一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法与流程

1.本发明设计基于混合现实技术的交互和展示，涉及仿真技术、计算机图形学和信息处理等技术领域，具体涉及一种利用混合现实技术实现工业元宇宙的方法。


背景技术：

2.混合现实技术(mixed reality，mr)融合虚拟环境和物理场景，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动技术，在工业领域得到了诸多应用。
3.工业元宇宙(industrial metaverse)是指在新发展理念指引下，在新一代人工智能技术引领下，借助新时代各类新技术群跨界融合，实现工业领域中人、信息空间与物理空间虚实映射/交互/融合、以虚促实、以虚强实的工业全要素链、全产业链、全价值链(三链)智慧、协同、开放、服务、互联的复杂数字工业经济系统，工业元宇宙是一种虚实共生、综合集成的新型工业数字空间，是工业现实物理空间与其虚拟平行空间的合集，是对工业实体及生产过程的数字化映射和模拟，工业元宇宙可以构建新型数字化应用环境，可实现工业互联网中新型数字化工业系统，人与机器、机器与机器、机器实体与数字虚拟体的全面智慧互连，互操作，使工业互联网中实体空间向虚体空间延伸、时空一致向预测性时间延伸和价值延伸。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，解决了结合混合现实技术，采用工业元宇宙混合现实技术，使得工人置身于模拟的工厂环境中，通过手势识别语交互等人机交互方式来控制工厂内的生产设备，模拟在工厂工位上实施生产成为可能，同时信息物理融合的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，包括如下步骤：
8.s1：利用传感器采集工业生产设备生产数据信息：
9.传感器包括：温度传感器、热量传感器、激光传感器等；
10.温度传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的温度数据等；
11.热量传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的热量数据等；
12.激光传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的图像数据等；
13.通过各种信息传感器实时采集其声、光、电、热、力学等各种需要的数据信息；
14.s2：将步骤s1中的传感器采集到的数据信息实时发送给基于混合现实的工业元宇宙系统中，虚拟的工业元宇宙系统包括数字孪生体、控制指令集和传感器数据采集分析模块。数字孪生体包括混合现实环境三维模型、工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型，工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型，传感器数据采集分析模块将步骤s1中传感器实时采集到的数据转化成数字孪生体能够识别的输入数据，包括位置数据、图像数据、热量数据、电压电流数据、温度数据和环境数据；
15.s3：数字孪生体根据输入数据进行形态展示和动画生成；
16.根据输入的转化后的位置数据，在混合现实环境三维模型中展示生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型的相应位置；同时，在生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型中以动画的形式展示各模型组成部分的运动轨迹；
17.根据输入的转换后的电信号数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的电信号；
18.根据输入的转换后的图像数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的图像数据；
19.s4：工作人员可通过穿戴混合现实工业元宇宙系统的数字孪生体设备，感知在混合现实环境三维模型中展示生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型对应的位置，在生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型中以动画的形式展现个模型组成部分的运动轨迹；
20.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的图像；
21.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的温度；
22.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的受力反馈；
23.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的电压电流；
24.s5：控制器将输入指令转化为控制指令，将控制指令发送给工业生产设备，工业生产设备根据控制指令完成相应的动作。
25.优选的，s2中进一步的，数字孪生体的构建方法包括以下步骤：建立工业厂房的虚拟三维模型，通过图像传感器获取工业生产车间的轮廓，人工测量车间的尺寸，公国车间轮廓和测量尺寸绘制生产车间的虚拟三维模型。
26.进一步，s2中建立工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型；
27.对于能够从其它系统中获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型，通过三维数据采集工具获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型，按照实际物品尺寸获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型进行相应的比例缩放，得到对应的虚拟三维模型，
28.工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型与实物比例相匹配。
29.对于一些无法直接获取三维模型的工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员等，通过测量与轮廓拍摄视图进行绘制，按比例绘制工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型。
30.更进一步，s2中将工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员放置在工业生产车间虚拟三维模型内。
31.更加进一步，s4中进一步的，所述的穿戴设备包括混合现实眼镜，所述的混合现实眼镜用于显示虚拟环境的三维模型，以及混合现实环境三维模型中的工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员三维模型的动态变化、看板信息。
32.更加进一步，s4进一步的，包括捕捉摄像头、所述的摄像头捕捉工作人员的手势和手部动作特征，将捕捉的工作人员的手势和手部动作特征转化为仿真数字信号，将仿真数字信号发送给控制指令集。
33.更加进一步，s5中进一步的，所述的控制指令集通过键鼠向工业控制器输入的特定字符，所述的控制指令集基于特定的算法转化为二进制代码实现特定的电路指令输入，而从实现工业设备控制。
34.(三)有益效果
35.本发明提供了一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法。具备以下有益效果：
36.1、本发明工业元宇宙是目前三维设计、虚拟现实、增强现实、混合现实、人工智能、数字孪生、物联网、5g网络、大数据、云计算等新兴科技的发展优化和升级，它将促进工业企业和行业的生态发生革命性改变，改变人的思维方式，促进创意、创新、创业，促进工业产品的丰富性、高质量、精细化、艺术性，进而创造巨大的经济价值和社会价值。
37.2、本发明将传感器数据采集添加到混合现实眼镜中，从而可实现虚拟巡检。
38.3、本发明通过混合现实技术可将车间的场景和功能按钮继承到数字孪生体中，实现在混合现实眼镜中操作生产，从而实现身临其境的异地远程操作生产。
39.4、本发明在同一个互连网络中，工位、车间、产线、工人能够全程虚拟化和在线化，工作人员的分工与合作生产能够打破空间的限制，工作人员可以身临其境参与工业生产中，提高工人的时间利用率，降低企业生产和运营成本。
附图说明
40.图1为本发明利用混合现实技术实现工业元宇宙的方法的结构示意图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例一：
43.如图1所示，本发明实施例提供一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，利用传感器采集工业生产设备生产数据信息：
44.传感器包括：温度传感器、热量传感器、激光传感器等；
45.温度传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的温度数据等；
46.热量传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的热量数据等；
47.激光传感器：采集工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产原材料、工业设备生产所需的生产工具，以及工业生产环境的图像数据等；
48.通过各种信息传感器实时采集其声、光、电、热、力学等各种需要的数据信息。
49.实施例二：
50.如图1所示，本发明实施例提供一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，根据具体实施例一中的内容进行进一步扩充：
51.其中，将步骤s1中的传感器采集到的数据信息实时发送给基于混合现实的工业元宇宙系统中，虚拟的工业元宇宙系统包括数字孪生体、控制指令集和传感器数据采集分析模块。数字孪生体包括混合现实环境三维模型、工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型，工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型。
52.传感器数据采集分析模块将步骤s1中传感器实时采集到的数据转化成数字孪生体能够识别的输入数据，包括位置数据、图像数据、热量数据、电压电流数据、温度数据和环境数据等。
53.工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型在混合现实环境中均可展现。
54.工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型均可通过人工绘制的方法建立或者通过摄像头数据采集并通过系统实时生成三维模型的方法获得；
55.工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型分别由n个零部件组合而成，n大于等于1；
56.数字孪生体的构建方法包括以下步骤：建立工业厂房的虚拟三维模型；通过图像传感器获取工业生产车间的轮廓，人工测量车间的尺寸，公国车间轮廓和测量尺寸绘制生产车间的虚拟三维模型；
57.建立工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型；
58.对于能够从其它系统中获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型，通过三维数据采集工具获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型，按照实际物品尺寸获取工业设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的工具三维模型进行相应的比例缩放，得到对应的虚拟三维模型；
59.工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型与实物比例相匹配；
60.对于一些无法直接获取三维模型的工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员等，通过测量与轮廓拍摄视图进行绘制，按比例绘制工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型；
61.将工业生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员放置在工业生产车间虚拟三维模型内。
62.实施例三：
63.如图1所示，本发明实施例提供一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，根据具体实施例一中的内容进行进一步扩充：
64.其中，数字孪生体根据输入数据进行形态展示和动画生成，根据输入的转化后的位置数据，在混合现实环境三维模型中展示生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型的相应位置，同时在生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型中以动画的形式展示各模型组成部分的运动轨迹；
65.根据输入的转换后的电信号数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的电信号；
66.根据输入的转换后的图像数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的图像数据；
67.根据输入的转换后的受力反馈数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的受力反馈数据；
68.根据输入的转换后的温度数据，在混合现实三维环境中，以动态图表和动画形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的温度数据。
69.实施例四：
70.如图1所示，本发明实施例提供一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，根据具体实施例三中的内容进行进一步扩充：
71.其中，工作人员可通过穿戴混合现实工业元宇宙系统的数字孪生体设备，感知在混合现实环境三维模型中展示生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型对应的位置，在生产设备三维模型、工业生产设备零部件三维模型、工业生产设备原材料三维模型、工业生产设备所需的操作工具三维模型、现场工作人员三维模型中以动画的形式展现个模型组成部分的运动轨迹；
72.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的图像；
73.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的温度；
74.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的受力反馈；
75.感知在混合现实环境三维模型中，以虚拟图像的形式展示工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员的电压电流；
76.所述的穿戴设备包括混合现实眼镜，所述的混合现实眼镜用于显示虚拟环境的三维模型，以及混合现实环境三维模型中的工业生产设备、工业生产设备零部件、工业生产设备原材料、工业生产设备所需的操作工具、现场工作人员三维模型的动态变化、看板信息；
77.包括捕捉摄像头、所述的摄像头捕捉工作人员的手势和手部动作特征，将捕捉的工作人员的手势和手部动作特征转化为仿真数字信号，将仿真数字信号发送给控制指令集。
78.实施例五：
79.如图1所示，本发明实施例提供一种利用虚拟现实技术实现工业元宇宙的方法，根据具体实施例一中的内容进行进一步扩充：
80.其中，控制器将输入指令转化为控制指令，将控制指令发送给工业生产设备，工业生产设备根据控制指令完成相应的动作，所述的控制指令集通过键鼠向工业控制器输入的特定字符，所述的控制指令集基于特定的算法转化为二进制代码实现特定的电路指令输入，而从实现工业设备控制。
81.当前行业主流工厂现有的传感器实时采集数据的看板功能内置在mes系统中，一般的工业看板都是传统的屏幕显示，无法做到沉浸化；
82.本发明实现工业生产设备网络化，工业生产设备网络化的意义在于实现所有生产制造过程实时在线控制，多种类的传感器可以收集声、光、电、力、位置等信息，数据通过5g模块低延迟上传至云端，能够实现异地数据观看；
83.本发明实现工业生产设备的虚拟化，工业生产设备的虚拟化含义是通过数字孪生技术将生产制造过程中涉及的生产设备复制出数字样机，工人可以在混合现实系统中重现生产场景，当前行业中存在的远程控制操作现场作业的是基于pc的键鼠操作，没有身临其境的现场感，而基于混合现实的远程操作，工人可以佩戴混合现实眼镜，利用手势完成生产作业，从而实现无人化工厂功能；
84.本发明实现了生产的全链模块化，将各车间的数字孪生体集成到一个模块并能在云端形成统一的接口，通过混合现实眼镜能沉浸式体验工业元宇宙。
85.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。