基于虚拟现实技术的机械结构实训

2014-03-11李国强

教育教学论坛 2014年28期

关键词：虚拟环境虚拟现实机械

李国强

（浙江机电职业技术学院，浙江杭州 310053）

基于虚拟现实技术的机械结构实训

李国强

（浙江机电职业技术学院，浙江杭州 310053）

在实验教学中，通常由于设备、场地、经费等硬件的限制及由于真实实验或操作往往会带有一定的危险性，学校在此类课程的教学设计中往往相当谨慎，教师在教学中压力较大，在一些对人身或设备产生损害的实践课程，教师往往只允许个别学生操作或只允许观摩。在虚拟实验室进行的这类实验或操作则避免了上述的问题。

实验教学；危险性；观摩；虚拟实验

一、引言

虚拟现实技术是基于虚拟现实技术的展示手段通过创建和表现虚拟物体与虚拟空间，使信息的展示方式有了新的途径和形式，使信息更直观、高效的传递。随着人们对这种展示技术的逐渐了解和关注，它的应用与发展也愈加广泛和迅速。“虚拟现实”概念来自英文“Virtual Reality”，简称VR技术。它的沉浸感、多方式的交互性让受教育者感觉十分有趣。通过VR的交互式环境、再现的能力以及一对一的实践，可大大提高学习者的记忆力和学习兴趣；具有逼真的可视化能力，非常适于表达那些难以理解的抽象概念；通过对机械装配、机械切削加工等实验的模拟，学习者不需要冒着真实实验中可能存在的安全风险，就可很好地学习到相关的基础和专业知识。

二、机械拆装实验实训现状

机械拆装实验受到产品成本、拆装场所等条件的限制，很难展开。为了解决这一问题，研究采用虚拟现实技术进行产品拆装训练方法。通过对虚拟拆装过程和关键技术的分析，提出在虚拟环境中实现虚拟拆装的方法，并根据这些方法实现了机械机构的虚拟拆装系统。此系统使得学习人员可以通过平台进入虚拟环境中，对机械产品进行拆装模拟，掌握机械产品的构造、拆装顺序，从而解决了拆装培训中的各种制约因素。

国内在VR方面的研究起步较晚，和西方发达国家还是有一定的差距。到90年代中期，国内才开始对虚拟现实技术在教育环境中的应用进行研究[1]，不过，近年来国内一些重点院校和科研机构积极投入虚拟现实领域，取得的一定的成果。在我国，越来越多高科技公司、科研机构、综合类院校开始研究虚拟现实技术。一些企业能按各行业的不同要求设计、搭配出成熟的虚拟现实实验室。

虚拟实验是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统[2]，包括相应实验室环境，有关的实验仪器设备，实验对象以及实验信息资源等，是某一现实实验室的真实实现。将虚拟现实技术和三维交互技术应用于数字化拆装领域中。在虚拟环境下，操作人员使用各种交互设备像在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，模拟产品的装配过程。从而使得学生能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、培训等。在装配（或拆卸）结束以后，记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。

三、拟场景的设计和开发

虚拟拆装训练是指根据产品的装配工艺规划，利用虚拟现实技术在虚拟的环境里完全按照产品的真实性模拟产品的实际装配过程，包括产品的外观、组成结构、物理碰撞、运作原理、拆装顺序、工具选择、零部件空间位置。并在虚拟的三维环境下对零部件进行放大、缩小、平移、旋转等活动。并使这个过程达到可控（可以在老师的指导下完成），可记录（考试、维修中所有操作步骤都将被记录下来），可参考（虚拟拆装系统提供各种典型设备的影像资料及零部件机构与原理资料、教学教案、维修手册等），可输出（打印输出，供实训教师查看和评估）。

虚拟拆装考试系统是根据产品的装配工艺规划，完全按照产品的真实性在虚拟环境下进行模拟，包括产品的外观、组成结构、物理碰撞、运作原理、拆装顺序、工具选择、零部件空间位置。进入系统，作为虚拟现实最基本的一项功能就是三维虚拟展示[3]，在这里可以在一个虚拟的三维环境下对零部件进行放大、缩小、平移、旋转等活动。这些操作会让学生对即将需要拆装的零部件有个充分的了解，然后选择相应的拆装工具，如：扳手、螺丝刀等。按照产品装配的工艺规划的顺序一步步进行拆卸、安装。整个过程中学生可以实时地查看操作手册、教学教案、维修手册，甚至可以使用帮助系统以寻求帮助。待所有操作结束后，学生可以查看自己的操作记录并了解自己在整个过程中有没有错误的地方、有多少错误的地方。同时也可以将其操作记录打印出来供学生、老师学习和评估。下页图1为电机的虚拟拆装训练考试系统。

图1 电机虚拟拆装系统

通过虚拟现实技术，在一定程度上解决了在拆装教学中存在的问题，极大地降低了实训成本、节约训练费用；降低实训危险性，也可模拟危险情况下的训练、演示等。同时符合高等教育教学方案思想及理念，提高了职业教育教学的实训效果，以满足国家对紧缺人才培养的需要。在专业实训教学当中以技能训练模拟仿真为主，通过反复模拟训练，以达到掌握实际操作的要领，兼顾学生自操自练的目的。