基于增強現實的航空制造專業研究生培養案例教學方法

胡俊山 蘇興濤 李鵬程 田威

摘? 要：隨著航空制造業的高速發展，相關技術不斷迭代更新，行業對航空制造專業人才培養提出許多新的要求。航空制造專業傳統教學模式明顯滯后于現代制造技術的發展，學生很難將專業課程中的學習理論知識與航空制造實際相結合。該文將AR技術應用到航空制造專業研究生實踐教學中，構建基于AR技術的飛機輔助裝配引導實踐教學案例，應用于飛機裝配技術實踐課程。學生通過這些案例能夠快速掌握飛機裝配理論、應用技術以及軟件設計等知識，相對傳統教學模式具有諸多優勢。

關鍵詞：航空制造；增強現實；研究生培養；案例教學；實踐教學

中圖分類號：G643? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）09-0001-04

Abstract： With the rapid development of aviation industry and iterative renovation of aeronautical technology， it makes new demands on the personal training of aeronautic manufacturing. Nowadays the traditional teaching methods in aeronautic graduate courses is lagging behind the modern manufacturing technology. The graduates are difficult to apply the theoretical knowledge in the practical aircraft fabrication. This paper introduces the augmented reality（AR） technology to the practical teaching for graduates of aeronautic manufacturing. The developed teaching cases of aircraft assembly guidance based on AR technology is applied in the corresponding practical courses. The graduate students could quickly master basic theories， applied technology， software design concerning aeronautics. The case teaching method proves to have many advantages over traditional ones.

Keywords： Aeronautical manufacturing; augmented reality; graduate cultivation; case teaching; practical teaching

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“面向飛行器裝配的增強現實技術探索實踐”（201901083004）；教育部產學合作協同育人項目“工業機器人精度補償技術及應用實踐條件建設”（202102349006）；南京航空航天大學研究生教育教學改革研究項目“面向智能制造的產教融合專業學位研究生培養模式探索與實踐”（2021YJXGG16）

第一作者簡介：胡俊山（1988-），男，漢族，湖北宜昌人，博士，副教授。研究方向為飛行器先進裝配技術。

*通信作者：田威（1977-），男，漢族，湖北黃岡人，博士，教授。研究方向為航空航天機器人智能裝配技術與裝備。

隨著我國航空航天制造行業的發展，相關技術迭代更新速度日益加快，這要求從事航天制造行業的技術人才要擁有更加廣闊的知識儲備和更先進的科技理念。當前，大量融合信息化、數字化、智能化技術的先進裝備、新工藝逐步投入航空制造業，迅速發展的航空產業迫切需求專業人才，而融合新技術的航空制造崗位對專業勝任能力又提出了新的更高的要求[1]。作為航空航天技術人才的輸出窗口，高校航空航天制造專業也必須做到與時俱進，培養出符合行業發展要求的高素質人才。

航空航天制造專業承擔著培養在航空航天制造領域內從事設計、制造、研究、開發與管理的高級工程技術人才和管理人才的重要任務。其專業課的特點是知識量多、理論性強、課程進度快，與工程應用聯系非常緊密。傳統的教學模式下，學生在課程中能接收和理解的知識有限。當前課堂教學手段的發展相對于今天信息技術而言顯得比較滯后，難以適應教學手段現代化的要求。先進的技術手段應用于教育可以帶來學習者效率的提高。用于教育中的技術依次有多媒體技術、移動學習、泛在學習和社會性網絡（SNS）技術等[2]，現在最新的技術則是增強現實技術。

增強現實（AR，Augmented Reality）技術將人無法直觀感知到的圖像等信息疊加到現實世界中，以達到增強現實的目的的一種現代信息技術[3]。AR技術作為最新一代的信息技術正在被各高校應用于教學實踐當中。增強現實技術可以將計算機上繪制的虛擬世界與人所處的真實世界融合到一起展現在人們的視野中，通過將虛擬世界中的場景疊加到真實世界當中，可以讓使用者身臨其境地做一些現實場景中難以實現的事[4]。這種方式運用到高校教學實踐當中，可以讓學生在最接近真實交互的形式下搭建自主學習的環境，這一點對于高校中抽象教學內容的教學具有重要的作用。

本文針對航空制造專業研究生實踐教學與行業發展脫節和滯后于現代信息技術發展的問題，將增強現實技術融入到航空制造專業研究生教學過程中，通過教學實踐案例探索新的教學方法，轉換課堂模式，在實踐教學中引導學生更快更好地掌握專業技術知識，提升學生創新和實踐能力，培養符合智能制造時代背景的創新型人才。

一? 航空制造專業教學現狀分析

航空制造專業以機械制造工程為基礎，廣泛吸收各種先進技術與科學理論成果，針對航空航天專業的特點研究各種制造方法的原理和應用，研究制造過程規律，合理利用資源，實現高效經濟制造的一門技術科學[5]。針對航空宇航制造工程的課程體系已經有了大量的探索，在目前傳統的教學模式下，學生很難將專業課程中學習的理論知識與航空制造實際相結合，對專業的了解淺嘗輒止，無法深入。

以航空制造專業飛機裝配方向為例，與一般的機械產品裝配相比，飛機裝配具有十分顯著的特點，選擇飛機裝配作為教學案例具有很強的航空特色，也十分具有代表性。飛機裝配是將各個組件按照產品技術要求精準定位，并用規定的方式裝配的過程。由于飛機的結構特點和特殊的剛性要求，在裝配的過程中需要大量采用螺栓連接和鉚接等連接方法。此外，為確保裝配的形位公差在允許范圍內，裝配的組件有一定結構剛度，裝配過程中還會使用大量的結構復雜的裝配型架。

飛機裝配相關課程長期以來的教學手段都是以老師課堂講授為基礎，另外添加視頻講解等幫助理解教學內容的手段，學生無法直觀地感受飛機裝配的過程，只能通過死板的書面信息獲取相關知識。針對該系列課程在教學科研與人才培養上面臨的教學方法陳舊、科研內容脫離實際應用、綜合設計型科研平臺少等問題，將AR技術應用到課程教學當中，將增強現實技術、移動互聯終端等最新的科技成果應用到當前的教學方式中[6]，已解決傳統教學與科研脫節、教學手段與互聯網時代新技術脫節、教學與產業實際脫節等問題，提升教學質量。

二? 引入AR技術的飛機裝配教學實踐案例展示

（一）? 增強現實飛機輔助裝配引導軟件系統案例

基于增強現實技術搭建面向飛機裝配實踐教學的輔助裝配系統，將計算機上建立的虛擬模型、場景等信息疊加到真實場景上，能夠引導學生完成人工裝配的過程，還原真實裝配現場的體驗，增強學生對飛機裝配過程的理解。學生可以在系統功能的輔助下完成裝配實踐全過程，也可以參與到裝配系統的搭建環節，自主軟件設計系統功能，提高對飛機裝配工藝的理解。

基于增強現實的智能裝配系統如圖1所示，搭建工作包括AR裝配場景搭建和交互引導流程設計等。AR裝配場景的搭建，即按照真實裝配場景在Unity3D中搭建虛擬裝配場景，并通過靶標將真實場景和虛擬場景的坐標對應起來。該過程中需要向系統中導入被裝配的零部件，在虛擬三維界面還原真實的裝配場景，有助于學生增強對飛機各零部件的理解，熟悉裝配場景中的細節；交互引導程序的設計，該過程需要參考各零部件的具體裝配工藝，通過加載文字、圖片、數模、動畫和視頻等多種引導資源，將裝配工藝流程展示給操作者。該過程有助于學生對產品零部件的裝配順序、裝配路線和裝配工藝等有更深刻的理解。同時交互引導流程的設計過程中需要開發者編輯腳本控制引導流程的進行，能夠鍛煉學生的編程能力，符合信息化時代人才的培養要求。

（二）? 飛機機翼結構件輔助裝配引導案例

學生在基于增強現實的裝配系統的輔助下進行飛機機翼的裝配，如圖2所示，學生穿戴好AR設備，通過系統的場景定位功能，將虛擬裝配場景疊加到現實場景當中，使學生能有更加真實的裝配體驗。通過人機交互功能，學生在系統現實的虛擬操作界面上選擇需要進行的具體裝配工藝，在系統提示下，通過系統的零件識別功能，識別當前零件，并在系統引導下進行裝配操作。

系統識別零件之后，會在系統的文件系統中索引零件對應的裝配流程，并通過動畫和語音的形式引導學生進行零件裝配，可以有效提升學生對飛機裝配過程的認識。裝配完成后，系統會通過掃描零件的輪廓特點提取特征值，以此來檢測裝配的質量，并將檢測結果實時顯示到裝配場景當中，提示正在進行裝配操作的學生當前零件裝配質量，大大提高裝配作業的質量，減少裝配誤差。基于增強現實的輔助裝配系統，利用數字化模型中的有效信息如裝配引導提示信息和裝配工藝等，疊加到學生的視界中，引導裝配流程。在試件過程中，學生可以學習到飛機機翼內的蒙皮、翼肋、翼梁和長桁等結構件的相互連接安裝位置及安裝方式，并針對飛機結構件裝配過程開展裝配工藝規劃，有效解決了實踐課程不能親臨飛機裝配現場的困局。

（三）? 飛機機艙管路線纜輔助裝配引導案例

在真實的飛機線纜裝配過程中，學生沒有任何線纜裝配相關的經驗，若僅僅是對照紙質裝配大綱按部就班地進行裝配，難免在一些細節上做的不到位，有很大出錯的可能性。通過基于增強現實技術的輔助引導裝配系統，引導學生按照設定的裝配流程逐步進行裝配，可以明顯降低裝配錯誤發生的概率，同時減少裝配時長。采用生動的引導流程代替古板晦澀的紙質裝配大綱，使學生在提高裝配效率的同時將裝配錯誤率降到最低，在一定程度上減輕學生的學習負擔。

基于增強現實的裝配系統的輔助下進行線纜裝配如圖3所示，學生可以操作三維建模軟件自行搭建虛擬線纜裝配場景，還原真實的線纜裝配場景，并添加與真實場景中相同的標識物用于場景定位。輔助裝配系統運行，AR眼鏡的相機通過捕獲標識物的特征信息，確認此標識物為目標標識物，之后按照真實裝配場景與標識物之間的空間轉換關系，將虛擬模型疊加在真實裝配環境之上，至此完成了虛擬世界坐標系在真實世界中的注冊定位，并將持續為后續的裝配指導步驟提供坐標數據。AR裝配場景準備完成后，學生可以在輔助裝配界面通過交互按鈕，選擇裝配線纜的順序，并在裝配引導信息（操作流程、工藝規范和工件信息等）的提示下完成裝配。在基于增強現實技術的裝配系統的引導下完成飛機線纜裝配，有助于增強學生對飛機線纜裝配的理解，可以在實際操作中完善裝配工藝，發現并解決存在的問題。

（四）? 增強現實編程的機器人示教技術案例

增強現實技術除了可以輔助引導飛機結構件、管路、線纜裝配，還可以用于工業機器人編程示教，如圖4所示。工業機器人作為現代航空制造業不可或缺的關節機械手，能夠代替人工完成多項飛機裝配工作，如機器人自動鉆鉚、涂膠密封、舵面托舉安裝等。對初步學習機器人控制技術的學生來說，機器人本身具有一定的危險性。增強現實機器人示教編程技術能夠在虛擬環境中進行離線機器人編程，而不需要真實的工件模型，是一種安全有效的學習方法。

增強現實編程的架構由虛擬環境、操作空間、任務規劃、虛擬機器人仿真和路徑規劃的真實機器人驗證組成，具體實現如下：使用增強現實設備通過標識物（如二維碼）識別機器人，生成與真實機器人重合的虛擬機器人模型；操作者通過手去移動虛擬機器人的末端，來實現控制機器人的移動；增強現實設備通過捕捉虛擬機器人的末端位姿，求解出虛擬機器人各關節的轉角，并根據轉角實時更新虛擬模型；同時，捕捉到的機器人各關節轉角會傳輸至機器人控制器上，機器人控制器根據各關節的轉角控制真實機器人運動。在該過程中，學生通過求解機器人關節轉角，從而學習理解機器人控制的基本原理；增強現實眼鏡與機器人控制器通過TCP協議進行通信，可以幫助學生掌握網絡通信協議；將基于增強現實的示教系統接入互聯網，還可以實現遠程機器人示教，可以在教室中對機器人進行遠程控制，使機器人示教課堂教學演示擺脫空間束縛。

三? 案例教學方法優勢分析

將增強現實技術引入航空制造專業教學實踐當中，搭建基于增強現實技術的輔助裝配系統應用于教學實踐環節。在系統自主搭建環節使學生系統性地掌握裝配制造工藝和裝配技術原理，培養學生探索問題的主動性；裝配實踐環節讓學生通過實際操作，在實踐中培養學生面向工程問題的分析和解決能力。從實際教學反饋來看，基于增強現實的輔助裝配系統達到了良好的教學效果，相比于傳統教學具有以下教學優勢。

還原真實的實踐情景。在實踐教學環節學生初次接觸到抽象的理論知識時大多會有“盲人摸象”的現象，學生的理解很可能會與實際有所偏差[6]。而使用增強現實技術應用于教學實踐，能夠將抽象的知識立體化，把平面教學無法解釋清楚的東西展現在三維世界中，以真實的場景幫助學生對理論知識的理解與記憶。

不受空間環境的限制。增強現實技術可以將復雜的虛擬裝配場景投影至任意現實空間，使學生在教室內即可體驗到裝配現場真實翼身對接的全部過程，有助于學生熟悉裝配現場操作環境和工藝裝備相對安放位置，了解飛機裝配生產線工作模式和生產節拍，從而加快課程理論知識向實踐應用的轉化。

加快實踐教學的進度。飛機具有產品結構復雜、零件數量繁多的特點使得飛機裝配作業難度高、流程漫長。在教學實踐當中學生很難記住大量的繁雜裝配操作，增強現實技術可以通過在裝配場景中添加引導信息，輔助學生完成作業，使教學實踐環節更加流暢，加快教學進度。

提高學生學習積極性。在課堂教學中引入增強現實技術，學生能夠借助接近真實的互動體驗激發學習興趣，在增強現實技術的輔助下通過全新的學習途徑，學習專業理論知識。利用增強現實技術后，學生能借助情境體驗和動感交互，激發學習興趣[7]。學生在增強現實技術的輔助下能感受到新穎的學習方式，生動的學習場景也能有效調動學生的積極性。

四? 結束語

為解決傳統教學與科研脫節、教學手段與互聯網時代新技術脫節提升教學質量，培養符合智能制造新時代要求的現代化航空專業人才，以增強現實技術為基礎搭建輔助裝配系統，并以飛機機翼裝配和航空線纜裝配為教學實踐案例分析了增強現實技術應用于教學實踐的優勢，對探索增強現實技術在航空宇航制造工程教學改革中的應用方案具有良好的啟發作用。我國航空航天制造業正朝著智能化、高端化、綜合化方向發展，將處于時代前沿的信息化技術融入到航空航天專業教學實踐當中，對培養航空制造專業人才的創新意識、自主學習意識和理論轉化實踐意識具有深遠的意義。

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[7] 王同聚.虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017，3（1）：1-10.