元宇宙虛擬教練：機器人複材繞線應用案例

摘要：從原本透過虛擬的三維環境，將真實的場景複製並虛擬化，透過感測器串聯機台，將訊號回饋給模擬器，經由模擬器與真實世界的交互運作，達到數位雙生系統(Digital twin)，進一步去串聯人的元素，進而使人類在模擬器世界中具沉浸感與真實感。具協作性的開發與操作，是元宇宙(Metaverse)與數位雙生系統的最大差異。要具備上述的功能，需要高擬真技術(渲染、物理引擎)、感測器融合技術與個別領域的專業知識，高擬真的技術可以使操作者在虛擬的世界中所看到的場景更加地貼近真實。感測器融合技術可以串聯常見的感測器，個別領域的專業知識可使該領域的工程人員更貼近實際的驗證技術在相關的產業當中。如將上述的應用整合在機器人複材繞線領域，將創造出差異化的價值，供使用者事先進行分析與優化，並於模擬世界中進行驗證，以預先的模擬來降低實際導入的成本。本文將會以此應用案例，展示相關技術與成果，期許讀者藉此更加了解元宇宙與機器人的整合案例。
Abstract：From the original virtual 3D environment, the real scene is copied and visualized, and the sensor is connected to the machine to feed back the signal to the simulator. Through the interaction between the simulator and the real world, a digital twin system is built, and further connects the elements of human beings, so that human beings have a sense of immersion and realism in the simulator world. Collaborative development and operation is the biggest difference between the Metaverse and the Digital twin system. To achieve the above functions, high-fidelity technology (rendering, physics engine), sensor fusion technology and expertise are required. High-fidelity technology can make the scene seen in the virtual world more close to reality. Sensor fusion technology can connect common sensors in series, and expertise in individual fields can help engineers in this field closer to the actual verification technology in related industries. The application in the robotic composite winding will create differentiated value for users to analyze and optimize in advance, and verify in the simulation world. This article will use this application case to demonstrate related technologies and achievements and hope that readers will learn more about the integration case of the Metaverse and robots.

關鍵詞：元宇宙、機器人複材繞線、高擬真技術
Keywords：Metaverse, Robot winding, Highly realistic technology

前言
元宇宙(Metaverse)一詞最早出現於1922年尼爾‧史帝芬森(Neal Stephenson)的科幻小說《潰雪》(Snow Crash)，Metaverse是由「meta-」與「-verse」兩字所組成，前者意思為「超越、昇華」，後者為「宇宙、世界」，意指超脫現實的宇宙或世界，書中用以描述一個虛擬世界環境，現實世界中的人皆可以虛擬分身存在於其中。目前元宇宙尚未有明確標準或共識的定義，但該領域知名人士馬修．鮑爾（Matthew Ball）針對元宇宙提出7大屬性[1]，且在情境規劃上可分為現實、虛擬化與廣域、個人四個分類[2]，本文將著重虛實跨領域整合與廣域類別中擴增實境(Augmented Reality, AR)與數位雙生(Digital Twins)於工業應用作說明。
現今製造業因應少量多樣與客製化等需求，而導入AR/VR與數位雙生技術，進行協同設計、虛擬訓練、擴增實境輔助與建廠模擬規劃等需求，因此仰賴模擬平台建置之效能與準確度，在結合物理引擎PhysX後可使場域模擬更加精確，輝達(NVIDIA)因應上述需求結合自身GPU平行處理運算技術，推出即時模擬平台「Omniverse」，含場景資料庫引擎與物理引擎，讓使用者在生產製造前得以針對工作流程、環境等進行高擬真性模擬，減少調整時間與資源成本等浪費。
複合材料具有高強度、高勁度、質量輕、耐腐蝕以及抗磨損等特性，近年來廣泛應用諸多產業中，然則在製程中受纖維材料、內核模具尺寸變異與各類成品不同抗壓需求，需要花費大量人力、資源與時間進行調校。此外應用於航太產業中的複合材料製程成品尺寸偏大且重，需於生產前詳細規劃設備配置與工作流程以確保生產無誤，本文將介紹現今複合材料製程結合數位雙生與擴增實境技術應用，藉此向讀者說明元宇宙、複合材料產業與機器人自動化整合案例。
元宇宙概論介紹
自1900年代網路誕生，資訊傳輸方式提升為雙向傳播，連結速度與範圍隨之更快更廣，與之發展的大型多人線上虛擬角色遊戲紛紛推出，至此元宇宙發展概念尚處於虛擬世界階段。而至2000年社群網路興起與2007年智慧型手機裝置誕生，更多現實世界資訊連結至網路世界中，衍生出擴增實境與鏡像世界等概念，而元宇宙發展定義也隨之擴增。
隨著元宇宙諸多應用興起，但元宇宙尚未有明確標準或共識的定義，網路就是元宇宙嗎？線上遊戲也是元宇宙嗎？為此美國娛樂產業創投家馬修．鮑爾（Matthew Ball）針對元宇宙提出7大屬性[1]：
1.持續存在：元宇宙裡的世界，使用者資訊是具備持續性的。
2.同步即時：元宇宙裡面發生的事，事件是即時與同步的，所有使用者是共同參與的。
3.沒有人數上限但每個人還是有個人存在感：元宇宙可同時容納多人上線並且可以一起活動，但每個人都是獨立的存在，有足夠的自主性。
4.完整運作的經濟體系：在元宇宙的虛擬世界中經濟體系，使用者可以透過工作取得虛擬貨幣，以此消費虛擬世界商品與服務。
5.虛實跨領域整合：經由虛實整合技術，可將真實世界體驗導入在元宇宙中。
6.數位資產可攜性：在元宇宙裡面所獲得的數位資產，以及建構元宇宙的數位資料，並不侷限在單一平台之中，可以攜帶至其他的平台上使用。
7.廣泛的內容創造：在元宇宙中可由使用者進行自由的創作。
而近年硬體裝置與周邊感測器技術有長足的進展，讓使用者體驗得以進一步提升，而馬修．鮑爾提出8個元宇宙組成的核心技術概念(如圖1所示)：

圖1 元宇宙核心技術框架圖

1.硬體：VR裝置與周遭感測器等。
2.網路：低延遲、高傳輸速度的網路以及去中心化的資料交換。
3.計算：模擬真實世界物理碰撞、光影運算與3D建模。
4.虛擬世界平台：元宇宙平台開發與營運。
5.可交換性工具與協議：使用者數位資料可經由該協議與工具在不同平台間移動或交換。
6.支付：獨立經濟體系，含數位支付系統。
7.內容、服務與資產：在元宇宙裡數位內容、服務、資產的管理模式與機制。
8.使用者行為：因元宇宙改變生活行為與思維模式。
根據元宇宙所呈現的空間與資訊型態，元宇宙的加速研究基金會（Association Studies Foundation, ASF）經由「元宇宙藍圖」(Metaverse Roadmap)計劃對其依現實/虛擬化與廣域/個人等四個分類區分為下列四種類型，如圖2所示[2]：

圖2 元宇宙四種類型情境規劃圖