先進AR技術在工業生產領域的應用研究*

陳曦 黃昌正 周言明 郭沅宜

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

引言

增強現實可以將虛擬場景疊加在真實環境進行融合顯示，利用虛擬場景，為用戶提供更多的有效信息，用戶也可與虛擬場景內容進行互動。

“智慧工廠”已經成為傳統工廠轉型的重要方向，作為助力工業4.0發展技術的支柱之一，AR憑借能夠實現真實場景和虛擬場景的良好交互而受到工業領域的廣泛關注。

在生產型企業中普遍存在：技術培訓與經驗傳承難、工作流程冗長，員工操作不規范、現有的遠程溝通方式效率低等問題。而隨著AR技術的逐步完善，AR技術和工業生產場景將更加緊密地結合，有效解決以上問題。

1 AR技術發展過程

早在1968年，伊萬·薩瑟蘭就發明了世界上第一款頭戴顯示設備——“達摩克利斯之劍”，該設備笨重不方便穿戴，與實際應用需求差距明顯；2012年，谷歌發布棱鏡AR眼鏡Google Glass，具有重量小，佩戴方式簡便的優點，為AR智能眼鏡進入日常生活、工業制造、軍事等領域創造了可能性，但是存在視場角小、鏡片厚度過高、畫面亮度不足等問題；2015年，微軟HoloLens全息AR眼鏡發布，在亮度、視場角、分辨率等方面有了較大的改善。2019年全球AR工業應用市場規模超3億美元，隨著越來越多的AR技術運用到工業智能化生產中，在未來幾年內將會是AR的高速發展時期，預計2023年AR工業領域市場將達到33.6億美元[2]。

2 工業生產中的存在問題

2.1 企業培訓成本高

生產企業人員流動快，需要定期對新入職人員召開技能培訓會，以保證和提升企業生產質量水平。在傳統形式的技術培訓中，需資深員工指導，人力有限，且參訓員工實操的時間短。導致培訓周期長、成本高、缺乏體系等缺陷。企業正急需新的培訓方式來提升培訓的效率和質量。

2.2 缺乏有效的遠程技術支撐手段

野外設備發生突發性故障，如果現場人員無法有效處理，可能給企業帶來嚴重的經濟損失甚至導致重大事故發生。而身處遠方的相關技術專家無法現場指導，企業在解決突發性重大異常問題上的效率較低。

2.3 傳統巡檢維護效率低、潛在風險高

在工業生產中，定期對設備進行巡檢、維護是維持企業正常生產的必要工作。傳統的設備巡檢記錄方式存在記錄不方便、效率低、數據不易儲存、統計難度大等問題。在設備維護中，維護人員需要全面掌握所有設備維護技術知識，信息量巨大，在工作過程中也容易遺漏關鍵步驟，可能導致嚴重后果。

2.4 現有的智能眼鏡設計與工業場景的契合度低

現有的智能眼鏡，在外觀設計和功能導向上都偏向于消費級應用，難以適應復雜工業級應用場景。

在交互層面，大多數智能眼鏡采用的是語音和觸控的交互方式。在大多數工業生產的場景下，設備運行噪音較大，影響了語音識別的效果。而觸控交互方式將會占用佩戴者工作的雙手，同樣不適用于工業生產的場景。

3 AR技術在工業智能生產中的應用

近年來，AR設備的工業設計、佩戴方式向著輕便化發展，也讓AR技術在生產、培訓、巡檢等多種工業場景中得以大展身手。

圖1 工業智能巡檢系統、遠程協助系統原理

3.1 設備巡檢維護作業的標準化、智能化

目前工廠巡檢維護工作安排方式存在工作溯源難度大、工作標準不明晰等問題。

員工佩戴先進的工業AR眼鏡，其搭載的智能巡檢系統可接收來自云服務端管理的工作任務。員工可通過AR眼鏡隨時查看工作任務內容、作業流程、手冊等，同時可向云端同步傳輸現場巡檢、維護信息；而后臺管理可查看員工的任務完成情況，可對每項工作、每個步驟做到追根溯源，對員工進行有效管理。

先進的工業AR眼鏡配合圖像識別技術，可精準識別目標設備，并通過AR的方式呈現設備的解剖三維圖像或者演示動畫，以指引員工完成工作任務。在提升巡檢維護人員操作準確度的同時，也記錄儲存作業過程，為任務事件溯源提供關聯性的證據信息。智能巡檢系統原理如圖1（左）所示。

3.2 AR交互方式革新、無紙化作業記錄

面對嘈雜的生產環境、設備維護的特殊性，傳統智能眼鏡語音控制和觸控控制的交互方式不再適合，手勢識別將會是更加適合的交互方式。AR眼鏡通過深度攝像頭獲取手部點云信息，通過AI算法識別手部3D關鍵點，追蹤手部的關鍵位置來識別手勢指令，可以精準檢測佩戴者的手部動作，不會因為手中佩戴手套而無法識別，可適應復雜的工業生產環境。可通過手勢操作AR工作界面，實現對工作任務瀏覽、資料查詢、工作記錄存儲與傳輸，實現無紙化記錄。

3.3 遠程同步指導提升效率，實時解決問題

隨著5G技術的逐步成熟，5G與AR技術的結合逐步投入到工業的使用場景中。基于5G網絡的工業移動專網具有大寬帶、廣連接、高可靠、低時延特性，AR眼鏡可以高效地傳輸高清視頻數據，工作人員可通過AR眼鏡將第一視角畫面，實時同步到遠程專家端，無須專家到達現場即可及時了解現場的真實情況，同時可以對實時畫面進行遠程同屏標注，在AR眼鏡中直觀地看到專家標注的異常點和維修建議，跨越了時間和空間的限制，大大減少了時間成本，提升解決異常問題的效率。遠程協助系統原理如圖1（右）所示。

3.4 技能培訓將更加系統化、直觀化

利用AR眼鏡可以實操培訓老師第一視角實時錄制培訓老師的作業培訓操作，形成培訓課程的知識庫，同時通過云端管理系統多屏推送顯示技術，實現把實操培訓老師第一操作視角圖像同步推送到學員佩戴的AR眼鏡進行顯示，學員通過AR眼鏡可回看老師的操作過程，培訓將更加直觀，每個員工都能接受“老師傅”的指導；學員還可在AR模擬顯示中進行模擬操作，提高技術熟練度，以及在AR培訓課件指與設備結合的情況下進行實操練習，有效解決邊看操作手冊邊練習的低效率問題如圖2（左）所示。

3.5 AR眼鏡與工業頭盔融合設計提供作業安全性

先進的工業AR眼鏡，在工業設計上采用雙目顯示方案，前方設計防護罩可充當護目鏡的作用，支持配合不同安全帽裝配進行使用所示。在設備設計的層面上，雙目顯示方案更加符合人的用眼習慣，且采用全息的光學設計方案取代了傳統的LCD屏，能夠實現畫面無遮擋顯示，減少了對佩戴者視線的影響。典型產品為廣州幻境科技有限公司研發的MingLens E1智能頭盔如圖2（右）所示，可運用在工業智能化生產線設備巡檢、智能電網巡檢等領域。

圖2 AR工業智能頭盔應用

此外，工業AR眼鏡的定位系統，可隨時獲取員工位置信息，并反饋至后臺管理端，方便管理人員對員工進行管理。在室外，采用成熟的GPS技術即可完成定位功能；在室內、密集多徑場所，則采用功耗更低、多徑分辨能力更強的UWB技術來獲取員工的位置。

4 結束語

2017年，中央發布的《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》強調要促進增強現實、人工智能、邊緣計算等新興前沿技術在工業互聯網中的應用研究與探索。越來越多的企業工廠投入到“智慧工廠”的轉型中，AR技術憑借其能夠巧妙地將虛擬信息和真實信息相互融合的能力，能夠在生產、巡檢、檢修等工業場景中提供精確感知、指導輔助、傳遞信息等幫助。

相信在未來，隨著AR技術及穿戴設備的逐步完善，“工業+AR”的實際應用場景也將不斷演進，如：數字孿生、產品設計、智能運維等方面。AR技術將會給工業生產與企業效率注入新活力，我們期待AR技術給工業的生產制造帶來更多的可能性。