增强现实激光投影引导系统对认知负荷与装配任务绩效的影响研究

本研究针对制造业中复杂装配任务带来的高认知负荷问题，探讨了增强现实（AR）激光投影引导系统相较于传统视频和图示引导方式的优势。通过虚拟现实（VR）环境下的块体布局装配实验，结合瞳孔尺寸、眨眼率等客观指标及NASA-TLX主观量表，发现激光投影在低认知需求条件下能显著降低操作员认知负荷、缩短任务完成时间。该研究为智能制造场景下的人机交互设计提供了实证依据，对优化工业现场作业效率与安全性具有重要参考价值。

　　

在现代制造业智能化转型的浪潮中，装配任务的复杂程度随着技术迭代不断攀升。操作员需要在高精度要求下同时处理多源信息，传统的纸质图纸或视频指导方式往往迫使工作者频繁切换注意力，产生显著的"转换成本"——这种认知负担不仅拖慢作业节奏，更可能引发操作失误。如何通过技术手段降低认知负荷，已成为人因工程学领域亟待突破的关键问题。

发表于《Applied Ergonomics》的这项研究另辟蹊径，将增强现实（Augmented Reality, AR）技术中的激光投影引导系统引入装配场景。研究者假设，通过将操作指令直接投射至工作界面，可消除注意力分散，从而提升作业效率。为验证这一设想，团队设计了一套严谨的虚拟现实（Virtual Reality, VR）实验范式，系统比较激光投影、视频指导与图示指导三种模式在不同认知负荷下的表现。

研究团队采用多项关键技术方法构建实验体系：首先利用HTC VIVE Pro Eye VR头盔搭载的Tobii眼动仪（采样频率120 Hz）采集瞳孔直径与眨眼率等生理指标；其次通过听觉n-back任务（1-back版本）模拟高认知负荷场景；同时采用NASA-TLX（National Aeronautics and Space Administration-Task Load Index）量表量化主观负荷感受。实验招募25名志愿者在VR环境中完成模块化装配任务，通过3（引导方式）×2（认知负荷）双因子设计收集数据。

4.1. 目标一：探究引导模式对认知负荷的影响

数据分析显示，激光投影组的眨眼频率（14.7次/分钟）显著低于图示组（22.2次/分钟）和视频组（18.6次/分钟），表明其认知负荷最低。任务完成时间方面，激光投影（241秒）比图示（276秒）和视频引导（353秒）分别缩短12.7%与31.7%。NASA-TLX量表进一步揭示，激光投影在挫折感（8.12分）和绩效感知（9.88分）维度优于其他两组，证实其心理体验优势。

4.2. 目标二：评估高认知负荷下的系统性能

当引入n-back任务增加认知负荷后，所有引导模式的眨眼频率均显著上升（16.3→20.7次/分钟），任务准确率从0.977降至0.921，完成时间延长19.2%。值得注意的是，三种引导方式在高负荷条件下的绩效差异消失，研究者认为这可能源于认知资源饱和效应。瞳孔标准化直径数据出现异常：激光投影（2.82）与视频引导（2.96）反而高于图示组（2.28），团队归因于VR显示屏光反射对瞳孔测量的干扰。

这项研究通过多维度指标验证了AR激光投影系统的实用价值：在常规作业场景下，其空间整合式引导能有效降低认知负荷，提升装配效率。尽管在高认知需求场景中优势不显，但研究者指出，这恰恰说明系统更适合作为基础作业环境的优化方案。特别值得关注的是，激光投影所展现的"认知资源节约"特性，可能为操作员预留更多心理资源用于质量监控与异常应对，这对预防工业事故具有重要意义。

该成果为智能制造的人机协作设计提供了新思路：对于简单短周期任务，成本低廉的图示指导仍具适用性；而面对复杂装配流程，激光投影系统则能通过降低认知负担实现长期效益最大化。未来研究可进一步探索该系统在真实工业场景中的适应性，特别是与物联网、数字孪生等技术的融合应用，有望为工业4.0时代的人因工程创新开辟新路径。