摘要：基于AR和VR的培训越来越多地被用于工业领域，以安全和有效地培训工人完成新的任务。在这项研究中，调查并比较了基于AR、VR和视频的培训对手工装配任务的短期和长期的客观表现措施和主观评价的影响。研究结果显示，在客观性能指标任务完成时间和错误计数方面，基于AR、VR和视频的训练没有区别。然而，在主观评价中基于AR的训练明显高于基于视频和VR的训练方案。

1. 引言

      近年来，新技术被引入到生产的各个领域，以提高整个生产工作流程的有效性、效率和灵活性。特别是在手工装配任务领域，产品的个性化和复杂性不断增加，产品生命周期缩短，以及工作人员的更替，都导致对培训和援助技术的需求增加。

      对手工装配任务培训，传统上工人在培训师或更有经验的同事培训或视频培训中获得知识和技能。传统的培训形式在适应能力和效率方面显示出局限性，例如，如果必须提供人力资源来更频繁地教授新员工，或者在现场培训中必须减少机器的周期时间。在工业4.0背景下，对基于AR和VR的培训需求已经变得很明显。

       AR和VR两种系统的共同点是，在某种程度上，现实世界和虚拟世界的物体和刺激都在一个感知中一起呈现。在基于AR的装配训练中，虚拟物体或结构物通常与物理组件一起被投射到真实的工作站上。基于VR的装配训练在三维建模环境中模拟真实的工作空间。尽管AR和VR都可以规避传统训练在个人效率和适应性方面的局限，但使用AR和VR技术的训练成功率能否超过传统训练，这个问题需要认真考虑。

2. 实验材料和方法

为明确基于AR、VR和视频的训练在客观表现和主观评价方面的表现，本研究采用了3×2重复测量的实验设计。如图1所示，参与者被分为三组，使用基于AR、VR或视频的结构训练来学习乐高机器人组装过程。

      实验共有103名参与者，其中视频组和AR组各有34名参与VR组有35名参与者组成。然而，由于VR应用的技术问题，最终进入VR数据分析的参与者为28人。在纳入分析的96名参与者中，51人是男性( 53.1% )，45人是女性( 46.9% )。平均年龄为30.19岁，标准差为11.46岁，最小年龄为18岁，最大年龄为73岁。参与者通过社交网络、电子邮件和海报招募，自愿参加。

      在视频组中，9名参与者没有使用视频教程的经验，25名参与者使用过视频教程。在VR组中，11名参与者没有使用VR的经验，16名参与者曾经使用过VR。在AR组中，20名参与者没有使用AR的经验，12名参与者以前有过经验。在所有组别中51名参与者是学生， 47名参与者是工作者，4名参与者是退休人员。

       研究设计包括三个小组，分别使用AR、VR或视频进行训练。实验由所有参与者的两个单次会议组成。T1包括训练和组装：该过程需要75~100分钟。T2在两周后进行，参与者在没有培训的情况下再次进行组装该过程需要15~35分钟。程序流程图见图2。

3. 结果

      与视频组相比，基于AR和VR的训练的短期和长期影响如图3所示，错误计数对比如图4所示。在组装过程中，一台摄像机记录了参与者的手，以便事后计算错误。T1和T2的视频被分析、编码，并根据预先定义的错误协议进行总结。对于组装程序的十个步骤中的每一步，错误的严重程度都被定义。对于严重错误，计算两个错误，对于轻微错误，计算一个错误。严重错误是根据阻碍装配任务进一步发展的错误来计算的，例如，将电缆安装到错误的插座上，这使得机器人无法投入运行。轻微错误例如，当参与者混淆了右和左，或者混淆了序列的顺序。当参与者意识到并解决了一个错误时，这个错误就不算数。

       在测试我们的先验假设时，我们发现在短期和长期内，基于AR、VR和视频的训练组在客观性能指标和错误计数方面没有区别。然而随着时间的推移，所有小组的表现都出现了明显但相似的下降。探索性数据分析进一步完善了结果，在对参与者的年龄进行调整后，发现AR的结果部分优于VR。随着时间的推移，表现的下降可能是由于组装步骤的高度复杂性或者是因为参与者没有被明确告知，他们应该在两周后根据记忆再次进行组装。

       另一个影响短期和长期目标绩效的因素可能与用户相关的变量有关。总的来说，因为老年人工作记忆下降，年龄越大，短期内装配时间就越长，长期内错误就越多。在调整了年龄的影响后，AR组的表现在短期内明显更快，并且该组在长期内出现的错误明显少于VR组。因此，基于AR的训练可能特别有助于在短期内提高装配的时间效率，随着任务难度的增加，AR比VR和基于视频的训练有优势。此外， AR具有特别的潜力，通过减少错误率，从而促进生产的整体效率、有效性和灵活性，在长期内有助于培训成功。

      基于VR的培训表现比AR差，可能是由于对虚拟培训环境向真实装配使用案例转移的需求更高。然而，在对年龄进行调整后，基于VR的训练在T1和T2的任务完成时间以及T2的错误计数方面都没有明显差异。因此，基于AR和VR的训练与更传统的基于视频的方法没有明显区别。

4. 小结

      在这项研究中，分析了基于AR、VR和视频的训练对人工装配任务的客观性能指标以及主观评价的短期和长期影响。关于客观表现，分析表明，在对任务完成时间和任务准确性的短期和长期影响方面，基于AR、VR和基于视频的训练之间没有差异。然而，当控制年龄后AR组的表现显示，与VR组相比，短期内任务完成时间更快，长期内错误更少。此外，在各组中，先前经验越多，短期结果越好。因此，未来的研究应该调查基于AR、VR和基于视频的训练技术在不同年龄和专业水平下的使用情况，以更好地确定哪种计数更适合于某些用户群体。在所有的训练组中，随着时间的推移，表现都有明显的下降。

      此外，与基于VR的培训相比，基于AR和视频的培训在任务负荷和系统可用性方面得到了更好的评价。对于复杂装配任务的新手培训，AR和视频都特别适合。考虑到对客观表现和主观评价的影响，基于AR的培训可以被认为是基于视频培训的有效替代，以确保手工装配任务的短期和长期培训成功。