沉浸式機加工虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)研究

莊建軍, 張博凱, 劉 喆

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 南京 210044)

機械加工是智能制造中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了更好地掌握該領(lǐng)域的技能和知識,進入車間實訓(xùn)室進行機械加工操作的學(xué)習(xí)過程是不可或缺的。目前高校學(xué)習(xí)機加工技術(shù)的主要途徑還是課堂理論知識與車間實訓(xùn)室實習(xí)相結(jié)合的方式。現(xiàn)實機加工車間對學(xué)生而言較為陌生,學(xué)習(xí)過程中意外事故時有發(fā)生。加工過程中,學(xué)生缺乏理論知識,對繁多的操作步驟缺乏理解,而有限的教師和實驗室設(shè)備資源也難以滿足大量學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。目前國內(nèi)多數(shù)高校的理工類課程都開設(shè)了機械加工實訓(xùn)課程[1],實驗設(shè)備作為實驗室中的固定設(shè)備,缺乏擴展性和更新的可能,會隨著課程進步與實際應(yīng)用脫節(jié)。學(xué)校通常只能配置有限數(shù)量的車床,距離滿足實際需求仍然具有一定差距[2]。

隨著虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)備的提升,各行各業(yè)對VR技術(shù)的需求日益旺盛,VR技術(shù)也取得了巨大進步,傳統(tǒng)的線下教學(xué)活動已經(jīng)無法滿足高校師生專業(yè)學(xué)習(xí)的需求。為了突破現(xiàn)實硬件瓶頸限制,一些高校將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)及實驗。VR技術(shù)在機械加工實訓(xùn)教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用眾多。尚振國等[3]研究了組合夾具設(shè)計“虛實結(jié)合”實驗平臺的開發(fā),研發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化、可擴展的機械元件庫;蔡寶等[4]研究了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在銑削加工實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。VR技術(shù)在實驗教學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的潛力,能使教學(xué)、實驗過程更加形象化[5],在提高學(xué)生的專注度及教學(xué)效率的同時,也可助力“新工科”“工程教育專業(yè)認證”等相關(guān)教育模式的研究與發(fā)展。

目前,高校教學(xué)方式發(fā)生了從線下到線上的重大轉(zhuǎn)換,為深化教育教學(xué)與信息技術(shù)深度融合、持續(xù)推進線上線下混合式教學(xué)改革與學(xué)習(xí)革命提供了重大機遇。新冠肺炎疫情的爆發(fā)讓線下實訓(xùn)難以進行,一些需要和工廠企業(yè)合作的培訓(xùn)項目更是受到防控的阻礙[6]。基于虛擬現(xiàn)實平臺的機加工實訓(xùn)系統(tǒng)為機械加工教學(xué)提供了新手段。該系統(tǒng)針對VR技術(shù)在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用,選取其中一部分進行詳細功能設(shè)計和開發(fā)介紹,將實訓(xùn)過程搬到虛擬空間中,細化理論知識,精講操作環(huán)節(jié),將機械加工知識有邏輯性地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前。將基于VR技術(shù)的仿真實訓(xùn)系統(tǒng)引入到教學(xué)中可以讓學(xué)生自己動手在虛擬空間中反復(fù)操作,豐富實驗教學(xué)過程,促進理論知識理解,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高實際操作效率,降低事故發(fā)生概率。

1 機加工虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

機加工虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)針對普車加工,依托 Solidworks 和 3Ds Max 建模軟件完成車間地形環(huán)境和虛擬機床的建模,利用3Ds Max將實體模型轉(zhuǎn)換為三角面模型降低數(shù)據(jù)處理量,完成模型優(yōu)化;利用 Unity 3D 引擎和 C# 腳本語言構(gòu)建多級交互系統(tǒng)。其開發(fā)過程以實際需求為導(dǎo)向,融合實際加工實驗過程中多個學(xué)習(xí)操作環(huán)節(jié),設(shè)計了場景漫游、設(shè)備認知、理論知識和操作模擬4大模塊單元(圖1),讓用戶在逼真的虛擬環(huán)境中沉浸式熟悉實訓(xùn)環(huán)境,認識加工設(shè)備,理解加工原理,學(xué)習(xí)理論知識,熟悉加工步驟。4大模塊設(shè)計概念如下。

圖1 實訓(xùn)系統(tǒng)方案

場景漫游模塊:場景漫游模塊設(shè)計了逼真的三維場景,模擬了現(xiàn)實中機械加工車間的布局,系統(tǒng)將用戶傳送到固定的起始漫游點,用戶可通過鍵鼠操作控制漫游觀察三維場景。

設(shè)備認知模塊:為了使用戶對車床設(shè)備有整體認知,設(shè)備認知模塊設(shè)計了各零部件實物認知和各零部件功能介紹兩大模塊,用戶即使沒有接觸過真實車床設(shè)備也可以迅速建立對車床的了解。

理論知識模塊:為了考核新手在上手操作前對機加工理論知識的了解,系統(tǒng)設(shè)計了理論學(xué)習(xí)考核模塊,搭建了答題系統(tǒng)界面,界面讀取預(yù)存的題庫供用戶思考學(xué)習(xí),完成后系統(tǒng)自動考核打分供教師評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

操作模擬模塊:操作訓(xùn)練模塊中針對機加工車間中常見的加工操作設(shè)計了演示和實操流程,用戶可根據(jù)場景界面提示的步驟操作機床,依次對機械元件進行加工,鍛煉使用者的操作能力。系統(tǒng)將現(xiàn)實實訓(xùn)室虛擬化,擺脫現(xiàn)實儀器設(shè)備的限制。用戶僅需維護軟件系統(tǒng),無須架設(shè)機械加工設(shè)備。虛擬化的實驗環(huán)境具有可試錯、高用戶量上限、教師實時測評方便、低維護成本的特點。

相較于現(xiàn)有的虛擬實訓(xùn)軟件,本文中所設(shè)計的系統(tǒng)旨在模擬機械加工的車工學(xué)習(xí)全流程。其中,學(xué)習(xí)流程的全流程設(shè)計和新穎的答題考核方式增加了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)流程完整性和可玩性。操作模擬模塊的設(shè)計實現(xiàn)了機床實操的虛擬化,即使沒有真實的機械加工設(shè)備,用戶也能在虛擬實驗環(huán)境中進行實操訓(xùn)練,從而擺脫了現(xiàn)實儀器設(shè)備的限制,充分發(fā)揮虛擬實訓(xùn)的優(yōu)勢。

2 實訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

2.1 整體實現(xiàn)邏輯

機加工虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)實中車間的比例制作地形環(huán)境和機加工車床模型,借助Solidworks和3Ds Max三維建模軟件搭建模擬機床模型和虛擬車間地形的布局,創(chuàng)建虛擬元件資產(chǎn)庫。三維模型的準(zhǔn)備包含幾何形狀建模、貼圖建模、運動邏輯建模[3]。三維模型制作的流程主要包括以下幾部分:收集整理模型所需資料、三維建模、模型優(yōu)化、材質(zhì)貼圖、渲染烘焙、輸出文件[7]。幾何形狀建模依托Solidworks軟件搭建車間車床設(shè)備的基本幾何形狀白模,建模過程中考慮區(qū)分靜止部件和運動部件,方便后續(xù)編輯部件的運動邏輯。為了讓用戶體驗更加真實的操作設(shè)備,貼圖建模使用Photoshop設(shè)計制作了符合實際效果的三維模型貼圖和交互界面樣式,經(jīng)過校正處理后作為幾何模型的貼圖素材[8]。將制作好的模型和界面導(dǎo)入Unity 3D環(huán)境中進行運動建模,在Visual Studio中使用C#語言編寫邏輯交互功能,通過部件的旋轉(zhuǎn)和平移模擬機械加工的切削過程。系統(tǒng)搭建的技術(shù)實現(xiàn)邏輯如圖2所示。

圖2 實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)實現(xiàn)邏輯

2.2 環(huán)境和設(shè)備建模

Unity3D支持導(dǎo)入多種格式的模型和貼圖,將在Solidworks和3Ds Max中搭建的車床模型等數(shù)字資產(chǎn)導(dǎo)入Unity 3D中[9],賦予材質(zhì)貼圖并設(shè)計相應(yīng)操作交互即可搭建逼真的虛擬實訓(xùn)場景。由于 Solidworks 建立的模型為實體模型,直接導(dǎo)入 Unity 3D中會產(chǎn)生較大計算量降低系統(tǒng)演示性能,因此輸出STL格式并導(dǎo)入3Ds Max中,運行軟件的面優(yōu)化命令,添加面平滑命令將實體模型轉(zhuǎn)換為三角面模型,減少模型之間重疊或相交的多余面[10],降低 Unity 平臺的數(shù)據(jù)處理量,完成模型優(yōu)化[11]。

2.3 UI交互設(shè)計

本系統(tǒng)注重體現(xiàn)三維沉浸感的交互,最主要的方式是通過射線與碰撞實現(xiàn)用戶可以通過在三維空間中沿著一條無限長的射線進行選取和操作,響應(yīng)碰撞事件來完成相應(yīng)的交互。射線軌跡一旦與添加了碰撞器的物體發(fā)生碰撞,軟件會記錄碰撞,執(zhí)行操作(圖3)。系統(tǒng)中的射線可以實現(xiàn)如點擊懸浮在半空的用戶界面(UI)以及虛擬按鍵等目標(biāo)選擇操作[12]。為了模擬學(xué)生在機加工學(xué)習(xí)中的多個關(guān)鍵環(huán)節(jié),針對設(shè)備認知、理論知識和實際操作展開教學(xué),場景中設(shè)計了手部菜單,方便用戶導(dǎo)航至不同功能場景操作學(xué)習(xí)。手部面板利用Unity中的 UI 面板進行制作,利用Canvas組件搭建菜單面板,面板上各按鈕用Button 組件控制[13]。在實際操作過程中,通過不斷按下鼠標(biāo)中鍵可對手部菜單進行顯示/隱藏切換,避免遮擋視線中進行的操作。系統(tǒng)按照用戶學(xué)習(xí)的邏輯層級設(shè)計了兩級漸進式菜單,用戶可以逐步點擊按鈕到達自己需要了解學(xué)習(xí)的部件信息。菜單以列表形式展示,有邏輯性,讓整個系統(tǒng)清晰易懂。交互界面友好,使學(xué)習(xí)者能夠直觀地操作和使用系統(tǒng)(圖4)。場景中添加了背景音樂,輕松舒緩,使用戶在輕松愉快的氛圍里完成操作與學(xué)習(xí)。

圖3 碰撞檢測邏輯

圖4 手部菜單和設(shè)備認知模塊展示

界面設(shè)計遵循置界面于用戶控制之下、減少用戶的記憶負擔(dān)、保持界面一致性等原則[14]。設(shè)備認知模塊中設(shè)計了兩層級的菜單按鈕,可使用手柄上的指針與菜單按鈕進行交互,點擊不同部件的按鈕彈出對應(yīng)部位文字介紹,同時對指定部分進行藍色外發(fā)光提示。通過手部菜單的多層級操作,用戶可以了解車床的各個組成部分,通過各部分的介紹文字學(xué)習(xí)使用車床的規(guī)范操作。為了更好地展示文字效果,采用outline外發(fā)光處理各按鈕,上下偏移和左右偏移根據(jù)實際效果設(shè)置。顏色透明通道選擇合適的透明度,這樣可以讓文字顯得更有質(zhì)感。對于“主輪箱”“交換齒輪箱”“三爪卡盤”“刀架”“進給箱”“絲杠”“光杠”“操作杠”8個不同的部件按鈕添加不同的按鈕監(jiān)聽,以便實現(xiàn)點擊不同按鈕時出現(xiàn)監(jiān)聽內(nèi)容,包括外發(fā)光、按鈕文字提示以及介紹文字。

由于車床不同部位案例數(shù)量較多,設(shè)計中如何將它們方便、高效地展示是一個關(guān)鍵問題。因為每個按鈕都對應(yīng)一個部位、一個介紹銘牌和一個介紹面板。所以統(tǒng)一格式劃分為一個類,命名為Buttons。外部分別將按鈕以及對應(yīng)部件,對應(yīng)介紹面板拖入buttons列表內(nèi),方便直接調(diào)用。外發(fā)光以及部位介紹面板顯示隱藏。

2.4 理論知識模塊和操作模擬模塊實現(xiàn)

為方便教師考核學(xué)生對理論知識的掌握情況,系統(tǒng)設(shè)計了理論知識考核模塊。將預(yù)編寫的題庫寫入Excel文檔,再通過FileStream函數(shù)對Excel里的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進行讀取并調(diào)用。

記分系統(tǒng)針對答題對錯進行得分統(tǒng)計,得出用戶成績通過點擊手部菜單上的“理論知識”按鈕,可直接瞬移到答題指定位置。手柄上的指針與UI進行交互,選擇選項點擊確定即可完成答題。模塊根據(jù)每題得分累加,滿分為100分(圖5)。

圖5 理論知識模塊界面

2.5 操作模擬模塊實現(xiàn)

針對機床操作模擬,系統(tǒng)設(shè)計了用戶可定義的多個自由度,包含轉(zhuǎn)速控制、車刀架橫向運動、車刀架縱向運動等。Transform類是Unity中最為常用的應(yīng)用程序接口(API)之一,它被用于描述和控制物體的位置、旋轉(zhuǎn)、縮放屬性。通過使用Transform類,可以輕松地在三維世界中定位和操縱游戲?qū)ο骩15]。部件操作動畫是根據(jù)用戶操作,調(diào)用相應(yīng)的Transform組件,控制車床各組成零部件的移動來實現(xiàn)的[16]。通過Unity3D的iTween函數(shù)靈活控制虛擬車床零部件的移動和旋轉(zhuǎn),腳本繼承VRTK_InteractableObject組件以進行物體交互。系統(tǒng)在車床上方設(shè)計了懸浮的轉(zhuǎn)速控制滑塊,靈活控制卡盤轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速并每隔0.5 s抓取顯示(圖6)。車刀包含橫向、縱向運動等多個操作自由度,用戶觸發(fā)相應(yīng)的進給運動按鈕后,將手輪旋轉(zhuǎn)到正確的位置,此時絲杠或光杠開始旋轉(zhuǎn),并帶動溜板箱里的傳動機構(gòu),從而實現(xiàn)刀架的縱向或橫向平移運動[17]。在虛擬操作中,如果模型互相穿透重疊也就是產(chǎn)生“穿模”現(xiàn)象將會大大影響模擬效果。為了使三維物體接觸碰撞后不重疊,需要對組件中的 Constraints 屬性進行設(shè)置,為物體添加剛體組件[18]。系統(tǒng)設(shè)計中強調(diào)安全生產(chǎn),用戶需抓取并戴上安全帽及手套才可繼續(xù)后續(xù)操作。

圖6 車刀座運動及轉(zhuǎn)速顯示

切削算法是實現(xiàn)機械切削效果的核心,在計算機圖形學(xué)、數(shù)值模擬中有很多常用的算法。切削過程基于對運動過程的積分解析,常見的積分算法包括歐拉前向法、歐拉后向法、Verlet積分等。各種積分算法各自有不同的特點和應(yīng)用場景。各種積分算法的基本邏輯是:確定時間步長dt,然后根據(jù)這一刻的初始值計算延時dt的速度量和位移量,執(zhí)行切削操作。在模擬車刀切削過程中,各種數(shù)值積分算法有各自的優(yōu)缺點。

具體仿真中,歐拉前向模擬物體運動效果的精度有限。因此,在使用歐拉前向法進行切削模擬時,需要根據(jù)具體需求進行調(diào)整,縮短仿真的時間步長或者加入更多的物理模型來優(yōu)化模擬效果。歐拉前向法簡單易懂,易于實現(xiàn),但它的穩(wěn)定性不夠,并且誤差會隨著時間步長的增加而增大,不夠精確,容易出現(xiàn)震蕩。因此,為了保證仿真加工過程的精度,仿真使用Verlet積分法。Verlet積分算法具有很好的保真度和穩(wěn)定性,而且計算精度比歐拉法高,不易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)場景中,游戲物體由一系列的多邊形頂點組成。運動和加工過程中這些頂點的位置可以通過Verlet積分進行更新。在每個時間步長內(nèi),計算車刀和工件的運動和受力情況,并使用Verlet積分來更新頂點的位置。

根據(jù)速度和加速度計算物體的位置,并且使用平均速度來推導(dǎo)位置,然后用新位置重新計算加速度,模擬物體在給定時間步長內(nèi)的運動,由此更新物體的狀態(tài)。根據(jù)牛頓第二定律,可以計算出物體在每個時間步長內(nèi)的加速度,然后使用以下公式來更新其位置和速度:

p(t+dt)=2p(t)-p(t-dt)+a(t)dt2

(1)

式中:p(t)為物體在時間t時的位置;a(t)為粒子在當(dāng)前時間點受到的加速度(通常由牛頓第二定律計算得出);dt為時間步長。Verlet積分算法的優(yōu)點是它是無條件穩(wěn)定的,而且在處理非線性問題時具有很好的保真度。Verlet積分算法基于基本的牛頓運動定律,即力等于質(zhì)量乘以加速度。由于它只依賴上一時刻的位置和加速度信息,因此在實現(xiàn)時并不需要存儲過多的歷史數(shù)據(jù)。

車床的運動方向包含橫向、縱向運動維度。車床的車刀架是進行切削的主要部件之一,它的運動方式?jīng)Q定了車削加工的效率和精度。車刀架主要有以下運動方式。

前后橫移:車刀架左右橫移是指車刀架沿著床身橫向移動,用于調(diào)整車刀與工件的距離和定位位置。車刀架前后橫移可以通過手動操作或自動控制來實現(xiàn),自動控制可以提高生產(chǎn)效率和加工精度。

垂直升降:車刀架垂直升降是指車刀架沿著床身豎直方向上下移動,用于調(diào)整車刀與工件的接觸壓力和切削深度。車刀架垂直升降可以通過手動操作或自動控制來實現(xiàn),自動控制可以根據(jù)加工工藝和工件形狀實時調(diào)整升降速度和位置,提高加工精度和表面質(zhì)量。

多種運動方式的組合和協(xié)調(diào),可以實現(xiàn)各種不同的車削加工操作,如粗車、精車、車削圓柱面、車削錐面、車削螺紋、退刀等。

車刀架運動腳本實現(xiàn)了車床操作的啟動、前移、切削、退刀等功能。在進入前移狀態(tài)后,程序會先將前移操作的互動框高亮顯示,然后給互動框綁定 clickRotate2.action 委托,在進行前移操作后會使互動框高亮取消,進入切削狀態(tài)。

在進入切削狀態(tài)后,程序會將切削操作的互動框高亮,并給互動框綁定 clickRotate.action 委托,在進行切削操作后會使互動框高亮取消,進入退刀狀態(tài)。

為模擬車刀架運動物理交互,腳本需繼承VRTK_InteractableObject。

2.6 切削過程仿真實現(xiàn)與優(yōu)化

針對車刀切削過程,本模塊采用Verlet積分方法模擬其物理過程。算法使用了協(xié)程和動態(tài)時間步長(Time.deltaTime)來優(yōu)化性能并保證切削過程在不同設(shè)備上具有一致的表現(xiàn)。

協(xié)程:協(xié)程是一種編程結(jié)構(gòu),允許腳本在多幀之間分配計算任務(wù),從而提高性能。在Unity中,協(xié)程是通過IEnumerator接口實現(xiàn)的,可以在執(zhí)行過程中暫停和恢復(fù)。在本腳本中,使用協(xié)程來執(zhí)行切削操作,每次迭代都執(zhí)行一次碰撞檢測和切削形狀更新。

動態(tài)時間步長:由于模擬切削過程需要一定的運算量,若設(shè)置固定的時間步長(如0.01 s),系統(tǒng)運行過程中硬件配置和計算量會影響游戲過程的幀率,固定的時間步長無法與實際幀率相匹配,因此需要根據(jù)實際幀率動態(tài)調(diào)整時間步長。為此,算法使用Time.deltaTime作為時間步長,它表示上一幀到當(dāng)前幀所用的時間。Time.deltaTime表示上一幀到當(dāng)前幀所用的時間,可以用作動態(tài)時間步長。這可以確保在不同設(shè)備上具有一致的表現(xiàn)。在本腳本中,使用Time.deltaTime來計算刀具的新位置。

Verlet積分算法是一種常用的數(shù)值積分算法,由于速度量基于隱式推導(dǎo),速度和位置的同步性較高。車刀切削腳本實現(xiàn)了一個基于Verlet積分算法的車床運動切削算法,并增加了碰撞檢測和切削形狀更新。在Start()方法中,首先獲取待加工物體的MeshFilter組件,并獲取其網(wǎng)格數(shù)據(jù)。初始化位置和加速度數(shù)組,其中oldPositions初始化為網(wǎng)格頂點數(shù)組,currentPositions和accelerations與其大小相同。開始模擬,通過啟動協(xié)程SimulationCoroutine()來進行模擬。在SimulationCoroutine()方法中:

1)獲取待加工物體的MeshFilter組件和網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2)獲取網(wǎng)格的法線數(shù)據(jù),用于計算切削力的方向。

3)遍歷質(zhì)點的當(dāng)前位置數(shù)組currentPositions。

4)計算受到的力,這里將切削力定義為切削力量基準(zhǔn)cutForce乘以切削深度cutDepth乘以前進速度feedRate再乘以法線向量normals[i],表示力的方向與法線方向一致。

5)計算加速度,假設(shè)質(zhì)量為1,所以加速度等于力。

6)使用Verlet積分算法更新位置,根據(jù)式(1)來計算新的位置。

7)更新位置數(shù)組,將當(dāng)前位置保存到舊的位置數(shù)組,將新的位置保存到當(dāng)前位置數(shù)組。

8)更新網(wǎng)格的頂點數(shù)據(jù),將當(dāng)前位置數(shù)組賦值給網(wǎng)格的頂點數(shù)組,并重新計算網(wǎng)格的邊界和法線。

9)等待下一幀,通過yield return null來讓協(xié)程暫停,并在下一幀繼續(xù)執(zhí)行。

腳本為切削過程添加了切削參數(shù),包含切削深度、前進速度等。通過添加了兩個切削參數(shù):切削深度(cutDepth)和前進速度(feedRate),這兩個參數(shù)是以公有字段(public fields)的形式定義的,因此可以在Unity編輯器中直接設(shè)置。定義參數(shù)如下:

public float cutDepth = 0.1f; //切削深度;

public float feedRate = 0.01f; //前進速度。

此外,為模擬真實切削過程,腳本實現(xiàn)了一個更真實的切削力模型,切削力會隨著切削深度、前進速度等參數(shù)的變化而變化。車刀前進的阻力應(yīng)與切削深度成正比。定義切削力參數(shù)如下:

Vector3 force = cutForce * cutDepth *

feedRate * normals[i]。

cutForce是切削力的基準(zhǔn)值,normals[i]是物體表面在頂點處的法線方向,切削力沿著法線方向作用。最后,腳本用切削力數(shù)值來計算加速度,將加速度導(dǎo)入Verlet積分法,根據(jù)記錄的每時刻位置計算下一時刻位置坐標(biāo),從而更新頂點位置、完成切削過程。

3 硬件平臺與系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)選用Oculus Quest 2作為操作的硬件平臺。作為Meta公司于2020年Facebook Connect上正式推出的一款的VR一體機,它使用液晶顯示屏(LCD),搭載高通Snapdragon XR2作為計算平臺,配備6 GB運行內(nèi)存。單眼分辨率為1 832×1 920,雙眼分辨率為3 664×1 920,支持72 Hz和90 Hz的刷新率。Oculus Quest 2包含一對6自由度感知的操作手柄,可以實現(xiàn)本機加工虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)的所有手勢操作功能,如對物體的抓取、手柄射線、虛擬按鈕點擊等。Unity 3D為開發(fā)者提供了適用于各種VR設(shè)備的接口,可以在諸如Oculus Quest 2等設(shè)備上消費VR內(nèi)容。

系統(tǒng)調(diào)用VRTK組件中的VRTK_ ControllerEvents腳本,該腳本包含虛擬環(huán)境中的多種交互手勢,包括VRTK_Interact Grab(抓取)、VRTK_Interact Touch(觸摸)、 VRTK_Interact Use(可使用特定物體,扣動手柄扳機啟動)、Controller_SimplePointer(遠程定點移動)[19]。配置好Unity 3D環(huán)境,導(dǎo)入模型資產(chǎn)并設(shè)計交互后,用戶可以利用VRTK組件和Oculus Quest 2等VR頭顯設(shè)備進行交互,瀏覽虛擬場景并完成學(xué)習(xí)訓(xùn)練。系統(tǒng)內(nèi)的場景內(nèi)容和理論題庫可以靈活定制,教師可預(yù)設(shè)機加工操作步驟讓用戶根據(jù)情況學(xué)習(xí)不同的理論知識和加工步驟,增加系統(tǒng)的交互性和實用性。系統(tǒng)各模塊緊密銜接,有利于用戶入門機加工操作,通過鼠標(biāo)、鍵盤以及 VR 眼鏡、手柄等交互設(shè)備沉浸在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中,建立起對車床機械加工的整體認知。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種基于VR技術(shù)的機加工虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng),包括場景漫游、設(shè)備認知、理論知識和操作模擬4大模塊單元,系統(tǒng)具有較強的實戰(zhàn)性,對于操作者不需要依賴真實車床,只需要程序運行即可對車床進行操作與學(xué)習(xí),能夠較好地實現(xiàn)人與車床的交互?，F(xiàn)如今,VR早已步入機械行業(yè)[20],能夠讓使用者更快更好地學(xué)會如何操作機器,從而最大程度降低受傷的風(fēng)險,諸如此類的應(yīng)用中VR車床只是其中之一。虛擬實驗在虛擬的空間中模擬了機械加工的交互界面,為用戶沉浸式地提供了富有構(gòu)想性的交互體驗[21]。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐漸滲透到工程實踐和教學(xué)的各個方面,虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)改革是一項有益的探索。