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新聞詳情
荏原xR技術(shù)在水泵行業(yè)的實(shí)踐與探索近年來，xR技術(shù)（VR、AR、MR技術(shù)等的總稱，中文又稱“擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)”）不僅開始在娛樂行業(yè)，而且也開始在工業(yè)領(lǐng)域得到積極應(yīng)用。荏原集團(tuán)也在推廣xR技術(shù)的使用，以增加其產(chǎn)品和服務(wù)的附加值，并改善傳統(tǒng)運(yùn)營。
1 導(dǎo)言 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)主要是為娛樂業(yè)開發(fā)的，是一種沉浸式技術(shù)，主要使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）讓用戶將虛擬世界視為現(xiàn)實(shí)。近年來，隨著硬件和軟件水平的提高以及3D-CAD技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始在工業(yè)領(lǐng)域得到了積極的應(yīng)用。 與娛樂業(yè)一樣，在工業(yè)領(lǐng)域使用虛擬現(xiàn)實(shí)的最常見方式是使用頭戴式顯示器（HMD）和3D-CAD模型（以下簡稱3D模型）的立體視圖將用戶沉浸在虛擬空間中。一些使用3D模型的設(shè)計(jì)只能在電腦屏幕或印刷品上顯示。然而，使用這項(xiàng)技術(shù)，可以在虛擬空間中檢查此類設(shè)計(jì)的大小、形狀和結(jié)構(gòu)，就像有一個(gè)真實(shí)的原型一樣。因此，可以在設(shè)計(jì)階段根據(jù)檢查結(jié)果修改設(shè)計(jì)。 近年來，VR、AR、MR等技術(shù)被統(tǒng)稱為xReality（xR），本文簡稱xR技術(shù)。 荏原集團(tuán)的主要產(chǎn)品是泵和壓縮機(jī)等工業(yè)機(jī)械、泵站和排水站等公共基礎(chǔ)設(shè)施、廢物處理廠和半導(dǎo)體制造設(shè)備，集團(tuán)也在推廣xR技術(shù)的應(yīng)用，以改善銷售、設(shè)計(jì)、售后服務(wù)和其他運(yùn)營，以及增加客戶價(jià)值1）。本文將介紹荏原的xR設(shè)備，并以接觸干涉、流體分析結(jié)果可視化和遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)為例介紹xR技術(shù)的應(yīng)用。最后，將介紹360度相機(jī)拍攝的360度圖像及其用法。 2 荏原的xR設(shè)備 作為荏原的xR設(shè)備，除了一般的HMD（2017年開始運(yùn)營）之外，2018年還建立了Cave Automatic Virtual Environment系統(tǒng)（以下簡稱CAVE系統(tǒng)）（圖1）并開始運(yùn)行。CAVE是一個(gè)大型的系統(tǒng)，在正面、側(cè)面和底部有多個(gè)屏幕。每個(gè)屏幕都有一個(gè)單獨(dú)的投影儀，可以交替投射左右眼的圖像。用戶沉浸其中，不是使用HMD，而是與投影儀相連的 LCD 快門眼鏡。
圖 1 此外，由于來自每個(gè)投影儀的圖像根據(jù)浸入的人的位置和視線而變化，因此用戶可以立體地觀看3D模型，而不會(huì)對(duì)3D模型的位置感到任何不適。HMD 會(huì)阻擋佩戴者的整個(gè)視野。一旦沉浸，佩戴者無法感知周圍環(huán)境，甚至無法感知自己的四肢。 另一方面，CAVE 系統(tǒng)允許多人識(shí)別和共享同一個(gè) 3D 模型，因?yàn)樗?LCD 快門眼鏡不會(huì)擋住他們的視線。因此，多人討論 3D 模型是可能的，同時(shí)指向它以指示 3D 模型中的特定位置。此外，由于 LCD 快門眼鏡比 HMD 更輕，因此在沉浸過程中佩戴起來更加舒適。 在使用 HMD 時(shí)，我們還使用附加設(shè)備：配備高性能圖形卡的 PC（我們使用筆記本移動(dòng)工作站）、用于在虛擬空間中操作的控制器、用于識(shí)別沉浸在虛擬空間中的人的位置跟蹤器，以及顯示接觸干涉時(shí)沉浸在虛擬空間中的人從肘部到指尖的截面的VR手套。所有這些設(shè)備都是便攜式的，不像 CAVE 系統(tǒng)，它是一個(gè)固定設(shè)施。因此，VR 技術(shù)還提供了在公司內(nèi)部和外部的不同位置的可用性優(yōu)勢(shì)。 3 接觸干涉 “接觸干涉”是一種技術(shù)，用于確定 3D 模型是否與沉浸式人的手部模型或其他 3D 模型在以立體方式觀看 3D 模型的虛擬空間中的接觸。該技術(shù)也用于 3D-CAD 以及 VR 的虛擬空間。首先，用戶雙手握持控制器，或者一只手握住控制器，另一只手佩戴 VR 手套，上下臂佩戴追蹤器，如圖 2 所示。  圖 2 沉浸式用戶的控制器和 VR 手套的動(dòng)作在虛擬空間中顯示為手和手臂的動(dòng)作，與他們的實(shí)際位置沒有不一致。然后，沉浸式用戶可以用虛擬空間中顯示的虛擬手和手臂觸摸、抓住和移動(dòng) 3D 模型的某些部分。圖 3 顯示了荏原高壓多級(jí)泵。如圖所示，泵體周圍環(huán)繞著許多小管道和閥門等輔助設(shè)備。
圖 3 圖 4 顯示了一個(gè)沉浸式人員佩戴 VR 手套和跟蹤器對(duì)高壓多級(jí)泵的 3D 模型執(zhí)行干擾檢查的示例。當(dāng)佩戴 VR 手套的沉浸人員的手接觸管道和輔助設(shè)備時(shí)，這些管道和輔助設(shè)備通常以創(chuàng)建 3D 模型時(shí)指定的顏色顯示，顏色變?yōu)樗{(lán)色，手套會(huì)振動(dòng)以通知接觸者。  此外，VR 手套還會(huì)對(duì)沉浸中的人的五個(gè)手指動(dòng)作做出反應(yīng)。當(dāng)人握住一個(gè)零件時(shí)，管道和輔助設(shè)備會(huì)變成紅色，讓人們知道該零件已被握住并且可以移動(dòng)。圖 5 顯示了一個(gè)沉浸人員實(shí)際手持高壓多級(jí)泵 3D 模型的管道以確認(rèn)管道路線。  當(dāng)被固定的管道相互碰撞時(shí)，它們會(huì)停止移動(dòng)，而不會(huì)相互穿過，箭頭指示它們的干涉位置。這使沉浸人員能夠體驗(yàn)管道，就好像他們?cè)谔幚碚嬲墓艿酪粯?。這項(xiàng)技術(shù)解決了HMD的一個(gè)缺點(diǎn)：一旦戴上它，用戶就無法識(shí)別自己的肢體，因此無法在浸入過程中檢查與模型的距離和用戶的接觸范圍。 荏原集團(tuán)主要考慮將接觸干涉應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)審查，以及拆卸和組裝培訓(xùn)。例如，在大型高壓多級(jí)泵的情況下，如圖 3 所示，很難制造出具有實(shí)際尺寸的原型，因?yàn)樗性S多復(fù)雜的管道。然而，該技術(shù)可以檢查泵體周圍的管道和閥門等輔助設(shè)備的布置以及管道路線。此外，如圖 6 所示，通過在虛擬空間中投影人體模型，可以評(píng)估組裝和維護(hù)的可操作性。  這些技術(shù)的結(jié)合用于在規(guī)劃期間確認(rèn)泵站和排水站以及工廠設(shè)施的布局，在高處工作期間檢查立足點(diǎn)和受限空間的可操作性，讓客戶在工廠參觀和各種展覽中感受到每種產(chǎn)品的規(guī)模，比較新舊產(chǎn)品的形狀。 荏原將 FiatLux 的“EasyVR”用于 CAVE 系統(tǒng)，將 ESI Japan 的“IC.IDO”用于 HMD，作為立體查看 3D 模型和接觸干涉技術(shù)的軟件。 4可視化流量分析結(jié)果近年來，流體分析技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，不僅用于研究，還作為設(shè)計(jì)和開發(fā)等制造領(lǐng)域的工具。目前幾乎所有的流體分析都是三維的。相應(yīng)地，結(jié)果提供了三維流場數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示在屏幕上或打印在紙上作為速度矢量和壓力等值線進(jìn)行評(píng)估。在這些數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)評(píng)估方法中，主要是將要觀察的流場部分切割并顯示為橫截面。對(duì)于未知的流體現(xiàn)象，可以觀察到任意截面。 因此，垂直于橫截面方向上的信息在具有高三維度和復(fù)雜性的流場中丟失，或者在復(fù)雜幾何形狀的流場中丟失，例如泵的內(nèi)部流道。因此，很難詳細(xì)評(píng)估流場。除了橫截面視圖外，還使用鳥瞰視圖或動(dòng)畫視圖，但很難掌握復(fù)雜的三維流場。 因此，我們嘗試通過將自己沉浸在使用 CAVE 系統(tǒng)或 HMD 制作的 VR 空間中的流場中來詳細(xì)評(píng)估流場。在這項(xiàng)研究中，使用大型立式軸流泵（圖 7）來分析將水引向泵的吸水箱周圍的流體，以及作為泵入口的吸入喇叭口。
圖 7 首先，作為分析結(jié)果的顯示示例，從吸入罐上游開始，喇叭口周圍的顆粒路徑如圖 8 所示。
圖 8 我們從吸入罐上游側(cè)的圖右上角釋放魚形標(biāo)記進(jìn)行可視化，然后觀察水如何流入圖左下角所示的喇叭口。如圖8所示，可以確認(rèn)顆粒路徑受到干擾，尤其是在喇叭口的下游側(cè)，魚形標(biāo)記表明水流復(fù)雜。然而，由于流場的高三維性，很難準(zhǔn)確檢測(cè)水下渦流的產(chǎn)生位置和方向以及該區(qū)域可能存在的吸氣渦流。 接下來，圖 9 顯示了基于相同結(jié)果在 VR 空間中使用 HMD 和 CAVE 系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的示例。本研究中使用的軟件是用于 HMD 的 SIEMENS 的“STAR-CCM+VR”和用于 CAVE 系統(tǒng)的 FiatLux 的“EasyVR”。  圖 9 在視頻 2 中，通過在沉浸式 VR 空間中從手持控制器發(fā)射粒子并根據(jù)流分析結(jié)果使流體可視化。沉浸其中的人可以通過改變視線和觀察位置來檢查復(fù)雜的三維流體，就好像這些都是真實(shí)的一樣。這在使用橫截面切割的傳統(tǒng)二維評(píng)估中非常難以實(shí)現(xiàn)，但使用 xR 技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確和詳細(xì)的評(píng)估。 在 CAVE 系統(tǒng)中，多人可以共同識(shí)別同一個(gè)虛擬空間。此外，他們沉浸在空間中，同時(shí)識(shí)別彼此的存在和外表。因此，他們可以在指向立體分析結(jié)果的同時(shí)，使用“這個(gè)”、“在這兒”、“這種感覺”等直觀的詞語進(jìn)行討論。 此外，HMD 設(shè)備是便攜式的，它允許在不同位置使用 VR 技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。在這兩種方法中，通過在流場內(nèi)移動(dòng)并根據(jù)需要改變觀察方向，很容易理解局部復(fù)雜的流體模式。在這項(xiàng)分析中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在理解喇叭口與水下渦流和吸氣渦流之間的位置關(guān)系以及由渦流引起的復(fù)雜三維流型方面尤其有效。 5遠(yuǎn)程協(xié)同“遠(yuǎn)程協(xié)同”是一種讓用戶沉浸在同一個(gè)虛擬空間中，并通過互聯(lián)網(wǎng)連接的不同遠(yuǎn)程位置查看同一個(gè)立體3D模型的技術(shù)。每個(gè)沉浸式的人都可以在虛擬空間中相互識(shí)別對(duì)方的站立位置、視線，甚至是指向位置，因?yàn)樗麄儽伙@示為虛擬形象，其面部和手部在虛擬空間中被立體觀察。此外，如圖 10 所示，一個(gè)虛擬形象所做的更改，例如在 3D 模型中放置標(biāo)記或添加尺寸，將立即反映在所有沉浸式人員查看的模型中。  圖 10 作為遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)實(shí)用性的一個(gè)例子，本地工人和總部技術(shù)人員可以沉浸在同一個(gè)虛擬空間中，在本地泵站和排水站處理泵故障?！痹谔摂M空間中，工人可以指向3D模型并解釋泵故障，而技術(shù)人員可以使用相同的模型為問題提供解決方案。
此外，當(dāng)一家公司的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門分散在偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)，可以通過立體視圖進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，就像一個(gè)原型在沉浸的人眼前一樣，而不是使用二維信息進(jìn)行討論，例如在傳統(tǒng)的視頻會(huì)議屏幕上顯示的圖形。各相關(guān)部門的負(fù)責(zé)人可以更準(zhǔn)確、更詳細(xì)地分享規(guī)劃期間對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和形狀的理解，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少現(xiàn)場安裝期間的開發(fā)提前期和返工時(shí)間。 以下是荏原遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)技術(shù)的應(yīng)用示例。圖 11 顯示了使用 VR 系統(tǒng) (HMD) 實(shí)施的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)示例，該系統(tǒng)分發(fā)到荏原總部（東京）和熊本工廠（熊本縣），連接到藤澤工廠（神奈川縣）的 CAVE 系統(tǒng)。  圖 11 圖 11 中的 CAVE 屏幕將來自不同位置的沉浸式人員的頭部和手顯示為淺藍(lán)色頭像。在同一虛擬空間中，我們確認(rèn)了廠房內(nèi)部的布局和產(chǎn)品組裝過程中的可操作性，同時(shí)查看了3D模型。此外，我們還計(jì)劃與我們的海外基地建立聯(lián)系。 6360度全景圖像本文接下來介紹 360度全景圖像和視頻的使用，這是一種外圍 xR 技術(shù)。360 度圖像是使用稱為 360 度特殊相機(jī)拍攝的全景圖像（圖 12），包括所有方向（上、下、左和右）。  圖 12 360 度圖像有時(shí)也稱為 720 度圖像（水平和垂直方向的一對(duì) 360 度圖像），但在本文中，“360 度圖像”指的是靜止圖像和視頻。圖 13 顯示了 360 度圖像的示例，它顯示了由 360 度相機(jī)拍攝的荏原總部大廳的 360 度圖像。 圖 13 左側(cè)所示的是一臺(tái)巨大的黑色泵，高度接近天花板，通常很難對(duì)其進(jìn)行概覽。
圖 13 在 360 度全景圖像中，頂部、底部、左側(cè)和右側(cè)被壓縮為一張圖像。因此，當(dāng)在平面上查看時(shí)，360 度圖像看起來像壓縮的全景圖像。如果使用智能手機(jī)上的特殊應(yīng)用程序查看 360 度圖像，則可以獲得具有視差的左右圖像。 此外，由于圖像會(huì)隨著用戶視線的移動(dòng)而變化，因此用戶可以擁有如同站在場景中一樣的真人VR體驗(yàn)。使用 360 度影像值得一提的是，可以輕松引入設(shè)備。在撰寫本文時(shí)，只需不到 50,000 日元即可購買到性能足夠的 360 度相機(jī)。用于操作 360 度相機(jī)和查看捕獲的 360 度圖像的專用應(yīng)用程序也是免費(fèi)提供的，并且非常易于使用。 7展望與挑戰(zhàn)未來擴(kuò)大 VR 技術(shù)應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于，公司業(yè)務(wù)的產(chǎn)品線可用的 3D 模型并不多。在前幾章的案例研究中，虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸主要針對(duì)相對(duì)較小的獨(dú)立產(chǎn)品。另一方面，荏原集團(tuán)還提供抽水排水站、垃圾處理廠等大型設(shè)施。 接觸干涉和遠(yuǎn)程協(xié)同將有效地審查抽水排水站和廢物處理廠的計(jì)劃，檢查各種設(shè)備的運(yùn)送路線、安裝程序和管道布置，以及驗(yàn)證投運(yùn)后的運(yùn)行和維護(hù)中的可操作性。對(duì)于新項(xiàng)目，3D-CAD 的使用從規(guī)劃階段就一直在推進(jìn)。然而，現(xiàn)有設(shè)施幾乎沒有 3D 模型。因此，當(dāng)將 xR 技術(shù)用于這些設(shè)施時(shí)，就有必要?jiǎng)?chuàng)建新的 3D 模型。 為了獲得現(xiàn)有設(shè)施的 3D 模型，使用通過 3D 激光掃描儀（以下稱為 3D 掃描儀）從該設(shè)施獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過使用 3D 掃描儀，大約半天即可獲得現(xiàn)有設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提供合適的 3D 模型比創(chuàng)建新模型更快。通過在虛擬空間中結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)和單個(gè)產(chǎn)品（例如泵）的 3D 模型，可以評(píng)估泵的拆卸和組裝的難易程度，檢查新泵的輸送路線，并驗(yàn)證虛擬空間中的管道布局。  圖 14 圖 14 顯示了一個(gè)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的示例。圖 14 顯示了使用 HMD 沉浸在虛擬空間中，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)由 3D 掃描儀獲取，3D 模型由 3D-CAD 創(chuàng)建。對(duì)于圖 14 中的 VR 沉浸感，使用了 Lattice Technology 的“XVL Studio VR option”。 在圖像的中下部，沉浸的人可以看到HMD控制器的存在。沉浸在其中的人可以在虛擬空間中觸摸3D模型，通過使用該控制器作為偽手，拾取和移動(dòng)部件。還可以檢查要拾取和移動(dòng)的零件與空間中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的接觸干擾。 xR技術(shù)中點(diǎn)群數(shù)據(jù)的利用有望應(yīng)用于更多的各種操作。因此，我們計(jì)劃收集有關(guān)該技術(shù)的信息并促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步引入。 8結(jié)論除了本文介紹的內(nèi)容外，預(yù)計(jì) xR 技術(shù)將在各個(gè)領(lǐng)域迅速普及，并在未來技術(shù)上進(jìn)一步發(fā)展。荏原集團(tuán)不僅將繼續(xù)研發(fā)xR技術(shù)，還將在工作現(xiàn)場推廣xR技術(shù)的使用，以提高各種作業(yè)的效率和精度。此外，集團(tuán)正在推動(dòng)在其銷售和公共關(guān)系活動(dòng)中使用該技術(shù)，作為提高客戶滿意度和企業(yè)價(jià)值的工具，旨在為集團(tuán)的ESG管理做出貢獻(xiàn)。 更多精彩內(nèi)容，關(guān)注泵友圈微信號(hào)（ID：bengyouquan）
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