基于Unity 3D的鉗工教學虛擬仿真實驗系統(tǒng)

顏宗歡　張士杰　黎鑫

關鍵詞：仿真系統(tǒng)；虛擬技術；金工實習；鉗工教學

中圖法分類號：TP391 文獻標識碼：A

1引言

“鉗工實訓”是機械類各專業(yè)必修的一門基礎性實踐課程，旨在提升學生動手操作、創(chuàng)新、解決問題等能力。學生不僅需要了解鉗工（包括鋸削、銼削、劃線等）的基本原理，同時需要對其規(guī)范操作進行實踐和掌握。但由于鉗工設備價格較高且某些操作的危險性很高，導致教學往往側重于掌握基本的原理，這嚴重影響了教學效果，也降低了學生的參與度和體驗感，沒能實現培養(yǎng)其實踐能力的目標。

針對以上問題，很多高校已經開始了相關研究與應用。隨著交互性應用的發(fā)展，虛擬仿真技術有了突破性的進步，在各行各業(yè)都有成功的應用，并取得了相應的經濟效益。

虛擬仿真系統(tǒng)主要包含硬件和軟件2個部分，其中軟件作為控制，硬件作為仿真對象。其優(yōu)勢在于以鉗工教學作為理論基礎，以虛擬現實的仿真系統(tǒng)作為技術支持，基于Unity軟件構建3D實驗室，連接手機與平臺進行交互，實現與真實環(huán)境相似的效果。相對于其他虛擬平臺，本文虛擬平臺在一定程度上更有助于實踐性課程的訓練，同時成為全國高校金工實習首個線上線下共同教學平臺，填補了金工實習線上虛擬現實教學的空白。

2虛擬仿真技術

虛擬現實技術，又稱作虛擬實境技術。該技術是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)（Computer Simulation System）。該技術主要是由計算機技術、傳感器技術、人類心理學和生理學等綜合而成。因此，其能夠向用戶提供視覺、嗅覺、味覺等感知功能，讓用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中，實現身臨其境的效果。該技術通過計算機仿真系統(tǒng)盡可能地還原現實環(huán)境，讓用戶能夠在虛擬環(huán)境中進行交互，并為用戶提供各種信息。

虛擬現實技術包含3個主要特點：交互性（Interaction），沉浸感（Immersion），想象性

3實驗系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)構思

系統(tǒng)的初步構思：前端開發(fā)系統(tǒng)登錄界面的設計，后端建立mysql數據庫，存放用戶信息，利用Unity實現用戶注冊登錄并進入實驗平臺。通過三維建模軟件solidworksUnity構建3D實驗室環(huán)境，即操作平臺界面。插入實訓教學的音頻，用戶可以在實驗操作前觀看具體的操作步驟。然后將手機與計算機進行連接，通過移動手機端，實現虛擬工具的移動，從而對元件進行打磨。后端數據庫記錄整個實驗操作過程，實驗結束后，根據建立的數據庫對其操作進行評分，并給出具體的扣分原因。

該系統(tǒng)主要是基于Unity平臺，結合硬件和軟件設計而成的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。虛擬仿真實驗系統(tǒng)主要實現以下功能。

（1）通過三維建模軟件solidworksUnity搭建虛擬現實3D鉗工虛擬車間場景。學生可從計算機端進入虛擬現實車間場景，選擇工具，并對虛擬毛坯材料進行打磨加工，連接傳感器與虛擬工具進行匹配，可以實現對鉗工操作的模擬。

（2）虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠提供友好的交互功能，使用手機中的Unity remote APP與unity場景交互實現體感交互功能。學生手持傳感器即可以模擬真實的金工實習操作。例如，學生通過手機模擬銼，即可完成銼削動作。

（3）基于mysql數據庫和Unity上傳的數據，對學生的鉗工操作進行評分。當學生的操作出現銼削角度有誤、速度掌握不當、工件損壞等錯誤時，系統(tǒng)會基于Unity3D數據庫進行判斷，并對其糾正錯誤。實習完成后，系統(tǒng)自動將成品與Unity3D中的標準件進行比對，并完成評分。

3.2設計實現

3.2.1虛擬實驗室場景

為了還原實際車間的真實場景，我們采用了SolidWorks三維建模，對實驗室的環(huán)境和工具進行搭建，并利用3D MAX為實驗工具添加對應的貼圖材質。此外，為了有助于后續(xù)編程，在開始搭建環(huán)境時就對各類模型進行分類。因為實驗操作分為不同階段，各個階段所需要的工具不同，所以在后面的系統(tǒng)設計過程中，需要采用合理的建模方式。例如，交互編程中的平移和轉動會受到創(chuàng)建模型大小的影響，虛擬實驗室的環(huán)境優(yōu)化問題會受到模型細化的影響。

在開發(fā)了一些3D場景后，我們創(chuàng)建了虛擬實驗室環(huán)境，用戶可以在其中選擇實驗工具。如圖1所示，該場景看起來像是一個簡單真實的實驗室，實驗桌上放有實驗操作的工具。

3.2.2交互界面

完成虛擬實驗室模型的創(chuàng)建后，還需要對該虛擬場景進行交互編程。交互編程主要分為以下2個方面。

（1）在虛擬實驗過程中實驗工具和實驗材料屬于基本屬性的交互編程，如實驗材料的選擇，實驗工具的更換，對實驗器材的打開或者關閉，用戶能夠自由移動工具或者實驗工具，場景中的儀器具有重力等基本屬性。這些功能主要是通過基于Furion框架的.Net6來實現。

（2）學生在虛擬實驗室環(huán)境中的每一個操作都將被后端數據庫記錄，以便后續(xù)對實驗操作進行打分。實現該功能的方法主要包含以下2種。

方法一，虛擬場景直接和前端頁面通過Javascript完成。具體實現如下：將網頁中嵌入的虛擬場景通過VR.Engineering， Node（“scnptname”"）遍歷，原script已經創(chuàng)建了多個字符域（MultStringName），用于接收場景中傳人的字符，因為虛擬實驗中的操作促進script節(jié)點中的事件發(fā)生，該事件立即產生新的事件。

方法二，將虛擬實驗室和服務器嵌入同一個網頁，通過Java Applet來記錄用戶整個操作數據，實驗操作的變化將受到Java Applet的控制，由Java Applet編程產生的數據或提示信息字符直接輸出在網頁中嵌入該Java Applet頁面的位置上。

其主要代碼如下。

public classApplet（Integer transaction） throws SQLException{

String sql = "delete fromtransaction where transactionid=？"；

corin=JDBCUtil.getConnection（）;

pstmt=conn.prepareStatement（sql）;

pstmt.setObject（1，transactionld）;

int recordNumber=pstmt.executeUpdate（）;

pstmt.close（）；

conn.close（）；

return recordNumber;

}

3.2.3播放視頻

學生在虛擬實驗中，需要完成鉗工操作。系統(tǒng)添加了實驗的操作視頻，幫助學生理解并掌握整個實驗過程的基本原理。用戶進入實驗室，點擊播放視頻后，可以通過其進行控制播放進度和點擊結束觀看等操作。其具體實現步驟如下。

首先確定打包資源，并且給該資源包命名，然后指定該資源的屬性。由于該資源僅在Victory模式下運行，但在實際的運行過程中并沒有創(chuàng)建該資源的過程，因此需要創(chuàng)建一個文件夾名為“Victory”，而后在此文件夾下打包指定的屬性。在代碼中寫好方法后，將此方法放到Unity的菜單下進行手動調用。其主要代碼如下。

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine；

public class LoadFromFile：MonoBehaviour{

void Start（）{

AssetBundle ab=AssetBundle. LoadFromFile （"AssetBundles/wood.unity3d"）;

／／加載資源

GameObject

wallPrefab = ab. LoadAsset （"Wood"）；

Instantiate（ wallPrefab）;

}

}

3.2.4評分

在實際的金工實習過程中，實驗結束后會對學生的打磨作品進行評分，因此，需要為系統(tǒng)添加類似功能。基于前文的技術，系統(tǒng)已經保存了用戶整個操作過程的數據。對學生打分的過程使用Visual Studio為此項目提供的算法，具體的偽代碼如下。

#include

int main（void）

{

int function;

printf（“選擇功能”）；

printf（“A.選擇作業(yè)工具”）；

printf（“B.作業(yè)評分”）；

scanf（“%d”，&function）;

switch（ function）

{ case A：int i；

printf（"1.銼2.老虎鉗3.銅刷"）；

scanf（"%d"，&i）；

switch（i）

{casel：//調動工具蝶

break：

case2：//調動工具老虎鉗

break：

case3：//調動工具銅劇

break；}

case B：int i，j；//i表示當前完成作品：j表示標準作品

{if（i>j）

printf（"不合格"）；

else if（i= =j）

printf（"合格"）；

else（i

printf（"合格"）；

}

}

}

4結束語

本文旨在創(chuàng)建虛擬金工實習虛擬實驗室，以支持學生模擬鉗工實習。本文設計并開發(fā)了一個虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，用戶可以使用手機陀螺儀與虛擬物體進行實驗交互。此外，后端記錄用戶操作數據，并根據具體操作給出用戶實驗的分數。

本文提出采用新的技術和工具來創(chuàng)建可視化和交互式的鉗工實驗。本文實驗設計均基于鉗工教學的基本理論，將相關材料在3D模型中實現，并在虛擬系統(tǒng)中進行實驗。通過打磨金屬材料來模擬實驗過程，并通過虛擬現實系統(tǒng)模擬實驗室環(huán)境，從而提高學生的實踐能力。這種融合研究并不會帶來真實的實驗室環(huán)境的潛在危險，實驗錯誤也可以很容易地被糾正，而且學生可以在不消耗任何真實材料的情況下重復進行實驗。因此，虛擬現實仿真技術可以作為一種廣泛應用的教育工具。

作者簡介：

顏宗歡（2001—），本科，研究方向：計算機視覺、計算機科學。