虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)器人技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展

文/遲杏

《教育部2010-2020年信息化建設(shè)十年規(guī)劃》文件中明確強(qiáng)調(diào)了國(guó)家對(duì)職業(yè)教育信息化技術(shù)投入的重視，該規(guī)劃對(duì)職業(yè)教育的發(fā)展方向作出明確指示：在職業(yè)教育中信息化技術(shù)的應(yīng)用是培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality ,VR）在提升職業(yè)院校信息化應(yīng)用水平上扮演了重要角色。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展概況

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，使操作者在虛擬環(huán)境中身臨其境，VR 技術(shù)匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)等一系列高端技術(shù)。60年代VR 技術(shù)除了應(yīng)用在少數(shù)軍工方面的研究外，并不被研究人員所關(guān)注。直到第17 屆國(guó)際圖形會(huì)議上科學(xué)家向人們展示了VR 技術(shù)，其強(qiáng)大的圖形處理功能、先進(jìn)的多媒體技術(shù)、高端的輸入輸出設(shè)備，呈現(xiàn)在人們眼前的是極其真實(shí)的三維模擬環(huán)境。從此VR 技術(shù)吸引了大量科學(xué)家不斷研究創(chuàng)新，在各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)在VR 技術(shù)的研究上起步較晚，近幾年來(lái)，北京航天航空大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名高校從事VR 的研究，并在直升機(jī)虛擬仿真、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境虛擬仿真、模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)等方面取得了較好的成果。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到職業(yè)教育也是近幾年的事，南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院與深圳國(guó)泰安有限公司聯(lián)合開發(fā)的CRH 動(dòng)車組一級(jí)維修VR 教學(xué)系統(tǒng)，被翻譯成多國(guó)語(yǔ)言，成為中國(guó)高鐵“一帶一路”人才培養(yǎng)技術(shù)資源。深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院、福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院、成都信息工程大學(xué)天府學(xué)院均成立了虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新中心，并取得很好的教學(xué)成果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用效果

2.1 VR實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建

VR 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括桌面式VR 操作平臺(tái)（如圖1所示）、機(jī)器人專業(yè)VR 實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件。桌面式VR 操作平臺(tái)由觸控一體機(jī)、手寫射線筆、3D 追蹤眼鏡組成。使用者帶上3D 眼鏡，手持射線筆，結(jié)合桌面式全息操作系統(tǒng)，進(jìn)入機(jī)器人VR 實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，選擇不同的軟件包就可進(jìn)入模擬工廠環(huán)境，操控機(jī)器人，執(zhí)行任務(wù)。進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人本體組成頁(yè)面，可以在虛擬三維空間對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、拆解等交互動(dòng)作，操作者可以拖動(dòng)“空氣”中的機(jī)器人，清楚的觀察機(jī)器人機(jī)械臂、各軸、基座等各部分，從多個(gè)角度觀察機(jī)器人，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教操作，選擇不同坐標(biāo)系，讓機(jī)器人按操作者指令運(yùn)動(dòng)，操作者如同在操作真實(shí)機(jī)器人一般，感受到無(wú)以倫比的空間感與真實(shí)感。

2.2 在教學(xué)中的應(yīng)用效果

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引進(jìn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中是專業(yè)實(shí)訓(xùn)+信息化先進(jìn)教學(xué)手段的結(jié)合，采用多樣化 VR 技術(shù)以及 VR 實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，開展工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的輔助教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，有效的將書本上平面知識(shí)轉(zhuǎn)化為立體、沉浸、互動(dòng)的展示內(nèi)容，學(xué)生們?cè)谏砼R其境的場(chǎng)景中學(xué)習(xí)，通過操作實(shí)訓(xùn)軟件選擇場(chǎng)景，模擬在不同工作環(huán)境中完成不同的工作任務(wù)，例如學(xué)生要完成工業(yè)機(jī)器人碼垛任務(wù)，只需要進(jìn)入實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件中對(duì)應(yīng)的軟件包中編寫程序，模擬操作機(jī)器人運(yùn)行程序，按照工作任務(wù)要求完成碼垛任務(wù)，學(xué)生的體驗(yàn)與真實(shí)工廠環(huán)境中一致。甚至還可完成機(jī)器人焊接等比較危險(xiǎn)的工作任務(wù)，只需要添加對(duì)應(yīng)的焊接軟件包就可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)教學(xué)中還結(jié)合PPT、動(dòng)畫、微課等多種手段輔助教學(xué),將VR 教學(xué)的作用發(fā)揮到極致，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更透徹，記憶更深刻，學(xué)習(xí)更有興趣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不受場(chǎng)地限制，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)到各廠家、各種型號(hào)的機(jī)器人技術(shù)，既極大的節(jié)省了教學(xué)成本，又可避免某些真實(shí)實(shí)訓(xùn)中操作帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，有效提升職業(yè)院校教學(xué)實(shí)訓(xùn)效果，讓實(shí)訓(xùn)室真正成為職業(yè)教育第一課堂。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用展望

圖1：桌面式虛擬操作平臺(tái)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的人機(jī)交互界面，操作者真實(shí)的體驗(yàn)，為VR 技術(shù)發(fā)展帶來(lái)廣闊的前景。越來(lái)越多的研究人員致力于推動(dòng)VR 技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用成果，呂曉玲等人利用計(jì)算機(jī)、真實(shí)機(jī)器人、5DT 無(wú)線數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡、應(yīng)用軟件EON 等搭建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙操作機(jī)器人控制系統(tǒng)。真實(shí)機(jī)器人與虛擬機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，而操作者只需帶上立體眼鏡和數(shù)據(jù)手套，即可進(jìn)入模擬工廠環(huán)境，看到外形、結(jié)構(gòu)、型號(hào)與真實(shí)機(jī)器人對(duì)應(yīng)的仿真機(jī)器人，操作者在空氣中對(duì)眼前的仿真機(jī)器人進(jìn)行操作，真實(shí)機(jī)器人隨著仿真機(jī)器人的動(dòng)作也跟著動(dòng)作，兩個(gè)機(jī)器人姿態(tài)一致、節(jié)奏一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控操作。而在職業(yè)院校機(jī)器人教學(xué)中引入遙操作系統(tǒng)，將最前沿的技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，將會(huì)為學(xué)生帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究在軍事、航天的模擬訓(xùn)練中起到舉足輕重的作用，具有實(shí)際意義。