增强现实技术在智能工厂的典型应用场景分析
金兆鹏
摘? 要：图像显示与信息处理技术的进步推动增强现实（AR）技术逐步成熟，同时智能成为未来工厂升级发展的方向，二者的结合具有技术前沿性和经济应用价值。该文介绍了AR基本概念与关键应用技术，就AR辅助设计、虚拟工艺仿真、工厂规划等未来智能工厂典型应用场景进行了探讨，挖掘AR技术在工业应用领域的价值潜力。
关键词：增强现实（AR）;智能工厂;场内物流;工艺流程仿真
中图分类号：TP391.9? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
1 增强现实技术（AR）概述
增强现实（Augmented Reality，AR）技术将虚拟信息与真实世界巧妙融合，从而实现虚拟信息对真实世界的“增强”。运用三维、多媒体、传感、智能交互等多种技术手段，将计算机生产的文字、图像、视频信息组成虚拟仿真环境应用于用户周边的真实世界，实现感官上的一体式融合。AR涉及的核心技术如下。
1.1 交互技术
AR技术可提供人机的视觉交互和物理交互。可以是单向交互也可以是双向交互，单向交互可以是虚拟环境到真实世界的，也可以是真实世界到虚拟物体的，但不能同时进行;双向交互是上述2种交互的并存，一般是全双工的。
1.2 标定及跟踪注册技术
标定技术包括2个部分，头戴透视显示器增强现实系统标定和摄像机标定。跟踪注册技术是一个动态实现过程，跟踪技术是对三维空间中某一个点或多个点的跟踪，主要为坐标和六自由度的姿态信息;跟踪注册技术是3D空间的整合，保持虚拟物体与现实场景在位置上的一致性。跟踪注册技术可以基于不同原理实现，时下应用广泛的有3种分别是基于视觉的跟踪注册技术、基于传感器的跟踪注册技术以及基于二者的混合跟踪注册技术。
1.3 无线网络技术
现代化智能移动终端是可穿戴计算机、AR接口技术与无线网络技术的集合。增强现实技术的多应用场景实现需要足够带宽、高传输速率、低延迟的无线移动通信网络。不同的无线网技术路线还无法做到完全兼容，这成为增强现实技术拓展应用场景提升服务质量的制约因素。
1.4 显示技术
显示技术是人机交互的实施环节，计算机生成的虚拟信息借由显示技术传达至用户。AR显示模块设计需满足Eitoku提出的四则标准，提供三维图形全息显示、不增加额外的输出仪器、支撑协同工作、虚拟信息与现实世界交互共存。
2 AR在智能工厂中的典型应用场景
2.1 工厂内部物流输送
增强现实系统在智能工厂内部物流输送应用领域有以下3个结合点。1）辅助物流系统整体规划，AR技术优势使其可以将虚拟设备嵌入真实的加工环境进行对比分析，适用于物流系统规划设计。虚拟设备实现精准的位置参数定位，预判新增设备与现有设备的位置布局是否合理，是否存在冲突关系。这种方法的优点在于不会对现有生产活动产生任何影响。AR带来了一种更开放的设计理念，物流输送设计获得了更大的自由空间，生产经营活动决策者可以更加快速应对市场需求变化，缩短设计方案调整时间。2）订单视觉拣选，物流系统最核心的环节即为订单拣选，机器视觉信息获取可以有效避免人为识别错误。AR技术提供头戴显示器以显示数据信息，减少 检索时间，将数据更直观地呈现给工人。与跟踪定位技术配合，完成产品处理流程和位置信息的实时显示。以三维箭头为例，选取对象的同时显示存储地点和路线，提升拣选效率的同时，降低误选和漏选错误率。3）辅助现场工人，工厂现行内部流转通过手工纸质清单完成，在未来智能工厂中在线数据存储和显示智能终端将取代纸质清单。AR系统提供完整的解决方案，物品的视觉跟踪定位信息的预存信息通过头戴显示器呈现。AR技术还可以辅助工人培训，教学内容与培训现场结合教学，培训内容直观呈现，培训效率提升。
2.2 AR辅助产品设计
在现有技术阶段，设计人员通过穿戴式显示器，实现文本、图片、三维模型、视频信息的数据库获取。设计师使用CATIA、SolidWorks等三维软件进行新产品开发，现有设计手段为三维实体造型，AR技术的出现使设计师可以在模拟环境下1∶1呈现产品的三维全貌或组部件。产品设计末尾阶段，设计人员基于AR模型进行产品设计效果评估，可对建模过程中的错误进行纠正、不足之处进行细节完善。
设计人员还可以对虚拟模型进行手动调整与观察，以实现所需操作，获取预想信息，如图1所示。设计人员可对导出模型进行力学、结构分析，分析方法采用CAITA软件中的FEM模块，虚拟3D模型在AR系统中实现动态仿真呈现，对传统的二维液晶屏幕显示而言是一种颠覆性技术。
2.3 工艺流程的仿真场景模拟
理想情况下的AR技术可以完成虚拟3D信息的真实环境一致性嵌入。在真实的制造环境中渗透一定比例的虚拟信息，如固定设施、工件、刀具等，对真实环境进行增强。在AR系统的帮助下，将不再需要加工工具建模及加工能力仿真推测评估环节。真实加工环境的全貌和加工工具生产模拟全过程在AR系统得到呈现，避免了工器具测试过程对机器和工具造成的损伤。
以AR和CNC技术的结合为例。在模拟加工过程中，第一步选定虚拟固定設施和工件，第二步根据真实场景中的真实刀具上的标识物的姿态对工件进行模拟，第三步执行模拟数控加工程序，对真实刀具加工虚拟工件进行全程模拟，仿真加工信息通过视频透视式显示器实时呈现。加工过程中刀具和夹具之间的冲突情况通过虚拟固定设施辅助判断。
2.4 工厂整体布置规划
一个实际产品的制造完成需要多个工序，不同工序需要不同的制造硬件来实现，在不同生产阶段这些硬件需要进行替换或升级，这需要足够的空间和基础设施来存放替换生产的硬件设备，实际生产过程会造成很大的浪费。AR技术在智能工厂布置规划中的应用很好地解决了这一难题，数字化工厂中的机器人、支架等设备通过3D模型展示布置在厂房架构中，各设备间的冲突情况可以直观检查，非常规设备安装时间缩短、难度降低。AR技术的应用，使得绝大部分工厂架构和设备安装问题在施工开始前得到解决。
3 结语
增强现实（AR）技术的先进性决定了其广阔的应用场景，结合其在智慧工厂中的典型应用，增强现实技术在提升工厂智能化水平的同时，缩短了产品设计周期，提升了产品完成质量。伴随大数据、云计算、移动无线通信网络的发展，AR与智能工厂会在新的领域实现结合。工厂规划水平、场内物流效率和安全生产水平会得到进一步提升。
参考文献
[1]黄恺之.智能制造发展浪潮下的国外国防工业[J].舰船科学技术，2018，40（3）：144-148.
[2]江文成，李星，张晶.智能工厂增强现实技术应用与展望[J].船舶标准化与质量，2016（6）：37-41.
