王 雨，王 英，王 恒，陈嘉瑶，黄海波

基于增强现实技术的机械原理实验教学系统设计

王 雨，王 英，王 恒，陈嘉瑶，黄海波

（宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

基于增强现实（AR）技术开发了一款机械原理实验教学辅助系统。该系统包括实验基础理论讲解模块、模型虚拟实验模块和机构运动仿真实验模块，并被打包为手机应用的形式。学生可以使用Android手机学习机械原理实验教学内容。测试结果表明：该系统提高了虚拟实验教学的趣味性与交互性体验，提高了学生的实践能力。

机械原理；实验教学系统；增强现实技术

“机械原理”是机械类专业的一门重要的专业基础课程，而实验教学是该课程重要的实践环节。通过实验教学，学生能够近距离观察机构的运动过程，操控机构的运动，巩固所学的理论知识，加强实践认识。为改善实验教学环境条件、丰富实验教学资源，本文采用增强现实（AR）技术开发了机械原理实验教学系统[1-4]。该系统将计算机生成的虚拟信息（如图形、文字注释等）叠加到真实的环境中，构建高沉浸感、虚实融合、可交互操作的用户体验[5-8]。

目前，AR技术已广泛应用于机械类教学中，例如机械拆装、机床操作、机械设计等[9-11]。本文基于AR技术开发的机械原理实验教学辅助系统，能够使学生在真实的世界中与计算机虚拟出的机构模型交互，不受时间、地点限制地进行机构运动的仿真实验。

1 AR实验教学辅助系统开发平台和架构

1.1 AR实验教学辅助系统开发平台

在大学生群体中，智能手机的使用率很高[12]，因此设计了基于AR技术和以手机为载体的辅助教学系统。该系统提供了一种新颖的教学方式，使每位学生都可以随时进行实际操作，巩固所学的理论知识、锻炼操作能力。

本系统的开发平台是Unity3D。Unity3D是一款用于创建2D与3D游戏、虚拟现实与AR交互式系统的开发平台，用Unity3D开发的应用具有兼容性好、跨平台方便了等优点[13]。Vuforia是一个能够为真实世界场景带来互动体验的AR开发引擎，能够使用视觉技术实时识别和跟踪平面图像或者简单三维物体，通过移动端的虚拟显示与真实的场景很好地融合在一起[14]。Vuforia与Unity3D具有良好的兼容性，Vuforia以独立package的形式无缝接入Unity3D开发环境，可以让开发者在Unity3D环境中十分便捷地进行AR应用的开发。

1.2 AR实验教学辅助系统架构

AR实验教学辅助系统由3个模块组成：

（1）实验基础理论讲解模块：该模块用来辅助学生学习机构的基本组成和机构的传动原理，巩固和加深学生所学的理论知识；

（2）模型虚拟实验模块：通过对标记物的位置识别，构建虚拟的机构模型，使学生能够直观地理解机构的组成；

（3）机构运动仿真实验模块：用来模拟真实机构运动状态，学生通过实践操作，更容易理解机构的传动原理。

本文以曲柄滑块机构为例，阐述各模块的设计细节。曲柄滑块机构是一种常见的机械传动机构，由曲柄、连杆和与机架构成移动副的滑块组成，如图1所示。该机构常用于将旋转运动转化为执行构件的往复运动。

图1 曲柄滑块机构简图

2 模块设计

2.1 实验基础理论讲解模块

在AR环境下，实验基础理论讲解模块可以将理论知识展示得更加形象生动。使用者将手机打开，用手机摄像头捕捉如图2(a)所示的标记物图片，曲柄滑块机构的组成和相关的理论知识就会叠加在其上方，如图2(b)和图2(c)所示，同时该曲柄滑块机构的仿真动画可以随着理论知识的出现而展开。

图2 实验基础理论学习

2.2 模型虚拟实验模块

机械原理实验教学系统借助AR技术，通过交互的方法进行机构三维虚拟建模，不仅可以保证所有学生同时实验操作，而且可以让学生自己建立机构的虚拟模型，从而加深对机构的理解。具体操作过程如图3所示。

图3(a)是可在AR环境中被识别的标记物，3张图片分别代表曲柄滑块机构的铰链点、和，当使用者将这3个标记物置于手机摄像头拍摄区域时（见图3(b)），一个虚拟的曲柄滑块机构模型将会出现（见图3(c)），通过调整标记点、、之间的距离，可生成不同尺寸的曲柄滑块机构模型。

图3 AR环境下曲柄滑块机构虚拟建模

2.3 机构运动仿真实验模块

机构的运动仿真实验是建立在人机交互的基础上，在AR环境下的仿真实验。当使用者驱动机构的某一构件时，组成机构的其他构件也跟随运动。

2.3.1 机构传动原理实验

图4 曲柄滑块机构运动分析简图

将矢量方程转化为解析形式：

由式（2）可得：

2.3.2 运动仿真实验

本系统提供2种方式的运动仿真。

（1）保持标记物的位置不变，通过屏幕界面上的控制按钮Modeling和GoPosition实现运动仿真（见图5(a)）所示。当点击Modeling按钮时候，曲柄滑块机构模型将会呈现出来，如图5(b)所示。当需要研究曲柄滑块运动特性时，在输入框输入Fai1的度数，即曲柄与水平面的夹角，然后单击GoPosition，机构运动方程将自动求解，曲柄将旋转到指定位置，连杆和滑块也将运动到正确的位置，如图5(c)所示。

图5 曲柄滑块机构运动仿真实验一

（2）通过连续改变某一标记物位置以驱动构件，从而实现机构的连续运动仿真。如图6所示，当沿水平面连续移动标记点时，机构运动方程将自动求解，曲柄绕点旋转，连杆也跟随运动，同时整个机构保持原尺寸。

图6 曲柄滑块机构运动仿真实验二

3 系统评估

3.1 课堂反馈

（1）机械原理实验教学系统提高了实验的方便性和互动体验。在以往的实验教学中采用传动机构实物模型，实验课上不能满足每个学生都能够操作，教学效果不佳。该系统基于AR技术的新颖教学方式，不仅让每个学生都可以操作，而且多样的互动性可以使学生更好地理解机构的原理。

（2）提高了学生的实践能力。该系统在帮助学生巩固理论知识的基础上，通过交互的方式辅助学生自己建立机构的虚拟模型并进行机构运动仿真，不仅对机构的理解更透彻，而且提高了实践能力。

（3）教育资源更加丰富。可以加入同一类别机构的其他形式，多种形式进行知识的传递，拓展教学内容的信息量。

3.2 课外反馈

以往学生在上完实验课后，很难再接触曲柄滑块机构；而通过使用该系统，使课后学习也取得了很好的效果。例如学习方便，空间、时间不受限制，可以将标记物贴在床头、书桌等地方，在课余时间打开手机“扫一扫”，即可进行学习，非常便捷。

4 结语

基于AR技术开发的机械原理实验教学辅助系统利用手机的便捷、AR的交互性体验和标记物位置的无约束性，打破了传统实验教学的限制，为学生提供了一个随时随地进行交互学习的环境。该系统提升了实验教学便捷性，增强了教学环节的互动体验，提高了学生的实践能力，丰富了教育资源，为学生课后自学提供了有效工具。将AR技术应用于机械原理实验教学，是提高机械原理实验教学的有效方法。

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Design of mechanical theory experimental teaching system based on augmented reality technology

WANG Yu, WANG Ying, WANG Heng, CHEN Jiayao, HUANG Haibo

(Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Based on the augmented reality (AR) technology, an experimental teaching assistant system of mechanical principle is developed. The system consists of experimental basic theory explanation module, modelling virtual experiment module and mechanism motion simulation experiment module and is packaged as a form of mobile phone application. Students can use Android mobile phones to learn the experimental teaching content of mechanical principles. The test results show that the system improves the interesting and interactive experience of virtual experiment teaching and students’ practical ability.

mechanical theory; experimental teaching; augmented reality technology

TP312；TH111

A

1002-4956(2019)11-0109-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.027

2019-04-09

国家自然科学基金项目（51505239）；浙江省自然科学基金项目（LY19E050001）；浙江省2016年高等教育课程教学改革项目（KG20160107）；宁波市优势专业建设项目

王雨（1995—），男，安徽滁州，硕士研究生，主要研究方向为增强现实人机交互技术。E-mail: 410702350@qq.com

王英（1989—），女，河南邓州，博士，副教授，主要研究方向为增强现实人机交互技术、现代设计方法。E-mail: wangying5@nbu.edu.cn