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智機專欄
沈浸式互動技術 應用於製造業遠距協同工程
2022.03.17∣瀏覽數:533

沈浸式互動技術應用於製造業遠距協同工程

工研院 智慧機械科技中心 梁碩芃

新冠疫情使得各行各業開始學習如何利用遠距會議工具進行各種協作,但是受限於互動性不足仍然很難解決複雜的工程協作問題。另一方面,近年來沈浸式互動技術結合雲端運算、人工智慧與強大的行動運算晶片技術而爆發出龐大的商業機會。把沈浸式互動技術帶入遠距協同工程應用情境將可大幅提升參與者之間的互動性,如此一來除了可解決製造業在後疫情時代與2050零碳排趨勢下的高效率低耗能生產需求,也可以創造出全新的營運模式。

沈浸式互動技術現況

通稱為沈浸式互動的虛擬實境、擴增實境、混合實境產業在頭戴式裝置硬體技術相對成熟、雲端運算普及、5G網路等趨勢下迎來一波成長高峰。元宇宙一詞成為各大商業、科技媒體的熱門關鍵字,其中臉書在虛擬實境領域已獲得巨大商業成果並且已將未來押寶在元宇宙,甚至連公司名字都改成Meta了。

沈浸式互動應用產業的熱潮不只是媒體炒作而已,已有大量資本投入相關新創事業,尤其在疫情期間遠端、虛擬會議成為新趨勢,各大科技廠多舉辦網路發表會、用戶大會,越來越多虛擬空間社群活動服務被開發出來,這將會是一個全新的商機,許多新創公司紛紛投入遠距協同會議、教育訓練、數據分析應用服務(例如:Spatial.io, Virbella, Flow.gl, AktspaceVR等⋯)。原有的遠端會議系統產品也在疫情期間快速迭代,微軟的Teams/RemoteAssist 將可以虛擬頭像參與遠端會議,未來你甚至不確定與你開會的是真人或某個通過圖靈測試的AI軟體。

在硬體技術方面,晶片大廠高通掌握XR裝置最底層核心技術,並協助許多國內外廠商推出最新設備,nVidia以其強大的GPU技術能量及市場佔有率,推出CloudXR遠端渲染開發套件,可透過虛擬化GPU進行複雜3D場景渲染後,以影音串流方式傳送到輕量化的行動裝置或頭戴式裝置,這將對未來沈浸式互動的普及化帶來深遠的影響。 nVidia預估沈浸式互動未來三年將有3,000億美金的市場,主要市場機會集中在數位內容創作、醫療、建築、設計、製造、協同工程等領域,無線化頭戴式裝置是未來市場趨勢,AR/MR成長趨勢高於VR,且較適合工業應用場合。



疫情帶來的創新與挑戰

自2019新冠疫情爆發以來,所有人的工作與生活習慣全被打亂,封城、隔離等措施迫使大家學習使用遠端會議系統進行商業活動或教學課程,即便在疫情趨緩階段,很多人發現自己已經習慣遠距工作或混合工作模式,虛擬世界人際互動成為未來的生活新常態。

舉例來說,工研院參加5GConni 歐盟計畫,原定執行期間是2019/10到2022/09,台歐雙方計畫成員在2019/12 於柏林舉辦計畫啟動大會後疫情隨即爆發,之後全程以遠距方式進行至今,疫情高峰期間由於人員無法進入工廠、實驗室及辦公室導致實驗開發進度受阻。同樣的戲碼想必也發生在各行各業的每個角落,尤其是對於原本已有跨國、跨廠生產模式的大型製造業,挑戰更加嚴峻。再加上人口老化、勞動力短缺、少量多樣生產,等趨勢,製造業更需要以更少人力、更少資源實現更高效率生產。

另一方面,疫情與地緣格局變化推動生產基地的遷移與供應鏈重組,其中東南亞成為布局生產基地首選,然而當地製造業數位化程度低,現有產線管理與控制架構尚無法提供可快速導入的產線建置、管理與控制方案。因此,企業總部集中控制、產能調配及遠端技術服務能力,成為實現海外產線快速遷移重組與產能調配的必備能力與新的創新及商業契機。


製造業遠距協同工程

疫情期間各種視訊會議系統使用量大增,原先不會用、不敢用、不願意用的人也在這段時間不得不學習如何參加視訊會議,甚至連幼稚園、國小師生、才藝班也開始學習遠距課程,而製造業、設備業在人員無法進入廠房或無法出差前往客戶廠區交貨、驗收、調機的情形下,自然也會想到使用視訊會議系統進行遠距服務,然而目前所有的遠距會議、虛擬會議產品及服務仍有些功能限制導致互動性不足,以致於無法用在工程討論、診斷分析等應用情境,這些限制如下:

(1)參與者之間只能口語、圖表、文字、標記傳遞訊息。

(2)無法採集運轉數據、量測數據與即時模擬結果,多方同時檢視製程、設備、產線狀況。

(3)各領域的演算法、模擬器、運算模組套裝軟體彼此之間無法在動態環境下任意組合協作。

想要突破上述限制,建立一個真正的遠距協同工程服務平台,必須把數位雙生加入雙向討論情境中,讓數位雙生協助會議參與者依照即時運轉數據進行模擬分析並將運算結果呈現在3D場景中,以協助進行決策。另外當很多數位雙生共同參與協作的時候,需要制定標準化的資料介面、控制指令與階層架構,才可在雲端運算環境任意組合成SaaS/APP運行且在動態環境下協作。



開發應用案例

為了實現如圖3,將數位雙生加入遠距協同工程情境中,工研院透過擴增實境可視化特性與機台3D模型進行串接互動,將設備、產品、製程相關資訊彙整。以物理特性疊加在真實畫面,經過後端計算處理,即時呈現製程優化相關數據,讓使用者透過平板裝置以直覺方式存取跨領域數位雙生資訊,達到縮短製程規劃及遠距教導智慧機械。

將設備運轉情形、製程感測數據投射在手機、平板、頭戴式顯示器等沈浸式互動裝置,使設備操作員與遠端專家可以更直覺的方式掌握並排除製程異常,加速少量多樣製程打樣時間30%以上。

為了近一步分析加工品質,還可以整合結構振動模態、虛擬控制器、切削力學模型,運動學幾何誤差模型成為切削誤差分佈運算應用服務,將加工參數、控制器參數、光學尺座標輸入切削誤差分佈運算應用服務,計算出誤差點雲資料並繪製成分佈圖。誤差分佈圖之大量點雲資料經過遠端渲染傳送至操作員頭戴式裝置,快速判斷加工品質與製程診斷決策。




遠距協同工程加值創新服務模式

沈浸式互動技術是機械業、製造業在面對後疫情時代、零碳排、少量多樣生產以及人口老化勞動力短缺時的一項利器,儘管沈浸式互動產業受到軟體業、新創資本以及商業媒體的大力關注,然而要將沈浸式互動技術成功帶入工業領域並且產生價值與實際應用效益,仍須與領域知識緊密結合,而遠距協同工程應用就是一個將沈浸式互動與機械、製造業領域知識緊密結合的絕佳應用情境,工研院將持續投入此一研究,將更多領域知識運算模組加入遠距協同工程服務環境中,以實現零接觸、零距離、高效率、低能耗的企業總部服務模式。

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