基于AR技术的智能制造科普教育互动平台的研发与应用

张 培，庄 毅，彭帅波

天津中德应用技术大学 天津 300350

0 引 言

我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，增强制造业竞争优势，推动制造业高质量发展，深入实施制造强国战略。当前，智能制造已成为我国建设制造强国的主攻方向，加快发展智能制造是推动中国制造迈向高质量发展、形成国际竞争新优势的必由之路。随着信息技术与先进制造技术的高速发展，我国智能制造装备的发展深度和广度日益提升，以新型传感器、智能控制系统、工业机器人、自动化成套生产线为代表的智能制造装备产业体系已经初步形成，并取得了较为显著的成效。

天津中德应用技术大学机械工程学院于2020年获批天津市科普教育基地，践行智能制造领域科普教育［1］。依托学院与GF集团，校企共建“航空航天材料加工工艺技术中心”双创平台智能制造生产线，搭建智能制造人才培养基地，开发多学科融合的实践教学内容及科普体验活动。通过智能制造专题科普宣传体验活动，使体验者了解智能制造的精髓及发展方向，从而提高创新意识和能力。但是智能制造装备受设备自重和工作环境的限制，无法随意搬动，导致不能深入学校、社区或村镇等开展体验活动，智能制造互动科普教育受限。

依托天津中德应用技术大学机械工程学院科普基地与GF集团共建的“航空航天材料加工工艺技术中心”双创平台智能制造生产线，研发一款基于AR技术的智能制造领域相关科普教育互动平台，将智能制造完整生产流程数字化，设计交互体验环节，以满足线上、线下混合式科普教育的需求，并在智能制造领域进行科普教育实践，对其他各科普教育基地具有重要指导意义。

1 AR技术与科普教育

1.1 AR技术概述

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将真实世界信息与虚拟世界信息无缝集成的新技术，广泛运用多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后应用到真实世界中，2种信息互为补充，从而增强真实世界［2］。

AR技术具有3 个突出特点：集成真实世界和虚拟世界信息；实时交互性；在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。随着AR技术的不断成熟，其被广泛应用于建筑、影视、教育、军事、医疗、娱乐等领域。

1.2 AR技术在国内外科普教育领域的应用现状

AR 技术始于20 世纪60年代，美国哈佛大学Ivan Sutherland教授和他的学生们［3-4］发明的光学透明头盔显示器是最早的增强现实原型系统。由于当时头盔显示器等硬件设备携带不便捷，所以多集中应用于军事、医学、制造与维修等非大众消费领域。随着人工智能逐渐兴起，搭载人工智能技术的智能终端增强现实装备开始普及，增强现实系统与移动设备相结合，更多面向消费者应用领域的产品应运而生，也逐渐拓展至教育、娱乐、游戏、工业仿真、文化遗产保护、旅游展览、城市规划建设等多个领域。

国外关于AR技术在科普教育领域的应用研究较为成熟，著名的AR 科普应用有Sky Guide AR 和Monster Park等。Sky Guide AR［5］是一款非常有趣、有用的AR实景增强观星科普应用，可以帮助用户探索浩瀚的星空，且每个星体都有自己的维基百科描述。Monster Park［6］通过AR技术，帮助用户在现实世界打开一扇传送门，让虚拟的恐龙进入现实世界。

国内关于AR技术在科普教育领域的应用研究主要集中在AR科普读物和科普互动软件两方面。

1.2.1 AR科普绘本

姜军［7］指出，中国出版集团公司于2015—2019年策划推出的《海洋意识教育》增强现实移动交互系列教材使海洋知识学习更加形象化、立体化、动态化。张慧娟［8］指出，化学工业出版社于2018年推出的《恐龙立体书》AR科普绘本可以对恐龙进行放大、缩小、旋转，与恐龙合影，也可以通过答题，让不同的恐龙对战。王瑞雪［9］指出，接力出版社于2020年推出的《流浪地球》科普绘本将电影中的科学知识点进行归纳，将AR技术与科普知识有效连接，是目前国内科普效果最佳的AR读物。

1.2.2 AR科普软件

从AR科普教育软件的内容来看，主题以安全防护、历史文化及工程应用3 类为主。唐路瑶等［10］设计开发了地震科普教育软件，以文字和视频形式向用户介绍震前预防措施和震后修复措施，并提供最新时事地震新闻。叶明胜等［11］设计开发了戏曲科普教育软件，通过移动设备扫描真实舞台场景或特定的文化符号，产生相应的虚拟戏曲角色及虚拟表演情境，获取戏曲的科普知识。张宏等［12］设计开发了水利科普教育软件，向用户普及我国特别是陕西省的水利工程建设概况，帮助用户了解水利工程建设的意义和作用。

就AR科普软件研究而言，国内相对起步较晚，目前多为文字和视频形式，存在内容和形式单一、交互性不强等问题，不能够充分带动体验者的学习兴趣。与此同时，通过搜索文献、软件著作权及应用程序，在智能制造领域未见AR科普互动软件的研究成果。因此，亟待开发符合体验者需求的智能制造领域相关AR科普互动软件，以满足线上、线下混合式科普教育新模式的需求。

2 智能制造科普教育互动平台设计思路

2.1 总体目标

本文旨在设计开发出基于AR技术的智能制造科普教育互动平台。全面分析智能制造科普教育的内涵，构建智能制造领域AR互动科普教育平台，通过科普活动、科普展会等，进行科普成果实践，探索适用于智能制造领域线上线下混合式科普教育的新形式。本文借助AR技术，对智能制造进行科普教育，期望体验者了解我国智能制造技术发展成就，从而提升智能制造建设成果的影响力。

2.2 互动内容设计

围绕天津中德应用技术大学与GF集团，校企共建“航空航天材料加工工艺技术中心”双创平台智能制造生产线，打造智能制造科普教育AR 互动平台，如图1 所示，可以在较少的人工直接或间接干预下将原材料加工成零件或将零件组装成产品，并在加工过程中实现管理过程和工艺过程智能化。该生产线包括五轴高速加工中心、高速加工中心、电火花线切割机床、电火花加工机床、三坐标测量机、工业机械臂、车铣复合加工中心、电切削机床8 台（套）智能制造装备。

图1 “航空航天材料加工工艺技术中心”双创平台智能制造生产线Fig.1 Aerospace materials processing technology center innovation and entrepreneurship platform

依据生产线整体情况，结合智能制造内涵，设定平台建设总体方案。平台包括知识加油站、AR体验馆、游戏闯关3 个模块。知识加油站模块通过文字、图片、视频、语音形式，向访问者介绍智能制造的基础知识；AR体验馆模块向访问者提供生产线整体和单个智能装备的互动体验，使其感知智能制造的基本原理；游戏闯关模块设计智能制造问答环节，访问者通过互动游戏来巩固智能制造相关知识，闯关成功后可获得相应智能装备徽章。

以五轴高速加工中心为例，介绍AR体验馆模块具体逻辑设计思路。体验者登入互动体验平台，进入AR体验馆模块，获得完整增强现实版智能制造生产线，点选感兴趣的智能装备进行互动体验。当选择五轴高速加工中心场景时，可根据语音和文字提示进行设备操作，包括防护门开关及安全警告提示、换刀、各轴轴向运动、AB轴旋转运动等，从而完成典型航空航天零件发动机叶片的虚拟加工体验。

2.3 开发流程概述

智能制造科普教育互动平台的开发主要用到的软件工具有Creo Parametric、Creo Illustrate、Vuforia Studio、Vuforia View 等。首先，使用Creo Parametric软件对智能制造装备进行高精度三维模型设计，并搭建虚拟体验场景。按照设备实际尺寸及规格，创建三维模型，定义装配结构、运动副等信息，通过纹理、光照、阴影等渲染技巧，高度还原实物特征，增强AR体验的真实感。其次，使用Creo Illustrate软件对智能装备进行体验者与软件的交互设计。在Creo Illustrate中导入Creo Parametric处理过的三维模型，针对智能装备的操作流程、实现功能、研究新进展等内容，创建序列、分解、运动、闪烁等不同的动画效果，并结合参数控制和逻辑判断功能，实现以体验者为中心的交互活动。再次，使用Vuforia Studio软件创建AR体验项目。将上述创建好的文档导入Vuforia Studio中，依据设计方案，确定展示方式，定义UI界面、小组件、动画效果等信息，并将AR项目发布到Experience Service中。最后，使用Vuforia View软件在智能手机及平板电脑等受支持的设备上查看已发布的AR项目，并进行项目的测试工作，根据测试体验反馈的问题，对项目进行修改，以达到最佳的体验效果。开发流程图如图2 所示。

图2 平台开发流程图Fig.2 Flow chart of platform development

3 智能制造科普教育互动平台研发关键技术

3.1 知识加油站科普视频的实现

知识加油站模块包含智能制造行业相关发展政策、省市新闻及最新智能制造产线案例等科普视频。科普视频作为资源放置在Uploaded管理文件夹中，通过低代码开发工具，利用包装好的功能按钮，完成整体逻辑功能编写，调用提前制作好的界面布局与视频完成操作。

实现代码如下：

3.2 AR体验馆交互体验的实现

AR 体验馆模块包含五轴高速加工中心、高速加工中心、电火花线切割机床、电火花加工机床、三坐标测量机、工业机械臂、车铣复合加工中心、电切削机床8 台（套）智能制造装备的操作交互体验。以五轴加工中心为例，五轴加工中心本体零部件多，运动精度要求高，各零部件装配复杂。为了使虚拟场景接近真实还原场景和实现深入交互，使用Creo Illustrate 与Croe 软件，对五轴加工中心的零部件重新划分上下级关系，重新设定坐标系，从整体到局部，减少制作动画难度。

实现代码如下：

3.3 游戏闯关判断正误的实现

在制作游戏闯关模块过程中，由于低代码开发的缺陷，部分功能的逻辑代码并没有开发接口，导致无法对体验者答题正误做出灵活判断。解决办法是通过现有封装的功能弹窗，以取巧的方式来实现对错判断。具体主要为锁定答题界面，只有答对问题才可以进入下一题，每个体验者都可以以满分的形式完成答题，以避免需要对最后成绩进行逻辑判断。

4 智能制造科普教育互动平台运行效果

4.1 实践成效

智能制造科普教育互动平台研发完成后，利用科普活动及展会，进行成果展示，并深入学校、社区或村镇开展科普知识宣传和产品体验活动。如2023年4 月27 日，在滨海科技馆参加“科普走进校园 科学筑梦未来”——赋能“双减”系列科普资源对接活动；2023年5 月21 日，在南开学校参加以“热爱科学 崇尚科学”为主题的津南区第37 届科技周活动。体验者可在智能手机及平板电脑等移动设备上沉浸式体验AR项目，以及实现场景的移动、对物体和UI的选取等多种交互功能，有助于对AR技术的认知和普及；体验者观看智能制造的科普知识，并选取感兴趣的智能制造装备交互体验，有益于智能制造领域相关知识的普及；产品展示和体验过程中的反馈数据有利于智能制造科普教育互动平台后期推广的优化设计。

4.2 社会效益

当前，我国提出了智能制造示范产业线建设的新目标，以进一步向全国中小微制造型企业推广数字化、智能化建设成效。但是，智能装备建设及维修保养成本较高，建设周期较长，建成后设备软硬件更新困难，制约智能制造推广的速度。本文研发的智能制造科普教育AR互动平台将智能制造示范生产线数字化，能够有效降低投入成本。与此同时，将AR科普教育资源产业化，向各职业院校和智能制造类企业进行项目成果推广，以改善因实训设备短缺、实训人员安全隐患引起的培训质量降低问题。

本文研发的智能制造科普教育AR互动平台可在智能手机及平板电脑等移动端设备展演，设备小巧、方便携带，有利于深入中小微制造型企业、偏远地区学校及社区进行智能制造科普教育，有助于向公众普及我国智能制造领域的新成就。与此同时，能够培养体验者的创新能力及技术应用能力，以科普教育助力新时代人才强国战略，促进制造业人才培养，并进一步推动产业创新升级。AR技术与科普教育相结合将突破科普教育的时间和空间限制，形成智能化、泛在化的科普教育新模式，助推科普事业发展。

5 结 语

本文研发了一款基于AR技术的智能制造领域相关科普教育互动平台，依托天津中德应用技术大学机械工程学院科普基地与GF集团，校企共建“航空航天材料加工工艺技术中心”双创平台智能制造生产线，将智能制造完整生产线数字化。该智能制造科普教育互动平台提供了一种趣味性、交互性、技术性相结合的智能制造科普教育新方法，实现了智能制造装备“走出去”进行全域科普教育的新形式，推动了增强现实技术与科普教育的融合，拓展了智能制造科普教育内容的深度和广度，为提高体验者在智能制造领域的创新能力和应用能力提供了强有力的支持，促进了科普教育创新发展。