姚興軍， 周 漢， 陳琴珠

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237）

0 引 言

拆裝是機(jī)械制造的重要環(huán)節(jié)，也是對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的必要步驟，所以拆裝是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的基本專業(yè)技能。同時(shí)，通過拆裝還可以讓學(xué)生更加直觀地理解機(jī)器設(shè)備的組成部分、工作原理、各零部件的作用和要求，使他們對(duì)精度、表面質(zhì)量、配合關(guān)系等概念有直觀的認(rèn)識(shí)。因此，如何開設(shè)好拆裝類實(shí)驗(yàn)就顯得非常重要。機(jī)器設(shè)備的拆裝往往需要按照一定的工藝規(guī)程來進(jìn)行，特別強(qiáng)調(diào)拆裝順序和拆裝方向。因此，如何指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行規(guī)范地拆裝成為這類教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要問題。與其他教學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣，拆裝類實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)一般也通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和教師演示講解來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，雖然可以做到圖文并茂，但對(duì)于空間想象力不足的學(xué)生來說理解還是比較困難的；對(duì)于教師的演示，雖然直觀形象，但當(dāng)步驟較多時(shí)，學(xué)生在實(shí)際拆裝中往往無(wú)法將當(dāng)前狀態(tài)與教師所演示的步驟對(duì)應(yīng)起來而不知所措。指導(dǎo)拆裝類實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題是：在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，如何讓學(xué)生明白當(dāng)前步驟的拆裝對(duì)象和拆裝方法。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)在教育方面的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯［1-4］，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面應(yīng)用活躍。近年來，已經(jīng)有多名研究者在拆裝類教學(xué)實(shí)驗(yàn)中嘗試應(yīng)用了VR和AR技術(shù)，如：王海根等［5］開發(fā)了減速器的虛擬裝拆實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在PC端觀看拆裝動(dòng)畫演示和進(jìn)行自主虛擬拆裝操作；李建新等［6］用UG開發(fā)了模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬裝拆和運(yùn)行仿真；徐曉等［7］開發(fā)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝拆網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)；郭慶等［8］開發(fā)了沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)，操作者借助VR眼鏡和動(dòng)捕設(shè)備進(jìn)行沉浸式虛擬操作；朱文華等［9］應(yīng)用Unity3D軟件在Zspace桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上開發(fā)了減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)；馮立艷等［10］開發(fā)了減速器的虛擬裝拆實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以觀看虛擬裝拆的動(dòng)畫，也可以進(jìn)行虛擬裝拆操作，等等。上述探索總體而言對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用比較充分，較好地實(shí)現(xiàn)了拆裝的虛擬演示、虛擬操作；但對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用還不夠充分，還沒有真正達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果。因此指導(dǎo)拆裝類實(shí)驗(yàn)的上述關(guān)鍵問題還沒有得到很好地解決。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是指將數(shù)據(jù)信息分層疊加在三維空間中，使觀察者對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生新的體驗(yàn)［11］，數(shù)據(jù)信息的主要形式是三維模型和三維動(dòng)畫。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有虛實(shí)結(jié)合（Combines real and virtual）、實(shí)時(shí)互動(dòng)（Interactive in real time）和三維注冊(cè)定位（Registered in 3-D）的特征［12］。因此，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以讓當(dāng)前步驟需要拆裝的零部件用虛擬模型覆蓋（或代替），然后讓虛擬模型作拆裝動(dòng)作的三維動(dòng)畫演示，從而使指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題“拆裝什么、如何拆裝”得到解決。本文以沖壓模具的拆卸為例借助新穎的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)無(wú)編程開發(fā)工具來開發(fā)用于指導(dǎo)拆裝類教學(xué)實(shí)驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

1 基本方案

1.1 基本思路

本項(xiàng)目的基本思路是：用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的拆裝過程演示，以指導(dǎo)學(xué)生完成拆裝操作。為了最大程度地仿真拆裝過程，僅僅將當(dāng)前步驟中需要被拆裝的零部件虛擬化，而其他部分仍舊保持實(shí)物狀態(tài)。同時(shí)要求虛擬部分與現(xiàn)實(shí)環(huán)境保持1：1的比例關(guān)系，并且與實(shí)物部分有精確的位置關(guān)系。具體而言，對(duì)于拆卸過程：用移動(dòng)端設(shè)備（如：手機(jī)）掃描實(shí)物對(duì)象，將擬拆卸部分虛擬化（虛擬模型覆蓋實(shí)物模型），擬拆卸的虛擬模型做拆卸運(yùn)動(dòng)演示；對(duì)于裝配過程：用移動(dòng)端掃描裝配體的已裝配部分，在附近產(chǎn)生擬裝配入的虛擬零部件三維模型，隨后該虛擬模型做裝配運(yùn)動(dòng)，演示與實(shí)物部分完成裝配的過程。通過這樣的演示，使學(xué)生明白當(dāng)前拆裝步驟的拆裝對(duì)象和拆裝方法。

1.2 開發(fā)工具

為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，選擇Vuforia Studio作為指導(dǎo)拆裝類實(shí)驗(yàn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。Vuforia Studio基于先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Vuforia，是面向企業(yè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，它提供了無(wú)需編程的開發(fā)環(huán)境，使用者無(wú)需具有專業(yè)的編程知識(shí)就可以通過直觀的“拖放式”方法快速創(chuàng)建AR體驗(yàn)［13］。該工具可以用現(xiàn)有的3D幾何模型、分步動(dòng)畫甚至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)來構(gòu)建富有吸引力的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，有效地降低創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的成本和復(fù)雜性。該開發(fā)工具支持多種智能移動(dòng)設(shè)備，如：智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備（包括Microsoft HoloLens）等［14］。

1.3 總體框架

利用Vuforia Studio開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的基本框架如圖1所示。需要輸入Vuforia Studio的信息源包括：各種原生CAD三維模型；由Creo Illustrate生成的3D插圖和動(dòng)畫；通過ThingWorx物聯(lián)平臺(tái)導(dǎo)入的來自現(xiàn)實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)。Vuforia Studio根據(jù)這些信息源進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的開發(fā)，完成后發(fā)布到云端Vuforia Experience，同時(shí)生成與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的二維碼標(biāo)志ThingMark。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)需要通過安裝在智能移動(dòng)設(shè)備上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)瀏覽應(yīng)用程序Vuforia View來觀看：運(yùn)行Vuforia View并掃描ThingMark后就會(huì)從云端的Vuforia Experience調(diào)取相應(yīng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，并與實(shí)時(shí)拍攝的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景結(jié)合在一起展示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中虛擬模型的位置是相對(duì)于ThingMark的，所以如果在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中將ThingMark放置在合適的位置，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)就可以與現(xiàn)實(shí)環(huán)境很好地融合，從而達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果。

圖1 利用Vuforia Studio開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的基本框架

2 拆裝實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的開發(fā)

以如圖2所示沖壓模具的拆卸為例，來說明利用Vuforia Studio開發(fā)針對(duì)拆裝實(shí)驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的過程。

圖2 沖壓模具實(shí)物

2.1 三維模型的準(zhǔn)備

根據(jù)沖壓模具實(shí)物，利用PTC的三維CAD軟件Creo Parametric 4.0完成沖壓模具的三維建模。三維模型中包含了該模具中各零件的裝配層次關(guān)系。生成的三維模型的如圖3所示。完成建模后再將其轉(zhuǎn)化為輕量化模型格式（pvz格式）。

圖3 沖壓模具三維模型

2.2 拆裝三維動(dòng)畫的制作

用Creo Illustrate來制作拆裝模具的三維動(dòng)畫，過程包括：（1）用Creo Illustrate打開上述含有輕量化沖壓模具CAD模型的文件（pvz格式），選擇合適的視圖方向，將它作為將要制作的動(dòng)畫的默認(rèn)視圖方向；（2）為各零件設(shè)定合適的顏色以區(qū)分模具的各零件；（3）建立模具拆裝的動(dòng)畫序列；（4）保存包含有動(dòng)畫序列的文件（pvz格式）。

針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的不同用途，建立了兩種類型的動(dòng)畫。第一種拆裝動(dòng)畫是完全由虛擬模型構(gòu)成的動(dòng)畫，不與拆裝的實(shí)物構(gòu)成關(guān)聯(lián)。這類動(dòng)畫主要用于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)；第二種是由部分虛擬模型構(gòu)成的動(dòng)畫，僅僅呈現(xiàn)被拆裝的對(duì)象的三維模型，其他模型不出現(xiàn)，這類動(dòng)畫是為虛實(shí)結(jié)合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)而準(zhǔn)備的，用于拆裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。針對(duì)上述沖壓模具拆卸過程，制作了拆裝的動(dòng)畫。圖4所示為第一種類型的動(dòng)畫截圖（僅以6步為例說明）。圖5所示為第二種類型的動(dòng)畫截圖（僅以4步為例說明）。

圖4 全虛擬模具拆卸動(dòng)畫截圖（部分）

圖5 虛實(shí)結(jié)合模具拆卸動(dòng)畫的虛擬部分截圖（部分）

2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的制作

利用Vuforia studio制作模具拆卸的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，步驟包括：

（1）選擇模板：安裝運(yùn)行Vuforia studio［15］后選擇模板。Vuforia studio針對(duì)三類終端設(shè)備分別提供了模板：2D眼鏡、3D眼鏡、手持設(shè)備（智能手機(jī)或平板電腦），本例選用手持設(shè)備模板。

（2）導(dǎo)入含有動(dòng)畫的模型：將經(jīng)由Creo Illustrate制作的含有動(dòng)畫的三維模型文件（pvz格式）導(dǎo)入，并調(diào)整好方位，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)入含有動(dòng)畫的模型

（3）添加ThingMark標(biāo)志：將ThingMark標(biāo)志放置在模型的合適位置并使兩者關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 將ThingMark放置在模型上

（4）設(shè)置人機(jī)交互按鈕：為控制動(dòng)畫的播放，需要設(shè)置相應(yīng)的交互按鈕。本例中設(shè)置4個(gè)按鈕：??重置，回復(fù)到動(dòng)畫的初始狀態(tài)；｜?上一步，回到上一步動(dòng)畫；?全部播放，動(dòng)畫連續(xù)播放；‖暫停播放；?｜跳到下一步動(dòng)畫。其中?和‖為互相切換按鈕，即：?按下后變化為‖，‖按下后變化為?。

（5）為體驗(yàn)配置ThingMark標(biāo)志：為體驗(yàn)選擇一個(gè)系統(tǒng)許可給開發(fā)者的ThingMark標(biāo)志。如圖8所示，ThingMark標(biāo)志是含有二維編碼信息的正六邊圖形，并與唯一的數(shù)字編碼相對(duì)應(yīng)，如圖8中的數(shù)字編碼“31254：1”。

圖8 ThingMark與數(shù)字編碼圖

（6）發(fā)布體驗(yàn)：完成上述操作后可以將體驗(yàn)保存、發(fā)布到云端的Vuforia Experience中；再通過共享體驗(yàn)使其可以被移動(dòng)端的Vuforia View調(diào)用。

3 拆裝實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的使用

學(xué)生可以通過用智能移動(dòng)設(shè)備（如：智能手機(jī)、平板電腦）掃描ThingMark標(biāo)志來調(diào)用和演示已經(jīng)發(fā)布的拆裝實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。事先需要在智能移動(dòng)設(shè)備上安裝可瀏覽虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用程序Vuforia View（有分別支持iOS、Android和Windows操作系統(tǒng)的不同版本）。智能移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行Vuforia View后掃描ThingMark標(biāo)志即可演示拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。

3.1 預(yù)習(xí)用的拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)用的拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)的ThingMark標(biāo)志可印刷在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，使其成為一種AR圖書［16］。學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)用智能手機(jī)或平板電腦運(yùn)行Vuforia View并掃描指導(dǎo)書上的ThingMark即可使拆裝的3D動(dòng)畫躍然紙上，而且可以通過交互按鈕控制動(dòng)畫的播放。圖9展示了用手機(jī)掃描實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的ThingMark標(biāo)志來演示拆卸過程（僅給出23步中的8步操作）。

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用的拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用的拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)的ThingMark標(biāo)志打印后貼在實(shí)物模具的適當(dāng)位置。制作需要注意的是：ThingMark標(biāo)志相對(duì)于模具的大小、方向和位置關(guān)系，實(shí)物狀態(tài)應(yīng)該與設(shè)計(jì)狀態(tài)保持一致。本例中，模具的三維模型相對(duì)于實(shí)物模具是1：1的，所以ThingMark標(biāo)志也應(yīng)嚴(yán)格按1：1打印出來，在實(shí)物模具上的粘貼方向和位置也應(yīng)該與在Vuforia studio中的設(shè)計(jì)狀態(tài)保持一致。圖10和圖11展示了用手機(jī)掃描實(shí)物模具上的ThingMark標(biāo)志來演示2個(gè)零件的拆卸過程。圖10展示了上模組被拆離的過程，其中：（c）顯示上模組的虛擬模型向上移動(dòng)，以提示上模組向上撤離；（d）根據(jù)提示對(duì)上模組作實(shí)際拆離操作后剩下的下模組實(shí)物。圖11展示了下模組中凹模板被拆離的過程，其中：（c）顯示凹模板的虛擬模型向左移動(dòng)，以提示凹模板向左撤離；（d）根據(jù)提示對(duì)凹模板作實(shí)際拆離操作剩下的下模具架實(shí)物。

圖9 掃描實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書得到的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)—模具拆卸部分步驟（手機(jī)橫向截屏）

圖10 虛實(shí)結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)—上模組被拆離（手機(jī)豎向截屏）

圖11 虛實(shí)結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)—下模組中凹模板被拆離（手機(jī)橫向截屏）

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用的每一步拆裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)都能達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果，一般情況下需要為每一個(gè)拆裝步驟制作一個(gè)獨(dú)立的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，所以整個(gè)拆裝過程需要多個(gè)ThingMark標(biāo)志。這些標(biāo)志粘貼在模具的不同部位，并標(biāo)明順序。學(xué)生實(shí)際操作過程為：掃描當(dāng)前拆裝步驟對(duì)應(yīng)的ThingMark標(biāo)志→觀看指導(dǎo)當(dāng)前拆裝步驟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)→根據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行當(dāng)前拆裝步驟的實(shí)際操作→掃描下一個(gè)拆裝步驟的ThingMark標(biāo)志→……，如此循環(huán)往復(fù)直至完成所有的拆裝步驟。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探索了利用無(wú)需編程的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具Vuforia Studio開發(fā)用于指導(dǎo)拆裝類實(shí)驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的方法。以沖壓模具的拆卸為例，制作了用于實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)和用于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)通過用手機(jī)掃描實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的ThingMark標(biāo)志來調(diào)用，能以三維動(dòng)畫的形式展示模具拆卸的全過程；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)通過用手機(jī)掃描實(shí)物模具上的ThingMark標(biāo)志來調(diào)用，能虛實(shí)結(jié)合地展示每一拆卸步驟的三維動(dòng)畫。實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)具有良好的泛在性，沒有時(shí)間和空間的限制，便于學(xué)生預(yù)習(xí)；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生迅速理解當(dāng)前步驟的拆卸對(duì)象和拆卸方法。本文所開發(fā)的模具拆卸增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到了預(yù)期效果。當(dāng)然，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的內(nèi)容還可以進(jìn)一步細(xì)化，如果能將拆卸工具及其使用方法體現(xiàn)出來就會(huì)取得更好的效果。利用本文提出的方法不局限于拆裝類的實(shí)驗(yàn)，還可以應(yīng)用于針對(duì)機(jī)電設(shè)備的操作類實(shí)驗(yàn)，如：機(jī)床的操作、注塑機(jī)的操作等。進(jìn)一步還可以用ThingWorx的物聯(lián)網(wǎng)功能將設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)體現(xiàn)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)中，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。