張 俊，吳央芳，張?zhí)煊?/p>

（浙大城市學院工程學院，杭州 310015）

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），簡稱VR技術(shù)，是采用計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成的一種虛擬環(huán)境，包括有計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、傳感技術(shù)等。用戶在借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，能夠與虛擬世界中的物體進行自然的交互，并且能夠通過視覺、聽覺、觸覺來獲得與真實世界相同的感受［1-4］。

國內(nèi)外對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)做了一定的研究。馬帥等［5］采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)，通過Unity 3D搭建了具有交互式拆裝空壓機和模擬車床走刀功能的虛擬實驗平臺，為平臺交互式設(shè)計提供了參考。周欣等［6］基于UG 設(shè)計了RV 減速器虛擬樣機并實現(xiàn)了虛擬運動仿真。朱正偉等［7］利用改進后的碰撞檢測算法對模具的裝配序列和裝配實現(xiàn)方法進行了研究，并基于HTC Vive、Unity 3D等軟件開發(fā)了虛擬現(xiàn)實模具裝配系統(tǒng)。田昌等［8］設(shè)計了蒸汽輪機發(fā)電虛擬仿真系統(tǒng)，避免了實驗過程中存在的煙氣較重、不易操作等問題，生動體現(xiàn)了虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。Luzanin 等［9］提出了一種基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）的手勢識別系統(tǒng)，使虛擬裝配和維護仿真等VR工程與實體數(shù)據(jù)手套相結(jié)合。

目前國內(nèi)高校傳統(tǒng)的課堂模式受困于因經(jīng)費投入不足而造成實踐教學資源缺乏等問題［10］，基于Unity 3D搭建虛擬仿真實踐教學系統(tǒng)，把虛擬現(xiàn)實和課程實踐結(jié)合起來，在突破高校傳統(tǒng)封閉式課堂模式的同時提升學生的自主學習能力，使學生不再受設(shè)備數(shù)量限制，大大優(yōu)化教學體系，提高教學的生動性。

1 典型機械裝備結(jié)構(gòu)分析

本平臺以典型機械裝備齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV減速器為研究對象。

齒輪泵主體結(jié)構(gòu)由一對回轉(zhuǎn)齒輪構(gòu)成，工作時互相嚙合吸入低壓油，排出高壓油［11］。二級圓柱齒輪減速器由輸入軸、輸出軸、中間軸、輸入齒輪、輸出齒輪和傳動齒輪等組成，動力源經(jīng)大齒輪嚙合小齒輪的方式逐層傳遞到輸出軸并輸出轉(zhuǎn)矩，起到減速增矩的效果［12］。RV減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成［13-14］，電動機帶動輸入齒輪與正齒輪嚙合，為第1 級減速；正齒輪與曲柄軸固連，成為第2 級的輸入，轉(zhuǎn)動正齒輪則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動，此時曲柄軸轉(zhuǎn)動1周，則RV齒輪會沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動1 個齒，這個轉(zhuǎn)動將被輸出到輸出盤上，此為第2 級減速［15］。

圖1 所示為齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV減速器結(jié)構(gòu)圖，從圖中可見，3 個模型結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜，符合機械系統(tǒng)設(shè)計認知規(guī)律，通過系統(tǒng)學習可實現(xiàn)知識與能力的漸進提升。

圖1 典型機械裝備結(jié)構(gòu)

2 實驗教學平臺方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能框架設(shè)計

以典型機械裝備為研究對象開發(fā)具有交互式，仿真性的虛擬仿真實踐教學平臺。系統(tǒng)應(yīng)擁有實驗預(yù)習、虛擬自動拆裝、手動交互拆裝、模型縮放旋轉(zhuǎn)、運動仿真等交互功能模塊。系統(tǒng)總體框架如圖2 所示。

圖2 平臺總體方案框架

利用典型機械裝備的拆裝實驗教學平臺讓學生了解典型機械裝備的結(jié)構(gòu)特點，掌握典型機械裝備的加工精度要求、工藝要求和裝配要求，同時促進學生將機械原理、機械設(shè)計、機械制造工程學等課程所學的理論知識通過典型機械裝備的拆裝進一步應(yīng)用到實踐綜合應(yīng)用當中去。

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊

（1）實驗預(yù)習模塊。實驗預(yù)習模塊包含實驗?zāi)康脑?、儀器設(shè)備、方法和步驟以及實驗考核要求4 個二級功能模塊，文字說明及瀏覽的方式應(yīng)使學生在虛擬拆裝前充分了解該實驗。功能模塊效果如圖3 所示。

圖3 實驗預(yù)習功能模塊

（2）實驗操作模塊。進入此模塊開始實驗，首先進入運動仿真模塊，可學習3 種典型機械結(jié)構(gòu)的運動情況，為后續(xù)虛擬拆裝做準備。運動仿真界面見圖4。

圖4 運動仿真界面

點擊選擇齒輪泵、2 級齒輪減速器或者RV 減速器后可進入3 個4 級功能模塊，可實現(xiàn)自動裝配、自動拆解、手動拆裝功能，自動裝配和手動拆裝功能模塊效果如圖5、6 所示。

圖5 自動裝配功能模塊

圖6 手動拆裝功能模塊

3 實驗教學平臺開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 平臺開發(fā)工具

系統(tǒng)開發(fā)選用Unity 3D，其擁有較高的跨平臺性，可發(fā)布至Windows、Mac、iPhone、Android 等多個平臺；3D建模軟件使用Solidworks；三維渲染優(yōu)化軟件采用3D Max，其模型優(yōu)化功能強大，在減少存儲體積的同時可保持模型精度尺寸。

具體開發(fā)平臺與工具如表1 所示。

表1 開發(fā)平臺與工具

3.2 平臺開發(fā)流程

系統(tǒng)開發(fā)流程：以Unity 3D 為開發(fā)平臺進行VR制作。首先運用Solidworks建立機械裝備模型并導(dǎo)入3D Max 完成模型渲染優(yōu)化，再將優(yōu)化后模型導(dǎo)入Unity 3D平臺通過C#編寫相關(guān)腳本實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能，最后發(fā)布到相應(yīng)平臺，利用平臺設(shè)備對虛擬實踐教學系統(tǒng)進行效果展示。系統(tǒng)開發(fā)流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3.3 機械裝備模型的建立和優(yōu)化

機械裝備模型是虛擬仿真的主體，建模時可以將一些對虛擬拆裝影響不大的結(jié)構(gòu)進行合理省略，起到簡化模型效果。標準件可以采用Solidworks軟件內(nèi)置的toolbox直接調(diào)用，大大減少了建模時間。在裝配采用“自底向上”的方式并多用陣列、鏡像減少裝配時間和存儲體積，同時應(yīng)避免模型重疊。

模型建立完成后，將文件導(dǎo)出為STEP 格式后導(dǎo)入3D Max進行模型優(yōu)化和坐標軸調(diào)整。模型優(yōu)化功能可以在不影響模型精度的條件下減少面的數(shù)量，坐標軸調(diào)整可以方便在Unity 3D 中的后續(xù)開發(fā)。本步驟具體操作流程和設(shè)計效果圖如圖8、9 所示。

圖8 模型建立和優(yōu)化流程圖

3.4 模型虛擬場景搭建

模型虛擬場景作為設(shè)備模型的環(huán)境載體，為整個實驗平臺的基礎(chǔ)。將3D Max 中優(yōu)化好的三維模型保存為MAX或FBX 格式文件后，導(dǎo)入到Unity 3D 軟件中并做添加材質(zhì)和展臺等操作，完成模型虛擬場景的搭建。

3.5 模型自動拆裝功能實現(xiàn)

由于3D Max 制作的拆裝動畫在導(dǎo)入到Unity 3D的過程中會產(chǎn)生坐標混亂，本系統(tǒng)通過Unity 3D制作實現(xiàn)相應(yīng)的自動拆裝功能。在實現(xiàn)機械裝備虛擬拆裝功能時，需注意是否符合實際裝配順序，并關(guān)注模型文件夾名稱過長而導(dǎo)致的無法更改坐標的問題。自動拆裝功能設(shè)計流程圖和實現(xiàn)效果圖如圖10、11 所示。

圖9 模型優(yōu)化及坐標軸調(diào)整效果圖

圖10 自動拆裝功能設(shè)計流程圖

3.6 模型手動拆裝功能實現(xiàn)

模型實現(xiàn)手動拆裝功能需要對零件做添加Collider（碰撞控件）并掛載腳本的操作，以達到用鼠標自由拖動、放置零件的效果。功能設(shè)計流程圖和實現(xiàn)效果圖如圖12、13 所示。

3.7 視角交互功能的實現(xiàn)

用鼠標調(diào)整觀察視角的操作方式可以讓用戶有更直觀、更具沉浸性的體驗。通過腳本捕獲鼠標移動和滾輪來調(diào)整攝像機的角度和位置，以實現(xiàn)相應(yīng)功能。具體功能實現(xiàn)流程如圖14 所示。

圖11 自動拆裝實現(xiàn)效果圖

圖12 手動拆裝功能設(shè)計流程圖

圖13 手動拆裝實現(xiàn)效果圖

圖14 視角交互功能設(shè)計流程圖

3.8 交互性界面設(shè)計

用戶交互界面設(shè)計是將相應(yīng)腳本掛載到按鈕上，構(gòu)建相應(yīng)層級關(guān)系。當用戶點擊按鈕時，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)場景層級，實現(xiàn)對應(yīng)功能。交互式界面包含由自動拆裝、手動拆裝、實驗預(yù)習、返回、退出等按鈕。

實現(xiàn)層級跳轉(zhuǎn)的部分代碼如下：

實現(xiàn)效果如圖15 所示。

圖15 用戶交互界面

3.9 運動仿真功能實現(xiàn)

運動仿真功能可以讓學生清晰地觀察到機械裝備內(nèi)部齒輪的運作情況。功能主要實現(xiàn)原理是把相應(yīng)腳本掛載到機械裝備的部分零件上，使其繞1 根及1 根以上的固定軸旋轉(zhuǎn)，借此模擬真實運動情況。同時，可將箱體掛載透明材質(zhì)，以顯示出其內(nèi)部運動情況，部分代碼如下：

3.10 系統(tǒng)發(fā)布

Unity擁有較高的跨平臺性，可以將開發(fā)完成的虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)布至Android，PC，Xbox，PS4 等多個平臺。以PC端為例，完成各項發(fā)布前的各項設(shè)置后，即可發(fā)布一個包含exe 可執(zhí)行文件的文件夾，運行exe文件即可在PC端使用虛擬仿真系統(tǒng)。

在Android 平臺上發(fā)布，需要設(shè)置對應(yīng)的SDK，JDK，NDK軟件開發(fā)工具包以調(diào)試好發(fā)布環(huán)境。完成調(diào)試后，將發(fā)布平臺改為Android，單擊Build即可生成一個apk文件。在Android 手機上安裝該文件，即可在手機上使用本系統(tǒng)。

在基于發(fā)布至PC 端的基礎(chǔ)上，還可以通過軟件左右分屏的形式，在VR頭盔上立體顯示，利用頭盔的位置跟隨功能和手柄操作等多個形式與系統(tǒng)更沉浸的交互。

4 結(jié)語

基于虛擬技術(shù)的機械基礎(chǔ)實驗教學平臺，通過運用Unity 3D等工具開發(fā)了實驗項目“齒輪泵、二級減速器以及RV減速器虛擬拆裝實驗”，已列入機械基礎(chǔ)實驗教學大綱，每年可為200 余名本科生提供實驗教學支撐，教學效果良好。同時該項目作為省級虛擬仿真實驗教學的一個項目，已發(fā)布城市學院機械虛擬仿真實驗教學網(wǎng)絡(luò)平臺上，網(wǎng)址為：http：//101.132.154.216。依托學院校園網(wǎng)絡(luò)，面向校內(nèi)所有師生全天開放，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學資源的校內(nèi)共享。

在此基礎(chǔ)上下一步研究將著重于完善結(jié)構(gòu)展示和拆裝細節(jié)，不斷提高使用者的實際操作體驗，并逐步擴大外網(wǎng)的注冊制開放程度，進一步擴大本成果共享應(yīng)用范圍。