淺談機(jī)車受電弓部件的虛擬仿真交互設(shè)計(jì)

曾祥君

大連市輕工業(yè)學(xué)校，遼寧 大連 116023

淺談機(jī)車受電弓部件的虛擬仿真交互設(shè)計(jì)

曾祥君

大連市輕工業(yè)學(xué)校，遼寧 大連 116023

自國(guó)家提出“信息化共享平臺(tái)”建設(shè)目標(biāo)以來(lái)，遼寧省教育廳在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)方面給予了大量的資金和政策扶持。自15年克強(qiáng)總理提出要快速推動(dòng)我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展，并向國(guó)際社會(huì)推廣中國(guó)的高速鐵路和城際鐵路以來(lái)，軌道運(yùn)輸行業(yè)對(duì)操作員工需求逐年增高。日益發(fā)展的軌道機(jī)車運(yùn)輸業(yè)在我國(guó)尚屬新興事物，各大院校的教學(xué)和培訓(xùn)資源相對(duì)匱乏。因此、順應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)虛擬仿真機(jī)車檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有非常重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

機(jī)車；受電弓；虛擬仿真

國(guó)內(nèi)機(jī)車類軟件主要以虛擬駕駛為主，交互功能設(shè)計(jì)較少，很少配合考核評(píng)價(jià)平臺(tái)。另外高速機(jī)車架修類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)提及。國(guó)外同類軟件起步較早，無(wú)論在機(jī)車的操作性還是機(jī)車信號(hào)管理方面都處于領(lǐng)先地位。下面我將以受電弓部件為例展示交互設(shè)計(jì)的思路。

受電弓類型多樣，在同型號(hào)車型上，由于制造采購(gòu)批次不同，也具有差異，本文采用型號(hào)為TSG3的雙臂受電弓。根據(jù)受電弓運(yùn)行原理和組成機(jī)構(gòu)，我們將受電弓的設(shè)計(jì)制作分為四大部分，如圖1所示分別為：弓頭部分、鉸鏈部分、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和底架。

弓頭部分：以自由度為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)考量，弓頭部分在運(yùn)行中要與電線保持水平并始終接電。所以將其設(shè)計(jì)為具有移動(dòng)自由度的構(gòu)件，不能旋轉(zhuǎn)。

鉸鏈部分：主體為兩段，固定端與旋轉(zhuǎn)端，可進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將其看作簡(jiǎn)單四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、可移動(dòng)也可旋轉(zhuǎn)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：只進(jìn)行伸縮控制直線位移，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

底架：相對(duì)于車體和傳動(dòng)部件保持靜止。

將其歸納為三類運(yùn)動(dòng)方式：靜止的底架，只有直線位移的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與弓頭，具有移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的鉸鏈部分。三類動(dòng)作分別建模,見(jiàn)圖1。

圖1 受電弓的組成

圖2 渲染后的受電弓

固定部分構(gòu)件我們可以進(jìn)行貼圖渲染操作。其中弓頭在其移動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有外觀面域的改變，能直接用于渲染。在弓頭的渲染操作之前，我們要進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的調(diào)整以保證其位移運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確。傳動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸縮長(zhǎng)度會(huì)存在變化，此處要拆分進(jìn)行渲染。鉸鏈處存在兩處銜接，分別處于弓頭和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意將坐標(biāo)中心上移至鉸鏈軸線。鉸鏈部分在交互運(yùn)動(dòng)中存在模型變化，需要模型細(xì)化。鉸鏈下部與底架連接自身圍繞底架進(jìn)行的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要將鉸鏈下部的中心坐標(biāo)移動(dòng)到底架的軸線處。鉸鏈本身的連接部分在部件移動(dòng)過(guò)程中不旋轉(zhuǎn)，但會(huì)帶動(dòng)鉸鏈下半部分進(jìn)行上下的位置平移。而鉸鏈的上半部分與中段連接處此時(shí)會(huì)連帶發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此種情況需要運(yùn)用時(shí)時(shí)渲染操作。利用機(jī)械原理我們不難分析出，鉸鏈上方旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)角與下方部件轉(zhuǎn)角是一種線性并存關(guān)系，通過(guò)計(jì)算可得：當(dāng)下方部件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1°，則有鉸鏈上方部件逆方向旋轉(zhuǎn)2°角，交互設(shè)計(jì)時(shí)我們將鉸鏈與模型有效進(jìn)行關(guān)聯(lián)編程操作，利用軸心鍵物體建模，并在編程時(shí)指定鉸鏈上下兩部分軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)一齊指向軸心建模型，并滿足計(jì)算結(jié)果，設(shè)置軸心鍵模型不顯示狀態(tài)僅參與計(jì)算，這樣有效的降低交互編程的難度,見(jiàn)圖2。

教學(xué)模塊交互功能需滿足四點(diǎn)：用戶需知機(jī)械結(jié)構(gòu)；內(nèi)部構(gòu)造與交互的識(shí)與讀；操作提示；相關(guān)問(wèn)題說(shuō)明。而內(nèi)部構(gòu)造與交互是設(shè)計(jì)軟件的重點(diǎn)。其中涵蓋了構(gòu)造顯示與模型輪廓顯示兩項(xiàng)內(nèi)容。

(1)內(nèi)部構(gòu)造顯示：利用光標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)的機(jī)車構(gòu)件或位置時(shí)，鼠標(biāo)右側(cè)顯示其關(guān)聯(lián)名稱。軟件制作時(shí)我們需要將模型文件命名后進(jìn)行編組，組名為SHOWNAME——“名稱顯示”，系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控和即時(shí)捕捉，被光標(biāo)捕捉到的對(duì)象進(jìn)入“OP”指令模塊，與編程初始項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)判斷名稱或組別處于“名稱顯示”組中則觸發(fā)顯示指令，并快速獲取鼠標(biāo)當(dāng)前坐標(biāo)，在相對(duì)于鼠標(biāo)位置偏置4-6個(gè)像素處顯示出該項(xiàng)目的具體名稱，完成名稱顯示,見(jiàn)圖3。

圖3 線性模塊觸發(fā)條件的交互編寫(xiě)

(2)模型輪廓顯示：將不便于觀察的模型邊界用閃爍得描邊勾勒出來(lái)，并具有多種色彩變幻。該項(xiàng)操作屬于復(fù)雜交互指令的范疇。因?yàn)槟Ｐ瓦吔缇哂胁豢煽匦?，并且編程操作的邊界并不是?shí)際模型體。模型載入Virtools軟件后臺(tái)，讀取模型的包含要素有：點(diǎn)云、點(diǎn)間的位置關(guān)系、邊界線數(shù)量。交互編程時(shí)我們先將模型邊界線全部進(jìn)行檢索，再將邊界線同時(shí)進(jìn)行設(shè)置，顏色參數(shù)靜值A(chǔ)和線寬靜值B，判斷其邊界線是否存在被其余幾何體包含的關(guān)系，即判斷邊界線是否處于模型的最外一層，將不處于在外層的輪廓統(tǒng)一設(shè)置為參數(shù)靜值0與線寬靜值0。最后將屏幕上不可見(jiàn)的線層渲隱藏，就完成了外部輪廓勾勒顯示。在實(shí)際光標(biāo)交互中，常利用邊界線勾勒所產(chǎn)生的面渲染效果，作為提示與指引功能。如圖4所示，左圖為虛擬人物遠(yuǎn)離受電弓時(shí)，部件輪廓突出產(chǎn)生“面渲染”，提示操作者遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)該部件。右圖為虛擬人物近距離觀察受電弓時(shí)，利用模型邊框勾勒功能清楚看到部件的組成。

受電弓本身為易損件，更換拆卸較頻繁。傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法開(kāi)展以點(diǎn)帶面的將其內(nèi)部構(gòu)造、機(jī)械原理展現(xiàn)出來(lái)。而通過(guò)交互設(shè)計(jì)后、在操作過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)受電弓升降、拆裝、維修和結(jié)構(gòu)的勾勒透視觀察效果。解決了教學(xué)中的難題，讓學(xué)生有人機(jī)互動(dòng)和沉浸之感。也為信息化教學(xué)提供了有力的支持。

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