虛擬現實在機器人技術教學中的應用與發展

文/遲杏

《教育部2010-2020年信息化建設十年規劃》文件中明確強調了國家對職業教育信息化技術投入的重視，該規劃對職業教育的發展方向作出明確指示：在職業教育中信息化技術的應用是培養高素質復合型人才的關鍵環節。近年來，虛擬現實技術（Virtual Reality ,VR）在提升職業院校信息化應用水平上扮演了重要角色。

1 虛擬現實技術發展概況

虛擬現實技術（VR）能夠實現人機交互，使操作者在虛擬環境中身臨其境，VR 技術匯集了計算機圖形學、多媒體技術、人機接口技術、傳感器技術等一系列高端技術。60年代VR 技術除了應用在少數軍工方面的研究外，并不被研究人員所關注。直到第17 屆國際圖形會議上科學家向人們展示了VR 技術，其強大的圖形處理功能、先進的多媒體技術、高端的輸入輸出設備，呈現在人們眼前的是極其真實的三維模擬環境。從此VR 技術吸引了大量科學家不斷研究創新，在各個領域有廣闊的發展前景。我國在VR 技術的研究上起步較晚，近幾年來，北京航天航空大學、清華大學、浙江大學等國內知名高校從事VR 的研究，并在直升機虛擬仿真、戰場環境虛擬仿真、模擬駕駛訓練系統等方面取得了較好的成果。而虛擬現實技術應用到職業教育也是近幾年的事，南京鐵道職業技術學院與深圳國泰安有限公司聯合開發的CRH 動車組一級維修VR 教學系統，被翻譯成多國語言，成為中國高鐵“一帶一路”人才培養技術資源。深圳職業技術學院、福州職業技術學院、成都信息工程大學天府學院均成立了虛擬現實產學研協同創新中心，并取得很好的教學成果。

2 虛擬現實在機器人教學中的應用效果

2.1 VR實訓平臺的搭建

VR 實訓平臺包括桌面式VR 操作平臺（如圖1所示）、機器人專業VR 實訓教學軟件。桌面式VR 操作平臺由觸控一體機、手寫射線筆、3D 追蹤眼鏡組成。使用者帶上3D 眼鏡，手持射線筆，結合桌面式全息操作系統，進入機器人VR 實訓教學軟件，選擇不同的軟件包就可進入模擬工廠環境，操控機器人，執行任務。進入工業機器人本體組成頁面，可以在虛擬三維空間對虛擬機器人進行放大、縮小、旋轉、拆解等交互動作，操作者可以拖動“空氣”中的機器人，清楚的觀察機器人機械臂、各軸、基座等各部分，從多個角度觀察機器人，還可以對機器人進行示教操作，選擇不同坐標系，讓機器人按操作者指令運動，操作者如同在操作真實機器人一般，感受到無以倫比的空間感與真實感。

2.2 在教學中的應用效果

把虛擬現實技術引進教學實訓中是專業實訓+信息化先進教學手段的結合，采用多樣化 VR 技術以及 VR 實訓教學軟件，開展工業機器人專業的輔助教學與實訓，有效的將書本上平面知識轉化為立體、沉浸、互動的展示內容，學生們在身臨其境的場景中學習，通過操作實訓軟件選擇場景，模擬在不同工作環境中完成不同的工作任務，例如學生要完成工業機器人碼垛任務，只需要進入實訓教學軟件中對應的軟件包中編寫程序，模擬操作機器人運行程序，按照工作任務要求完成碼垛任務，學生的體驗與真實工廠環境中一致。甚至還可完成機器人焊接等比較危險的工作任務，只需要添加對應的焊接軟件包就可以實現。同時教學中還結合PPT、動畫、微課等多種手段輔助教學,將VR 教學的作用發揮到極致，使學生對知識的理解更透徹，記憶更深刻，學習更有興趣，學生在學習的過程中不受場地限制，學生可以在虛擬環境中學習到各廠家、各種型號的機器人技術，既極大的節省了教學成本，又可避免某些真實實訓中操作帶來的各種危險，有效提升職業院校教學實訓效果，讓實訓室真正成為職業教育第一課堂。

3 虛擬現實技術在教學中應用展望

圖1：桌面式虛擬操作平臺

隨著計算機軟硬件水平的迅猛發展，虛擬現實技術良好的人機交互界面，操作者真實的體驗，為VR 技術發展帶來廣闊的前景。越來越多的研究人員致力于推動VR 技術轉化為實際應用成果，呂曉玲等人利用計算機、真實機器人、5DT 無線數據手套、立體眼鏡、應用軟件EON 等搭建了基于虛擬現實技術的遙操作機器人控制系統。真實機器人與虛擬機器人通過網絡進行連接，而操作者只需帶上立體眼鏡和數據手套，即可進入模擬工廠環境，看到外形、結構、型號與真實機器人對應的仿真機器人，操作者在空氣中對眼前的仿真機器人進行操作，真實機器人隨著仿真機器人的動作也跟著動作，兩個機器人姿態一致、節奏一致，實現了對真實機器人的遠程遙控操作。而在職業院校機器人教學中引入遙操作系統，將最前沿的技術應用到教學中，將會為學生帶來全新的學習體驗。遙操作機器人系統的研究在軍事、航天的模擬訓練中起到舉足輕重的作用，具有實際意義。