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荏原xR技术在水泵行业的实践与探索

作者荏原,Kodai TSUSHIMA、Kazuya HIRATA
泵友圈翻译整理,转载注明来源。


近年来,xR技术(VR、AR、MR技术等的总称,中文又称“扩展现实”)不仅开始在娱乐行业,而且也开始在工业领域得到积极应用。荏原集团也在推广xR技术的使用,以增加其产品和服务的附加值,并改善传统运营。


本文解释了使用虚拟现实各种基本技术的案例,如虚拟现实空间中的接触干涉、流体分析结果的可视化,以及使用虚拟现实设备(HMD)和虚拟现实设备(CAVE)从远程位置参与虚拟现实空间(远程协调)的工业应用。此外,文章还介绍了荏原利用360度相机获得的360度图像和3D扫描仪获得的点云模型的努力,这些是xR的外围技术。



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导言


虚拟现实(VR)技术主要是为娱乐业开发的,是一种沉浸式技术,主要使用计算机图形学(CG)让用户将虚拟世界视为现实。近年来,随着硬件和软件水平的提高以及3D-CAD技术的进步,虚拟现实技术开始在工业领域得到了积极的应用。


与娱乐业一样,在工业领域使用虚拟现实的最常见方式是使用头戴式显示器(HMD)和3D-CAD模型(以下简称3D模型)的立体视图将用户沉浸在虚拟空间中。一些使用3D模型的设计只能在电脑屏幕或印刷品上显示。然而,使用这项技术,可以在虚拟空间中检查此类设计的大小、形状和结构,就像有一个真实的原型一样。因此,可以在设计阶段根据检查结果修改设计。


近年来,VR、AR、MR等技术被统称为xReality(xR),本文简称xR技术。

荏原集团的主要产品是泵和压缩机等工业机械、泵站和排水站等公共基础设施、废物处理厂和半导体制造设备,集团也在推广xR技术的应用,以改善销售、设计、售后服务和其他运营,以及增加客户价值1)。本文将介绍荏原的xR设备,并以接触干涉、流体分析结果可视化和远程协调为例介绍xR技术的应用。最后,将介绍360度相机拍摄的360度图像及其用法。



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荏原的xR设备


作为荏原的xR设备,除了一般的HMD(2017年开始运营)之外,2018年还建立了Cave Automatic Virtual Environment系统(以下简称CAVE系统)(图1)并开始运行。CAVE是一个大型的系统,在正面、侧面和底部有多个屏幕。每个屏幕都有一个单独的投影仪,可以交替投射左右眼的图像。用户沉浸其中,不是使用HMD,而是与投影仪相连的 LCD 快门眼镜。


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图 1


此外,由于来自每个投影仪的图像根据浸入的人的位置和视线而变化,因此用户可以立体地观看3D模型,而不会对3D模型的位置感到任何不适。HMD 会阻挡佩戴者的整个视野。一旦沉浸,佩戴者无法感知周围环境,甚至无法感知自己的四肢。


另一方面,CAVE 系统允许多人识别和共享同一个 3D 模型,因为它的 LCD 快门眼镜不会挡住他们的视线。因此,多人讨论 3D 模型是可能的,同时指向它以指示 3D 模型中的特定位置。此外,由于 LCD 快门眼镜比 HMD 更轻,因此在沉浸过程中佩戴起来更加舒适。

在使用 HMD 时,我们还使用附加设备:配备高性能图形卡的 PC(我们使用笔记本移动工作站)、用于在虚拟空间中操作的控制器、用于识别沉浸在虚拟空间中的人的位置跟踪器,以及显示接触干涉时沉浸在虚拟空间中的人从肘部到指尖的截面的VR手套。所有这些设备都是便携式的,不像 CAVE 系统,它是一个固定设施。因此,VR 技术还提供了在公司内部和外部的不同位置的可用性优势。



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接触干涉


“接触干涉”是一种技术,用于确定 3D 模型是否与沉浸式人的手部模型或其他 3D 模型在以立体方式观看 3D 模型的虚拟空间中的接触。该技术也用于 3D-CAD 以及 VR 的虚拟空间。首先,用户双手握持控制器,或者一只手握住控制器,另一只手佩戴 VR 手套,上下臂佩戴追踪器,如图 2 所示。


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图 2


沉浸式用户的控制器和 VR 手套的动作在虚拟空间中显示为手和手臂的动作,与他们的实际位置没有不一致。然后,沉浸式用户可以用虚拟空间中显示的虚拟手和手臂触摸、抓住和移动 3D 模型的某些部分。图 3 显示了荏原高压多级泵。如图所示,泵体周围环绕着许多小管道和阀门等辅助设备。


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图 3


图 4 显示了一个沉浸式人员佩戴 VR 手套和跟踪器对高压多级泵的 3D 模型执行干扰检查的示例。当佩戴 VR 手套的沉浸人员的手接触管道和辅助设备时,这些管道和辅助设备通常以创建 3D 模型时指定的颜色显示,颜色变为蓝色,手套会振动以通知接触者。


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图 4


此外,VR 手套还会对沉浸中的人的五个手指动作做出反应。当人握住一个零件时,管道和辅助设备会变成红色,让人们知道该零件已被握住并且可以移动。图 5 显示了一个沉浸人员实际手持高压多级泵 3D 模型的管道以确认管道路线。


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图 5


当被固定的管道相互碰撞时,它们会停止移动,而不会相互穿过,箭头指示它们的干涉位置。这使沉浸人员能够体验管道,就好像他们在处理真正的管道一样。这项技术解决了HMD的一个缺点:一旦戴上它,用户就无法识别自己的肢体,因此无法在浸入过程中检查与模型的距离和用户的接触范围。


荏原集团主要考虑将接触干涉应用于设计阶段的设计审查,以及拆卸和组装培训。例如,在大型高压多级泵的情况下,如图 3 所示,很难制造出具有实际尺寸的原型,因为它有许多复杂的管道。然而,该技术可以检查泵体周围的管道和阀门等辅助设备的布置以及管道路线。此外,如图 6 所示,通过在虚拟空间中投影人体模型,可以评估组装和维护的可操作性。


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图 6


这些技术的结合用于在规划期间确认泵站和排水站以及工厂设施的布局,在高处工作期间检查立足点和受限空间的可操作性,让客户在工厂参观和各种展览中感受到每种产品的规模,比较新旧产品的形状。


荏原将 FiatLux 的“EasyVR”用于 CAVE 系统,将 ESI Japan 的“IC.IDO”用于 HMD,作为立体查看 3D 模型和接触干涉技术的软件。



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可视化流量分析结果


近年来,流体分析技术得到了广泛的应用,不仅用于研究,还作为设计和开发等制造领域的工具。目前几乎所有的流体分析都是三维的。相应地,结果提供了三维流场数据。结果显示在屏幕上或打印在纸上作为速度矢量和压力等值线进行评估。在这些数据的传统评估方法中,主要是将要观察的流场部分切割并显示为横截面。对于未知的流体现象,可以观察到任意截面。


因此,垂直于横截面方向上的信息在具有高三维度和复杂性的流场中丢失,或者在复杂几何形状的流场中丢失,例如泵的内部流道。因此,很难详细评估流场。除了横截面视图外,还使用鸟瞰视图或动画视图,但很难掌握复杂的三维流场。


因此,我们尝试通过将自己沉浸在使用 CAVE 系统或 HMD 制作的 VR 空间中的流场中来详细评估流场。在这项研究中,使用大型立式轴流泵(图 7)来分析将水引向泵的吸水箱周围的流体,以及作为泵入口的吸入喇叭口。


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图 7


首先,作为分析结果的显示示例,从吸入罐上游开始,喇叭口周围的颗粒路径如图 8 所示。


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图 8


我们从吸入罐上游侧的图右上角释放鱼形标记进行可视化,然后观察水如何流入图左下角所示的喇叭口。如图8所示,可以确认颗粒路径受到干扰,尤其是在喇叭口的下游侧,鱼形标记表明水流复杂。然而,由于流场的高三维性,很难准确检测水下涡流的产生位置和方向以及该区域可能存在的吸气涡流。


接下来,图 9 显示了基于相同结果在 VR 空间中使用 HMD 和 CAVE 系统进行评估的示例。本研究中使用的软件是用于 HMD 的 SIEMENS 的“STAR-CCM+VR”和用于 CAVE 系统的 FiatLux 的“EasyVR”。


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图 9


在视频 2 中,通过在沉浸式 VR 空间中从手持控制器发射粒子并根据流分析结果使流体可视化。沉浸其中的人可以通过改变视线和观察位置来检查复杂的三维流体,就好像这些都是真实的一样。这在使用横截面切割的传统二维评估中非常难以实现,但使用 xR 技术可以轻松实现高度准确和详细的评估。


在 CAVE 系统中,多人可以共同识别同一个虚拟空间。此外,他们沉浸在空间中,同时识别彼此的存在和外表。因此,他们可以在指向立体分析结果的同时,使用“这个”、“在这儿”、“这种感觉”等直观的词语进行讨论。


此外,HMD 设备是便携式的,它允许在不同位置使用 VR 技术进行评估。在这两种方法中,通过在流场内移动并根据需要改变观察方向,很容易理解局部复杂的流体模式。在这项分析中,虚拟现实技术在理解喇叭口与水下涡流和吸气涡流之间的位置关系以及由涡流引起的复杂三维流型方面尤其有效。



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远程协同


“远程协同”是一种让用户沉浸在同一个虚拟空间中,并通过互联网连接的不同远程位置查看同一个立体3D模型的技术。每个沉浸式的人都可以在虚拟空间中相互识别对方的站立位置、视线,甚至是指向位置,因为他们被显示为虚拟形象,其面部和手部在虚拟空间中被立体观察。此外,如图 10 所示,一个虚拟形象所做的更改,例如在 3D 模型中放置标记或添加尺寸,将立即反映在所有沉浸式人员查看的模型中。


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图 10


作为远程协调实用性的一个例子,本地工人和总部技术人员可以沉浸在同一个虚拟空间中,在本地泵站和排水站处理泵故障。”在虚拟空间中,工人可以指向3D模型并解释泵故障,而技术人员可以使用相同的模型为问题提供解决方案。


HMD之间或HMD与CAVE系统之间可以进行远程协调。如果只向当地办事处分发并安装HMD,那么技术人员就不需要在全国各地旅行,而且可以快速提供各种各样的故障排除。这项技术在由于采取措施防止传染病传播而限制长途旅行的情况下尤其有效,就像最近的情况一样。


此外,当一家公司的研发、设计和生产部门分散在偏远地区时,可以通过立体视图进行设计审查,就像一个原型在沉浸的人眼前一样,而不是使用二维信息进行讨论,例如在传统的视频会议屏幕上显示的图形。各相关部门的负责人可以更准确、更详细地分享规划期间对产品结构和形状的理解,从而提高产品质量,减少现场安装期间的开发提前期和返工时间。


以下是荏原远程协调技术的应用示例。图 11 显示了使用 VR 系统 (HMD) 实施的远程协调示例,该系统分发到荏原总部(东京)和熊本工厂(熊本县),连接到藤泽工厂(神奈川县)的 CAVE 系统。


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图 11


图 11 中的 CAVE 屏幕将来自不同位置的沉浸式人员的头部和手显示为浅蓝色头像。在同一虚拟空间中,我们确认了厂房内部的布局和产品组装过程中的可操作性,同时查看了3D模型。此外,我们还计划与我们的海外基地建立联系。



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360度全景图像


本文接下来介绍 360度全景图像和视频的使用,这是一种外围 xR 技术。360 度图像是使用称为 360 度特殊相机拍摄的全景图像(图 12),包括所有方向(上、下、左和右)。


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图 12


360 度图像有时也称为 720 度图像(水平和垂直方向的一对 360 度图像),但在本文中,“360 度图像”指的是静止图像和视频。图 13 显示了 360 度图像的示例,它显示了由 360 度相机拍摄的荏原总部大厅的 360 度图像。


图 13 左侧所示的是一台巨大的黑色泵,高度接近天花板,通常很难对其进行概览。


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图 13


在 360 度全景图像中,顶部、底部、左侧和右侧被压缩为一张图像。因此,当在平面上查看时,360 度图像看起来像压缩的全景图像。如果使用智能手机上的特殊应用程序查看 360 度图像,则可以获得具有视差的左右图像。


此外,由于图像会随着用户视线的移动而变化,因此用户可以拥有如同站在场景中一样的真人VR体验。使用 360 度影像值得一提的是,可以轻松引入设备。在撰写本文时,只需不到 50,000 日元即可购买到性能足够的 360 度相机。用于操作 360 度相机和查看捕获的 360 度图像的专用应用程序也是免费提供的,并且非常易于使用。

360 度图像有多种可能的用途。VR不仅可以广泛应用于制造部门,还可以应用于行政部门,用于创建工厂危害预测培训的培训手册,为公共关系活动、招聘活动和销售活动创建公司简介材料;结合远程协同技术进行远程见证试验。



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展望与挑战


未来扩大 VR 技术应用的挑战在于,公司业务的产品线可用的 3D 模型并不多。在前几章的案例研究中,虚拟现实沉浸主要针对相对较小的独立产品。另一方面,荏原集团还提供抽水排水站、垃圾处理厂等大型设施。


接触干涉和远程协同将有效地审查抽水排水站和废物处理厂的计划,检查各种设备的运送路线、安装程序和管道布置,以及验证投运后的运行和维护中的可操作性。对于新项目,3D-CAD 的使用从规划阶段就一直在推进。然而,现有设施几乎没有 3D 模型。因此,当将 xR 技术用于这些设施时,就有必要创建新的 3D 模型。


为了获得现有设施的 3D 模型,使用通过 3D 激光扫描仪(以下称为 3D 扫描仪)从该设施获取的点云数据。通过使用 3D 扫描仪,大约半天即可获得现有设施的点云数据,提供合适的 3D 模型比创建新模型更快。通过在虚拟空间中结合点云数据和单个产品(例如泵)的 3D 模型,可以评估泵的拆卸和组装的难易程度,检查新泵的输送路线,并验证虚拟空间中的管道布局。


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图 14


图 14 显示了一个利用点云数据的示例。图 14 显示了使用 HMD 沉浸在虚拟空间中,其中点云数据由 3D 扫描仪获取,3D 模型由 3D-CAD 创建。对于图 14 中的 VR 沉浸感,使用了 Lattice Technology 的“XVL Studio VR option”。


在图像的中下部,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虚拟空间中触摸3D模型,通过使用该控制器作为伪手,拾取和移动部件。还可以检查要拾取和移动的零件与空间中的点云数据之间的接触干扰。


xR技术中点群数据的利用有望应用于更多的各种操作。因此,我们计划收集有关该技术的信息并促进该技术的进一步引入。



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结论


除了本文介绍的内容外,预计 xR 技术将在各个领域迅速普及,并在未来技术上进一步发展。荏原集团不仅将继续研发xR技术,还将在工作现场推广xR技术的使用,以提高各种作业的效率和精度。此外,集团正在推动在其销售和公共关系活动中使用该技术,作为提高客户满意度和企业价值的工具,旨在为集团的ESG管理做出贡献。


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