基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)

李國強(qiáng)

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)

李國強(qiáng)

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053）

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常由于設(shè)備、場地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制及由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會帶有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)校在此類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中往往相當(dāng)謹(jǐn)慎，教師在教學(xué)中壓力較大，在一些對人身或設(shè)備產(chǎn)生損害的實(shí)踐課程，教師往往只允許個別學(xué)生操作或只允許觀摩。在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的這類實(shí)驗(yàn)或操作則避免了上述的問題。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；危險(xiǎn)性；觀摩；虛擬實(shí)驗(yàn)

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展示手段通過創(chuàng)建和表現(xiàn)虛擬物體與虛擬空間，使信息的展示方式有了新的途徑和形式，使信息更直觀、高效的傳遞。隨著人們對這種展示技術(shù)的逐漸了解和關(guān)注，它的應(yīng)用與發(fā)展也愈加廣泛和迅速。“虛擬現(xiàn)實(shí)”概念來自英文“Virtual Reality”，簡稱VR技術(shù)。它的沉浸感、多方式的交互性讓受教育者感覺十分有趣。通過VR的交互式環(huán)境、再現(xiàn)的能力以及一對一的實(shí)踐，可大大提高學(xué)習(xí)者的記憶力和學(xué)習(xí)興趣；具有逼真的可視化能力，非常適于表達(dá)那些難以理解的抽象概念；通過對機(jī)械裝配、機(jī)械切削加工等實(shí)驗(yàn)的模擬，學(xué)習(xí)者不需要冒著真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，就可很好地學(xué)習(xí)到相關(guān)的基礎(chǔ)和專業(yè)知識。

二、機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀

機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)受到產(chǎn)品成本、拆裝場所等條件的限制，很難展開。為了解決這一問題，研究采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品拆裝訓(xùn)練方法。通過對虛擬拆裝過程和關(guān)鍵技術(shù)的分析，提出在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝的方法，并根據(jù)這些方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)的虛擬拆裝系統(tǒng)。此系統(tǒng)使得學(xué)習(xí)人員可以通過平臺進(jìn)入虛擬環(huán)境中，對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行拆裝模擬，掌握機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)造、拆裝順序，從而解決了拆裝培訓(xùn)中的各種制約因素。

國內(nèi)在VR方面的研究起步較晚，和西方發(fā)達(dá)國家還是有一定的差距。到90年代中期，國內(nèi)才開始對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行研究[1]，不過，近年來國內(nèi)一些重點(diǎn)院校和科研機(jī)構(gòu)積極投入虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，取得的一定的成果。在我國，越來越多高科技公司、科研機(jī)構(gòu)、綜合類院校開始研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。一些企業(yè)能按各行業(yè)的不同要求設(shè)計(jì)、搭配出成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。

虛擬實(shí)驗(yàn)是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)對象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等，是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)實(shí)現(xiàn)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維交互技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化拆裝領(lǐng)域中。在虛擬環(huán)境下，操作人員使用各種交互設(shè)備像在真實(shí)環(huán)境中一樣對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行各類裝配操作，模擬產(chǎn)品的裝配過程。從而使得學(xué)生能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析、對產(chǎn)品零部件裝配序列進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃、培訓(xùn)等。在裝配（或拆卸）結(jié)束以后，記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報(bào)告、視頻錄像等供隨后的分析使用。

三、擬場景的設(shè)計(jì)和開發(fā)

虛擬拆裝訓(xùn)練是指根據(jù)產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬的環(huán)境里完全按照產(chǎn)品的真實(shí)性模擬產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程，包括產(chǎn)品的外觀、組成結(jié)構(gòu)、物理碰撞、運(yùn)作原理、拆裝順序、工具選擇、零部件空間位置。并在虛擬的三維環(huán)境下對零部件進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等活動。并使這個過程達(dá)到可控（可以在老師的指導(dǎo)下完成），可記錄（考試、維修中所有操作步驟都將被記錄下來），可參考（虛擬拆裝系統(tǒng)提供各種典型設(shè)備的影像資料及零部件機(jī)構(gòu)與原理資料、教學(xué)教案、維修手冊等），可輸出（打印輸出，供實(shí)訓(xùn)教師查看和評估）。

虛擬拆裝考試系統(tǒng)是根據(jù)產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃，完全按照產(chǎn)品的真實(shí)性在虛擬環(huán)境下進(jìn)行模擬，包括產(chǎn)品的外觀、組成結(jié)構(gòu)、物理碰撞、運(yùn)作原理、拆裝順序、工具選擇、零部件空間位置。進(jìn)入系統(tǒng)，作為虛擬現(xiàn)實(shí)最基本的一項(xiàng)功能就是三維虛擬展示[3]，在這里可以在一個虛擬的三維環(huán)境下對零部件進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等活動。這些操作會讓學(xué)生對即將需要拆裝的零部件有個充分的了解，然后選擇相應(yīng)的拆裝工具，如：扳手、螺絲刀等。按照產(chǎn)品裝配的工藝規(guī)劃的順序一步步進(jìn)行拆卸、安裝。整個過程中學(xué)生可以實(shí)時(shí)地查看操作手冊、教學(xué)教案、維修手冊，甚至可以使用幫助系統(tǒng)以尋求幫助。待所有操作結(jié)束后，學(xué)生可以查看自己的操作記錄并了解自己在整個過程中有沒有錯誤的地方、有多少錯誤的地方。同時(shí)也可以將其操作記錄打印出來供學(xué)生、老師學(xué)習(xí)和評估。下頁圖1為電機(jī)的虛擬拆裝訓(xùn)練考試系統(tǒng)。

圖1 電機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在一定程度上解決了在拆裝教學(xué)中存在的問題，極大地降低了實(shí)訓(xùn)成本、節(jié)約訓(xùn)練費(fèi)用；降低實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)性，也可模擬危險(xiǎn)情況下的訓(xùn)練、演示等。同時(shí)符合高等教育教學(xué)方案思想及理念，提高了職業(yè)教育教學(xué)的實(shí)訓(xùn)效果，以滿足國家對緊缺人才培養(yǎng)的需要。在專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)當(dāng)中以技能訓(xùn)練模擬仿真為主，通過反復(fù)模擬訓(xùn)練，以達(dá)到掌握實(shí)際操作的要領(lǐng)，兼顧學(xué)生自操自練的目的。

四、結(jié)論與展望

以電機(jī)的拆裝為研究對象，利用三維軟件建立三維數(shù)字化模型，采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件生成虛擬系統(tǒng)所需的模型，導(dǎo)入到虛擬系統(tǒng)里并輔以相對應(yīng)的登陸環(huán)境、拆裝工具、錯誤提示、拆裝記錄和評分功能。記錄每位參加練習(xí)的學(xué)生對臺鉆拆裝的掌握程度。

[1]張世懿.基于XNA的柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué)，2011.

[2]周志國，曾祥軍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車拆裝實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011，（243）：47-48.

[3]丁盼盼.基于虛擬現(xiàn)實(shí)電動汽車性能仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.

G712

A

1674-9324（2014）28-0185-02

李國強(qiáng)（1977-），男，湖州人，浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程師，碩士，CAD/CAM。