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引文:Chan Qiu,Zhou Shien,Zhenyu Liu,Qi Gao,Jianrong Tan.基于增强现实和数字孪生的数字装配技术综述。虚拟现实智能硬件,2019,1(6):597-610DOI:10.1016/j.vrih.2019.10.002虚拟现实智能硬件2019年第6·回顾·基于增强现实和数字孪生的数字化装配技术综述陈启宇,周世仁,李振宇*,齐高,姜荣田浙江大学CAD与CG国家重点实验室,浙江杭州310027*通讯作者,liuzy@zju.edu.cn投稿时间:2019年7月31日修订日期:2019年10月7日接受日期:2019年10月28日国家自然科学基金(51875517、51490663、51821093)和浙江省重点研发计划(2017C01045)资助。产品装配仿真是复杂产品设计与制造过程中的关键技术之一。虚拟装配实现了复杂产品在虚拟环境下的装配工艺设计、验证和优化,对提高复杂产品的装配质量和效率起到了积极有效的作用。近年来,增强现实(AR)和数字孪生(DT)技术以其虚拟现实融合和交互控制的特点,为复杂产品的数字化装配带来了新的机遇和挑战。阐述了AR的概念和内涵,列举了一种典型的AR装配系统结构,分析了AR在数字化装配中的关键技术和应用,指出DT技术是智能装配研究的未来发展趋势。关键词增强现实;数字孪生;数字装配;虚拟仿真;装配分析1介绍随着产品向复杂化、小型化、精密化方向发展,产品的装配密度和精度要求越来越高,装配难度不断加大。装配设计和工艺规划已成为产品设计和制造中的薄弱环节。产品装配仿真技术是提高复杂产品装配设计和工艺规划水平的有效手段。传统的装配仿真技术是通过建立物理样机来检验其装配性能指标是否合格,并将结果反馈给设计人员,以改进和调整装配工艺。由于需要生产真正的实物原型,产品成本增加,产品推向市场所需的时间受到不利影响。随着计算机技术和图形技术的进步,基于虚拟现实的数字化装配逐渐兴起,它采用数字化原型代替物理原型进行装配操作。使用真实产品装配过程的虚拟环境仿真,可以预测装配性能,从而避免与构建物理原型相关的生产材料损失。使用VR可以显著提高复杂产品装配设计的准确性和效率。www.vr-ih.com虚拟现实智能硬件2019年第6然而,尽管虚拟现实技术日趋成熟,在产品设计和分析过程中发挥着重要作用,但复杂产品的装配仿真仍存在以下不足:(1)在虚拟现实世界中建立的产品数字样机和环境模型不能准确反映真实装配场景;(2)用户在虚拟环境中的感官受到限制,难以充分体验真实装配过程,导致仿真可靠性低;(3)虚拟现实环境中的虚拟现实技术在产品设计和分析过程中发挥着重要作用。(3)尽管使用了GPU加速技术,但VR装配仿真的实时性能并不理想。近年来,数字化装配技术在理想装配建模、仿真和分析方面向各个方向发展。强调将虚拟环境与真实装配环境和装配条件相结合,以及从基于VR的数字装配到增强现实(AR)数字装配,从基于DP的数字装配到数字孪生(DT)装配的逐步过渡一直在进行中。AR和DT技术在应用于复杂的产品装配模拟时带来了新的机遇和挑战。一些学者试图将数字孪生应用于工业生产,如以下章节所讨论的。AR是20世纪90年代初出现的尖端数字技术。这个概念是由波音公司的Tom Caudell和他的同事在设计飞机辅助布线系统时提出的[1]。1997年,Azuma将AR分为三个重要组成部分:虚拟现实融合,实时交互和3D注册,并假设其在医疗,娱乐和工业等许多领域的潜在应用[2]。近二十年来,微软、IBM、惠普、索尼、谷歌等国际大型企业对AR技术进行了深入研究,开发了HoloLens、Meta等AR辅助设备[3],极大地提升了AR技术在不同领域的应用价值,推动了AR技术的普及。在工业领域,研究人员试图将AR技术应用于产品规划,设计,装配和维护等生命周期过程,通过将虚拟对象与真实世界环境相结合,构建增强的虚拟融合环境,在其中可以分析产品行为和属性[4]。基于AR的产品装配仿真技术在一定程度上是虚拟现实装配的一种先进方法。它通过虚拟模型与实物的叠加,克服了VR方法所需的繁琐场景构建步骤,在帮助用户进行装配设计、规划、操作等方面发挥了重要作用。Dini等人指出,AR兼容贯穿生命周期的工程服务(TES),具有无需纸质手册即可访问技术文档、传感器可准确感知产品状态、装配维护和指导等优势,但这些都要求AR系统具备强大的计算能力来处理大量数据[5]。Didier等人将AR应用于培训装配和维护工人,并通过将虚拟模型与视觉提示相结合向这些用户解释维护步骤[6]。Haritos等人使用光学设备来识别放置在飞机部件上的标记,以便用户可以在增强的环境中接收关于部件的虚拟文本信息[7]。De Crescenzio等人描述了AR在某飞机油箱维护中的详细应用场景,利用3D矩形框信息提示工作人员进行打开油箱盖、观察油位、关闭油箱盖等操作[8]。Donget等人以可视化的形式展示了测量的轮胎压力和从其他传感器获取的数据,并对它们进行了分析。使用AR技术,显示与车辆各部件对应的可能解决方案的虚拟信息,以实现故障诊断[9]。近年来,研究人员通过整合DP和AR开发了DT。它最早出现在2003年密歇根大学Grieves教授的一门课程中,并被定义为数字系统598Chan QIU等:基于增强现实和数字孪生的数字装配技术:综述包括物理和虚拟产品,以及它们之间的联系在随后的文章[10]。 最初,DT并没有引起太多的关注,直到2011年AFRL(美国空军研究实验室)和NASA(美国国家航空航天局)提出为未来飞机建造数字孪生体,这项技术才受到广泛关注[11]。NASA定义的DT是一个集成了多个物理场、多个尺度和多个概率的数字模型。它使用物理模型,传感器数据,历史数据和其他数据与仿真模型实时交互,以评估产品状态的实时演变和任何重要趋势[12]。Revetria等人将AR和DT的应用集成到提高工作环境安全性的应用中[13]。DT是通过数字技术描述和建模物理实体的特征、行为、形成过程和性能的过程和方法。它是与现实世界中的物理实体完全对应和一致的虚拟模型,能够实时模拟实体在真实环境中的行为和性能。DT不仅可以利用人类现有的理论和知识建立虚拟模型,还可以利用虚拟模型的仿真技术来探索和预测未知世界,以发现和找到更好的方法和途径。目前,AR的研究领域很多,但很少有学者总结出基于AR和DT组装的前沿技术。一项代表性研究是Nee研究小组的文献综述[14-16]。因此,本文对近年来AR技术的发展现状以及基于AR的装配仿真方法进行了评价和报道,旨在为研发人员构建AR装配系统提供思路,并分析了基于DT的数字化装配的研究热点和发展趋势。2典型AR装配系统的结构与传统VR技术所达到的完全沉浸效果相比,AR更倾向于将计算机中的虚拟模型或信息代入现实世界。与VR相比,它将虚拟环境中构建的模型与用户周围的真实环境相结合,实现真实世界与虚拟世界的交互,减少与VR相关的繁琐场景建模和渲染工作。为了实现产品装配环境与增强现实环境的实时集成和交互,需要建立基于增强现实的数字化装配系统平台。国内外的研究人员针对不同的应用对象设计开发了一系列基于增强现实的原型系统。例如,美国空军研究实验室和哥伦比亚大学于2007年提出的ARMAR系统[17],新加坡国立大学于2012年开发的ACARS系统[18],以及阿尔及利亚先进技术发展中心于2013年开发的ARPPSM系统[19],都有效地解决了装配设计相关的问题。典型的AR装配系统分为六个功能模块:视频采集、图像分析与处理、跟踪处理、交互处理、装配信息管理和渲染[15],如图1所示。2.1视频捕获视频采集是构建AR装配系统的第一步,主要通过各种摄像头来实现。Radkowski和Oliver[20]和Petersen等人。使用CMOS/CCD摄像机来捕捉599虚拟现实智能硬件2019年第6图1典型AR装配系统结构[15]。产品的真实装配场景[21]。Wang等人使用立体相机构建3D装配场景[22,23],Khuong等人使用深度传感器相机捕获实时深度信息。所有类型的摄像机都可以为待组装部件的后续视觉跟踪提供支持[24]。2.2图像分析和处理图形算法主要通过计算机视觉来处理装配操作图像。作为一个通用函数库,OpenCV被广泛使用[25]。例如,连续自适应模式移位算法经常用于检测用户的手部操作,并且可以准确地识别手掌和指尖的位置以及它们与装配部件的绑定关系。2.3跟踪过程跟踪处理使用实时传感器或视觉检测系统响应来反映增强空间中装配部件的位置和状态。该传感器具有高精度、低延迟、低抖动等优点,其主要包括电磁传感器[26]和光学传感器[27]。视觉检测系统分为有标记跟踪和无标记跟踪两种。前者具有良好的鲁棒性和准确性,但存在光学遮挡问题[28]。后者不受标记的限制,但适应能力弱[29]。3交互处理交互式处理是指使用交互式AR系统,如手套交互设备和桌面交互设备,将真实装配环境与虚拟装配部件结合起来[30]。以Hand Exoskeleton Device为代表的手套交互设备可以捕获手部动作和装配600Chan QIU等:基于增强现实和数字孪生的数字装配技术:综述实时手势[31]。Phantom等桌面交互设备可以跟踪用户的手部位置和装配力; Sukan[32]构建了一个名为ParaFrustum的交互式装配系统,它允许用户从适当的视点查看目标装配对象,从而避免了视点遮挡的问题。4装配信息管理装配信息管理用于存储从CAD模型中提取的所有装配信息,它使用户能够在AR装配操作期间访问和修改实施信息,而无需依赖CAD系统[33]。Raghavan等人构建了联络图系统来管理装配信息,这使得设计人员可以方便地规划各种装配序列方案[34]。Henderson和Feiner使用基于意图的智能插图系统来动态生成装配流程图[35]。5渲染渲染是在AR环境下对装配模型进行参数化处理,并以视频的形式输出,以减少装配模型重建过程中信息量和精度不足的问题。渲染分为两类:视觉渲染和触觉渲染。前者通过OpenGL和Open SceneGraph获得装配数据的可视化表示[36],后者通过触觉设备获得用户接触的力反馈[37]。AR组装系统通过摄像头收集视频,通过视觉跟踪待组装的部件,为后续提供支持。通过图形算法对装配操作的图像进行处理。传感器或视觉检测系统的实时响应用于增强组装部件在空间中的位置和状态。通过交互设备将真实装配环境与虚拟装配零件相结合,通过在AR环境中渲染来补充装配模型的参数。3基于AR的数字化装配关键技术数字化装配是通过仿真的方法对产品数字化模型的装配过程进行分析和误差传递评估,验证零件的装配顺序、装配路径、应力变形等是否满足工程要求。对指导实际零件制造和装配操作,提高产品研发效率,降低成本都有很大的帮助。现有的基于AR技术的产品数字化装配研究分为虚实融合建模、装配场景感知、装配操作导航、装配工艺协同设计等几个方面。3.1虚拟现实融合建模技术虚实零部件融合建模是通过摄像头获取虚拟物体在现实世界中的位置,并采用跟踪方法实时计算其运动状态,保证零部件在两种环境中信息的一致性,使虚拟物体与现实环境完美融合的关键技术。它主要通过三维配准技术来实现。现有的基于AR技术的三维配准方法均采用平面标记作为定位基准,系统结构复杂。图像处理需要大量的计算,601虚拟现实智能硬件2019年第6并且容易在该过程中引入误差。Zhou等人提出了一种使用立体标记的基于视觉的3D配准方法[38]。该方法只需一台彩色CCD摄像机即可完成三维环境的配准,简化了配准系统和算法,消除了多传感器匹配时的误差。Li等人提出了一种基于高效查找表(LUT)的非迭代解决方案,以解决只有正方形AR标签的四个角可用时的问题[39]。其主要思想是从摄像机的姿态中提取关键参数β,并根据正方形标记的对称结构建立β的查找表。因此,在存在噪声的情况下,可以实现具有高稳定性的3D配准方案,如图1所示。图2.Leu等人开发了一种模拟系统,该系统从3D物体表面获取数据以构建图2基于视觉有效查找表的AR 3D配准[38]。CAD模型,然后与AR系统交换数据[40]。该系统还提供了运动捕捉、机械建模、多模态渲染等操作,并集成了装配系统的设计、规划、评估和测试功能。Zhang等人提出了一种利用图像的自然圆特征实现3D AR配准的方法[41]。该方法利用预定义的平面坐标系和目标平面上的圆特征进行位姿估计,并根据旋转矩阵和平移向量实现三维AR配准。Hoejšh根据在软件环境中确认装配体上的标记点在真实世界空间中的位置,从而定义平面和数据,利用软件解算处理网络摄像机图像数据,添加虚拟3D模型指令到真实图像中并显示,该方法缩短了装配任务的时间[42]。Kim等人提出使用AR技术,使用与船体图像相关联的CAD模型[43]。该方法利用数码相机获取二维船体图像,并从该图像中提取特征。然后建立图像分块,利用CAD模型、初始位置计算分块和李代数方法之间的对应关系,减小配准误差,实现更精确的三维配准过程。Wang等人[44]提出了一种基于模型和自然特征点融合的三维配准跟踪方法,采用线性并行多模态模板匹配方法快速识别目标物体,获得与当前视角接近的参考视图,完成摄像机姿态的粗略估计,为了提高配准和跟踪的准确性和速度,克服纹理特征的不足,减小搜索空间,引入了RPSTAR算法。3.2装配场景感知技术在装配场景感知中,通过实时跟踪用户状态并显示相应状态的指令,自动识别AR装配系统中的人为错误,完成每个装配工作步骤,提高装配效率和准确性。Rentzos等人提出了一种场景感知系统,将现有信息和知识集成到CAD/PDM系统中[45]。基于产品和过程的语义,它支持与装配相关的复杂任务,可用于协助车间操作员完成产品的最终装配,如图3所示。602Chan QIU等:基于增强现实和数字孪生的数字装配技术:综述Zhu等人提出了一种可穿戴AR辅助系统,该系统集成了虚拟个人助理(VPA),提供基于自然语言的交互,用户状态识别,位置感知反馈和其他服务,以完成行业中的装配和维护任务[46]。通过人机工程学的实时反馈,国内外研究人员研究了基于AR系统场景感知的操作员工作效率的变化,以减少产品装配任务中人体疲劳的影响。Chen等人提出了一种自适应制导场景显示方法,该方法在适当的区域中从最佳视角显示合成制导场景[47]。Damen等人提出了一个真正的-时间AR引导系统,以感测用户当前所在空间附近的一些活动[26]。Vignais等人提出了一种系统,图3基于语义的特定组装步骤的模板指令[45]。将传感器网络与AR技术相结合,实时评估手动装配任务,并在此期间实时反馈人体工程学数据[48]。3.3装配作业指导技术AR技术将虚拟模型和真实世界数据相结合,实时估计待装配零件之间的位置和姿态关系,并在混合环境中生成关于装配模式的指导信息,以便操作员通过交互导航完成装配操作,从而提高装配效率。Wang等人提出了一个基于AR的实用虚拟组件交互系统,如图4所示[49,50]。用户可以在装配仿真过程中使用自然手势进行界面操作,通过分析约束条件,模型与用户力f之间的接触力决定了虚拟零件的真实运动,以汽车离合器为例验证了系统的有效性和直观性。Liu等人通过对装配矩阵和零件的位姿进行估计,实时获取装配矩阵和零件的相对位置关系进行位置检测,实现真实场景中AR装配导航信息的配准[52]。并将该方法应用于轿车门板连接件和车窗驱动电机的装配实例。Wang和Dunston通过AR提供了一个强大的工业培训工具,关于如何对待加工的机器部件执行维修任务的说明,图4基于自然手势的离合器虚拟装配[51]。603虚拟现实智能硬件2019年第6培训计划,并重复使用有价值的现有培训材料,以帮助技术人员获得新的维护技能[53]。Weble[54]开发了一个基于多模式AR的装配技能培训平台,以在交互式AR环境中显示文本等详细信息,他还引入了一个在AR环境中显示位置相关信息的新概念,以补偿跟踪的不确定性。Damiani等人考虑使用增强现实和虚拟现实技术进行劳动力培训,使人力资源能够有效地与制造信息进行交互[55]。 Zhu等人认为,AR渲染的内容不应该是“只读”的,而应该能够为技术人员提供AR内容交互方式,因此他提出了授权的情景感知AR系统(ACARS)来辅助维护技术人员[18]。ACARS是上下文感知和创造性的,它允许AR开发人员通过桌面2D用户界面与维护技术人员合作创建上下文相关的信息。Hu等以G25-1船用单螺杆泵为研究对象,基于图像识别将其3D CAD模型与实际零件匹配,利用Unity3D引擎和EasyAR软件开发包开发了AR学习辅助软件,实现了单螺杆泵的虚拟拆卸训练和动态操作演示等功能[56]。3.4装配工艺协同设计技术装配工艺协同设计是产品制造装配AR过程中的一种有效手段,它将产品设计、工厂布局规划、零部件加工以及设计人员、计划人员、操作人员等的产品装配行为联系起来,方便他们之间的沟通,共同完成产品的整个生命周期。Liverani等人提出了个人主动助理(PAA)的概念,可以无线连接到设计工作站,以增强与工作人员和头戴式显示器(HMD)有关的信息[57]。Ong等人提出了一个远程协作系统,从不同的角度查看产品模型,如图5[58]所示。协作AR为装配任务提供了显著的优势,包括灵活的协作时间、完整的知识保留、对问题的深入理解等,它可以完美地与现有的工作流程集成。大多数协作增强现实研究只关注不同用户与增强场景的交互,而很少关注用户之间的交互和协作。Oda和Feiner[59]设计了增强现实深度映射环境(GARDEN)中的手势,该环境可以使用球体投影来增强用户之间的信息传输。Ranatunga等人允许专家使用多点触摸手势来平移、旋转和注释对象,与其他用户协作的远程指导视频[60]。604图5基于约束的远程协作系统架构[57].Chan QIU等:基于增强现实和数字孪生的数字装配技术:综述4当前的热点和发展趋势:基于AR的装配与DT相目前,大多数基于AR的装配系统首先考虑的是基于理想状态下静态模型和数据的装配导航。在装配过程中,无法根据装配体的性能状态进行实时调整和优化,可能导致装配质量不稳定。近年来,DT因其从真实到虚拟的全生命周期,以及通过虚拟行为控制真实行为的能力,引起了著名大学、研究机构和企业的极大关注。全球最权威的IT研究和咨询公司Gartner连续三年(2017年至2019年)将DT列为年度十大战略技术发展趋势之一[61]。DT通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,以虚拟模型模拟物理实体在真实环境中的运行行为,在产品的整个生命周期内为物理世界和信息世界提供桥梁[62]。伴随着真实产品在生命周期中的同步进化,DT为物理实体增加了支持或扩展功能[63],为解决装配问题提供了新的思路和手段。DT技术在产品孪生建模和装配精度分析中的应用已有一些报道。例如,Damiani等人解决了与同时访问具有许多内部语义依赖关系的海量数据相关的处理问题[64]。Söderberg等人[51]Wärmefjord et al.[65]总结了在制造过程中建立保证产品几何精度的DT模型所需的实时数据提取和性能仿真优化技术,包括定位方案优化、统计分析、虚拟切边、装配序列优化等方法。Schleich等人[66]基于表面模型形状的概念,构建了一个全面考虑灵活性、可扩展性、可操作性和保真度的完整代理模型,旨在设计实际物理产品的数字孪生体,以进行装配分析。Wang[67]提出了一种基于DT的航空发动机低压涡轮单元装配对接技术,使用多个传感器在数字模型和物理对象之间映射和连接数据。该系统借助物理终端控制,实现了低压涡轮单元单元安装过程中的实时姿态调整,实现了基于物理融合、模型融合、数据融合的三维虚拟装配仿真过程的低压涡轮单元单元航空发动机对接过程。Zhang等人构建了航天器的DT,以表达其在轨装配过程、状态和行为,并根据航天器的结构组成和功能需求,分析了DT的数据组成、实现方式和功能[68]。最后,他提出了航天器全寿命周期DT的实施方法。简单地说,利用孪生数据构造具有真实特征的零部件和装配孪生模型,开发适合孪生模型的设计装配分析方法,对准确预测产品的装配精度,指导实际产品的装配行为具有重要意义。通过真实数据驱动的装配模型,可以实时同步物理模型的装配状态与虚拟模型,可以预测装配性能,并可以提供最佳的装配操作。因此,AR与DT的融合将是未来高精度智能装配技术最有前景的发展方向。605虚拟现实智能硬件2019年第65结论(1) AR和DT技术是复杂产品数字化装配领域的研究热点。本文回顾了增强现实的概念和关键技术,介绍了一个典型的增强现实装配系统的结构,分析了DT的内涵及其在数字化装配中的应用。(2) 应用基于AR的数字化装配技术,实现虚拟现实融合建模、装配场景感知、装配操作导航、装配工艺协同设计等,通过虚拟装配对象与真实装配环境的交互,有效提高装配设计的质量和效率。(3) DT驱动的数字化装配模型模拟真实环境中物理实体的装配行为。与实际产品在生命周期中的同步进化,大大提高了产品装配性能预测的准确性。(4) 一个DT系统可以预测物理模型的装配状态,并预测装配性能。它允许通过AR实时更新装配指导,并预测和保证装配性能。AR与DT技术的融合必将成为复杂产品智能装配技术的重要发展趋势。引用1[10]杨文,杨文,李文.增强现实技术、系统和应用。多媒体工具与应用,2011,51(1):341DOI:10.1016/j.procir.2015.07.0442东村町增强现实的概述Presence:Teleoperator and Virtual Environments,1997,6(4):3553范多马尔T P C,范多马尔J A M,门辛克T.在增强现实眼镜上使用基于点的配准的全息导航的临床准确性。神经外科手术,2019,1DOI:10.1093/ons/opz0944杨文忠,王世荣,陈文忠.增强现实在设计和制造中的应用。CIRP Annals,2012,61(2):657DOI:10.1016/j.cirp.2012.05.0105放大图片作者:Dini G,Mura M.增强现实技术在全生命工程服务中的应用。Procedia CIRP,2015,38:14DOI:10.1016/j.procir.2015.07.0446Didier J-Y ,Mrsel D ,Mallem M ,Otmane S ,Naudet S, Pham Q-C ,Bourgeois S ,Mégard C, Leroux C ,Hocquard A. 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