“機(jī)械測量與拆裝”VR 課程的開發(fā)與應(yīng)用

鄔宗鵬，王培珍，楊 琦，李 芳，鄒 寧

（安徽工業(yè)大學(xué)工程實踐與創(chuàng)新教育中心 安徽 馬鞍山 243002）

VR 技術(shù)目前已普遍應(yīng)用到各行各業(yè)，尤其在教育領(lǐng)域，已成為新型教學(xué)技術(shù)手段?！皺C(jī)械測量與拆裝”作為高等工科院校機(jī)械類及非機(jī)械類專業(yè)工程訓(xùn)練中的一門實用性和操作性很強(qiáng)的模塊課程，其具有實踐性強(qiáng)、技術(shù)性高的特點，教學(xué)中雖有項目實訓(xùn)操作環(huán)節(jié)，但受到測量器具與拆裝設(shè)備成本及空間限制等因素影響，無法讓每個學(xué)生都去拆解全新的量具和設(shè)備，將VR 技術(shù)引入課程項目教學(xué)中，虛實結(jié)合，取得了事半功倍的教學(xué)效果。

1 VR 技術(shù)概述

VR（Virtual Reality）技術(shù)是20 世紀(jì)以來發(fā)展起來的一個全新實用技術(shù)領(lǐng)域，它利用計算機(jī)、電子信息及仿真技術(shù)模擬創(chuàng)建視覺、觸覺等多種感知于一體的虛擬環(huán)境，使用者可以借助多種交互設(shè)備，例如VR 設(shè)備、眼鏡、操作筆等，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互操作和信息交流，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺[1-3]。VR 技術(shù)不只是簡單的仿真技術(shù)，它所呈現(xiàn)的是客觀對象的真實結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行情境，更加注重人與虛擬環(huán)境的自然交互性，在難于操作、危險性高、價格昂貴的實驗教學(xué)和實踐教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[4-6]，此項技術(shù)非常切合目前“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下學(xué)生們的學(xué)習(xí)心理，在進(jìn)行機(jī)械測量與拆裝實踐教學(xué)時，學(xué)生使用VR 眼鏡及控制筆進(jìn)行交互操作，在接受測量工具及機(jī)械設(shè)備三維立體視覺沖擊的同時學(xué)習(xí)著知識與技能。

2 VR 技術(shù)的特點

VR 技術(shù)集計算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，特點主要有以下三個：

沉浸性。從視覺、觸覺等感知系統(tǒng)方面讓使用者身心沉浸，感覺如同進(jìn)入了真實世界，自己仿佛也成為計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)所營造環(huán)境中的一部分。

交互性。使用者進(jìn)入虛擬環(huán)境空間，利用相應(yīng)的技術(shù)讓其跟具體事物產(chǎn)生相互作用，當(dāng)進(jìn)行某種交互操作時，事物及周邊環(huán)境也會做出某種反應(yīng)。

構(gòu)想性。使用者在虛擬環(huán)境空間中，可以拓寬知識的認(rèn)知范圍，并且使用計算機(jī)信息技術(shù)構(gòu)想創(chuàng)造客觀世界難以實現(xiàn)的場景環(huán)境。

3 “機(jī)械測量與拆裝”VR 課程開發(fā)的意義

測量與拆裝教學(xué)的特點在于實踐場景的真實性以及教學(xué)形式的多樣化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手操作，將VR技術(shù)引入實訓(xùn)項目中，創(chuàng)造性地使學(xué)生在人為構(gòu)建出的虛擬空間內(nèi)進(jìn)行模擬實訓(xùn)操作，從而鞏固學(xué)生對常用測量工具以及典型機(jī)械拆裝設(shè)備基礎(chǔ)知識的認(rèn)知，親身去感受和體驗比抽象的理論講解更具說服力，同時可以擺脫傳統(tǒng)的實訓(xùn)操作模式，使用VR 設(shè)備（zSpace）及眼鏡進(jìn)行交互操作。

現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)虛擬測量與拆裝VR軟件，將可應(yīng)用VR技術(shù)的教學(xué)模塊穿插在整個教學(xué)過程中，同時利用VR 技術(shù)拓展測量與拆裝實訓(xùn)項目，不受空間限制，節(jié)約采購相關(guān)昂貴拆裝設(shè)備和測量器具的成本，同時減少設(shè)備的存放場地。后期嘗試將課程VR 系統(tǒng)和APP鏈接，讓學(xué)生可以在實訓(xùn)前及課后下載課程VR，通過手機(jī)與簡易VR 眼鏡隨時進(jìn)行體驗感受，而不必受到教學(xué)VR設(shè)備的使用限制。

4 “機(jī)械測量與拆裝”VR 課程的具體實施

4.1 設(shè)計思路

為了解決機(jī)械測量與拆裝在教學(xué)過程中的專業(yè)難點，幫助學(xué)生通過VR課程軟件更好地了解機(jī)械測量和拆裝知識，讓學(xué)生直觀明了地掌握測量器具與拆裝設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作步驟。課程VR 設(shè)計采用3D 仿真模型，實現(xiàn)形象化教學(xué)，同時采用智能化技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)展示，加深學(xué)習(xí)的理解深度，并實現(xiàn)安全性教學(xué)過程，機(jī)械設(shè)備工作原理以3D 動態(tài)及爆炸展示其組成，仿真其動態(tài)運(yùn)動過程。

4.2 設(shè)計方案

“機(jī)械測量與拆裝”課程+VR設(shè)計方案包括設(shè)計階段、開發(fā)階段、測試階段，其中設(shè)計階段有架構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)設(shè)計，開發(fā)階段主要由編碼開發(fā)和單元測試組成。

4.3 內(nèi)容設(shè)計

“機(jī)械測量與拆裝”VR課程制作的內(nèi)容主要有量具及拆裝設(shè)備3D 模型、零部件標(biāo)簽、爆炸視頻等。工具及設(shè)備模型資源主要有游標(biāo)卡尺、萬能角度尺、外徑百分尺、螺紋千分尺、公法線千分尺、齒厚游標(biāo)卡尺、半徑規(guī)、螺紋環(huán)規(guī)、齒輪泵、蝸輪蝸桿減速機(jī)、二級直齒輪減速機(jī)、普通車床（CA6140）等。

4.4 開發(fā)軟件

“機(jī)械測量與拆裝”VR 課程開發(fā)使用多個軟件，主要包括Unity3D、Autodesk 3ds Max、Adobe Photoshop、Substance Painter、EVR（VR 引擎與仿真編輯軟件）等。

4.5 開發(fā)過程

“機(jī)械測量與拆裝”VR課程開發(fā)過程主要包括提綱撰寫及VR 軟件功能細(xì)化，如量具及設(shè)備原型、功能流程圖、3D 美術(shù)方案、交互設(shè)計方案、UI 概念設(shè)計、三維建模列表及三維動畫腳本、虛擬仿真腳本以及其他項目相關(guān)資料的撰寫等。在設(shè)計制作中包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能及接口設(shè)計、系統(tǒng)功能及接口實現(xiàn)（編程）、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及打磨以及場景、模型、UI、FLASH 及3D 動畫設(shè)計與特效制作，同時軟件初步完成后的測試完善也尤為重要，包括系統(tǒng)功能性能測試和場景、模型、UI、FLASH、3D動畫特效調(diào)優(yōu)以及測試報告制作。

“機(jī)械測量與拆裝”VR 課程開發(fā)是基于zSpace 設(shè)備的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。zSpace 設(shè)備本身提供了zCore 開發(fā)包，將開發(fā)包導(dǎo)入Unity3D 軟件中便可進(jìn)行后續(xù)項目的開發(fā)。開發(fā)過程主要包括三個核心步驟：物體三維建模、交互方式開發(fā)和物體碰撞檢測。其中在三維模型的建模中包含幾何建模、物理建模和行為建模三部分。

①幾何建模。使用SolidWorks2021 軟件建立測量工具以及拆裝設(shè)備的幾何形狀。在建模時應(yīng)將量具和設(shè)備的運(yùn)動部件與靜止部件分開，以便后續(xù)對其添加運(yùn)動指令。

②物理建模。在Autodesk 3ds Max 和Photoshop 軟件中對建好的幾何模型進(jìn)行貼圖和渲染。目的是為了使模型更逼真、更美觀，將相機(jī)拍下的實際測量工具和拆裝設(shè)備的表面圖案導(dǎo)入Photoshop 中，進(jìn)行校正處理后作為后續(xù)素材。同時在Maya 軟件中進(jìn)行貼圖操作。

③運(yùn)動建模。在Maya 軟件中描述虛擬模型動作與行為邏輯，包括測量工具和設(shè)備的基本運(yùn)動和拆裝過程。

機(jī)械測量與拆裝過程必須符合實際的測量和設(shè)備拆裝的邏輯順序。首先對實際零件測量和設(shè)備拆裝步驟進(jìn)行采集，包括測量具體方法和物體運(yùn)動參數(shù)等，然后在虛擬測量和拆裝每個項目中增加邏輯判斷與碰撞檢測功能，從而使得整個測量與拆裝過程既具有邏輯控制性，也符合機(jī)械測量實際教學(xué)要求。為更好地顯示內(nèi)容和進(jìn)行信息的傳遞，“機(jī)械測量與拆裝”VR 課程開發(fā)利用了跨屏顯示技術(shù)，zSpace 設(shè)備屏幕為26 英寸，而立體顯示器屏幕為80 英寸。為了達(dá)到zSpace設(shè)備立體畫面屏幕的分享功能，將zSpace虛擬現(xiàn)實與裸眼立體顯示設(shè)備相結(jié)合，在zSpace 虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，具體實現(xiàn)步驟：首先創(chuàng)建虛擬跨屏相機(jī)。在Unity3D 軟件中創(chuàng)建一個跨屏幕照相機(jī)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。參數(shù)包括聚焦位置、相機(jī)小孔、聚焦尺寸、物體聚焦、相機(jī)的方位、角度和投影矩陣。其次設(shè)置渲染紋理，用于接收Unity3D 軟件畫面。在Unity3D 的場景中創(chuàng)建RenderTexture 型渲染紋理。最后綁定zCore 中的相機(jī)，將創(chuàng)建的虛擬相機(jī)綁定于zSpace 中的任意一立體相機(jī)即可進(jìn)行深度方向的渲染，同時設(shè)置調(diào)整相機(jī)的參數(shù)，形成立體畫面，使裸眼立體顯示器中的畫面有較好的立體感。裸眼顯示屏幕設(shè)置一般為每25ms 刷新一次。

4.6 軟件說明

“機(jī)械測量與拆裝”VR課程軟件分為兩大模塊——工具測量和設(shè)備拆裝。量具3D 動態(tài)展示包括三維模型、標(biāo)簽功能、爆炸展示、測量應(yīng)用。可以選中量具的三維模型，對其進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放操作。同時以3D 爆炸動畫形式展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)組成，并以3D工作原理動畫形式，展現(xiàn)其功能應(yīng)用場景。

5 “機(jī)械測量與拆裝”VR 課程的應(yīng)用效果

①將VR 技術(shù)應(yīng)用到“機(jī)械測量與拆裝”課程教學(xué)中，為課堂提供了一種嶄新的教學(xué)途徑，虛實結(jié)合，以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)換了老師和學(xué)生之間的位置，學(xué)生不再單純依靠“記”和“聽”來獲取知識，更多的是通過在虛擬仿真軟件系統(tǒng)中動手“做”和“練”來加深學(xué)習(xí)的印象。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的虛擬環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”方式變?yōu)閷W(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來獲取知識及技能的新型學(xué)習(xí)方式。

②使用機(jī)械專用建模軟件對實訓(xùn)教學(xué)里的測量工具、拆裝設(shè)備及零件等全部進(jìn)行三維建模，將原本PPT課件中的二維且靜態(tài)圖片、圖紙素材轉(zhuǎn)換成三維動態(tài)，讓學(xué)生更加容易理解常用量具的結(jié)構(gòu)及作用，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

③利用VR專業(yè)制作軟件開發(fā)虛擬機(jī)械測量與拆裝系統(tǒng)，并結(jié)合VR眼鏡等專用設(shè)備提供多種感官的刺激，展開虛擬測量操作，讓學(xué)生清楚地了解常用量具的正確使用方法、注意事項以及如何正確讀數(shù)，同時與實訓(xùn)演示教學(xué)相結(jié)合，更好地讓學(xué)生參與和動手操作。

④使用先虛后實的教學(xué)方式，完善拆裝設(shè)備操作的安全性，利用VR專業(yè)軟件開發(fā)虛擬機(jī)械拆裝操作系統(tǒng)，在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本，并且VR軟件中機(jī)械拆裝設(shè)備可以反復(fù)使用，不會出現(xiàn)物理損傷，學(xué)生在虛擬的實訓(xùn)環(huán)境中可以放心地進(jìn)行各種拆裝操作。

6 結(jié)語

在“機(jī)械測量與拆裝”課程中應(yīng)用VR 技術(shù)，較之傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)具有安全可逆、節(jié)約成本的顯著優(yōu)勢，同時仿真效果優(yōu)越，學(xué)生使用VR 設(shè)備以及眼鏡感受到量具使用及機(jī)械拆裝設(shè)備360 度立體仿真效果，期間不僅可以使用操作筆旋轉(zhuǎn)、放大縮小和拖拽模型，還可以全方位查看模型的組成結(jié)構(gòu)。另外，通過動畫仿真特效展示課程內(nèi)容的重難點，讓學(xué)生更容易理解掌握所學(xué)的內(nèi)容。今后將進(jìn)一步延伸到工程訓(xùn)練其他教學(xué)模塊，并在完善總結(jié)的基礎(chǔ)上加以推廣。