曾祥君

大連市輕工業(yè)學校，遼寧 大連 116023

淺談機車受電弓部件的虛擬仿真交互設計

曾祥君

大連市輕工業(yè)學校，遼寧 大連 116023

自國家提出“信息化共享平臺”建設目標以來，遼寧省教育廳在應用虛擬現(xiàn)實技術進行教學方面給予了大量的資金和政策扶持。自15年克強總理提出要快速推動我國的制造業(yè)發(fā)展，并向國際社會推廣中國的高速鐵路和城際鐵路以來，軌道運輸行業(yè)對操作員工需求逐年增高。日益發(fā)展的軌道機車運輸業(yè)在我國尚屬新興事物，各大院校的教學和培訓資源相對匱乏。因此、順應行業(yè)發(fā)展需求，開發(fā)虛擬仿真機車檢修實訓平臺具有非常重要的社會和經(jīng)濟價值。

機車；受電弓；虛擬仿真

國內機車類軟件主要以虛擬駕駛為主，交互功能設計較少，很少配合考核評價平臺。另外高速機車架修類實訓平臺未見相關文獻提及。國外同類軟件起步較早，無論在機車的操作性還是機車信號管理方面都處于領先地位。下面我將以受電弓部件為例展示交互設計的思路。

受電弓類型多樣，在同型號車型上，由于制造采購批次不同，也具有差異，本文采用型號為TSG3的雙臂受電弓。根據(jù)受電弓運行原理和組成機構，我們將受電弓的設計制作分為四大部分，如圖1所示分別為：弓頭部分、鉸鏈部分、傳動機構和底架。

弓頭部分：以自由度為機構設計考量，弓頭部分在運行中要與電線保持水平并始終接電。所以將其設計為具有移動自由度的構件，不能旋轉。

鉸鏈部分：主體為兩段，固定端與旋轉端，可進行相對運動，將其看作簡單四桿機構設計、可移動也可旋轉。

傳動機構：只進行伸縮控制直線位移，不發(fā)生旋轉。

底架：相對于車體和傳動部件保持靜止。

將其歸納為三類運動方式：靜止的底架，只有直線位移的傳動機構與弓頭，具有移動及旋轉的鉸鏈部分。三類動作分別建模,見圖1。

圖1 受電弓的組成

圖2 渲染后的受電弓

固定部分構件我們可以進行貼圖渲染操作。其中弓頭在其移動過程中沒有外觀面域的改變，能直接用于渲染。在弓頭的渲染操作之前，我們要進行坐標點的調整以保證其位移運動的準確。傳動部件在運動時，伸縮長度會存在變化，此處要拆分進行渲染。鉸鏈處存在兩處銜接，分別處于弓頭和傳動機構。設計時要注意將坐標中心上移至鉸鏈軸線。鉸鏈部分在交互運動中存在模型變化，需要模型細化。鉸鏈下部與底架連接自身圍繞底架進行的是旋轉運動，需要將鉸鏈下部的中心坐標移動到底架的軸線處。鉸鏈本身的連接部分在部件移動過程中不旋轉，但會帶動鉸鏈下半部分進行上下的位置平移。而鉸鏈的上半部分與中段連接處此時會連帶發(fā)生轉動，此種情況需要運用時時渲染操作。利用機械原理我們不難分析出，鉸鏈上方旋轉部件的轉角與下方部件轉角是一種線性并存關系，通過計算可得：當下方部件順時針旋轉1°，則有鉸鏈上方部件逆方向旋轉2°角，交互設計時我們將鉸鏈與模型有效進行關聯(lián)編程操作，利用軸心鍵物體建模，并在編程時指定鉸鏈上下兩部分軸線運動時一齊指向軸心建模型，并滿足計算結果，設置軸心鍵模型不顯示狀態(tài)僅參與計算，這樣有效的降低交互編程的難度,見圖2。

教學模塊交互功能需滿足四點：用戶需知機械結構；內部構造與交互的識與讀；操作提示；相關問題說明。而內部構造與交互是設計軟件的重點。其中涵蓋了構造顯示與模型輪廓顯示兩項內容。

(1)內部構造顯示：利用光標移動到相應的機車構件或位置時，鼠標右側顯示其關聯(lián)名稱。軟件制作時我們需要將模型文件命名后進行編組，組名為SHOWNAME——“名稱顯示”，系統(tǒng)啟動后，會自動進行監(jiān)控和即時捕捉，被光標捕捉到的對象進入“OP”指令模塊，與編程初始項目進行對比分析，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，并快速獲取鼠標當前坐標，在相對于鼠標位置偏置4-6個像素處顯示出該項目的具體名稱，完成名稱顯示,見圖3。

圖3 線性模塊觸發(fā)條件的交互編寫

(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，并具有多種色彩變幻。該項操作屬于復雜交互指令的范疇。因為模型邊界具有不可控性，并且編程操作的邊界并不是實際模型體。模型載入Virtools軟件后臺，讀取模型的包含要素有：點云、點間的位置關系、邊界線數(shù)量。交互編程時我們先將模型邊界線全部進行檢索，再將邊界線同時進行設置，顏色參數(shù)靜值A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)一設置為參數(shù)靜值0與線寬靜值0。最后將屏幕上不可見的線層渲隱藏，就完成了外部輪廓勾勒顯示。在實際光標交互中，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，左圖為虛擬人物遠離受電弓時，部件輪廓突出產(chǎn)生“面渲染”，提示操作者遠距離發(fā)現(xiàn)該部件。右圖為虛擬人物近距離觀察受電弓時，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)教學中無法開展以點帶面的將其內部構造、機械原理展現(xiàn)出來。而通過交互設計后、在操作過程中可實現(xiàn)受電弓升降、拆裝、維修和結構的勾勒透視觀察效果。解決了教學中的難題，讓學生有人機互動和沉浸之感。也為信息化教學提供了有力的支持。

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