虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)機器人教學中的應用研究

胡克滿， 張臻， 胡海燕

（寧波職業(yè)技術學院，浙江 寧波315800）

1 引 言

隨著電子技術、傳感器技術、計算機技術等先進技術的不斷發(fā)展，近年來虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）在機器人技術中得到廣泛的應用。同時，隨著現(xiàn)代教育技術的不斷更新與發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在教學技術中的應用同樣備受關注。虛擬現(xiàn)實技術良好的人機交互性，可以使人充分發(fā)揮想象力并沉浸其中［1］，在日常中難以實現(xiàn)的環(huán)境布置可以在虛擬現(xiàn)實技術中得到仿真與技術驗證。因此，在工業(yè)機器人教學中可以利用虛擬現(xiàn)實技術和計算機仿真技術模擬工業(yè)環(huán)境以達到理想教學效果。許多科研工作者在虛擬現(xiàn)實技術與機器人技術方面的應用研究取得了較好的成績：Popa 等人［2］利用虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學方面取得成績。Nelso 等人［3］在利用分立傳感器模型進行對機器人的遙控操作。Yrived 等人［4］在虛擬現(xiàn)實的應用及其概念等方面做出了貢獻，并對機器人操作系統(tǒng)進行集成實現(xiàn)實時仿真技術、可視化技術等高級的人機接口界面，對真實環(huán)境在虛擬環(huán)境之中應用的可能性進行了有效的試驗。Yoshikawa 等人［5］結合動力學模型在虛擬現(xiàn)實中進行應用研究。Kosuge 等人［6］基于虛擬環(huán)境及半自動化人工操作設計了一種空間機器人控制器。Tsumaki等人［7］提出一種預測顯示及提高模型的魯棒性在虛擬現(xiàn)實中的應用研究等。

隨著近幾年高等職業(yè)技術教育的不斷壯大，接受培訓與教育的人數(shù)也在不斷擴大。但很少有文獻報道關于虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代教育技術方面的應用和教學研究。本文結合工業(yè)機器人的教學，針對虛擬現(xiàn)實技術在教學方面的應用做了深入的研究，并取得良好效果。

2 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術（VR）是一種利用電子技術、計算機技術、傳感器技術等技術集成的先進技術，利用計算機技術實現(xiàn)了真實感較強的聽覺、視覺、觸覺等方面的模擬環(huán)境，該模擬環(huán)境主要通過計算機圖像圖形、聲音等效果表達出來，其虛擬環(huán)境具有極好的人機交互性，這些技術的集成使得操作者獲得身臨其境的感覺。最受人們關注的是，虛擬現(xiàn)實技術具有良好的交互性、沉浸感強及想象空間豐富的特征。良好的交互性主要通過良好的人機接口技術實現(xiàn)，使操作者通過計算機的顯示器、鼠標、鍵盤、操作桿等輸入和輸出設備的操作進行有效的信息交流［8-9］，操作者也因此而沉浸在虛擬環(huán)境之中，特別是目前三維技術和圖像圖形處理的發(fā)展給人帶來更加強烈的沉浸感。由于沉浸于虛擬環(huán)境中，操作者將在心理和生理上都做出反應，從而最大限度地發(fā)揮操作者的想象力和思維空間。

3 教學中的應用

運用計算機仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術對真實環(huán)境進行模擬仿真，這種真實感極大地調動了學生的學習興趣。學生可以在虛擬的環(huán)境中以主人翁的身份進行訪問與學習。因此利用好虛擬現(xiàn)實技術能夠對教學起到較好的輔助作用，應用價值很高。根據工業(yè)機器人的教學特點，本文在以下幾方面進行介紹。

3.1 虛擬環(huán)境虛擬實驗

由于在工業(yè)中的應用環(huán)境不同，所使用的工業(yè)機器人也隨之不同。工業(yè)機器人的教學不太可能將所有的工業(yè)生產真實環(huán)境一一展示，這將給工業(yè)機器人的教學帶來很大的制約。因此利用虛擬現(xiàn)實技術構造出不同的工業(yè)生產環(huán)境，可以為學生們學習和深入探討提供良好的虛擬實驗環(huán)境。學生們做實驗也不會因為受到真實環(huán)境的限制而無法開展實驗。構造一個或多個工業(yè)生產環(huán)境，并虛擬出工業(yè)機器人在該環(huán)境的工作運行情況，學生們根據工業(yè)特定的場合應用設計特種工業(yè)機器人。利用虛擬現(xiàn)實技術學生們可以自由的發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，對模擬的工業(yè)機器人進行造型改進、機械結構的重新設計、工業(yè)機器人性能改善等操作，而這些操作在真實環(huán)境中是無法快速完成的。所以利用虛擬現(xiàn)實技術可以給實驗搭建真實模擬環(huán)境，亦可以為學生們提供更快更便捷的工業(yè)機器人設計需求。特別值得一提的是有些在真實環(huán)境中無法實現(xiàn)或較難實現(xiàn)的工作場景均可在虛擬現(xiàn)實中實現(xiàn)，如工業(yè)機器人進行排爆試驗；滅火機器人進行樓層滅火試驗；工業(yè)機器人進行有害氣體的檢測與分析試驗等等，虛擬現(xiàn)實技術可以對上述工作場景進行模擬和仿真并發(fā)揮作用實現(xiàn)各種試驗。

3.2 學習平臺的搭建

隨著網絡技術的不斷發(fā)展和普及，人們利用網絡學習的時間也在不斷增多，虛擬現(xiàn)實技術具有較強的沉浸感，為學生們利用網絡學習開辟了另一片空間。虛擬現(xiàn)實的良好人機接口界面給學生們學習帶來很大程度上的便利，較強的沉浸感使得他們更加愿意學習，從而達到提高學習興趣的目的。學生們可以利用網絡進行自由的發(fā)揮和談論問題，他們在虛擬的環(huán)境中思維更加活躍，學習效果和積極性均得到充分的發(fā)揮。與普通的網絡學習相比，利用虛擬現(xiàn)實技術搭建的網絡平臺沉浸感更加強，想象力更能得到充分的發(fā)揮。從某種意義上講，也使得學生更加樂于在虛擬環(huán)境中學習。這種虛擬現(xiàn)實的網絡平臺為學生提供了便利的學習平臺，給學生帶來了較好的想象空間，必將在今后的教學中得到廣泛的應用與推廣。

3.3 職業(yè)技能的培養(yǎng)

近幾年參加汽車駕駛培訓的司機已開始在駕校接受“模擬汽車駕駛培訓”，“模擬汽車駕駛培訓”，這是虛擬現(xiàn)實技術的典型應用。學生們可以在虛擬現(xiàn)實中找到自己職業(yè)的感覺，并且通過模擬環(huán)境進行技能訓練，通過反復多次的操作練習以達到熟練操作技能的目的。對于有些工業(yè)機器人的操作，學生們同樣可以利用虛擬現(xiàn)實模型進行多次的模擬訓練，從而達到熟練控制機器人的目的。這種教學模式和傳統(tǒng)的教學方法相比較，可以大大減少初學者對設備或工業(yè)機器人的不熟練操作而造成的損失或損壞。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術一方面可以十分有效地培訓學生們的操作技能；另一方面也可以減少設備或工業(yè)機器人的損耗，達到“雙贏效果”。虛擬現(xiàn)實技術的應用教學方式方法在這方面的應用比傳統(tǒng)的教學方法略勝一籌。

4 結 論

本文對虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)機器人教學中的應用進行深入的探索和研究。結合虛擬現(xiàn)實技術與計算機仿真技術在現(xiàn)代教育技術中的應用與實施，并且對虛擬環(huán)境虛擬實驗、虛擬現(xiàn)實學習平臺搭建和虛擬環(huán)境下的職業(yè)技能培養(yǎng)等方面作了深入的探討。隨著人們對其進一步應用研究，虛擬現(xiàn)實技術不僅在工業(yè)機器人教學方面得到應用，也將在其他的教學領域同樣受到人們更多的關注，虛擬現(xiàn)實技術的應用也將積極推動傳統(tǒng)的教學改革。

［1］ 趙曉光，等.基于虛擬監(jiān)控技術的機器人系統(tǒng)［J］.武漢大學學報信息科學版，2003，28（2）：233-237.

［2］ POPA D O，SINGTH S K.Creating Realistic Force Sensations in a Virtual Enviroment:Experimental System，F(xiàn)undamental Issuces and Results［C］//The 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation Leuven，Belgium，1998.

［3］ NELSON B J，KHOSLA P K.Integrating Force and Vision Feedback Within Virtual Reality Environment for Telerobotic Systems［C］//The 1997 IEEE International Conference on Robots and Automation，Albuquerque，New Mexico，1997.

［4］ YRIVEDI M M，CHEN C X.Developing Tele-Robotics System Using Virtual Reality Conceps［C］//The 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System，Yokohama，Japan，1993.

［5］ YOSHIKAWA T，UEDA H.Construction of Virtual World Using Dynamics Modules and Interaction Modules［C］//The 1996 IEEE International Conference on Robots And Automation Minneapolis，Minnesota，1996.

［6］ KOSUGE K，ITOH T，F(xiàn)UKUDA T，et al.Scaled Telemanipulation System Using Semi-Autonomous［C］//The 1995 IEEE/RS Iternational Conference on Intelligent Robots and System，1995.

［7］ TSUMAKI Y，UCHIYAMA M.Predictive Display of Virtual Beam for Space Teleoperation［C］//The Int.Conf.on Intelligent Robots And Systems，Osaka，Japan，1996.

［8］ 胡克滿，等.基于改進型PID 控制算法在小型倉儲物流智能機器人中的應用研究［J］.物流技術，2012（4）：84-86.

［9］ HU Ke-man，HU Hai-yan.The research on the application of intelligent robots in small storage and logistics based on improved PID control algorithm［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，220-223：1230-1235.