先进AR技术在工业生产领域的应用研究*

陈曦 黄昌正 周言明 郭沅宜

1.东莞市易联交互信息科技有限责任公司 广东 东莞 523808；2.广州幻境科技有限公司 广东 广州 510630

引言

增强现实可以将虚拟场景叠加在真实环境进行融合显示，利用虚拟场景，为用户提供更多的有效信息，用户也可与虚拟场景内容进行互动。

“智慧工厂”已经成为传统工厂转型的重要方向，作为助力工业4.0发展技术的支柱之一，AR凭借能够实现真实场景和虚拟场景的良好交互而受到工业领域的广泛关注。

在生产型企业中普遍存在：技术培训与经验传承难、工作流程冗长，员工操作不规范、现有的远程沟通方式效率低等问题。而随着AR技术的逐步完善，AR技术和工业生产场景将更加紧密地结合，有效解决以上问题。

1 AR技术发展过程

早在1968年，伊万·萨瑟兰就发明了世界上第一款头戴显示设备——“达摩克利斯之剑”，该设备笨重不方便穿戴，与实际应用需求差距明显；2012年，谷歌发布棱镜AR眼镜Google Glass，具有重量小，佩戴方式简便的优点，为AR智能眼镜进入日常生活、工业制造、军事等领域创造了可能性，但是存在视场角小、镜片厚度过高、画面亮度不足等问题；2015年，微软HoloLens全息AR眼镜发布，在亮度、视场角、分辨率等方面有了较大的改善。2019年全球AR工业应用市场规模超3亿美元，随着越来越多的AR技术运用到工业智能化生产中，在未来几年内将会是AR的高速发展时期，预计2023年AR工业领域市场将达到33.6亿美元[2]。

2 工业生产中的存在问题

2.1 企业培训成本高

生产企业人员流动快，需要定期对新入职人员召开技能培训会，以保证和提升企业生产质量水平。在传统形式的技术培训中，需资深员工指导，人力有限，且参训员工实操的时间短。导致培训周期长、成本高、缺乏体系等缺陷。企业正急需新的培训方式来提升培训的效率和质量。

2.2 缺乏有效的远程技术支撑手段

野外设备发生突发性故障，如果现场人员无法有效处理，可能给企业带来严重的经济损失甚至导致重大事故发生。而身处远方的相关技术专家无法现场指导，企业在解决突发性重大异常问题上的效率较低。

2.3 传统巡检维护效率低、潜在风险高

在工业生产中，定期对设备进行巡检、维护是维持企业正常生产的必要工作。传统的设备巡检记录方式存在记录不方便、效率低、数据不易储存、统计难度大等问题。在设备维护中，维护人员需要全面掌握所有设备维护技术知识，信息量巨大，在工作过程中也容易遗漏关键步骤，可能导致严重后果。

2.4 现有的智能眼镜设计与工业场景的契合度低

现有的智能眼镜，在外观设计和功能导向上都偏向于消费级应用，难以适应复杂工业级应用场景。

在交互层面，大多数智能眼镜采用的是语音和触控的交互方式。在大多数工业生产的场景下，设备运行噪音较大，影响了语音识别的效果。而触控交互方式将会占用佩戴者工作的双手，同样不适用于工业生产的场景。

3 AR技术在工业智能生产中的应用

近年来，AR设备的工业设计、佩戴方式向着轻便化发展，也让AR技术在生产、培训、巡检等多种工业场景中得以大展身手。

图1 工业智能巡检系统、远程协助系统原理

3.1 设备巡检维护作业的标准化、智能化

目前工厂巡检维护工作安排方式存在工作溯源难度大、工作标准不明晰等问题。

员工佩戴先进的工业AR眼镜，其搭载的智能巡检系统可接收来自云服务端管理的工作任务。员工可通过AR眼镜随时查看工作任务内容、作业流程、手册等，同时可向云端同步传输现场巡检、维护信息；而后台管理可查看员工的任务完成情况，可对每项工作、每个步骤做到追根溯源，对员工进行有效管理。

先进的工业AR眼镜配合图像识别技术，可精准识别目标设备，并通过AR的方式呈现设备的解剖三维图像或者演示动画，以指引员工完成工作任务。在提升巡检维护人员操作准确度的同时，也记录储存作业过程，为任务事件溯源提供关联性的证据信息。智能巡检系统原理如图1（左）所示。

3.2 AR交互方式革新、无纸化作业记录

面对嘈杂的生产环境、设备维护的特殊性，传统智能眼镜语音控制和触控控制的交互方式不再适合，手势识别将会是更加适合的交互方式。AR眼镜通过深度摄像头获取手部点云信息，通过AI算法识别手部3D关键点，追踪手部的关键位置来识别手势指令，可以精准检测佩戴者的手部动作，不会因为手中佩戴手套而无法识别，可适应复杂的工业生产环境。可通过手势操作AR工作界面，实现对工作任务浏览、资料查询、工作记录存储与传输，实现无纸化记录。

3.3 远程同步指导提升效率，实时解决问题

随着5G技术的逐步成熟，5G与AR技术的结合逐步投入到工业的使用场景中。基于5G网络的工业移动专网具有大宽带、广连接、高可靠、低时延特性，AR眼镜可以高效地传输高清视频数据，工作人员可通过AR眼镜将第一视角画面，实时同步到远程专家端，无须专家到达现场即可及时了解现场的真实情况，同时可以对实时画面进行远程同屏标注，在AR眼镜中直观地看到专家标注的异常点和维修建议，跨越了时间和空间的限制，大大减少了时间成本，提升解决异常问题的效率。远程协助系统原理如图1（右）所示。

3.4 技能培训将更加系统化、直观化

利用AR眼镜可以实操培训老师第一视角实时录制培训老师的作业培训操作，形成培训课程的知识库，同时通过云端管理系统多屏推送显示技术，实现把实操培训老师第一操作视角图像同步推送到学员佩戴的AR眼镜进行显示，学员通过AR眼镜可回看老师的操作过程，培训将更加直观，每个员工都能接受“老师傅”的指导；学员还可在AR模拟显示中进行模拟操作，提高技术熟练度，以及在AR培训课件指与设备结合的情况下进行实操练习，有效解决边看操作手册边练习的低效率问题如图2（左）所示。

3.5 AR眼镜与工业头盔融合设计提供作业安全性

先进的工业AR眼镜，在工业设计上采用双目显示方案，前方设计防护罩可充当护目镜的作用，支持配合不同安全帽装配进行使用所示。在设备设计的层面上，双目显示方案更加符合人的用眼习惯，且采用全息的光学设计方案取代了传统的LCD屏，能够实现画面无遮挡显示，减少了对佩戴者视线的影响。典型产品为广州幻境科技有限公司研发的MingLens E1智能头盔如图2（右）所示，可运用在工业智能化生产线设备巡检、智能电网巡检等领域。

图2 AR工业智能头盔应用

此外，工业AR眼镜的定位系统，可随时获取员工位置信息，并反馈至后台管理端，方便管理人员对员工进行管理。在室外，采用成熟的GPS技术即可完成定位功能；在室内、密集多径场所，则采用功耗更低、多径分辨能力更强的UWB技术来获取员工的位置。

4 结束语

2017年，中央发布的《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》强调要促进增强现实、人工智能、边缘计算等新兴前沿技术在工业互联网中的应用研究与探索。越来越多的企业工厂投入到“智慧工厂”的转型中，AR技术凭借其能够巧妙地将虚拟信息和真实信息相互融合的能力，能够在生产、巡检、检修等工业场景中提供精确感知、指导辅助、传递信息等帮助。

相信在未来，随着AR技术及穿戴设备的逐步完善，“工业+AR”的实际应用场景也将不断演进，如：数字孪生、产品设计、智能运维等方面。AR技术将会给工业生产与企业效率注入新活力，我们期待AR技术给工业的生产制造带来更多的可能性。