王 雨，王 英，王 恒，陳嘉瑤，黃海波

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 雨，王 英，王 恒，陳嘉瑤，黃海波

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論講解模塊、模型虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并被打包為手機(jī)應(yīng)用的形式。學(xué)生可以使用Android手機(jī)學(xué)習(xí)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)提高了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性與交互性體驗(yàn)，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

機(jī)械原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

“機(jī)械原理”是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠近距離觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐認(rèn)識(shí)。為改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境條件、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，本文采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)開(kāi)發(fā)了機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[1-4]。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息（如圖形、文字注釋等）疊加到真實(shí)的環(huán)境中，構(gòu)建高沉浸感、虛實(shí)融合、可交互操作的用戶體驗(yàn)[5-8]。

目前，AR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械類(lèi)教學(xué)中，例如機(jī)械拆裝、機(jī)床操作、機(jī)械設(shè)計(jì)等[9-11]。本文基于AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，能夠使學(xué)生在真實(shí)的世界中與計(jì)算機(jī)虛擬出的機(jī)構(gòu)模型交互，不受時(shí)間、地點(diǎn)限制地進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和架構(gòu)

1.1 AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

在大學(xué)生群體中，智能手機(jī)的使用率很高[12]，因此設(shè)計(jì)了基于AR技術(shù)和以手機(jī)為載體的輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一種新穎的教學(xué)方式，使每位學(xué)生都可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)際操作，鞏固所學(xué)的理論知識(shí)、鍛煉操作能力。

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Unity3D。Unity3D是一款用于創(chuàng)建2D與3D游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)與AR交互式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用Unity3D開(kāi)發(fā)的應(yīng)用具有兼容性好、跨平臺(tái)方便了等優(yōu)點(diǎn)[13]。Vuforia是一個(gè)能夠?yàn)檎鎸?shí)世界場(chǎng)景帶來(lái)互動(dòng)體驗(yàn)的AR開(kāi)發(fā)引擎，能夠使用視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤平面圖像或者簡(jiǎn)單三維物體，通過(guò)移動(dòng)端的虛擬顯示與真實(shí)的場(chǎng)景很好地融合在一起[14]。Vuforia與Unity3D具有良好的兼容性，Vuforia以獨(dú)立package的形式無(wú)縫接入U(xiǎn)nity3D開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以讓開(kāi)發(fā)者在Unity3D環(huán)境中十分便捷地進(jìn)行AR應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

1.2 AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)架構(gòu)

AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：

（1）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論講解模塊：該模塊用來(lái)輔助學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)的基本組成和機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理，鞏固和加深學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)；

（2）模型虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K：通過(guò)對(duì)標(biāo)記物的位置識(shí)別，構(gòu)建虛擬的機(jī)構(gòu)模型，使學(xué)生能夠直觀地理解機(jī)構(gòu)的組成；

（3）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K：用來(lái)模擬真實(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作，更容易理解機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理。

本文以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，闡述各模塊的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由曲柄、連桿和與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副的滑塊組成，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)常用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為執(zhí)行構(gòu)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論講解模塊

在AR環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論講解模塊可以將理論知識(shí)展示得更加形象生動(dòng)。使用者將手機(jī)打開(kāi)，用手機(jī)攝像頭捕捉如圖2(a)所示的標(biāo)記物圖片，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組成和相關(guān)的理論知識(shí)就會(huì)疊加在其上方，如圖2(b)和圖2(c)所示，同時(shí)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真動(dòng)畫(huà)可以隨著理論知識(shí)的出現(xiàn)而展開(kāi)。

圖2 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)

2.2 模型虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K

機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)借助AR技術(shù)，通過(guò)交互的方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)三維虛擬建模，不僅可以保證所有學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作，而且可以讓學(xué)生自己建立機(jī)構(gòu)的虛擬模型，從而加深對(duì)機(jī)構(gòu)的理解。具體操作過(guò)程如圖3所示。

圖3(a)是可在AR環(huán)境中被識(shí)別的標(biāo)記物，3張圖片分別代表曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的鉸鏈點(diǎn)、和，當(dāng)使用者將這3個(gè)標(biāo)記物置于手機(jī)攝像頭拍攝區(qū)域時(shí)（見(jiàn)圖3(b)），一個(gè)虛擬的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型將會(huì)出現(xiàn)（見(jiàn)圖3(c)），通過(guò)調(diào)整標(biāo)記點(diǎn)、、之間的距離，可生成不同尺寸的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型。

圖3 AR環(huán)境下曲柄滑塊機(jī)構(gòu)虛擬建模

2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)是建立在人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，在AR環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)使用者驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的某一構(gòu)件時(shí)，組成機(jī)構(gòu)的其他構(gòu)件也跟隨運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖

將矢量方程轉(zhuǎn)化為解析形式：

由式（2）可得：

2.3.2 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)提供2種方式的運(yùn)動(dòng)仿真。

（1）保持標(biāo)記物的位置不變，通過(guò)屏幕界面上的控制按鈕Modeling和GoPosition實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真（見(jiàn)圖5(a)）所示。當(dāng)點(diǎn)擊Modeling按鈕時(shí)候，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型將會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)，如圖5(b)所示。當(dāng)需要研究曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，在輸入框輸入Fai1的度數(shù)，即曲柄與水平面的夾角，然后單擊GoPosition，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程將自動(dòng)求解，曲柄將旋轉(zhuǎn)到指定位置，連桿和滑塊也將運(yùn)動(dòng)到正確的位置，如圖5(c)所示。

圖5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)一

（2）通過(guò)連續(xù)改變某一標(biāo)記物位置以驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真。如圖6所示，當(dāng)沿水平面連續(xù)移動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程將自動(dòng)求解，曲柄繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，連桿也跟隨運(yùn)動(dòng)，同時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)保持原尺寸。

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)二

3 系統(tǒng)評(píng)估

3.1 課堂反饋

（1）機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提高了實(shí)驗(yàn)的方便性和互動(dòng)體驗(yàn)。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物模型，實(shí)驗(yàn)課上不能滿足每個(gè)學(xué)生都能夠操作，教學(xué)效果不佳。該系統(tǒng)基于AR技術(shù)的新穎教學(xué)方式，不僅讓每個(gè)學(xué)生都可以操作，而且多樣的互動(dòng)性可以使學(xué)生更好地理解機(jī)構(gòu)的原理。

（2）提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。該系統(tǒng)在幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)交互的方式輔助學(xué)生自己建立機(jī)構(gòu)的虛擬模型并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，不僅對(duì)機(jī)構(gòu)的理解更透徹，而且提高了實(shí)踐能力。

（3）教育資源更加豐富?？梢约尤胪活?lèi)別機(jī)構(gòu)的其他形式，多種形式進(jìn)行知識(shí)的傳遞，拓展教學(xué)內(nèi)容的信息量。

3.2 課外反饋

以往學(xué)生在上完實(shí)驗(yàn)課后，很難再接觸曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；而通過(guò)使用該系統(tǒng)，使課后學(xué)習(xí)也取得了很好的效果。例如學(xué)習(xí)方便，空間、時(shí)間不受限制，可以將標(biāo)記物貼在床頭、書(shū)桌等地方，在課余時(shí)間打開(kāi)手機(jī)“掃一掃”，即可進(jìn)行學(xué)習(xí)，非常便捷。

4 結(jié)語(yǔ)

基于AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)利用手機(jī)的便捷、AR的交互性體驗(yàn)和標(biāo)記物位置的無(wú)約束性，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，為學(xué)生提供了一個(gè)隨時(shí)隨地進(jìn)行交互學(xué)習(xí)的環(huán)境。該系統(tǒng)提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)便捷性，增強(qiáng)了教學(xué)環(huán)節(jié)的互動(dòng)體驗(yàn)，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，豐富了教育資源，為學(xué)生課后自學(xué)提供了有效工具。將AR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是提高機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效方法。

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Design of mechanical theory experimental teaching system based on augmented reality technology

WANG Yu, WANG Ying, WANG Heng, CHEN Jiayao, HUANG Haibo

(Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Based on the augmented reality (AR) technology, an experimental teaching assistant system of mechanical principle is developed. The system consists of experimental basic theory explanation module, modelling virtual experiment module and mechanism motion simulation experiment module and is packaged as a form of mobile phone application. Students can use Android mobile phones to learn the experimental teaching content of mechanical principles. The test results show that the system improves the interesting and interactive experience of virtual experiment teaching and students’ practical ability.

mechanical theory; experimental teaching; augmented reality technology

TP312；TH111

A

1002-4956(2019)11-0109-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.027

2019-04-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51505239）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY19E050001）；浙江省2016年高等教育課程教學(xué)改革項(xiàng)目（KG20160107）；寧波市優(yōu)勢(shì)專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目

王雨（1995—），男，安徽滁州，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)。E-mail: 410702350@qq.com

王英（1989—），女，河南鄧州，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。E-mail: wangying5@nbu.edu.cn