吳懷宇：3D智能數(shù)字化是解決柔性的關(guān)鍵

來源：咸寧新聞網(wǎng)

隨著智能制造的發(fā)展以及進(jìn)入深水區(qū)，柔性制造（Flexible Manufacturing）作為工業(yè)4.0智能制造（Intelligent Manufacturing）皇冠上的明珠，其重要性和困難性引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。實(shí)際上，柔性制造是智能制造的重要內(nèi)容和發(fā)展方向，是制造業(yè)未來發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力�！秶�民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出培育發(fā)展柔性制造、個(gè)性定制等新模式。

“柔性”（Flexible）是 相對(duì)于“剛性”（Rigid）而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)，而“柔性”生產(chǎn)線則更能夠滿足“小單快反”以及當(dāng)今消費(fèi)者個(gè)性化、多樣化的需求。柔性制造是指一種應(yīng)對(duì)大規(guī)模定制需求而產(chǎn)生的新型生產(chǎn)模式，具體包括：一是生產(chǎn)能力的柔性反應(yīng)能力，即機(jī)器設(shè)備的小批量生產(chǎn)能力；二是供應(yīng)鏈的敏捷和精準(zhǔn)的反應(yīng)能力，從傳統(tǒng)“以產(chǎn)定銷”的“產(chǎn)供銷人財(cái)物”轉(zhuǎn)變成“以銷定產(chǎn)”的“人財(cái)產(chǎn)物銷”。柔性制造的未來商業(yè)模式包括C2M（Customer to Manufacturer）模式，是指用戶直連制造商、不再有中間商賺差價(jià)，即消費(fèi)者直達(dá)工廠，強(qiáng)調(diào)的是制造業(yè)與消費(fèi)者的直接銜接：在C2M模式下，消費(fèi)者直接通過平臺(tái)下單，工廠按需生產(chǎn)、零庫存，接收消費(fèi)者的個(gè)性化需求訂單，然后根據(jù)需求設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、發(fā)貨，因此具備小批量多批次的快速供應(yīng)鏈反應(yīng)能力。

被業(yè)界譽(yù)為“中國柔性制造之父”的吳懷宇博士多年來帶領(lǐng)三體科技團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期的研發(fā)攻關(guān)在柔性制造技術(shù)領(lǐng)域已取得了突破性進(jìn)展，特別是在柔性制造技術(shù)難度最大的鞋服無人制造領(lǐng)域取得了領(lǐng)先國際同行的顛覆性成果。目前已實(shí)現(xiàn)了從3D精準(zhǔn)柔性數(shù)據(jù)采集、楦/版CAD數(shù)字化、大數(shù)據(jù)云服務(wù)、智能柔性分析、到柔性智能制造的完整技術(shù)閉環(huán)，在國際上唯一提供鞋服工業(yè)4.0的C2M全套技術(shù)解決方案。



圖 鞋業(yè)C2M柔性智能制造全流程

根據(jù)吳懷宇博士的深度解讀，柔性制造的“柔性”準(zhǔn)確來說有兩層含義：

“柔性”的第一層含義：柔軟易變形的物品。比如鞋服，因?yàn)闀?huì)柔軟變形，使得原本的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品變成了非標(biāo)產(chǎn)品，導(dǎo)致在工廠生產(chǎn)過程中要實(shí)現(xiàn)智能化、特別是無人化的操作難度很大。



圖 柔軟易變形的鞋子和衣服

此外，很多物品在使用時(shí)必須考慮到人體的個(gè)性化和人體柔軟變形（以及不同站姿所導(dǎo)致的人體形狀變化）情況。比如在鞋服領(lǐng)域，人體是典型的非標(biāo)對(duì)象（高矮胖瘦各不相同，如下圖所示），加上人體的柔性動(dòng)態(tài)變形（包括由呼吸導(dǎo)致的體腔漲縮），對(duì)全自動(dòng)、無人智能化的3D精準(zhǔn)尺寸動(dòng)態(tài)測量提出了極高的要求（比如要求在重復(fù)測量20次以上的情況下，皮鞋對(duì)3D腳型的動(dòng)態(tài)測量一致精度要求達(dá)到1-2mm以內(nèi)、西服/襯衫對(duì)3D體型的動(dòng)態(tài)測量一致精度要求達(dá)到0.5-1cm以內(nèi)）。以西服襯衫的領(lǐng)圍為例，需要提取人體脖頸處的圍度，偏瘦型人體可通過明顯特征如喉結(jié)突出點(diǎn)來定位幾何關(guān)鍵點(diǎn)，但偏胖型人體在外形上可能無法找到喉結(jié)突出點(diǎn)，這就讓人體參數(shù)全自動(dòng)測量算法針對(duì)任意人體的多次測量一致性和穩(wěn)定性提出了很高的要求。



圖 高矮胖瘦各不相同（且各種形態(tài)的高低肩駝背等非常普遍）的非標(biāo)個(gè)性化人體

“柔性”的第二層含義：即要靈活，按需定制、小批量定制C2M生產(chǎn)，滿足所謂的小單快反，具體體現(xiàn)在機(jī)器柔性、工藝柔性、產(chǎn)品柔性、生產(chǎn)柔性、運(yùn)行柔性、維護(hù)柔性、擴(kuò)展柔性等等，對(duì)數(shù)字化和系統(tǒng)化的要求高。

多年來，鞋服行業(yè)由于一直無法解決柔性難題（特別是第一層含義的柔軟變形所引起的非標(biāo)化），導(dǎo)致智能化、無人化非常困難，長期處于需要大量工人手動(dòng)操作的低端行業(yè)，無法實(shí)現(xiàn)向高端制造升級(jí)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。實(shí)際上，柔軟制造的智能無人化無論是在學(xué)術(shù)界的理論上還是在工業(yè)界的工程上一直都沒有真正得到解決，這導(dǎo)致了不同于已大規(guī)模實(shí)現(xiàn)智能無人化的3C行業(yè)（如手機(jī)、半導(dǎo)體）的剛性（不會(huì)柔軟變形）以及易標(biāo)準(zhǔn)化，鞋服行業(yè)成為了對(duì)柔性制造的智能無人化在技術(shù)上最有挑戰(zhàn)性、且最難以實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模制造領(lǐng)域。其體現(xiàn)在不僅物品（鞋服）是柔軟變形的，這樣讓原本從模具壓出來的標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際變成了非標(biāo)件；同時(shí)人體本身是非標(biāo)的（高矮胖瘦、各種形態(tài)的高低肩駝背等非常普遍）并且人體時(shí)刻動(dòng)態(tài)變形導(dǎo)致要精準(zhǔn)提取穩(wěn)定的尺碼參數(shù)非常困難。因此有了“鞋子合不合腳，只有穿的人才知道”、“衣服合不合身，只有穿的人才知道”等多年來無可奈何的興嘆，這里面涉及到了“鞋子/衣服”以及“人體”的雙重柔性因素的疊加難題。

為了解決柔性制造中最困難的這些技術(shù)難點(diǎn)，基于在3D智能數(shù)字化方面的長期技術(shù)積累，吳懷宇博士帶領(lǐng)三體科技團(tuán)隊(duì)，在柔性制造最典型的鞋服制造領(lǐng)域取得了領(lǐng)先國際的顛覆性突破進(jìn)展，并進(jìn)行了智能無人化的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。吳懷宇博士所提出的3D視覺計(jì)算+3D深度形變網(wǎng)絡(luò)二步法，給出了針對(duì)柔性制造中從3D柔性形狀獲取、到3D形變智能仿真擬合、以及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3D智能糾偏算法的完整解決方案，無論從理論上還是工程實(shí)踐上都完成了技術(shù)閉環(huán)，是國際上對(duì)柔性制造規(guī)模應(yīng)用的首次突破。



圖 自主研發(fā)的3D視覺掃描傳感器以及完整的3D人像定制化制造流程（3D掃描+3D建模+3D打�。�


圖 3D智能數(shù)字化算法，包括3D形變智能仿真擬合、以及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3D智能糾偏等算法

通俗來說，解決柔性制造難題的核心在于3D智能數(shù)字化，即先通過3D視覺把個(gè)性化的“柔性”形狀細(xì)節(jié)用3D數(shù)字化捕捉到，然后再通過3D智能化對(duì)捕捉到的這些柔性變化的細(xì)節(jié)進(jìn)行個(gè)性化地單獨(dú)快速處理，以適應(yīng)工業(yè)化批量定制的生產(chǎn)能力。

1、針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化柔性人體/腳型的精準(zhǔn)一致參數(shù)測量

首先在對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化柔性人體/腳型的參數(shù)測量上，三體科技團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了各種類型的3D人體/腳型掃描儀軟硬件進(jìn)行全自動(dòng)的人體/腳型參數(shù)快速測量，以快速采集C端的用戶3D人體大數(shù)據(jù)。



圖 C2M中的C端設(shè)備（用于采集C端消費(fèi)者的個(gè)性化3D人體數(shù)據(jù)）

需要強(qiáng)調(diào)的是，通過3D掃描儀獲取高精度的3D人體/腳型形狀并不是柔性制造的核心難點(diǎn)，最困難之處在于要對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)且表面光滑的柔性人體/腳型進(jìn)行全自動(dòng)、且穩(wěn)定一致的體型參數(shù)線提取以及參數(shù)測量（更重要的是：測量結(jié)果要與量體師/量腳師手工測量的相同），如下圖所示，而這又恰恰是鞋服廠家評(píng)判3D掃描儀是否“精準(zhǔn)”的唯一標(biāo)準(zhǔn)。前面已經(jīng)提到過，人體是典型的非標(biāo)對(duì)象（高矮胖瘦、各種形態(tài)的高低肩駝背等非常普遍），加上人體的柔性動(dòng)態(tài)變形（包括由呼吸導(dǎo)致的體腔漲縮、以及不同站姿的形狀影響），導(dǎo)致全自動(dòng)無人智能化的3D精準(zhǔn)穩(wěn)定尺寸測量非常困難。



圖 C2M中的2端算法（用于將C端消費(fèi)者的3D腳型/人體數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成工廠M端的生產(chǎn)制造鞋楦/服裝版型數(shù)據(jù)，其技術(shù)核心在于對(duì)非標(biāo)人體柔軟變形下的精準(zhǔn)一致3D人體參數(shù)提�。�

基于3D視覺計(jì)算理論以及3D人體大數(shù)據(jù)下的3D深度柔性形變網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)匹配算法，吳懷宇博士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜個(gè)性化情況下的柔性人體參數(shù)精準(zhǔn)測量，成功首次通過了“3D量體領(lǐng)域的圖靈測試”。并在國內(nèi)西服行業(yè)的龍頭企業(yè)進(jìn)行了規(guī)模測試，測試數(shù)據(jù)顯示，該方法所獲得的3D人體提取參數(shù)數(shù)據(jù)整體很穩(wěn)定，達(dá)到了非常高的精確度（高于98%以上），已經(jīng)可以滿足實(shí)際高級(jí)定制的制衣需求。同時(shí)，測量結(jié)果不僅與國寶級(jí)紅幫量體師/量腳師手工測量的結(jié)果精準(zhǔn)相近，且比人工測量更加穩(wěn)定、重復(fù)一致。該項(xiàng)目成果被甄選為中央電視臺(tái)CCTV財(cái)經(jīng)頻道拍攝的建國70周年節(jié)目，重點(diǎn)介紹了三體科技團(tuán)隊(duì)所開展的3D量體和服裝工業(yè)4.0智能制造。



圖 CCTV財(cái)經(jīng)頻道拍攝的建國70周年節(jié)目

重點(diǎn)介紹了三體科技團(tuán)隊(duì)所開展的3D量體和服裝工業(yè)4.0智能制造

2、針對(duì)鞋服柔性變形所導(dǎo)致的由標(biāo)準(zhǔn)件變成非標(biāo)件

鞋服是柔軟易變形的物品，正因?yàn)闀?huì)柔軟變形，導(dǎo)致了原本的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品變成了非標(biāo)產(chǎn)品，所以要在鞋服工廠生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)智能化、特別是無人化的操作難度很大。吳懷宇博士團(tuán)隊(duì)所提出的3D視覺計(jì)算+3D深度形變網(wǎng)絡(luò)二步法，給出了針對(duì)柔性制造中從3D柔性形狀獲取、到3D形變智能仿真擬合、以及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3D智能糾偏算法的完整解決方案，無論從理論上還是工程實(shí)踐上完成了技術(shù)閉環(huán)，是國際上對(duì)柔性制造的首次成熟應(yīng)用。

先以下圖中的鞋底自動(dòng)噴膠為例，首先對(duì)柔性鞋底進(jìn)行3D視覺掃描，獲取其當(dāng)前的3D形狀，然后仿真模擬該鞋底在將來的“壓底”工序中會(huì)遭受的受力變形情況，并提前預(yù)估獲得將來受力形變后的噴膠路徑，然后機(jī)器人根據(jù)這預(yù)估好的、將要形變后的路徑進(jìn)行精準(zhǔn)噴膠。



圖 鞋底自動(dòng)噴膠

鞋幫自動(dòng)噴膠（要求噴膠路徑精度達(dá)到1mm以內(nèi)）也是類似（如下圖所示），首先對(duì)柔性鞋幫（雖然從同一模具生產(chǎn)，但由于空間柔軟形變，導(dǎo)致有2-3mm的個(gè)性化任意形變）進(jìn)行3D視覺掃描，獲取其當(dāng)前的準(zhǔn)確3D形狀（精度達(dá)到0.01mm），然后仿真模擬該鞋幫在將來的“壓底”工序中會(huì)遭受的受力變形情況，來提前預(yù)估獲得將來受力形變后的噴膠路徑，然后機(jī)器人根據(jù)預(yù)估好的、將來要形變后的路徑進(jìn)行精準(zhǔn)噴膠�？梢钥闯�，針對(duì)鞋幫自動(dòng)噴膠，只能通過逐個(gè)單獨(dú)3D視覺掃描進(jìn)行個(gè)性化定制處理：因?yàn)閲娔z的精度要達(dá)到1mm以內(nèi)，而柔性鞋幫的個(gè)性化自由形變誤差就有2-3mm，因此如果將鞋幫錯(cuò)誤地看成千篇一律、一模一樣的剛體而去采用一模一樣的噴膠路徑，則必然會(huì)由于柔性變形導(dǎo)致噴膠精度無法達(dá)到1mm以內(nèi)。而我們采用3D智能數(shù)字化的逐個(gè)個(gè)性化定制處理方式，則可自動(dòng)柔性適配好精準(zhǔn)的噴膠路徑（由于3D智能數(shù)字化處理的速度足夠快，所以看起來雖然跟生產(chǎn)千篇一律的大貨差不多，但實(shí)際上每雙鞋都是被個(gè)性化定制生產(chǎn)的，即每雙鞋都已被智能算法精細(xì)化地“拿捏和安排”）。



圖 鞋幫自動(dòng)噴膠

這里需要額外提一下3D視覺識(shí)別定位的附加好處是還避免了高成本的定制楦。下圖左邊是標(biāo)準(zhǔn)的鞋楦（成本38元/雙左右），如果沒有3D視覺，機(jī)器人/機(jī)械臂是無法對(duì)其自動(dòng)識(shí)別定位的，只能通過在鞋楦上方額外安裝一個(gè)高精度（微米級(jí)）加工的金屬模組（見下圖右邊，一雙定制楦的改造成本高達(dá)270-320元/雙）來輔助機(jī)器人進(jìn)行定位。因?yàn)楣�廠每年要生產(chǎn)許多種不同款型的鞋款，據(jù)國內(nèi)男鞋龍頭企業(yè)的預(yù)估計(jì)算，每年工廠僅定制改造楦的成本就要花費(fèi)500多萬元。而采用3D視覺則完全避免了這筆額外的花費(fèi)，可以100%兼容識(shí)別普通的鞋楦，同時(shí)仍可精準(zhǔn)地引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)定位鞋楦的空間位置，以便進(jìn)行接下來的各種工序精準(zhǔn)操作。

同時(shí)需要說明的是，即使是采用定制楦輔助機(jī)器人定位，也只能實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋楦的剛體定位，而無法對(duì)（易柔軟變形的）鞋幫各部位進(jìn)行精準(zhǔn)的空間定位，因此也仍無法完成高精度（精度要求1mm）的鞋幫自動(dòng)噴膠。唯有采用3D視覺以及3D智能計(jì)算才能完成如此高度柔性、高精確的自動(dòng)化無人操作。



圖 標(biāo)準(zhǔn)鞋楦與定制楦

3D智能數(shù)字化在柔性制造的成功應(yīng)用，還使得之前從未實(shí)現(xiàn)過的混流生產(chǎn)（一條線上可同時(shí)生產(chǎn)不同款型、不同尺碼）成為了現(xiàn)實(shí)，甚至實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線上批量化生產(chǎn)的每一只鞋都是各不相同、為每個(gè)消費(fèi)者個(gè)性化定制的，即所謂的千人千面、千鞋千面。同時(shí)切換款型非常智能、傻瓜化，不需要人工手動(dòng)；也不需要定制高精度楦，節(jié)省了大量成本。

這里特別需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于以往的自動(dòng)化線來說，切換生產(chǎn)不同的鞋款類型，需要工程師事先手把手地引導(dǎo)機(jī)械臂記憶新的路徑（即示教），中間需要長達(dá)幾個(gè)小時(shí)的反復(fù)修正和調(diào)整才能生成一個(gè)比較滿意的路徑，然后機(jī)械臂根據(jù)該路徑對(duì)所有鞋子進(jìn)行千篇一律、照葫蘆畫瓢式的剛性操作。而采用3D視覺和3D智能數(shù)字化，只需1分鐘之內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)線的新款型切換，更可全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)每一只鞋子的柔性路徑優(yōu)化以獲得比人工（高級(jí)技工）手眼配合更為精準(zhǔn)的路徑定位。此外在產(chǎn)能方面，3D智能化線可以達(dá)到從未有過的日產(chǎn)6000雙，相比于之前的自動(dòng)化線日產(chǎn)1800雙，產(chǎn)能提升230%。


表 3D智能化柔性線與之前自動(dòng)化線的指標(biāo)對(duì)比

三體科技團(tuán)隊(duì)自主搭建了鞋服業(yè)界第一條基于3D視覺技術(shù)無人柔性生產(chǎn)線，如下圖所示，整條線用了25套視覺傳感器，10臺(tái)工業(yè)機(jī)器人：“整條線由原來的36人減少到1人且產(chǎn)能翻倍”，實(shí)現(xiàn)了視覺上/下料、鞋幫打磨、鞋底噴膠、噴處理劑、自動(dòng)壓底、自動(dòng)脫楦、烘烤等全部工序，系統(tǒng)無需示教，傻瓜式切換鞋款，搭建了柔性智能制造的系統(tǒng)的框架，未來可以向不同的行業(yè)復(fù)制方案。核心的技術(shù)優(yōu)勢包括：3D視覺軟硬件的自主研發(fā)、針對(duì)柔性制造的3D形變智能仿真擬合與3D智能糾偏算法、工業(yè)流水線的整套裝備設(shè)計(jì)、精通中段成型的各個(gè)工藝流程、價(jià)格成本僅為國外的五分之一等多個(gè)高技術(shù)門檻的組合。



圖 C2M中的M端裝備（用于工廠的柔性生產(chǎn)制造）

根據(jù)國內(nèi)鞋業(yè)龍頭企業(yè)總部工廠負(fù)責(zé)人的評(píng)價(jià)，這條柔性線是“對(duì)鞋業(yè)制造真正革命顛覆性的突破”，因?yàn)槿嵝孕瑤蜔o人刷膠國外也一直沒有搞定，比如國外Robert Systems公司仍需要工程師人工示教規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑。而三體科技通過“3D視覺+3D柔性變形仿真糾偏”，在國際上第一次真正解決了柔性制造最困難的核心問題，屬于真正意義上的國際原始創(chuàng)新和變革性突破。此外因?yàn)檎麠l線都是自主研發(fā)生產(chǎn)，成本低（幾百萬的售價(jià)相比于國外幾千萬的售價(jià)），企業(yè)客戶2年即可收回全部投資成本。這條無人柔性制造線的研發(fā)成功，讓中國的鞋服企業(yè)將來遷往越南和東南亞失去了意義，因?yàn)樵摕o人柔性生產(chǎn)線的綜合生產(chǎn)成本降到了比越南東南亞的人工成本還要更低、良品率更高且穩(wěn)定可控。

三體科技在人工智能/三維數(shù)字化/復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)控制領(lǐng)域深耕多年，將科技賦能傳統(tǒng)的柔性鞋服制造行業(yè)，解決鞋服的舒適度，減少線上購物的退貨率，提高工廠的柔性生產(chǎn)效率。三體科技是集人體3D大數(shù)據(jù)采集算法/SaaS服務(wù)/智能制造系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)于一體的高科技企業(yè), 運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、AI大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，鏈接鞋業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈，向鞋服行業(yè)輸出一站式柔性數(shù)字化解決方案并建立分布式共享智慧制造工廠實(shí)現(xiàn)無人智能柔性制造，打破并超越了國外高技術(shù)壟斷、締造中國3D智能制造民族自主品牌。

當(dāng)前，智能化改造升級(jí)已經(jīng)成為大多數(shù)企業(yè)的發(fā)展方向。3D大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能、柔性智能制造技術(shù)，將給鞋服等傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行顛覆式創(chuàng)新�；�于核心的3D智能數(shù)字化技術(shù)為個(gè)性化定制柔性生產(chǎn)提供基礎(chǔ)設(shè)施，通過對(duì)智能制造產(chǎn)業(yè)的信息化、3D智能化改造、工業(yè)4.0數(shù)字化工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)，打造全國鞋服行業(yè)的“供給側(cè)改革、需求側(cè)升級(jí)”的標(biāo)桿。在大數(shù)據(jù)和3D人工智能的賦能下，工廠能夠根據(jù)3D大數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)計(jì)和并利用智能化升級(jí)柔性制造工藝，讓大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和個(gè)性化C2M訂制合二為一，實(shí)現(xiàn)智能制造在各行各業(yè)的成功轉(zhuǎn)型升級(jí)。