虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用研究

胡克滿， 張臻， 胡海燕

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波315800）

1 引 言

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）在機(jī)器人技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用同樣備受關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的人機(jī)交互性，可以使人充分發(fā)揮想象力并沉浸其中［1］，在日常中難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境布置可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中得到仿真與技術(shù)驗(yàn)證。因此，在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬工業(yè)環(huán)境以達(dá)到理想教學(xué)效果。許多科研工作者在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)方面的應(yīng)用研究取得了較好的成績(jī)：Popa 等人［2］利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面取得成績(jī)。Nelso 等人［3］在利用分立傳感器模型進(jìn)行對(duì)機(jī)器人的遙控操作。Yrived 等人［4］在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用及其概念等方面做出了貢獻(xiàn)，并對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行集成實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、可視化技術(shù)等高級(jí)的人機(jī)接口界面，對(duì)真實(shí)環(huán)境在虛擬環(huán)境之中應(yīng)用的可能性進(jìn)行了有效的試驗(yàn)。Yoshikawa 等人［5］結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行應(yīng)用研究。Kosuge 等人［6］基于虛擬環(huán)境及半自動(dòng)化人工操作設(shè)計(jì)了一種空間機(jī)器人控制器。Tsumaki等人［7］提出一種預(yù)測(cè)顯示及提高模型的魯棒性在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用研究等。

隨著近幾年高等職業(yè)技術(shù)教育的不斷壯大，接受培訓(xùn)與教育的人數(shù)也在不斷擴(kuò)大。但很少有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育技術(shù)方面的應(yīng)用和教學(xué)研究。本文結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)方面的應(yīng)用做了深入的研究，并取得良好效果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種利用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等技術(shù)集成的先進(jìn)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)感較強(qiáng)的聽覺、視覺、觸覺等方面的模擬環(huán)境，該模擬環(huán)境主要通過計(jì)算機(jī)圖像圖形、聲音等效果表達(dá)出來，其虛擬環(huán)境具有極好的人機(jī)交互性，這些技術(shù)的集成使得操作者獲得身臨其境的感覺。最受人們關(guān)注的是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有良好的交互性、沉浸感強(qiáng)及想象空間豐富的特征。良好的交互性主要通過良好的人機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使操作者通過計(jì)算機(jī)的顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、操作桿等輸入和輸出設(shè)備的操作進(jìn)行有效的信息交流［8-9］，操作者也因此而沉浸在虛擬環(huán)境之中，特別是目前三維技術(shù)和圖像圖形處理的發(fā)展給人帶來更加強(qiáng)烈的沉浸感。由于沉浸于虛擬環(huán)境中，操作者將在心理和生理上都做出反應(yīng)，從而最大限度地發(fā)揮操作者的想象力和思維空間。

3 教學(xué)中的應(yīng)用

運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，這種真實(shí)感極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中以主人翁的身份進(jìn)行訪問與學(xué)習(xí)。因此利用好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)虒W(xué)起到較好的輔助作用，應(yīng)用價(jià)值很高。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)特點(diǎn)，本文在以下幾方面進(jìn)行介紹。

3.1 虛擬環(huán)境虛擬實(shí)驗(yàn)

由于在工業(yè)中的應(yīng)用環(huán)境不同，所使用的工業(yè)機(jī)器人也隨之不同。工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)不太可能將所有的工業(yè)生產(chǎn)真實(shí)環(huán)境一一展示，這將給工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)帶來很大的制約。因此利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造出不同的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可以為學(xué)生們學(xué)習(xí)和深入探討提供良好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生們做實(shí)驗(yàn)也不會(huì)因?yàn)槭艿秸鎸?shí)環(huán)境的限制而無法開展實(shí)驗(yàn)。構(gòu)造一個(gè)或多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，并虛擬出工業(yè)機(jī)器人在該環(huán)境的工作運(yùn)行情況，學(xué)生們根據(jù)工業(yè)特定的場(chǎng)合應(yīng)用設(shè)計(jì)特種工業(yè)機(jī)器人。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)生們可以自由的發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，對(duì)模擬的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行造型改進(jìn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人性能改善等操作，而這些操作在真實(shí)環(huán)境中是無法快速完成的。所以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給實(shí)驗(yàn)搭建真實(shí)模擬環(huán)境，亦可以為學(xué)生們提供更快更便捷的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)需求。特別值得一提的是有些在真實(shí)環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)或較難實(shí)現(xiàn)的工作場(chǎng)景均可在虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)，如工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行排爆試驗(yàn)；滅火機(jī)器人進(jìn)行樓層滅火試驗(yàn)；工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行有害氣體的檢測(cè)與分析試驗(yàn)等等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)上述工作場(chǎng)景進(jìn)行模擬和仿真并發(fā)揮作用實(shí)現(xiàn)各種試驗(yàn)。

3.2 學(xué)習(xí)平臺(tái)的搭建

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，人們利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的時(shí)間也在不斷增多，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有較強(qiáng)的沉浸感，為學(xué)生們利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)開辟了另一片空間。虛擬現(xiàn)實(shí)的良好人機(jī)接口界面給學(xué)生們學(xué)習(xí)帶來很大程度上的便利，較強(qiáng)的沉浸感使得他們更加愿意學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高學(xué)習(xí)興趣的目的。學(xué)生們可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自由的發(fā)揮和談?wù)搯栴}，他們?cè)谔摂M的環(huán)境中思維更加活躍，學(xué)習(xí)效果和積極性均得到充分的發(fā)揮。與普通的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相比，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)沉浸感更加強(qiáng)，想象力更能得到充分的發(fā)揮。從某種意義上講，也使得學(xué)生更加樂于在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)。這種虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為學(xué)生提供了便利的學(xué)習(xí)平臺(tái)，給學(xué)生帶來了較好的想象空間，必將在今后的教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用與推廣。

3.3 職業(yè)技能的培養(yǎng)

近幾年參加汽車駕駛培訓(xùn)的司機(jī)已開始在駕校接受“模擬汽車駕駛培訓(xùn)”，“模擬汽車駕駛培訓(xùn)”，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型應(yīng)用。學(xué)生們可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中找到自己職業(yè)的感覺，并且通過模擬環(huán)境進(jìn)行技能訓(xùn)練，通過反復(fù)多次的操作練習(xí)以達(dá)到熟練操作技能的目的。對(duì)于有些工業(yè)機(jī)器人的操作，學(xué)生們同樣可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行多次的模擬訓(xùn)練，從而達(dá)到熟練控制機(jī)器人的目的。這種教學(xué)模式和傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比較，可以大大減少初學(xué)者對(duì)設(shè)備或工業(yè)機(jī)器人的不熟練操作而造成的損失或損壞。因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一方面可以十分有效地培訓(xùn)學(xué)生們的操作技能；另一方面也可以減少設(shè)備或工業(yè)機(jī)器人的損耗，達(dá)到“雙贏效果”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用教學(xué)方式方法在這方面的應(yīng)用比傳統(tǒng)的教學(xué)方法略勝一籌。

4 結(jié) 論

本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行深入的探索和研究。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代教育技術(shù)中的應(yīng)用與實(shí)施，并且對(duì)虛擬環(huán)境虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)平臺(tái)搭建和虛擬環(huán)境下的職業(yè)技能培養(yǎng)等方面作了深入的探討。隨著人們對(duì)其進(jìn)一步應(yīng)用研究，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)方面得到應(yīng)用，也將在其他的教學(xué)領(lǐng)域同樣受到人們更多的關(guān)注，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也將積極推動(dòng)傳統(tǒng)的教學(xué)改革。

［1］ 趙曉光，等.基于虛擬監(jiān)控技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版，2003，28（2）：233-237.

［2］ POPA D O，SINGTH S K.Creating Realistic Force Sensations in a Virtual Enviroment:Experimental System，F(xiàn)undamental Issuces and Results［C］//The 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation Leuven，Belgium，1998.

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［6］ KOSUGE K，ITOH T，F(xiàn)UKUDA T，et al.Scaled Telemanipulation System Using Semi-Autonomous［C］//The 1995 IEEE/RS Iternational Conference on Intelligent Robots and System，1995.

［7］ TSUMAKI Y，UCHIYAMA M.Predictive Display of Virtual Beam for Space Teleoperation［C］//The Int.Conf.on Intelligent Robots And Systems，Osaka，Japan，1996.

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