增強現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實（AR）技術逐步成熟，同時智能成為未來工廠升級發展的方向，二者的結合具有技術前沿性和經濟應用價值。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技術在工業應用領域的價值潛力。

關鍵詞：增強現實（AR）;智能工廠;場內物流;工藝流程仿真

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 增強現實技術（AR）概述

增強現實（Augmented Reality，AR）技術將虛擬信息與真實世界巧妙融合，從而實現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，將計算機生產的文字、圖像、視頻信息組成虛擬仿真環境應用于用戶周邊的真實世界，實現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實系統標定和攝像機標定。跟蹤注冊技術是一個動態實現過程，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信息;跟蹤注冊技術是3D空間的整合，保持虛擬物體與現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，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 無線網絡技術

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

1.4 顯示技術

顯示技術是人機交互的實施環節，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、支撐協同工作、虛擬信息與現實世界交互共存。

2 AR在智能工廠中的典型應用場景

2.1 工廠內部物流輸送

增強現實系統在智能工廠內部物流輸送應用領域有以下3個結合點。1）輔助物流系統整體規劃，AR技術優勢使其可以將虛擬設備嵌入真實的加工環境進行對比分析，適用于物流系統規劃設計。虛擬設備實現精準的位置參數定位，預判新增設備與現有設備的位置布局是否合理，是否存在沖突關系。這種方法的優點在于不會對現有生產活動產生任何影響。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，生產經營活動決策者可以更加快速應對市場需求變化，縮短設計方案調整時間。2）訂單視覺揀選，物流系統最核心的環節即為訂單揀選，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據信息，減少 檢索時間，將數據更直觀地呈現給工人。與跟蹤定位技術配合，完成產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）輔助現場工人，工廠現行內部流轉通過手工紙質清單完成，在未來智能工廠中在線數據存儲和顯示智能終端將取代紙質清單。AR系統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。AR技術還可以輔助工人培訓，教學內容與培訓現場結合教學，培訓內容直觀呈現，培訓效率提升。

2.2 AR輔助產品設計

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

設計人員還可以對虛擬模型進行手動調整與觀察，以實現所需操作，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系統中實現動態仿真呈現，對傳統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信息的真實環境一致性嵌入。在真實的制造環境中滲透一定比例的虛擬信息，如固定設施、工件、刀具等，對真實環境進行增強。在AR系統的幫助下，將不再需要加工工具建模及加工能力仿真推測評估環節。真實加工環境的全貌和加工工具生產模擬全過程在AR系統得到呈現，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，第二步根據真實場景中的真實刀具上的標識物的姿態對工件進行模擬，第三步執行模擬數控加工程序，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。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 工廠整體布置規劃

一個實際產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，在不同生產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的硬件設備，實際生產過程會造成很大的浪費。AR技術在智能工廠布置規劃中的應用很好地解決了這一難題，數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，增強現實技術在提升工廠智能化水平的同時，縮短了產品設計周期，提升了產品完成質量。伴隨大數據、云計算、移動無線通信網絡的發展，AR與智能工廠會在新的領域實現結合。工廠規劃水平、場內物流效率和安全生產水平會得到進一步提升。

參考文獻

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