丁雨，林木

（大連海洋大學應用技術學院，遼寧 大連 116300）

傳統(tǒng)的減速器實訓教學大多是由指導教師通過圖紙、模型上的原理講解并配合實物演示來完成，這個過程的缺點是實訓的互動性不強，學生缺乏參與體驗以及主動探索的積極性，并且實訓過程中的操作細節(jié)不易展示，效果不是很理想。

基于uniy3D虛擬現(xiàn)實技術(VR：Virtual Reality)的減速器實訓系統(tǒng)可以使學生在虛擬環(huán)境中直接進行虛擬操作，學生能更好的掌握減速器結構、操作過程規(guī)程等知識。這個虛擬實訓過程還可以增進相關理論知識的理解以及對應實踐能力的形成，提高學生的學習興趣與動力，可以很好的培養(yǎng)學生的空間思維、動手能力、創(chuàng)新能力。

虛擬實訓系統(tǒng)可以為學生提供實時的碰撞檢測、裝配約束等功能來規(guī)范實訓過程，學生可以隨時暫停實訓活動，通過虛擬現(xiàn)實的虛擬空間對減速器進行多角度、近距離的觀察，同時，還可以驗證減速器的裝配序列是否合理。實訓結束后，系統(tǒng)會記錄學生的操作過程，并最終生成報告、記錄視頻等，進而驗證實訓操作是否正確，可以及時對實訓過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行解決，從而避免在實物拆裝實訓中對真實減速器造成損壞。

1 虛擬實訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎是要設計出一個與實訓環(huán)境相一致的、可以進行交互的虛擬場景。實訓的開發(fā)人員需要根據(jù)減速器實訓的大綱要求，編寫實訓活動的過程規(guī)范，其中需要包括實訓的目標、虛擬設備情況、減速器零部件組成信息以及操作規(guī)則等實訓準則。

減速器裝配的虛擬實訓場景是系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)需要使用C語言等計算機編程語言調用數(shù)據(jù)圖形接口讀取仿真模型實現(xiàn)虛擬場景的建設，再使用相應的編程語言實現(xiàn)對其內部對象交互控制的操作，這種編程方式的實現(xiàn)過程對開發(fā)人員要求比較高，并且開發(fā)的虛擬實訓系統(tǒng)功能不多，維護困難，系統(tǒng)的靈活性、可移植性和交互性都比較差。本設計則直接使用Unity3D引擎，因為Unity3D是一個可以讓使用者輕松創(chuàng)建諸如三維動態(tài)游戲、可視化建筑漫游、三維動畫等互動內容的專業(yè)虛擬現(xiàn)實引擎。Unity3D引擎自帶物理仿真引擎，可以很好的仿真各種運動、物理現(xiàn)象，其虛擬仿真精度可以滿足大多數(shù)設計要求。

1.1 減速器建模的創(chuàng)建與導入

虛擬實訓系統(tǒng)的設計首先需要創(chuàng)建可以用于Unity3D引擎的減速器三維虛擬模型，由于Unity3D引擎本身的建模功能比較弱，本設計選擇pro/E建模工具按照實際尺寸創(chuàng)建減速器三維模型。建模過程中需要對各個零件模型的原點、坐標軸進行調整，以便在Unity3D中對零件進行運動控制。

pro/E中的三維模型在創(chuàng)建過程中產生了一些繁余面，所以需要通過3ds Max軟件對模型的各個部分進行塌陷處理，從而減少不必要的面，提高系統(tǒng)的顯示效率。使用3ds Max軟件為模型添加材質、貼圖以增加模型的真實感。最后在3ds Max軟件中將減速器模型導出為FBX數(shù)據(jù)格式，導入到Unity3D引擎的虛擬場景中，而且模型導入后需要按比例放大調整以保持模型的尺寸。

1.2 減速器裝配實訓的交互實現(xiàn)

在Unity3D引擎中提供了用于動態(tài)仿真的“關節(jié)”連接方式。Unity3D引擎中的關節(jié)分為固定關節(jié)（FixedJoint）、鉸鏈關節(jié)（HingeJoint）、角色關節(jié)（Character Joint）以及可配置關節(jié)（Configurable Joint）三種。減速器在實訓仿真工作過程中，主要需要實現(xiàn)零件間的相對轉動，因此，設計中的“關節(jié)”多為鉸鏈，而固定于減速器箱體上的零件則都由固定關節(jié)實現(xiàn)連接。

Unity3D引擎提供了多種運動碰撞器組件：盒碰撞器、膠囊碰撞器、球碰撞器、車輪碰撞器以及網格碰撞器。前三種碰撞器組件分別可以模擬立方體、膠囊體，以及球體形狀物體運動過程中的的碰撞與摩擦，車輪碰撞器則主要用于模擬車輪運動的碰撞與摩擦，網格碰撞器可以根據(jù)三維模型的網格外形來模擬運動時的碰撞與摩擦效果。這些功能在虛擬實訓系統(tǒng)中實現(xiàn)了減速器動態(tài)工作的物理效果。

在減速器虛擬實訓的模型展示環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)零部件的動態(tài)展示，本設計通過腳本中的移位方法GameObject.transform.Translate()實現(xiàn)了運動驅動。

2 GUI界面

為了在虛擬實訓過程中實現(xiàn)與使用者的實時交互，本設計通過GUI在界面上實現(xiàn)了可操作減速器實現(xiàn)左右旋轉，以及展示關鍵零部件的相關按鈕。創(chuàng)建好的虛擬減速器模型場景及實訓應用界面如圖1所示。

3 結語

圖1 虛擬減速器模型場景及實訓應用界面

本設計以某減速器為實訓仿真原型，創(chuàng)建三維虛擬模型，通過解決Unity3D引擎中零件模型的連接問題，利用物理引擎并通過編寫運動腳本仿真減速器運動驅動方式，最終使用Unity3D引擎實現(xiàn)了減速器的虛擬裝配實訓。其設計仿真效果與實際實訓過程基本一致，并且學生可以在仿真實訓過程中實時操作三維模型，有著良好的交互性。本減速器的虛擬實訓方法對比已有的解決方案，在方便性和交互性方面都有了不同程度的改進與提高。

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