VR和AR在工业制造中的多场景应用

2022/11/4

一、概谈

 

作为一个在智能制造行业和企业奋斗了多年的项目人员，有幸在这期间接触了不少新技术的探索和应用，而这其中给人印象最深刻的要数VR和AR了。


VR/AR技术经历了漫长和曲折的发展，这些暂不去考证和复述。单从接触VR/AR的这些年来看，依稀记得2017年VR/AR创业和资本最后的狂欢，2018年VR/AR行业的退潮爆冷，2020年以来VR/AR伴随5G发展被重新认识和重视，2022年初元宇宙的爆火将VR/AR推向一个新的高度，即至今日概念热度消退，VR/AR发展重归理性。


市场/行业的发展冷热交替，而VR/AR的技术发展或快或慢却总在向前，不断提升的设备性能和用户体验以及日渐丰富的生态内容，无不昭示着它广阔的发展前景，从这几年来VR/AR在终端消费市场表现和行业领域的落地应用可见一斑。然而从总体来看，VR/AR设备在广大终端消费者中的渗透率还是相对较低，据相关调研数据，2021年VR/AR设备在中国网民间的渗透率大约为0.3%，若算上非网民，这个数值会更低。因此对与绝大多数人来说，VR/AR为何物，还只是网络或他人口中的一个名词概念而已。

 

 

二、VR/AR技术简介

 

PART 01.VR介绍

 

VR：Virtual Reality，即虚拟现实技术，通过计算机生成一种模拟现实的三维数字环境，并产生逼真的以三维视觉感受为主，包含触觉、听觉等多感官的综合感知，借助VR头显设备，让用户与虚拟世界交互，提供与现实世界隔离的封闭式、沉浸式的虚拟世界体验。

 

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VR技术涉及学科众多，系统种类繁杂，因其沉浸性、交互性、多感知性等特点，应用范围及其广泛，在游戏娱乐、教育、设计、医学、航空航天和工业制造等领域已有大量的落地应用。


VR作为一项新的快速发展的科学技术，其前景广阔，但目前也存在其自身的局限和问题，如产品稳定性不足、视觉体验较差等，尤其是视觉体验方面，部分用户使用VR设备会产生眩晕呕吐等不适之感，另外市场上VR产品的清晰度普遍不足，这些都是造成体验不佳的原因。

 

 

PART 02.AR介绍

 

AR：Augmented Reality，即增强现实技术，将计算机系统提供的信息增加到用户对现实世界感知，将虚拟信息与真实世界场景巧妙的叠加融合，使两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。

 

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不同于VR的隔离式沉浸感，AR可实现对现实世界的无缝衔接和补充，在不影响对现实事物观感的前提下，叠加显示计算机生成的虚拟世界，扩展了信息的获取、显示和交互方式，在教育、医疗、展示、工业设计等领域有着广泛的实际应用。


作为新兴的科学技术，AR技术也同样存在着自身的问题，如视觉方面AR的视野要明显小于人眼的实际视野，清晰度方面还不能满足人眼的视网膜屏级别的基本要求，这些都是造成目前AR设备体验感有限的主要因素。

 

 

三、主流VR/AR设备品牌

 

VR/AR设备是VR/AR技术高度封装和最终实现的终端工业产品，使得这种新型的技术能广泛的开放给内容开发者和面向最终消费者。


目前VR消费级终端设备品牌和型号较多，本人接触过的如HTC VIVE系列、OCULUS QUEST系列、PICO NEO系列等，这些都是目前VR终端设备比较优秀的代表，当然还有更多本人未实际接触到的厂家及品牌。


从形式上来看，VR设备主要分为两种，一种是PCVR，头显仅作为视觉显示设备，需要通过数据线连接到独立的主机，借助主机性能和算力渲染相关场景并完成交互，这类设备代表如HTC VIVE PRO系列，对主机性能和接口都有一定的要求；另一种是VR一体机，将计算机和系统集成在头显设备内，头显既是显示设备也是处理主机，摆脱了线缆的束缚，使用灵活性更高，HTC VIVE FOCUS系列、OCULUS QUEST系列和PICO NEO系列都属于这类设备。

 

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PCVR设备

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VR一体机

 

相对于VR的百家争鸣，发力AR设备品牌显然要少些，而这其中最著名的当属微软的HOLOLENS系列，从2015年的初代HOLOLENS1到2019年的HOLOLENS2，微软提供了一种全新的、新奇的信息交互和体验方式。时至今日，国内的众多厂商也开始发力AR设备，如亮风台AR产品和Nreal AR产品等。


AR设备常见的也可分为头显一体机式和分体眼镜式，一体式代表如微软hololens系列，是集显示和主机为一体的头显设备；分体式代表如Nreal等，眼镜仅作为显示设备，使用时需有线连接手机或者手持端完成计算和交互。

 

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头显一体式AR

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眼镜分体式AR

 

 

四、VR/AR与智能制造

 

工业4.0时代需要加快工业生产制造向智能化方向的快速发展，VR/AR技术为工业领域的发展提供了全新的技术支持，从根本上改变了工业制造过程中的设计、组装、维护、培训等环节的传统实现方式。


在产品设计方面，VR/AR可通过计算机建模和虚拟装配，在不需要实际生产出产品的条件下，就可以让工程师观察产品组装的整个过程及产品的最终完成形态，在虚拟环境中进行设计验证和优化决策，同时还能有效的研究装配过程中可能存在的瓶颈工序，指导进行设计优化或生产工序优化。

 

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在生产装配方面，VR/AR技术提供了全新的工位作业方式，针对机器无法替代的人工作业工位，VR/AR不仅可以提供预先的装配技能培训，在实际的生产过程中，以AR作为主要手段，可以取代传统中纸质作业指导书和工位一体机，将作业指导书、工位一体机等以虚拟元素的形式叠加到实际环境中进行显示，精简了工位空间，方便了操作。


另外，通过AR还可以实现作业过程的实时可视化引导，可以有效识别工位上的产品零件及工具工装，精确对标装配工艺，实现步步引导和管控，有效的实现防呆防错，提升产品装配质量和装配效率。

 

在维修维护方面，VR/AR技术可以构建完整的故障/缺陷检查流程和排除方案，一方面能对维修维护人员进行提前的技能培训，熟悉故障的一般产生原因和排除方法；另一方面在实际维修维护过程中，能根据预设的方案，实时提示，帮助维护人员有条不紊的进行排查操作。

甚至在一线维护人员不能完全解决问题的情况下，可以远程连线相关专家，以视频同步、语音、图片等多种方式实现如“专家亲临”，可以极大的提升现场人员和后台专家的远程沟通效率，指导现场快速解决一线问题。

 

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在企业培训方面，传统的上岗培训方式越来越无法满足现代工业制造快节奏的发展需求。一方面工业制造素来技能门槛要求相对较高，传统培训难度大、耗时长、成本高；另一方面制造业特别是一些生产操作人员稳定性差，流动频繁，这些都极大的增加了企业在人员上岗和技能培训方面的时间成本、物力成本和人力成本，甚至影响企业生产和发展。


VR/AR技术的出现，提供了一种方便企业进行机械和产品操作培训的新方法。通过创建1：1真实还原现实的虚拟环境，构建出不同场景的应用，可以同时进行多人、多场景的沉浸式训练，包括环境熟悉、操作实训、操作考核评分等，还可以让受训者体验到传统培训中可能无法获取的实际经验，如模拟事故及处理等。

 

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事实上，VR/AR在工业制造领域的应用还远不止如此，在工厂/车间规划设计、在设备实时监控、在远程技术协作、在参观交流等其他方面也发挥着越来越重要的作用。

 


五、佰思杰VR/AR应用研究

 

作为深耕智能制造领域的武汉佰思杰科技有限公司，一直在探索新技术在智能制造领域的应用，为推动制造业数字化、智能化转型贡献自己的力量。从数字孪生/三维可视化，到VR/AR，从很早开始佰思杰就布局了相关的研究，尽己所能挖掘着这些新技术在实际制造场景中的应用，辅助生产，扩展信息化边界，帮助提升用户体验和应用价值。


在VR方面，早在2017年，佰思杰就开始着手打造了自己的VR虚拟智能工厂。通过总结佰思杰在制造业和智能制造领域多年的实践经验，设计了智能工厂的范例模板，将产线、仓库、物流、检测、监控、展示、调度等融为一体，采用全场景三维建模，在虚拟世界中还原了生产制造过程的各个环节。通过VR头显设备，可让用户沉浸式参观和学习智能工厂的设计和生产的方方面面，并可和佰思杰MOM平台通讯联动，实时模拟工厂的可视化监控。 

 

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佰思杰VR虚拟智能工厂

 

又如佰思杰和某学院合作开发了舰艇机电设备虚拟操作和维修维护VR系统，用于舰艇电气设备的运行原理、操作、系统故障和排除方法的教学及研究。通过1：1真实还原舰艇电站房内的器材和设备外观，对内部环境进行模拟，使人有身临其境的感受，同时支持单人、多场景训练，支持单人训练管理与考评，可实现在线监控、操作回放、出题选题、自动评分等，对该学院探索新式教学方式研究和促进新学员快速学习上手起到了重要的支撑作用。

 

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设备操作间（VR场景）

 

在AR方面，佰思杰深入挖掘产品组装过程中的相关痛点，特别是在人工工位，大力探索AR在无纸化、防呆防错和工步引导方面的应用。通过相关应用的开发，配合佰思杰MOM系统和AR头显设备，让操作工人可以在新的岗位迅速上手。根据头显叠加到现实上的电子工艺指导、工步引导提示和相关数据反馈，准确的知道自己每个步骤要装入的零件、装入的工艺要求以及装配的结果是否合格，极大的减少了对操作工人个人技能的依赖，缩短了培训上岗的时间，并且实现了装配质量的实时在线监控和反馈，可以极大的提高工位的作业效率和作业质量。

 

 

六、小结

 

VR/AR技术的发展，不断刷新着人们对于世界感知和交互的方式，将更多智能化元素带进生活的方方面面，例如游戏娱乐，例如工业制造……。虽然目前VR/AR仍有其自身发展和应用的技术局限性，但其未来化的新技术形态决定了它广阔的可发展前景。

 

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作为智能制造信息化领域头部企业的佰思杰，我们用自主研发的nebula智能制造平台和MOM产品体系，从制造到服务全链条支撑起中大型制造业客户向智能制造转型升级的企业战略和任务。同时我们也一直在与时俱进，不断探索诸如数字孪生/VR/AR等新技术形态在企业生产制造过程中的应用，持续打磨完善自身产品，提升整体解决方案能力，在向智能制造转型的路上为企业赋能和创造更高的价值。


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