)施的數(shù)字孿生，能夠在工作空間中的所有活動(dòng)之間建立數(shù)字連接，并將交通、障礙物、最佳路線、更新的取貨/送貨點(diǎn)等變化傳達(dá)給機(jī)器人裝置。”

例如，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人使用和設(shè)施數(shù)字孿生相同的模擬環(huán)境時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人更容易與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相融合。機(jī)器人的傳感器堆棧利用客戶現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)字孿生進(jìn)行機(jī)器人感知訓(xùn)練和測試?？蛻粽军c(diǎn)還為計(jì)算機(jī)視覺訓(xùn)練提供了合成數(shù)據(jù)，機(jī)器人上的vSLAM（視覺同步定位和映射）可以幫助機(jī)器人根據(jù)更新的設(shè)施模型進(jìn)行導(dǎo)航。

利用離線編程

機(jī)器人編程的復(fù)雜性，以及在倉庫或者生產(chǎn)車間調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)的高成本，使得支持?jǐn)?shù)字孿生的建模和仿真成為復(fù)雜機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)的一個(gè)重要組成部分。一旦設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了機(jī)器人和相關(guān)流程，工程師們就可以使用建模和仿真工具來執(zhí)行離線編程了。

支持?jǐn)?shù)字孿生的建模和仿真，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在完整的物理系統(tǒng)完成之前就開發(fā)和測試代碼，通過允許并行完成代碼編程和物理系統(tǒng)構(gòu)建來節(jié)省時(shí)間。

羅克韋爾自動(dòng)化機(jī)器人和數(shù)字工具平臺(tái)負(fù)責(zé)人Roberta Tanzariello表示：“其結(jié)果確保了循環(huán)時(shí)間的優(yōu)化和無碰撞的軌跡，先進(jìn)的機(jī)器人仿真軟件可以通過離線機(jī)器人編程部署具有挑戰(zhàn)性的機(jī)器人應(yīng)用，例如焊接、鉆孔和切割。用戶則可以添加詳細(xì)信息以離線創(chuàng)建完整的程序。”

一旦使用第一遍標(biāo)稱數(shù)據(jù)創(chuàng)建并調(diào)整了初始數(shù)字模型，就可以將其與控制系統(tǒng)開發(fā)工具進(jìn)行集成了。

Harduwar說：“對(duì)于制造自動(dòng)化來說，控制工程師可以準(zhǔn)備一個(gè)虛擬[可編程邏輯控制器 (PLC)]，并將信號(hào)用作數(shù)字孿生的輸入，成為工程師們可以驗(yàn)證和模擬對(duì)新代碼物理響應(yīng)的環(huán)境。”

離線驗(yàn)證對(duì)于運(yùn)行在危險(xiǎn)工作環(huán)境中、或者是代碼錯(cuò)誤可能對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)或操作員造成傷害的系統(tǒng)進(jìn)行初步集成測試方面，是很有價(jià)值的。這樣一來，測試故障條件就更安全，并且可以在虛擬環(huán)境中更快速地完成。

在現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)上，工程師可以通過在線仿真調(diào)查問題，并使用數(shù)字孿生來表示生產(chǎn)環(huán)境，這與數(shù)字孿生評(píng)估代碼更新執(zhí)行方式的方法是相同的。

Harduwar說：“我們看到數(shù)字孿生被用于解決客戶報(bào)告的異常情況，這些客戶發(fā)現(xiàn)他們網(wǎng)站上運(yùn)行的硬件存在問題，一旦確定了根本原因，就可以在將編程更改應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)之前，使用這種模型來驗(yàn)證預(yù)期結(jié)果，從而大大縮短系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，防止代碼錯(cuò)誤造成代價(jià)高昂的影響。”

擴(kuò)大AI訓(xùn)練的可能性

數(shù)字孿生技術(shù)還有助于訓(xùn)練AI算法，這些機(jī)制讓機(jī)器人能夠在生產(chǎn)環(huán)境和倉庫環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的應(yīng)用。

在此之前，算法訓(xùn)練經(jīng)常因?yàn)槿狈τ?xùn)練數(shù)據(jù)而受阻。通常，機(jī)器人技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)發(fā)現(xiàn)不存在訓(xùn)練數(shù)據(jù)的問題，這會(huì)極大地限制可以訓(xùn)練算法執(zhí)行的應(yīng)用。

由于要求機(jī)器人執(zhí)行大量獨(dú)有的應(yīng)用，使得訓(xùn)練算法的挑戰(zhàn)進(jìn)一步復(fù)雜化，加劇了訓(xùn)練數(shù)據(jù)的問題。

但是，數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)在提供了一種方法可以訓(xùn)練AI算法以應(yīng)對(duì)更多數(shù)量和更多類型的用例。數(shù)字孿生可以生成模擬數(shù)據(jù)并測試新的功能，快速完成大量配置和設(shè)計(jì)，這些模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)隨后也可以用于訓(xùn)練AI模型，以適應(yīng)更廣泛的現(xiàn)實(shí)世界條件和測試場景。

西門子Siemens Digital Industries Software高級(jí)機(jī)器人仿真總監(jiān)Alex Greenberg表示：“使用數(shù)字孿生仿真生成的合成數(shù)據(jù)，讓AI算法可以學(xué)習(xí)并適應(yīng)物理世界中的不同條件和變化，這種方法有助于降低現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生潛在問題的風(fēng)險(xiǎn)。”

另外一個(gè)例子是在3D計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域（即機(jī)器感知和傳感器融合），3D計(jì)算機(jī)視覺對(duì)于機(jī)器人操縱和感知物體距離是至關(guān)重要的。

Rapacki說：“物體距離對(duì)于機(jī)器人操縱、抓取或者避開物體的能力至關(guān)重要，機(jī)器人必須了解物體距離多遠(yuǎn)。數(shù)字孿生提供了無窮無盡的、具有幾何特征的場景，3D機(jī)器人感知管道可以使用這些場景來訓(xùn)練避免碰撞和抓握等能力。”

還有一種被稱為“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”的技術(shù)，使用數(shù)字孿生來解決最復(fù)雜的問題，進(jìn)一步推動(dòng)了人工智能技術(shù)的極限。該技術(shù)讓算法能夠通過模擬中的反復(fù)試驗(yàn)來學(xué)習(xí)如何執(zhí)行任務(wù)，而這個(gè)過程在現(xiàn)實(shí)世界中是無法實(shí)現(xiàn)的。

克服調(diào)試障礙

另一個(gè)可以發(fā)揮數(shù)字孿生建模和仿真能力的領(lǐng)域是機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試和部署。

盡管這些過程面臨重重阻礙，但是工程師們必須應(yīng)對(duì)的主要瓶頸是，那些必須驗(yàn)證機(jī)器人功能的人需要更多地訪問物理系統(tǒng)。

遺憾的是，構(gòu)建和運(yùn)行物理系統(tǒng)成本很高且通常是不切實(shí)際的，因此需要另一種選擇，這時(shí)候數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬調(diào)試功能就可以發(fā)揮作用了。

這個(gè)過程（在模擬中使用具有代表性的客戶環(huán)境作為數(shù)字孿生）解決了這些挑戰(zhàn)，同時(shí)提高了效率。

工程師可以通過虛擬調(diào)試功能，把數(shù)字孿生連接到控制系統(tǒng)（例如PLC）和其他外部設(shè)備，在任何硬件可用之前測試、完善和優(yōu)化機(jī)械、電氣和邏輯設(shè)計(jì)，而無需停止生產(chǎn)。

硬件回路仿真可以作為虛擬調(diào)試過程的一部分來執(zhí)行。其中，不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)可以組合在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)布局中，為開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供操作環(huán)境中機(jī)器人性能的整體視圖。

PLC與機(jī)器人相連接，在詳細(xì)模擬中考慮完整的部署，其中包括重力、力和扭矩等因素，根據(jù)所需的循環(huán)時(shí)間確定應(yīng)用的大小。在這種情況下，仿真功能會(huì)對(duì)來自PLC的真實(shí)控制輸入和來自仿真模型的反饋進(jìn)行測試。

工程師們通過虛擬調(diào)試過程，通常能夠發(fā)現(xiàn)并糾正編程錯(cuò)誤和機(jī)械干擾問題，這個(gè)過程還驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)區(qū)域和機(jī)器人工作范圍以確保操作安全。

Maplesoft公司的Harduwar表示：“以這種方式使用仿真軟件，機(jī)器人工程師們就可以比構(gòu)建單個(gè)物理系統(tǒng)更快速地生成不同的虛擬原型。在各種操作條件下測試數(shù)字模型的性能，也比在倉庫中設(shè)置多個(gè)測試空間更為容易。”

支持?jǐn)?shù)字孿生的虛擬調(diào)試功能，可以幫助機(jī)器人技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高水平的準(zhǔn)確性，提供的方法不僅可以驗(yàn)證單個(gè)設(shè)備和子系統(tǒng)，還可以驗(yàn)證所有組成部分的協(xié)同工作情況。

Rapacki說：“模擬功能讓機(jī)器人工程團(tuán)隊(duì)可以在驗(yàn)證極端情況和執(zhí)行錯(cuò)誤修復(fù)、合并代碼以及管理行為樹和部署集成方面盡可能接近完美，這種系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證——特別是代碼更新——加快了部署時(shí)間并顯著提高了機(jī)器人的質(zhì)量。”

當(dāng)數(shù)字孿生進(jìn)入現(xiàn)場

一旦機(jī)器人技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備好數(shù)字孿生，它就可以將模擬擴(kuò)展到設(shè)計(jì)和初始調(diào)試階段以外的應(yīng)用。如果可以從傳感器獲得實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，或者可以從歷史數(shù)據(jù)中推斷出實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，那么開發(fā)團(tuán)隊(duì)就可以對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行增強(qiáng)，使其代表的物理機(jī)器人系統(tǒng)隨時(shí)間推移有所增強(qiáng)。這可以支持性能的優(yōu)化，通過調(diào)整可控參數(shù)來最大限度提高吞吐量，并找到減少操作磨損的方法來推動(dòng)業(yè)務(wù)成果。

“可以根據(jù)在操作過程中觀察到的真實(shí)行為來評(píng)估和測試機(jī)器人的性能，并且可以使用數(shù)字孿生仿真來支持預(yù)測性和規(guī)范性措施，以提高性能或者評(píng)估潛在問題的替代解決方案，” Siemens Digital Industries Software數(shù)字制造高級(jí)營銷經(jīng)理Mike Rouman這樣說道。

對(duì)于需要響應(yīng)不斷變化的環(huán)境或者與其他機(jī)器交互的機(jī)器人資產(chǎn)來說，數(shù)字孿生可以作為理想的操作案例，讓設(shè)計(jì)師可以從中檢測異常并考慮對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)過程簡化了產(chǎn)品改進(jìn)和流程，能夠在性能參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行調(diào)整。

如今在業(yè)界中，數(shù)字孿生技術(shù)正在被用于排除操作硬件故障，因?yàn)檫@種模型為問題提供了上下文背景，使設(shè)計(jì)人員能夠在不讓受影響系統(tǒng)離線的情況下，進(jìn)行任何補(bǔ)救和代碼更改操作。數(shù)字孿生憑借傳感器數(shù)據(jù)的良好質(zhì)量以及仿真運(yùn)行時(shí)間的縮短，相比標(biāo)準(zhǔn)的固定時(shí)間仿真來說，可以從更有利的點(diǎn)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

Harduwar說：“未來的挑戰(zhàn)將是在更廣泛的環(huán)境中開發(fā)快速、高效的數(shù)字孿生模型，并培訓(xùn)更多工程師學(xué)習(xí)使用和應(yīng)用支持這些數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)的工具。”