W coraz bardziej połączonym przemyśle wiele procesów można zobrazować wirtualnie. Rzeczywistość mieszana jest atrakcyjnym rozwiązaniem we wszystkich obszarach produkcji przemysłowej – od planowania obiektu po kontakt z klientem. Rzeczywistość rozszerzona (ang. augmented reality – AR) ma więc zastosowanie nie tylko w branży gier, rozrywkowej i telekomunikacyjnej, ale także w Przemyśle 4.0.
Rzeczywistość mieszana, rzeczywistość wirtualna i rzeczywistość rozszerzona
W kontekście cyfrowych narzędzi dla Przemysłu 4.0 często pojawiają się możliwości zastosowania aplikacji rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej. Jednak w porównaniu z wieloma innymi technologiami, ich zastosowanie w przemyśle jest stosunkowo niewielkie.
Analizując wyniki raportu Deloitte Insights Readiness Report 2020, można zauważyć, które technologie mają większe znaczenie dla firm:
- Internet rzeczy (IoT), sztuczna inteligencja (AI), infrastruktura chmurowa oraz Big Data lub analityka Big Data są uznawane na arenie międzynarodowej za najważniejsze filary Przemysłu 4.0.
- Na dalszych miejscach plasują się nanotechnologie, zaawansowana robotyka i czujniki.
- Według raportu rzeczywistość rozszerzona należy do mniej znaczących technologii, podobnie jak druk 3D, obliczenia kwantowe i obliczenia brzegowe.
Jednak narzędzia wirtualne oferują wiele możliwości dla całej produkcji przemysłowej.
Czym jest rzeczywistość rozszerzona?
Od czasu sukcesu gry Pokémon Go rozszerzona rzeczywistość stała się powszechnie znanym pojęciem. AR jest popularnym narzędziem łączącym świat rzeczywisty z informacjami cyfrowymi często wykorzystywanym w grach komputerowych i wideo, filtrach zdjęć i filmów w aplikacjach społecznościowych oraz w projektach edukacyjnych.
Głównym zadaniem rzeczywistości rozszerzonej jest uzupełnianie rzeczywistego otoczenia o elementy cyfrowe – wizualne lub dźwiękowe. Korzystanie z AR jest wyjątkowo łatwe przy użyciu odpowiedniego sprzętu – specjalnych okularów lub urządzeń mobilnych, takich jak smartfony i tablety.
Do podstawowych wymagań należą:
- połączenie obiektów wirtualnych i rzeczywistych w rzeczywistym środowisku,
- interaktywna obsługa oraz
- wzajemne rejestrowanie się obiektów wirtualnych i rzeczywistych w czasie rzeczywistym.
Metody wizualizacji z wykorzystaniem technologii AR
Do funkcjonowania aplikacji AR wykorzystuje się tzw. markery, które pozwalają na określenie położenia obiektów względem świata rzeczywistego. Dostępne są również metody, które nie wymagają stosowania markerów, takie jak Natural Feature Tracking (NFT) lub Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM).
Do wizualizacji wykorzystuje się rozmaite rozwiązania:
- Wyświetlacze zakładane na głowę (HMD – ang. head mounted displays) takie jak okulary lub hełmy zwykle stosuje się w aplikacjach VR do całkowicie wirtualnych środowisk, mogą być jednak wykorzystywane też w rzeczywistości rozszerzonej.
- Wyświetlacze mobilne, tj. smartfony i tablety, szeroko stosowane poza środowiskiem przemysłowym. a niektóre ich zastosowania zostały wymienione już na początku. W produkcji urządzenia mobilne pomagają w prosty sposób odwzorować złożone produkty lub procesy.
- Systemy przestrzennej rzeczywistości rozszerzonej (SAR – ang. spatial augmented reality) wykorzystują projektory. Rzucają wirtualne elementy bezpośrednio na rzeczywiste obiekty.
Obliczenia przestrzenne w kontekście aplikacji AR oznaczają nakładanie na siebie wielu wirtualnych warstw. Niezbędne dane mogą być przechowywane na przykład w chmurze AR. Tym samym wizualna reprezentacja może być połączona z danymi w czasie rzeczywistym z czujników, kluczowymi danymi produkcyjnymi lub informacjami z innych obiektów IoT.
Zaletą tej formy wizualizacji jest to, że można ją stosować bez użycia rąk, co pozwala na wykonywanie ręcznych operacji, korzystając z informacji cyfrowych lub systemów zdalnego wspomagania.
Praca w rzeczywistości mieszanej
Rzeczywistość rozszerzona (AR) stanowi część rzeczywistości mieszanej i polega na połączeniu elementów środowisk rzeczywistych (takich jak hale fabryczne, maszyny i personel) z wirtualnymi (np. danymi pochodzącymi z różnych źródeł).
Aplikacje AR demonstrują, jak takie połączenie wygląda w praktyce. Wirtualność rozszerzona (ang. augmented virtuality) jest podkategorią rzeczywistości mieszanej (ang. mixed reality). Mimo że aplikacje i narzędzia wirtualności rozszerzonej, podobnie jak wirtualna rzeczywistość, koncentrują się bardziej na poziomie wirtualnym, to nadal są połączone z rzeczywistym środowiskiem.
Aplikacje te stanowią ważny aspekt planowania, gdy na przykład nowe urządzenia peryferyjne (takie jak rękawice) mogą pomóc w określeniu ergonomii i parametrów pracy w projektowaniu miejsc pracy. Z kolei rozszerzona rzeczywistość znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji.
Mocne i słabe strony AR w produkcji
Niechęć zakładów przemysłowych do technologii AR w produkcji wynika z faktu, że jej wpływ nie został jeszcze odpowiednio oceniony. Rzeczywistości rozszerzonej nie da się wdrożyć bez odpowiedniego sprzętu technicznego, tak więc niezbędne inwestycje powinny przynieść pozytywne efekty.
Wspólny projekt dotyczący badań nad wpływem AR
Wpływ AR na produkcję przemysłową jest tematem badań zespołu naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM), Uniwersytetu Wisconsin-Madison i Szpitala Państwowego w Moguncji (Seeing the Bigger Picture? Ramping up Production with the Use of Augmented Reality. Manufacturing & Service Operations Management 2022) we wspólnych badaniach terenowych. Główne zagadnienia projektu realizowanego przez firmę technologiczną, były następujące:
- Jak szybko pracownicy uczą się wykonywania nowych zadań z wykorzystaniem rozszerzonej rzeczywistości oraz bez jej udziału?
- Czy złożoność zadania ma znaczenie?
- Jak aplikacje AR przyczyniają się do zdolności pracowników do zgłaszania sugestii dotyczących optymalizacji procesów?
Najbardziej oczywisty jest wpływ aplikacji AR na produktywność. Badacze zaobserwowali, że nawet skomplikowane zadania były wykonywane znacznie szybciej z zastosowaniem okularów AR (oszczędność czasu wynosiła średnio 44%). Nawet proste zadania wymagały około 15% mniej czasu przy wsparciu AR.
Ocena zalet i wad AR
Wadą tego rozwiązania jest to, że pomoc techniczna zmniejsza efekt uczenia się. Informacje niezbędne do wykonania zadania nie są przyswajane w tak dużym stopniu, jak w przypadku pracy analogowej. Wpływa to z kolei na potencjał innowacyjny – z wyników badania wynika, że więcej pomocnych sugestii dotyczących ulepszeń pochodziło od grupy, która pracowała bez technologii AR.
Jak twierdzą badacze, aplikacje AR mają najbardziej pozytywny wpływ na obszary, w których optymalizacja procesów jest w dużym stopniu lub całkowicie zakończona. Rozwiązania AR wspierają również obszary produkcji, w których wymagany jest krótki czas taktu, co zwiększa produktywność.
Tymczasem wiele firm znajduje bardzo różne zastosowania narzędzi AR w produkcji przemysłowej.
Obszary zastosowań technologii AR w Przemyśle 4.0
Wprawdzie zastosowania AR są nieco opóźnione w stosunku do innych kluczowych branż Przemysłu 4.0, jednak wielu producentów już teraz korzysta z możliwości rzeczywistości rozszerzonej. Obszary zastosowań są bardzo zróżnicowane i nie ograniczają się wyłącznie do tego, by zapewnić jeszcze szybszy przebieg dobrze skoordynowanych procesów produkcyjnych.
Wsparcie w realizacji złożonych zadań montażowych
Jak wynika ze wspomnianego badania przeprowadzonego przez zespół badawczy pod kierownictwem prof. dr. Davida Wuttke, AR znacznie ułatwia wykonywanie skomplikowanych zadań. Podobnie jest w przypadku linii montażowej, gdzie produkty i procesy stają się coraz bardziej złożone.
Wyzwanie zawsze jest takie samo, niezależnie od skali produktu końcowego – mnóstwo komponentów musi zostać zmontowanych z niezwykłą precyzją i przy ograniczonej ilości czasu.
Niestety, nowe produkty utrudniają montaż i opóźniają procesy. Wynika to m.in. z nowych instrukcji montażu i sposobu ich prezentacji. Odczytywanie dokumentów PDF, wykorzystywanych często do przekazywania niezbędnych informacji, jest zbyt czasochłonne.
Jednak dzięki rozwiązaniom AR dostęp do tych informacji jest łatwy i bardzo czytelny. Użycie AR wraz ze sterowaniem głosowym pomaga także przyspieszyć wykonywanie procesów – pracownicy nie muszą przerywać pracy, by uzyskać niezbędne w danym momencie informacje.
Takie zastosowanie AR nie jest nowe, jednak postęp technologiczny sprawił, że niezbędny sprzęt i związane z nim oprogramowanie są znacznie tańsze niż 20 lat temu. To sprawiło, że rozwiązania AR są obecnie stosowane na szerszą skalę. Przykładem mogą być technologie lotnicze i kosmiczne, gdzie montaż jest wykonywany w znacznie większych przestrzeniach, a projektory są wykorzystywane do pokazywania dokładnego położenia poszczególnych części.
Uproszczenie procesów utrzymania ruchu
Z ekonomicznego punktu widzenia utrzymanie ruchu zakładów produkcyjnych jest czynnikiem krytycznym. Celem Przemysłu 4.0 jest ograniczenie nieoczekiwanych przestojów w produkcji poprzez automatyzację urządzeń produkcyjnych i planowanie ich przeglądów.
Niezależnie od tego, czy konserwacja maszyn jest w znacznym stopniu lub całkowicie zautomatyzowana, czas odgrywa kluczową rolę. Przenoszenie wyników i celów konserwacji do podręczników powoduje opóźnienia i wydłuża czas trwania procesów.
Dzięki technologii AR porównywanie celów i wyników może odbywać się równolegle na wyświetlaczu. Dodatkowo sterowanie głosowe ułatwia korzystanie z podręcznika, podczas gdy ręce są cały czas wolne.
Technologia HoloLens łączy w sobie utrzymanie ruchu, wirtualne modele i nowoczesne kanały komunikacji. Pozwala to technikom utrzymania ruchu na uzyskanie dostępu do wszystkich niezbędnych informacji, takich jak dane techniczne itp., porównanie ich z wirtualnymi modelami i przeprowadzenie konserwacji bez użycia rąk.
Pracownicy wsparcia technicznego nie muszą nawet być na miejscu: wszystkie niezbędne czynności kontrolne można przekazać technikowi za pomocą HoloLens. Okulary AR działają w sposób dwukierunkowy:
- Technik pracujący na miejscu widzi na wyświetlaczu dokładne instrukcje dotyczące przeprowadzenia profesjonalnej konserwacji i otrzymuje precyzyjne instrukcje krok po kroku.
- Pracownik działu wsparcia technicznego w centrali może bezpośrednio obserwować sytuację przez okulary i zdalnie przeprowadzać konserwację.
Na podstawie danych z modeli takie interwencje można zaplanować z wyprzedzeniem i wykonać znacznie szybciej.
Popularyzacja współpracy
Aplikacja HoloLens zapowiada kolejne możliwości zastosowań AR: usprawnienie współpracy i łatwiejszy dostęp do specjalistycznej wiedzy. Pozwoli to na łatwiejsze koordynowanie i wykonywanie prac konserwacyjnych i serwisowych, nawet w większych zakładach produkcyjnych.
Technologia AR ma wypełnić lukę kadrową, która jest obecna w wielu firmach i wynika z braku wykwalifikowanych pracowników. Za pomocą aplikacji AR można wezwać specjalistów z dowolnego miejsca, bez konieczności przebywania na miejscu. Nie ma więc już konieczności dysponowania w firmie niezbędną specjalistyczną wiedzą.
Dzięki teleobecności i transmisji aktualnej sytuacji w obiekcie pracownicy mogą otrzymywać wskazówki od ekspertów. Ten rodzaj współpracy może być realizowany we wszystkich działach, oddziałach i zakładach. Z takiego sposobu przekazywania wiedzy można również korzystać w celach szkoleniowych – na zasadzie swoistej „nauki przez praktykę” pod bezpośrednim nadzorem wykwalifikowanego personelu technicznego.
Poprawa relacji z klientami
Producenci mogą również wykorzystywać aplikacje AR do świadczenia pomocy swoim klientom. Jest to szczególnie przydatne w przypadku doradztwa, które producenci maszyn i urządzeń oferują przy tworzeniu złożonych produktów.
Zastosowanie technologii AR umożliwia znacznie lepszą wizualizację – zarówno samych produktów, poszczególnych komponentów, jak i integracji maszyn i systemów w procesie operacyjnym. Tym samym klienci zyskują nie tylko wyobrażenie o tym, jak działa dany produkt, ale także o jego wymiarach przestrzennych w docelowym miejscu.
Ponadto propozycje zmian mogą być omawiane bezpośrednio z klientem i przenoszone na modele wirtualne.
Pomoc w zapewnieniu jakości
Wirtualne modele produktów i komponentów mogą być także wykorzystywane do kontroli jakości wraz z urządzeniami AR. Na wyświetlaczach można porównywać oryginał i model, nakładając je na siebie. W przypadku wystąpienia odstępstw od specyfikacji producenta można je zaznaczyć bezpośrednio na nakładce.
Dotyczy to także większych projektów. Na przykład w firmie Airbus aplikacje rzeczywistości mieszanej są wykorzystywane do udostępniania technikom kompletnych cyfrowych modeli i szkiców, dzięki czemu mogą oni sprawdzać mocowania konstrukcyjne podczas produkcji. Pomaga to znacznie skrócić czas kontroli nawet 80 tys. wsporników.
Lepsze planowanie przestrzeni produkcyjnych
Wykorzystując technologię AR, można rzutować modele obszarów produkcyjnych lub całych zakładów wytwórczych na rzeczywiste otoczenie. Pozwala to na sprawdzenie planów maszyn, magazynów, dróg transportowych, przejazdowych i ewakuacyjnych przed oddaniem obiektu do użytku – oraz ich optymalizację, jeśli na miejscu okaże się, że konieczne są kolejne ulepszenia.
Przykłady zastosowań AR: praktyczne aspekty
Opisane obszary zastosowania technologii AR nie są już dla wielu firm zagadnieniami teoretycznymi. Przeciwnie, są one uważane za integralną część codziennej pracy.
Instalacja nowych linii produkcyjnych w zakładach Toyota Motor Corporation
Toyota Motor Corporation wykorzystuje aplikacje AR, które ułatwiają utrzymanie i instalację nowych i istniejących linii produkcyjnych oraz budynków fabrycznych w swoich zakładach na całym świecie. Technologia wspiera ten proces na kilku poziomach.
Wyzwania
- Obecność ekspertów: kontrola pracy, rozwiązywanie potencjalnie niebezpiecznych problemów, wykonywanie skomplikowanych operacji, takich jak pomiary dużych maszyn – wiele z tych procesów wymaga zwykle obecności ekspertów lub uprawnionych techników, którzy musieliby specjalnie w tym celu udać się do placówek zagranicznych.
- Rygorystyczne wytyczne dotyczące komunikacji: ścisłe zasady dotyczą korzystania z poufnych danych we wszystkich działaniach. To samo dotyczy oprogramowania, kamer i innych urządzeń końcowych, które mogą stanowić potencjalne luki w zabezpieczeniach. Utrudnia to komunikację pomiędzy odległymi lokalizacjami.
Rozwiązania
- Bezpieczeństwo sprzętu: Toyota stawia na bezpieczne narzędzia, które usprawniają komunikację. Jednym z nich jest Vuforia Chalk (firmy PTC) służące do udzielania zdalnej pomocy.
Narzędzie jest wyposażone w szereg funkcji, takich jak transmisja obrazu i dźwięku na żywo, a także możliwość dodawania cyfrowych uwag do podglądu w czasie rzeczywistym. Z myślą o zapewnieniu bezpieczeństwa narzędzie zostało dostosowane do potrzeb Toyoty i wstępnie zainstalowane na urządzeniach mobilnych, które można wypożyczać w firmach.
- Zdalni eksperci za pośrednictwem AR: wykorzystanie technologii AR w Toyocie jest klasycznym przykładem tego, jak za jej pomocą można zdalnie udostępniać wiedzę specjalistyczną dotyczącą konkretnego problemu. Pozwala to na obserwację wszystkich etapów pracy podczas instalacji i konserwacji na odległość za pomocą telefonu komórkowego lub tabletu. Technik na miejscu ma do dyspozycji precyzyjne instrukcje.
Takie rozwiązanie nie tylko zmniejsza potrzebę podróżowania, ale także skraca czas, który w przeciwnym razie byłby potrzebny na pomiary maszynowe. Ponadto dzięki tej procedurze można uniknąć błędów w procedurach wykonawczych.
Rzeczywistość rozszerzona do celów szkoleniowych w BMW Group
W przeciwieństwie do wyników badania TUM na temat zastosowania AR, BMW Group znalazła sposób na wykorzystanie tej technologii do szkolenia pracowników. Poza koordynacją procesów logistycznych i zapewnieniem jakości (np. w lakierni), jest to najważniejsze zastosowanie aplikacji AR.
Za pomocą filmów i instrukcji nałożonych na rzeczywiste środowisko hali produkcyjnej można przekazać informacje o licznych etapach montażu. Filmy wideo mogą być dostosowane do potrzeb danego pracownika i oglądane w dowolnym momencie.
Osoba prowadząca zajęcia towarzyszy ćwiczeniom w warunkach rzeczywistych. Może więc odpowiadać na konkretne pytania, które wykraczają poza materiał instruktażowy. Dzięki technologii AR możliwe jest jednoczesne szkolenie kilku pracowników.
Jak twierdzi firma, oferta szkoleniowa spotkała się z dobrym przyjęciem. Na ogół filmy szkoleniowe zapewniają szybsze osiągnięcie pożądanych celów edukacyjnych. BMW Group nie widzi jednak żadnych korzyści z zastosowania aplikacji AR w montażu, choć z pewnością istnieją możliwości ich zastosowania. Jednak również w tym obszarze kładzie się nacisk na procesy lean.
Projekt pilotażowy HoloLens w Škodzie
Od 2021 roku w Škodzie prowadzony jest projekt pilotażowy, którego celem jest przetestowanie różnych możliwych zastosowań okularów AR. Do obszarów zastosowań należą m.in:
- optymalizacja obsługi technicznej poprzez natychmiastową prezentację instrukcji obsługi, list kontrolnych konserwacji i podobnych dokumentów, podczas gdy ręce osoby obsługującej pozostają wolne;
- szkolenia, które można uzupełnić np. o równoległe wideokonferencje.
Cele projektu AR są również różne. Należą do nich: zwiększenie bezpieczeństwa pracy (np. poprzez obniżenie poziomu błędów), usprawnienie komunikacji między działami i jednostkami organizacyjnymi oraz skrócenie procesu konserwacji.
Elementy gamifikacji mają też służyć jako zachęta dla młodszych pracowników i ułatwiać dostęp do zawodów technicznych.
AR sprzyja retencji pracowników w Volvo Group
Podobnie jak Toyota Motor Corporation, Volvo Group wykorzystuje narzędzie Vuforia firmy PTC do swoich aplikacji AR. Technologia ta jest wykorzystywana w różnych obszarach działalności firmy. Jednym z głównych celów jest promowanie Volvo jako atrakcyjnego, innowacyjnego pracodawcy.
Rzeczywistość rozszerzona odgrywa tu istotną rolę, ponieważ, jak twierdzi firma, dzięki niej można dotrzeć do różnych grup pracowników i kandydatów:
- Obecni pracownicy są aktywnie zaangażowani w nowe procesy i w ten sposób przyczyniają się do transferu wiedzy. Szczególnie w zakresie kontroli jakości i zabezpieczenia silników pozwala to na gromadzenie specjalistycznej wiedzy długoletnich ekspertów i przekazywanie jej w nowoczesny sposób młodszym pracownikom.
- Kandydatów zwykle bardzo interesują technologie AR. Poprzez zastosowanie odpowiednich narzędzi Volvo Group odnosi korzyści na dwa sposoby.
Z jednej strony pozwalają one wzmocnić markę firmy jako przedsiębiorstwa wykorzystującego nowoczesne technologie, a tym samym zwiększyć jej atrakcyjność jako pracodawcy. Z drugiej strony, aplikacje AR znacznie ułatwiają i skracają niezbędne szkolenia nowych pracowników.
Ogólnie rzecz biorąc, rzeczywistość rozszerzona ma za zadanie zmniejszyć obciążenie poznawcze pracowników, a jednocześnie zwiększyć ich zdolność do uczenia się. Technologie AR są zatem coraz częściej stosowane w obszarach, których nie da się zautomatyzować i które opierają się na umiejętnościach i analizie człowieka.
Wszechstronny warsztat produkcyjny
Technologie AR znajdują zastosowanie w wielu obszarach działalności biznesowej i produkcyjnej. Wykorzystuje się je do poprawy jakości, kosztów i czasu.
Aby to osiągnąć, konieczne jest jednak dostosowanie aplikacji do wymagań poszczególnych obszarów. Należy przy tym zaznaczyć, że rzeczywistość rozszerzona nie jest w stanie zapewnić pożądanej optymalizacji każdego procesu produkcyjnego.
Niemniej jednak studia przypadków potwierdzają siłę zastosowań rzeczywistości rozszerzonej, zwłaszcza w zakresie konserwacji, serwisowania, montażu, kontroli jakości i szkoleń. Oprócz tego istnieją nadrzędne korzyści, takie jak usprawnienie komunikacji wewnątrz firm oraz z klientami i partnerami na całym świecie 24 godziny na dobę. W związku z tym AR zapewnia wiele możliwych zastosowań, które stanowią dodatkową wartość w produkcji przemysłowej.
