猫耳网 2019-09-30 13:53:37 热度:

在机器换人时代提升人类的竞争力,智能工厂之AR应用

 

导 语

增强现实(Augmented Reality),简称AR,是一种将虚拟世界的东西叠加到现实世界里的技术。相比于完全沉浸于虚拟世界的VR,AR与现实世界的物体交互性更强,因此更适用于工业场景。

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根据ABI Research调研数据显示,有42%的美国工业企业在工作流程中使用AR辅助工作。如:波音公司使用AR眼镜来降低30%的飞机布线时间,每架飞机可以节省数百万美元费用;通用电气使用AR眼镜进行检修,效率提高了12%。

即使是智能工厂中的自动化生产车间,也仍然离不开人的干预,主要集中在设备安装、故障排查、关键环节操作。传统的人为参与环节,都通过书面材料、人眼观察、经验判断,大量依赖于工作人员个人能力素质,与操作对象的交互程度也较浅,当存在多人作业时,沟通协作也不够顺畅。AR作为重要的新型交互技术进入到智能工厂中,能够加强人机交互,提升人员间协作能力,从而提升智能工厂运作效率。

01

5G的到来将使智能工厂中的AR远程操作更加的顺畅

实现智能工厂远程操作需要建立操作人员与操作对象(如机械设备),以及工厂智能中枢制造执行管控系统间的连接,才能使得制造作业数据、图像与人形成深度交互。由于AR、高清视频等媒体交互中,传输数据量很大,需要高带宽,上下行速率需达到50Mbps以上。此外,为防止AR眼镜的语音识别、视线跟踪、手势感应等功能出现卡顿,对时延和可靠性要求较高,因此需要5G通信网络支持。

超高速率:峰值速率下行20Gbps、上行10Gbps、用户感觉速率可达10-100Mbps,比4G速率快100倍。在线看AR、4K无障碍;

超低时延:时延1-10ms,能够满足大部分工业控制对时延的需求;

海量终端连接数:每平方公里可接入一百万终端,满足容纳大规模工厂中连接数量;

可靠性:99.999%,可达到大部分工业企业要求。

在远程操作场景中,通过在机器设备上安装5G通信模块,将机器人控制部署在云端,使得机器设备运行数据能够实时通过5G网络传输给远程操作人员,操作人员再将操作指令通过网络实时发送至机器设备,实现远程操控。

在设备安装或故障排查场景中,操作人员通过摄像头扫描机器设备,图像信息通过5G网络传输至云端图像处理,识别作业设备对象,从设备商及相关第三方工业内容商调取设备安装、维修信息、发送至现场操作人员,再通过AR眼镜或平板电脑,结合呈现虚拟内容与真实场景,辅助人员操作。

远程操作场景符合工业控制切片网络能力,将机器人控制部署在距离作业场景较近的边缘云,降低时延提高可靠性;多媒体交互场景中符合工业多媒体切片能力,将AR应用、图形处理部署在距离作业场景较近的边缘云,提高网络速率,降低时延。

02

工业AR设备需求:更轻便的无绳化AR设备

AR设备正在朝着小型化、轻便化、更高清晰度及更大视场角发展,目前可预见的成熟形态是与近视眼镜一样大小的AR眼镜,方便佩戴人员在工厂里自由移动,并且双手无需手持AR设备。从各大科技巨头于近期申请的AR眼镜专利可看出对未来AR设备形态的展望。

以下几种技术将有效的轻便化AR眼镜:

1.云AR

云AR终端通过云端渲染技术使得AR应用能够在云端渲染,降低了本地渲染和计算造成的延迟和设备功耗,减少本地存储对内容清晰度的限制,以及对设备性能的要求。

传统的AR头戴终端受限于CPU/GPU等芯片技术,在性能、功耗、体积、散热等方面还存在较大的不足,且价格昂贵,对普通家庭/消费者用户而言还存在一定的消费门槛。虽然智能手机对AR的支持力度提升,但是需要用手握持,大幅度降低了工作中的使用体验。

云AR本质上是一个异构计算体系架构,分别在服务器端和终端完成不同的计算。云AR终端主要进行视频解码、简单的末端渲染、图像呈现控制和交互信号的接收和上传等操作。因此采用云AR技术的增强现实终端将减少设备内部的硬件,在终端尺寸和重量具有优势,同时降低设备成本、延长运行时间、增加产品生命周期,以提升用户体验。

但是云AR终端对传输时延高度敏感,不但需要网络支持高吞吐量,而且对端到端时延要求也必须很低。需要5G网络承载云AR的传输要求,因此网络是当前制约云AR发展的最关键因素。

根据中国移动发布的信息,预计2020年5G基站将覆盖所有地级市,因此至少需要2020年才能满足云AR的网络需求。

2.LCOS微显示技术

LCOS(液晶覆硅技术)是小型化AR设备的关键显示技术。是一种基于反射模式,尺寸非常小的矩阵液晶显示装置,特点是在IC芯片上集成超高精细度的像素点,单芯片LCOS架构不仅适用于小巧轻便的系统,而且还能够通过降低功耗来降低热量并延长电池寿命,这些都是AR眼镜的关键要求。

当前微型显示屏主要包括Micro-OLED、Micro-LED等自发光显示器,以及搭载外部光源照明的LCOS微显示器。LCOS技术以其体积小,功耗低,分辨率高等优点被广泛应用于AR产品当中,包括Google Glass, HoloLens在内的产品都采用了LCOS显示技术。国内AR光学模组供应商例如灵犀微光和珑璟光电也同样采用了LCOS显示技术。

3.光波导技术

光波导是实现图像稳定和清晰传输的关键光学部件。在AR眼镜中,要想光在传输的过程中损失无泄漏,光的全反射是关键。光机生成图像光影后,光波导可将光耦合进自身的玻璃基底中,并通过全反射的原理,使光传输到人眼正前方实现成像。

光波导的特性,对于优化AR眼镜的设计和美化外观有很大的优势。因为有了波导这个传输渠道,可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到侧面,这很大程度上降低了光学系统对外界视线的阻挡,并且使得重量分布更符合人体工程学,从而改善了设备的佩戴体验。

光波导总体上可以分为阵列光波导和衍射光波导两种 。阵列光波导通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼眶的扩大,代表光学公司是以色列的Lumus,目前市面上还没有出现大规模的量产眼镜产品。衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导,HoloLens1,Magic Leap One均属于前者,苹果公司收购的Akonin属于后者。

国内AR光学模组供应商例如灵犀微光和珑璟光电已有光波导技术布局,预计2020年能量产,逐渐实现国产替代。

据高盛估计,在微软HoloLens中,光学显示占到了成本的50%左右。因此光学显示模组是AR眼镜产业价值链中价值最高的器件,同时也是未来降低AR眼镜售价的关键器件。

03

AR技术已经在工业领域中应用

1.复杂的设备安装

在当下,AR技术已经在工业领域中应用。尽管产业链上游的网络、头戴式终端显示等环节还未成熟,但是AR辅助复杂的设备安装已经是一个经过试验和测试的技术,有着超过20年的历史。现代制造需要以尽可能快的速度将成百上千的部件精确的组装在一起,无论是汽车或者是飞机,每一款新产品都需要一套新的组装说明。通过AR眼镜可以将组装说明文件分解至不同的操作流程,并以图像的方式反映给操作人员。相比于传统的静态说明文件,AR眼镜能与设备形成互动,包括使用语音进行操控。

图:沃尔沃使用微软HoloLens的AR功能辅助设备安装

图:波音使用Skylight的AR功能辅助设备安装

2.维修

维修人员通过佩戴AR眼镜,扫描机器后就可以得知设备的产品型号、维修记录等,可以直接下载设备的维修手册,显示解决设备故障的具体操作步骤,甚至细到如何拆卸零部件,这样可以减少维修人员培训费用和培训周期。

3.专家远程协助

通过AR眼镜可以进行远程协作及工作指导,让后台专家看到前台维修人员的第一视角画面,实时提高效率的工作指示与指导,降低人为错误、因为现场人员经验不足而产生的效率低下、等待专家的时间耗费等情况,同时提高工作安全性。

IDC通过调研中国AR市场后表示:“随着AR技术在中国市场的快速发展,以及与AR相关的应用场景不断涌现,各行各业正在认识到AR技术在商用领域的价值。制造业、公用事业、建筑工业、教育等行业正在提高采用AR技术的比例,并将其应用在工业维修、装配安全、实验室等应用场景中。”

在中国AR/VR市场中,IDC预测至2023年,商用领域的应用场景中,支出规模最大的依次为培训(27.5亿美元)、零售展示(21.4亿美元)和工业维修(16.2亿美元),工业领域的应用位居第三。

智能工厂机器换人的原因在于提升生产效率,并且在部分工业领域中,先进制造对加工精度和硬度有着更高的要求,以至于最熟练的技术工人都无法满足。因此在智能工厂中,人的职能将转移至设备安装、故障排查、关键环节操作等。通过AR设备的辅助,一方面是辅助人工操作,提升人的竞争力;另一方面是通过AR设备实现大数据的收集、分析,从而进行经验的沉淀及流程的优化,通过精准数据构建“专家数据模型”和相关智能算法,扩大工厂应用AR的价值,提升整个智能工厂的竞争力


时间:2019-09-30 13:53:37  来源:搜狐科技    作者:佚名


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