虚拟现实在机器人技术教学中的应用与发展

文/迟杏

《教育部2010-2020年信息化建设十年规划》文件中明确强调了国家对职业教育信息化技术投入的重视，该规划对职业教育的发展方向作出明确指示：在职业教育中信息化技术的应用是培养高素质复合型人才的关键环节。近年来，虚拟现实技术（Virtual Reality ,VR）在提升职业院校信息化应用水平上扮演了重要角色。

1 虚拟现实技术发展概况

虚拟现实技术（VR）能够实现人机交互，使操作者在虚拟环境中身临其境，VR 技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、传感器技术等一系列高端技术。60年代VR 技术除了应用在少数军工方面的研究外，并不被研究人员所关注。直到第17 届国际图形会议上科学家向人们展示了VR 技术，其强大的图形处理功能、先进的多媒体技术、高端的输入输出设备，呈现在人们眼前的是极其真实的三维模拟环境。从此VR 技术吸引了大量科学家不断研究创新，在各个领域有广阔的发展前景。我国在VR 技术的研究上起步较晚，近几年来，北京航天航空大学、清华大学、浙江大学等国内知名高校从事VR 的研究，并在直升机虚拟仿真、战场环境虚拟仿真、模拟驾驶训练系统等方面取得了较好的成果。而虚拟现实技术应用到职业教育也是近几年的事，南京铁道职业技术学院与深圳国泰安有限公司联合开发的CRH 动车组一级维修VR 教学系统，被翻译成多国语言，成为中国高铁“一带一路”人才培养技术资源。深圳职业技术学院、福州职业技术学院、成都信息工程大学天府学院均成立了虚拟现实产学研协同创新中心，并取得很好的教学成果。

2 虚拟现实在机器人教学中的应用效果

2.1 VR实训平台的搭建

VR 实训平台包括桌面式VR 操作平台（如图1所示）、机器人专业VR 实训教学软件。桌面式VR 操作平台由触控一体机、手写射线笔、3D 追踪眼镜组成。使用者带上3D 眼镜，手持射线笔，结合桌面式全息操作系统，进入机器人VR 实训教学软件，选择不同的软件包就可进入模拟工厂环境，操控机器人，执行任务。进入工业机器人本体组成页面，可以在虚拟三维空间对虚拟机器人进行放大、缩小、旋转、拆解等交互动作，操作者可以拖动“空气”中的机器人，清楚的观察机器人机械臂、各轴、基座等各部分，从多个角度观察机器人，还可以对机器人进行示教操作，选择不同坐标系，让机器人按操作者指令运动，操作者如同在操作真实机器人一般，感受到无以伦比的空间感与真实感。

2.2 在教学中的应用效果

把虚拟现实技术引进教学实训中是专业实训+信息化先进教学手段的结合，采用多样化 VR 技术以及 VR 实训教学软件，开展工业机器人专业的辅助教学与实训，有效的将书本上平面知识转化为立体、沉浸、互动的展示内容，学生们在身临其境的场景中学习，通过操作实训软件选择场景，模拟在不同工作环境中完成不同的工作任务，例如学生要完成工业机器人码垛任务，只需要进入实训教学软件中对应的软件包中编写程序，模拟操作机器人运行程序，按照工作任务要求完成码垛任务，学生的体验与真实工厂环境中一致。甚至还可完成机器人焊接等比较危险的工作任务，只需要添加对应的焊接软件包就可以实现。同时教学中还结合PPT、动画、微课等多种手段辅助教学,将VR 教学的作用发挥到极致，使学生对知识的理解更透彻，记忆更深刻，学习更有兴趣，学生在学习的过程中不受场地限制，学生可以在虚拟环境中学习到各厂家、各种型号的机器人技术，既极大的节省了教学成本，又可避免某些真实实训中操作带来的各种危险，有效提升职业院校教学实训效果，让实训室真正成为职业教育第一课堂。

3 虚拟现实技术在教学中应用展望

图1：桌面式虚拟操作平台

随着计算机软硬件水平的迅猛发展，虚拟现实技术良好的人机交互界面，操作者真实的体验，为VR 技术发展带来广阔的前景。越来越多的研究人员致力于推动VR 技术转化为实际应用成果，吕晓玲等人利用计算机、真实机器人、5DT 无线数据手套、立体眼镜、应用软件EON 等搭建了基于虚拟现实技术的遥操作机器人控制系统。真实机器人与虚拟机器人通过网络进行连接，而操作者只需带上立体眼镜和数据手套，即可进入模拟工厂环境，看到外形、结构、型号与真实机器人对应的仿真机器人，操作者在空气中对眼前的仿真机器人进行操作，真实机器人随着仿真机器人的动作也跟着动作，两个机器人姿态一致、节奏一致，实现了对真实机器人的远程遥控操作。而在职业院校机器人教学中引入遥操作系统，将最前沿的技术应用到教学中，将会为学生带来全新的学习体验。遥操作机器人系统的研究在军事、航天的模拟训练中起到举足轻重的作用，具有实际意义。