综述：扩展现实（XR）在工业装配中的应用：面向以人为中心的工业4.0的先进技术综述

《Expert Systems with Applications》：Extended Reality (XR) for Industrial Assembly: A State-of-the-Art Review Toward Human-Centric Industry 5.0

本文系统综述了增强现实（XR）技术在工业5.0背景下智能装配中的应用，探讨其提升效率、准确性和人机协作的机制，并分析硬件限制、技术成熟度等关键挑战，为未来研究提供方向。

　　

Eswaran M|Prasad Jones Christydass Samuel|S.K. Karthika|Bonda Atchuta Ganesh Yuvaraju|Anilkumar Inkulu|M.V.A. Raju Bahubalendruni

印度金奈维洛尔理工学院机械工程学院 - 600 127，金奈校区

摘要

作为一场变革性的制造范式，工业5.0将以人为本的智能生产置于优先地位。扩展现实（XR），这一涵盖增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）的术语，为现代制造范式中的工业装配过程带来了变革潜力。尽管现有研究主要集中在技术发展和可视化方面，但对XR辅助装配环境中人类认知因素和智能决策支持的整合关注较少。为了填补这一空白，本文提出了一项新的综合性综述，将人机交互机制与工业5.0背景下的任务效率和学习适应性联系起来。具体而言，本文对智能产品装配中的XR进行了全面回顾和批判性分析，涵盖了技术基础和实际应用两个方面。此外，还探讨了XR驱动装配在智能和以人为中心的技术中的各种模块的功能，重点介绍了它们在提供用户友好型指导和支持平台方面的作用。进一步地，通过相关示例阐述了XR集成工业装配的实际应用，以增强理解。最后，从最终用户、组织和更广泛的工业生态系统的角度分析了XR的优势和能力。最后，讨论了主要挑战和未来的研究方向，特别关注硬件限制和使能技术的成熟度。本文所提供的见解旨在指导XR技术在工业应用中的未来发展与实际采用。

引言

工业格局正在迅速演变，以应对市场多样化和产品个性化需求的增加[20]。受限于适应性和灵活性的限制，传统生产范式越来越无法满足这些多样化的需求[18]。下一代信息技术的快速整合通过实现大规模个性化、提高运营效率和改善产品质量，解决了传统制造系统的局限性[12]。在这种背景下，工业5.0作为一种新的范式应运而生，强调以人为中心、具有韧性和可持续性的生产生态系统[66]。图1展示了从第一代到第五代工业的演变轨迹，突出了人类操作员的关键作用。在这个框架下，操作员的角色从传统劳动者转变为增强型操作员，其感知、认知、决策和控制能力通过智能工具和方法得到提升，从而提高了效率和质量（Margherita, Braccini, 2023; Morrar, Arman, Mousa, 2017）。

XR作为一个涵盖AR、VR和MR的术语，被认为是这一变革的关键推动者[a), 42]。图2探讨了与沉浸式平台相关的各种技术。作为连接现实世界操作与虚拟环境的接口，XR增强了人类、智能系统和数据驱动制造工作流程之间的协作[41]。此外，它还促进了丰富的人机交互、与机器的无缝合作、沉浸式任务支持以及提升的环境意识，共同提高了灵活性和运营效率[125]。特别是，将以人为中心的设计融入XR应用中，确保了人体工程学的契合度，从而减少了疲劳并提高了工人福利（Mayer, Greif, H?u?ermann, Otto, Kastner, El Bobbou, Chardonnet, Reichwald, Fleischer, Ovtcharova, 2025; Müller, Vette-Steinkamp, H?rauf, Speicher, Bashir, 2018）。XR的潜力已在产品生命周期的各个阶段得到广泛探索，特别是在装配过程中（Chu, Liu, 2023a; Eswaran, Gulivindala, Inkulu, & Raju Bahubalendruni, 2023）。在许多代表性的工业XR应用中，包括协作操作、技能发展和手动任务支持等领域，装配所占比例最大，约占41%（Raju, Murthy, Shanmugam, Kumar, Chakrabarti, Biswas, 2024a; Zhang, He, Bai, Billinghurst, Qin, Dong, Liu, 2025）。由于装配质量和效率对整体功能、运营产出和产品寿命有着深远影响，这一制造阶段需要特别关注（Araiza-Illan, De San Bernabe, Hongchao, Shin, 2019; Steinel, Opalevs, Deger, Schanz, Wolf, 2021）。尽管大量研究强调了沉浸式技术在智能制造环境中的优势，但其大规模采用仍面临诸多挑战[57]。这项综合性研究有两个主要目标：首先，详细探讨XR对产品装配的贡献；其次，识别阻碍其广泛应用的主要挑战。具体而言，本研究从技术和应用两个角度审视了XR在装配中的应用，同时指出了研究空白和开放性问题。

本文的结构如下。第2节介绍了XR技术及其在装配过程中的应用，并总结了先前的综述研究。第3节详细阐述了主要研究问题并解释了所采用的方法论框架。第4节系统评估了XR如何影响个人、组织和制造部门在各个装配阶段的表现。第5节概述了工业环境中基于XR的装配过程的通用方法论。第6节重点讨论了XR系统在工业装配环境中的部署。第7节展示了与装配工作流程相关的关键使能技术。最后，第8节讨论了主要挑战、发展趋势和机遇，为XR的未来研究和工业应用提供了指导。

章节片段

AR、VR、MR和XR在装配操作中的应用概述

XR技术的发展已经持续了几十年，但由于技术进步和市场需求的增长，它们的商业采用和广泛应用直到最近才加速[159]。图2展示了各种XR模式之间的相互联系及其从现实世界交互向完全沉浸式数字环境的逐步转变。

文献调查方法

采用了结构化的文献回顾方法，包括规划、范围界定、文献检索、文章评估和综合等阶段。为了全面了解XR在装配过程中的作用和影响，提出了五个研究问题（RQ）（如图3所示）。这些问题探讨了XR在装配过程中的范围、应用领域、使能技术、优势、局限性和未来发展方向：

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RQ1: 在什么

基于XR的装配教学内容开发方法及其相关要素

本节介绍了用于设计适用于制造装配过程的XR教学内容的方法论。沉浸式技术通过实现增强环境中的直观导航并促进虚拟组件的可视化，增强了人机交互。因此，XR应用越来越被认为是支持机械制造任务的有效工具。

XR在工业装配环境中的部署

对251项研究进行了评估，以调查XR在工业装配中的使用及其支持发展的基础技术。通过关键词共现分析识别了相关术语，并生成了一个共现网络。该网络可视化了关键概念之间的关系，突出了当前XR辅助装配的研究热点和潜在的未来发展方向。该网络被划分为以下几个簇

XR增强装配过程的关键使能技术

本节回答了RQ4：“XR辅助装配涉及哪些关键技术？”XR依赖于几项基础技术，包括3D环境创建、空间跟踪和对齐、虚拟对象的真实分层、设计AR/MR视觉体验、自适应系统智能以及交互式用户界面（如图14所示）。通过结合这些元素，XR技术提高了生产率、准确性和创造力

制造业中XR系统的主要挑战和研究机遇

人工智能（AI）与（AR/VR/MR）技术的结合有望改变制造实践。然而，这种融合带来了技术实现、运营执行和组织适应方面的复杂挑战。图15展示了AI驱动的XR系统在制造业中的主要挑战和新兴研究方向。要充分发挥这些智能沉浸式环境的潜力，需要解决诸如

结论

本研究对XR在推进产品装配和智能维护方面的作用进行了批判性回顾，这是在工业5.0的更广泛框架内的。将人类操作员置于交互的中心，XR显示出提高装配精度、提升生产力、优化维护操作和降低成本的强大潜力，同时增强了工人表现、职业安全性和工业竞争力。尽管有这些优势，但仍存在一些障碍

作者贡献

Eswaran M：概念化、方法论、撰写——初稿

Prasad Jones Christydass Samuel：形式分析、验证、数据整理；

S.K. Karthika：可视化；软件；数据整理；

Bonda Atchuta Ganesh Yuvaraju*：监督、项目管理、审稿与编辑

Anilkumar Inkulu：资源提供、调查、数据整理

M.V.A. Raju Bahubalendruni：资源提供、监督、撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。