基于計算機視覺的測量檢測及基于AR技術(shù)的無圖紙裝配技術(shù)研究

摘要：本文介紹的計算機視覺測量和AR無圖紙裝配技術(shù)可有效降低工業(yè)生產(chǎn)中的錯誤率，提高裝配效率，同時可以及時糾正錯誤的裝配動作。減少圖紙打印和升級過程中的資源浪費。

關(guān)鍵詞：計算機視覺輔助裝配；增強現(xiàn)實技術(shù)

引言：

目前公司幾乎所有項目都是全新的研發(fā)與設(shè)計，都是首次試制，以往的繪制紙質(zhì)圖樣費時，費力，三維投影出的二維工程圖也不能完全反應(yīng)實際VPM中的三維設(shè)計。設(shè)計者與施工人員之間存在很大上的的理解上誤差，而施工人員又不能帶著電腦一遍看三維一遍施工。導致每個新設(shè)計項目設(shè)計人員必須身臨施工現(xiàn)場，參與生產(chǎn)服務(wù)，下發(fā)工程變更通知，另外，料件的尺寸錯誤如果沒在裝配之前識別出來，還會導致裝配整個進程收到嚴重影響。全世界范圍內(nèi)，如波音公司已經(jīng)完全實現(xiàn)了無紙質(zhì)圖紙的生產(chǎn)，我公司可取消二維紙質(zhì)工程圖的使用。制造，物流，質(zhì)檢環(huán)節(jié)采用三維模型指導工作。

一、基于計算機3D視覺的的產(chǎn)品檢測

傳統(tǒng)產(chǎn)品檢測需要質(zhì)量人員拿著圖紙，對照圖紙上的尺寸標注用卷尺或游標卡尺進行逐一測量，例如車體小件焊接（需要測量的尺寸數(shù)量巨大，很有可能發(fā)生遺漏疏忽，導致質(zhì)量管控失效）。玻璃鋼三維料件，用傳統(tǒng)的游標卡尺、卷尺都是無法準確測量雙曲面料件的尺寸的。借助計算機視覺（3D 成像技術(shù)，激光測距儀等）可以直接掃描實體到計算機，然后與工程模型CATIA進行比較。根據(jù)CATIA模型中料件的允許公差，自動識別實物料件的尺寸問題，直接生成問題LIST，自動幫助我們評判料件合格與否。與此同時，省去了在圖紙中標注繁多且復(fù)雜的尺寸，也省去了紙質(zhì)圖紙的輸出。還可以實現(xiàn)虛擬裝配，將料件實體掃描成三維電子模型，此三維電子模型真實的反應(yīng)了料件的尺寸、形狀。然后將此電子模型放到CATIA中進行虛擬裝配，計算機能識別實體料件是與CATIA結(jié)構(gòu)樹上的料件A匹配的，而不是料件B。然后自動將電子模型安裝到料件A應(yīng)該裝配到的位置，并檢測裝配是否合格，如果裝配有問題，將自動提示設(shè)計人員這個料件的實體并不合格。此方法將大大避免直到真正裝配階段才發(fā)現(xiàn)安裝問題，把問題在首件鑒定階段處理掉。

二、VR輔助車輛裝配施工

操作者借助智能glass眼鏡（眼鏡同時具備oculus和google glass的功能）可實現(xiàn)完全無圖紙裝配施工，3D識別攝像頭負責采集現(xiàn)實世界的物理信息（包括待裝配料件的形狀、尺寸信息），自動將信息與CATIA結(jié)構(gòu)樹或VPM上信息比對，通過VR眼鏡將裝配位置、裝配工具、方法、所用材料、裝配演示視頻自動展示給操作者，操作者無需查閱圖紙即可完成準確無誤的裝配，裝配完成后，借助眼鏡上的3D攝像頭二次采集裝配后的料件，并判斷此裝配是否符合VPM中的安裝定位要求，一但發(fā)生實際安裝與VPM系統(tǒng)中的安裝不符，將自動提醒操作者此次裝配錯誤或不合格，需要從新裝配。做到在第一時間發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。避免問題解決不及時，拖到交檢時無法修改的局面。

三、VR遠程施工指導

借助VR頭戴設(shè)備及設(shè)備內(nèi)置3D傳感器，可實現(xiàn)設(shè)計人員與一線裝配操作者遠程在線互動，即使計者與操作者同時身處相同的虛擬施工環(huán)境。計算機同時通過操作者頭戴傳感器采集實體三維信息，并在虛擬環(huán)境中將實體三維信息疊加。設(shè)計人員不必身臨施工現(xiàn)場即可與操作者對話，交流，設(shè)計者還可通過手勢采集系統(tǒng)將手部動作輸入到虛擬環(huán)境，一線操作者即可通過VR頭戴設(shè)備看到設(shè)計者想表達的意思。操作者的任何動作也通過頭戴設(shè)備采集，傳給設(shè)計人員。即設(shè)計人員可遠程參與生產(chǎn)服務(wù)，且不受地理位置限制，隨時隨地參與生產(chǎn)互動。如果需要修改設(shè)計方案，設(shè)計人員可以在線修改三維設(shè)計，不必生成二維圖紙或通知內(nèi)容，系統(tǒng)直接將最新方案通過VR設(shè)備傳遞給操作者。

四、與AR裝配配合的物流技術(shù)

借助無人機技術(shù)，可實時采集獲得生產(chǎn)現(xiàn)場的三維信息，生產(chǎn)管理人員可以隨時隨地遠程遙控無人機查看車間任何一個裝配臺位的生產(chǎn)情況。實時了解生產(chǎn)進度。設(shè)計人員也可查看無人機采集到的信息，參與生產(chǎn)服務(wù)互動。智能生產(chǎn)，體積較小的料件可以通過無人機投遞，不必操作者到處領(lǐng)料。

五、方案實施

a.頭戴設(shè)備，b.手勢采集，c.網(wǎng)絡(luò)交換機，d.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，e.無人機。首先，在4G信號不可靠的情況下，要建立起生產(chǎn)車間的WIFI網(wǎng)絡(luò)，保證車間可靠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。VR想要流暢運行，在設(shè)計與生產(chǎn)之間建立起流暢的通道，必須保證網(wǎng)絡(luò)高速，可靠，另外還要進行加密管理。

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參考文獻

[1] 計算機視覺：模型、學習和推理 [英] 西蒙，J.D.，普林斯 著

[2] 增強現(xiàn)實 技術(shù)、應(yīng)用和人體因素（美）史蒂夫·奧庫斯坦奈斯（Steve Aukstakalnis）

第一作者簡介：馬添書，1986年6月23日，男，遼寧，中車長春軌道客車股份有限公司，研究方向：軌道車輛。

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）