呉懐宇：3Dインテリジェントデジタル化が柔軟性の問題を解決する鍵

出典：西安ニュースネットワーク

インテリジェント製造が発展し、深海領域に進出するにつれて、インダストリー4.0 インテリジェント製造の最高峰であるフレキシブル製造は、その重要性と難しさから学界と産業界の注目を集めています。実際、フレキシブル製造はインテリジェント製造の重要な内容と発展方向であり、製造業の将来の発展の原動力です。「国民経済と社会発展の第14次5カ年計画の概要と2035年の長期目標」では、フレキシブルな製造やパーソナライズされたカスタマイズなどの新しいモデルの育成と開発が明確に提案されています。

「フレキシブル」は「リジッド」と相対的です。従来の「リジッド」自動化生産ラインは主に単一品種の大量生産を実現しますが、「フレキシブル」生産ラインは「少量注文、迅速な対応」や今日の消費者の個性化と多様化のニーズをよりよく満たすことができます。フレキシブル製造とは、大規模なカスタマイズのニーズに応じて生まれた新しい生産モデルを指します。具体的には、第一に、生産能力の柔軟な対応能力、つまり機械設備の小ロット生産能力、第二に、サプライチェーンの機敏で正確な対応能力であり、従来の「生産が売上を決定する」「生産、供給、マーケティング、人、金、材料」から「生産が売上を決定する」「人、金、材料、売上」への転換です。フレキシブル製造業の今後のビジネスモデルには、C2M（顧客から製造業者）モデルが含まれます。これは、ユーザーが製造業者と直接つながり、価格差で利益を上げる中間業者が存在しないことを意味します。つまり、消費者が直接工場に行き、製造と消費者の直接的なつながりを強調します。C2Mモデルでは、消費者はプラットフォームを通じて直接注文し、工場は需要に応じて生産し、在庫はゼロです。消費者の個別の需要注文を受け取り、需要に応じて設計、購入、生産、出荷するため、サプライチェーン内の小ロットの商品に迅速に対応する能力があります。

業界では「中国フレキシブル製造の父」として知られる呉懐宇博士は、三体科技チームを率いて長年にわたる長期にわたる研究開発を通じてフレキシブル製造技術分野で画期的な進歩を遂げ、特に最も難しいフレキシブル製造技術である靴と衣服の無人製造の分野で、国際的に先行する破壊的な成果を達成しました。現在、3D精密フレキシブルデータ収集、ラスト/パターンCADデジタル化、ビッグデータクラウドサービス、インテリジェントフレキシブル分析からフレキシブルインテリジェント製造まで、完全な技術的クローズドループを実現しており、靴産業4.0向けのフルセットのC2M技術ソリューションを提供する世界で唯一の企業です。

図1: 履物業界におけるC2Mフレキシブルインテリジェント製造の全プロセス

呉懐宇博士の詳細な解釈によると、フレキシブル製造業の「柔軟性」には 2 つの意味があります。

「フレキシブル」の最初の意味は、柔らかくて変形可能な物体です。例えば、靴や衣服は柔らかく変形しやすくなり、本来の規格品が非規格品に変わってしまい、工場の生産工程においてインテリジェントな、特に無人化を実現することが非常に難しくなります。

図柔らかく変形可能な靴と服

また、多くのアイテムは、使用時に人体の個性や柔らかい変形（立ち姿勢の違いによる人体形状の変化も含む）を考慮しなければなりません。例えば、履物や衣服の分野では、人体は典型的な非標準物体（下図のように、身長、体重、体型が異なる）です。また、人体の柔軟な動的変形（呼吸による体腔の膨張と収縮を含む）により、全自動、無人、インテリジェントな3D精密動的寸法測定に対する要求は極めて高くなります（例えば、20回以上の繰り返し測定を行う場合、革靴の3D足形状の動的測定一貫性精度は1〜2mm以内、スーツ/シャツの3D体形状の動的測定一貫性精度は0.5〜1cm以内である必要があります）。スーツのシャツの襟を例にとると、人間の首の周囲長を抽出する必要があります。痩せた人の場合、突出した喉仏などの明らかな特徴から幾何学的なキーポイントを見つけることができますが、太った人の場合、突出した喉仏を外見で見つけることができない場合があります。これにより、あらゆる人体の複数の測定において、人間のパラメータの完全自動測定アルゴリズムの一貫性と安定性が求められます。

写真は、身長、体重、痩せ具合が異なる非標準的な人間の体型を示しています（肩の高さや低さ、猫背のさまざまな形が非常に一般的です）。

「柔軟性」の2番目の意味は、柔軟性があり、オンデマンドカスタマイズと小ロットカスタマイズのC2M生産を可能にし、いわゆる小注文と迅速な対応の要件を満たすことです。これは具体的には、機械の柔軟性、プロセスの柔軟性、製品の柔軟性、生産の柔軟性、操作の柔軟性、メンテナンスの柔軟性、拡張の柔軟性などに反映され、デジタル化とシステム化に対する高い要求があります。

靴業界は長年にわたり、柔軟性の問題（特に第1レベルのソフト変形による非標準化）を解決できず、インテリジェント化と無人化を実現するのが非常に困難であり、長い間、多数の労働者が手動で操作する必要があるローエンド業界であり、ハイエンド製造へのアップグレードの戦略的転換を実現できませんでした。実際、フレキシブル製造のインテリジェント無人製造は、学術界の理論でも産業界のエンジニアリングでも、真に解決されたことはありません。そのため、靴業界は、その剛性（柔らかく変形しない）と容易な標準化により大規模なインテリジェント無人製造を実現した3C業界（携帯電話や半導体など）とは異なり、フレキシブル製造のインテリジェント無人製造にとって、技術的に最も挑戦的で大規模な実現が難しい製造分野となっています。これは、物体（靴や衣服）が柔らかく変形しやすいため、もともと金型から押し出された標準部品が非標準部品に変わるだけでなく、人体自体が非標準（身長、体重、肩や猫背のさまざまな形状が非常に一般的）であり、人体が絶えず変形しているため、安定したサイズパラメータを正確に抽出することが非常に困難であるという事実に反映されています。そのため、長年にわたり「靴が合うかどうかは履いた人にしかわからない」、「服が合うかどうかは履いた人にしかわからない」といったため息が出てきました。これは「靴・服」と「人体」という2つの柔軟な要素が重なり合っているからです。

フレキシブル製造における最も困難な技術的困難を解決するために、呉懐宇博士は3Dインテリジェントデジタル化における長期にわたる技術蓄積に基づき、三体科技チームを率いて、フレキシブル製造、履物およびアパレル製造という最も典型的な分野で世界をリードする破壊的ブレークスルーを達成し、大規模なインテリジェント無人産業アプリケーションを実行しました。呉懐宇博士が提案した3Dビジュアルコンピューティング+3Dディープ変形ネットワークの2段階法は、3Dフレキシブル形状の取得から3D変形インテリジェントシミュレーションフィッティング、ディープニューラルネットワークに基づく3Dインテリジェント補正アルゴリズムまで、フレキシブル製造のための完全なソリューションを提供します。理論とエンジニアリングの実践の両方で技術的なクローズドループを完成させ、フレキシブル製造の大規模応用における世界初のブレークスルーです。

図3Dビジョンスキャンセンサーを独自に開発し、3Dポートレートのカスタマイズ製造プロセスを完了（3Dスキャン+ 3Dモデリング+ 3Dプリント）

図3Dインテリジェントデジタル化アルゴリズム、3D変形インテリジェントシミュレーションフィッティング、およびディープニューラルネットワークに基づく3Dインテリジェント補正アルゴリズムを含む

簡単に言えば、フレキシブル製造の問題を解決する鍵は、3D インテリジェントデジタル化にあります。つまり、まず 3D ビジョンを使用して、3D デジタル化によってパーソナライズされた「フレキシブル」な形状の詳細をキャプチャし、次に 3D インテリジェンスを使用して、キャプチャされたこれらのフレキシブルな変更の詳細を個別に迅速に処理し、産業用マスカスタマイゼーションの生産能力に適応します。

1. 標準化されていない柔軟な人体/足の形状に対する正確で一貫したパラメータ測定

まず、非標準化された柔軟な人体/足のパラメータの測定において、San Ti Technologyチームは、さまざまな種類の3D人体/足スキャナーソフトウェアとハードウェアを独自に開発し、全自動で人体/足のパラメータを迅速に測定し、Cエンドユーザーから3D人体ビッグデータを迅速に収集します。

図 C2M Cエンドデバイス（Cエンド消費者のパーソナライズされた3D人体データを収集するために使用）

3Dスキャナーで高精度の3D人体/足型を取得することが、フレキシブル製造の核心的な難しさではないことを強調しておく必要があります。最も難しいのは、下図に示すように、人体パラメータラインを自動的かつ安定的に抽出し、非標準で滑らかな表面のフレキシブル人体/足型のパラメータを測定することです（さらに重要なのは、測定結果が人体測定者/足測定者によって手動で測定されたものと同じでなければならないことです）。これはまさに、履物メーカーが3Dスキャナーが「正確」かどうかを判断する唯一の基準です。前述のように、人体は典型的な非標準物体です（身長、体重、肩や猫背のさまざまな形状は非常に一般的です）。さらに、人体の柔軟な動的変形（呼吸による体腔の膨張と収縮、さまざまな立ち姿勢での形状の影響を含む）により、全自動、無人、インテリジェントな3Dの正確で安定したサイズ測定を実行することは非常に困難です。

図C2Mの2エンドアルゴリズム（Cエンド消費者の3D足形/体型データを工場Mエンドの生産製造靴型/衣服パターンデータに変換するために使用されます。その技術的核心は、非標準人体ソフト変形下での正確で一貫した3D体パラメータ抽出にあります）

呉懐宇博士のチームは、3Dビジュアルコンピューティング理論と3D人体ビッグデータに基づく3D深層柔軟変形ネットワーク動的マッチングアルゴリズムに基づき、複雑な個別状況における柔軟な人体パラメータの正確な測定を実現し、「3D測定におけるチューリングテスト」に初めて合格しました。国内のスーツ業界の大手企業でも大規模なテストが実施され、テストデータによると、この方法で得られた3D人体抽出パラメータデータは全体的に安定しており、非常に高い精度（98％以上）を達成し、高級オーダーメイド服の実際のニーズを満たすことができることが示されました。同時に、測定結果は国宝級の洪方身体測定士/足測定士による手動測定の結果と正確に類似しているだけでなく、手動測定よりも安定しており、一貫性もあります。このプロジェクトの成果は、CCTV金融チャンネルの中華人民共和国建国70周年記念番組に選ばれ、三体科技チームが開発したアパレル産業4.0の3D計測とスマート製造に焦点を当てました。

図CCTV金融チャンネルが中華人民共和国建国70周年記念番組を撮影

焦点は、Santi Technology チームが実施した 3D 身体測定と衣料品業界 4.0 インテリジェント製造に置かれました。

2. 靴や衣服の柔軟変形による標準部品から非標準部品への変更について

靴や衣服は柔らかくて変形しやすいため、元々規格化された製品が非規格化されてしまうため、靴や衣服の工場の生産工程でインテリジェント化、特に無人化を実現するのは非常に困難です。呉懐宇博士チームが提案した3Dビジュアルコンピューティング+3Dディープ変形ネットワークの2段階方式は、3Dフレキシブル形状の取得から3D変形インテリジェントシミュレーションフィッティング、ディープニューラルネットワークに基づく3Dインテリジェント補正アルゴリズムまで、フレキシブル製造のための完全なソリューションを提供します。理論とエンジニアリングの実践の両方で技術的なクローズドループを完成させ、世界で初めて成熟したフレキシブル製造のアプリケーションです。

下図の靴底の自動接着剤噴霧を例に挙げます。まず、柔軟な靴底を3D視覚スキャンして、現在の3D形状を取得します。次に、将来の「靴底プレス」プロセスで靴底が受ける応力と変形をシミュレートし、将来の応力と変形後の接着剤噴霧経路を事前に予測します。その後、ロボットは変形後の推定経路に従って正確に接着剤を噴霧します。

靴底に自動接着剤を吹き付ける図

アッパーの自動接着剤噴霧（接着剤噴霧経路の精度は1mm以内が要求される）も同様です（下図参照）。まず、フレキシブルアッパー（同じ金型から製造されていますが、空間での柔らかい変形により、2〜3mmのカスタマイズされた任意の変形があります）を3Dビジョンでスキャンして、現在の正確な3D形状（精度0.01mm）を取得します。次に、将来の「ソールプレス」プロセスでアッパーが受ける応力変形をシミュレートして、将来の応力変形後の接着剤噴霧経路を事前に予測します。次に、ロボットは将来の変形後の推定経路に従って正確な接着剤噴霧を実行します。靴の甲革の自動接着剤塗布は、3D視覚スキャンを1つずつ個別に行うことでしかカスタマイズできないことがわかります。接着剤塗布の精度は1mm以内に抑える必要があり、フレキシブルな甲革の個別自由変形誤差は2～3mmであるためです。そのため、靴の甲革を誤って定型的で同一の剛体と見なし、同じ接着剤塗布経路を採用すると、フレキシブルな変形により、接着剤塗布の精度は必然的に1mm以内に達することができなくなります。当社では、3Dインテリジェントデジタル化技術を使用して、靴を1足ずつカスタマイズし、正確な接着剤の噴霧経路を自動的かつ柔軟に適応させます（3Dインテリジェントデジタル処理の速度が十分に速いため、均一なバルク品の生産に似ていますが、実際には靴を1足ずつカスタマイズしており、つまり、靴を1足ずつインテリジェントアルゴリズムによって細かく「把握して配置」しています）。

図：上部の自動接着剤スプレー

ここで言及する価値があるのは、3D 視覚認識と位置決めのさらなる利点として、カスタムラストの高額なコストを回避できることです。下の写真の左側は、標準的な靴型（1足あたり約38元）です。3Dビジョンがなければ、ロボット/ロボットアームはそれを自動的に識別して位置を特定できません。靴型の上に追加の高精度（ミクロンレベル）加工金属モジュールを取り付けることで、ロボットの位置決めを支援することしかできません（下の写真の右側を参照。カスタマイズされた靴型を変更するコストは、1足あたり270〜320元にもなります）。国内大手紳士靴メーカーの見積もりによると、この工場では毎年さまざまなスタイルの靴を生産する必要があるため、靴型のカスタマイズや変更にかかるコストだけでも、毎年500万人民元以上かかるという。 3Dビジョンを使用すると、この余分なコストを完全に回避し、一般的な靴型を100％識別できます。同時に、ロボットを正確に誘導して靴型の空間位置を自動的に特定できるため、後続のさまざまなプロセスで正確な操作を実行できます。

また、ロボットの位置決めを支援するためにカスタマイズされたラストを使用したとしても、靴のラストの固定された位置決めしか達成できず、アッパーの各部分（柔らかく変形しやすい）を正確に空間的に位置決めすることはできないことにも留意する必要があります。したがって、アッパーの高精度（精度要件 1 mm）自動スプレーを完了することは依然として不可能です。 3D ビジョンと 3D インテリジェントコンピューティングを使用することによってのみ、このような非常に柔軟で高精度な自動無人操作を実現できます。

図標準靴型とカスタム靴型

フレキシブル製造における 3D インテリジェントデジタル化の適用が成功したことで、これまで実現できなかった混合フロー生産 (1 つのラインで同時に異なるスタイルとサイズを生産できる) も実現しました。これにより、生産ラインでバッチ生産されるすべての靴を各消費者に合わせて異なるものにし、パーソナライズすることが可能になり、いわゆる「1,000 人の顔、1,000 足の靴、1,000 の顔」が実現します。同時に、スタイルの切り替えは非常にスマートで簡単であり、手動操作を必要としません。高精度のラストをカスタマイズする必要がないため、コストを大幅に節約できます。

ここで特に強調しておきたいのは、従来の自動化ラインでは、異なるタイプの靴を生産するために切り替えるには、エンジニアがロボットアームを手動で誘導して新しいパスを事前に記憶させる (つまりティーチングする) 必要があったということです。比較的満足のいくパスを生成するには、数時間にわたる修正と調整の繰り返しが必要です。その後、ロボットアームはパスに基づいてすべての靴に対して同じ固定操作を実行します。 3Dビジョンと3Dインテリジェントデジタル化を使用することで、生産ライン全体を1分以内に新しいモデルに切り替えることができます。各靴の柔軟な経路を完全自動で最適化し、手動（上級技術者）の手と目の協調よりも正確な経路位置決めを実現します。さらに、生産能力の面では、3Dインテリジェントラインは前例のない1日当たり6,000足の生産量を達成することができ、これは以前の自動化ラインの1日当たり1,800足の生産量と比較して230%の増加となります。

表3Dインテリジェントフレキシブルラインと従来の自動化ラインインジケータの比較

サンティテクノロジーチームは、3Dビジョンテクノロジーをベースに、靴業界初の無人フレキシブル生産ラインを自主的に構築しました。下図に示すように、ライン全体では25セットの視覚センサーと10台の産業用ロボットが使用されています。「ライン全体の作業員数は36人から1人に減り、生産能力は2倍になりました。」視覚的な積み込み/積み下ろし、アッパー研磨、靴底スプレー、処理剤のスプレー、自動靴底プレス、自動ラスト取り外し、ベーキングなどのすべてのプロセスを実現します。このシステムはティーチングを必要とせず、靴のモデル間の切り替えは絶対確実な方法です。フレキシブルインテリジェント製造システムのフレームワークが構築され、このソリューションは将来、さまざまな業界に複製できます。中核となる技術的優位性には、3Dビジョンソフトウェアとハードウェアの独自の研究開発、フレキシブル製造のための3D変形インテリジェントシミュレーションフィッティングと3Dインテリジェント補正アルゴリズム、産業用組立ラインの完全な設備設計、中期成形のさまざまなプロセスフローの熟練度、海外の5分の1にすぎない価格コストなど、複数のハイテク閾値の組み合わせが含まれます。

図 C2MにおけるMエンド機器（工場での柔軟な生産・製造に使用）

国内大手靴メーカー本社工場長の評価によると、このフレキシブルラインは「靴製造における真に革命的な進歩」だという。なぜなら、フレキシブルアッパーの無人接着は海外では実現されていないからだ。例えば、海外企業のロバート・システムズでは、ロボットの移動経路を手動で教え、計画するエンジニアがまだ必要だ。サンティテクノロジーは、「3Dビジョン+3Dフレキシブル変形シミュレーションと修正」を通じて、フレキシブル製造の最も困難な核心問題を世界で初めて解決しました。これは真に独創的な国際的イノベーションであり、変革的な突破口です。また、生産ライン全体を独自開発し、低コスト（海外では数千万であるのに対し、販売価格は数百万）で生産しているため、法人のお客様は2年で投資費用を全て回収できます。この無人フレキシブル生産ラインの開発が成功したことで、中国の履物・アパレル企業が将来ベトナムや東南アジアに移転することは無意味になった。なぜなら、この無人フレキシブル生産ラインの総合生産コストはベトナムや東南アジアの人件費よりも低いレベルにまで削減され、歩留まり率も高く、パフォーマンスも安定して制御可能になったからだ。

サンティテクノロジーは、長年にわたり人工知能/ 3Dデジタル化/複雑なロボットシステム制御の分野に深く携わり、伝統的なフレキシブル履物および衣類製造業界に技術力を与え、履物および衣類の快適レベルの問題を解決し、オンラインショッピングの返品率を減らし、工場のフレキシブル生産効率を向上させてきました。サンティテクノロジーは、人力3Dビッグデータ取得アルゴリズム/SaaSサービス/インテリジェント製造システムなどの技術開発を統合したハイテク企業です。インターネット、AIビッグデータ、人工知能技術を活用して、履物業界の上流と下流の産業チェーンを結び付け、履物業界にワンストップの柔軟なデジタルソリューションを提供し、分散共有のスマート製造工場を設立して無人インテリジェントフレキシブル製造を実現し、海外のハイテク独占を打ち破り、上回り、中国独自の3Dインテリジェント製造の国家ブランドを創造しています。

現在、インテリジェントな変革とアップグレードは、ほとんどの企業の発展方向となっています。 3D ビッグデータと人工知能、柔軟なインテリジェント製造技術を組み合わせることで、履物やアパレルなどの伝統的な業界に破壊的なイノベーションがもたらされます。コアとなる3Dインテリジェントデジタル技術は、パーソナライズされたカスタマイズの柔軟な生産のためのインフラストラクチャを提供します。インテリジェント製造業界の情報化、3Dインテリジェントモデルチェンジ、インダストリー4.0デジタル工場のモデルチェンジとアップグレードを通じて、全国の靴業界の「供給側改革、需要側アップグレード」のベンチマークを作成します。ビッグデータと3D人工知能の力により、工場は3Dビッグデータに基づいて設計を調整し、柔軟な製造プロセスへのインテリジェントなアップグレードを使用し、大規模な工業生産とパーソナライズされたC2Mカスタマイズを組み合わせて、あらゆる分野でインテリジェント製造の変革とアップグレードを成功させることができます。

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