基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品盲區(qū)裝配技術(shù)研究

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

0 引言

裝配是產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)中不可或缺的一部分，而且其智能化程度往往較低。在手工裝配過(guò)程中，工人經(jīng)常因?yàn)閺?fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，需要不斷調(diào)整身姿才可以看到裝配位置信息，甚至無(wú)論如何調(diào)整，總有一些必要的裝配視覺(jué)信息不可見(jiàn)，即工人遭遇裝配盲區(qū)。裝配盲區(qū)的存在使工人容易疲勞，裝配效率和正確率難以保證。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前主要采用在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行虛擬仿真的方法[1,2]，構(gòu)建人眼可視錐和裝配部位可視域，對(duì)待裝配零件在操作者視野中的可達(dá)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將視覺(jué)可達(dá)性分為完全可見(jiàn)、基本可見(jiàn)、勉強(qiáng)可見(jiàn)、不可見(jiàn)四類(lèi)，對(duì)于不可見(jiàn)情況，產(chǎn)品必須返回并修改設(shè)計(jì)方案或者重新調(diào)整裝配方案。這種方法雖然簡(jiǎn)單有效，但明顯會(huì)使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)和生產(chǎn)成本增加。近年來(lái)，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，為產(chǎn)品盲區(qū)裝配帶來(lái)了新的解決思路。哥倫比亞大學(xué)的Henderson和Feiner[3]開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以在狹小裝甲車(chē)炮塔內(nèi)開(kāi)展緊固件、指示燈或線纜等維修工作的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)在裝配現(xiàn)場(chǎng)疊加虛擬物體幾何模型，顯著減少了視覺(jué)盲區(qū)和狹小空間內(nèi)的頭部移動(dòng)次數(shù)。但是該方法對(duì)于盲區(qū)裝配問(wèn)題扔然難以有效解決。

本文受Feiner等工作的啟發(fā)，針對(duì)手工裝配中遇到的盲區(qū)難題，以及狹窄區(qū)域裝配作業(yè)工人需不斷調(diào)整身姿才能獲得裝配部位視覺(jué)信息的困擾，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將盲區(qū)信息直觀呈現(xiàn)給工人，從而期望提高裝配效率，減少錯(cuò)誤率，緩解工人身心疲勞。

1 技術(shù)方案

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的盲區(qū)手工裝配技術(shù)方案主要包括三個(gè)方面：1）盲區(qū)對(duì)象定位追蹤；2）盲區(qū)信息的可視化；3）用戶終端顯示。如圖1所示，采用定位追蹤技術(shù)對(duì)盲區(qū)對(duì)象姿態(tài)實(shí)時(shí)捕獲，將捕獲的位姿信息與盲區(qū)零部件或者人手的數(shù)字化模型相結(jié)合，通過(guò)一定的可視化手段在裝配場(chǎng)景進(jìn)行疊加，在終端設(shè)備上將盲區(qū)信息以可視化、直觀、自然的方式展示給工人，從而解決盲區(qū)裝配中關(guān)鍵部位視覺(jué)信息不足的問(wèn)題。

圖1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的盲區(qū)手工裝配總體技術(shù)方案

1.1 盲區(qū)對(duì)象定位追蹤

盲區(qū)手工裝配中最重要的就是對(duì)盲區(qū)待裝配對(duì)象進(jìn)行定位追蹤，它是實(shí)現(xiàn)虛擬信息正確疊加的關(guān)鍵。如圖2所示，是世界坐標(biāo)系，是待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系，I代表從世界坐標(biāo)系原點(diǎn)到待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的向量K代表從待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系原點(diǎn)到其上面上任意一點(diǎn)P的向量不難理解，待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系原點(diǎn)Or在世界坐標(biāo)系中的位置可以用I表示，而點(diǎn)P在待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系中的位置可以用K表示。

圖2 待裝配對(duì)象位姿描述示意圖

假設(shè)K在坐標(biāo)系Or-XrYrZr的三個(gè)軸上的分量為Kxr，Kyk，Kzr，則要知道點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系Ow-XwYwZw中的坐標(biāo)，只需要將Kxr，Kyk，Kzr投影到世界坐標(biāo)系中得到Kx，Ky，Kz，并將I造成的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)位置偏移考慮進(jìn)去即可。于是，有如下關(guān)系：

其中，I1，I2，I3分別是I造成的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下x,y,z坐標(biāo)軸上的位置偏移。用＜Xw，Xr＞表示坐標(biāo)軸單位矢量Xw與Xr的夾角，其他以此類(lèi)推，如表1所示。

設(shè)P在局部坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為(xr，yr，zr，1)，在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為(xw，yw，zw，1)，則有：

用矩陣描述則有：

簡(jiǎn)記為：

其中，M是齊次變換矩陣，可以用來(lái)描述待裝配對(duì)象在世界坐標(biāo)系中的姿態(tài)。進(jìn)一步考察矩陣M，可以將其分解為如下形式：

其中，T是平移變換矩陣，R是旋轉(zhuǎn)變換矩陣。平移變換矩陣T可以理解為待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系坐標(biāo)軸平行，進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，并且沿著Xw，Yw，Zw軸分別移動(dòng)了I1，I2，I3。旋轉(zhuǎn)矩陣R可以理解為待裝配對(duì)象局部坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)與世界坐標(biāo)系原點(diǎn)重合時(shí)，其坐標(biāo)軸矢量之間的夾角變化，即坐標(biāo)軸之間只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。于是，T描述了待裝配對(duì)象在裝配體上的位置，R刻畫(huà)了待裝配對(duì)象在裝配體上的姿態(tài)。所以，M可以用來(lái)描述任意一個(gè)待裝配對(duì)象在裝配坐標(biāo)系下的空間裝配位姿。

待裝配對(duì)象的定位追蹤就是要實(shí)時(shí)獲取待裝配對(duì)象在世界坐標(biāo)系下的空間姿態(tài)M。本文采用本團(tuán)隊(duì)提出定位方法[4,5]，確定裝配坐標(biāo)系。然后利用機(jī)器視覺(jué)或傳感器獲取待裝配對(duì)象在裝配坐標(biāo)系下的位姿。本文將待裝配對(duì)象分為部分可見(jiàn)和完全不可見(jiàn)兩種情況進(jìn)行位姿追蹤方法的討論。

表1 世界坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系坐標(biāo)軸夾角余弦表

1.1.1 待裝配對(duì)象部分可見(jiàn)的追蹤方法

對(duì)于待裝配對(duì)象部分可見(jiàn)的情況，采用對(duì)暴露在盲區(qū)之外的結(jié)構(gòu)進(jìn)行追蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)待裝配對(duì)象的追蹤。整體思路是：將人工標(biāo)志物粘貼在盲區(qū)外的待裝配對(duì)象表面，通過(guò)對(duì)標(biāo)志物的追蹤[6～8]來(lái)間接追蹤待裝配對(duì)象。如果暴露在盲區(qū)外面的待裝配對(duì)象部分特征明顯且豐富，也可采用無(wú)標(biāo)志物機(jī)器視覺(jué)定位追蹤方法[9～11]，或者利用基于傳感器的定位追蹤方法。由于采用人工標(biāo)志物或者傳感器與物體綁定的方式來(lái)追蹤時(shí)，確定人工標(biāo)志物或傳感器與物體之間的相對(duì)位置關(guān)系較為復(fù)雜，所以本部分著重研究這個(gè)問(wèn)題。

確定標(biāo)志物或傳感器與待裝配對(duì)象相對(duì)位姿的總體思路是：將標(biāo)志物或傳感器與待裝配對(duì)象綁定，在真實(shí)世界中，利用機(jī)械加工中的六點(diǎn)定位原理，首先對(duì)待裝配對(duì)象進(jìn)行完全定位。由于利用獲得人工標(biāo)志物或傳感器可以獲得真實(shí)世界中待裝配對(duì)象其綁定接觸的平面的位姿，因此可以用人工標(biāo)志物或者傳感器獲得三個(gè)定位平面的位姿，在虛擬世界中，用被追蹤的三個(gè)平面與待裝配對(duì)象模型相切可以確定待裝配對(duì)象在虛擬世界中的理論位姿，在虛擬世界中通過(guò)給模型位姿賦值的方式，調(diào)整待裝配對(duì)象模型的當(dāng)前位姿到理論位姿，從而使得真實(shí)物體與對(duì)應(yīng)模型相對(duì)于其綁定的標(biāo)志物或傳感器相對(duì)位姿一致。

以基于人工標(biāo)志物對(duì)物體的追蹤為例，如圖3所示，真實(shí)世界中M1，M2，M3分別代表貼在A，B，C平面上的人工標(biāo)志物，M4是貼在被追蹤物體上的人工標(biāo)志物，假設(shè)被追蹤物外形為立方體，C1代表真實(shí)相機(jī)，用來(lái)獲取整個(gè)場(chǎng)景，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定以及相應(yīng)的定位追蹤算法，可以獲得在世界坐標(biāo)系O-XYZ中，相機(jī)相對(duì)各人工標(biāo)志物的位姿。在虛擬世界中，虛擬相機(jī)C2用來(lái)從與真實(shí)相機(jī)相同的位姿進(jìn)行渲染各平面與被追蹤物的模型，虛線立方塊代表被追蹤物的理論位姿P′，而實(shí)現(xiàn)立方塊代表被追蹤物模型在虛擬世界中的當(dāng)前位姿P。在虛擬世界中根據(jù)被追蹤物當(dāng)前位姿與理論位姿可以求出二者之間的齊次變換矩陣Q。

圖3 人工標(biāo)記物追蹤示意

對(duì)于圓柱外形或圓球外形的待裝配對(duì)象直接使用三個(gè)平面無(wú)法完全定位，這時(shí)候需要使用定位銷(xiāo)或者在被追蹤物上加凸臺(tái)等來(lái)輔助定位。總之，只要將物體在真實(shí)世界中完全定位，就可以利用以上方法確定標(biāo)志物與被追蹤物之間的相對(duì)位姿。

1.1.2 待裝配對(duì)象完全不可見(jiàn)的追蹤方法

對(duì)于待裝配對(duì)象完全不可見(jiàn)的情況，可通過(guò)對(duì)人手的追蹤來(lái)間接估計(jì)待裝配對(duì)象的位姿。如圖4所示，人手坐標(biāo)系Oh-XhYhZh，手中待裝配對(duì)象的坐標(biāo)系為Or-XrYrZr，第二類(lèi)盲區(qū)中待裝配對(duì)象的定位追蹤本質(zhì)就是要求待裝配對(duì)象坐標(biāo)系到人手坐標(biāo)系的齊次變換矩陣Mr,h。

圖4 第二類(lèi)盲區(qū)待裝配對(duì)象定位追蹤

本文采用Leap Motion實(shí)時(shí)獲取人手在傳感器坐標(biāo)系下實(shí)時(shí)位姿[12]，Leap Motion示意圖如圖5所示。根據(jù)人手的姿態(tài)，以及人手與手持待裝配對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系，確定待裝配對(duì)象的位姿。對(duì)手持待裝配對(duì)象的追蹤只是為了在盲區(qū)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠大致確定裝配部位，只需要在人的視覺(jué)上“看起來(lái)”與真實(shí)情況一樣就可以，不需要太高精度。

圖5 Leap Motion結(jié)構(gòu)圖

1.2 盲區(qū)信息可視化增強(qiáng)

在獲取了盲區(qū)對(duì)象的位置和姿態(tài)后，通過(guò)在裝配體表面疊加相應(yīng)的三維幾何模型，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的盲區(qū)信息可視化處理（如，疊加三維模型并選擇性表達(dá)，透明化處理等），一方面，可以使得工人能夠看到模型中的裝配部位，從而使得盲區(qū)信息從“不可見(jiàn)”變到“可見(jiàn)”，另一方面，可以使得盲區(qū)中影響裝配的主要信息細(xì)節(jié)有重點(diǎn)的展示在工人眼前。

如圖6所示，圖6(a)中為虛擬環(huán)境中的箱體三維幾何模型，其左側(cè)內(nèi)壁有若干尺寸相似的螺釘示意模型，但是箱體內(nèi)部信息被一塊白色的障礙物模型遮擋，使得人從箱體外部無(wú)法得知箱體內(nèi)部螺釘安裝位置信息。在真實(shí)的盲區(qū)裝配場(chǎng)景下，這樣的白色障礙物可能是裝配體本身結(jié)構(gòu)的一部分，也可能是裝配過(guò)程中人手以及手持零部件或者工具等，在此將其抽象為一塊白色平面模型。下面根據(jù)不同的情況，對(duì)盲區(qū)障礙物模型和盲區(qū)裝配部位待裝配對(duì)象模型的顯示技術(shù)進(jìn)行討論。

圖6 盲區(qū)障礙物和待裝配對(duì)象模型處理

當(dāng)白色障礙物為裝配體上的一部分時(shí)，可以考慮采用圖6(b)的方式，將裝配體模型和透明化處理后的白色障礙物模型覆蓋到真實(shí)裝配體上，使得工人就像具有“透視眼”一樣，直接透過(guò)障礙物，看到模型內(nèi)部信息。但是，當(dāng)這樣的障礙物不止有一個(gè)的時(shí)候，且相互重疊時(shí)，通過(guò)透明化處理，會(huì)造成視覺(jué)干擾，如圖7所示。這時(shí)可以考慮去掉一部分或者全部障礙物模型進(jìn)行裝配，圖6(c)給出了去除障礙物模型的示意。去除所有障礙物模型雖然可以直觀的看到盲區(qū)信息，但是丟失了盲區(qū)結(jié)構(gòu)的真實(shí)性，可能會(huì)導(dǎo)致工人的誤操作，比如在圖6(c)所示情況下，工人可能誤以為沒(méi)有障礙物存在，直接將手從障礙物的存在的位置處伸進(jìn)盲區(qū)中，導(dǎo)致人手與障礙物的碰撞，如果障礙物是比較鋒利的部件，可能會(huì)造成工人受傷。

圖7 多障礙物重疊時(shí)透明化處理造成的視覺(jué)干擾

對(duì)于裝配部位的模型顯示，可以通過(guò)改變顏色來(lái)突出表達(dá)和在虛擬空間多視角渲染來(lái)顯示不同角度和不同程度的信息。如圖8所示，假設(shè)需要在圖中紅色部位進(jìn)行裝配，由于其顏色為紅色，而其他部位則是淡藍(lán)色，工人能夠很容易將其與其他部位區(qū)分出來(lái)，進(jìn)而可以集中注意力到裝配部位上。此外，圖中箱體右側(cè)的平面展示的是從箱體內(nèi)部，紅色裝配部位上方觀察裝配部位的視角展示，通過(guò)這樣的多視角表達(dá)，可以使得工人從視覺(jué)上獲得更多關(guān)于裝配部位的信息。

圖8 盲區(qū)裝配部位突出顯示及多視角表達(dá)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境

為了將兩種盲區(qū)裝配的情況在本實(shí)驗(yàn)中都考慮進(jìn)來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套盲區(qū)裝配硬件系統(tǒng)。如圖9所示，箱體背面連接著一個(gè)由3D打印技術(shù)制造的接插件1，桌面上固定著接插件2，兩個(gè)接插件的接插部位相互配合。利用HTC Vive手柄分別來(lái)追蹤兩個(gè)接插件，利用Vive頭盔顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和裝配體模型。當(dāng)人手操作箱體將兩個(gè)接插件對(duì)接在一起的過(guò)程中，由于形體的體型龐大擋住人眼到接插件的視線，此外由于接插件2存在外壁，因此，這個(gè)操作過(guò)程人手能被看到，但是裝配部位無(wú)法被直接看到，屬于待裝配對(duì)象部分可見(jiàn)的裝配。

圖9 整體硬件

箱體正面由于有一個(gè)木板的存在，使得其內(nèi)部信息不容易被人從外面看到，木板下箱體側(cè)壁上有20個(gè)螺釘，其分布如圖10(b)所示。當(dāng)人手?jǐn)y帶零部件進(jìn)入箱體內(nèi)部，并且向螺釘側(cè)壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，人無(wú)法獲得人手和手中物體的信息，因此屬于待裝配對(duì)象不可見(jiàn)的情況。我們?cè)谙潴w頂部?jī)?nèi)表面固定著一個(gè)Leap Motion，用來(lái)追蹤進(jìn)入盲區(qū)的人手（如圖10(a)所示）。

圖10 箱體內(nèi)部和螺釘分布

采用HTC Vive作為用戶終端顯示設(shè)備，Unity為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，調(diào)用Steam VR的V1.2.2版本中的相關(guān)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)Vive頭盔，手柄以及Tracker等的位姿跟蹤。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本章實(shí)驗(yàn)根據(jù)盲區(qū)類(lèi)型，分成兩部分：1）部分可見(jiàn)的待裝配對(duì)象裝配（第一類(lèi)盲區(qū)）；2）完全不可見(jiàn)的待裝配對(duì)象裝配（第二類(lèi)盲區(qū)）。第一類(lèi)盲區(qū)裝配中共有20人參與實(shí)驗(yàn)，16位男性，4位女性，第二類(lèi)盲區(qū)裝配中共有20人參與實(shí)驗(yàn)，17位男性，3位女性。兩類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參與者的年齡在20～30歲之間，所有人都熟悉HTC Vive頭盔的使用。在兩類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，參與者分別在有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下進(jìn)行裝配和無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下進(jìn)行裝配，因此本用戶研究實(shí)驗(yàn)為組內(nèi)設(shè)計(jì)。為了平衡學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響，我們打亂了相鄰兩組的參與者參與實(shí)驗(yàn)的條件順序，如：前面一組先做有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)盲區(qū)裝配，后做無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的盲區(qū)裝配，后面一組參與實(shí)驗(yàn)的條件順序正好相反。

第一類(lèi)盲區(qū)裝配中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助的情況下，如圖11(a)所示，參與者頭戴HTC Vive，通過(guò)Vive內(nèi)嵌的前置攝像頭拍攝的視頻看到真實(shí)世界，在視頻流上疊加兩個(gè)接插件模型，為了不產(chǎn)生1.2節(jié)中所述的多障礙物重疊時(shí)透明化處理造成視覺(jué)干擾的情況，我們沒(méi)有顯示箱體模型。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，實(shí)驗(yàn)工作人員開(kāi)始計(jì)時(shí)，參與者從桌面上拿起箱體，手持箱體裝有Tracker的頂部，透過(guò)疊加到視頻流上的透明化接插件1的模型看到插頭模型，通過(guò)調(diào)整插頭的接插部位與插孔的接插部位的相對(duì)位置將插頭插入底座內(nèi)，當(dāng)完成裝配后參與者向工作人員報(bào)告“結(jié)束”，工作人員結(jié)束計(jì)時(shí)。無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的情況下，參與者不帶頭盔，可以直接看到周?chē)鷪?chǎng)景，但是在裝配過(guò)程中無(wú)法看到裝配部位。在開(kāi)始前參與者需要認(rèn)真觀察插頭和插孔的接插部位外形與分布，通過(guò)從接插部位傳來(lái)的觸覺(jué)信息進(jìn)行裝配。無(wú)論哪種視覺(jué)情況，在每次裝配結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)裝配結(jié)果進(jìn)行檢查，以判斷兩個(gè)接插件是否完全接插在一起，從而來(lái)評(píng)價(jià)錯(cuò)誤率，正確接插記錄Y，沒(méi)有完全接插則被認(rèn)為是錯(cuò)誤接插，記錄為N。

圖11 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的第一類(lèi)盲區(qū)裝配

其中視角1是虛擬相機(jī)在裝配區(qū)域正上方渲染模型，視角2是虛擬相機(jī)從垂直箱體運(yùn)動(dòng)方向的平面內(nèi)某一適合觀察的視角進(jìn)行渲染模型，背景視頻通過(guò)HTC Vive前置攝像頭采集真實(shí)場(chǎng)景并渲染在虛擬平面內(nèi)

第二類(lèi)盲區(qū)裝配中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的情況下，如圖12所示，參與者頭戴HTC Vive，看到人手，箱體以及箱體內(nèi)壁上的螺釘模型，其中目標(biāo)螺釘顏色與其他螺釘顏色不同，易于辨識(shí)，如圖12(b)中的人手捏住的螺釘。本實(shí)驗(yàn)的具體流程是：當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后開(kāi)始計(jì)時(shí)，參與者將帶有螺母的手伸入盲區(qū)，根據(jù)Leap Motion檢測(cè)到的人手模型，調(diào)整人手和箱體內(nèi)側(cè)目標(biāo)螺釘相對(duì)位置，將螺母安裝到對(duì)應(yīng)的螺釘上。參與者完成作業(yè)后，向工作人員報(bào)告“結(jié)束”，工作人員結(jié)束計(jì)時(shí)。

圖12 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的第二類(lèi)盲區(qū)裝配

如圖13所示，無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)情況下，參與者事先會(huì)看到一個(gè)螺釘內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，開(kāi)始時(shí)工作人員指定與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)情況下的同一個(gè)螺釘，然后參與者根據(jù)圖紙并用手觸摸來(lái)判斷出正確的螺釘并將螺母安裝到對(duì)應(yīng)位置上。計(jì)時(shí)過(guò)程同有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。與第一類(lèi)盲區(qū)裝配類(lèi)似，無(wú)論哪種視覺(jué)情況，在每次裝配結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)裝配結(jié)果進(jìn)行檢查，以判斷是否將螺母安裝在正確的螺釘上，從而來(lái)評(píng)價(jià)錯(cuò)誤率，正確安裝記錄Y，錯(cuò)誤安裝記錄N。

2.3 結(jié)果分析

本節(jié)利用裝配完成時(shí)間來(lái)描述效率，裝配完成時(shí)間越短，效率越高，反之；我們還統(tǒng)計(jì)了不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行相同操作的錯(cuò)誤率。由于本章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是組內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此我們對(duì)時(shí)間變量和錯(cuò)誤率進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)。最后，我們對(duì)問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行了分析。

圖13 第二類(lèi)盲區(qū)裝配無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的情況

2.3.1 裝配完成時(shí)間

如圖14(a)所示，在第一類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的任務(wù)完成平均時(shí)間（16.97±1.41秒）與無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的任務(wù)完成平均時(shí)間（10.82±3.55秒，p＜.001）相比有顯著性差異。

如圖14(b)所示，在第二類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的任務(wù)完成平均時(shí)間（7.72 ±0.54秒）與無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的任務(wù)完成平均時(shí)間（13.52 ±1.07秒，p＜.001）相比有顯著性差異。

圖14 裝配完成時(shí)間

在第一類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助的裝配效率比無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助的裝配效率低，可能的原因是裝配任務(wù)太簡(jiǎn)單，用戶在無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的情況下僅憑處決信息就可以快速完成任務(wù)，因此使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助裝配的時(shí)候，反倒會(huì)使用戶花費(fèi)更多精力在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面上，從而使得效率低下。在第二類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，僅憑人手觸摸從20個(gè)相似螺釘中尋找目標(biāo)螺釘相對(duì)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視覺(jué)反饋直接根據(jù)視覺(jué)信息尋找目標(biāo)螺釘更難，因此有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)比無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配效率更高。通過(guò)以上分析，我們可以得出如下結(jié)論：在裝配任務(wù)簡(jiǎn)單的情況下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不利于提高盲區(qū)裝配效率；在裝配任務(wù)復(fù)雜的情況下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有望提高盲區(qū)裝配效率。

2.3.2 裝配錯(cuò)誤率

用如下公式表示裝配錯(cuò)誤率：

如圖15(a)所示，在第一類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的裝配錯(cuò)誤率（0.05±0.05）與無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的裝配錯(cuò)誤總數(shù)（0.15±0.08，p=0.33）相比無(wú)顯著性差異。

如圖15(b)所示，在第二類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的裝配錯(cuò)誤率（0.00±0.00）與無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助下的裝配錯(cuò)誤率（0.3±.11，p＜.05）相比有顯著性差異。

圖15 盲區(qū)裝配錯(cuò)誤率

在本章第一類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法證明有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)比無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配效率高。但是在第二類(lèi)盲區(qū)裝配實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)比無(wú)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的盲區(qū)裝配效率高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)手工裝配中的盲區(qū)作業(yè)難題，分析了手工裝配中的盲區(qū)成因，根據(jù)不同盲區(qū)情況給出了通用性的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將盲區(qū)中的裝配部位，人手以及手持零部件或者工具的三維模型疊加到真實(shí)場(chǎng)景上，并經(jīng)過(guò)透明化模型顯示處理以及一定的模型面刪減與顏色突出顯示，使得手工裝配作業(yè)所依賴(lài)的相關(guān)盲區(qū)信息以三維模型的方式與真實(shí)場(chǎng)景融合在一起，顯示在工人眼前。設(shè)計(jì)并實(shí)施了增強(qiáng)視覺(jué)反饋的盲區(qū)裝配效率和正確率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法能顯著提高復(fù)雜盲區(qū)裝配作業(yè)的效率，并有效降低裝配錯(cuò)誤率。