基于VR的電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究

陳良英， 羅凡

(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017 2. 陸軍重慶軍代局駐廣元地區(qū)軍代室，廣元 628017)

基于VR的電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究

陳良英1， 羅凡2

(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017 2. 陸軍重慶軍代局駐廣元地區(qū)軍代室，廣元 628017)

電梯拆裝是一項(xiàng)具有危險(xiǎn)且復(fù)雜的工作，利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)不但可以模擬實(shí)際環(huán)境中常見的故障，還可給學(xué)生提供反復(fù)拆裝練習(xí)，通過操作過程的回放與分析，使教學(xué)、訓(xùn)練和考核環(huán)節(jié)變得可量化和標(biāo)準(zhǔn)化，更便于教學(xué)和考核；電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有沉浸感、想象性和交互性特征。VR技術(shù)在電梯專業(yè)領(lǐng)域的操作技能培訓(xùn)中的應(yīng)用，將改善電梯實(shí)訓(xùn)基地條件及操作技巧的教育環(huán)境，探索出一條培訓(xùn)電梯操作技能人才的新方法。

電梯拆裝； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 沉浸感

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升，生活質(zhì)量的提高，我國自2000年以來電梯的生產(chǎn)與銷售以年平均20%以上速度在增長。隨著國家對(duì)房地產(chǎn)限購及城鎮(zhèn)化建設(shè)等政策的影響，眾多電梯生產(chǎn)企業(yè)將電梯售后服務(wù)作為電梯企業(yè)市場(chǎng)競爭的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此培養(yǎng)合格且具有專業(yè)技能的電梯售后服務(wù)人員以成為關(guān)鍵。

電梯專業(yè)是一個(gè)特殊專業(yè)群體，由于它的特殊性不可能達(dá)到人人一部電梯，隨時(shí)都能將電梯進(jìn)行拆裝。過去我們的教師上課采用圖片方式告之學(xué)生它的原理與故障可能出現(xiàn)的地方，并依靠教師的經(jīng)驗(yàn)來排除；學(xué)生將這些知識(shí)記錄在本上，待到實(shí)習(xí)期又因多人操作不能將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)不到東西、提不出問題，教師的教學(xué)內(nèi)容成舊。近幾年來，虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)在影片、游戲與家居方面運(yùn)用打破了人們傳統(tǒng)視覺接受方式。VR是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，VR具有良好的沉浸感，如果將VR與教學(xué)相結(jié)合，將課堂中出現(xiàn)的圖片變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使枯燥、單調(diào)的課堂變得生動(dòng)、趣味，將價(jià)格高昴的電梯變成玩具讓學(xué)生隨心所欲拆、裝。VR與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合將大大提升學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)與勇于探索新問題，使教師在課堂中講解更加生動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一套簡單易行的虛擬現(xiàn)實(shí)電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力、加強(qiáng)對(duì)電梯內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)與了解從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題能力。

本文提出虛擬現(xiàn)實(shí)電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①感應(yīng)手套作為人機(jī)交互設(shè)備，將電轉(zhuǎn)力讓學(xué)生真實(shí)感受手拿物體的真實(shí)感；②結(jié)合視覺感應(yīng)讓模擬者在場(chǎng)景漫游，使學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)拆裝實(shí)訓(xùn)操作，實(shí)現(xiàn)與電梯各部件進(jìn)行交互，提高電梯拆、裝訓(xùn)練的真實(shí)性與沉浸感；③回放功能，教師了解學(xué)生操作流程，從而對(duì)學(xué)生實(shí)施評(píng)價(jià)；④系統(tǒng)開發(fā)成本低于購買一部電梯價(jià)格，系統(tǒng)不因時(shí)間、地點(diǎn)的限制可反復(fù)使用，提高系統(tǒng)的使用率增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電梯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，對(duì)促進(jìn)電梯拆裝模擬教學(xué)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)電梯功能特點(diǎn)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的電梯拆裝實(shí)訓(xùn)的操作，本文設(shè)計(jì)的拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)滿足以下要求：①利用手套作為觸覺裝置，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、使用安全、傳輸速度快；②開發(fā)出適應(yīng)于教學(xué)的虛擬環(huán)境，豐富課堂資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；③實(shí)時(shí)反饋學(xué)生拆裝過程錯(cuò)誤操作提醒；④回放，將學(xué)生操作過程進(jìn)行再現(xiàn)，利于教師更清楚觀察學(xué)生操作過程，收集資料整改教學(xué)內(nèi)容，利于學(xué)生自我改正。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)成及功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括傳感器模塊、虛擬現(xiàn)實(shí)模塊、回放與顯示模塊共3個(gè)模塊來完成。

2.1 總體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)模塊

虛擬現(xiàn)實(shí)模塊采用了NeoAxis引擎完成，NeoAxis具有現(xiàn)代化的立體三維圖形仿真，有一個(gè)全功能的工具套件，能完整的創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)交互式三維圖形仿真集成開發(fā)環(huán)境，并且有最強(qiáng)大的開源引擎Ogre作為渲染引擎，還具有聲音、UGI等庫文件供調(diào)用，支持所有.net語言，為此系統(tǒng)二次開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

模擬場(chǎng)景使用NeoAxis引擎來完成，虛擬人體可通過西門子仿真軟件JACK來實(shí)現(xiàn)，JACK具有良好的擴(kuò)充性、靈活性與開放性同時(shí)JACK還具有虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的良好兼容性，顯示和操縱簡單；最后以相同的數(shù)據(jù)格式輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。

2.3 傳感器模塊

傳感器由手套感應(yīng)模塊和視覺感應(yīng)模塊兩部分組成。傳感器是此系統(tǒng)人機(jī)交互重要組成部分。視覺感應(yīng)模塊采用體感攝像頭來捕捉手在現(xiàn)實(shí)位置信息，并將此信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)映射到虛擬場(chǎng)景中。手套感應(yīng)模塊采用模擬電路與電磁鐵感應(yīng)相結(jié)合，對(duì)虛擬空間中手(P)與物體(Q)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理后(P、Q坐標(biāo)值相等時(shí))計(jì)算機(jī)將給一個(gè)電信息到手套電磁鐵感應(yīng)器中，電磁鐵感應(yīng)器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成力信號(hào)，從而使人感受到與物體接觸。

2.4 回放與顯示模塊

對(duì)電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用了進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄功能，建立違規(guī)操作與故障數(shù)據(jù)庫作為判斷依據(jù)，當(dāng)違規(guī)動(dòng)作完成后屏幕左上方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小紅點(diǎn)并不斷閃爍，并通過語音提示“錯(cuò)誤”。

3 關(guān)鍵技術(shù)及算法

3.1 傳感器模塊

3.1.1 手套追蹤與定位

手套的追蹤與檢測(cè)需要實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，利用體感攝像頭(XBOX360攝像頭改裝)來獲取手套信息的設(shè)備，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景所需的實(shí)時(shí)性和體驗(yàn)性，采用Camshift(連續(xù)自適應(yīng)的MeanShift算法)目標(biāo)跟蹤算法，該算法將有效防止因快速移動(dòng)情況下而造成的跟蹤目標(biāo)丟失并能有效實(shí)時(shí)跟蹤手套，準(zhǔn)確判斷部件放置位置。當(dāng)虛擬空間中手的坐標(biāo)P(x,y,z)與物體的坐標(biāo)值Q(x,y,z)相同(P=Q)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過模型電路傳輸給手套一個(gè)電信號(hào),此電信號(hào)通過電磁鐵轉(zhuǎn)化為力信號(hào)傳遞給手，實(shí)現(xiàn)手部的觸感，如圖2所示。

圖2 雙目成像原理

3.1.2 手套空間位置的獲取

手套空間位置的定位是依靠體感攝像頭(XBOX360攝像頭改裝)來獲取，體感攝像頭由左攝像頭、紅外發(fā)射器、紅外線攝像頭、右攝像頭組成，紅外線發(fā)射器發(fā)出一道“激光”來覆蓋整個(gè)可視范圍，紅外線攝像頭識(shí)別圖像的是一個(gè)深度，左右攝像頭是依據(jù)人的眼的視覺差原理，根據(jù)雙目成像原理可得：

3.1.3 力感應(yīng)模塊

通過電磁鐵對(duì)鐵片的吸力，將那微小的信號(hào)電壓，通過比例放大器(就是一般的線性放大器)，放大到可以驅(qū)動(dòng)電磁鐵的高度和需要的電流的強(qiáng)度，就可以實(shí)現(xiàn)把電信號(hào)按照比例轉(zhuǎn)化為力的大小，如圖2所示。

將電磁鐵封裝在手套中，提高手部力的感受度，減少此系統(tǒng)外觀所見元件的數(shù)目；該手套使用了USB接口與計(jì)算機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)與指令的傳輸，大大降低該系統(tǒng)制作成本。

3.2 三維建模

電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)市面上常用的驅(qū)動(dòng)方式特設(shè)立了三個(gè)模擬場(chǎng)景：曳引驅(qū)動(dòng)電梯、強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)、液壓電梯。包含多種模型組件，其中限速器模型、甩球式模型、甩塊式模型、松閘板手模型、盤車手輪模型、電梯曳引輪和導(dǎo)向輪模型、限速器張緊裝置模型等，場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)庫設(shè)置為日光模型。系統(tǒng)采用NeoAxis引擎和JACK西門子仿真軟件來建立模擬人共同完成系統(tǒng)三維模擬的建模，由于電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的特殊性，無需對(duì)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬進(jìn)行太高環(huán)境要求的渲染，從而節(jié)省了響應(yīng)時(shí)間，提高了場(chǎng)景物體移動(dòng)速度，獲得更強(qiáng)的沉浸感。

3.3 回放與顯示功能

由于電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息量大，實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜；在拆裝過程中同時(shí)進(jìn)行了過程監(jiān)控、違規(guī)操作與故障數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)操作時(shí)會(huì)在屏幕上方出現(xiàn)紅點(diǎn)閃爍和語音提示。只有安裝正確才能下一步操作，每次安裝完成后學(xué)生都有權(quán)利選擇回放與保存功能，如圖3所示。

圖3 工作流程

4 電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分析

電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是典型的人機(jī)交互式系統(tǒng)，交互性強(qiáng)、友好的操作系統(tǒng)界面能夠增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的沉浸感。通過電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備模塊之間相互運(yùn)用，將該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)置為單一場(chǎng)景拆裝模擬操作，通過數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)電梯拆裝實(shí)訓(xùn)操作相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 實(shí)訓(xùn)效果好，學(xué)習(xí)周期短。由于電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可在室內(nèi)完成仿真訓(xùn)練完全不受時(shí)間、空間、場(chǎng)地限制，人人都能動(dòng)手操作，提高專業(yè)實(shí)訓(xùn)效率，縮短使用實(shí)訓(xùn)基地周期；

(2) 實(shí)訓(xùn)運(yùn)行成本低，可反復(fù)練習(xí)。電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)反復(fù)模擬訓(xùn)練為實(shí)體拆裝提供保障，節(jié)約占用電梯拆裝實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地費(fèi)用；

③ 安全可靠。電梯安裝、調(diào)試、維護(hù)屬于高危工種，如果在實(shí)際電梯拆裝實(shí)訓(xùn)中，一旦發(fā)生機(jī)械故障會(huì)危及學(xué)生生命安全，因此電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)完全不用擔(dān)心安全事故的發(fā)生，具有安全性高的特點(diǎn)。

5 總結(jié)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬電梯拆裝，可以把電梯的內(nèi)部構(gòu)造、運(yùn)行方式、性能特征等通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的形式模擬出來。各零部件都參照實(shí)物的尺寸和外觀進(jìn)行構(gòu)建，以及手部力觸覺感應(yīng)，達(dá)到了真實(shí)的模擬效果，通過身臨其境的觀察、拆裝電梯過程，將抽象的概念與問題直觀、形象反應(yīng)給學(xué)生，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量。

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Research on the Training System of Elevator Assembly and Disassembly Based on VR

Chen Liangying，Luo Fan

(State ，China)

Lift disassembly is a dangerous and complex work. Using virtual reality(VR) technology can not only simulate the actual environment of common fault, but also provide students with repeated disassembly exercises through the playback and analysis of the operation process. It makes the teaching, training and examination become measurable and standardized, is more convenient for teaching and examination. Elevator dismantling training system has immersion, imagination and interaction. VR technology in the field of elevator operation skills training application, will improve the elevator training base conditions and operating skills of the education environment, it explores a new method of training elevator operation skills.

Elevator disassembly and assembly; Virtual reality; Immersion

陳良英(1981-)，女，四川廣元，四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形，教學(xué)管理。 羅 凡(1979-)，男，四川南江，陸軍重慶軍代局駐廣元地區(qū)軍代室，工程師，研究方向：雷達(dá)電子。

1007-757X(2017)04-0059-03

TP311.51

B

2016.10.10)