基于物理臺(tái)架的汽車人機(jī)工程學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)方式應(yīng)用探索與實(shí)踐

支治　郭世永

摘要：在工業(yè)4.0可持續(xù)發(fā)展和高校新工科的背景下，傳統(tǒng)的高校教學(xué)模式難以跟上新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展步伐。為了強(qiáng)化學(xué)生的理論知識與工程實(shí)踐能力，在傳統(tǒng)的汽車人機(jī)工程學(xué)教和學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應(yīng)用場景提出了新的設(shè)計(jì)應(yīng)用課題。我校通過建立一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，將汽車人機(jī)工程學(xué)教學(xué)內(nèi)容融入虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生真實(shí)感受到整車設(shè)計(jì)過程。目的在于提升學(xué)生理論知識與工程實(shí)踐相結(jié)合能力，對現(xiàn)有教與學(xué)的學(xué)習(xí)模式進(jìn)行更新補(bǔ)充，對教與學(xué)工程應(yīng)用環(huán)境模式進(jìn)行變革完善。培養(yǎng)符合現(xiàn)代背景新領(lǐng)域的科技人才。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)學(xué)合作;協(xié)同育人;物理臺(tái)架;汽車人機(jī)工程學(xué);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）13-0223-03

一、引言

目前，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)正處于發(fā)展與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，急需培養(yǎng)出大批高素質(zhì)、適合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要、具有國際競爭力的創(chuàng)新人才。理論與實(shí)踐證明，產(chǎn)學(xué)合作是培養(yǎng)創(chuàng)新人才最重要的途徑[1]。在面向工業(yè)4.0可持續(xù)發(fā)展和高校新工科的戰(zhàn)略引領(lǐng)下，作為新的發(fā)展方向的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)頗受關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。因?yàn)樘摂M的學(xué)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)安全系數(shù)較高，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，掌握相關(guān)專業(yè)知識和操作技能為止。對汽車設(shè)計(jì)流程中的數(shù)字樣機(jī)評審、快速造型評審、人機(jī)工程分析、整車架構(gòu)方案布置、虛擬維修等各類應(yīng)用已提出了全新的需求，尤其在傳統(tǒng)的汽車人機(jī)工程學(xué)教和學(xué)的過程中，如何結(jié)合工程應(yīng)用場景提出了新的設(shè)計(jì)應(yīng)用課題;這些新的應(yīng)用需求就需要在傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，有一個(gè)面向工業(yè)應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述不同的應(yīng)用。我校通過一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)能夠同時(shí)滿足以上所有需求，不但能夠?qū)⑵嚾藱C(jī)工程學(xué)教學(xué)內(nèi)容融入虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且實(shí)現(xiàn)學(xué)生真實(shí)感受到整車設(shè)計(jì)過程中“造型評審”+“人機(jī)校核”+“數(shù)字樣機(jī)評審”的協(xié)同并行;對應(yīng)車輛工程專業(yè)認(rèn)證的新工科的要求，將CAD、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、汽車人機(jī)工程學(xué)、汽車輕量化與安全設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)和電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)等課程教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境結(jié)合，對老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)模式進(jìn)行改變和重構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生對于汽車設(shè)計(jì)、電動(dòng)汽車類課程工程應(yīng)用場景驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)任務(wù)為導(dǎo)向的面向新工科學(xué)生實(shí)踐能力提升，對現(xiàn)有教與學(xué)的學(xué)習(xí)模式進(jìn)行更新補(bǔ)充，對教與學(xué)工程應(yīng)用環(huán)境模式進(jìn)行變革完善。如圖1所示。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢

VR虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育在教育技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域可以說是的一個(gè)飛躍。它打造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，在汽車設(shè)計(jì)階段，教師和學(xué)生利用VR技術(shù)得到1：1的仿真感受，對車身數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，根據(jù)不同的部位和需要達(dá)到的不同感受選用材質(zhì)，設(shè)置不同的光照效果，達(dá)到高度仿真的目的。然后還可以對該模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互，改變配色、軸距、背景以及查看細(xì)節(jié)特征結(jié)構(gòu)。從多個(gè)角度全面觀察，并實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，從而使整個(gè)評審過程簡單、明了，使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。除了外觀和材質(zhì)，在汽車內(nèi)部的人機(jī)交互部件設(shè)計(jì)也同樣可以讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)揮作用。包括座椅、轉(zhuǎn)向盤、變速桿、指示燈、后視鏡、刮水器、車門手柄、多媒體娛樂以及空調(diào)等都可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。老師和學(xué)生可以借助VR設(shè)計(jì)開發(fā)汽車產(chǎn)品，開閉件的合理性、上下車的便利性，以及人機(jī)界面操作的合理性、便捷性都可以有效地在虛擬現(xiàn)實(shí)中獲得直觀真實(shí)的感受。通過虛擬工具，人們可以坐在汽車的座椅上，看到真實(shí)的駕駛室布置，觀察各式各樣的儀表板、變速桿及附屬裝置，可以檢查座椅的高低是否合適、儀表的按鍵是否在手可及的范圍內(nèi)、手指操作是否方便，以及車內(nèi)采光效果如何等，從而進(jìn)行更細(xì)致專業(yè)的調(diào)整。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的汽車人機(jī)工程學(xué)虛擬教學(xué)課堂，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生足不出戶便可以做各種人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)如裝配、視野、環(huán)境等，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。該平臺(tái)在教學(xué)和科研方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。

三、平臺(tái)特點(diǎn)及優(yōu)勢

我校擬開發(fā)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車人機(jī)工程學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，用于進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究，因?yàn)樵诋a(chǎn)教融合、校企合作的背景下，多元協(xié)同育人的平臺(tái)的構(gòu)建時(shí)非常的重要[2]。該平臺(tái)具有以下特點(diǎn)。

1.實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)字人體，通過動(dòng)作捕捉設(shè)備和數(shù)據(jù)手套，可以捕捉人身體的運(yùn)動(dòng)信息和手部操作信息，這些數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)發(fā)送到軟件當(dāng)中，并且與數(shù)字人體匹配，建立運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系，這樣就可以實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)數(shù)字人體，將人體的運(yùn)動(dòng)信息和手部的操作信息完全復(fù)制到數(shù)字人體上。

2.半實(shí)物人機(jī)工程仿真解決方案在傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，引入了“物理臺(tái)架+虛擬現(xiàn)實(shí)”這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠幫助用戶實(shí)現(xiàn)“造型評審”+“人機(jī)工程分析”+“數(shù)字樣機(jī)評審”的協(xié)同并行?！拔锢砼_(tái)架+虛擬仿真”系統(tǒng)，增加觸覺反饋極大提升了交互體驗(yàn)?！拔锢砼_(tái)架+虛擬仿真”借助追蹤系統(tǒng)，標(biāo)定現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與用戶頻繁交互的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真設(shè)備的精準(zhǔn)匹配。

3.人機(jī)工程虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是將人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)理論，以可視化、可操作化的形式變成一種虛擬現(xiàn)實(shí)教與學(xué)的課堂實(shí)踐。

四、建設(shè)內(nèi)容與實(shí)施路徑

我校擬開發(fā)一套專注于人機(jī)工程應(yīng)用汽車人機(jī)工程的仿真分析軟件，主要針對人機(jī)工程仿真分析應(yīng)用需求，是集數(shù)字人體建模、作業(yè)任務(wù)仿真、人機(jī)工程分析及虛擬現(xiàn)實(shí)于一體的軟件解決方案。

1.使用最新版國標(biāo)人體測量數(shù)據(jù)，帶來更準(zhǔn)確、更權(quán)威的中國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人體。

2.可以導(dǎo)入不同CAD格式的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入過程無須進(jìn)行任何格式轉(zhuǎn)換，并且自動(dòng)進(jìn)行輕量化操作，保留必須的結(jié)構(gòu)尺寸信息，實(shí)現(xiàn)CAD模型輕量化快速導(dǎo)入。

3.支持VRPN（通用虛擬現(xiàn)實(shí)通信協(xié)議），包括市場上主流的虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)，如全身動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔等。

4.利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)手段及配套軟硬件，完成教學(xué)組織與學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人在虛擬仿真環(huán)境下進(jìn)行基礎(chǔ)人體工程仿真和分析驗(yàn)證。

五、結(jié)論

（1）學(xué)生沉浸于虛擬的環(huán)境里，并具有在真實(shí)環(huán)境里的相同體驗(yàn)，提高學(xué)生興趣的同時(shí)，也讓學(xué)生充分發(fā)揮了自己的實(shí)踐能力，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供新型人才。

（2）通過引入物理臺(tái)架這樣的平臺(tái)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給學(xué)生帶來更逼真效果。

（3）讓虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)制造領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡海青.產(chǎn)學(xué)合作培養(yǎng)人才政策與實(shí)踐的國際經(jīng)驗(yàn)與啟示[J].高等工程教育研究，2014，（01），45-51.

[2]趙慧勤，陳曉慧.產(chǎn)教融合理念下應(yīng)用型本科院校多元協(xié)同育人模式研究-以山西大同大學(xué)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)為例[J].教育理論與實(shí)踐，2018，38（36）：6-8.

Research and Practice on the Application of Virtual Reality Technology Learning Mode of Automobile Ergonomics Based on Physical Bench

ZHI Zhi，GUO Shi-yong

（School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong 266520，China）

Abstract：Under the background of sustainable development of industry 4.0 and new engineering in colleges and universities，the traditional teaching mode in colleges and universities can hardly keep pace with the development of new industries and new economy.In order to strengthen the students' theoretical knowledge and engineering practice ability，based on the traditional teaching and learning of automobile ergonomics，a new design application subject is proposed by combining engineering application scenarios.By establishing a system platform，our school integrates the automobile ergonomics teaching content into the virtual reality learning environment，so that students can truly feel the whole vehicle design process.The purpose is to improve students' ability to combine theoretical knowledge with engineering practice，update and supplement the existing teaching and learning mode，and reform and improve the mode of teaching and learning engineering application environment.Cultivating scientific and technological talents in new fields in line with the modern background.

Key words：industry-university;cooperation;Collaborative education;Physical bench;Automobile ergonomics;Virtual reality technology