Virtuálna realita pomáha nenabúrať v reálnom svete

“Možnosť vidieť a vnímať veci inak je budúcnosťou konkurencieschopnosti strojárskych podnikov. Práve využitie a nasadzovanie novodobých technológií v podobe zobrazovania vo virtuálnej a rozšírenej realite dáva priestor testovať a odlaďovať návrhy rôznych budúcich výrobných systémov a robotizovaných pracovísk ešte v predvýrobnej etape projektovania.”

doc. Ing. Radovan Holubek, PhD.

Vyštudoval Materiálovotechnologickú fakultu STU so sídlom v Trnave v r. 2009, v r. 2012 získal titul PhD. v študijnom odbore výrobná technika a v r. 2019 habilitoval v odbore Výrobná technika, Od začiatku svojej kariéry pôsobí na Materiálovotechnologickej fakulte STU so sídlom v Trnave, kde v súčasnosti pôsobí ako vedúci Katedry výrobných zariadení a systémov.

Mohli by ste našim čitateľom na úvod prestaviť, čomu sa na katedre venujete?
Na Katedre výrobných zariadení a systémov MTF STU sa venujeme pomerne veľkej oblasti so zameraním sa na rozvoj digitalizácie, konštruovania podporou PC, projektovania výrobných systémov, naďalej sa venujeme tvorbe rôznych robotických  simulácií, automatizácii procesov, programovaniu PLC, výrobnej logistike, tvorbe digitálneho dvojčaťa a v neposlednom rade hlavne možnostiam využitia virtuálnej (VR) a rozšírenej reality (AR).

Virtuálna a rozšírená realita môže pre laika znieť dosť podobne. Mohli by ste nám tieto pojmy priblížiť, aký je v týchto realitách rozdiel? 
Veľmi dobrá otázka. Možno si spomínate, keď približne pred piatimi rokmi bola veľká časť teenagerov zbláznená do jednej hry, ktorú hrali cez svoje smartfóny. Chytali v nej po uliciach virtuálne postavičky. Táto hra svojim spôsobom spustila celosvetový ošiaľ, kedy sa ľudia predbiehali kto skôr, ako prvý, chytí nejakého Pokemona. Táto hra využívala platformu Augmented Reality – AR, čo je v preklade znamená, rozšírená realita, kde v reálnom prostredí (v tomto prípade išlo o reálne ulice miest) chytali hráči digitalizované virtuálne postavičky Pokemonov. Myslím si, že práve táto hra odštartovala novodobú éru používania rozšírenej reality medzi laickou verejnosťou. Čiže, ak to zjednodušíme, rozšírená realita je technológia, ktorá sa najčastejšie využíva a zobrazuje pomocou smartfónov, tabletov a AR okuliarov, kde je užívateľovi do reálneho prostredia dopĺňaný digitalizovaný obraz, 3D dokumentácia, rôzne 3D modely, simulácie a pod. Virtuálna realita (VR) je založená na tom, že užívateľ sa ocitne v plne imerzívnom prostredí, kde stráca interakciu s okolitým svetom, a je teda plne vtiahnutý do deja vo virtuálnom prostredí. 

Ako tieto reality fungujú a aký je medzi nimi rozdiel? 
Tak ako som už spomenul v predošlej otázke, rozdiel medzi VR a AR je v tom že vo VR prostredí nemá používateľ interakciu s okolitým reálnym prostredím, a v AR je rozširovaný reálny obraz o rôzne digitalizované prvky, komponenty, ktoré s ním vedia takisto interagovať – tu už môžeme taktiež hovoriť o tzv. MR, teda Mixovanej realite.

Sú potrebné nejaké špeciálne zariadenia na to, aby sa dala virtuálna a rozšírená realita  odskúšať, alebo k tomu stačí iba mobil?
Na využitie VR rozhodne áno. Tu sú potrebné minimálne okuliare pre VR, ak to má byť technológia relatívne dostupná verejnosti. Tie zložitejšie systémy zobrazovania vo VR sú založené na projekcii podľa rôznych špecifikácií a vytvárajú sa rôzne tzv. virtual cave – virtuálne jaskyne, kde sa môže ocitnúť aj viacero účastníkov vo VR prostredí naraz.
Pri AR väčšinou stačí mobilný telefón alebo tablet, pri priemyselných využitiach už samozrejme ide o drahšie a zložitejšie zariadenia v podobe rôznych okuliarov určených pre AR technológiu.

Odkedy sa venujete virtuálnej a rozšírenej realite?
Impulzom bola pre mňa určite možnosť vyskúšať si VR na výstave Automatica v Mníchove. Na základe tejto skúsenosti som sa o túto oblasť začal bližšie a intenzívnejšie zaujímať. Paradoxne to bola práve Virtuálna realita, ktorá bola, dovolím si tvrdiť v období rokov 2016-2017 v plienkach, a veľkí hráči na trhu ako sú firma HTC a Oculus vyvíjali a snažili sa priniesť možnosť využitia VR v bežnejších podmienkach, ako tomu bolo dovtedy. Prvé Headsety pre VR ako ich teraz poznáme sa objavili na trhu ešte len pred necelými 7 rokmi a získať ich bolo veľmi ťažké, pre veľký záujem až priam nemožné.

Samozrejme ďalším impulzom bola možnosť vyskúšať si vo virtuálnej jaskyni možnosti VR na spriaznenej Vysokej Technickej Univerzite v Brne, s ktorou spolupracujeme dodnes.
Následne som sa utvrdil aj v rozhodnutí realizovať svoju habilitačnú prácu a výskum v oblasti využitia a možnosti nasadenia VR a AR v priemyselnej oblasti s ohľadom na automatizované výrobné systémy a robotické systémy.

Všetko sú to veľmi zaujímavé technológie, ale taká typická otázka, načo sú nám vlastne tieto Reality dobré? Vedia nám aj nejako pomôcť alebo slúžia iba ako taká „zábavka“?
S určitosťou viem už dnes povedať, že využitie VR a AR technológií už nie je len otázkou zábavného priemyslu, kde hlavne oblasť VR si našla svoje veľké uplatnenie. Možno ste už väčšina z vás skúšali hrať rôzne hry vo virtuálnom prostredí, cestovať na neprebádané miesta, skúsiť si napr. zoskok padákom, či dať si jazdu na húsenkovej dráhe. Virtuálna realita však dnes nachádza svoje uplatnenie aj v medicíne, stavebníctve, v strojárskom priemysle a mnohých ďalších oblastiach prakticky bez limitov. To isté sa dá povedať aj o Rozšírenej realite, kde je využitie veľmi široké najmä v priemyselnej sfére. Využíva sa napr. pri plánovanej údržbe zariadení, demontáži, ako aj pri tréningových procesoch a zaškoľovaní zamestnancov  a to priamo v prostredí VR a AR.

Možnosť vidieť a vnímať veci inak je budúcnosťou konkurencieschopnosti strojárskych podnikov. Práve využitie a nasadzovanie novodobých technológií v podobe zobrazovania vo virtuálnej a rozšírenej realite dáva priestor testovať a odlaďovať návrhy rôznych budúcich výrobných systémov a robotizovaných pracovísk ešte v predvýrobnej etape projektovania.” Veľkou výhodou napr. v prostredí VR je, že môžete testovať budúci výrobný systém, príp. robotizované pracovisko, testovať a odlaďovať, eliminovať kolízne stavy, vizualizovať dispozičný návrh budúcich výrobných hál, a to ešte len v procese výstavby budov a pod. Šetríte tým čas, ale predovšetkým aj financie, najmä v prípade možných kolízií. To využitie je naozaj veľmi široké, prakticky v každej oblasti dokážete nájsť nejaké využitie.

Na čo konkrétne sa využíva virtuálna, prípadne rozšírená realita v praxi?
V praxi, ak sa zameriame na strojársky resp. automotive priemysel, tak sa zvyčajne môžeme baviť o testovaní budúcich návrhov rôznych pracovísk zväčša v predvýrobnej etape. Čo sa týka rozšírenej reality, tá sa praxi skôr využíva v oblasti údržby, resp. rôznych manuálov k demontážnym a montážnym postupom, vizualizácií rôznych zariadení do zvoleného priestoru v rámci dispozičného riešenia a ”layoutovania” budúcich pracovísk práve v rozostavaných halách, príp. rekonštruovaných objektoch a pod.

Virtuálna realita sa v priemysle využíva najmä na exaktne vytvorené digitálne dvojča reálneho funkčného systému, kde si napr. oddelenie údržby bez nutnosti odstavovať reálny výrobný systém, môže testovať čo najefektívnejšie spôsoby, či už preventívnej údržby alebo generálnej údržby v rámci plánovaných odstávok. Firma môže tiež testovať demontážne, alebo  montážne postupy, zaúčať zamestnancov na rôznych strojoch alebo zariadeniach.

Všeobecne by som využitie v praxi videl nasledovných skupinách. Prvou je overovanie montážnych, alebo servisných operácií. Ide tu predovšetkým o operácie typu: Je možné to „zmontovať“? Je možné to „vidieť“? Je možné to „dosiahnuť“? Je možné to „vymeniť“? a pod., ďalšou oblasťou je validácia, meranie a  testovanie nových návrhov, eliminácia kolíznych stavov. Nasleduje simulácia mechaniky pevných a pohyblivých častí a komponentov v reálnom čase, prehliadanie a prezentácie virtuálnych prototypov, spolupráca pracovníkov na rôznych miestach v reálnom čase, zber, načítanie a výmena dát s rôznymi CAD systémami a automatické spravovanie uskutočnených zmien, ergonómia pracoviska, analýza rizík na pracovisku, a samozrejme školiaci a tréningový program.

Sú aj iné odvetvia, kde sa dá virtuálna realita využiť?
Herný priemysel je asi najrozšírenejšia oblasť a primárne virtuálna realita bola pre tento účel aj vyvíjaná. Samozrejme tieto zážitky sú z virtuálneho prostredia umocňované v hernom priemysle aj s inými vnemami ako čuchom, sluchom, príp. pohybovaním užívateľa v nejakej sedačke. Najjednoduchším príkladom je napr. trenažér formule F1, alebo kokpit lietadla, kde pri vzlete sa s vami hýbe aj sedačka, aby ste dosiahli ešte reálnejší pocit z prostredia virtuálnej reality.

Ako náročná je práca s týmito technológiami, je to intuitívne?
Otázkou je či sa na to pozrieme očami bežného používateľa, alebo očami tvorcu nejakej počítačovej hry, resp. v mojom ponímaní ako tvorcu rôznych simulačných scenárov pre VR, programovania robotov vo VR, tvorby štúdie v prostredí AR a pod. Pre bežného koncového užívateľa, ktorému už dám vo finále VR headset na hlavu to môže prísť ako jednoduchá a zábavná vec. Avšak pre mňa ako tvorcu budúceho výrobného systému, alebo robotického pracoviska je to značne zložitejšia záležitosť. Musím samozrejme ovládať prácu v nejakom0 3D CAD konštrukčnom softvéri. Základom celého zobrazovania vo virtuálnej alebo rozšírenej realite je dokonalá a vierohodná digitalizácia. Či už rôznych 3D  modelov alebo simulačná vizualizácia procesov a pod. V neposlednom rade tvorba simulačných scenárov čo, kedy, kde a ako má robot odobrať, uchopiť, resp. za akých podmienok a pod. To všetko je vec a záležitosť zručností, ktoré sa snažíme našim študentom na študijnom programe Výrobné zariadenia a systémy odovzdať. A tieto technológie sú čerešničkou na torte, aby si napr. študenti v rámci cvičení vedeli čo najviac realisticky pozrieť nielen na monitore počítača, že robot, ktorý má nosnosť niekedy až 2 tony je v reálnom prostredí naozaj veľký a v tej simulácii sa mu chce študent častokrát vo VR prostredí až uhnúť, aby ho „nebuchol“… Častokrát vznikajú na cvičeniach až priam kuriózne situácie, keď študent začne uskakovať a uhýbať sa nejakému veľkému robotovi vo VR prostredí.

Čiže využívate virtuálnu realitu aj v rámci štúdia ako učebnú pomôcku? Študenti teda môžu vyskúšať virtuálnu alebo rozšírenú realitu aj priamo na hodinách ako to funguje?
Áno samozrejme VR a AR technológiu používame pravidelne ako učebnú pomôcku, kde si študenti Materiálovotechnologickej fakulty so sídlom v Trnave (STU) s radosťou pozrú svoje konštrukčné návrhy, vyskúšajú si ako vyzerá ich výsledná simulácia, kde vznikajú možné kolízie, čo by bolo dobré v ich návrhoch ešte upraviť modifikovať a pod. V neposlednom rade je to veľmi dobrá pomôcka pre tých, ktorí nemajú až tak dobre vyvinutú predstavivosť.

V akom softvéri študenti pracujú, prípadne môžu pracovať, ak by chceli virtuálnu realitu programovať alebo simulovať? 
U nás na Ústave výrobných technológií a teda konkrétnejšie na katedre výrobných zariadení a systémov využívame viaceré softvéry, ktoré majú podporu zobrazovania vo VR. Konkrétne sú to CAD softvér NX, RobotStudio, Process Simulate, Plant Simulation. Pre tvorbu AR štúdií využívame softvér Vuforia studio s integritou a tvorbou animácií v Creo Ilustrate.

Ako je to so záujmom študentov. Majú záujem o záverečné práce v oblasti využitia virtuálnej alebo rozšírenej reality? Ide o praktické práce prepojené na podniky z praxe?
Určite áno. Za obdobie posledných štyroch rokov som viedol viaceré diplomové a bakalárske práce so zameraním sa na využitie AR a VR v praxi. Spomedzi najzaujímavejších je možné spomenúť diplomovú prácu, ktorú realizoval môj diplomant minulý rok v spolupráci s firmou ABB. Cieľom diplomovej práce bolo vytvoriť k reálnemu robotickému montážnemu pracovisku s automatickou výmenou efektorov exaktné digitálne dvojča, vytvoriť robotickú simuláciu a v prostredí Školiaci a tréningový program VR okrem využitia samotnej simulácie aj vytvoriť bezpečnostné komponenty tak, ako tomu je na reálnom robotickom pracovisku. Teda simulovať v prostredí VR napr. safety scaner, ktorý vo VR fungoval presne ako v reálnom prostredí. To znamená, ak ste v zelenej zóne, robot beží na 100 %, ak sa priblížite do oranžovej zóny, robot spomalí na 30 % a ak prekročíte hranicu červenej zóny, robot zastane. Samozrejmosťou je že sa rozsvieti alarm, ktorý upozorní supervízora na narušenie pracoviska a pod. Takisto boli v diplomovej práci simulované bezpečnostné komponenty a ostatné bezpečnostné prvky.

Tým, že sa pohybujete v tejto problematike, určite sledujete aj aktuálne trendy v rámci, virtuálnej a rozšírenej reality. Čo je momentálne takou novinkou?
Momentálnou novinkou by sa dalo považovať sledovanie ľudských končatín pomocou trackovacích zariadení a tým napríklad zaznamenávať jednotlivé pózy človeka a analyzovať ich napríklad s ohľadom na ergonómiu pracoviska, príp. veľmi zaujímavou oblasťou je tvorba robotických trajektórií s okamžitou interakciou do použitého softvéru a prípadné odladenie programu s cieľom použiť tento program na reálnom robotickom pracovisku. 

Spomenuli ste „tracker-y“. Vedeli by ste čitateľom lepšie vysvetliť, čo to je, a na čo slúžia?
Už som to čiastočne načrtol v predošlej otázke, ale samozrejme s radosťou objasním. Ide o trackery ktoré si upevníte na telo, a to konkrétne 2 na nohy, jeden cez obvod pásu, ďalší na hruď a dva do oblasti lakťov.  Zvyšné 2 haptické ovládače držíte v rukách, ktoré sú súčasťou napr. VR headsetu, ktorý využívame na našom ústave. Takto rozmiestnené trackery vzhľadom na vaše pohyby priamo zaznamenávajú do simulačného scenára vaše pohyby, ktoré môžu byť použité a sú transformované do virtuálneho avatara tzv. humana k možnosti simulácie za účelom získania mapovania a analyzovania z pohľadu ergonómie, dosiahnuteľnosti jednotlivých póz, držania tela a jednotlivých pohybov a pod..

Poďme sa trochu pozrieť do budúcnosti. Čo nás v rámci tohto „virtuálneho“ sveta čaká podľa Vás? Má tendenciu toto odvetvie rásť, rozširovať sa, prípadne ešte viac nám pomôcť?
Toto odvetvie za posledných 5 rokov nabralo neskutočný rozmach a rozvoj. V súčasnosti sa s rozvojom a neustálym vývojom výkonnej PC techniky – lebo tá je základom pre dokonalý zážitok vo VR, a tiež full HD VR okuliare dávajú priestor čoraz k lepšiemu navodeniu čo najreálnejšieho prostredia vo VR svete.

Prišli sme k záveru nášho rozhovoru, čo by ste chceli odkázať študentom, prípadne budúcim študentom, ktorí si momentálne vyberajú vysokú školu?
Určite im chcem zaželať veľa úspechu pri výbere vysokej školy, a keď sa rozhodnú študovať techniku, tak z môjho pohľadu budú na trhu práce veľmi žiadaní a konkurencieschopní, nakoľko študovaní a vzdelaní ľudia sú budúcnosť a motory našej krajiny.

Na Materiálovotechnologickej fakulte STU so sídlom v Trnave sa venujeme opísanej tematike virtuálnej reality v študijných programoch Ústavu výrobných technológií. Okrem toho sa naša fakulta špecializuje aj na vzdelávanie v oblasti informatiky (Ústav aplikovanej informatiky, automatizácie a mechatroniky), materiálov (Ústav materiálov), manažmetu (Ústav priemyselného inžinierstva a manažmentu) a bezpečnostného inžinierstva (Ústav integrovanej bezpečnosti).

www.studujmtf.sk