淺談機車受電弓部件的虛擬仿真交互設計

曾祥君

大連市輕工業學校，遼寧 大連 116023

淺談機車受電弓部件的虛擬仿真交互設計

曾祥君

大連市輕工業學校，遼寧 大連 116023

自國家提出“信息化共享平臺”建設目標以來，遼寧省教育廳在應用虛擬現實技術進行教學方面給予了大量的資金和政策扶持。自15年克強總理提出要快速推動我國的制造業發展，并向國際社會推廣中國的高速鐵路和城際鐵路以來，軌道運輸行業對操作員工需求逐年增高。日益發展的軌道機車運輸業在我國尚屬新興事物，各大院校的教學和培訓資源相對匱乏。因此、順應行業發展需求，開發虛擬仿真機車檢修實訓平臺具有非常重要的社會和經濟價值。

機車；受電弓；虛擬仿真

國內機車類軟件主要以虛擬駕駛為主，交互功能設計較少，很少配合考核評價平臺。另外高速機車架修類實訓平臺未見相關文獻提及。國外同類軟件起步較早，無論在機車的操作性還是機車信號管理方面都處于領先地位。下面我將以受電弓部件為例展示交互設計的思路。

受電弓類型多樣，在同型號車型上，由于制造采購批次不同，也具有差異，本文采用型號為TSG3的雙臂受電弓。根據受電弓運行原理和組成機構，我們將受電弓的設計制作分為四大部分，如圖1所示分別為：弓頭部分、鉸鏈部分、傳動機構和底架。

弓頭部分：以自由度為機構設計考量，弓頭部分在運行中要與電線保持水平并始終接電。所以將其設計為具有移動自由度的構件，不能旋轉。

鉸鏈部分：主體為兩段，固定端與旋轉端，可進行相對運動，將其看作簡單四桿機構設計、可移動也可旋轉。

傳動機構：只進行伸縮控制直線位移，不發生旋轉。

底架：相對于車體和傳動部件保持靜止。

將其歸納為三類運動方式：靜止的底架，只有直線位移的傳動機構與弓頭，具有移動及旋轉的鉸鏈部分。三類動作分別建模,見圖1。

圖1 受電弓的組成

圖2 渲染后的受電弓

固定部分構件我們可以進行貼圖渲染操作。其中弓頭在其移動過程中沒有外觀面域的改變，能直接用于渲染。在弓頭的渲染操作之前，我們要進行坐標點的調整以保證其位移運動的準確。傳動部件在運動時，伸縮長度會存在變化，此處要拆分進行渲染。鉸鏈處存在兩處銜接，分別處于弓頭和傳動機構。設計時要注意將坐標中心上移至鉸鏈軸線。鉸鏈部分在交互運動中存在模型變化，需要模型細化。鉸鏈下部與底架連接自身圍繞底架進行的是旋轉運動，需要將鉸鏈下部的中心坐標移動到底架的軸線處。鉸鏈本身的連接部分在部件移動過程中不旋轉，但會帶動鉸鏈下半部分進行上下的位置平移。而鉸鏈的上半部分與中段連接處此時會連帶發生轉動，此種情況需要運用時時渲染操作。利用機械原理我們不難分析出，鉸鏈上方旋轉部件的轉角與下方部件轉角是一種線性并存關系，通過計算可得：當下方部件順時針旋轉1°，則有鉸鏈上方部件逆方向旋轉2°角，交互設計時我們將鉸鏈與模型有效進行關聯編程操作，利用軸心鍵物體建模，并在編程時指定鉸鏈上下兩部分軸線運動時一齊指向軸心建模型，并滿足計算結果，設置軸心鍵模型不顯示狀態僅參與計算，這樣有效的降低交互編程的難度,見圖2。

教學模塊交互功能需滿足四點：用戶需知機械結構；內部構造與交互的識與讀；操作提示；相關問題說明。而內部構造與交互是設計軟件的重點。其中涵蓋了構造顯示與模型輪廓顯示兩項內容。

(1)內部構造顯示：利用光標移動到相應的機車構件或位置時，鼠標右側顯示其關聯名稱。軟件制作時我們需要將模型文件命名后進行編組，組名為SHOWNAME——“名稱顯示”，系統啟動后，會自動進行監控和即時捕捉，被光標捕捉到的對象進入“OP”指令模塊，與編程初始項目進行對比分析，經判斷名稱或組別處于“名稱顯示”組中則觸發顯示指令，并快速獲取鼠標當前坐標，在相對于鼠標位置偏置4-6個像素處顯示出該項目的具體名稱，完成名稱顯示,見圖3。

圖3 線性模塊觸發條件的交互編寫

(2)模型輪廓顯示：將不便于觀察的模型邊界用閃爍得描邊勾勒出來，并具有多種色彩變幻。該項操作屬于復雜交互指令的范疇。因為模型邊界具有不可控性，并且編程操作的邊界并不是實際模型體。模型載入Virtools軟件后臺，讀取模型的包含要素有：點云、點間的位置關系、邊界線數量。交互編程時我們先將模型邊界線全部進行檢索，再將邊界線同時進行設置，顏色參數靜值A和線寬靜值B，判斷其邊界線是否存在被其余幾何體包含的關系，即判斷邊界線是否處于模型的最外一層，將不處于在外層的輪廓統一設置為參數靜值0與線寬靜值0。最后將屏幕上不可見的線層渲隱藏，就完成了外部輪廓勾勒顯示。在實際光標交互中，常利用邊界線勾勒所產生的面渲染效果，作為提示與指引功能。如圖4所示，左圖為虛擬人物遠離受電弓時，部件輪廓突出產生“面渲染”，提示操作者遠距離發現該部件。右圖為虛擬人物近距離觀察受電弓時，利用模型邊框勾勒功能清楚看到部件的組成。

受電弓本身為易損件，更換拆卸較頻繁。傳統教學中無法開展以點帶面的將其內部構造、機械原理展現出來。而通過交互設計后、在操作過程中可實現受電弓升降、拆裝、維修和結構的勾勒透視觀察效果。解決了教學中的難題，讓學生有人機互動和沉浸之感。也為信息化教學提供了有力的支持。

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