基于AR技術的智能制造科普教育互動平臺的研發與應用

張 培，莊 毅，彭帥波

天津中德應用技術大學 天津 300350

0 引 言

我國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出，增強制造業競爭優勢，推動制造業高質量發展，深入實施制造強國戰略。當前，智能制造已成為我國建設制造強國的主攻方向，加快發展智能制造是推動中國制造邁向高質量發展、形成國際競爭新優勢的必由之路。隨著信息技術與先進制造技術的高速發展，我國智能制造裝備的發展深度和廣度日益提升，以新型傳感器、智能控制系統、工業機器人、自動化成套生產線為代表的智能制造裝備產業體系已經初步形成，并取得了較為顯著的成效。

天津中德應用技術大學機械工程學院于2020年獲批天津市科普教育基地，踐行智能制造領域科普教育［1］。依托學院與GF集團，校企共建“航空航天材料加工工藝技術中心”雙創平臺智能制造生產線，搭建智能制造人才培養基地，開發多學科融合的實踐教學內容及科普體驗活動。通過智能制造專題科普宣傳體驗活動，使體驗者了解智能制造的精髓及發展方向，從而提高創新意識和能力。但是智能制造裝備受設備自重和工作環境的限制，無法隨意搬動，導致不能深入學校、社區或村鎮等開展體驗活動，智能制造互動科普教育受限。

依托天津中德應用技術大學機械工程學院科普基地與GF集團共建的“航空航天材料加工工藝技術中心”雙創平臺智能制造生產線，研發一款基于AR技術的智能制造領域相關科普教育互動平臺，將智能制造完整生產流程數字化，設計交互體驗環節，以滿足線上、線下混合式科普教育的需求，并在智能制造領域進行科普教育實踐，對其他各科普教育基地具有重要指導意義。

1 AR技術與科普教育

1.1 AR技術概述

增強現實（Augmented Reality，AR）技術是一種將真實世界信息與虛擬世界信息無縫集成的新技術，廣泛運用多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后應用到真實世界中，2種信息互為補充，從而增強真實世界［2］。

AR技術具有3 個突出特點：集成真實世界和虛擬世界信息；實時交互性；在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。隨著AR技術的不斷成熟，其被廣泛應用于建筑、影視、教育、軍事、醫療、娛樂等領域。

1.2 AR技術在國內外科普教育領域的應用現狀

AR 技術始于20 世紀60年代，美國哈佛大學Ivan Sutherland教授和他的學生們［3-4］發明的光學透明頭盔顯示器是最早的增強現實原型系統。由于當時頭盔顯示器等硬件設備攜帶不便捷，所以多集中應用于軍事、醫學、制造與維修等非大眾消費領域。隨著人工智能逐漸興起，搭載人工智能技術的智能終端增強現實裝備開始普及，增強現實系統與移動設備相結合，更多面向消費者應用領域的產品應運而生，也逐漸拓展至教育、娛樂、游戲、工業仿真、文化遺產保護、旅游展覽、城市規劃建設等多個領域。

國外關于AR技術在科普教育領域的應用研究較為成熟，著名的AR 科普應用有Sky Guide AR 和Monster Park等。Sky Guide AR［5］是一款非常有趣、有用的AR實景增強觀星科普應用，可以幫助用戶探索浩瀚的星空，且每個星體都有自己的維基百科描述。Monster Park［6］通過AR技術，幫助用戶在現實世界打開一扇傳送門，讓虛擬的恐龍進入現實世界。

國內關于AR技術在科普教育領域的應用研究主要集中在AR科普讀物和科普互動軟件兩方面。

1.2.1 AR科普繪本

姜軍［7］指出，中國出版集團公司于2015—2019年策劃推出的《海洋意識教育》增強現實移動交互系列教材使海洋知識學習更加形象化、立體化、動態化。張慧娟［8］指出，化學工業出版社于2018年推出的《恐龍立體書》AR科普繪本可以對恐龍進行放大、縮小、旋轉，與恐龍合影，也可以通過答題，讓不同的恐龍對戰。王瑞雪［9］指出，接力出版社于2020年推出的《流浪地球》科普繪本將電影中的科學知識點進行歸納，將AR技術與科普知識有效連接，是目前國內科普效果最佳的AR讀物。

1.2.2 AR科普軟件

從AR科普教育軟件的內容來看，主題以安全防護、歷史文化及工程應用3 類為主。唐路瑤等［10］設計開發了地震科普教育軟件，以文字和視頻形式向用戶介紹震前預防措施和震后修復措施，并提供最新時事地震新聞。葉明勝等［11］設計開發了戲曲科普教育軟件，通過移動設備掃描真實舞臺場景或特定的文化符號，產生相應的虛擬戲曲角色及虛擬表演情境，獲取戲曲的科普知識。張宏等［12］設計開發了水利科普教育軟件，向用戶普及我國特別是陜西省的水利工程建設概況，幫助用戶了解水利工程建設的意義和作用。

就AR科普軟件研究而言，國內相對起步較晚，目前多為文字和視頻形式，存在內容和形式單一、交互性不強等問題，不能夠充分帶動體驗者的學習興趣。與此同時，通過搜索文獻、軟件著作權及應用程序，在智能制造領域未見AR科普互動軟件的研究成果。因此，亟待開發符合體驗者需求的智能制造領域相關AR科普互動軟件，以滿足線上、線下混合式科普教育新模式的需求。

2 智能制造科普教育互動平臺設計思路

2.1 總體目標

本文旨在設計開發出基于AR技術的智能制造科普教育互動平臺。全面分析智能制造科普教育的內涵，構建智能制造領域AR互動科普教育平臺，通過科普活動、科普展會等，進行科普成果實踐，探索適用于智能制造領域線上線下混合式科普教育的新形式。本文借助AR技術，對智能制造進行科普教育，期望體驗者了解我國智能制造技術發展成就，從而提升智能制造建設成果的影響力。

2.2 互動內容設計

圍繞天津中德應用技術大學與GF集團，校企共建“航空航天材料加工工藝技術中心”雙創平臺智能制造生產線，打造智能制造科普教育AR 互動平臺，如圖1 所示，可以在較少的人工直接或間接干預下將原材料加工成零件或將零件組裝成產品，并在加工過程中實現管理過程和工藝過程智能化。該生產線包括五軸高速加工中心、高速加工中心、電火花線切割機床、電火花加工機床、三坐標測量機、工業機械臂、車銑復合加工中心、電切削機床8 臺（套）智能制造裝備。

圖1 “航空航天材料加工工藝技術中心”雙創平臺智能制造生產線Fig.1 Aerospace materials processing technology center innovation and entrepreneurship platform

依據生產線整體情況，結合智能制造內涵，設定平臺建設總體方案。平臺包括知識加油站、AR體驗館、游戲闖關3 個模塊。知識加油站模塊通過文字、圖片、視頻、語音形式，向訪問者介紹智能制造的基礎知識；AR體驗館模塊向訪問者提供生產線整體和單個智能裝備的互動體驗，使其感知智能制造的基本原理；游戲闖關模塊設計智能制造問答環節，訪問者通過互動游戲來鞏固智能制造相關知識，闖關成功后可獲得相應智能裝備徽章。

以五軸高速加工中心為例，介紹AR體驗館模塊具體邏輯設計思路。體驗者登入互動體驗平臺，進入AR體驗館模塊，獲得完整增強現實版智能制造生產線，點選感興趣的智能裝備進行互動體驗。當選擇五軸高速加工中心場景時，可根據語音和文字提示進行設備操作，包括防護門開關及安全警告提示、換刀、各軸軸向運動、AB軸旋轉運動等，從而完成典型航空航天零件發動機葉片的虛擬加工體驗。

2.3 開發流程概述

智能制造科普教育互動平臺的開發主要用到的軟件工具有Creo Parametric、Creo Illustrate、Vuforia Studio、Vuforia View 等。首先，使用Creo Parametric軟件對智能制造裝備進行高精度三維模型設計，并搭建虛擬體驗場景。按照設備實際尺寸及規格，創建三維模型，定義裝配結構、運動副等信息，通過紋理、光照、陰影等渲染技巧，高度還原實物特征，增強AR體驗的真實感。其次，使用Creo Illustrate軟件對智能裝備進行體驗者與軟件的交互設計。在Creo Illustrate中導入Creo Parametric處理過的三維模型，針對智能裝備的操作流程、實現功能、研究新進展等內容，創建序列、分解、運動、閃爍等不同的動畫效果，并結合參數控制和邏輯判斷功能，實現以體驗者為中心的交互活動。再次，使用Vuforia Studio軟件創建AR體驗項目。將上述創建好的文檔導入Vuforia Studio中，依據設計方案，確定展示方式，定義UI界面、小組件、動畫效果等信息，并將AR項目發布到Experience Service中。最后，使用Vuforia View軟件在智能手機及平板電腦等受支持的設備上查看已發布的AR項目，并進行項目的測試工作，根據測試體驗反饋的問題，對項目進行修改，以達到最佳的體驗效果。開發流程圖如圖2 所示。

圖2 平臺開發流程圖Fig.2 Flow chart of platform development

3 智能制造科普教育互動平臺研發關鍵技術

3.1 知識加油站科普視頻的實現

知識加油站模塊包含智能制造行業相關發展政策、省市新聞及最新智能制造產線案例等科普視頻。科普視頻作為資源放置在Uploaded管理文件夾中，通過低代碼開發工具，利用包裝好的功能按鈕，完成整體邏輯功能編寫，調用提前制作好的界面布局與視頻完成操作。

實現代碼如下：

3.2 AR體驗館交互體驗的實現

AR 體驗館模塊包含五軸高速加工中心、高速加工中心、電火花線切割機床、電火花加工機床、三坐標測量機、工業機械臂、車銑復合加工中心、電切削機床8 臺（套）智能制造裝備的操作交互體驗。以五軸加工中心為例，五軸加工中心本體零部件多，運動精度要求高，各零部件裝配復雜。為了使虛擬場景接近真實還原場景和實現深入交互，使用Creo Illustrate 與Croe 軟件，對五軸加工中心的零部件重新劃分上下級關系，重新設定坐標系，從整體到局部，減少制作動畫難度。

實現代碼如下：

3.3 游戲闖關判斷正誤的實現

在制作游戲闖關模塊過程中，由于低代碼開發的缺陷，部分功能的邏輯代碼并沒有開發接口，導致無法對體驗者答題正誤做出靈活判斷。解決辦法是通過現有封裝的功能彈窗，以取巧的方式來實現對錯判斷。具體主要為鎖定答題界面，只有答對問題才可以進入下一題，每個體驗者都可以以滿分的形式完成答題，以避免需要對最后成績進行邏輯判斷。

4 智能制造科普教育互動平臺運行效果

4.1 實踐成效

智能制造科普教育互動平臺研發完成后，利用科普活動及展會，進行成果展示，并深入學校、社區或村鎮開展科普知識宣傳和產品體驗活動。如2023年4 月27 日，在濱海科技館參加“科普走進校園 科學筑夢未來”——賦能“雙減”系列科普資源對接活動；2023年5 月21 日，在南開學校參加以“熱愛科學 崇尚科學”為主題的津南區第37 屆科技周活動。體驗者可在智能手機及平板電腦等移動設備上沉浸式體驗AR項目，以及實現場景的移動、對物體和UI的選取等多種交互功能，有助于對AR技術的認知和普及；體驗者觀看智能制造的科普知識，并選取感興趣的智能制造裝備交互體驗，有益于智能制造領域相關知識的普及；產品展示和體驗過程中的反饋數據有利于智能制造科普教育互動平臺后期推廣的優化設計。

4.2 社會效益

當前，我國提出了智能制造示范產業線建設的新目標，以進一步向全國中小微制造型企業推廣數字化、智能化建設成效。但是，智能裝備建設及維修保養成本較高，建設周期較長，建成后設備軟硬件更新困難，制約智能制造推廣的速度。本文研發的智能制造科普教育AR互動平臺將智能制造示范生產線數字化，能夠有效降低投入成本。與此同時，將AR科普教育資源產業化，向各職業院校和智能制造類企業進行項目成果推廣，以改善因實訓設備短缺、實訓人員安全隱患引起的培訓質量降低問題。

本文研發的智能制造科普教育AR互動平臺可在智能手機及平板電腦等移動端設備展演，設備小巧、方便攜帶，有利于深入中小微制造型企業、偏遠地區學校及社區進行智能制造科普教育，有助于向公眾普及我國智能制造領域的新成就。與此同時，能夠培養體驗者的創新能力及技術應用能力，以科普教育助力新時代人才強國戰略，促進制造業人才培養，并進一步推動產業創新升級。AR技術與科普教育相結合將突破科普教育的時間和空間限制，形成智能化、泛在化的科普教育新模式，助推科普事業發展。

5 結 語

本文研發了一款基于AR技術的智能制造領域相關科普教育互動平臺，依托天津中德應用技術大學機械工程學院科普基地與GF集團，校企共建“航空航天材料加工工藝技術中心”雙創平臺智能制造生產線，將智能制造完整生產線數字化。該智能制造科普教育互動平臺提供了一種趣味性、交互性、技術性相結合的智能制造科普教育新方法，實現了智能制造裝備“走出去”進行全域科普教育的新形式，推動了增強現實技術與科普教育的融合，拓展了智能制造科普教育內容的深度和廣度，為提高體驗者在智能制造領域的創新能力和應用能力提供了強有力的支持，促進了科普教育創新發展。