如今，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是一個(gè)著名的概念，但它的起源可以追溯到60年代，當(dāng)時(shí)Sutherland在1968年提出了第一個(gè)公認(rèn)的基于頭戴設(shè)備(HMD)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)原型(AR)。在薩瑟蘭之后，20多年過去了，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這個(gè)術(shù)語才由Tom Caudell和David Mizell這兩位受雇于波音公司的科學(xué)家正式創(chuàng)造出來，他們開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，目的是簡化空氣公司的制造過程。AR的概念直到1994年才被Milgram和Kishino作為實(shí)空間、虛空間和混合空間的所有中間形態(tài)之間的關(guān)系正式提出。1999年，ARToolKit在SIGGRAPH上公開發(fā)布，這是第一次在美國的研究實(shí)驗(yàn)室之外看到一個(gè)可用的AR系統(tǒng)，這預(yù)示著AR行業(yè)的開端，AR行業(yè)在兩年之后就以開源軟件的形式發(fā)布了。

直到幾年前，缺乏價(jià)格低廉的設(shè)備是廣泛采用AR應(yīng)用程序的主要障礙。

如今，移動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用消除了這一限制，因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)和平板電腦擁有開發(fā)和部署AR應(yīng)用程序所需的所有傳感器和處理單元。全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)市場發(fā)展迅速，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了不可否認(rèn)的影響。

總的來說，AR在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是相關(guān)的，因?yàn)樗鼧O大地改善了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)開發(fā)中的溝通:它有助于在開發(fā)過程的早期階段識(shí)別和避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤;它減少了物理原型的數(shù)量，為企業(yè)節(jié)省了時(shí)間和成本。在許多工業(yè)應(yīng)用中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)被認(rèn)為是改善和加速產(chǎn)品和過程開發(fā)的有價(jià)值的工具。

現(xiàn)在可以確定AR在工業(yè)領(lǐng)域的至少五個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域:人-機(jī)器人協(xié)作、維護(hù)-裝配-維修、培訓(xùn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)和建筑監(jiān)控。在人機(jī)協(xié)作領(lǐng)域，AR用于創(chuàng)建與工業(yè)機(jī)器人交互的高效接口。在維護(hù)-裝配-維修任務(wù)中，AR提高了他們自己的生產(chǎn)力。在培訓(xùn)操作中，用戶可以在AR中找到增強(qiáng)技能的強(qiáng)大解決方案。在產(chǎn)品檢驗(yàn)過程中，控制人員可以使用功能強(qiáng)大且多功能的AR系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的任何差異。最后，在建筑物監(jiān)控操作中，AR以簡單直觀的方式強(qiáng)調(diào)設(shè)施的任何錯(cuò)誤或偏差。

人機(jī)協(xié)作

第四次工業(yè)革命帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。工業(yè)機(jī)器人的能力在穩(wěn)步提升，合作互動(dòng)的預(yù)期也在增強(qiáng)。操作員需要在一個(gè)安全的環(huán)境中工作，以增強(qiáng)他們對(duì)機(jī)器人的信任。為了創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人與人類并肩工作的系統(tǒng)，必須開發(fā)新的界面，讓用戶以最自然的方式與他們互動(dòng)。由于這些原因，新的科學(xué)學(xué)科正在出現(xiàn)。人類機(jī)器人協(xié)作(Human Robot Collaboration, HRC)是一門新的科學(xué)學(xué)科，它試圖了解如何使用創(chuàng)新的接口來改進(jìn)人類與機(jī)器人的協(xié)作。創(chuàng)造一個(gè)安全可靠的人-機(jī)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。一個(gè)人與人的協(xié)作系統(tǒng)被認(rèn)為是安全的，因?yàn)橐粋€(gè)人可以自然地理解另一個(gè)人的意圖。在機(jī)器人的例子中，同樣的行為可以提前向用戶顯示機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境中將要應(yīng)用的動(dòng)作或力量:這樣操作員就可以清楚地了解機(jī)器人的意圖。AR確實(shí)可以用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，因?yàn)樗軌蛟谡鎸?shí)的環(huán)境中顯示信息，提高操作人員對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在眾多應(yīng)用中，AR是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，它可以增強(qiáng)用戶的理解能力。

移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

工業(yè)通常使用自動(dòng)導(dǎo)向車輛(AGV)，而不是使用人類熟練工人進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸。AGV是一種可以獨(dú)立移動(dòng)的機(jī)器人，通常用于在生產(chǎn)設(shè)備周圍運(yùn)輸設(shè)備。大多數(shù)情況下，AGV遵循預(yù)先定義的路徑，一方面使工作人員能夠很容易地預(yù)測機(jī)器人的意圖，另一方面它對(duì)AGV能夠執(zhí)行的任務(wù)類型施加了一些限制。下一代AGV將能夠在不遵循預(yù)定路徑的情況下移動(dòng)，并能夠?qū)崟r(shí)決定在給定環(huán)境下最佳的軌跡。這種行為引入了一定程度的不確定性，因此車輛意圖的溝通必須盡可能清晰。事實(shí)上，提高這些系統(tǒng)安全性的一種方法可能是賦予機(jī)器人理解和預(yù)測人類運(yùn)動(dòng)的能力。然而，創(chuàng)建這樣一個(gè)智能系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)槿祟愂歉叨炔豢深A(yù)測的。一個(gè)合理的選擇是把理解他人意圖的負(fù)擔(dān)從機(jī)器人身上轉(zhuǎn)移到人類身上。為了保證這個(gè)系統(tǒng)的安全性，機(jī)器人必須明確地表達(dá)它將要進(jìn)行的預(yù)期動(dòng)作:由于視覺是人類最發(fā)達(dá)的感官之一，通過可視化系統(tǒng)明確地表達(dá)預(yù)期動(dòng)作無疑是一個(gè)很好的選擇。此外，可視化系統(tǒng)可以使用AR技術(shù)來顯示機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境中的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。一些項(xiàng)目已經(jīng)采用了這種方法:例如，Chadalavada等人在Linde CitiTruck AGV上增加了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)投影儀(Optoma ML 750)。投影儀用于直接顯示機(jī)器人在地板上的運(yùn)動(dòng)，使人類能夠在幾秒鐘的時(shí)間范圍內(nèi)探測到它未來的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)

在工廠中，完成不同的任務(wù)，其中一個(gè)任務(wù)由取放動(dòng)作或裝配過程表示。這些活動(dòng)通常是由所謂的“手臂機(jī)器人”執(zhí)行的，它們能夠抓取物體并將其放置在特定的區(qū)域。對(duì)于AGV的運(yùn)動(dòng)，提前了解機(jī)器人手臂所走的路徑對(duì)人類預(yù)測機(jī)器人的意圖至關(guān)重要。一些研究正在探索使用AR來可視化機(jī)器人手臂在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。Ameri等人開發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，改善了工人和工業(yè)機(jī)器人之間的互動(dòng)。通過這個(gè)AR界面，工作人員不僅可以知道要抓取哪些對(duì)象，還可以知道機(jī)器人將遵循哪些軌跡:這樣一來，用戶就可以決定取消他們?cè)趫?zhí)行機(jī)器人之前給出的錯(cuò)誤命令。

顯示機(jī)器人的意圖信息可以改善協(xié)作系統(tǒng)，但不僅要考慮信息的類型，還要考慮顯示信息的時(shí)間。理解何時(shí)必須顯示數(shù)據(jù)是最基本的，因?yàn)楣ぷ魅藛T必須在正確的時(shí)間知道正確的信息，以便準(zhǔn)確地理解機(jī)器人在做什么，從而感到安全。魯法爾迪(E Ruffaldi)等人提出了一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，HRC的工作頭盔中集成了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)立體眼鏡，以及一個(gè)用于協(xié)作應(yīng)用的仿人機(jī)器人(Baxter robot，來自Rethink Robotics)。作者的目標(biāo)是顯示關(guān)于機(jī)器人在特定時(shí)間正在做什么的信息，而不給操作員帶來過多的數(shù)據(jù)。具體來說，如果機(jī)器人識(shí)別的對(duì)象在操作員的視野內(nèi)，則在平視顯示中對(duì)該對(duì)象進(jìn)行增強(qiáng)。此外，在末端執(zhí)行器附近放置一個(gè)三維箭頭來顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。

維護(hù)、裝配和修理

維護(hù)、維修和裝配任務(wù)是AR的另一個(gè)戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，因?yàn)榻档统杀臼窃S多行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。這類任務(wù)帶來的問題之一與它們的復(fù)雜性有關(guān):技術(shù)人員可能需要參考指導(dǎo)手冊(cè)來正確完成指定的程序。在程序所涉及的設(shè)備和手冊(cè)之間持續(xù)切換注意力可能會(huì)給技術(shù)人員帶來很高的認(rèn)知負(fù)荷。

交互式電子技術(shù)手冊(cè)(IETMs)已被提出，以解決與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)手冊(cè)(TM)相關(guān)的不準(zhǔn)確性和困難，其在提高專家和沒有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員的性能方面的有效性已被證明為。然而，IETMs并不完全是技術(shù)人員和機(jī)器之間交互過程的一部分，事實(shí)證明，這種分離增加了任務(wù)的時(shí)間和成本，也增加了技術(shù)人員的認(rèn)知負(fù)荷。

AR可以輕松有效地解決TMs和IETMs所帶來的分離問題，并對(duì)AR在維護(hù)、維修和裝配任務(wù)中帶來的好處進(jìn)行了全面的分析?；赼r的文檔已被證明可以將成本降低25%，并將性能提高30%。國際數(shù)據(jù)公司(IDC)預(yù)測,現(xiàn)場組裝和安全將吸引投資基于“增大化現(xiàn)實(shí)”技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來四年3.62億美元,到2021年底,工業(yè)維護(hù)將是最大的工業(yè)用例高達(dá)52億美元的投資。

用于維護(hù)和修理的AR應(yīng)用由一組虛擬資產(chǎn)組成，這些虛擬資產(chǎn)向技術(shù)人員提供指示、幫助或建議。最常見的資產(chǎn)包括帶有指令的音軌、動(dòng)畫3D模型(可視化地描述要做什么)和文本標(biāo)簽(提供要執(zhí)行的任務(wù)的詳細(xì)信息)。圖形資產(chǎn)被覆蓋并與要維護(hù)的機(jī)器對(duì)齊，使技術(shù)人員能夠在執(zhí)行過程中利用它們。此外，這類AR應(yīng)用通常包含遠(yuǎn)程呈現(xiàn)系統(tǒng)，當(dāng)AR輔助不夠時(shí)，遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以交互式地支持維護(hù)人員。

培訓(xùn)

用于培訓(xùn)目的的AR技術(shù)的使用與維護(hù)、組裝和維修任務(wù)嚴(yán)格相關(guān)，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ莵碜孕袠I(yè)領(lǐng)域的用戶學(xué)習(xí)的對(duì)象。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)深入研究多年，因?yàn)榻處煛⒔處熀团嘤?xùn)人員一直在尋找新的方法，以提高他們的學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，并發(fā)展創(chuàng)新的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)路徑。多媒體內(nèi)容不僅可以提供豐富的感官體驗(yàn)，增強(qiáng)用戶機(jī)器和用戶用戶交互，而且還可以增強(qiáng)讀者或觀眾的動(dòng)機(jī)和興趣。不同研究背后深層原因調(diào)查報(bào)告關(guān)于程序性錯(cuò)誤,說明一些維修故障不是由于缺乏適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)信息,并基于“增大化現(xiàn)實(shí)”技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)有價(jià)值的工具,用于支持任務(wù)執(zhí)行由于其能力來增加用戶的動(dòng)機(jī)。與使用AR技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)相關(guān)的另一個(gè)重要好處是，AR允許模擬危險(xiǎn)或危險(xiǎn)的任務(wù)，甚至是破壞性的事件，而不會(huì)對(duì)學(xué)生造成任何風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)品質(zhì)量控制

創(chuàng)建產(chǎn)品是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。產(chǎn)品制造經(jīng)歷了構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)現(xiàn)幾個(gè)階段。一旦實(shí)現(xiàn)了一個(gè)產(chǎn)品，就會(huì)檢查它，以檢查在創(chuàng)建階段是否沒有發(fā)生錯(cuò)誤，以及與所估計(jì)的結(jié)果是否存在差異。出于效率方面的考慮，整個(gè)過程應(yīng)該盡可能快速和準(zhǔn)確地完成。在公司的管理和產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)中，滿足完美標(biāo)準(zhǔn)的趨勢日益增長。在生產(chǎn)鏈的末端，質(zhì)量控制非常嚴(yán)格;為了向市場投放最能滿足最終用戶期望的高效產(chǎn)品。對(duì)于商業(yè)資產(chǎn)，使用包含不可接受的產(chǎn)品缺陷的列表來直觀地檢查產(chǎn)品。這個(gè)過程通常稱為檢查。檢驗(yàn)可以在不同的領(lǐng)域進(jìn)行，例如制造、商業(yè)、政府、機(jī)械，它包括對(duì)特定設(shè)備或過程的有組織的檢查。由于產(chǎn)品種類和細(xì)節(jié)的增加，檢驗(yàn)任務(wù)變得更加復(fù)雜。因此，由于人類檢查員的認(rèn)知局限性，檢查可能變得不那么有效。AR顯然是一種很有前途的技術(shù)，因?yàn)樗梢灾苯颖容^真實(shí)物體和理想模型。事實(shí)上，使用可穿戴設(shè)備，操作者可以將理想物體的三維圖像直接疊加在被檢查的產(chǎn)品上。這個(gè)過程通常被稱為“差異檢查”。

構(gòu)建監(jiān)測

構(gòu)建環(huán)境是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由需要合適基礎(chǔ)設(shè)施的不同機(jī)器組成的系統(tǒng)組成。建設(shè)這樣的環(huán)境是一項(xiàng)艱巨的任務(wù);每個(gè)系統(tǒng)由不同的子系統(tǒng)(柱子、管道、房間等)組成，這些子系統(tǒng)必須被放置在適當(dāng)?shù)奈恢?。通常，這些子系統(tǒng)使用3D模型表示，工廠使用計(jì)算機(jī)圖形進(jìn)行預(yù)可視化。通過這種方式，可以將每個(gè)子系統(tǒng)定位在適當(dāng)?shù)奈恢?，檢查任何碰撞或其他精靈不規(guī)則的。

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