朱文華， 蔡 寶， 石坤舉， 劉 賽

(上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海 201209)

虛實結(jié)合的減速器拆裝的研究

朱文華， 蔡 寶， 石坤舉， 劉 賽

(上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海 201209)

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)大多是采用實訓(xùn)的模式，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸在實踐教學(xué)中得到應(yīng)用；我校以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和綜合應(yīng)用技術(shù)的能力為目標(biāo)，以虛擬仿真技術(shù)為重要手段，本著“虛實結(jié)合”的總體思想，探索實踐教學(xué)的新模式?，F(xiàn)以圓柱齒輪減速器為對象，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，基于Unity3D軟件在Zspace桌面虛擬現(xiàn)實設(shè)備開發(fā)出全新的實踐教學(xué)資源，虛實結(jié)合的減速器拆裝，極大地提高了虛擬仿真的交互性和沉浸感，教學(xué)效果良好，有助于學(xué)生動手實踐能力的提高，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)意識和工程素養(yǎng)。

實踐教學(xué); 虛擬仿真; 增強(qiáng)現(xiàn)實; 虛實結(jié)合; 減速器

0 引 言

減速器是一種通用的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工程機(jī)械、冶金、船舶、電力、及石化等行業(yè)，各大高校都有針對性的對其原理、結(jié)構(gòu)和性能的進(jìn)行課程教學(xué)。

傳統(tǒng)的教學(xué)手段或采用減速器課程設(shè)計手段或采用減速器模型工程訓(xùn)練手段進(jìn)行教學(xué)，而受到學(xué)生實訓(xùn)時間有限、教育資源緊張等諸多問題，且隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，采用更為新穎的教學(xué)方式，已成為克服實驗實訓(xùn)教學(xué)技術(shù)困難的一大重要手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)的出現(xiàn)能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)存在的諸多問題。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用越來越多，從近年來的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)[1-2]上看出，全國各大高校建設(shè)國家級虛擬仿真實驗室申報材料逐年增加，文獻(xiàn)[3]中對大型儀器設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真進(jìn)行了探討探討。借此推斷近年來在虛擬現(xiàn)實技術(shù)上的研究日漸成熟，早在2005年，就對數(shù)控車床的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)[4]，并將虛擬現(xiàn)實運(yùn)用在土木工程及避難上[5]，2010年以后基于VR的應(yīng)用研究更是趨于常態(tài)化，運(yùn)用VR技術(shù)對古陶瓷進(jìn)行修復(fù)和展示[6]，文獻(xiàn)[7]中對某型抽油機(jī)的設(shè)計進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實仿真;針對老年人及殘障人士的VR技術(shù)應(yīng)用提出合理建議[8]，將城市地面軌道交通工程進(jìn)行仿真，探索了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市交通的應(yīng)用[9]，開發(fā)了空間站艙內(nèi)尋路模擬系統(tǒng)[10]，及三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)[11]。

對教育教學(xué)等領(lǐng)域的虛擬仿真應(yīng)用也取得一定成果，文獻(xiàn)[12]中總結(jié)了國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展，分析了虛擬仿真實驗教學(xué)的特點(diǎn)和趨勢[12]，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在高職實踐教學(xué)中提出了可行性步驟[13]，基于Virtools技術(shù)開發(fā)出基于煤礦現(xiàn)場的虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)[14]，探究了VR技術(shù)在高等教育領(lǐng)域應(yīng)用[15]，綜上所述虛擬仿真技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的研究前景。

本文以減速器的拆裝為研究對象，本著“虛實結(jié)合”的總體思想，把虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的減速器工程訓(xùn)練課程相結(jié)合，對虛實結(jié)合的減速器拆裝進(jìn)行了研究，開發(fā)了具有交互性和沉浸性等特點(diǎn)的減速器拆裝系統(tǒng)，提高學(xué)生的動手實踐能力。

1 總體研究思路

對傳統(tǒng)減速器的拆裝訓(xùn)練課程進(jìn)行研究，課程內(nèi)容包括對減速器進(jìn)行內(nèi)部外部組成部件的認(rèn)識，減速器工作原理的講解以及實體減速器的拆卸裝配測量等等，據(jù)此可對課程要求開發(fā)的系統(tǒng)列出總體框架，以期形成整個研究的總體思路，圖1是虛擬減速器拆裝系統(tǒng)的整體框架。

根據(jù)圖1的系統(tǒng)框架，本文首先建立教學(xué)用的減速器三維模型作為素材，然后結(jié)合Unity3D軟件進(jìn)行虛擬減速器課件系統(tǒng)的開發(fā)，最后利用虛擬現(xiàn)實設(shè)備Zspace和增強(qiáng)現(xiàn)實軟件zView對減速器虛實結(jié)合的工程訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)將其應(yīng)用在實際教學(xué)中。

2 基于Unity3D的課件系統(tǒng)開發(fā)

2.1 前期素材準(zhǔn)備

Unity3D軟件本身并不具備建立模型功能，所以在開發(fā)前必須根據(jù)實物建立相應(yīng)的三維模型，圖2所示為學(xué)生實際進(jìn)行工程訓(xùn)練的一級圓柱齒輪減速器，而圖3是在三維軟件下等比例制作的減速器模型。

圖1 系統(tǒng)整體框架

圖2 減速器實物

圖3 減速器三維模型

2.2 虛擬減速器系統(tǒng)的開發(fā)過程

在Unity中共開發(fā)出19個場景，內(nèi)容涉及了系統(tǒng)總體框架提出的所有內(nèi)容，調(diào)用Unity3D內(nèi)部函數(shù)。

(1) 場景間切換調(diào)用Application函數(shù)，實現(xiàn)語句Application.LoadLevel ("Scene1");

(2) Unity3D開發(fā)的系統(tǒng)中可交互性是一大重要特點(diǎn)，界面中的按鈕標(biāo)簽等交互控件均可通過調(diào)用OnGUI()函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)中均可調(diào)用相應(yīng)的方法涉及例如按鈕的位置，字體的大小顏色等等，另外課程測試中客觀題的設(shè)計也調(diào)用了toggle等交互控件函數(shù)。

(3) 場景的旋轉(zhuǎn)縮放則通過調(diào)用射線函數(shù)和Lerp函數(shù)等進(jìn)行實現(xiàn)，函數(shù)調(diào)用語句如下:

ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

transform.rotation = Quaternion.Lerp (transform.rotation, mRotation, Time.deltaTime * Damping);

(4) 模型的移動和旋轉(zhuǎn)則通過Unity3D的免費(fèi)插件iTween動畫庫來實現(xiàn)，它能夠?qū)崿F(xiàn)子模型的復(fù)雜運(yùn)動，典型程序如：

iTween.MoveBy(gameObject,iTween.Hash("y",5,"easeType","easeInOutExpo", "loopType", "none", "delay", .5));

該函數(shù)中第一個參數(shù)表示運(yùn)動的方向；

easetype:移動模式，可以設(shè)置一些加速度的效果，這個參數(shù)值是一個枚舉iTween.Easetype；

looptype:循環(huán)模式，一共有3種模式：

iTween.LoopType.none:不循環(huán)；

iTween.LoopType.loop:循環(huán)，物體移動到終點(diǎn)后會跳到起點(diǎn)重新移動；

iTween.LoopType.pingPong:來回循環(huán)，物體移動到終點(diǎn)后會再以相同的模式和時間再移動到起點(diǎn)，然后再移動到終點(diǎn)，一直循環(huán)。

delay：延遲模式，延遲時間為0.5，“0”可默認(rèn)省去。

系統(tǒng)部分場景功能介紹如下：

圖4所示為系統(tǒng)總界面，包括減速器虛擬拆裝系統(tǒng)的組成：課程簡介、課程指導(dǎo)、課程內(nèi)容和課程考核(為了模型零部件之間容易區(qū)分，故開發(fā)時將各零部件渲染成不同的顏色)。

圖5所示為課程內(nèi)容界面，共分為8大課程內(nèi)容，該部分結(jié)合實體減速器工程訓(xùn)練同時學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對整個學(xué)習(xí)過程認(rèn)識更為深刻。

圖4 系統(tǒng)總界面

圖5 課程內(nèi)容界面

圖6所示為虛擬拆卸界面，將減速器的拆卸分為4大模塊：拆卸上箱體、低速軸、高速軸和下箱體，同時拆卸過程可通過重置場景功能讓學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)。

圖7所示為課程測試界面,針對該系統(tǒng)出現(xiàn)的知識點(diǎn)以客觀題的形式表現(xiàn)出來對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行考核。

3 基于Zspace的訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

3.1 Zspace簡介

虛擬現(xiàn)實是計算機(jī)生成的給人多種感官刺激的虛擬環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺[16]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)一般具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特點(diǎn)，Zspace(見圖8)正是虛擬現(xiàn)實技術(shù)運(yùn)用的產(chǎn)物。

圖6 虛擬拆卸界面

圖7 課程測試界面

圖8 Zspace

Zspace系統(tǒng)是整合現(xiàn)實世界工作環(huán)境的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬世界的自由穿越。技術(shù)核心是高保真的立體顯示系統(tǒng)，低延遲的跟蹤系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)。Zspace的核心技術(shù)包括：立體視覺、直接交互，如圖9所示。

自然的人機(jī)交互——虛擬交互筆：Zspace交互筆提供了自然的人機(jī)交互方式，6自由度的交互筆給體驗者提供了充分的保障。

低延遲的位置傳輸——追蹤眼鏡：Zspace追蹤眼鏡利用紅外技術(shù)將體驗者位置信息低延遲的傳輸給工作站。

另外配合Zspace使用的zView(見圖10)具有增強(qiáng)現(xiàn)實功能，讓學(xué)習(xí)者輕松地跟他人分享Zspace的學(xué)習(xí)體驗。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)特點(diǎn)

在應(yīng)用Zspace進(jìn)行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)時，相對于Unity3D軟件開發(fā)的系統(tǒng)，最重要的便是體現(xiàn)新系統(tǒng)的交互性、沉浸性以及“虛實結(jié)合”的特點(diǎn)。

(1) 系統(tǒng)交互性和沉浸性開發(fā)。上節(jié)中提到基于Unity3D的課程開發(fā)交互設(shè)計是通過調(diào)用OnGUI()函數(shù)實現(xiàn)，即通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕實現(xiàn)，這樣雖然相比傳統(tǒng)的多媒體課件略有智能感，但是無論從交互成都和沉浸程度均不能讓學(xué)習(xí)者有身臨其境之感，本節(jié)則嘗試調(diào)用某些函數(shù)將實現(xiàn)物體對物體的交互方式。當(dāng)減速器靠近大樓方塊時測算模型間的距離，如果二者距離小于既定數(shù)值，則可實現(xiàn)場景間的交互功能，實現(xiàn)交互的關(guān)鍵程序為：

圖10 zView

float dist1 = Vector3.Distance (reducer.position, Room.position);if (dist1 < 0.035)

{

Application.LoadLevel("interduction");

}

結(jié)合圖11和上段程序：首先獲得了測距物體的位置信息，而后調(diào)用距離函數(shù)，如果物體間的距離小于0.035則可實現(xiàn)場景間的交互。

圖11 模型間位置示意

(2) “虛實結(jié)合”特點(diǎn)的展現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實是對現(xiàn)實世界的仿真，所以在開發(fā)虛擬系統(tǒng)時一定要和現(xiàn)實世界的邏輯相符，才能真正體現(xiàn)“虛實結(jié)合”特點(diǎn)。本文開發(fā)的虛擬減速器拆卸系統(tǒng)，在進(jìn)行減速器的拆卸開發(fā)時，根據(jù)圖12的實際減速器拆卸順序，開發(fā)虛擬減速器拆卸過程如圖13所示。

圖12 實際減速器拆卸順序

圖13依次為拆卸減速器上箱體、低速軸、高速軸和拆卸下箱體，學(xué)生如果不按順序進(jìn)行拆卸則不能往下進(jìn)行，比如在未拆卸上箱體時，感應(yīng)筆就不能拖拽低速軸、高速軸和下箱體模型進(jìn)行拆卸，這與實際減速器的拆卸思想完全一致，將虛擬世界中的邏輯與現(xiàn)實世界進(jìn)行了統(tǒng)一。

此外按照實際減速器課程要求，本文開發(fā)了基于Zspace的完整虛擬減速器拆裝系統(tǒng)，包括了系統(tǒng)總界面、系統(tǒng)介紹界面、減速器結(jié)構(gòu)觀察界面、減速器拆卸界面和減速器裝配界面，部分界面如下圖14所示。

3.3 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

Zspace作為一款立體顯示開發(fā)設(shè)備，除了具有虛擬現(xiàn)實功能，還具有增強(qiáng)現(xiàn)實功能，配合Zspace使用的zView設(shè)備能讓學(xué)生分享虛擬技術(shù)的學(xué)習(xí)體驗，圖9所示便是用于增強(qiáng)現(xiàn)實的zView設(shè)備，帶有高清攝像頭，能將Zspace畫面進(jìn)行重疊處理，該技術(shù)的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進(jìn)行互動。圖15所示分別為減速器外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實效果，借助zView能讓減速器模型“跑出”屏幕既達(dá)到分享學(xué)習(xí)體驗的目的又實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的有機(jī)結(jié)合。

4 結(jié) 語

(1) 虛實結(jié)合的減速器拆裝訓(xùn)練課程，開發(fā)出基于Unity3D的虛擬減速器拆卸系統(tǒng)，應(yīng)用于實際教學(xué)過程中，相比于之前學(xué)生學(xué)習(xí)程興趣有了很大提高，對減速器的結(jié)構(gòu)和拆裝等有了更為深入了解。

圖15 增強(qiáng)現(xiàn)實效果

(2) 應(yīng)用Zspace虛擬現(xiàn)實設(shè)備和zView增強(qiáng)現(xiàn)實軟件開發(fā)了虛實結(jié)合的減速器拆裝系統(tǒng)，極大地提高了虛擬仿真的交互性和沉浸感，教學(xué)效果良好，結(jié)合減速器的實際拆裝真正體現(xiàn)了“虛實結(jié)合”的總體思想。

(3) 通過虛擬仿真技術(shù)和實驗教學(xué)相融合，使學(xué)生更好地掌握內(nèi)容和技能。與學(xué)生的互動設(shè)計和虛擬現(xiàn)實技術(shù)引起了學(xué)生的興趣，又激發(fā)學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。虛實結(jié)合的減速器拆裝有助于學(xué)生動手實踐能力的提高，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)意識和工程素養(yǎng)。

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StudiesonAssemblyandDisassemblyofReducerwithVirtualRealityandPhysicalMachine

ZHUWenhua，CAIBao，SHIKunju，LIUSai

(Engineering Training Centre, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, China)

The traditional practice teaching is mostly the experiment training mode, with the development of information technology, virtual simulation technology is gradually applied in the practice teaching. The goal of Shanghai Second Polytechnic University applies virtual simulation technology as an important means to cultivate students engineering quality and comprehensive application ability, and to explore the new mode of practice teaching with the overall thinking of virtual-real fusion. This paper takes the gear reducer as an example, and develops a new practical teaching resource with the application of virtual reality and augmented reality technology.Assembly and disassembly of reducer with virtual-real fusion aid to improve the hands-on practical ability of students, and to develop professional consciousness and engineering quality of students.

practice teaching; virtual simulation; augmented reality; virtual-real fusion; reducer

TP 393

A

1006-7167(2017)11-0098-05

2016-12-20

上海市浦江人才計劃(16PJC040)；學(xué)科建設(shè)項目(A20NH1609B20-13)資助

朱文華(1968-)，男，江蘇無錫人，博士，上海市浦江學(xué)者，特聘教授，主要從事虛擬仿真技術(shù)和制造系統(tǒng)工程的教學(xué)與研究工作。

Tel.：021-50214681；E-mail: whzhu@sspu.edu.cn