虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)機器人維護課程中的應用

韓 宇

(深圳技師學院，廣東 深圳 518000)

1 工業(yè)機器人機械本體拆裝與維護課程特點

工業(yè)機器人機械本體拆裝與維護課程是工業(yè)機器人應用與維護專業(yè)的一門核心專業(yè)課。該課程采用一體化教學模式，為專科層次二年級學生學習的一門專業(yè)課。課程在一體化教室中完成，培養(yǎng)學生學習工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動工作原理、工業(yè)機器人機械本體故障診斷、拆裝和維護的基本理論和基本知識；培養(yǎng)學生學習工業(yè)機器人機械本體的拆裝和常見故障的維護技能，為掌握工業(yè)機器人機械本體維修奠定基礎(chǔ)，同時訓練學生工業(yè)機器人機械本體維護的綜合素質(zhì)。

2 一體化課程教學實施過程中的難點

2.1 一體化課程的缺點

眾所周知，任何事物都不可能是完美無缺的，一體化教學與傳統(tǒng)教學相比，盡管有很多優(yōu)點，但難免會有一些不可避免的缺點。例如，一體化教學強調(diào)理論和實際相結(jié)合，要求學習情境設(shè)置時，融入技能培訓。而技能的培訓尤其是理工科專業(yè)，是離不開設(shè)備和典型工作任務的支撐的，這樣就需要諸多的設(shè)備，無疑增加課堂的成本。

2.2 工業(yè)機器人機械本體拆裝與維護課程實施的難點

工業(yè)機器人機械本體拆裝與維護課程作為一門專業(yè)課程，也難免會遇到上述問題。

以深圳技師學院工業(yè)機器人應用與維護專業(yè)為例，該專業(yè)承擔這門課的實訓室為工業(yè)機器人機械本體拆裝一體化教室。實訓室內(nèi)配置有4臺爾必地LT1500-C-6型號六自由度工業(yè)機器人和6臺LS450-A-4型號水平多關(guān)節(jié)機器人，這些設(shè)備制作精密，造價昂貴。在實施課程的時候，若不讓學生動手去裝卸和裝配設(shè)備，則失去了一體化課程的意義；若放手讓學生去拆裝，則對于一群沒有太多經(jīng)驗的學生來說，很容易造成設(shè)備的不可逆損壞。圖1為工業(yè)機器人機械本體拆裝一體化教室設(shè)備場景。

圖2 基于VR技術(shù)的虛擬實訓室的場景

3 VR技術(shù)的特點

3.1 虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality)又被稱為靈境技術(shù)，是利用多傳感交互技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)和高清分辨顯示技術(shù)等，快速生成逼真的三維虛擬環(huán)境，操作者佩戴特殊的頭盔以及數(shù)據(jù)手套等傳感交互設(shè)備，在虛擬空間中與虛擬環(huán)境中的事物進行實時交互，感知和操控虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的沉浸感和接近真實體會。

2.2 虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)的典型特征

(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時產(chǎn)生的虛擬環(huán)境能使操作者產(chǎn)生“身臨其境”的感覺，仿佛和真正的客觀世界一樣。

(2)動作性。在虛擬環(huán)境中，操作者可以以客觀世界的實際動作或方式來操控虛擬系統(tǒng)，讓操作者感覺到自己正處于一個真實的環(huán)境之中。

(3)自主性。自主性是指在三維虛擬世界中，虛擬物體可以按照各自的模型和規(guī)則進行自主運動。

(4)交互性。在虛擬環(huán)境中，操作者可以像在真實的環(huán)境中一樣，和虛擬環(huán)境中的任務、對象發(fā)生交互關(guān)系，在整個過程中，操作者是交互的主體，虛擬對象是交互的客體，二者之間的交互是全方位的。

(5)構(gòu)想性。VR技術(shù)存在的意義之一是成為能夠啟發(fā)人的創(chuàng)造性的活動，它不僅能使沉浸于虛擬環(huán)境中的操作者獲取新的指示，提高感性以及理性認識，而且可以使操作者產(chǎn)生新的構(gòu)思。

4 VR技術(shù)在工業(yè)機器人機械本體拆裝與維護課程中的應用及效果

4.1 基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺的軟硬件組成

基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺的硬件由高性能電腦、可穿戴頭式頭顯設(shè)備、串流盒、操作手柄、激光定位器以及連接線和電源線組成。基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺的軟件由VR運行軟件SteamVR和場景資源軟件robot.exe組成。

4.2 基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺的搭建

基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺的搭建包括軟件的安裝和硬件之間的連接。軟件安裝時，按順序依次將SteamVR和robot.ex兩個軟件安裝在高性能計算機上。硬件連接時，串流盒的一端通過高速視頻輸出口連接在高性能計算機上。激光定位器通過支架固定在矩形教學區(qū)域的對角位置，其高度設(shè)置為1.8米。手柄通過藍牙技術(shù)與高性能計算機相連接。其連接結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3 基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺硬件連接示意圖

4.3 基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺在課程中的應用效果

效果一：提高了學生的學習興趣?；赩R技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺技術(shù)先進、場景逼真、操作簡便，學生仿佛置身于場景之中，化枯燥學習為快樂學習，學生學習興趣濃厚。效果二：加深了學生對拆裝工藝的理解和正確選擇工具的意義。工業(yè)機器人屬于精密貴重設(shè)備，其拆裝工藝的正確與否往往影響后期的拆裝質(zhì)量。在教學過程中，工藝的講解枯燥難懂，學生在課堂中往往難以理解?；赩R技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺，將拆裝工藝制作成動畫，直觀易懂，大大加深了學生對精密設(shè)備拆裝工藝的理解。效果三：加深了學生對工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知和了解。基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺中，工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)清晰可見，各零部件的連接關(guān)系一目了然，學生完成虛擬實訓操作后，對工業(yè)機器人的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了初步的認知和了解。效果四：解決了一體化課程中設(shè)備較少的問題，同時減少了設(shè)備的損壞風險。由于各學校的規(guī)模和財力的限制，大型貴重設(shè)備不可能大規(guī)模采購，而且貴重精密設(shè)備無節(jié)制讓學生操作使用，會增大設(shè)備的損壞風險。基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人拆裝實訓平臺采用虛擬場景，將學生實訓過程中損壞設(shè)備的風險幾乎降為零。

5 結(jié)論

基于VR技術(shù)的教學平臺，作為一種先進的教學手段，無疑其教學效果是可圈可點的，為一體化教學過程中設(shè)備缺少和設(shè)備損壞風險問題提供了一種解決途徑，對一體化課程的發(fā)展和實施具有一定的參考意義。