CN113220121B - 一种基于投影显示的ar紧固件辅助装配系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配系统及方法,包括工艺数据库模块、AR智能引导模块、装配检测模块和集成控制模块;将抽象的装配指导工艺以AR可视化的方式投影在装配操作现场,并对装配结果予以实时检测反馈,降低作业人员认知负担,提高装配效率,降低装配错误率。本发明通过投影显示的AR技术将复杂抽象的紧固件装配工艺信息进行AR可视化,无缝融合于物理装配场景,简明直观地呈现于操作者眼前,降低了对装配操作者的研读工艺的认知水平和经验判断能力的要求。
Description
技术领域
本发明属于AR技术领域,具体涉及一种AR紧固件辅助装配系统及方法。
背景技术
增强现实技术(AR)是一项将真实世界与虚拟世界“无缝”集成融合的新兴技术。在智能制造系统中,增强现实技术提供了人、机、物融合共通的交互方式,打破了虚拟物体和现实环境的边界,人与制造系统融为一体。在制造业中,增强现实技术由于其具有虚实结合的独特性,特别是在复杂产品的辅助装配领域有着明显的优势和广阔的应用前景。
在高端装备制造产业中,装配环节是产品生命周期的重要组成部分,关系到产品的质量、成本和性能。特别是在航空航天制造领域,产品装配具有多品种、变批量的特点,人工装配操作仍占据重要地位。现阶段的产品装配工艺趋于分支多样化、密集化,不同零部件的数量与装配要求差异巨大,装配位置空间狭小,操作工况复杂,而且产品的零部件数量、种类繁多,装配件之间协调关系复杂,质量要求高,对装配操作人员的工艺理解水平和操作熟练程度有着较高要求。
AR技术的在人工辅助装配领域的应用,解决了装配步骤繁琐、装配工艺可视化程度低的问题,这对于提高整个产品的质量,缩短制造时间具有重要意义。但是,现阶段基于AR的辅助装配,大多是针对单个零件的装配引导指示,局限于固定操作规程,辅助引导的目的大多侧重于特征指示、路径规划、装配位姿等装配过程,这种按步引导的方式适用于装配过程中相同零件数量较少,结构复杂、约束较多,装配先后顺序要求严格的特定零部件装配,不适用于紧固件的批量引导装配。紧固件的装配工艺操作流程相对简单,要求将同一装配工序中将相同型号的紧固件正确、高效地装配至对应位置,装配过程一般以零件组为单位,相同型号紧固件具有完全互换性,因而对零件装配的路径、顺序没有严格要求,针对这种情况的辅助装配的目的应侧重于装配结果,防止紧固件的错装漏装,提高装配效率。
增强现实技术在紧固件辅助装配领域的应用,大大提高了装配工艺信息可视化水平,在真实的装配场景中融合叠加虚拟的数字图像形式的引导信息,降低装配人员对装配工艺的认知成本,简化操作与决策难度,提高装配作业人员的真实感和准确度,提高紧固件的装配效率和质量。
文献“申请公布号为CN109491497A中国发明专利”公开了一种基于增强现实技术的人工辅助装配应用系统,包括内容编辑子系统及实时引导子系统,将增强装配工艺以三维模型、图像的形式渲染在真实装配场景中,引导现场工人的装配操作,减少了认知记忆负担,提高装配效率。但是这种以装配过程为导向的AR引导方式,适用于相同零件数量较少、结构复杂、约束较多,装配先后顺序要求严格的产品装配场景,不适用于紧固件的批量装配引导。同一装配工步的紧固件具有完全互换性,没有严格的装配先后的顺序要求,是零件组为单位,而且该系统缺少检测反馈环节,造成装配工艺的不连续,影响作业效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配系统及方法,包括工艺数据库模块、AR智能引导模块、装配检测模块和集成控制模块;将抽象的装配指导工艺以AR可视化的方式投影在装配操作现场,并对装配结果予以实时检测反馈,降低作业人员认知负担,提高装配效率,降低装配错误率。本发明通过投影显示的AR技术将复杂抽象的紧固件装配工艺信息进行AR可视化,无缝融合于物理装配场景,简明直观地呈现于操作者眼前,降低了对装配操作者的研读工艺的认知水平和经验判断能力的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配系统,包括工艺数据库模块、AR智能引导模块、装配检测模块和集成控制模块;
所述工艺数据库模块包括计算机、工艺数据库和CAD系统,负责存储和管理装配工艺数据,能够扩展外部CAD系统以导入装配模型与工艺信息;
所述AR智能引导模块包括显示端计算机、数据投影仪和工业相机,实现虚实融合,将装配模型和工艺信息可视化呈现;
所述装配检测模块包括检测相机和图像处理单元,用于分析判断装配结果;
所述集成控制模块由服务器构成,对辅助装配系统的运行进行集成控制,负责与其他三个模块间的指令控制、通信传输,分析处理各模块单元的关联逻辑。
一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配方法,包括如下步骤:
步骤1:建立辅助装配系统各模块间的客户端/服务器通信架构,工艺数据库模块和AR智能引导模块作为两个独立的客户端,集成控制模块和装配检测模块的图像处理单元集成在服务器端计算机上,服务器端和客户端采用基于TCP网络协议的Socket通信;在工艺数据库的计算机和显示端计算机安装虚拟现实渲染引擎Unity和软件开发环境VisualStudio;
步骤2:联合标定数据投影仪和工业相机组成的AR智能引导模块;首先,标定工业相机,求解工业相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵;数据投影仪在同一标定板的空白位置投影棋盘格标定板,根据纸质标定板和投影标定板共平面的约束关系,求解数据投影仪的内部参数矩阵和外部参数矩阵,实现AR智能引导模块的标定;
步骤3:在工艺数据库的计算机中导入CAD装配模型库,在虚拟现实渲染引擎Unity中构建虚拟装配场景,将CAD装配模型库中的资源模型以OBJ或FBX格式导入其中;
步骤4:定义紧固件的装配工艺序列,将装配引导步骤及AR调用资源以XML文件进行保存,通过在XML文件的节点元素标签中保存紧固件的孔位、型号及引导资源信息,最后形成结构化XML工艺文件;
步骤5:按照装配工艺步骤,将相同工步的同型号紧固件分组包装,并通过QR码记录关联紧固件组的型号、数量、装配序列信息;
步骤6:基于客户端/服务器通信机制,服务器端调用数据库端的XML工艺文件,将加载的XML树形层级结构数据转化为编程语言的类,并完成类和对象的初始化,同时将其层级数据始化转化为字节码,向可视化端发送加载虚拟引导场景数据,调用CAD模型和引导标识,经服务器发送至投影可视化端,实现虚实融合、装配指导;
步骤7:装配操作人员扫描QR码读取紧固件组的基本信息,按照AR投影引导序列将对应紧固件组装配完成;
步骤8:检测相机采集紧固件装配现场图像,提取紧固件装配特征,定位装配紧固件孔位,并进行局部图像分割,与装配完成的紧固件模板进行特征匹配,从而判定装配状态,集成控制模块根据检测结果在对应的装配孔位进行装配操作反馈提示,直至当前序列的紧固件组全部装配完成。
本发明的有益效果如下:
本发明通过投影显示的AR技术将复杂抽象的紧固件装配工艺信息进行AR可视化,无缝融合于物理装配场景,简明直观地呈现于操作者眼前,降低了对装配操作者的研读工艺的认知水平和经验判断能力的要求,提高了紧固件的人工装配效率,降低了紧固件的装配错误率;通过对紧固件的分组包装,QR码关联信息,可以追踪紧固件装配流程,强化物料管理;通过AR技术和机器视觉技术将装配操作引导与装配结果检测两个阶段融合一体,提高辅助装配作业过程的连续性和一体化水平,提高了紧固件辅助装配的智能化水平。
附图说明
图1为本发明系统的功能模块框架图。
图2为本发明系统软件架构图。
图3为本发明存储紧固件引导信息的XML工艺文件节点结构图。
图4为本发明装配工艺数据传输流程图。
图5为本发明模型引导资源的传输流程图。
图6为本发明紧固件的辅助装配引导场景。
图7为本发明紧固件的装配检测反馈示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
针对大数量、多种类、易混淆的紧固件装配场景,本发明提供一种基于增强现实的紧固件辅助装配系统,将抽象的装配指导工艺以AR可视化的方式投影在装配操作现场,并对装配结果予以实时检测反馈,降低作业人员认知负担,提高装配效率,降低装配错误率。
如图1所示,一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配系统,包括工艺数据库模块、AR智能引导模块、装配检测模块和集成控制模块;
所述工艺数据库模块包括计算机、工艺数据库和CAD系统,负责存储和管理装配工艺数据,能够扩展外部CAD系统以导入装配模型与工艺信息;
所述AR智能引导模块包括显示端计算机、数据投影仪和工业相机,实现虚实融合,将装配模型和工艺信息可视化呈现;
所述装配检测模块包括检测相机和图像处理单元,用于分析判断装配结果;
所述集成控制模块由服务器构成,对辅助装配系统的运行进行集成控制,负责与其他三个模块间的指令控制、通信传输,分析处理各模块单元的关联逻辑。
一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配方法,包括如下步骤:
步骤1:如图2所示,建立辅助装配系统各模块间的客户端/服务器通信架构,工艺数据库模块和AR智能引导模块作为两个独立的客户端,集成控制模块和装配检测模块的图像处理单元集成在服务器端计算机上,服务器端和客户端采用基于TCP网络协议的Socket通信;在工艺数据库的计算机和显示端计算机安装虚拟现实渲染引擎Unity和软件开发环境Visual Studio;
步骤2:联合标定数据投影仪和工业相机组成的AR智能引导模块;首先,标定工业相机,求解工业相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵;数据投影仪在同一标定板的空白位置投影棋盘格标定板,根据纸质标定板和投影标定板共平面的约束关系,求解数据投影仪的内部参数矩阵和外部参数矩阵,实现虚拟现实渲染引擎Unity中的虚拟场景坐标系、相机坐标系和投影坐标系的有机统一,完成AR智能引导模块的标定;
步骤3:在工艺数据库的计算机中导入CAD装配模型库,在虚拟现实渲染引擎Unity中构建虚拟装配场景,将CAD装配模型库中的资源模型以OBJ或FBX格式导入其中;
步骤4:定义紧固件的装配工艺序列,将装配引导步骤及AR调用资源以XML文件进行保存,通过在XML文件的节点元素标签中保存紧固件的孔位、型号及引导资源信息,最后形成如图3的结构化XML工艺文件,XML装配工艺数据传输流程如图4所示;
在系统搭建基于WampServer的传输环境,服务器访问数据库端,可视化端下载引导资源模型,完成FBX或OBJ格式的转换,以便于在虚拟现实引擎Unity中使用,最后在Unity的场景中创建可以在客户端中直接调用的Asset-bundle资源,发送至可视化端计算机,CAD模型等引导资源的传输流程如图5所示。
步骤5:按照装配工艺步骤,将相同工步的同型号紧固件分组包装,并通过QR码记录关联紧固件组的型号、数量、装配序列信息;
步骤6:基于客户端/服务器通信机制,服务器端调用数据库端的XML工艺文件,将加载的XML树形层级结构数据转化为编程语言的类,并完成类和对象的初始化,同时将其层级数据始化转化为字节码,向可视化端发送加载虚拟引导场景数据,调用CAD模型和引导标识,经服务器发送至投影可视化端,实现虚实融合、装配指导;
步骤7:服务器发出装配引导指令,可视化端投影仪按照装配工艺以紧固件包装组为单位序列在对应紧固件的装配孔位投影引导信息,操作人员完成装配,如图6所示,装配操作人员扫描QR码读取紧固件组的基本信息,按照AR投影引导序列将对应紧固件组装配完成;
步骤8:检测相机采集紧固件装配现场图像,提取紧固件装配特征,定位装配紧固件孔位,并进行局部图像分割,与装配完成的紧固件模板进行特征匹配,设定阈值,从而判定装配状态,集成控制模块根据检测结果在对应的装配孔位进行装配操作反馈提示,直至当前序列的紧固件组全部装配完成,将紧固件的检测结果通过可视化端的数据投影仪投射在装配场景中,对操作人员进行结果反馈,如图7所示。
Claims (2)
1.一种基于投影显示的AR紧固件辅助装配方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:建立辅助装配系统各模块间的客户端/服务器通信架构,工艺数据库模块和AR智能引导模块作为两个独立的客户端,集成控制模块和装配检测模块的图像处理单元集成在服务器端计算机上,服务器端和客户端采用基于TCP网络协议的Socket通信;在工艺数据库的计算机和显示端计算机安装虚拟现实渲染引擎Unity和软件开发环境Visual Studio;
步骤2:联合标定数据投影仪和工业相机组成的AR智能引导模块;首先,标定工业相机,求解工业相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵;数据投影仪在同一标定板的空白位置投影棋盘格标定板,根据纸质标定板和投影标定板共平面的约束关系,求解数据投影仪的内部参数矩阵和外部参数矩阵,实现AR智能引导模块的标定;
步骤3:在工艺数据库的计算机中导入CAD装配模型库,在虚拟现实渲染引擎Unity中构建虚拟装配场景,将CAD装配模型库中的资源模型以OBJ或FBX格式导入其中;
步骤4:定义紧固件的装配工艺序列,将装配引导步骤及AR调用资源以XML文件进行保存,通过在XML文件的节点元素标签中保存紧固件的孔位、型号及引导资源信息,最后形成结构化XML工艺文件;
步骤5:按照装配工艺步骤,将相同工步的同型号紧固件分组包装,并通过QR码记录关联紧固件组的型号、数量、装配序列信息;
步骤6:基于客户端/服务器通信机制,服务器端调用数据库端的XML工艺文件,将加载的XML树形层级结构数据转化为编程语言的类,并完成类和对象的初始化,同时将其层级数据始化转化为字节码,向可视化端发送加载虚拟引导场景数据,调用CAD模型和引导标识,经服务器发送至投影可视化端,实现虚实融合、装配指导;
步骤7:装配操作人员扫描QR码读取紧固件组的基本信息,按照AR投影引导序列将对应紧固件组装配完成;
步骤8:检测相机采集紧固件装配现场图像,提取紧固件装配特征,定位装配紧固件孔位,并进行局部图像分割,与装配完成的紧固件模板进行特征匹配,从而判定装配状态,集成控制模块根据检测结果在对应的装配孔位进行装配操作反馈提示,直至当前序列的紧固件组全部装配完成。
2.一种采用如权利要求1所述装配方法的系统,其特征在于,包括工艺数据库模块、AR智能引导模块、装配检测模块和集成控制模块;
所述工艺数据库模块包括计算机、工艺数据库和CAD系统,负责存储和管理装配工艺数据,能够扩展外部CAD系统以导入装配模型与工艺信息;
所述AR智能引导模块包括显示端计算机、数据投影仪和工业相机,实现虚实融合,将装配模型和工艺信息可视化呈现;
所述装配检测模块包括检测相机和图像处理单元,用于分析判断装配结果;
所述集成控制模块由服务器构成,对辅助装配系统的运行进行集成控制,负责与其他三个模块间的指令控制、通信传输,分析处理各模块单元的关联逻辑。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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