用于制造培训的扩展现实 (XR) 技术

　　扩展现实 (XR) 系统的使用一直在增加，它被用来解决培训、教育、安全等各个领域的问题。随着增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR) 和混合现实的最新进展 (MR) 技术和高端商用硬件的易用性，制造业厂商已经在越来越多地使用先进的 XR 技术来培训其员工。

　　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取或提高完成工作所需的技能。

　　制造业在过去几年发生了翻天覆地的变化。传统上，商品制造已经从手工艺发展到高度组织化的大规模生产工厂，再到高度定制化的工业 4.0。劳动力适应这些快速变化所需的技能有所增加。

　　如今，全球竞争推动制成品发展，需要快速调整技能、流程和生产以满足变革性市场的要求。

　　

　　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，需要确保员工的敬业度、绩效和健康。认知和物理领域都需要这些技能。

　　由于工业 4.0，包括物联网 (IoT)、工业物联网 (IIoT)、基于云的制造和智能制造，这使得制造过程数字化和智能化，对认知技能的需求增加了。

　　随着技术、机器人、自动化生产线和智能制造的紧密结合，工人需要使用认知技能来高效地工作。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、监控和改善认知表现。

　　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过程、在工厂使用智能设备、学习使用技术先进的机械和工具、与机器人交流和操作、理解如何实时阅读、理解和传输数据，学习对公司软件进行编程，以及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他们的工人。一种流行的方法是将一名资深员工分配给新员工。该成员充当导师，教授完成工作所需的每项技能。另一种常见的方法是让工人参加基于时间的课程，在那里他们将学习技能的理论和实践版本。

　　这两种方法都是在职培训的一部分。另一种制造培训是在贸易学校或公司外的职业培训项目中教授的。在这些培训方法中很少看到任何标准化或一致性。这导致工人学习该制造公司特有的一种技能，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进行测试，以评估他们在培训期间学到了多少。此外，这些培训方法的发展速度不如制造业的技术进步。工人可能会也可能不会进行测试，以评估他们在培训期间学到了多少。

　　此外，这些培训方法的发展速度不如制造业的技术进步。工人可能会也可能不会进行测试，以评估他们在培训期间学到了多少。此外，这些培训方法的发展速度不如制造业的技术进步。

　　扩展现实（XR）是指所有真实和虚拟环境结合在一起，人机交互通过计算机技术和硬件产生的交互发生。图 1表示现实-虚拟连续体。

　　

　　图1 现实-虚拟连续体

　　一般来说，将 XR 作为培训的唯一或补充方法是否可行，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，公司和企业集团应考虑上述因素进行全面分析，以确定 XR 培训是否能够产生丰硕的成果。

　　为了让公司雇用符合技能获取标准的员工，需要找到新的方式来招聘和准备候选人员工加入劳动力队伍。虽然没有普遍适用的解决方案，但每个公司都需要根据可用资源调整自己的不同需求。

　　然而，鉴于不断需要解决现代制造业反复出现的复杂性，显然建立一致的工人培训计划在现代制造组织中具有不可或缺的重要性。

　　制造业中的现代技术（XR、传感器、机器人等）重新定义了安全和保留改进、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 功能作为一种强大且引人注目的培训工具，以熟悉苛刻的现实工作条件。

　　混合和利用数字/网络/虚拟和物理世界的资产的能力可以在制造的各个领域（设计、物流、维护等）产生重要的时间节省。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，但与此同时，可以引入新的功能，例如增加时间-空间的灵活性。

　　制造培训中的 XR

　　XR，其中X代表任何当前或未来的空间计算技术，如增强现实（AR）、混合现实（MR）、虚拟现实（VR）。XR是指所有由计算机技术和可穿戴传感器产生的真实和虚拟结合的环境和人机交互。图2概述了每种 XR 技术的不同功能。

　　

　　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项目及环境进行交互并对其进行操作。混合现实允许用户用自己的双手沉浸在真实和虚拟世界的结合中，所有这一切都无需摘下耳机。

　　它提供了一只脚（或手）在现实世界中，另一只脚在想象的地方的能力，打破了真实和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关键问题是用户交互水平的提高。如图3所示是由MR应用程序的必要组件组成的综合框架。

　　

　　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混合的地方。AR 将数字信息叠加在现实世界的元素上。增强现实通过其他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的中心来补充用户的现实或环境。

　　VR，虚拟现实，是一种计算机模拟的体验，将用户的感知完全从现实世界转移到相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。这叫做存在感。

　　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，在这个世界中，用户可以在连接到控制台或 PC 的同时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）、混合现实（MR）领域已经有大量的研究工作。无论采用这些概念的各种实施和实验方式如何，大多数研究工作的目的都是确定这些扩展现实 (XR) 系统是否在使用它们的受人尊敬的活动中有效。

　　在扩展的基于现实的训练的背景下，已经进行了许多研究工作和分析来测试这些训练方法与传统训练方法相比的有效性。

　　各种研究工作都指出了在制造培训的背景下使用扩展现实的某些好处。尽管扩展的基于现实的训练和传统训练在各种任务上产生了相似的结果，但使用扩展的基于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很有用：非常困难，对传统训练构成威胁。

　　与视频训练和通过印刷文本指令进行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中表现更好。此外，有人指出，与传统培训相比，基于增强现实的培训的脑力负荷较小。

　　实施基于扩展现实的培训的另一个好处是，您可以使用交互设备（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。

　　其他使用 XR 提高认知能力的职业培训领域

　　事实证明，沉浸式 XR 应用程序对于职业培训是安全、引人入胜且有效的。它们显着降低了任何伤害的风险，并提供了一个可以多次用于培训的培训平台，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，沉浸式 XR 培训平台还用于高风险职业的设备培训。

　　例如有研究人员开发了一种沉浸式车辆模拟器，以协助机场停机坪代理进行职业培训。它为执行工作的过程提供培训，并在机场使用实际设备之前掌握地勤服务。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，培训是安全的，而且非常吸引人。

　　在娱乐之后，军队是最早投资开发虚拟现实应用程序以在无风险环境中进行培训的行业之一。它几乎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，研究人员使用身临其境的 VR 为严重残疾人的职业康复。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 名参与者的研究显示，VR 作为康复训练工具的效果令人鼓舞。

　　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、作业车间和离散任务。

　　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（处理、铲子、清扫、清洁工作区域）以及使用手动工具、电动工具和机械。

　　基于 VR、AR、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，并且 XR 技术可以映射到他们可以证明有益的任务，如图4所示

　　

　　图4 制造阶段以及何时使用哪种 XR 技术

　　头戴式便携式 XR 设备的发展在消费者采用方面面临巨大障碍。与其他新兴技术不同，这需要购买者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，过去消费者对其他新技术（如电视、电脑、手机）的采用率一直很高。

　　在所有 XR 技术中，由于硬件开发速度缓慢，依赖 HMD 的技术将获得最慢的消费者采用率。由于这些原因，商业制造部门在采用 XR 技术进行大规模工作场所培训方面进展缓慢，并且这些领域仍然高度用于仅用于研究目的。

　　由于硬件门槛低，消费者对基于移动的 AR 的采用率明显高于 HMD。不可穿戴、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有更高的机会被大规模采用。如图5为苹果头戴式MR产品。

　　

　　图5 Apple Vision Pro

　　用于训练的XR技术不仅仅是硬件设备。XR训练平台的能力和质量也取决于软件。需要高质量的软件才能在硬件上运行以及创建XR内容。VR的主要制造商——Oculus Rift、谷歌 Cardboard、HTC、索尼、三星——经常创建自己的XR创作内容创建工具。

　　但最近提供VR开发软件的第三方公司的兴起、软件和硬件的增长率之间的差距也给创作者带来了挑战，因为他们不断学习这些新技术并创建具有新特性和新功能的应用程序。XR应用程序创建者需要具备内容生成、完全沉浸、交互性、编程和实施方面的专业技能。

　　沉浸式 XR 技术是用于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虚拟现实应用研究仍未探索。自动化，机器人和其他新技术的使用不会取代对熟练培训师的需求，而是会提高制造业的整体绩效。

　　所有 XR 在培训中的应用都侧重于学习和教育工人，他们的工作通常与在传统环境中接受培训后的表现相当。对于未来的工作，增强现实在制造培训后期的应用以及在培训界面中添加交互的需求仍需要探索，以便更好地理解接授培训的影响。