AR技术在机器人工程专业实验教学中的应用研究

汪永生，李 岩，刘 明

（铜陵学院 数学与计算机学院，安徽 铜陵 244061）

0 引言

《中国制造2025》明确将机器人作为制造强国的战略目标与任务，机器人在智能制造和智能服务等方面发挥着重要作用［1］.目前，机器人在众多行业都有着广泛的应用，如太空探索［2］、国防安全、资源勘探、工业智能制造［3］、医疗服务［4］和商业家庭服务等，市场需求巨大，因而对机器人的研发和应用相关专业技术人才也与日俱增［5］.2016年，东南大学成为国内第一个开设机器人工程本科专业院校，截止2018年，全国已有187所高校获批建设机器人工程专业［6］.机器人教学实践性强，加强高校机器人实践教学建设，有利于增强实现机器人技术人才培养目标，提升实践创新能力.机器人工程作为新工科一门专业，不少新建该专业的院校在机器人实践教学中存在诸多不足，尤其是在开展相关机器人实验教学过程中，会遇到很多问题和困难，特别是可供实验硬件设备资源有限、实验操作流程复杂等，学生得不到充足的设备使用时间，误操作现象严重，实验效果较差.增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术在高校教育教学领域应用已有广泛研究［7-9］，本文提出将AR技术应用于机器人工程专业实验教学，通过AR机器人实验应用系统，将有效地解决上述问题，增强学生实验兴趣，提升实验效率.

1 机器人工程专业实验教学现状

机器人技术涉及电子、自动化、机械、计算机等多学科知识交叉，技术高度融合［10］.机器人工程专业主要培养从事机器人工作站设计、机器人自动化生产线的设计、机器人智能感知、决策理论应用等具有较强综合职业能力的高素质应用型专门人才.

1.1 实验课程类型

为了增强学生的动手能力，实验教学是非常重要一环.机器人工程专业实验课程一般可分为基础型实验课程和创新型实验课程.基础型实验课程主要以示教、验证实验为主，通过机器人基本操作训练，掌握机器人基本知识、方法和技能.创新型实验课程主要以学生自主设计实验方案，对实验过程进行控制，整理实验数据，分析实验结果等.实验课程主要有专业认知实习、电气综合实训、机器人编程实训、可编程控制器实训、工业机器人综合实训、电子综合实训、机器人微控制器实训、机器人仿真实训、机器人系统集成实训等.

1.2 实验教学方式

在实验教学方式上，一是示范式教学，利用PPT、视频、MOOC等方式，在教师指导下学生完成一些基础型实验.二是拓展互动式、研究型、团队式等实验教学方法，进行验证型、探索型实验.三是拓展多种途径、多种方案、设计性实验方法，提升学生综合设计与创新思维能力.机器人实验教学着力于技术更新，可使学生尽快地接触到机器人先进技术，促进学生自主学习和研究性学习.

1.3 实验教学存在的问题

受传统的实验教学模式影响，很多开设机器人工程专业院校在实验教学方法和内容等方面难以达到新工科提出的标准和要求，教学方式比较僵化，通常是采用理论教学的方式来进行实验课程的教学，教师利用PPT、视频等方式讲解实验原理及实验相关事项，根据实验指导书布置实验任务.学生则先按照实验指导书、实验视频等辅助资料熟悉实验内容和流程，再进行实验操作，完全是一种被动学习、被动做实验的状态，缺乏自主性、创新性.由于机器人工程专业相关实验与其他工科类实验相比，实验操作更加复杂，难度更大，亟需改变传统实验教学模式，才能激发学生实验兴趣，提升实验效果.

2 AR技术

AR技术是一种基于计算机技术将虚拟信息叠加到真实世界的技术，增强真实世界信息，提供给人超越真实世界感受的体验［11］.三维注册技术、虚实整合显示技术、人机交互技术是AR三大关键技术.三维注册技术主要任务是实时检测出摄像头相对于真实场景的位姿状态，确定所需要叠加的虚拟信息在投影平面中的位置，并将这些虚拟信息实时显示在屏幕中的正确位置，完成三维注册，通常可分为基于计算机视觉的注册算法和基于硬件传感器的注册算法.

虚实融合显示技术是将虚拟信息与真实世界融合在一起，从而在显示设备上正确显示出来，主要显示设备可分为头盔显示式设备、手持显示式设备、投影显示式设备等.人机交互技术是指将用户的交互操作输入到计算机后，经过处理将交互的结果通过显示设备显示输出的过程，目前增强现实系统中的交互方式主要有外接设备、特定标志以及徒手交互等.

3 AR技术在机器人实验教学中应用

3.1 实验应用系统框架

AR机器人实验应用系统由AR机器人实验设备系统和AR机器人实验操作辅助系统组成，如图1所示.

AR机器人实验设备系统主要工作流程是：先扫描设备识别图，对采集的图像进行特征处理，与特征数据库进行比对，从而完成虚拟三维设备模型注册，在显示端输出设备三维模型，可对模型进行旋转、缩放和不同视角观察等操作，并提供设备信息资料，以及实验关联设备等.机器人实验通常比较复杂、设备资源有限，如电路实验、模拟电子技术实验、电机实验、电气控制实验等，实验之前，学生可利用AR机器人设备系统了解实验设备结构、功能以及实验操作规范流程等，为真实实验操作奠定基础.AR机器人实验操作辅助系统可以实时为学生提供实验辅助操作信息，指导其正确实验操作，其主要工作流程为：AR系统扫描实验场景，识别场景中实验操作设备，将AR虚拟信息与实验场景进行整合，在显示端呈现出来.通过触摸按钮、手势跟踪等交互操作，快速准确地进行实验操作，最后对整个实验操作提供评价，反馈实验效果等.

3.2 实验应用系统实现方案

基于AR技术的机器人实验应用系统开发流程如图2所示.系统开发主要过程是：先对机器人实验环境及设备建立三维模型，利用AR软件开发工具包创建机器人AR识别数据库，制作实验辅助信息，通过AR开发引擎完成系统开发.

3.2.1 实验环境与设备三维建模

根据机器人实验课程任务方案，设计实验虚拟工作环境，对机器人实验环境和设备进行三维建模.目前，三维建模方法有专业三维软件建模、基于扫描3D软件建模、基于图像软件建模.比较流行的专业三维建模软件有3D Max、Maya、Softimage、Solidworks等，其共同特点是利用一些基本的几何元素，通过一系列的几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等构建复杂几何场景.利用Solidworks软件编辑创建三维舵机模型，如图3所示.

基于扫描3D软件建模是通过深度相机或3D扫描仪采集三维点云数据，利用基于点云数据的建模与处理软件重建三维模型.基于图像软件建模是从物体的照片来进行三维模型的构建，也称为基于图像几何建模，用户利用普通相机或者手机对建模的实物拍摄若干张不同视角的照片，根据所拍摄照片图像建模软件自动生成相应的三维模型.针对机器人实验操作对象具体结构和性能特征，采用合适建模方法，在AR环境下模型如实物一样进行操控，给人以真实体验.

3.2.2 实验应用系统数据库创建与实现

通过三维互动内容开发引擎和AR SDK来实现AR机器人实验应用系统开发.目前，在众多AR开发平台中，基于Unity 3D和Vuforia SDK是一个比较不错的AR开发平台.Vuforia SDK主要任务是实验设备的识别，将实验设备识别图导入Vuforia数据库，生成目标特征点识别文件，下载至Unity3D供系统开发使用.三维目标识别则需要使Vuforia Object Sanner软件对三维目标进行扫描，收集特征点数据，如图4所示，保存在Vuforia数据库中，生成三维目标识别文件.

将所需的实验设备三维模型和实验辅助信息（文本、图像、视频等）等资源转换成必要的格式整合导入Unity3D开发引擎中，在开发引擎中进行资源配置，最终完成系统功能开发.

3.3 实验应用系统效果

3.3.1 系统应用实例

根据机器人实验教学需求，灵活运用AR机器人实验应用系统，可获得良好的实验效果.一是设备三维模型是对设备高度仿真，通过AR机器人实验设备系统能加深学生对实验设备了解和实验操作流程熟悉程度.二是AR系统能实时提供实验操作步骤提示，对实验操作规范性和正确性实时反馈，提升实验效率.三是相较传统实验模式，AR技术的应用更能激发学生实验兴趣，保持很高的专注度，让实验不再枯燥乏味.

本文以三相异步电动机控制实验为例，在实验教学中应用AR实验应用系统.三相异步电动机属于强电设备，对实验过程中人身安全性要求高.因此，实验前学生使用AR设备辅助系统，熟悉电动机及其他电器元件的结构、型号规格、工作原理和使用方法，掌握正确的接线、调试和故障排除方法.实际实验操作时，学生可使用AR实验操作辅助系统，对实验操作过程中进行实时指导，确保实验操作准确和人身安全.

3.3.2 评价方法

为了测试AR实验应用系统性能效果，在机器人工程专业学生中随机抽取若干人，进行分组测试，一组使用传统实验方法（辅助工具一般是纸质实验指导书、电子版实验操作文本等），另一组使用AR实验应用系统方法.采用满意度（Satisfaction Degree，SD）、准确度（Accuracy Degree，AD）和兴趣度（Interest De⁃gree，ID）主观评价方式进行度量，比较在实验教学过程中两种方法的性能差异，对其效果进行验证.采用李克特量表（Likert Scale）确定主观评价分数［12］，具体如表1所示.

表1 主观评价分数确定原则

为了考察评价数据的波动范围，通过计算数据的离散系数（Coefficient of Variation，CV），使评价数据具有代表性和有效性.离散系数计算公式如下：

式（1）中，σ为该组数据的标准差，-x为数据均值，n为样本数.通常来说，离散系数越小说明平均指标更具有代表性.

3.3.3 评价结果与分析

随机抽取60位学生，分两组每组30位分别使用传统方法和AR实验应用系统方法进行对比测试，测试数据如表2所示.

表2 两种方法主观评价平均分数据对比

从表2数据分析得出，在满意度、准确度和兴趣度主观评价平均分值上AR实验应用系统均高于传统方法.准确度指标上说明了AR实验应用系统可以帮助学生正确地完成实验，增强了实验效果.兴趣度指标则说明了AR实验应用系统更能激发学生的实验兴趣，让实验不再枯燥无趣.满意度指标方面，则是学生在实验过程使用AR实验应用系统的主观认可.

AR实验应用系统和传统方法的主观评价分均值和离散系数对比如图5所示，图中横坐标对应主观评价SD、AD、ID指标，纵坐标为主观评价分的均值（加粗星号标记）和CV值（未加粗橙色星号标记）.两种方法的主观评价指标CV值均较小，说明评价数据波动不大，平均指标的代表性比较好，评价依据可靠.

因参评学生数量及专业知识水平、实验项目样本量等因素制约，对主观评价实验结果可能会产生一定影响，但对改进与优化AR技术在机器人工程专业实验教学中的应用系统设计具有较高的参考价值.

4 结语

在机器人工程专业实验课程教学中应用AR技术，可改变传统实验教学模式.AR机器人实验设备系统提供逼真虚拟三维设备模型，能使学生在真实实验之前更好了解实验设备组成结构与性能特征，并掌握实验内容，熟悉操作步骤等，解决了实验设备资源有限性问题.AR机器人实验操作辅助系统提供辅助操作信息和人机交互功能，实时指导学生实验，保证正确操作，降低实验难度，增加实验趣味性，提升实验效率.由于机器人工程专业涉及多门学科，不同实验课程具有其独特性，因此，针对具体实验课程教学如何灵活应用AR技术，需要进一步细化和研究.