先進(jìn)AR技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

陳曦 黃昌正 周言明 郭沅宜

1.東莞市易聯(lián)交互信息科技有限責(zé)任公司 廣東 東莞 523808；2.廣州幻境科技有限公司 廣東 廣州 510630

引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以將虛擬場(chǎng)景疊加在真實(shí)環(huán)境進(jìn)行融合顯示，利用虛擬場(chǎng)景，為用戶提供更多的有效信息，用戶也可與虛擬場(chǎng)景內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)。

“智慧工廠”已經(jīng)成為傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)型的重要方向，作為助力工業(yè)4.0發(fā)展技術(shù)的支柱之一，AR憑借能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景的良好交互而受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

在生產(chǎn)型企業(yè)中普遍存在：技術(shù)培訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)傳承難、工作流程冗長(zhǎng)，員工操作不規(guī)范、現(xiàn)有的遠(yuǎn)程溝通方式效率低等問(wèn)題。而隨著AR技術(shù)的逐步完善，AR技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景將更加緊密地結(jié)合，有效解決以上問(wèn)題。

1 AR技術(shù)發(fā)展過(guò)程

早在1968年，伊萬(wàn)·薩瑟蘭就發(fā)明了世界上第一款頭戴顯示設(shè)備——“達(dá)摩克利斯之劍”，該設(shè)備笨重不方便穿戴，與實(shí)際應(yīng)用需求差距明顯；2012年，谷歌發(fā)布棱鏡AR眼鏡Google Glass，具有重量小，佩戴方式簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，為AR智能眼鏡進(jìn)入日常生活、工業(yè)制造、軍事等領(lǐng)域創(chuàng)造了可能性，但是存在視場(chǎng)角小、鏡片厚度過(guò)高、畫(huà)面亮度不足等問(wèn)題；2015年，微軟HoloLens全息AR眼鏡發(fā)布，在亮度、視場(chǎng)角、分辨率等方面有了較大的改善。2019年全球AR工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模超3億美元，隨著越來(lái)越多的AR技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)智能化生產(chǎn)中，在未來(lái)幾年內(nèi)將會(huì)是AR的高速發(fā)展時(shí)期，預(yù)計(jì)2023年AR工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)將達(dá)到33.6億美元[2]。

2 工業(yè)生產(chǎn)中的存在問(wèn)題

2.1 企業(yè)培訓(xùn)成本高

生產(chǎn)企業(yè)人員流動(dòng)快，需要定期對(duì)新入職人員召開(kāi)技能培訓(xùn)會(huì)，以保證和提升企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量水平。在傳統(tǒng)形式的技術(shù)培訓(xùn)中，需資深員工指導(dǎo)，人力有限，且參訓(xùn)員工實(shí)操的時(shí)間短。導(dǎo)致培訓(xùn)周期長(zhǎng)、成本高、缺乏體系等缺陷。企業(yè)正急需新的培訓(xùn)方式來(lái)提升培訓(xùn)的效率和質(zhì)量。

2.2 缺乏有效的遠(yuǎn)程技術(shù)支撐手段

野外設(shè)備發(fā)生突發(fā)性故障，如果現(xiàn)場(chǎng)人員無(wú)法有效處理，可能給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至導(dǎo)致重大事故發(fā)生。而身處遠(yuǎn)方的相關(guān)技術(shù)專家無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，企業(yè)在解決突發(fā)性重大異常問(wèn)題上的效率較低。

2.3 傳統(tǒng)巡檢維護(hù)效率低、潛在風(fēng)險(xiǎn)高

在工業(yè)生產(chǎn)中，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢、維護(hù)是維持企業(yè)正常生產(chǎn)的必要工作。傳統(tǒng)的設(shè)備巡檢記錄方式存在記錄不方便、效率低、數(shù)據(jù)不易儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)難度大等問(wèn)題。在設(shè)備維護(hù)中，維護(hù)人員需要全面掌握所有設(shè)備維護(hù)技術(shù)知識(shí)，信息量巨大，在工作過(guò)程中也容易遺漏關(guān)鍵步驟，可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

2.4 現(xiàn)有的智能眼鏡設(shè)計(jì)與工業(yè)場(chǎng)景的契合度低

現(xiàn)有的智能眼鏡，在外觀設(shè)計(jì)和功能導(dǎo)向上都偏向于消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，難以適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景。

在交互層面，大多數(shù)智能眼鏡采用的是語(yǔ)音和觸控的交互方式。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)景下，設(shè)備運(yùn)行噪音較大，影響了語(yǔ)音識(shí)別的效果。而觸控交互方式將會(huì)占用佩戴者工作的雙手，同樣不適用于工業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)景。

3 AR技術(shù)在工業(yè)智能生產(chǎn)中的應(yīng)用

近年來(lái)，AR設(shè)備的工業(yè)設(shè)計(jì)、佩戴方式向著輕便化發(fā)展，也讓AR技術(shù)在生產(chǎn)、培訓(xùn)、巡檢等多種工業(yè)場(chǎng)景中得以大展身手。

圖1 工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)、遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)原理

3.1 設(shè)備巡檢維護(hù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化

目前工廠巡檢維護(hù)工作安排方式存在工作溯源難度大、工作標(biāo)準(zhǔn)不明晰等問(wèn)題。

員工佩戴先進(jìn)的工業(yè)AR眼鏡，其搭載的智能巡檢系統(tǒng)可接收來(lái)自云服務(wù)端管理的工作任務(wù)。員工可通過(guò)AR眼鏡隨時(shí)查看工作任務(wù)內(nèi)容、作業(yè)流程、手冊(cè)等，同時(shí)可向云端同步傳輸現(xiàn)場(chǎng)巡檢、維護(hù)信息；而后臺(tái)管理可查看員工的任務(wù)完成情況，可對(duì)每項(xiàng)工作、每個(gè)步驟做到追根溯源，對(duì)員工進(jìn)行有效管理。

先進(jìn)的工業(yè)AR眼鏡配合圖像識(shí)別技術(shù)，可精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)設(shè)備，并通過(guò)AR的方式呈現(xiàn)設(shè)備的解剖三維圖像或者演示動(dòng)畫(huà)，以指引員工完成工作任務(wù)。在提升巡檢維護(hù)人員操作準(zhǔn)確度的同時(shí)，也記錄儲(chǔ)存作業(yè)過(guò)程，為任務(wù)事件溯源提供關(guān)聯(lián)性的證據(jù)信息。智能巡檢系統(tǒng)原理如圖1（左）所示。

3.2 AR交互方式革新、無(wú)紙化作業(yè)記錄

面對(duì)嘈雜的生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備維護(hù)的特殊性，傳統(tǒng)智能眼鏡語(yǔ)音控制和觸控控制的交互方式不再適合，手勢(shì)識(shí)別將會(huì)是更加適合的交互方式。AR眼鏡通過(guò)深度攝像頭獲取手部點(diǎn)云信息，通過(guò)AI算法識(shí)別手部3D關(guān)鍵點(diǎn)，追蹤手部的關(guān)鍵位置來(lái)識(shí)別手勢(shì)指令，可以精準(zhǔn)檢測(cè)佩戴者的手部動(dòng)作，不會(huì)因?yàn)槭种信宕魇痔锥鵁o(wú)法識(shí)別，可適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。可通過(guò)手勢(shì)操作AR工作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作任務(wù)瀏覽、資料查詢、工作記錄存儲(chǔ)與傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化記錄。

3.3 遠(yuǎn)程同步指導(dǎo)提升效率，實(shí)時(shí)解決問(wèn)題

隨著5G技術(shù)的逐步成熟，5G與AR技術(shù)的結(jié)合逐步投入到工業(yè)的使用場(chǎng)景中?；?G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)移動(dòng)專網(wǎng)具有大寬帶、廣連接、高可靠、低時(shí)延特性，AR眼鏡可以高效地傳輸高清視頻數(shù)據(jù)，工作人員可通過(guò)AR眼鏡將第一視角畫(huà)面，實(shí)時(shí)同步到遠(yuǎn)程專家端，無(wú)須專家到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)即可及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，同時(shí)可以對(duì)實(shí)時(shí)畫(huà)面進(jìn)行遠(yuǎn)程同屏標(biāo)注，在AR眼鏡中直觀地看到專家標(biāo)注的異常點(diǎn)和維修建議，跨越了時(shí)間和空間的限制，大大減少了時(shí)間成本，提升解決異常問(wèn)題的效率。遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)原理如圖1（右）所示。

3.4 技能培訓(xùn)將更加系統(tǒng)化、直觀化

利用AR眼鏡可以實(shí)操培訓(xùn)老師第一視角實(shí)時(shí)錄制培訓(xùn)老師的作業(yè)培訓(xùn)操作，形成培訓(xùn)課程的知識(shí)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)云端管理系統(tǒng)多屏推送顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)把實(shí)操培訓(xùn)老師第一操作視角圖像同步推送到學(xué)員佩戴的AR眼鏡進(jìn)行顯示，學(xué)員通過(guò)AR眼鏡可回看老師的操作過(guò)程，培訓(xùn)將更加直觀，每個(gè)員工都能接受“老師傅”的指導(dǎo)；學(xué)員還可在AR模擬顯示中進(jìn)行模擬操作，提高技術(shù)熟練度，以及在AR培訓(xùn)課件指與設(shè)備結(jié)合的情況下進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，有效解決邊看操作手冊(cè)邊練習(xí)的低效率問(wèn)題如圖2（左）所示。

3.5 AR眼鏡與工業(yè)頭盔融合設(shè)計(jì)提供作業(yè)安全性

先進(jìn)的工業(yè)AR眼鏡，在工業(yè)設(shè)計(jì)上采用雙目顯示方案，前方設(shè)計(jì)防護(hù)罩可充當(dāng)護(hù)目鏡的作用，支持配合不同安全帽裝配進(jìn)行使用所示。在設(shè)備設(shè)計(jì)的層面上，雙目顯示方案更加符合人的用眼習(xí)慣，且采用全息的光學(xué)設(shè)計(jì)方案取代了傳統(tǒng)的LCD屏，能夠?qū)崿F(xiàn)畫(huà)面無(wú)遮擋顯示，減少了對(duì)佩戴者視線的影響。典型產(chǎn)品為廣州幻境科技有限公司研發(fā)的MingLens E1智能頭盔如圖2（右）所示，可運(yùn)用在工業(yè)智能化生產(chǎn)線設(shè)備巡檢、智能電網(wǎng)巡檢等領(lǐng)域。

圖2 AR工業(yè)智能頭盔應(yīng)用

此外，工業(yè)AR眼鏡的定位系統(tǒng)，可隨時(shí)獲取員工位置信息，并反饋至后臺(tái)管理端，方便管理人員對(duì)員工進(jìn)行管理。在室外，采用成熟的GPS技術(shù)即可完成定位功能；在室內(nèi)、密集多徑場(chǎng)所，則采用功耗更低、多徑分辨能力更強(qiáng)的UWB技術(shù)來(lái)獲取員工的位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

2017年，中央發(fā)布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》強(qiáng)調(diào)要促進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能、邊緣計(jì)算等新興前沿技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究與探索。越來(lái)越多的企業(yè)工廠投入到“智慧工廠”的轉(zhuǎn)型中，AR技術(shù)憑借其能夠巧妙地將虛擬信息和真實(shí)信息相互融合的能力，能夠在生產(chǎn)、巡檢、檢修等工業(yè)場(chǎng)景中提供精確感知、指導(dǎo)輔助、傳遞信息等幫助。

相信在未來(lái)，隨著AR技術(shù)及穿戴設(shè)備的逐步完善，“工業(yè)+AR”的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景也將不斷演進(jìn)，如：數(shù)字孿生、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能運(yùn)維等方面。AR技術(shù)將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)與企業(yè)效率注入新活力，我們期待AR技術(shù)給工業(yè)的生產(chǎn)制造帶來(lái)更多的可能性。