汪永生，李 巖，劉 明

（銅陵學院 數(shù)學與計算機學院，安徽 銅陵 244061）

0 引言

《中國制造2025》明確將機器人作為制造強國的戰(zhàn)略目標與任務(wù)，機器人在智能制造和智能服務(wù)等方面發(fā)揮著重要作用［1］.目前，機器人在眾多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，如太空探索［2］、國防安全、資源勘探、工業(yè)智能制造［3］、醫(yī)療服務(wù)［4］和商業(yè)家庭服務(wù)等，市場需求巨大，因而對機器人的研發(fā)和應(yīng)用相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才也與日俱增［5］.2016年，東南大學成為國內(nèi)第一個開設(shè)機器人工程本科專業(yè)院校，截止2018年，全國已有187所高校獲批建設(shè)機器人工程專業(yè)［6］.機器人教學實踐性強，加強高校機器人實踐教學建設(shè)，有利于增強實現(xiàn)機器人技術(shù)人才培養(yǎng)目標，提升實踐創(chuàng)新能力.機器人工程作為新工科一門專業(yè)，不少新建該專業(yè)的院校在機器人實踐教學中存在諸多不足，尤其是在開展相關(guān)機器人實驗教學過程中，會遇到很多問題和困難，特別是可供實驗硬件設(shè)備資源有限、實驗操作流程復雜等，學生得不到充足的設(shè)備使用時間，誤操作現(xiàn)象嚴重，實驗效果較差.增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）技術(shù)在高校教育教學領(lǐng)域應(yīng)用已有廣泛研究［7-9］，本文提出將AR技術(shù)應(yīng)用于機器人工程專業(yè)實驗教學，通過AR機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)，將有效地解決上述問題，增強學生實驗興趣，提升實驗效率.

1 機器人工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

機器人技術(shù)涉及電子、自動化、機械、計算機等多學科知識交叉，技術(shù)高度融合［10］.機器人工程專業(yè)主要培養(yǎng)從事機器人工作站設(shè)計、機器人自動化生產(chǎn)線的設(shè)計、機器人智能感知、決策理論應(yīng)用等具有較強綜合職業(yè)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才.

1.1 實驗課程類型

為了增強學生的動手能力，實驗教學是非常重要一環(huán).機器人工程專業(yè)實驗課程一般可分為基礎(chǔ)型實驗課程和創(chuàng)新型實驗課程.基礎(chǔ)型實驗課程主要以示教、驗證實驗為主，通過機器人基本操作訓練，掌握機器人基本知識、方法和技能.創(chuàng)新型實驗課程主要以學生自主設(shè)計實驗方案，對實驗過程進行控制，整理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果等.實驗課程主要有專業(yè)認知實習、電氣綜合實訓、機器人編程實訓、可編程控制器實訓、工業(yè)機器人綜合實訓、電子綜合實訓、機器人微控制器實訓、機器人仿真實訓、機器人系統(tǒng)集成實訓等.

1.2 實驗教學方式

在實驗教學方式上，一是示范式教學，利用PPT、視頻、MOOC等方式，在教師指導下學生完成一些基礎(chǔ)型實驗.二是拓展互動式、研究型、團隊式等實驗教學方法，進行驗證型、探索型實驗.三是拓展多種途徑、多種方案、設(shè)計性實驗方法，提升學生綜合設(shè)計與創(chuàng)新思維能力.機器人實驗教學著力于技術(shù)更新，可使學生盡快地接觸到機器人先進技術(shù)，促進學生自主學習和研究性學習.

1.3 實驗教學存在的問題

受傳統(tǒng)的實驗教學模式影響，很多開設(shè)機器人工程專業(yè)院校在實驗教學方法和內(nèi)容等方面難以達到新工科提出的標準和要求，教學方式比較僵化，通常是采用理論教學的方式來進行實驗課程的教學，教師利用PPT、視頻等方式講解實驗原理及實驗相關(guān)事項，根據(jù)實驗指導書布置實驗任務(wù).學生則先按照實驗指導書、實驗視頻等輔助資料熟悉實驗內(nèi)容和流程，再進行實驗操作，完全是一種被動學習、被動做實驗的狀態(tài)，缺乏自主性、創(chuàng)新性.由于機器人工程專業(yè)相關(guān)實驗與其他工科類實驗相比，實驗操作更加復雜，難度更大，亟需改變傳統(tǒng)實驗教學模式，才能激發(fā)學生實驗興趣，提升實驗效果.

2 AR技術(shù)

AR技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)將虛擬信息疊加到真實世界的技術(shù)，增強真實世界信息，提供給人超越真實世界感受的體驗［11］.三維注冊技術(shù)、虛實整合顯示技術(shù)、人機交互技術(shù)是AR三大關(guān)鍵技術(shù).三維注冊技術(shù)主要任務(wù)是實時檢測出攝像頭相對于真實場景的位姿狀態(tài)，確定所需要疊加的虛擬信息在投影平面中的位置，并將這些虛擬信息實時顯示在屏幕中的正確位置，完成三維注冊，通?？煞譃榛谟嬎銠C視覺的注冊算法和基于硬件傳感器的注冊算法.

虛實融合顯示技術(shù)是將虛擬信息與真實世界融合在一起，從而在顯示設(shè)備上正確顯示出來，主要顯示設(shè)備可分為頭盔顯示式設(shè)備、手持顯示式設(shè)備、投影顯示式設(shè)備等.人機交互技術(shù)是指將用戶的交互操作輸入到計算機后，經(jīng)過處理將交互的結(jié)果通過顯示設(shè)備顯示輸出的過程，目前增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的交互方式主要有外接設(shè)備、特定標志以及徒手交互等.

3 AR技術(shù)在機器人實驗教學中應(yīng)用

3.1 實驗應(yīng)用系統(tǒng)框架

AR機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)由AR機器人實驗設(shè)備系統(tǒng)和AR機器人實驗操作輔助系統(tǒng)組成，如圖1所示.

AR機器人實驗設(shè)備系統(tǒng)主要工作流程是：先掃描設(shè)備識別圖，對采集的圖像進行特征處理，與特征數(shù)據(jù)庫進行比對，從而完成虛擬三維設(shè)備模型注冊，在顯示端輸出設(shè)備三維模型，可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放和不同視角觀察等操作，并提供設(shè)備信息資料，以及實驗關(guān)聯(lián)設(shè)備等.機器人實驗通常比較復雜、設(shè)備資源有限，如電路實驗、模擬電子技術(shù)實驗、電機實驗、電氣控制實驗等，實驗之前，學生可利用AR機器人設(shè)備系統(tǒng)了解實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能以及實驗操作規(guī)范流程等，為真實實驗操作奠定基礎(chǔ).AR機器人實驗操作輔助系統(tǒng)可以實時為學生提供實驗輔助操作信息，指導其正確實驗操作，其主要工作流程為：AR系統(tǒng)掃描實驗場景，識別場景中實驗操作設(shè)備，將AR虛擬信息與實驗場景進行整合，在顯示端呈現(xiàn)出來.通過觸摸按鈕、手勢跟蹤等交互操作，快速準確地進行實驗操作，最后對整個實驗操作提供評價，反饋實驗效果等.

3.2 實驗應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)方案

基于AR技術(shù)的機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示.系統(tǒng)開發(fā)主要過程是：先對機器人實驗環(huán)境及設(shè)備建立三維模型，利用AR軟件開發(fā)工具包創(chuàng)建機器人AR識別數(shù)據(jù)庫，制作實驗輔助信息，通過AR開發(fā)引擎完成系統(tǒng)開發(fā).

3.2.1 實驗環(huán)境與設(shè)備三維建模

根據(jù)機器人實驗課程任務(wù)方案，設(shè)計實驗虛擬工作環(huán)境，對機器人實驗環(huán)境和設(shè)備進行三維建模.目前，三維建模方法有專業(yè)三維軟件建模、基于掃描3D軟件建模、基于圖像軟件建模.比較流行的專業(yè)三維建模軟件有3D Max、Maya、Softimage、Solidworks等，其共同特點是利用一些基本的幾何元素，通過一系列的幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運算等構(gòu)建復雜幾何場景.利用Solidworks軟件編輯創(chuàng)建三維舵機模型，如圖3所示.

基于掃描3D軟件建模是通過深度相機或3D掃描儀采集三維點云數(shù)據(jù)，利用基于點云數(shù)據(jù)的建模與處理軟件重建三維模型.基于圖像軟件建模是從物體的照片來進行三維模型的構(gòu)建，也稱為基于圖像幾何建模，用戶利用普通相機或者手機對建模的實物拍攝若干張不同視角的照片，根據(jù)所拍攝照片圖像建模軟件自動生成相應(yīng)的三維模型.針對機器人實驗操作對象具體結(jié)構(gòu)和性能特征，采用合適建模方法，在AR環(huán)境下模型如實物一樣進行操控，給人以真實體驗.

3.2.2 實驗應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建與實現(xiàn)

通過三維互動內(nèi)容開發(fā)引擎和AR SDK來實現(xiàn)AR機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā).目前，在眾多AR開發(fā)平臺中，基于Unity 3D和Vuforia SDK是一個比較不錯的AR開發(fā)平臺.Vuforia SDK主要任務(wù)是實驗設(shè)備的識別，將實驗設(shè)備識別圖導入Vuforia數(shù)據(jù)庫，生成目標特征點識別文件，下載至Unity3D供系統(tǒng)開發(fā)使用.三維目標識別則需要使Vuforia Object Sanner軟件對三維目標進行掃描，收集特征點數(shù)據(jù)，如圖4所示，保存在Vuforia數(shù)據(jù)庫中，生成三維目標識別文件.

將所需的實驗設(shè)備三維模型和實驗輔助信息（文本、圖像、視頻等）等資源轉(zhuǎn)換成必要的格式整合導入Unity3D開發(fā)引擎中，在開發(fā)引擎中進行資源配置，最終完成系統(tǒng)功能開發(fā).

3.3 實驗應(yīng)用系統(tǒng)效果

3.3.1 系統(tǒng)應(yīng)用實例

根據(jù)機器人實驗教學需求，靈活運用AR機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)，可獲得良好的實驗效果.一是設(shè)備三維模型是對設(shè)備高度仿真，通過AR機器人實驗設(shè)備系統(tǒng)能加深學生對實驗設(shè)備了解和實驗操作流程熟悉程度.二是AR系統(tǒng)能實時提供實驗操作步驟提示，對實驗操作規(guī)范性和正確性實時反饋，提升實驗效率.三是相較傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，AR技術(shù)的應(yīng)用更能激發(fā)學生實驗興趣，保持很高的專注度，讓實驗不再枯燥乏味.

本文以三相異步電動機控制實驗為例，在實驗教學中應(yīng)用AR實驗應(yīng)用系統(tǒng).三相異步電動機屬于強電設(shè)備，對實驗過程中人身安全性要求高.因此，實驗前學生使用AR設(shè)備輔助系統(tǒng)，熟悉電動機及其他電器元件的結(jié)構(gòu)、型號規(guī)格、工作原理和使用方法，掌握正確的接線、調(diào)試和故障排除方法.實際實驗操作時，學生可使用AR實驗操作輔助系統(tǒng)，對實驗操作過程中進行實時指導，確保實驗操作準確和人身安全.

3.3.2 評價方法

為了測試AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)性能效果，在機器人工程專業(yè)學生中隨機抽取若干人，進行分組測試，一組使用傳統(tǒng)實驗方法（輔助工具一般是紙質(zhì)實驗指導書、電子版實驗操作文本等），另一組使用AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)方法.采用滿意度（Satisfaction Degree，SD）、準確度（Accuracy Degree，AD）和興趣度（Interest De?gree，ID）主觀評價方式進行度量，比較在實驗教學過程中兩種方法的性能差異，對其效果進行驗證.采用李克特量表（Likert Scale）確定主觀評價分數(shù)［12］，具體如表1所示.

表1 主觀評價分數(shù)確定原則

為了考察評價數(shù)據(jù)的波動范圍，通過計算數(shù)據(jù)的離散系數(shù)（Coefficient of Variation，CV），使評價數(shù)據(jù)具有代表性和有效性.離散系數(shù)計算公式如下：

式（1）中，σ為該組數(shù)據(jù)的標準差，-x為數(shù)據(jù)均值，n為樣本數(shù).通常來說，離散系數(shù)越小說明平均指標更具有代表性.

3.3.3 評價結(jié)果與分析

隨機抽取60位學生，分兩組每組30位分別使用傳統(tǒng)方法和AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)方法進行對比測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 兩種方法主觀評價平均分數(shù)據(jù)對比

從表2數(shù)據(jù)分析得出，在滿意度、準確度和興趣度主觀評價平均分值上AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)均高于傳統(tǒng)方法.準確度指標上說明了AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)可以幫助學生正確地完成實驗，增強了實驗效果.興趣度指標則說明了AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)更能激發(fā)學生的實驗興趣，讓實驗不再枯燥無趣.滿意度指標方面，則是學生在實驗過程使用AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)的主觀認可.

AR實驗應(yīng)用系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法的主觀評價分均值和離散系數(shù)對比如圖5所示，圖中橫坐標對應(yīng)主觀評價SD、AD、ID指標，縱坐標為主觀評價分的均值（加粗星號標記）和CV值（未加粗橙色星號標記）.兩種方法的主觀評價指標CV值均較小，說明評價數(shù)據(jù)波動不大，平均指標的代表性比較好，評價依據(jù)可靠.

因參評學生數(shù)量及專業(yè)知識水平、實驗項目樣本量等因素制約，對主觀評價實驗結(jié)果可能會產(chǎn)生一定影響，但對改進與優(yōu)化AR技術(shù)在機器人工程專業(yè)實驗教學中的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計具有較高的參考價值.

4 結(jié)語

在機器人工程專業(yè)實驗課程教學中應(yīng)用AR技術(shù)，可改變傳統(tǒng)實驗教學模式.AR機器人實驗設(shè)備系統(tǒng)提供逼真虛擬三維設(shè)備模型，能使學生在真實實驗之前更好了解實驗設(shè)備組成結(jié)構(gòu)與性能特征，并掌握實驗內(nèi)容，熟悉操作步驟等，解決了實驗設(shè)備資源有限性問題.AR機器人實驗操作輔助系統(tǒng)提供輔助操作信息和人機交互功能，實時指導學生實驗，保證正確操作，降低實驗難度，增加實驗趣味性，提升實驗效率.由于機器人工程專業(yè)涉及多門學科，不同實驗課程具有其獨特性，因此，針對具體實驗課程教學如何靈活應(yīng)用AR技術(shù)，需要進一步細化和研究.