虛 實 結 合 的 減 速 器 拆 裝 的 研 究

朱文華， 蔡 寶， 石坤舉， 劉 賽

(上海第二工業大學 工程訓練中心,上海 201209)

虛實結合的減速器拆裝的研究

朱文華， 蔡 寶， 石坤舉， 劉 賽

(上海第二工業大學 工程訓練中心,上海 201209)

傳統的實踐教學大多是采用實訓的模式，隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術逐漸在實踐教學中得到應用；我校以培養學生工程素質和綜合應用技術的能力為目標，以虛擬仿真技術為重要手段，本著“虛實結合”的總體思想，探索實踐教學的新模式。現以圓柱齒輪減速器為對象，應用虛擬現實和增強現實技術，基于Unity3D軟件在Zspace桌面虛擬現實設備開發出全新的實踐教學資源，虛實結合的減速器拆裝，極大地提高了虛擬仿真的交互性和沉浸感，教學效果良好，有助于學生動手實踐能力的提高，培養學生職業意識和工程素養。

實踐教學; 虛擬仿真; 增強現實; 虛實結合; 減速器

0 引 言

減速器是一種通用的機械，使用它的目的是降低轉速，增加轉矩，應用領域涉及工程機械、冶金、船舶、電力、及石化等行業，各大高校都有針對性的對其原理、結構和性能的進行課程教學。

傳統的教學手段或采用減速器課程設計手段或采用減速器模型工程訓練手段進行教學，而受到學生實訓時間有限、教育資源緊張等諸多問題，且隨著計算機技術和信息技術的高速發展，采用更為新穎的教學方式，已成為克服實驗實訓教學技術困難的一大重要手段。虛擬現實技術(Virtual Reality)的出現能有效解決傳統教學存在的諸多問題。

隨著信息化技術的發展，虛擬仿真技術的發展應用越來越多，從近年來的國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結[1-2]上看出，全國各大高校建設國家級虛擬仿真實驗室申報材料逐年增加，文獻[3]中對大型儀器設備進行虛擬仿真進行了探討探討。借此推斷近年來在虛擬現實技術上的研究日漸成熟，早在2005年，就對數控車床的虛擬培訓系統進行了開發[4]，并將虛擬現實運用在土木工程及避難上[5]，2010年以后基于VR的應用研究更是趨于常態化，運用VR技術對古陶瓷進行修復和展示[6]，文獻[7]中對某型抽油機的設計進行了虛擬現實仿真;針對老年人及殘障人士的VR技術應用提出合理建議[8]，將城市地面軌道交通工程進行仿真，探索了虛擬現實技術在城市交通的應用[9]，開發了空間站艙內尋路模擬系統[10]，及三維虛擬校園漫游仿真系統[11]。

對教育教學等領域的虛擬仿真應用也取得一定成果，文獻[12]中總結了國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展，分析了虛擬仿真實驗教學的特點和趨勢[12]，對虛擬現實技術應用在高職實踐教學中提出了可行性步驟[13]，基于Virtools技術開發出基于煤礦現場的虛擬現實教學系統[14]，探究了VR技術在高等教育領域應用[15]，綜上所述虛擬仿真技術在教育教學領域有著廣闊的研究前景。

本文以減速器的拆裝為研究對象，本著“虛實結合”的總體思想，把虛擬仿真技術與傳統的減速器工程訓練課程相結合，對虛實結合的減速器拆裝進行了研究，開發了具有交互性和沉浸性等特點的減速器拆裝系統，提高學生的動手實踐能力。

1 總體研究思路

對傳統減速器的拆裝訓練課程進行研究，課程內容包括對減速器進行內部外部組成部件的認識，減速器工作原理的講解以及實體減速器的拆卸裝配測量等等，據此可對課程要求開發的系統列出總體框架，以期形成整個研究的總體思路，圖1是虛擬減速器拆裝系統的整體框架。

根據圖1的系統框架，本文首先建立教學用的減速器三維模型作為素材，然后結合Unity3D軟件進行虛擬減速器課件系統的開發，最后利用虛擬現實設備Zspace和增強現實軟件zView對減速器虛實結合的工程訓練系統進行開發將其應用在實際教學中。

2 基于Unity3D的課件系統開發

2.1 前期素材準備

Unity3D軟件本身并不具備建立模型功能，所以在開發前必須根據實物建立相應的三維模型，圖2所示為學生實際進行工程訓練的一級圓柱齒輪減速器，而圖3是在三維軟件下等比例制作的減速器模型。

圖1 系統整體框架

圖2 減速器實物

圖3 減速器三維模型

2.2 虛擬減速器系統的開發過程

在Unity中共開發出19個場景，內容涉及了系統總體框架提出的所有內容，調用Unity3D內部函數。

(1) 場景間切換調用Application函數，實現語句Application.LoadLevel ("Scene1");

(2) Unity3D開發的系統中可交互性是一大重要特點，界面中的按鈕標簽等交互控件均可通過調用OnGUI()函數實現，該函數中均可調用相應的方法涉及例如按鈕的位置，字體的大小顏色等等，另外課程測試中客觀題的設計也調用了toggle等交互控件函數。

(3) 場景的旋轉縮放則通過調用射線函數和Lerp函數等進行實現，函數調用語句如下:

ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

transform.rotation = Quaternion.Lerp (transform.rotation, mRotation, Time.deltaTime * Damping);

(4) 模型的移動和旋轉則通過Unity3D的免費插件iTween動畫庫來實現，它能夠實現子模型的復雜運動，典型程序如：

iTween.MoveBy(gameObject,iTween.Hash("y",5,"easeType","easeInOutExpo", "loopType", "none", "delay", .5));

該函數中第一個參數表示運動的方向；

easetype:移動模式，可以設置一些加速度的效果，這個參數值是一個枚舉iTween.Easetype；

looptype:循環模式，一共有3種模式：

iTween.LoopType.none:不循環；

iTween.LoopType.loop:循環，物體移動到終點后會跳到起點重新移動；

iTween.LoopType.pingPong:來回循環，物體移動到終點后會再以相同的模式和時間再移動到起點，然后再移動到終點，一直循環。

delay：延遲模式，延遲時間為0.5，“0”可默認省去。

系統部分場景功能介紹如下：

圖4所示為系統總界面，包括減速器虛擬拆裝系統的組成：課程簡介、課程指導、課程內容和課程考核(為了模型零部件之間容易區分，故開發時將各零部件渲染成不同的顏色)。

圖5所示為課程內容界面，共分為8大課程內容，該部分結合實體減速器工程訓練同時學習，讓學生對整個學習過程認識更為深刻。

圖4 系統總界面

圖5 課程內容界面

圖6所示為虛擬拆卸界面，將減速器的拆卸分為4大模塊：拆卸上箱體、低速軸、高速軸和下箱體，同時拆卸過程可通過重置場景功能讓學生反復學習。

圖7所示為課程測試界面,針對該系統出現的知識點以客觀題的形式表現出來對學生學習進行考核。

3 基于Zspace的訓練系統開發

3.1 Zspace簡介

虛擬現實是計算機生成的給人多種感官刺激的虛擬環境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互，從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺[16]。虛擬現實技術一般具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特點，Zspace(見圖8)正是虛擬現實技術運用的產物。

圖6 虛擬拆卸界面

圖7 課程測試界面

圖8 Zspace

Zspace系統是整合現實世界工作環境的桌面虛擬現實系統，實現現實與虛擬世界的自由穿越。技術核心是高保真的立體顯示系統，低延遲的跟蹤系統，軟件系統。Zspace的核心技術包括：立體視覺、直接交互，如圖9所示。

自然的人機交互——虛擬交互筆：Zspace交互筆提供了自然的人機交互方式，6自由度的交互筆給體驗者提供了充分的保障。

低延遲的位置傳輸——追蹤眼鏡：Zspace追蹤眼鏡利用紅外技術將體驗者位置信息低延遲的傳輸給工作站。

另外配合Zspace使用的zView(見圖10)具有增強現實功能，讓學習者輕松地跟他人分享Zspace的學習體驗。

3.2 系統開發特點

在應用Zspace進行虛擬現實系統開發時，相對于Unity3D軟件開發的系統，最重要的便是體現新系統的交互性、沉浸性以及“虛實結合”的特點。

(1) 系統交互性和沉浸性開發。上節中提到基于Unity3D的課程開發交互設計是通過調用OnGUI()函數實現，即通過鼠標點擊按鈕實現，這樣雖然相比傳統的多媒體課件略有智能感，但是無論從交互成都和沉浸程度均不能讓學習者有身臨其境之感，本節則嘗試調用某些函數將實現物體對物體的交互方式。當減速器靠近大樓方塊時測算模型間的距離，如果二者距離小于既定數值，則可實現場景間的交互功能，實現交互的關鍵程序為：

圖10 zView

float dist1 = Vector3.Distance (reducer.position, Room.position);if (dist1 < 0.035)

{

Application.LoadLevel("interduction");

}

結合圖11和上段程序：首先獲得了測距物體的位置信息，而后調用距離函數，如果物體間的距離小于0.035則可實現場景間的交互。

圖11 模型間位置示意

(2) “虛實結合”特點的展現。虛擬現實是對現實世界的仿真，所以在開發虛擬系統時一定要和現實世界的邏輯相符，才能真正體現“虛實結合”特點。本文開發的虛擬減速器拆卸系統，在進行減速器的拆卸開發時，根據圖12的實際減速器拆卸順序，開發虛擬減速器拆卸過程如圖13所示。

圖12 實際減速器拆卸順序

圖13依次為拆卸減速器上箱體、低速軸、高速軸和拆卸下箱體，學生如果不按順序進行拆卸則不能往下進行，比如在未拆卸上箱體時，感應筆就不能拖拽低速軸、高速軸和下箱體模型進行拆卸，這與實際減速器的拆卸思想完全一致，將虛擬世界中的邏輯與現實世界進行了統一。

此外按照實際減速器課程要求，本文開發了基于Zspace的完整虛擬減速器拆裝系統，包括了系統總界面、系統介紹界面、減速器結構觀察界面、減速器拆卸界面和減速器裝配界面，部分界面如下圖14所示。

3.3 增強現實技術應用

Zspace作為一款立體顯示開發設備，除了具有虛擬現實功能，還具有增強現實功能，配合Zspace使用的zView設備能讓學生分享虛擬技術的學習體驗，圖9所示便是用于增強現實的zView設備，帶有高清攝像頭，能將Zspace畫面進行重疊處理，該技術的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。圖15所示分別為減速器外部結構和內部結構的增強現實效果，借助zView能讓減速器模型“跑出”屏幕既達到分享學習體驗的目的又實現了虛擬與現實的有機結合。

4 結 語

(1) 虛實結合的減速器拆裝訓練課程，開發出基于Unity3D的虛擬減速器拆卸系統，應用于實際教學過程中，相比于之前學生學習程興趣有了很大提高，對減速器的結構和拆裝等有了更為深入了解。

圖15 增強現實效果

(2) 應用Zspace虛擬現實設備和zView增強現實軟件開發了虛實結合的減速器拆裝系統，極大地提高了虛擬仿真的交互性和沉浸感，教學效果良好，結合減速器的實際拆裝真正體現了“虛實結合”的總體思想。

(3) 通過虛擬仿真技術和實驗教學相融合，使學生更好地掌握內容和技能。與學生的互動設計和虛擬現實技術引起了學生的興趣，又激發學生的求知欲，引導學生自主學習，達到學以致用的目的。虛實結合的減速器拆裝有助于學生動手實踐能力的提高，培養學生職業意識和工程素養。

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StudiesonAssemblyandDisassemblyofReducerwithVirtualRealityandPhysicalMachine

ZHUWenhua，CAIBao，SHIKunju，LIUSai

(Engineering Training Centre, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, China)

The traditional practice teaching is mostly the experiment training mode, with the development of information technology, virtual simulation technology is gradually applied in the practice teaching. The goal of Shanghai Second Polytechnic University applies virtual simulation technology as an important means to cultivate students engineering quality and comprehensive application ability, and to explore the new mode of practice teaching with the overall thinking of virtual-real fusion. This paper takes the gear reducer as an example, and develops a new practical teaching resource with the application of virtual reality and augmented reality technology.Assembly and disassembly of reducer with virtual-real fusion aid to improve the hands-on practical ability of students, and to develop professional consciousness and engineering quality of students.

practice teaching; virtual simulation; augmented reality; virtual-real fusion; reducer

TP 393

A

1006-7167(2017)11-0098-05

2016-12-20

上海市浦江人才計劃(16PJC040)；學科建設項目(A20NH1609B20-13)資助

朱文華(1968-)，男，江蘇無錫人，博士，上海市浦江學者，特聘教授，主要從事虛擬仿真技術和制造系統工程的教學與研究工作。

Tel.：021-50214681；E-mail: whzhu@sspu.edu.cn