增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)裝配教學(xué)中的應(yīng)用

胡俊山 吳悅雅 王忠康 田威

摘要航空航天事業(yè)的快速發(fā)展對(duì)航空航天制造業(yè)提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)提出了許多新的要求，最主要體現(xiàn)在對(duì)專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性、課程內(nèi)容的前沿性、培養(yǎng)模式的實(shí)踐性等環(huán)節(jié)的提升。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到航空宇航制造工程專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐中，利用智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)模擬飛機(jī)裝配場(chǎng)景，顯示正確的裝配路徑和方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件或線纜裝配，解決了傳統(tǒng)課程教學(xué)中出現(xiàn)的教學(xué)科研內(nèi)容與航空航天制造新發(fā)展脫節(jié)、教學(xué)和科研脫節(jié)、教學(xué)手段與“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代新技術(shù)脫節(jié)等問(wèn)題達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)航空航天制造新形勢(shì)創(chuàng)新人才的目的。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 航空航天制造 飛行器裝配

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.26.014

On the Application of Augmented Reality Technology in Aircraft Assembly Teaching

HU Junshan， WU Yueya， WANG Zhongkang， TIAN Wei

（College of Mechanical & Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 250016）

AbstractThe rapid development of aerospace industry not only puts forward higher requirements for aerospace manufacturing industry， but also puts forward many new requirements for the training of aerospace professionals， which is mainly reflected in the improvement of the systematicness of professional knowledge， the cutting-edge of curriculum content， the practicality of training mode and so on. The augmented reality technology is introduced into the teaching practice of aerospace manufacturing engineering， the intelligent wearable assembly prototype system is used to simulate the aircraft assembly scene， display the correct assembly path and method， guide students to assemble aircraft structural parts or cables， and solve the disconnection between the teaching and scientific research content in the traditional course teaching and the new development of aerospace manufacturing problems such as disconnection between teaching and research， and disconnection between teaching methods and new technologies in the Internet plus times have reached the goal of training talents adapting to the new situation of aerospace manufacturing.

Keywordsaugmented reality； aerospace manufacturing； aircraft assembly

0引言

近年來(lái)，我國(guó)航空航天事業(yè)快速發(fā)展，航空航天制造業(yè)向著智能化、高端化、綜合化方向發(fā)展，對(duì)航空宇航制造專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更新更高的要求。因此，培養(yǎng)出一大批專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)且具有國(guó)際化視野的航空宇航制造專業(yè)人才，已成為航空航天院校的一項(xiàng)重要任務(wù)。航空宇航制造專業(yè)課程有顯著的專業(yè)性、綜合性和復(fù)雜性，但傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過(guò)于偏重基礎(chǔ)理論，忽視了工程實(shí)踐，且對(duì)先進(jìn)教學(xué)手段的應(yīng)用不夠充分，導(dǎo)致教學(xué)水平不高，不利于專業(yè)人才的培養(yǎng)。為了滿足我國(guó)航空航天制造業(yè)發(fā)展的需要，推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)，航空宇航制造專業(yè)的教學(xué)模式亟須變革。深化改革課程教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，創(chuàng)造性地運(yùn)用各種新一代信息技術(shù)組織開(kāi)展學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)，以培育出能夠適應(yīng)航空航天制造業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented reality， AR）作為一種新興的人機(jī)交互技術(shù)，具有虛實(shí)結(jié)合、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)交互等特性。其通過(guò)計(jì)算機(jī)的顯示與交互等技術(shù)，將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合，以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)交互與增強(qiáng)。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)機(jī)翼的信息，而且將虛擬的裝配特點(diǎn)、裝配工序等信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到更加具體形象化的裝配過(guò)程。當(dāng)前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用已有很多，應(yīng)用前景廣闊。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)裝配教學(xué)中能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)提供情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，也為教師提供了全新的教學(xué)模式。

本文針對(duì)目前航空航天制造專業(yè)人才工程實(shí)踐能力落后于行業(yè)需求的困境，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到航空宇航制造工程專業(yè)本科生和研究生培養(yǎng)過(guò)程中，構(gòu)建了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配設(shè)備原型系統(tǒng)，打通科研、教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、新興技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，改變傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式，以提高學(xué)生的科研知識(shí)面和科研創(chuàng)新能力，適應(yīng)航空宇航制造技術(shù)的發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生掌握飛機(jī)裝配過(guò)程難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)培育創(chuàng)新型人才和教育提供支持。

1飛機(jī)裝配相關(guān)課程教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)狀

飛機(jī)具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量巨大，空間十分緊湊，協(xié)調(diào)關(guān)系繁多等特點(diǎn)，而且飛機(jī)上的零部件具有大尺寸、若剛性、易變形等特點(diǎn)，導(dǎo)致飛機(jī)裝配作業(yè)難度大、操作復(fù)雜度高、裝配作業(yè)流程漫長(zhǎng)，在大型部件裝配對(duì)接時(shí)尤為突出。在飛機(jī)制造過(guò)程中，裝配工作占有極其重要的地位，其勞動(dòng)量占整個(gè)飛機(jī)制造總勞動(dòng)量的50%-60%。飛機(jī)的裝配工作勞動(dòng)量大、協(xié)作困難，而且質(zhì)量要求高、技術(shù)難度大，是飛機(jī)制造過(guò)程中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

針對(duì)飛機(jī)裝配，航空宇航制造工程專業(yè)設(shè)置了飛機(jī)裝配工藝學(xué)、飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)、飛機(jī)鈑金成形技術(shù)、飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)與制造等諸多課程，旨在培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)的專業(yè)人才。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)裝配學(xué)科也不斷發(fā)展，導(dǎo)致傳統(tǒng)的授課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)置與飛機(jī)裝配技術(shù)的快速發(fā)展有很多不適應(yīng)的方面。另一方面，飛行器裝配系列課程長(zhǎng)期以來(lái)一直以課堂講授為主、視頻觀摩或其他輔助手段相結(jié)合開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生只能通過(guò)書(shū)面信息獲取相關(guān)知識(shí)，無(wú)法親自動(dòng)手操作。對(duì)于航空航天制造類專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動(dòng)手能力的重要平臺(tái)，缺乏高質(zhì)量實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)將會(huì)使航空航天智能制造人才培養(yǎng)大打折扣。

針對(duì)飛機(jī)裝配學(xué)科在教學(xué)科研與人才培養(yǎng)上面臨教學(xué)方法陳舊、科研內(nèi)容脫離實(shí)際應(yīng)用、綜合設(shè)計(jì)型科研平臺(tái)少等問(wèn)題，將面向飛機(jī)機(jī)翼裝配現(xiàn)場(chǎng)的智能可穿戴裝配技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，將移動(dòng)互聯(lián)終端、智慧教學(xué)工具、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興產(chǎn)物應(yīng)用到課程教學(xué)科研中，以解決傳統(tǒng)研究生課程教學(xué)中出現(xiàn)的教學(xué)科研內(nèi)容與智能制造新發(fā)展脫節(jié)、教學(xué)和科研脫節(jié)、教學(xué)手段與互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代新技術(shù)脫節(jié)等問(wèn)題，提升教學(xué)質(zhì)量。

2基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配技術(shù)

在大部分飛機(jī)裝配階段，人工裝配作業(yè)都占據(jù)了主要地位。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)將虛擬物體、場(chǎng)景等多維提示信息等疊加到真實(shí)裝配場(chǎng)景中，能夠基于真實(shí)裝配環(huán)境為學(xué)生提供“所見(jiàn)即所操作”的實(shí)時(shí)智能引導(dǎo)，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)真實(shí)裝配環(huán)境的理解，讓學(xué)生體驗(yàn)人工裝配過(guò)程。面向飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)的智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)利用了裝配人員可穿戴、裝配智能規(guī)劃與仿真、可穿戴裝配智能空間、裝配誤差在線補(bǔ)償與精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的可穿戴裝配技術(shù)與原型系統(tǒng)，最大限度地利用了產(chǎn)品數(shù)字化模型，直觀高效提取模型中大量多元信息（裝配引導(dǎo)提示、裝配工藝）并顯示到學(xué)生視野中，指導(dǎo)裝配過(guò)程，解決了飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)零部件、工裝、工具等目標(biāo)對(duì)象的裝配工藝演示指導(dǎo)問(wèn)題，提高飛機(jī)部件裝配場(chǎng)景引導(dǎo)效率。

在工藝規(guī)劃階段，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品零部件的裝配順序、裝配路線、裝配干涉、可裝配性、可拆卸性、人機(jī)功效、拆裝效率等進(jìn)行仿真，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品裝配性能、裝配數(shù)量、裝配層級(jí)、裝配方式、裝配位置、裝配工具等進(jìn)行優(yōu)化，使得產(chǎn)品具有良好的可裝配性，確保裝配過(guò)程簡(jiǎn)單、裝配效率高、裝配質(zhì)量好、裝配不良率低、裝配成本低?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的裝配仿真系統(tǒng)能夠定義每個(gè)裝配零件的屬性，約束其位姿保證正確的裝配位置；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互系統(tǒng)能夠滿足用戶使用自然交互手段，如手勢(shì)交互、語(yǔ)音交互或眼球跟蹤等手段完成零件的虛擬裝配；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的渲染系統(tǒng)能夠?qū)⑷垦b配零件及裝配體完全映射渲染至可穿戴智能裝備中，保證用戶的虛擬可視化。

利用裝配現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備關(guān)聯(lián)與采集信息融合技術(shù)，構(gòu)建面向可穿戴設(shè)備的智能裝配空間，對(duì)裝配過(guò)程中各類作業(yè)信息進(jìn)行高效獲取與管理，并針對(duì)裝配空間下匯集的多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理融合分析，實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場(chǎng)在線感知、信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋、控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通暢決策等功能，達(dá)到對(duì)裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的。如圖1所示，通過(guò)Hololens2AR眼鏡接收六維力傳感器數(shù)據(jù)流。

由工業(yè)云計(jì)算對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并通過(guò)裝配件的關(guān)鍵特征來(lái)表征裝配誤差，低延時(shí)反饋給增強(qiáng)人工，最終對(duì)裝配誤差在線補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)裝配誤差閉環(huán)精準(zhǔn)控制。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配智能規(guī)劃與仿真技術(shù)、裝配智能空間物理信息融合技術(shù)、裝配誤差在線補(bǔ)償與精準(zhǔn)控制技術(shù)等方面的成果，設(shè)計(jì)出了面向裝配現(xiàn)場(chǎng)的智能可穿戴裝配系統(tǒng)架構(gòu)。采用可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工裝配的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配場(chǎng)景的增強(qiáng)感知和實(shí)時(shí)控制。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配技術(shù)，使進(jìn)行裝配的學(xué)生可輕松通過(guò)前端多維信息展示、后臺(tái)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析、遠(yuǎn)程協(xié)作支持實(shí)現(xiàn)智能化裝配作業(yè)指導(dǎo)，達(dá)到對(duì)裝配質(zhì)量精準(zhǔn)控制目的。

3基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)應(yīng)用展示

智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)以及虛實(shí)融合渲染技術(shù)的研究，結(jié)合飛機(jī)機(jī)翼部件裝配、線纜裝配、機(jī)器人輔助裝配搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配技術(shù)的技術(shù)點(diǎn)。如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)翼零部件裝配，線纜裝配，機(jī)器人裝配的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配輔助，可以用于教學(xué)實(shí)踐。

針對(duì)機(jī)翼裝配過(guò)程，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將虛擬的零部件模型、裝配位置、裝配路徑、操作說(shuō)明、安裝要求等投射到可穿戴設(shè)備透視屏幕上，從而對(duì)零部件實(shí)際裝配進(jìn)行直觀、快速、集成的安裝作業(yè)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生按照正確的裝配路徑和方法進(jìn)行安裝。同時(shí)，裝配過(guò)程中通過(guò)智能裝配空間對(duì)裝配件的信息采集和云端處理，自動(dòng)返回當(dāng)前裝配件關(guān)鍵點(diǎn)特征信息給增強(qiáng)人工，方便學(xué)生對(duì)裝配過(guò)程質(zhì)量控制進(jìn)行分析和評(píng)估。學(xué)生戴上可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，如圖3所示，與原型系統(tǒng)的虛擬飛機(jī)零件進(jìn)行手勢(shì)交互，根據(jù)屏幕上的指導(dǎo)，即可完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的裝配，從而掌握飛機(jī)裝配相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐能力。

搭建飛機(jī)線纜模擬裝配現(xiàn)場(chǎng)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將線纜的3D模型和裝配順序直接疊加在飛機(jī)艙壁上，根據(jù)當(dāng)前所選擇的線纜編號(hào)和線纜裝配的進(jìn)度提供相應(yīng)的任務(wù)提示信息，將各種裝配信息及操作流程、技術(shù)規(guī)范等以可視化的方式疊加在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，學(xué)生可以根據(jù)線纜裝配輔助系統(tǒng)的即時(shí)性指導(dǎo)進(jìn)行飛機(jī)線纜的模擬裝配實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際操作增強(qiáng)對(duì)飛機(jī)線纜裝配的理解。

4增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于飛機(jī)裝配課程教學(xué)實(shí)踐優(yōu)勢(shì)分析

應(yīng)用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配技術(shù)，使學(xué)生基于虛擬現(xiàn)實(shí)的飛機(jī)大部件裝配對(duì)接教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案和飛機(jī)裝配技術(shù)特點(diǎn)，以強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的系統(tǒng)性、突出技術(shù)方法的探究性、注重先進(jìn)裝配技術(shù)的同步性，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握主流先進(jìn)制造裝配技術(shù)原理、裝配工藝設(shè)計(jì)方法以及實(shí)驗(yàn)分析方法，培養(yǎng)學(xué)生面向工程問(wèn)題的分析和解決能力。從實(shí)際教學(xué)反饋來(lái)看，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)達(dá)到了良好的教學(xué)效果，相比于傳統(tǒng)教學(xué)具有以下教學(xué)優(yōu)勢(shì)：

深入踐行情境化教學(xué)。借助于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件裝配場(chǎng)景和機(jī)翼線纜裝配場(chǎng)景直觀還原再現(xiàn)，最大限度地為學(xué)生提供真實(shí)深刻的實(shí)踐操作體驗(yàn)，根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的指示體驗(yàn)到裝配現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)件裝配和線纜裝配的過(guò)程，從而加快課程理論知識(shí)向?qū)嵺`應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?？紤]到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在高校的教學(xué)領(lǐng)域并沒(méi)有完全展開(kāi)，且增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)生日常生活中也難以接觸的情況，學(xué)生在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助下能感受到新穎的學(xué)習(xí)方式，生動(dòng)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景也能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提升教學(xué)過(guò)程學(xué)生參與程度，從而提高教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量。

提升動(dòng)手實(shí)踐能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)最開(kāi)始就是波音公司用來(lái)培訓(xùn)員工，提升裝配速度與精確度的系統(tǒng)?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配系統(tǒng)可以讓學(xué)生通過(guò)一些手勢(shì)或動(dòng)作來(lái)操作虛擬物體，因此可以提升學(xué)生的動(dòng)手裝配能力。

5結(jié)束語(yǔ)

為了解決我國(guó)在教學(xué)科研與人才培養(yǎng)上面臨教學(xué)方法陳舊、科研內(nèi)容脫離實(shí)際應(yīng)用、綜合設(shè)計(jì)型科研平臺(tái)少等問(wèn)題，培育出能夠適應(yīng)航空航天制造業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)復(fù)合型人才，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到航空宇航制造工程專業(yè)本科生和研究生培養(yǎng)過(guò)程中，構(gòu)建了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴裝配設(shè)備原型系統(tǒng)，打通科研、教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、新興技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，改變傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)的新形勢(shì)，對(duì)探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空宇航制造工程教學(xué)改革中的應(yīng)用方案具有良好的啟發(fā)作用。

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向飛行器裝配的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索實(shí)踐”，項(xiàng)目編號(hào)：201901083004

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