基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)控裝備診斷與維修進(jìn)展

李香飛,張曉光

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心,天津 300222)

0 引言

隨著新型數(shù)控裝備的發(fā)展，對于數(shù)控裝備維修人才在數(shù)量和質(zhì)量上都有很高要求。數(shù)控維修人員需要具備機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、材料、通訊、數(shù)據(jù)分析等多方面的多重綜合能力。另外，數(shù)控裝備已經(jīng)與新型材料、新型傳感器[1]、虛擬現(xiàn)實(shí)[2]、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[3]、多模態(tài)交互[4]、嵌入式系統(tǒng)[5]等很多新技術(shù)緊密耦合，呈現(xiàn)出高速、高可靠性、高精密的高度集成和高度智能化等特點(diǎn)[6]，導(dǎo)致數(shù)控裝備故障通常具有多學(xué)科領(lǐng)域交叉的高復(fù)雜性。所以數(shù)控維修人員需具有扎實(shí)的多領(lǐng)域基礎(chǔ)知識，才能適應(yīng)各種新技術(shù)與數(shù)控裝備耦合帶來的新挑戰(zhàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將虛擬信息與用戶所在的真實(shí)世界相互疊加的一種新技術(shù)[7]。這種技術(shù)可大大提高用戶對真實(shí)世界的感知能力，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育等方面都有成功應(yīng)用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在航空、建筑、汽車、武器等設(shè)備的維護(hù)方面取得了一定進(jìn)展，通過合理使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，維修成本可減少25%，維修性能可提高30%，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控設(shè)備維修方面的應(yīng)用較少。因此本文以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同設(shè)備維修方面進(jìn)展為基礎(chǔ)，闡述AR技術(shù)在數(shù)控設(shè)備維護(hù)方面的潛力，同時結(jié)合專家診斷技術(shù)、多模態(tài)技術(shù)、情景感知等新技術(shù)，論述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何與這些新技術(shù)融合，以促進(jìn)數(shù)控裝備維修技術(shù)的提升，同時加快培養(yǎng)高質(zhì)量的數(shù)控維修人才。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)備維護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)展

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控裝備維修中的應(yīng)用非常有限，所以以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空、建筑工程、機(jī)械工業(yè)等不同行業(yè)的設(shè)備維護(hù)方面的應(yīng)用為基礎(chǔ)，論述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用于數(shù)控裝備的維護(hù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在數(shù)控維修中的應(yīng)用，基本功能要求包括：實(shí)現(xiàn)真實(shí)數(shù)控機(jī)床與相關(guān)虛擬信息的耦合；根據(jù)數(shù)控裝備運(yùn)行狀態(tài)提供裝備預(yù)防性維護(hù)信息；根據(jù)數(shù)控機(jī)床PMC等系統(tǒng)輸出代碼自動提示維修方案；協(xié)助數(shù)控維修人員實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的拆卸、裝配和調(diào)試；實(shí)現(xiàn)操作人員通過工具對機(jī)床零部件進(jìn)行修配；實(shí)現(xiàn)對于數(shù)控維修操作人員的維修指導(dǎo)和培訓(xùn)提高等[8]。下文主要從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的顯示技術(shù)、跟蹤注冊、人機(jī)交互方式、開發(fā)平臺等不同方面論述。

1.1 顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的世界為主要目的，所以顯示技術(shù)的發(fā)展對于增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用有重要影響。顯示技術(shù)通常以顯示裝備進(jìn)行劃分，包括頭戴式、手持式、計(jì)算機(jī)屏幕、投影式等顯示設(shè)備，其中頭戴式和手持式在設(shè)備維護(hù)方面是兩種應(yīng)用最普遍的顯示設(shè)備。

1.2 跟蹤注冊

跟蹤和注冊是研究如何將虛擬世界正確地疊加于真實(shí)世界，以實(shí)現(xiàn)兩個世界的相互融合，其核心是判斷虛擬情景在真實(shí)世界的位置座標(biāo)。可分為三種方法：基于傳感器技術(shù)、基于視覺、混合技術(shù)。

1.3 人機(jī)交互方式

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目標(biāo)之一是讓用戶在虛擬世界與真實(shí)世界實(shí)現(xiàn)緊密融合，所以人機(jī)交互方式對于用戶的體驗(yàn)有非常明顯的影響。人機(jī)交互的方式有多種，包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸控設(shè)備等傳統(tǒng)方式，也包括語音、手勢、體感等新型交互方式。基于傳統(tǒng)方法如鍵盤和鼠標(biāo)等方式，易于操作成本低廉，但降低了用戶的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感。隨著語音、觸控、動作識別等技術(shù)的提高，提供了更多的人機(jī)交互選擇，優(yōu)化了增強(qiáng)技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.4 開發(fā)平臺

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于一種或多種計(jì)算機(jī)程序平臺的開發(fā)，包括通用計(jì)算機(jī)語言、軟件開發(fā)工具包、專業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件等。

通用計(jì)算機(jī)語言的開發(fā)占增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)平臺的很大一部分，包括Java、C++等。此外，有很多函數(shù)庫在增強(qiáng)技術(shù)的開發(fā)中也有廣泛應(yīng)用。這些開發(fā)平臺的缺點(diǎn)是需要更多具有計(jì)算機(jī)編程專業(yè)知識的人員。很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用專用的軟件開發(fā)工具包，包括Kudan、Vuforia等。另外通用的三維軟件也經(jīng)常用于與上述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，提供虛擬場景中所需的三維圖。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合在數(shù)控維修中的應(yīng)用

2.1 與專家故障診斷系統(tǒng)的耦合

專家故障診斷系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于設(shè)備維護(hù)中，也包括了數(shù)控機(jī)床的維修[9]。專家故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展與人工智能的發(fā)展緊密相關(guān)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、模式識別等，這些技術(shù)的應(yīng)用解決了數(shù)控機(jī)床故障診斷中的很多難題，如故障定位難、故障發(fā)現(xiàn)遲緩、高概率故障發(fā)生等問題[10]。所以，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與專家故障診斷系統(tǒng)的聯(lián)合使用，可幫助數(shù)控維修人員快速定位故障發(fā)生位置，并基于專家診斷系統(tǒng)，給出特定數(shù)控系統(tǒng)故障的可靠解決方案。

2.2 與虛擬技術(shù)的結(jié)合

虛擬技術(shù)與維修技術(shù)的結(jié)合稱為虛擬維修，主要是維修仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)提高維修分析、維修演示、維修訓(xùn)練等目的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身就是與虛擬技術(shù)共同發(fā)展起來的，所以虛擬技術(shù)的成果可直接用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在數(shù)控維修領(lǐng)域，虛擬機(jī)床可直接與現(xiàn)實(shí)場景結(jié)合，解決數(shù)控維修培訓(xùn)中機(jī)床成本昂貴并且培訓(xùn)本身有危險(xiǎn)性的問題，可以大幅度降低培訓(xùn)成本，減少培訓(xùn)過程帶來的機(jī)床損壞或培訓(xùn)人員安全傷害，提高數(shù)控維修培訓(xùn)效果。

2.3 與多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)的結(jié)合

多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)，指利用文字、手勢、身體、語音、動作、視線、環(huán)境和情感等不同的方式，使用多通道并行方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立聯(lián)系。具體來說，人臉識別、表情分析、語音情感、人體動作、視線跟蹤、手勢輸入等方式都可以做為輸入通道，增加人機(jī)交互的靈活性和魯棒性，提高人機(jī)交互的效果。多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控維修中的應(yīng)用提供了更多人機(jī)交互方式(如維修動作識別)，特別是在高檔數(shù)控裝備維修方面有很大的應(yīng)用潛力。為將多模態(tài)交互技術(shù)與數(shù)控維修相結(jié)合，有三方面的問題需要解決：多模態(tài)信息的交互數(shù)學(xué)模型；數(shù)控維修中人員動作的分解；根據(jù)不同維修狀況維修知識的自動準(zhǔn)確推送。

2.4 與情景感知技術(shù)的結(jié)合

情景感知是將人機(jī)交互或不同傳感器得到的信息傳遞給計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息，做出符合特定場景的決策。這種技術(shù)不僅在旅游、智能家居、購物等方面有成功的應(yīng)用，而且在設(shè)備維護(hù)方面也有很好的應(yīng)用潛力。因此，這種技術(shù)可充分考慮到不同場景中維護(hù)者情況的不同，實(shí)現(xiàn)了由“計(jì)算機(jī)為中心”到“維修者為中心”的轉(zhuǎn)變，可為維修人員環(huán)境的自適應(yīng)提供幫助。Zhu等[11]將情景感知技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，建立一種新型系統(tǒng)稱為ACAAR，充分考慮不同維護(hù)人員的不同特點(diǎn)，應(yīng)用于數(shù)控設(shè)備的維修中。

2.5 與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合

云計(jì)算的實(shí)質(zhì)是多種計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互融合的結(jié)果，最終組合成為功能強(qiáng)大的計(jì)算處理信息系統(tǒng)[12]。基于云計(jì)算機(jī)床設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展，打破了機(jī)床控制系統(tǒng)的封閉特性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的開放性，將計(jì)算壓力轉(zhuǎn)移到專用的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，而機(jī)床用戶只負(fù)責(zé)接收最終的處理信息。Liu等[13]提出了一套系統(tǒng)集成的方法，用于車床現(xiàn)代化智能加工。同時，該方法也可利用實(shí)時加工數(shù)據(jù)，結(jié)合云平臺的大數(shù)據(jù)計(jì)算，用于車床的維護(hù)，如主動式維護(hù)以提高車床的使用效率，大大增加數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)效率，減少維護(hù)成本。

3 結(jié)語

(1)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可用于數(shù)控維修人員的培訓(xùn)，減少培訓(xùn)時間和成本，提高培訓(xùn)效果，同時可用于數(shù)控設(shè)備的實(shí)際維修，簡化維修程序，提高設(shè)備使用效率。

(2)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與故障診斷系統(tǒng)、多模態(tài)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、情景感知、云計(jì)算、人工智能等其他相關(guān)領(lǐng)域的聯(lián)合使用，可大大促進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控裝備維修中的快速發(fā)展。