王建華, 劉茂淳, 翁敬怡, 麥棹銘, 溫文昊

(吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

為培養(yǎng)高素質(zhì)的工程人才，強(qiáng)化其工程實(shí)踐能力和工程設(shè)計(jì)能力，應(yīng)充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)教學(xué)在整個(gè)工程教育中的重要作用。在汽車工程院校中，汽車拆裝實(shí)訓(xùn)作為重要的教學(xué)組成部分，涉及工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)和利用，并通過(guò)實(shí)訓(xùn)教學(xué)及對(duì)拆裝與調(diào)試等專項(xiàng)技能的運(yùn)用的教學(xué)模式，將理論知識(shí)和實(shí)踐能力有機(jī)結(jié)合，有利于人才素質(zhì)的培養(yǎng)[1-4]。然而，目前的汽車零部件拆裝實(shí)訓(xùn)課程還廣泛采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在拆裝實(shí)訓(xùn)的便利性、效率等方面存在以下問(wèn)題：

(1) 在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，操作不當(dāng)易導(dǎo)致教學(xué)用具的損耗，長(zhǎng)時(shí)間的使用可能導(dǎo)致部分教具零件的丟失、受損，影響學(xué)生的正常使用。

(2) 汽車技術(shù)發(fā)展速度快、汽車零部件類型多樣化，難以保證有足夠的新式教具供拆裝實(shí)訓(xùn)使用，易造成學(xué)校教學(xué)與時(shí)代脫節(jié)，不利于學(xué)生了解最新的前沿技術(shù)。

(3) 現(xiàn)有的拆裝教學(xué)方式不利于學(xué)生自學(xué)。由于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間的限制，學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求無(wú)法滿足。

(4) 傳統(tǒng)教學(xué)不夠生動(dòng)形象，不利于提高學(xué)生積極性。學(xué)生在課堂上接觸到的零部件均為靜態(tài)展示，不利于其對(duì)工作原理的理解和學(xué)習(xí)。

由于以上問(wèn)題的存在，本研究致力于將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，以解決上述問(wèn)題[5-6]。

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)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合[7-8]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面[9]。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[10-11]。感知是指理想的虛擬現(xiàn)實(shí)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(jué)感知外，還有觸覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括味覺(jué)和嗅覺(jué)等，也稱為多感知[12-13]。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢(shì)、或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，分別反饋到用戶的五官。

本研究將傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程的全部教學(xué)內(nèi)容虛擬化，以虛擬現(xiàn)實(shí)的效果呈現(xiàn)出來(lái)。課前學(xué)生可以將平臺(tái)作為預(yù)習(xí)或正式拆裝前演練工具；授課過(guò)程中可以作為課上內(nèi)容的補(bǔ)充，增強(qiáng)趣味性；課后可為學(xué)生自由復(fù)習(xí)所用；以此來(lái)豐富傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課程[14-15]。

1 虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

該汽車零部件虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(見(jiàn)圖1)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用于輔助傳統(tǒng)的拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)，將理論知識(shí)和拆裝實(shí)訓(xùn)結(jié)合為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)軟、硬件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的效果，最終通過(guò)本虛擬平臺(tái)呈現(xiàn)。平臺(tái)包括對(duì)軟件操作和開(kāi)發(fā)背景及功能的軟件簡(jiǎn)介部分；對(duì)拆裝要點(diǎn)、拆裝工具和零部件結(jié)構(gòu)功能的理論學(xué)習(xí)部分；提供不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤、車身的零部件庫(kù)，以及設(shè)置“拆”或“裝”選項(xiàng)和最終對(duì)拆裝過(guò)程中要點(diǎn)的總結(jié)、拆裝操作評(píng)分的拆裝實(shí)習(xí)部分(見(jiàn)圖2)。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)框架圖

圖2 汽車零部件虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)主要功能

平臺(tái)由軟件與硬件兩部分組成，軟件部分包括拆裝教學(xué)平臺(tái)、軟件腳本及零部件模型庫(kù)3大模塊；硬件部分包括虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備、操作手柄以及系統(tǒng)的啟動(dòng)按鈕(見(jiàn)圖3)。

圖3 汽車零部件虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)框架

1.1 軟件部分

虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)由拆裝場(chǎng)景、拆裝工具及用戶界面構(gòu)成，作為平臺(tái)的底層基礎(chǔ)模塊，該部分向使用者提供了舒適的用戶體驗(yàn)感。軟件腳本包括拆裝控制腳本和用戶界面控制腳本(見(jiàn)圖4)，用于整個(gè)拆裝過(guò)程的流程設(shè)計(jì)和動(dòng)作規(guī)劃及界面設(shè)計(jì)。

圖4 用戶界面控制腳本

基于實(shí)際汽車構(gòu)造，零部件模型庫(kù)模塊分為發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤及車身4部分，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)又分為直列式、V型、水平對(duì)置、W型等類型；變速箱分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，自動(dòng)變速箱又細(xì)分為傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱、無(wú)極變速箱和雙離合器變速箱；底盤具體細(xì)化為傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系；車身分為承載式車身和非承載式車身兩種。

1.2 硬件部分

硬件部分包括虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備、操作手柄和啟動(dòng)按鈕。通過(guò)對(duì)硬件的進(jìn)一步改造，使其和軟件部分相適應(yīng)并形成一個(gè)有機(jī)的整體，在將拆裝教學(xué)過(guò)程虛擬化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感，并最終通過(guò)虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)將整個(gè)過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)。

2 汽車零部件虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)案例

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)工具的選擇

虛擬現(xiàn)實(shí)拆裝平臺(tái)開(kāi)發(fā)引擎，也就是為搭建這個(gè)拆裝教學(xué)平臺(tái)提供解決方法(如渲染、物理狀態(tài)、碰撞檢測(cè)、音效、腳本動(dòng)畫等)的軟件。如今市場(chǎng)上常見(jiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎有：Virtools、Unity 3D、EON Studio、Quest-3D等。而選擇Unity 3D作為本拆裝教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)引擎的原因如下：

(1) Unity 3D 是最佳游戲開(kāi)發(fā)軟件之一，可以實(shí)時(shí)處理大量的三維模型，畫質(zhì)強(qiáng)，互動(dòng)性良好，有很多由其開(kāi)發(fā)的互動(dòng)性游戲足以說(shuō)明Unity 3D是一款具有很強(qiáng)的互動(dòng)性的軟件。Unity 3D的開(kāi)發(fā)界面友好，層次分明，適合初學(xué)者使用。為了優(yōu)化渲染效果，Unity 3D支持凹凸貼圖、反射貼圖、環(huán)境剔除、陰影貼圖等技術(shù)來(lái)對(duì)其中的對(duì)象進(jìn)行渲染。

(2) Unity 3D支持JavaScript和C #兩種語(yǔ)言作為程序腳本。C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。具有語(yǔ)法相對(duì)簡(jiǎn)潔、與Web緊密結(jié)合、完整的安全性與錯(cuò)誤處理等特點(diǎn)，但它也存在著如下一些缺點(diǎn)：不允許程序出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，加大了編寫程序的難度；不考慮代碼量，很多常用的工具有局限性。因此會(huì)耗費(fèi)程序員大量的時(shí)間。但其完整度較高，可保證程序的完善性，學(xué)習(xí)資源豐富。因此選擇C#作為本文的腳本語(yǔ)言。

(3) 更重要的是，Unity 3D能夠跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)游戲，可以通過(guò)發(fā)布設(shè)置將游戲發(fā)布到Windows、Mac、Ios、Android等操作系統(tǒng)。這樣就方便本文的拆裝教學(xué)平臺(tái)在不同的系統(tǒng)中使用，有利于該拆裝教學(xué)平臺(tái)的普及。

綜上所述，選擇Unity 3D作為本拆裝教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)引擎。

2.2 零部件建模

汽車由多種零部件構(gòu)成，以其中最復(fù)雜、最核心的汽車部件——發(fā)動(dòng)機(jī)為例描述建模過(guò)程。

本平臺(tái)通過(guò)CATIA V5R21進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模型的構(gòu)建以及虛擬裝配，然后將建好的模型整體導(dǎo)入3Ds Max進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件中。

(1) 分別列出所要拆裝的發(fā)動(dòng)機(jī)包含的各個(gè)總成，并按機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行整理。

(2) 對(duì)各個(gè)總成進(jìn)行進(jìn)一步拆解成零部件，并分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件兩大類，以便建模時(shí)能在零件庫(kù)中調(diào)用。以機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)為單位，用CATIA V5R21對(duì)其中的各個(gè)零件進(jìn)行建模。由于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的數(shù)量較為龐大，分組建模有助于對(duì)各零件的管理，以防丟失或混亂。像活塞、連桿、曲軸等非標(biāo)準(zhǔn)件，可以通過(guò)CATIA V5R21中如零件設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)等不同模塊進(jìn)行建模。而對(duì)于螺栓、螺釘、螺母、齒輪等標(biāo)準(zhǔn)件則可以直接使用CATIA V5R21自帶的標(biāo)準(zhǔn)零件，也可以從外部調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)來(lái)使用標(biāo)準(zhǔn)件，這樣便極大提高了工作效率。

(3) 完成各零件建模后，先將各零部件進(jìn)行初步裝配，形成模塊化的總成。然后，根據(jù)各總成之間的裝配關(guān)系，在CATIA V5R21的裝配設(shè)計(jì)中對(duì)各個(gè)總成進(jìn)行虛擬裝配。

由于所選擇的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity 3D不支持CATIA V5R21現(xiàn)有的格式的模型導(dǎo)入，因此選擇3Ds Max作為中轉(zhuǎn)平臺(tái)，使模型能夠順利導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中。此外，若直接通過(guò)3Ds Max將模型整體(見(jiàn)圖5)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，模型會(huì)以相互關(guān)聯(lián)的整體形式呈現(xiàn)，不便于后續(xù)操作。因此將發(fā)動(dòng)機(jī)模型導(dǎo)入3Ds Max后，應(yīng)有序的將發(fā)動(dòng)機(jī)拆分成零件，然后保存為Unity 3D能接收的.fbx格式。完成格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中。

為了便于對(duì)各零部件的識(shí)別，增強(qiáng)用戶的視覺(jué)體驗(yàn)，通過(guò)Unity 3D對(duì)零件進(jìn)行貼圖處理(見(jiàn)圖6)，使關(guān)鍵的零部件能夠被突出體現(xiàn)。此外為了方便零部件的管理，減少對(duì)內(nèi)存空間及圖像處理器線程的占用，本平臺(tái)在層次面板按照實(shí)際拆裝要求對(duì)零件以總成形式建立父子關(guān)系，并且將各總成制作成相應(yīng)的預(yù)制體。

圖5 3DMax軟件中的發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖6 Unity 3D開(kāi)發(fā)界面

至此，完成了模型的構(gòu)建。

3 拆裝教學(xué)平臺(tái)的現(xiàn)實(shí)效果

通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)工具包，即一種用C#語(yǔ)言編寫的Unity插件來(lái)進(jìn)行用戶界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有符合用戶需求的交互界面。其中包含了:主界面、軟件簡(jiǎn)介及軟件操作說(shuō)明、設(shè)有包含不同型號(hào)的汽車各部件的零部件模型庫(kù)、拆裝前的要點(diǎn)介紹和注意事項(xiàng)，并設(shè)有拆裝工具的介紹及使用說(shuō)明、拆裝過(guò)程中的步驟提示、拆裝后整個(gè)操作過(guò)程的要點(diǎn)總結(jié)和評(píng)分以給予用戶實(shí)時(shí)反饋。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了將理論知識(shí)教學(xué)和實(shí)際拆裝有機(jī)結(jié)合成一套完備的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)初衷。簡(jiǎn)便、自然、友好的交互界面讓用戶能方便地了解該平臺(tái)的作用以及拆裝順序和部件名稱。虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的呈現(xiàn)方式使模型立體化，讓用戶能夠從不同視角進(jìn)行觀察和拆裝，極大的提高了人機(jī)交互體驗(yàn)。此外，以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其模型較為完整，包含有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)及各類附件，這能讓模型更接近于真實(shí)拆裝的發(fā)動(dòng)機(jī)。拆裝的每一步驟都有相應(yīng)的指示與引導(dǎo)，并且通過(guò)C#語(yǔ)句對(duì)拆裝順序進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，保證了拆裝的過(guò)程盡可能的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，以達(dá)到讓用戶掌握拆裝知識(shí)這一根本的教學(xué)目的。因此，本虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)(見(jiàn)圖7、8)能夠很好地應(yīng)用于面向汽車構(gòu)造的拆裝教學(xué)實(shí)訓(xùn)中。

圖7 教學(xué)平臺(tái)開(kāi)始界面

圖8 在Unity 3D中進(jìn)行軟件運(yùn)行調(diào)試

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有多感知性、交互性強(qiáng)、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)領(lǐng)域可以得到諸多應(yīng)用。而目前的拆裝實(shí)訓(xùn)又存在設(shè)備數(shù)量有限、易損壞、教學(xué)用具更新速度有限等限制，所以開(kāi)發(fā)一套汽車零部件虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)對(duì)拆裝實(shí)習(xí)教學(xué)有很大幫助。該教學(xué)平臺(tái)能將抽象的講述變成具體的操作，使教師的教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)拆裝的過(guò)程變得輕松、便捷、安全、深刻。學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行考察與訓(xùn)練，不再受場(chǎng)地和設(shè)備的制約，真正讓教學(xué)走出教室，這對(duì)現(xiàn)代化教育的建設(shè)具有積極意義。

為適應(yīng)未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代教育緊密結(jié)合的這一發(fā)展潮流，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的虛擬拆裝教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行完善。例如，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝平臺(tái)的拆裝資源庫(kù)進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)充，加入各種不同汽車零部件，將它擴(kuò)展為汽車零部件拆裝教學(xué)平臺(tái)，乃至成為一個(gè)綜合的機(jī)械零部件拆裝平臺(tái)。同時(shí)，加入如實(shí)時(shí)反饋、機(jī)器運(yùn)行展示以滿足現(xiàn)代化教學(xué)的需求，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)代化教學(xué)的融合。