用于制造培训的扩展现实 (XR) 技术

扩展现实(XR)系统的使用不断增加,用于解决培训、教育和安全等各个领域的问题。 随着增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR) 和混合现实 (MR) 技术的最新进展以及高端商用硬件的易用性,制造制造商越来越多地使用先进的 XR 技术来培训员工。

职业培训包括培训劳动力的教学计划和课程。 它侧重于培训具有特定工作职能或行业所需技能的人员。 制造培训是职业培训的一个子集,工人接受在职培训以获得或提高执行工作所需的技能。

过去几年,制造业发生了巨大变化。 传统上,商品制造已经从手工艺品发展到高度组织化的大规模生产工厂,再到高度定制的工业4.0。 劳动力适应这些快速变化所需的技能已经增加。

如今,全球竞争推动了制成品的发展,需要快速调整技能、流程和生产,以满足变革性市场的需求。

混合现实相机是什么意思_混合现实XR_混合现实心肺复苏

制造培训的重要性

由于制造技术的快速进步,生产力得到了提高。 因此,需要确保员工敬业度、绩效和健康。 认知和身体领域都需要这些技能。

工业4.0,包括物联网(IoT)、工业物联网(IIoT)、云制造和智能制造,使制造过程数字化、智能化,对认知技能的需求增加。

随着技术、机器人、自动化生产线和智能制造的结合更加紧密,工人将需要利用认知技能来高效工作。 与此同时,员工的认知负荷比以往任何时候都高,因此需要评估、监控和提高认知表现。

新要求的技能包括但不限于了解从订单到交付产品的完整制造流程,在工厂中使用智能设备,学习使用技术先进的机械和工具,与机器人沟通和操作,了解如何阅读、理解和操作。实时传输数据,学习对企业软件进行编程并使用数据挖掘和云基础设施。

由于机器人技术的兴起,智能连接机器人技术和智能维护的集成在工业4.0中很常见。

目前,许多制造公司以不同的方式培训工人。 一种流行的方法是将高级员工分配给新员工。 该成员充当导师并教授完成工作所需的所有技能。 另一种常见的方法是让员工参加限时课程,学习理论和实践技能。

这两种方法都是在职培训的一部分。 另一种类型的制造培训是在贸易学校或公司外部的职业培训项目中教授的。 这些培训方法很少有标准化或一致性。 这导致工人学习该制造公司独有的技能,这意味着他们几乎没有可转移的认知技能。

培训结束后,工人可能会或可能不会接受测试,以评估他们在培训期间学到了多少知识。 此外,这些培训方法的发展速度没有制造业技术进步那么快。 工人可能会也可能不会接受测试来评估他们在培训期间学到了多少知识。

此外,这些培训方法的发展速度没有制造业技术进步那么快。 工人可能会也可能不会接受测试来评估他们在培训期间学到了多少知识。 此外,这些培训方法的发展速度没有制造业技术进步那么快。

扩展现实(XR)是指通过计算机技术和硬件生成的交互发生人机交互的所有真实和虚拟环境的组合。 图 1 表示现实与虚拟的连续体。

混合现实XR_混合现实相机是什么意思_混合现实心肺复苏

图 1 现实-虚拟连续体

一般来说,使用XR作为唯一或补充的培训方式是否可行取决于一系列因素:培训需求、可用资源、健康和安全风险、隐私问题等。因此,公司和商业团体应进行全面分析综合考虑以上因素来判断XR训练能否取得丰硕成果。

为了让公司雇用符合技能获取标准的员工,需要找到招聘和准备候选人进入劳动力市场的新方法。 虽然不存在一刀切的解决方案,但每家公司都需要根据可用资源定制自己的独特需求。

然而,鉴于不断需要解决现代制造业反复出现的复杂性,很明显,建立一致的工人培训计划对于现代制造组织至关重要。

现代制造技术(XR、传感器、机器人等)重新定义了安全性和保持性改进、生产优化以及培训过程的速度/成本的界限。 因此,员工可以利用 XR 功能作为强大且引人注目的培训工具,以熟悉苛刻的现实工作条件。

混合和利用来自数字/网络/虚拟和物理世界的资产的能力可以在制造的所有领域(设计、物流、维护等)节省大量时间。 因此,像 XR 这样的现代技术可以充当完成这座桥梁的缺失环节,但同时引入新的功能,例如增加时空灵活性。

XR 在制造培训中的应用

XR,其中X代表任何当前或未来的空间计算技术,例如增强现实(AR)、混合现实(MR)和虚拟现实(VR)。 XR是指由计算机技术和可穿戴传感器生成的所有真实和虚拟的组合环境和人机交互。 图 2 概述了每种 XR 技术的不同功能。

混合现实XR_混合现实相机是什么意思_混合现实心肺复苏

图2 每种XR技术的不同功能

MR 结合了现实世界和数字元素。 在混合现实中,用户可以使用下一代传感和成像技术与物理和虚拟物品及环境进行交互并进行操作。 混合现实允许用户用自己的双手沉浸在现实和虚拟世界的结合中,而无需摘下耳机。

它提供了将一只脚(或手)放在现实世界中,另一只脚放在想象的地方的能力,打破了现实与想象之间的基本概念。 开发MR应用程序很复杂,设计此类应用程序的一个关键问题是提高用户交互水平。 图 3 所示是一个由 MR 应用程序的必要组件组成的综合框架。

混合现实心肺复苏_混合现实相机是什么意思_混合现实XR

图3 由MR应用程序的必要组件组成的综合框架

AR(增强现实)是虚拟对象和环境与现实世界融合的地方。 AR 将数字信息叠加到现实世界的元素上。 增强现实通过额外的数字细节增强现实世界的体验,分层新的感知层并通过保持现实世界为中心来补充用户的现实或环境。

VR,即虚拟现实,是一种计算机模拟的体验,将用户的感知从现实世界完全转移到类似或完全不同的虚拟世界。 VR 是这些技术中最广为人知的。 它欺骗用户的感官,让他们认为自己处于不同的环境中。 这就是所谓的存在。

使用头戴式显示器 (HMD) 或耳机,用户可以体验计算机生成的图像和声音世界,在连接到控制台或 PC 的同时,他们可以使用触觉控制器操纵对象并四处移动。

在制造培训中使用 XR 的好处

在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)领域已经有大量的研究工作。 无论实施和试验这些概念的方式有哪些,大多数研究工作的目标都是确定这些扩展现实 (XR) 系统在使用它们的受人尊敬的活动中是否有效。

在扩展的基于现实的培训背景下,已经进行了许多研究工作和分析来测试这些培训方法与传统培训方法相比的有效性。

各种研究工作都指出了在制造培训中使用扩展现实的某些好处。 尽管基于扩展现实的训练和传统训练在各种任务上产生相似的结果,但使用基于扩展现实的训练的主要好处之一是它可以在以下环境中实施并且有用:非常困难,传统训练构成威胁。

与视频训练和印刷文本指令训练等传统训练方法相比,增强现实系统在训练后的即时和长期回忆方面都表现更好。 此外,人们注意到基于增强现实的培训比传统培训更不费脑力。

实施扩展的基于现实的培训的另一个好处是,您可以通过交互设备(例如鼠标、动作捕捉、触觉设备等)的各种用途来扩展系统的工作。 触觉设备、动作捕捉和鼠标的使用在知识的虚拟到实时转换方面表现出了积极的表现。

使用 XR 提高认知能力的其他职业培训领域

事实证明,沉浸式 XR 应用程序对于工作培训来说是安全、有吸引力且有效的。 它们显着降低了任何伤害的风险,并提供了一个可以多次使用进行训练的训练平台,而无需担心设备或系统的成本、可用性、风险和复杂性。

除了安全培训外,沉浸式XR培训平台还用于高危职业的设备培训。

例如,研究人员开发了一种沉浸式车辆模拟器,以协助机场停机坪工作人员进行工作培训。 它提供在机场使用实际设备之前执行工作和掌握地勤服务过程的培训。 培训体系由三部分组成; 硬件组件、模拟器软件和职业培训内容。

事实证明,培训是安全且有吸引力的。

继娱乐业之后,军队是最先投资开发虚拟现实应用程序以在无风险环境中进行训练的行业之一。 它几乎可用于任何类型的训练——从射击练习到全面的战斗任务模拟。

在康复和医疗培训方面,研究人员正在利用沉浸式虚拟现实技术对严重残疾人进行职业康复。 他们还使用物理和虚拟辅助机器人来控制技能训练。 一项针对 15 名参与者的研究表明,VR 作为康复训练工具取得了良好的效果。

在制造业中,人们需要针对三种类型的任务进行培训:装配线任务、车间任务和离散任务。

这些任务包括监控装配线、分类、拣选、保管、组装、安装、检查、包装、清洁程序(搬运、铲土、清扫、清洁工作区域)以及手动工具、电动工具和机械的使用。

根据VR、AR和MR的不同品质和能力,所有任务都可以分解为不同的制造阶段,XR技术可以映射到可以证明有益的任务,如图4所示

混合现实心肺复苏_混合现实相机是什么意思_混合现实XR

图 4 制造阶段以及何时使用哪种 XR 技术

头戴式便携式 XR 设备的开发在消费者采用方面面临着重大障碍。 与其他新兴技术不同,这需要买家行为发生巨大的行为变化。 头戴式显示器 (HMD) 是一个开创性的想法。 与XR技术相比,过去其他新技术(如电视、电脑和手机)的消费者采用率一直很高。

在所有 XR 技术中,由于硬件开发缓慢,依赖 HMD 的技术的消费者采用速度最慢。 由于这些原因,商业制造业在采用 XR 技术进行大规模工作场所培训方面进展缓慢,并且这些领域仍然仅高度用于研究目的。

由于硬件门槛较低,消费者对移动AR的采用率明显高于HMD。 无穿戴、低成本、基于移动或基于投影的 AR 培训应用程序在新的未来更有可能被大规模采用。 图5展示了Apple的头戴式MR产品。

混合现实XR_混合现实心肺复苏_混合现实相机是什么意思

图 5 Apple Vision Pro

用于训练的 XR 技术不仅仅是硬件设备。 XR 培训平台的功能和质量还取决于软件。 需要高质量的软件才能在硬件上运行并创建 XR 内容。 VR 的主要制造商——Oculus Rift、Google Cardboard、HTC、索尼、三星——经常为 XR 创作创建自己的内容创作工具。

但最近提供VR开发软件的第三方公司的崛起,以及软件和硬件增长率之间的差距,也给创作者带来了挑战,因为他们需要不断学习这些新技术并创建具有新特性和功能的应用程序。 。 XR 应用程序创建者需要内容生成、完全沉浸、交互性、编程和实施方面的专业知识。

沉浸式 XR 技术是制造培训的强大工具。 增强现实在制造培训的主要领域仍然落后,而围绕制造后期阶段的 VR 应用研究仍有待探索。 自动化、机器人技术和其他新技术的使用不会取代对熟练培训师的需求,但会提高制造的整体绩效。

XR 在培训中的所有应用都侧重于学习和教育工人,以便他们的工作通常与在传统环境中接受培训的工作相同。 对于未来的工作,仍需要探索在制造培训后期阶段使用增强现实以及在培训界面中添加交互性的需要,以更好地了解在线培训的影响。