基于增強現(xiàn)實技術(shù)的筒子紗印染鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)研究

吳 樂， 張 倩， 楊萬然， 徐朝月， 王維冠， 侯 曦

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

增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)是應(yīng)用多媒體、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將現(xiàn)實與虛擬世界的信息完美結(jié)合的技術(shù)[1]。通過AR技術(shù)可將計算機生成的文字、圖像等虛擬信息模擬仿真后應(yīng)用到真實世界中[2]。在傳統(tǒng)的設(shè)備及產(chǎn)線運維巡檢過程中，通過引入AR技術(shù)，可以實現(xiàn)巡檢過程可視化指導(dǎo)，巡檢數(shù)據(jù)可追溯，有效解決傳統(tǒng)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(shè)備運維巡檢效率。AR技術(shù)已經(jīng)在設(shè)備檢查維護、智能監(jiān)控、遠程協(xié)作、員工培訓(xùn)、作業(yè)指導(dǎo)等多個方面進行應(yīng)用部署，其應(yīng)用可以有效地提高工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)線的安全性[3-4]。

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

本文基于AR技術(shù)，開展筒子紗印染關(guān)鍵機器人的運維巡檢系統(tǒng)研究，采用AR巡檢的方式，通過使用手持便攜式設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備及產(chǎn)線的AR監(jiān)控巡檢，方便巡檢人員及時觀測并發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中出現(xiàn)的異常和故障，確保設(shè)備及生產(chǎn)線的正常運轉(zhuǎn)，進一步為企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型、大數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)服務(wù)。

1 運維巡檢系統(tǒng)分析

筒子紗印染數(shù)字化生產(chǎn)過程應(yīng)用了多類多臺套機器人，配合完成各工藝單元任務(wù)，實現(xiàn)筒子紗染色生產(chǎn)的自動化，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品品質(zhì)。主要應(yīng)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(chǎn)線的關(guān)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(wěn)定的鎖扣鎖緊力，保證紗籠染色過程內(nèi)外壓差，提升筒子紗染色質(zhì)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(gòu)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(tǒng)的人工巡檢方式已無法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場需求，主要原因包括：1)無法直觀了解設(shè)備當前的任務(wù)狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、運行參數(shù)等數(shù)據(jù)；2)當設(shè)備出現(xiàn)生產(chǎn)工藝、機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等故障時，部分故障原因無法進行有效排查；3)設(shè)備的生產(chǎn)進度、生產(chǎn)效率等數(shù)據(jù)不能快速統(tǒng)計；4)易出現(xiàn)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(shù)的智能運維巡檢系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)有問題，巡檢人員可直觀了解設(shè)備運行實時狀態(tài)，快速記錄并反饋現(xiàn)場問題，及時排查設(shè)備故障原因并進行維修保養(yǎng)，有效地提高設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性，保證設(shè)備生產(chǎn)效率，實現(xiàn)巡檢過程有跡可循、巡檢結(jié)果全面直觀。

1.3 運維巡檢作業(yè)流程設(shè)計

鎖扣機器人智能巡檢作業(yè)流程主要包括：模型建立、場景加載、巡檢指令、巡檢數(shù)據(jù)上傳、巡檢數(shù)據(jù)分析、過程監(jiān)控與記錄[10]。

1)模型建立。在鎖扣機器人巡檢過程中，根據(jù)筒子紗染色生產(chǎn)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(shè)備圖像識別模型，實現(xiàn)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(shè)備iPad，結(jié)合設(shè)備圖像識別模型識別巡檢設(shè)備對象，完成巡檢場景加載，實現(xiàn)巡檢設(shè)備的虛實同步顯示。

3)巡檢指令。在巡檢過程中，巡檢人員結(jié)合智能巡檢系統(tǒng)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(yīng)的各類巡檢數(shù)據(jù)，進行設(shè)備狀態(tài)巡檢。

4)巡檢數(shù)據(jù)上傳。鎖扣機器人記錄巡檢過程中的問題，完成巡檢數(shù)據(jù)存儲與上傳。

5)巡檢數(shù)據(jù)分析。通過對鎖扣機器人巡檢過程中的各類數(shù)據(jù)進行分析處理，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并進行處理，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行，提高設(shè)備的運行效率。

6)過程監(jiān)控與記錄。通過AR巡檢的方式，實現(xiàn)鎖扣機器人設(shè)備巡檢過程的有跡可循、數(shù)據(jù)可追溯。

智能巡檢系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 智能巡檢作業(yè)流程

2 運維巡檢系統(tǒng)方案設(shè)計

針對筒子紗印染關(guān)鍵機器人的運維巡檢需求，具體分析設(shè)備組成以及作業(yè)流程，開展包括設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)、任務(wù)狀態(tài)、設(shè)備故障等運維巡檢數(shù)據(jù)模型研究，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析與存儲，搭建基于AR技術(shù)的筒子紗印染關(guān)鍵機器人運維巡檢系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)框架

針對設(shè)備運維巡檢的需求，本文以鎖扣機器人的設(shè)備運維為研究對象，設(shè)計基于AR技術(shù)的智能運維巡檢系統(tǒng)，主要包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、模型層以及應(yīng)用層等4個部分。系統(tǒng)研究框架如圖3所示。

圖3 智能運維系統(tǒng)研究框架

1)設(shè)備層是運維巡檢系統(tǒng)的實體基礎(chǔ)，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(guān)鍵部件為研究對象。

2)數(shù)據(jù)層主要針對鎖扣機器人的設(shè)備狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)、設(shè)備運行參數(shù)、報警狀態(tài)、設(shè)備故障、設(shè)備綜合效率(OEE)等各類數(shù)據(jù)進行采集、存儲與統(tǒng)計分析。

3)模型層是系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，在三維模型以及數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備工藝要求進一步構(gòu)建設(shè)備運維巡檢模型。

4)應(yīng)用層是系統(tǒng)面向用戶的功能服務(wù)。系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備實時信息監(jiān)測、基于AR技術(shù)的智能巡檢、故障監(jiān)測預(yù)警以及設(shè)備智能運維與決策等功能。

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊

基于AR技術(shù)的運維巡檢系統(tǒng)主要功能包括：智能巡檢、實時監(jiān)測與預(yù)警、虛實同步、桌面同步、培訓(xùn)指導(dǎo)等[11]。

1)智能巡檢。巡檢人員可通過手持設(shè)備iPad實現(xiàn)設(shè)備及生產(chǎn)線的智能巡檢，后續(xù)可支持穿戴式AR眼鏡，實現(xiàn)解放雙手的巡檢方式。

2)實時監(jiān)測預(yù)警。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對設(shè)備及關(guān)鍵零部件的運行狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)、生產(chǎn)工藝等信息的實時監(jiān)測，以及對設(shè)備的機械、電氣、工藝等各類數(shù)據(jù)的故障監(jiān)測與預(yù)警功能。

3)虛實同步。采用AR技術(shù)構(gòu)建文字、圖片、網(wǎng)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shè)備iPad與顯示屏之間的桌面同步，方便現(xiàn)場人員查看與監(jiān)督指導(dǎo)。

5)培訓(xùn)指導(dǎo)。巡檢人員可以快速直觀準確地了解設(shè)備運行相關(guān)狀態(tài)，對發(fā)生的設(shè)備故障進行快速判斷并進行維修指導(dǎo)，對可能發(fā)生的風(fēng)險進行提前預(yù)警，同時對設(shè)備生產(chǎn)工藝、設(shè)備綜合效率(OEE)等數(shù)據(jù)進行快速掌握，可以輔助決策進一步提升生產(chǎn)效率。

2.3 數(shù)據(jù)模型與接口

1)數(shù)據(jù)模型建立。針對鎖扣機器人運維數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)來源不同等問題，為方便快捷地獲取各類運維數(shù)據(jù)，具體分析鎖扣機器人生產(chǎn)過程關(guān)鍵要素，建立鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，如圖4所示。結(jié)合數(shù)據(jù)模型，具體分析需采集的數(shù)據(jù)類別、數(shù)據(jù)來源等信息，如表1所示。另外，OEE數(shù)據(jù)來源于PLC/數(shù)據(jù)庫。

2) 配置中心：用于管理微服務(wù)應(yīng)用程序所需的配置參數(shù)，選用Spring Cloud Config實現(xiàn)，通過Spring Cloud Bus實現(xiàn)動態(tài)的配置更新。

圖4 鎖扣機器人智能巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

表1 數(shù)據(jù)類別及來源

2)通信接口設(shè)計。為實時準確地獲取鎖扣機器人運維巡檢數(shù)據(jù)，本文構(gòu)建了鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)通信架構(gòu)

鎖扣機器人運維巡檢數(shù)據(jù)來源于傳感器及可編程邏輯控制器(PLC)工控系統(tǒng)，采用OPC UA通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集與傳輸[12]，并存儲在Mysql數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)與服務(wù)器數(shù)據(jù)管理平臺相交互，系統(tǒng)采用REST網(wǎng)絡(luò)接口，通過REST API(RESTful API)協(xié)議與鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備運維數(shù)據(jù)實時傳輸。同時根據(jù)Django的ORM(object relational mapping)框架進行數(shù)據(jù)的增刪改查操作，以JSON(JavaScript object notation)數(shù)據(jù)格式輸出，實現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互。

REST接口實現(xiàn)環(huán)境為：Python 3.6編譯環(huán)境，Django 2.2.1以上Web框架，PyCharm編譯器，MySQL 5.7.22以上版本數(shù)據(jù)庫。

3 運維巡檢系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用驗證

在巡檢系統(tǒng)架構(gòu)、功能及數(shù)據(jù)模型等研究基礎(chǔ)上，以鎖扣機器人為對象，開發(fā)了具有設(shè)備數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、故障監(jiān)測預(yù)警、設(shè)備綜合效率分析、智能運維與決策等功能的基于AR技術(shù)的鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)。

3.1 鎖扣機器人巡檢系統(tǒng)組成

設(shè)備運維巡檢系統(tǒng)主要包含終端顯示系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)和編輯系統(tǒng)三大組成部分，如圖6所示。

圖6 鎖扣機器人巡檢系統(tǒng)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(chuàng)建、模型加載、模型渲染、界面編輯、工程管理及數(shù)據(jù)加載等功能。

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

3)服務(wù)器端。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存放系統(tǒng)，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、信息查詢以及數(shù)據(jù)下載等功能。

3.2 系統(tǒng)配置要求

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

3.3 應(yīng)用驗證

在編輯器端首先進行鎖扣機器人設(shè)備AR模型加載，通過solidworks軟件將設(shè)備三維模型保存為.STEP格式，采用PiXYZ軟件將.STEP格式轉(zhuǎn)換為.obj格式，并導(dǎo)入編輯器端；模型導(dǎo)入后可在場景窗口對模型進行查看與編輯，結(jié)合現(xiàn)場實際場景及位置信息，對模型的位置、方向等屬性進行調(diào)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(wǎng)頁、圖表等，并通過“添加組件”按鈕加載REST網(wǎng)絡(luò)接口，進行設(shè)備實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測與關(guān)聯(lián)。最后導(dǎo)入巡檢設(shè)備識別圖，完成鎖扣機器人巡檢場景設(shè)計及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 巡檢場景設(shè)計

顯示終端(手持iPad)應(yīng)用程序通過在程序啟動界面的設(shè)置中配置服務(wù)器地址，配置完成后顯示編輯器中所配置的應(yīng)用場景，通過選擇巡檢場景，掃描被巡檢設(shè)備的識別圖即可開始巡檢作業(yè)。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(shù)字化形式展示設(shè)備實際運行過程中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，測試場景如圖9所示。具體展示包括設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)、故障記錄、OEE數(shù)據(jù)等，部分界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)測試場景

圖10 系統(tǒng)部分界面設(shè)計

通過現(xiàn)場應(yīng)用驗證測試，該系統(tǒng)具有良好的測試效果，提高了設(shè)備維護便捷性。通過AR技術(shù)可直觀透明地顯示設(shè)備運行相關(guān)狀態(tài)，有效降低了維護難度，提高了生產(chǎn)效率，且保證生產(chǎn)質(zhì)量；實現(xiàn)了設(shè)備運維安全管控，通過使用手持便攜式設(shè)備iPad，自動識別現(xiàn)場設(shè)備并展示設(shè)備狀態(tài)信息，實現(xiàn)巡檢人員在安全區(qū)域監(jiān)測設(shè)備運行情況，避免人員進入高溫、帶電等危險區(qū)域，有效保證人員的安全問題。

4 結(jié)束語

本文研究的鎖扣機器人運維巡檢系統(tǒng)，有效解決了設(shè)備巡檢過程中存在的巡檢記錄不完整、現(xiàn)場問題反饋不及時、巡檢過程難以追蹤、巡檢結(jié)果不直觀、易出現(xiàn)錯檢漏檢等問題，幫助現(xiàn)場人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備及產(chǎn)線的問題與故障，實現(xiàn)并驗證了AR運維巡檢系統(tǒng)在紡織行業(yè)產(chǎn)線設(shè)備的應(yīng)用。

在鎖扣機器人設(shè)備巡檢的基礎(chǔ)上，未來將進一步開展車間級巡檢系統(tǒng)研發(fā)，開發(fā)基于增強現(xiàn)實技術(shù)的筒子紗染色車間智能巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)車間的直觀化、數(shù)字化監(jiān)控巡檢，助力筒子紗印染生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展。