孫琴，鄧自康，劉欣，潘成鵬

（武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢，430064）

0 引言

在當(dāng)今的液壓與氣動(dòng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是穩(wěn)固所學(xué)知識(shí)一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，但目前實(shí)踐教學(xué)還存在許多不足[1-6]，比如：1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)不足，無(wú)法滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中實(shí)踐要求。2）氣動(dòng)元器件及設(shè)備等老化嚴(yán)重等問(wèn)題存在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)安全性無(wú)法保證。這些問(wèn)題無(wú)法滿足當(dāng)今氣動(dòng)方面的教學(xué)需求，困擾著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

目前本文采用基于Unity3D平臺(tái)的虛擬仿真技術(shù)[7-10]，結(jié)合3D模型和模擬操作，開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大交互功能的氣動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以解決現(xiàn)有氣動(dòng)技術(shù)實(shí)踐教育中所面臨的上述問(wèn)題，大大減輕實(shí)驗(yàn)室資源匱乏的負(fù)擔(dān)，并且能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時(shí)間以及空間的影響，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 氣動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線分析

如圖1所示，建立氣動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)元件和實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)等場(chǎng)景模型時(shí)使用SolidWorks軟件，并將創(chuàng)建完成的場(chǎng)景模型導(dǎo)入軟件進(jìn)行模型優(yōu)化。優(yōu)化軟件選用3ds Max/Rhino，使用軟件進(jìn)行優(yōu)化，以FBX文件格式保存，Unity3D能識(shí)別。將模型等創(chuàng)建好的文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件進(jìn)行平臺(tái)搭建，運(yùn)用C語(yǔ)言軟件中的腳本功能為平臺(tái)編寫(xiě)與其功能相對(duì)應(yīng)的程序，為使用者提供逼真的人機(jī)交互效果[11-13]。平臺(tái)完成創(chuàng)建后發(fā)布系統(tǒng)生成EXE安裝包，此安裝包可運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)教學(xué)。

圖1 氣動(dòng)虛擬仿真平臺(tái)搭建技術(shù)路線圖

1.2 零部件模型的構(gòu)建

根據(jù)圖2所示氣動(dòng)順序動(dòng)作回路實(shí)驗(yàn)原理圖，對(duì)該實(shí)驗(yàn)所需要的零部件通過(guò)SolidWorks等三維軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，再將其轉(zhuǎn)存為STL格式導(dǎo)入3ds Max進(jìn)行渲染使其具有更好的呈現(xiàn)效果，如圖3所示。

圖2 氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3 實(shí)驗(yàn)元器件模型構(gòu)建

1.3 UI交互設(shè)計(jì)

1.3.1 初始界面

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)初始界面如圖4所示，主要分為三個(gè)模塊：“實(shí)驗(yàn)說(shuō)明”中會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)意義進(jìn)行介紹，方便使用者對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行理解?！疤摂M訓(xùn)練”中可隨著內(nèi)置的引導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程。“虛擬考核”，當(dāng)使用者對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有了一定的了解后可對(duì)元器件自主拖動(dòng)進(jìn)行連接，進(jìn)行評(píng)判考核，由此得知自身對(duì)該實(shí)驗(yàn)的掌握情況。

圖4 氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面虛擬示意圖

程序界面控制程序如圖5所示，在程序中 “Scene Manager”為場(chǎng)景指令，當(dāng)使用者使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊場(chǎng)景中的某一個(gè)選項(xiàng)時(shí)，程序彈出傳輸指令，此時(shí)程序賦值傳輸名稱(chēng)：如“虛擬仿真”，如果輸出名稱(chēng)符合賦值名稱(chēng)時(shí)，程序打開(kāi)面板并運(yùn)行相應(yīng)程序，當(dāng)完成對(duì)應(yīng)程序時(shí)，點(diǎn)擊返回指令，程序判別是否符合輸出指令，如果輸出“Default”指令，則實(shí)驗(yàn)失敗，反之，實(shí)驗(yàn)成功；輸出返回指令，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。若不編寫(xiě)“Default”指令，則程序會(huì)一直運(yùn)行下去，直到運(yùn)行到“Break”、“Switch”，程序運(yùn)行結(jié)束。

圖5 程序界面控制程序示意圖

1.3.2 實(shí)驗(yàn)交互

（1）元件的操作。在“虛擬訓(xùn)練”中可根據(jù)提示將氣缸，單向節(jié)流閥，二位五通電磁閥換向閥等元件拖至對(duì)應(yīng)位置。“文字提示框”是指當(dāng)使用者將鼠標(biāo)移動(dòng)到“虛擬實(shí)驗(yàn)”模塊中的元件庫(kù)，在拖出某一種元件時(shí)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)此次動(dòng)作提示的文字說(shuō)明并且懸浮在桌面的提示區(qū)域中，當(dāng)使用者將元件放置并退出操作時(shí)，該文字提示區(qū)域?qū)⒆詣?dòng)隱藏于程序中。“文字提示框”腳本選項(xiàng)如圖6所示。

圖6 文字提示腳本選項(xiàng)示意圖

Tip選項(xiàng)是繼承于Panel的，在設(shè)置選項(xiàng)中，“Character”選項(xiàng)中可以調(diào)整字體大小，“Closable”選項(xiàng)代表關(guān)閉選項(xiàng)，“Paragraph”選項(xiàng)中對(duì)文字的內(nèi)容位置進(jìn)行“對(duì)齊方式”的調(diào)整，以上的這些選項(xiàng)都是在Tip類(lèi)選項(xiàng)中設(shè)定的。文件提示選項(xiàng)腳本根據(jù)所需元件可以自由修改提示對(duì)象，根據(jù)所需元件名稱(chēng)進(jìn)行后臺(tái)程序修改。

（2）管路連接。將所有元器件安裝到對(duì)應(yīng)位置后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)雙擊元件進(jìn)行“連接氣管”動(dòng)作，從而觸發(fā) “管路連接”的指令。圖7為氣管連接腳本程序。

圖7 氣管連接腳本程序

“Mono Behavior”為事件響應(yīng)組件，程序?qū)⒋私M件作為響應(yīng)指令賦值于指定動(dòng)作?！癓ineltemes”為附加指令，編寫(xiě)程序時(shí)將“Line”作為氣管的英文名稱(chēng)，將氣管附加在程序中并等待程序輸出指令。“Game Object”為組件，附加在元件對(duì)象，一個(gè)組件可以設(shè)置為只連接一個(gè)元件對(duì)象。

軟件通過(guò)程序腳本導(dǎo)入所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置相對(duì)應(yīng)參數(shù)，完成“氣管連接”識(shí)別的初步設(shè)置。將腳本加入設(shè)置選項(xiàng)中，完成整個(gè)氣管識(shí)別設(shè)置。如圖8所示。

圖8 氣管連接程序選項(xiàng)

1.3.3 平臺(tái)發(fā)布

此次氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以Unity3D引擎為開(kāi)發(fā)環(huán)境，將軟件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)。在上方“文件”菜單中開(kāi)“Build Setting”界面，如圖9所示，將軟件進(jìn)行平臺(tái)發(fā)布，在菜單中選擇發(fā)布的平臺(tái)。但是平臺(tái)存在弊端，在安裝的過(guò)程中需對(duì)應(yīng)所需支持包。

圖9 平臺(tái)發(fā)布過(guò)程示意圖

此次軟件將發(fā)布于PC平臺(tái)進(jìn)行程序運(yùn)行，但再導(dǎo)入過(guò)程中必須安裝所需支持包。在Unity5.0之后，此軟件也可以對(duì)WebGL進(jìn)行技術(shù)支持。在程序發(fā)布后，在電腦桌面會(huì)生成程序的“項(xiàng)目、目錄”。PC版點(diǎn)擊EXE文件，可以使用任何搭載Windows程序的計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件運(yùn)行。

2 功能實(shí)現(xiàn)

本文中所設(shè)計(jì)的虛擬氣動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)室，功能如主界面、界面跳轉(zhuǎn)、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文字、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等，這些功能方便使用者更好的掌握實(shí)驗(yàn)原理。還有自定義添加的功能可以配合主實(shí)驗(yàn)功能，能讓使用者提高學(xué)習(xí)熱情，比如音樂(lè)、天氣以及實(shí)驗(yàn)室外景等。本設(shè)計(jì)可以將氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬仿真從現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)導(dǎo)入電腦轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的效果，方便使用者可以了解氣動(dòng)原理中的奧秘，學(xué)習(xí)和理解氣動(dòng)順序動(dòng)作回路的相關(guān)知識(shí)。

在本次氣動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中將Unity3D引擎作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，一步一部引導(dǎo)使用者進(jìn)入到所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，平臺(tái)使用流程圖如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境展示

作為虛擬仿真技術(shù)重要的特色之一，沉浸性體驗(yàn)虛擬軟件平臺(tái)進(jìn)行配合，使得使用者得到良好的氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而這不僅僅可以給使用者帶來(lái)身臨其境的感覺(jué)，動(dòng)手實(shí)踐的參與感也可以激發(fā)使用者的學(xué)習(xí)興趣，起到創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹１敬蝿?chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室以現(xiàn)實(shí)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中氣動(dòng)回路實(shí)驗(yàn)室為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，根據(jù)尺寸縮小創(chuàng)建出氣動(dòng)回路虛擬實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)的各種器械及實(shí)驗(yàn)元件在設(shè)計(jì)時(shí)做到了一比一還原，確保使用者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程能擁有一個(gè)良好的沉浸體驗(yàn)。利用Unity3D建成的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如圖11所示。

圖11 虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境示意圖

2.2 虛擬3D漫游原理展示

在整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互中，虛擬3D漫游是進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操控的第一步，使用者可以通過(guò)自己的想法隨意進(jìn)行視角的操控，從而更加方便的獲取場(chǎng)景中的提示信息，這種交互方法可以很好的讓使用者快速地融入實(shí)驗(yàn)環(huán)境之中。虛擬漫游有兩種方式進(jìn)行呈現(xiàn)——手動(dòng)漫游和自動(dòng)漫游。本次研究的主要內(nèi)容為氣動(dòng)順序動(dòng)作回路虛擬實(shí)驗(yàn)，為了使用者身臨其境地感受實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣并積極參與進(jìn)來(lái)，本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可加入了外設(shè)，讓使用者采用第一人稱(chēng)視角進(jìn)行操控，使用者自己可以控制鍵盤(pán)、鼠標(biāo)來(lái)達(dá)到場(chǎng)景漫游的功能。

使用者通過(guò)點(diǎn)擊并長(zhǎng)按鼠標(biāo)右鍵，滑動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)控制場(chǎng)景中“人”的方向移動(dòng)；通過(guò)按動(dòng)鍵盤(pán)上的“W、S、A、D”鍵位分別實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景中“人”的“前移、后移、左移、右移”的控制；當(dāng)使用鼠標(biāo)的滾輪時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)縮放功能，此功能運(yùn)用于場(chǎng)景以及物體的放大與縮小。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氣動(dòng)順序動(dòng)作回路實(shí)驗(yàn)核心理念進(jìn)行深入了解后，利用Solidworks、3ds Max軟件對(duì)元器件進(jìn)行構(gòu)建渲染增強(qiáng)用戶的沉浸感，以及使用Untiy3D虛擬平臺(tái)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的交互過(guò)程，由此構(gòu)建出革新性的教學(xué)模式，能很好的彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室資源匱乏、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間限制等缺陷。建立虛擬仿真氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)室移入計(jì)算機(jī)程序中進(jìn)行演示，使學(xué)生在豐富的實(shí)踐和完善的實(shí)驗(yàn)條件下學(xué)習(xí)和操作氣動(dòng)技術(shù)相關(guān)理論常識(shí)，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。