張 俊，孫樹禮，吳央芳

(浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院，杭州 310015)

0 引言

RV減速器是一種新型減速器，其采用兩級(jí)傳動(dòng)形式，第一級(jí)漸開線直齒輪傳動(dòng)和第二級(jí)擺線針輪傳動(dòng)，因其具有空間體積小、自身重量輕、傳動(dòng)比范圍大、扭轉(zhuǎn)剛度大、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在智能機(jī)器人、軍工航天等領(lǐng)域應(yīng)用較多，特別是隨著工業(yè)機(jī)器人的大力發(fā)展，作為工業(yè)機(jī)器人的核心部件的RV減速器發(fā)展迅猛[1-2]?；赗V減速器的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，其可作為機(jī)械類學(xué)生在教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中的重要研究對(duì)象，如結(jié)構(gòu)認(rèn)知和拆裝實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等。目前國(guó)內(nèi)高校對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的認(rèn)知，拆裝等方面的教學(xué)基本上還停留在較為傳統(tǒng)的模式，存在著學(xué)生實(shí)踐時(shí)間短、設(shè)備資源緊張等諸多問題，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality)等新技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，逐漸成為克服實(shí)踐教學(xué)過程中諸多困難的一大重要手段。

國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已做了一定的研究。Wang J等利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity3D建立了交互式火星探測(cè)車虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)[5]；朱文華等以圓柱齒輪減速器為對(duì)象，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于Unity3D軟件開發(fā)了一套實(shí)踐教學(xué)資源，提高了實(shí)踐教學(xué)的交互和沉浸感[6]；于勇等將AR技術(shù)引入到《工程圖學(xué)》的教學(xué)實(shí)踐中，以直觀、新奇的視覺體驗(yàn)建立了二維圖紙和增強(qiáng)三維模型之間的聯(lián)系[7]；劉華明等在UG環(huán)境下建立擺線輪及RV減速器參數(shù)化模型，并完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，為RV減速器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)[8]。基于此，本文以RV減速器為研究對(duì)象，以“虛實(shí)結(jié)合”為總體思想，以Unity3D為開發(fā)平臺(tái)，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與RV減速器工程訓(xùn)練相結(jié)合，開發(fā)了具有交互性和沉浸性的RV減速器虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 RV減速器及結(jié)構(gòu)分析

RV減速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由曲柄軸、輸入軸、輸出盤、主軸承、滾針、支撐法蘭、輸入齒輪、正齒輪以及RV齒輪等部分組成[9]。

1.曲柄軸 2.輸入軸 3.輸出盤 4.主軸承 5.滾針 6.支撐法蘭 7.輸入齒輪 8. 正齒輪 9.RV齒輪 10.外殼圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)組成

工作原理：電機(jī)帶動(dòng)輸入齒輪與正齒輪嚙合，為第1級(jí)減速；正齒輪與曲柄軸固連，成為第2級(jí)的輸入，轉(zhuǎn)動(dòng)正齒輪則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)，此時(shí)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周，則RV齒輪會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)將被輸出到輸出盤上，此為第2級(jí)減速[10]。RV減速器結(jié)構(gòu)及工作原理較為復(fù)雜，因此運(yùn)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來協(xié)助完成減速器的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、虛擬拆裝等方面的教學(xué)顯得很有必要。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體研究思路

以典型機(jī)械產(chǎn)品RV減速器為研究對(duì)象，本著“虛實(shí)結(jié)合”的總體思想，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的減速器相關(guān)課程相結(jié)合，運(yùn)用VR和AR技術(shù)開發(fā)具有交互性和沉浸式的減速器虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)減速器VR場(chǎng)景漫游、虛擬拆裝以及模型AR顯示等功能。系統(tǒng)總體框架及設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖中包括現(xiàn)有教學(xué)資源、軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)及需要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能幾大部分。

圖2 系統(tǒng)框架及設(shè)計(jì)流程圖

2.2 開發(fā)平臺(tái)與工具

本系統(tǒng)虛擬開發(fā)環(huán)境為Unity 3D，建模軟件為UG NX，渲染優(yōu)化軟件為3Ds Max，以Vuforia作為軟件開發(fā)工具包，Unity 3D可以很方便的實(shí)現(xiàn)Windows、Android或者ios等多平臺(tái)的系統(tǒng)發(fā)布。具體開發(fā)平臺(tái)和工具如表1所示。

表1 開發(fā)平臺(tái)與工具

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體開發(fā)流程

系統(tǒng)總體開發(fā)流程為：以Unity 3D為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行VR和AR模型系統(tǒng)制作，首先運(yùn)用UG NX建模軟件建立減速器三維模型，導(dǎo)入3D Max進(jìn)行模型渲染及優(yōu)化，采用Photoshop進(jìn)行貼圖繪制，然后將貼圖和模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D平臺(tái)后通過C#來編寫相關(guān)交互程序，并對(duì)AR和VR進(jìn)行差別化制作，最后利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備對(duì)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行功能效果展示。

3.2 三維模型構(gòu)建

RV減速器主要包括3類零件：軸類(曲柄軸、輸入軸、滾針等)、盤類(輸出盤、支撐法蘭、外殼等)和齒輪類(輸入齒輪、正齒輪、RV齒輪等)。

主要零件加上軸承及緊固件就可以裝配完整的RV減速器，零部件及裝配圖如圖3所示。

(a) 第1級(jí)減速機(jī)構(gòu) (b) 第2級(jí)減速機(jī)構(gòu)

(c) RV減速器裝配圖 圖3 RV減速器部件及總裝配圖

3.3 模型虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景搭建

將UG NX中建好的三維模型轉(zhuǎn)換成.stl格式，導(dǎo)入3Ds Max中完成Z軸方向調(diào)整、材質(zhì)處理等操作后導(dǎo)出.fbx文件，在Unity 3D軟件中添加模型相關(guān)的聲音、貼圖等文件后，完成模型場(chǎng)景創(chuàng)建，通過管理場(chǎng)景模型完成模型狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。RV減速器虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景開發(fā)流程和效果圖如圖4、圖5所示。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景開發(fā)流程圖 圖5 RV減速器虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景圖

3.4 模型虛擬拆裝功能實(shí)現(xiàn)

虛擬拆裝必須符合RV減速器實(shí)際拆裝工藝過程邏輯順序要求，使得整個(gè)拆裝過程具有動(dòng)態(tài)性、交互性的同時(shí)符合邏輯性。虛擬拆裝功能主要包括手動(dòng)拖動(dòng)拆裝和預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)拆裝兩種方式，功能設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 虛擬拆裝流程圖

圖7a、圖7b為手動(dòng)拆卸螺栓前后對(duì)比圖，手動(dòng)交互拆裝可通過鼠標(biāo)、手指觸屏或手柄直接拖動(dòng)零件到松開位置實(shí)現(xiàn)拆卸，并記錄拆卸順序和位置，拖曳的位置即為零件實(shí)時(shí)擺放位置，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的交互拆裝，這種操作方式讓用戶擁有更直觀、更具沉浸感的體驗(yàn)，手動(dòng)拆卸部分核心代碼如下：

void Update(){

if(Input.GetMouseButtonDown(0)){

if(m_ bIsCollision){

Vector3 temp=Input. mousePosition-m_vTempMousePos;

m_ vTempMousePos=Input mousePosition;

m_ rot.eulerAngles=new Vector3(m_ rot.eulerAngles.x,

m_ rot.eulerAngles.y-temp.x,m_ rot. eulerAngles.z);

m_ cubes transform.localRotation=m_ rot[m_ Cube];

m_ cubes. transform. local Position=

new Vector3(m_ cubes transform. local Position.x+ 2f/360)

*temp.x,m_ cubes. transform.local Position.y,

m_ cubes.transform.local Position.z);}}}

圖7c為預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)拆卸效果圖，預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)拆裝是先為零件預(yù)設(shè)拆卸位置，順序自動(dòng)拆裝并錄像，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)按鍵觸發(fā)時(shí)播放自動(dòng)拆裝動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆裝。

(a) 螺栓手動(dòng)虛擬拆卸前 (b) 螺栓手動(dòng)虛擬拆卸后

(c) 預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)拆卸效果 圖7 RV減速器拆卸圖

3.5 模型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能實(shí)現(xiàn)

采用Vuforia SDK增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具包實(shí)現(xiàn)基于二維圖紙的跟蹤注冊(cè)，并基于觸屏的交互操作在移動(dòng)設(shè)備上與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，完成基于移動(dòng)設(shè)備的零部件三維增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，AR設(shè)計(jì)流程如圖8所示。RV減速器的AR顯示效果如圖9所示。

圖8 AR實(shí)現(xiàn)流程圖

圖9 手機(jī)端裝配模型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果

在移動(dòng)端界面將設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)、縮放、復(fù)位以及零件信息等按鍵，通過點(diǎn)擊不同的按鍵可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。以下為縮放功能實(shí)現(xiàn)的主要代碼：

floatwornDis=Vector2 Distance(wornPoint1.position,wornPoint2 position);

floatnovelDis=Vector2.Distance(novelPoint1 .position,novelPoint2. position); //獲取兩觸點(diǎn)位置

float offset= novelDis-wornDis; //計(jì)算兩觸點(diǎn)間距

float sca1=ofset/50f; //設(shè)置縮放比例

Vector3 objsize=transform localScale;

Vector3 size1=new Vector3(objsize.x+sca1,

objsizey +sca1 ,objsize.z+scal); //改變模型大小

3.6 圖形用戶界面設(shè)計(jì)

圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)可實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器的交互。通過編寫腳本構(gòu)建層級(jí)界面進(jìn)行相應(yīng)場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)功能。RV減速器虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)圖形用戶界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)用戶界面效果

用戶界面包含場(chǎng)景漫游、結(jié)構(gòu)展示、自動(dòng)拆裝、手動(dòng)拆裝、知識(shí)考核、退出系統(tǒng)、返回及AR掃描等功能按鍵，通過按鍵點(diǎn)擊可進(jìn)入相應(yīng)功能模塊。

3.7 系統(tǒng)發(fā)布

開發(fā)完成的仿真系統(tǒng)可通過Unity 3D發(fā)布在Android、IOS、Windows、WebGL 等多個(gè)平臺(tái)，以Windows平臺(tái)發(fā)布為例，進(jìn)行相關(guān)屬性設(shè)置后可發(fā)布生成一個(gè).EXE執(zhí)行文件和一個(gè)文件夾，直接運(yùn)行.EXE文件即可在電腦上打開虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)RV減速器相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)功能。將發(fā)布平臺(tái)改為Android平臺(tái)即可發(fā)布Android手機(jī)相關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)RV減速器相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能。還可通過軟件選擇左右分屏效果，實(shí)現(xiàn)在VR頭盔上的立體顯示，學(xué)生通過VR頭盔和控制手柄實(shí)現(xiàn)更為沉浸式的交互操作。

4 結(jié)束語

把當(dāng)今最流行的VR技術(shù)與AR技術(shù)融入到機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，將UG NX、Unity 3D、3Ds Max、C#集成應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，構(gòu)建出一套具有良好沉浸感、交互性和跨平臺(tái)能力的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，學(xué)生可完成機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)展示、虛擬拆裝、知識(shí)考核等工作，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，有效緩解了高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地資金不足等問題。為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了新的手段，為高校實(shí)踐教學(xué)改革提供了新的參考。