增強現(xiàn)實技術在智能工廠的典型應用場景分析

金兆鵬

摘? 要：圖像顯示與信息處理技術的進步推動增強現(xiàn)實（AR）技術逐步成熟，同時智能成為未來工廠升級發(fā)展的方向，二者的結合具有技術前沿性和經(jīng)濟應用價值。該文介紹了AR基本概念與關鍵應用技術，就AR輔助設計、虛擬工藝仿真、工廠規(guī)劃等未來智能工廠典型應用場景進行了探討，挖掘AR技術在工業(yè)應用領域的價值潛力。

關鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）;智能工廠;場內(nèi)物流;工藝流程仿真

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 增強現(xiàn)實技術（AR）概述

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術將虛擬信息與真實世界巧妙融合，從而實現(xiàn)虛擬信息對真實世界的“增強”。運用三維、多媒體、傳感、智能交互等多種技術手段，將計算機生產(chǎn)的文字、圖像、視頻信息組成虛擬仿真環(huán)境應用于用戶周邊的真實世界，實現(xiàn)感官上的一體式融合。AR涉及的核心技術如下。

1.1 交互技術

AR技術可提供人機的視覺交互和物理交互。可以是單向交互也可以是雙向交互，單向交互可以是虛擬環(huán)境到真實世界的，也可以是真實世界到虛擬物體的，但不能同時進行;雙向交互是上述2種交互的并存，一般是全雙工的。

1.2 標定及跟蹤注冊技術

標定技術包括2個部分，頭戴透視顯示器增強現(xiàn)實系統(tǒng)標定和攝像機標定。跟蹤注冊技術是一個動態(tài)實現(xiàn)過程，跟蹤技術是對三維空間中某一個點或多個點的跟蹤，主要為坐標和六自由度的姿態(tài)信息;跟蹤注冊技術是3D空間的整合，保持虛擬物體與現(xiàn)實場景在位置上的一致性。跟蹤注冊技術可以基于不同原理實現(xiàn)，時下應用廣泛的有3種分別是基于視覺的跟蹤注冊技術、基于傳感器的跟蹤注冊技術以及基于二者的混合跟蹤注冊技術。

1.3 無線網(wǎng)絡技術

現(xiàn)代化智能移動終端是可穿戴計算機、AR接口技術與無線網(wǎng)絡技術的集合。增強現(xiàn)實技術的多應用場景實現(xiàn)需要足夠帶寬、高傳輸速率、低延遲的無線移動通信網(wǎng)絡。不同的無線網(wǎng)技術路線還無法做到完全兼容，這成為增強現(xiàn)實技術拓展應用場景提升服務質(zhì)量的制約因素。

1.4 顯示技術

顯示技術是人機交互的實施環(huán)節(jié)，計算機生成的虛擬信息借由顯示技術傳達至用戶。AR顯示模塊設計需滿足Eitoku提出的四則標準，提供三維圖形全息顯示、不增加額外的輸出儀器、支撐協(xié)同工作、虛擬信息與現(xiàn)實世界交互共存。

2 AR在智能工廠中的典型應用場景

2.1 工廠內(nèi)部物流輸送

增強現(xiàn)實系統(tǒng)在智能工廠內(nèi)部物流輸送應用領域有以下3個結合點。1）輔助物流系統(tǒng)整體規(guī)劃，AR技術優(yōu)勢使其可以將虛擬設備嵌入真實的加工環(huán)境進行對比分析，適用于物流系統(tǒng)規(guī)劃設計。虛擬設備實現(xiàn)精準的位置參數(shù)定位，預判新增設備與現(xiàn)有設備的位置布局是否合理，是否存在沖突關系。這種方法的優(yōu)點在于不會對現(xiàn)有生產(chǎn)活動產(chǎn)生任何影響。AR帶來了一種更開放的設計理念，物流輸送設計獲得了更大的自由空間，生產(chǎn)經(jīng)營活動決策者可以更加快速應對市場需求變化，縮短設計方案調(diào)整時間。2）訂單視覺揀選，物流系統(tǒng)最核心的環(huán)節(jié)即為訂單揀選，機器視覺信息獲取可以有效避免人為識別錯誤。AR技術提供頭戴顯示器以顯示數(shù)據(jù)信息，減少 檢索時間，將數(shù)據(jù)更直觀地呈現(xiàn)給工人。與跟蹤定位技術配合，完成產(chǎn)品處理流程和位置信息的實時顯示。以三維箭頭為例，選取對象的同時顯示存儲地點和路線，提升揀選效率的同時，降低誤選和漏選錯誤率。3）輔助現(xiàn)場工人，工廠現(xiàn)行內(nèi)部流轉(zhuǎn)通過手工紙質(zhì)清單完成，在未來智能工廠中在線數(shù)據(jù)存儲和顯示智能終端將取代紙質(zhì)清單。AR系統(tǒng)提供完整的解決方案，物品的視覺跟蹤定位信息的預存信息通過頭戴顯示器呈現(xiàn)。AR技術還可以輔助工人培訓，教學內(nèi)容與培訓現(xiàn)場結合教學，培訓內(nèi)容直觀呈現(xiàn)，培訓效率提升。

2.2 AR輔助產(chǎn)品設計

在現(xiàn)有技術階段，設計人員通過穿戴式顯示器，實現(xiàn)文本、圖片、三維模型、視頻信息的數(shù)據(jù)庫獲取。設計師使用CATIA、SolidWorks等三維軟件進行新產(chǎn)品開發(fā)，現(xiàn)有設計手段為三維實體造型，AR技術的出現(xiàn)使設計師可以在模擬環(huán)境下1∶1呈現(xiàn)產(chǎn)品的三維全貌或組部件。產(chǎn)品設計末尾階段，設計人員基于AR模型進行產(chǎn)品設計效果評估，可對建模過程中的錯誤進行糾正、不足之處進行細節(jié)完善。

設計人員還可以對虛擬模型進行手動調(diào)整與觀察，以實現(xiàn)所需操作，獲取預想信息，如圖1所示。設計人員可對導出模型進行力學、結構分析，分析方法采用CAITA軟件中的FEM模塊，虛擬3D模型在AR系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)仿真呈現(xiàn)，對傳統(tǒng)的二維液晶屏幕顯示而言是一種顛覆性技術。

2.3 工藝流程的仿真場景模擬

理想情況下的AR技術可以完成虛擬3D信息的真實環(huán)境一致性嵌入。在真實的制造環(huán)境中滲透一定比例的虛擬信息，如固定設施、工件、刀具等，對真實環(huán)境進行增強。在AR系統(tǒng)的幫助下，將不再需要加工工具建模及加工能力仿真推測評估環(huán)節(jié)。真實加工環(huán)境的全貌和加工工具生產(chǎn)模擬全過程在AR系統(tǒng)得到呈現(xiàn)，避免了工器具測試過程對機器和工具造成的損傷。

以AR和CNC技術的結合為例。在模擬加工過程中，第一步選定虛擬固定設施和工件，第二步根據(jù)真實場景中的真實刀具上的標識物的姿態(tài)對工件進行模擬，第三步執(zhí)行模擬數(shù)控加工程序，對真實刀具加工虛擬工件進行全程模擬，仿真加工信息通過視頻透視式顯示器實時呈現(xiàn)。加工過程中刀具和夾具之間的沖突情況通過虛擬固定設施輔助判斷。

2.4 工廠整體布置規(guī)劃

一個實際產(chǎn)品的制造完成需要多個工序，不同工序需要不同的制造硬件來實現(xiàn)，在不同生產(chǎn)階段這些硬件需要進行替換或升級，這需要足夠的空間和基礎設施來存放替換生產(chǎn)的硬件設備，實際生產(chǎn)過程會造成很大的浪費。AR技術在智能工廠布置規(guī)劃中的應用很好地解決了這一難題，數(shù)字化工廠中的機器人、支架等設備通過3D模型展示布置在廠房架構中，各設備間的沖突情況可以直觀檢查，非常規(guī)設備安裝時間縮短、難度降低。AR技術的應用，使得絕大部分工廠架構和設備安裝問題在施工開始前得到解決。

3 結語

增強現(xiàn)實（AR）技術的先進性決定了其廣闊的應用場景，結合其在智慧工廠中的典型應用，增強現(xiàn)實技術在提升工廠智能化水平的同時，縮短了產(chǎn)品設計周期，提升了產(chǎn)品完成質(zhì)量。伴隨大數(shù)據(jù)、云計算、移動無線通信網(wǎng)絡的發(fā)展，AR與智能工廠會在新的領域?qū)崿F(xiàn)結合。工廠規(guī)劃水平、場內(nèi)物流效率和安全生產(chǎn)水平會得到進一步提升。

參考文獻

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