基于增強現實技術的筒子紗印染鎖扣機器人運維巡檢系統研究

吳 樂， 張 倩， 楊萬然， 徐朝月， 王維冠， 侯 曦

1. 北京機科國創輕量化科學研究院有限公司， 北京 100083； 2. 先進成形技術與裝備國家重點實驗室， 北京 100083； 3. 中國紡織機械協會， 北京 100028)

增強現實(AR)技術是應用多媒體、智能交互、傳感等多種技術手段，將現實與虛擬世界的信息完美結合的技術[1]。通過AR技術可將計算機生成的文字、圖像等虛擬信息模擬仿真后應用到真實世界中[2]。在傳統的設備及產線運維巡檢過程中，通過引入AR技術，可以實現巡檢過程可視化指導，巡檢數據可追溯，有效解決傳統人工巡檢過程中存在的巡檢記錄不完整、人工巡檢錯檢漏檢等問題，提高設備運維巡檢效率。AR技術已經在設備檢查維護、智能監控、遠程協作、員工培訓、作業指導等多個方面進行應用部署，其應用可以有效地提高工業設備及生產線的安全性[3-4]。

針對AR技術在運維巡檢中的應用，何智頻等[5]分析探討了AR技術在電力設備智能巡檢中的應用；李大勇等[6]研究了AR技術在變電站智能巡檢系統中的設計應用；何明等[7]分析了AR技術在配電站房巡檢業務中的應用；程新求等[8]分析了AR技術在燃氣行業中巡檢檢修應用；王琮皓等[9]分析了建筑信息模型(BIM)+AR技術在建筑運維管理中的應用。

本文基于AR技術，開展筒子紗印染關鍵機器人的運維巡檢系統研究，采用AR巡檢的方式，通過使用手持便攜式設備實現設備及產線的AR監控巡檢，方便巡檢人員及時觀測并發現設備運行中出現的異常和故障，確保設備及生產線的正常運轉，進一步為企業智能化轉型、大數據化轉型提供基礎服務。

1 運維巡檢系統分析

筒子紗印染數字化生產過程應用了多類多臺套機器人，配合完成各工藝單元任務，實現筒子紗染色生產的自動化，提高生產效率，保證產品品質。主要應用機器人包括自動裝卸紗機器人、高速脫水機器人、均勻烘干機器人、鎖扣機器人及前、后落紗機器人等。其中，鎖扣機器人是筒子紗染色生產線的關鍵機器人之一，通過自動裝卸鎖扣可解決大直徑高層紗籠人工裝卸鎖扣困難、勞動強度大的問題，避免人工操作對紗線的污染與損傷，同時進一步提供穩定的鎖扣鎖緊力，保證紗籠染色過程內外壓差，提升筒子紗染色質量與一次符樣率。

1.1 鎖扣機器人組成

鎖扣機器人主要由三坐標運動機構和裝卸手爪2部分組成，機器人單元主要由機器人、紗籠擺渡車和鎖扣緩存平臺2部分組成，如圖1所示。鎖扣機器人主要包括自動裝鎖扣和自動卸鎖扣2個工藝流程。

圖1 鎖扣機器人

1.2 巡檢需求分析

在鎖扣機器人工作過程中，傳統的人工巡檢方式已無法滿足生產現場需求，主要原因包括：1)無法直觀了解設備當前的任務狀態、生產工藝、運行參數等數據；2)當設備出現生產工藝、機械系統、電氣系統等故障時，部分故障原因無法進行有效排查；3)設備的生產進度、生產效率等數據不能快速統計；4)易出現巡檢記錄不完整、問題反饋不及時、錯檢漏檢等問題。

本文研究基于AR技術的智能運維巡檢系統可有效解決現有問題，巡檢人員可直觀了解設備運行實時狀態，快速記錄并反饋現場問題，及時排查設備故障原因并進行維修保養，有效地提高設備可靠性、穩定性，保證設備生產效率，實現巡檢過程有跡可循、巡檢結果全面直觀。

1.3 運維巡檢作業流程設計

鎖扣機器人智能巡檢作業流程主要包括：模型建立、場景加載、巡檢指令、巡檢數據上傳、巡檢數據分析、過程監控與記錄[10]。

1)模型建立。在鎖扣機器人巡檢過程中，根據筒子紗染色生產線安全通道及管理需求，建立鎖扣機器人位置模型，確定巡檢路線，確保巡檢人員安全問題；建立設備圖像識別模型，實現AR巡檢過程的自動識別。

2)場景加載。在顯示器端選擇巡檢場景，通過手持設備iPad，結合設備圖像識別模型識別巡檢設備對象，完成巡檢場景加載，實現巡檢設備的虛實同步顯示。

3)巡檢指令。在巡檢過程中，巡檢人員結合智能巡檢系統管理功能模塊以及巡檢路線流程，選擇不同巡檢指令，識別并查看相應的各類巡檢數據，進行設備狀態巡檢。

4)巡檢數據上傳。鎖扣機器人記錄巡檢過程中的問題，完成巡檢數據存儲與上傳。

5)巡檢數據分析。通過對鎖扣機器人巡檢過程中的各類數據進行分析處理，及時發現設備故障并進行處理，保證設備的穩定運行，提高設備的運行效率。

6)過程監控與記錄。通過AR巡檢的方式，實現鎖扣機器人設備巡檢過程的有跡可循、數據可追溯。

智能巡檢系統流程如圖2所示。

圖2 智能巡檢作業流程

2 運維巡檢系統方案設計

針對筒子紗印染關鍵機器人的運維巡檢需求，具體分析設備組成以及作業流程，開展包括設備狀態、運行參數、任務狀態、設備故障等運維巡檢數據模型研究，實現各類數據的采集、傳輸、分析與存儲，搭建基于AR技術的筒子紗印染關鍵機器人運維巡檢系統。

2.1 系統框架

針對設備運維巡檢的需求，本文以鎖扣機器人的設備運維為研究對象，設計基于AR技術的智能運維巡檢系統，主要包括設備層、數據層、模型層以及應用層等4個部分。系統研究框架如圖3所示。

圖3 智能運維系統研究框架

1)設備層是運維巡檢系統的實體基礎，主要以鎖扣機器人主體、紗籠移載平臺、紗籠、鎖扣緩存架等關鍵部件為研究對象。

2)數據層主要針對鎖扣機器人的設備狀態、任務狀態、設備運行參數、報警狀態、設備故障、設備綜合效率(OEE)等各類數據進行采集、存儲與統計分析。

3)模型層是系統實現的核心，在三維模型以及數據模型構建的基礎上，結合設備工藝要求進一步構建設備運維巡檢模型。

4)應用層是系統面向用戶的功能服務。系統可實現設備實時信息監測、基于AR技術的智能巡檢、故障監測預警以及設備智能運維與決策等功能。

2.2 系統主要功能模塊

基于AR技術的運維巡檢系統主要功能包括：智能巡檢、實時監測與預警、虛實同步、桌面同步、培訓指導等[11]。

1)智能巡檢。巡檢人員可通過手持設備iPad實現設備及生產線的智能巡檢，后續可支持穿戴式AR眼鏡，實現解放雙手的巡檢方式。

2)實時監測預警。該系統可實現對設備及關鍵零部件的運行狀態、任務狀態、生產工藝等信息的實時監測，以及對設備的機械、電氣、工藝等各類數據的故障監測與預警功能。

3)虛實同步。采用AR技術構建文字、圖片、網站鏈接、三維模型、全景信息等虛擬世界與物理世界的虛實同步，實現數據的交互體驗，增強用戶體驗效果。

4)桌面同步。支持巡檢手持設備iPad與顯示屏之間的桌面同步，方便現場人員查看與監督指導。

5)培訓指導。巡檢人員可以快速直觀準確地了解設備運行相關狀態，對發生的設備故障進行快速判斷并進行維修指導，對可能發生的風險進行提前預警，同時對設備生產工藝、設備綜合效率(OEE)等數據進行快速掌握，可以輔助決策進一步提升生產效率。

2.3 數據模型與接口

1)數據模型建立。針對鎖扣機器人運維數據類型多樣、數據來源不同等問題，為方便快捷地獲取各類運維數據，具體分析鎖扣機器人生產過程關鍵要素，建立鎖扣機器人運維巡檢系統數據模型，如圖4所示。結合數據模型，具體分析需采集的數據類別、數據來源等信息，如表1所示。另外，OEE數據來源于PLC/數據庫。

2) 配置中心：用于管理微服務應用程序所需的配置參數，選用Spring Cloud Config實現，通過Spring Cloud Bus實現動態的配置更新。

圖4 鎖扣機器人智能巡檢系統數據模型

表1 數據類別及來源

2)通信接口設計。為實時準確地獲取鎖扣機器人運維巡檢數據，本文構建了鎖扣機器人運維巡檢系統數據通信架構，如圖5所示。

圖5 數據通信架構

鎖扣機器人運維巡檢數據來源于傳感器及可編程邏輯控制器(PLC)工控系統，采用OPC UA通信協議進行數據采集與傳輸[12]，并存儲在Mysql數據庫；數據采集存儲系統與服務器數據管理平臺相交互，系統采用REST網絡接口，通過REST API(RESTful API)協議與鎖扣機器人運維巡檢系統實現設備運維數據實時傳輸。同時根據Django的ORM(object relational mapping)框架進行數據的增刪改查操作，以JSON(JavaScript object notation)數據格式輸出，實現客戶端和服務端的數據交互。

REST接口實現環境為：Python 3.6編譯環境，Django 2.2.1以上Web框架，PyCharm編譯器，MySQL 5.7.22以上版本數據庫。

3 運維巡檢系統開發及應用驗證

在巡檢系統架構、功能及數據模型等研究基礎上，以鎖扣機器人為對象，開發了具有設備數據實時監控、故障監測預警、設備綜合效率分析、智能運維與決策等功能的基于AR技術的鎖扣機器人運維巡檢系統。

3.1 鎖扣機器人巡檢系統組成

設備運維巡檢系統主要包含終端顯示系統、服務系統和編輯系統三大組成部分，如圖6所示。

圖6 鎖扣機器人巡檢系統組成

1)編輯器端。主要功能是進行場景的信息配置，包括場景創建、模型加載、模型渲染、界面編輯、工程管理及數據加載等功能。

2)顯示終端(手持iPad)。采用手持iPad進行巡檢作業，選擇巡檢場景，通過掃描設備二維碼自動識別巡檢對象，實現巡檢場景加載，通過巡檢指令選擇查看當前巡檢數據。

3)服務器端。服務器作為數據存放系統，主要實現數據上傳、信息查詢以及數據下載等功能。

3.2 系統配置要求

系統要求在個人計算機(PC)及其兼容機上，使用Windows操作系統，要求i7以上CPU，8 G以上內存，100 G以上硬盤，GTX1080以上顯卡；軟件播放器可使用iPad。

3.3 應用驗證

在編輯器端首先進行鎖扣機器人設備AR模型加載，通過solidworks軟件將設備三維模型保存為.STEP格式，采用PiXYZ軟件將.STEP格式轉換為.obj格式，并導入編輯器端；模型導入后可在場景窗口對模型進行查看與編輯，結合現場實際場景及位置信息，對模型的位置、方向等屬性進行調整。其次進行界面屬性編輯，包括運維巡檢界面的尺寸、位置、布局等，可在界面框中插入文字、按鈕、圖片、網頁、圖表等，并通過“添加組件”按鈕加載REST網絡接口，進行設備實時數據的監測與關聯。最后導入巡檢設備識別圖，完成鎖扣機器人巡檢場景設計及數據關聯，如圖7所示。

圖7 巡檢場景設計

顯示終端(手持iPad)應用程序通過在程序啟動界面的設置中配置服務器地址，配置完成后顯示編輯器中所配置的應用場景，通過選擇巡檢場景，掃描被巡檢設備的識別圖即可開始巡檢作業。顯示端巡檢場景選擇界面如圖8所示。

圖8 巡檢場景選擇

顯示終端(手持iPad)最終以AR形式展示鎖扣機器人的實際運動場景，同時以數字化形式展示設備實際運行過程中的實時監測數據，測試場景如圖9所示。具體展示包括設備狀態、運行參數、故障記錄、OEE數據等，部分界面如圖10所示。

圖9 系統測試場景

圖10 系統部分界面設計

通過現場應用驗證測試，該系統具有良好的測試效果，提高了設備維護便捷性。通過AR技術可直觀透明地顯示設備運行相關狀態，有效降低了維護難度，提高了生產效率，且保證生產質量；實現了設備運維安全管控，通過使用手持便攜式設備iPad，自動識別現場設備并展示設備狀態信息，實現巡檢人員在安全區域監測設備運行情況，避免人員進入高溫、帶電等危險區域，有效保證人員的安全問題。

4 結束語

本文研究的鎖扣機器人運維巡檢系統，有效解決了設備巡檢過程中存在的巡檢記錄不完整、現場問題反饋不及時、巡檢過程難以追蹤、巡檢結果不直觀、易出現錯檢漏檢等問題，幫助現場人員及時發現設備及產線的問題與故障，實現并驗證了AR運維巡檢系統在紡織行業產線設備的應用。

在鎖扣機器人設備巡檢的基礎上，未來將進一步開展車間級巡檢系統研發，開發基于增強現實技術的筒子紗染色車間智能巡檢系統，實現車間的直觀化、數字化監控巡檢，助力筒子紗印染生產高質量發展。