丁雨，林木

（大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300）

傳統(tǒng)的減速器實(shí)訓(xùn)教學(xué)大多是由指導(dǎo)教師通過(guò)圖紙、模型上的原理講解并配合實(shí)物演示來(lái)完成，這個(gè)過(guò)程的缺點(diǎn)是實(shí)訓(xùn)的互動(dòng)性不強(qiáng)，學(xué)生缺乏參與體驗(yàn)以及主動(dòng)探索的積極性，并且實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的操作細(xì)節(jié)不易展示，效果不是很理想。

基于uniy3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR：Virtual Reality)的減速器實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中直接進(jìn)行虛擬操作，學(xué)生能更好的掌握減速器結(jié)構(gòu)、操作過(guò)程規(guī)程等知識(shí)。這個(gè)虛擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程還可以增進(jìn)相關(guān)理論知識(shí)的理解以及對(duì)應(yīng)實(shí)踐能力的形成，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力，可以很好的培養(yǎng)學(xué)生的空間思維、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。

虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以為學(xué)生提供實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)、裝配約束等功能來(lái)規(guī)范實(shí)訓(xùn)過(guò)程，學(xué)生可以隨時(shí)暫停實(shí)訓(xùn)活動(dòng)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬空間對(duì)減速器進(jìn)行多角度、近距離的觀察，同時(shí)，還可以驗(yàn)證減速器的裝配序列是否合理。實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生的操作過(guò)程，并最終生成報(bào)告、記錄視頻等，進(jìn)而驗(yàn)證實(shí)訓(xùn)操作是否正確，可以及時(shí)對(duì)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解決，從而避免在實(shí)物拆裝實(shí)訓(xùn)中對(duì)真實(shí)減速器造成損壞。

1 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是要設(shè)計(jì)出一個(gè)與實(shí)訓(xùn)環(huán)境相一致的、可以進(jìn)行交互的虛擬場(chǎng)景。實(shí)訓(xùn)的開(kāi)發(fā)人員需要根據(jù)減速器實(shí)訓(xùn)的大綱要求，編寫(xiě)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)的過(guò)程規(guī)范，其中需要包括實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)、虛擬設(shè)備情況、減速器零部件組成信息以及操作規(guī)則等實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)則。

減速器裝配的虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景是系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要使用C語(yǔ)言等計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言調(diào)用數(shù)據(jù)圖形接口讀取仿真模型實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的建設(shè)，再使用相應(yīng)的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部對(duì)象交互控制的操作，這種編程方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)開(kāi)發(fā)人員要求比較高，并且開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能不多，維護(hù)困難，系統(tǒng)的靈活性、可移植性和交互性都比較差。本設(shè)計(jì)則直接使用Unity3D引擎，因?yàn)閁nity3D是一個(gè)可以讓使用者輕松創(chuàng)建諸如三維動(dòng)態(tài)游戲、可視化建筑漫游、三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)內(nèi)容的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。Unity3D引擎自帶物理仿真引擎，可以很好的仿真各種運(yùn)動(dòng)、物理現(xiàn)象，其虛擬仿真精度可以滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)要求。

1.1 減速器建模的創(chuàng)建與導(dǎo)入

虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先需要?jiǎng)?chuàng)建可以用于Unity3D引擎的減速器三維虛擬模型，由于Unity3D引擎本身的建模功能比較弱，本設(shè)計(jì)選擇pro/E建模工具按照實(shí)際尺寸創(chuàng)建減速器三維模型。建模過(guò)程中需要對(duì)各個(gè)零件模型的原點(diǎn)、坐標(biāo)軸進(jìn)行調(diào)整，以便在Unity3D中對(duì)零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

pro/E中的三維模型在創(chuàng)建過(guò)程中產(chǎn)生了一些繁余面，所以需要通過(guò)3ds Max軟件對(duì)模型的各個(gè)部分進(jìn)行塌陷處理，從而減少不必要的面，提高系統(tǒng)的顯示效率。使用3ds Max軟件為模型添加材質(zhì)、貼圖以增加模型的真實(shí)感。最后在3ds Max軟件中將減速器模型導(dǎo)出為FBX數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入到Unity3D引擎的虛擬場(chǎng)景中，而且模型導(dǎo)入后需要按比例放大調(diào)整以保持模型的尺寸。

1.2 減速器裝配實(shí)訓(xùn)的交互實(shí)現(xiàn)

在Unity3D引擎中提供了用于動(dòng)態(tài)仿真的“關(guān)節(jié)”連接方式。Unity3D引擎中的關(guān)節(jié)分為固定關(guān)節(jié)（FixedJoint）、鉸鏈關(guān)節(jié)（HingeJoint）、角色關(guān)節(jié)（Character Joint）以及可配置關(guān)節(jié)（Configurable Joint）三種。減速器在實(shí)訓(xùn)仿真工作過(guò)程中，主要需要實(shí)現(xiàn)零件間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，設(shè)計(jì)中的“關(guān)節(jié)”多為鉸鏈，而固定于減速器箱體上的零件則都由固定關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)連接。

Unity3D引擎提供了多種運(yùn)動(dòng)碰撞器組件：盒碰撞器、膠囊碰撞器、球碰撞器、車輪碰撞器以及網(wǎng)格碰撞器。前三種碰撞器組件分別可以模擬立方體、膠囊體，以及球體形狀物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的的碰撞與摩擦，車輪碰撞器則主要用于模擬車輪運(yùn)動(dòng)的碰撞與摩擦，網(wǎng)格碰撞器可以根據(jù)三維模型的網(wǎng)格外形來(lái)模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)的碰撞與摩擦效果。這些功能在虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了減速器動(dòng)態(tài)工作的物理效果。

在減速器虛擬實(shí)訓(xùn)的模型展示環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)零部件的動(dòng)態(tài)展示，本設(shè)計(jì)通過(guò)腳本中的移位方法GameObject.transform.Translate()實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

2 GUI界面

為了在虛擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)與使用者的實(shí)時(shí)交互，本設(shè)計(jì)通過(guò)GUI在界面上實(shí)現(xiàn)了可操作減速器實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)，以及展示關(guān)鍵零部件的相關(guān)按鈕。創(chuàng)建好的虛擬減速器模型場(chǎng)景及實(shí)訓(xùn)應(yīng)用界面如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

圖1 虛擬減速器模型場(chǎng)景及實(shí)訓(xùn)應(yīng)用界面

本設(shè)計(jì)以某減速器為實(shí)訓(xùn)仿真原型，創(chuàng)建三維虛擬模型，通過(guò)解決Unity3D引擎中零件模型的連接問(wèn)題，利用物理引擎并通過(guò)編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)腳本仿真減速器運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，最終使用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)了減速器的虛擬裝配實(shí)訓(xùn)。其設(shè)計(jì)仿真效果與實(shí)際實(shí)訓(xùn)過(guò)程基本一致，并且學(xué)生可以在仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程中實(shí)時(shí)操作三維模型，有著良好的交互性。本減速器的虛擬實(shí)訓(xùn)方法對(duì)比已有的解決方案，在方便性和交互性方面都有了不同程度的改進(jìn)與提高。

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