基于Unity3D的RV减速器虚拟仿真系统研发*

张 俊，孙树礼，吴央芳

(浙江大学城市学院 工程学院，杭州 310015)

0 引言

RV减速器是一种新型减速器，其采用两级传动形式，第一级渐开线直齿轮传动和第二级摆线针轮传动，因其具有空间体积小、自身重量轻、传动比范围大、扭转刚度大、传动精度高等优点，在智能机器人、军工航天等领域应用较多，特别是随着工业机器人的大力发展，作为工业机器人的核心部件的RV减速器发展迅猛[1-2]。基于RV减速器的结构组成特点，其可作为机械类学生在教学和实践环节中的重要研究对象，如结构认知和拆装实验、课程设计等。目前国内高校对于机械产品的认知，拆装等方面的教学基本上还停留在较为传统的模式，存在着学生实践时间短、设备资源紧张等诸多问题，在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养[3-4]。随着计算机技术和信息技术的发展，采用虚拟现实(Virtual Reality)和增强现实(Augmented Reality)等新技术应用于教学，逐渐成为克服实践教学过程中诸多困难的一大重要手段。

国内外对虚拟现实技术、增强现实技术以及其在教育领域的应用已做了一定的研究。Wang J等利用虚拟现实软件Unity3D建立了交互式火星探测车虚拟训练系统[5]；朱文华等以圆柱齿轮减速器为对象，应用虚拟现实和增强现实技术基于Unity3D软件开发了一套实践教学资源，提高了实践教学的交互和沉浸感[6]；于勇等将AR技术引入到《工程图学》的教学实践中，以直观、新奇的视觉体验建立了二维图纸和增强三维模型之间的联系[7]；刘华明等在UG环境下建立摆线轮及RV减速器参数化模型，并完成运动学仿真，为RV减速器的设计提供了一定的理论依据[8]。基于此，本文以RV减速器为研究对象，以“虚实结合”为总体思想，以Unity3D为开发平台，把虚拟现实技术、增强现实技术与RV减速器工程训练相结合，开发了具有交互性和沉浸性的RV减速器虚拟仿真实践教学系统，提高学生的实践动手能力。

1 RV减速器及结构分析

RV减速器的结构如图1所示，主要由曲柄轴、输入轴、输出盘、主轴承、滚针、支撑法兰、输入齿轮、正齿轮以及RV齿轮等部分组成[9]。

1.曲柄轴 2.输入轴 3.输出盘 4.主轴承 5.滚针 6.支撑法兰 7.输入齿轮 8. 正齿轮 9.RV齿轮 10.外壳图1 RV减速器结构组成

工作原理：电机带动输入齿轮与正齿轮啮合，为第1级减速；正齿轮与曲柄轴固连，成为第2级的输入，转动正齿轮则RV齿轮由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动，此时曲柄轴转动1周，则RV齿轮会沿与曲柄轴相反的方向转动1个齿，这个转动将被输出到输出盘上，此为第2级减速[10]。RV减速器结构及工作原理较为复杂，因此运用先进的虚拟现实和增强现实技术来协助完成减速器的结构认知、虚拟拆装等方面的教学显得很有必要。

2 总体方案设计

2.1 总体研究思路

以典型机械产品RV减速器为研究对象，本着“虚实结合”的总体思想，将虚拟仿真技术与传统的减速器相关课程相结合，运用VR和AR技术开发具有交互性和沉浸式的减速器虚拟仿真实践教学系统，最终实现减速器VR场景漫游、虚拟拆装以及模型AR显示等功能。系统总体框架及设计思路如图2所示。

图中包括现有教学资源、软件平台、硬件平台及需要实现的系统功能几大部分。

图2 系统框架及设计流程图

2.2 开发平台与工具

本系统虚拟开发环境为Unity 3D，建模软件为UG NX，渲染优化软件为3Ds Max，以Vuforia作为软件开发工具包，Unity 3D可以很方便的实现Windows、Android或者ios等多平台的系统发布。具体开发平台和工具如表1所示。

表1 开发平台与工具

3 系统开发与实现

3.1 总体开发流程

系统总体开发流程为：以Unity 3D为开发平台进行VR和AR模型系统制作，首先运用UG NX建模软件建立减速器三维模型，导入3D Max进行模型渲染及优化，采用Photoshop进行贴图绘制，然后将贴图和模型导入Unity 3D平台后通过C#来编写相关交互程序，并对AR和VR进行差别化制作，最后利用虚拟现实和增强现实设备对虚拟仿真实践教学系统进行功能效果展示。

3.2 三维模型构建

RV减速器主要包括3类零件：轴类(曲柄轴、输入轴、滚针等)、盘类(输出盘、支撑法兰、外壳等)和齿轮类(输入齿轮、正齿轮、RV齿轮等)。

主要零件加上轴承及紧固件就可以装配完整的RV减速器，零部件及装配图如图3所示。

(a) 第1级减速机构 (b) 第2级减速机构

(c) RV减速器装配图 图3 RV减速器部件及总装配图

3.3 模型虚拟现实场景搭建

将UG NX中建好的三维模型转换成.stl格式，导入3Ds Max中完成Z轴方向调整、材质处理等操作后导出.fbx文件，在Unity 3D软件中添加模型相关的声音、贴图等文件后，完成模型场景创建，通过管理场景模型完成模型状态实时显示。RV减速器虚拟现实场景开发流程和效果图如图4、图5所示。

图4 虚拟现实场景开发流程图 图5 RV减速器虚拟现实场景图

3.4 模型虚拟拆装功能实现

虚拟拆装必须符合RV减速器实际拆装工艺过程逻辑顺序要求，使得整个拆装过程具有动态性、交互性的同时符合逻辑性。虚拟拆装功能主要包括手动拖动拆装和预设路径自动拆装两种方式，功能设计流程如图6所示。

图6 虚拟拆装流程图

图7a、图7b为手动拆卸螺栓前后对比图，手动交互拆装可通过鼠标、手指触屏或手柄直接拖动零件到松开位置实现拆卸，并记录拆卸顺序和位置，拖曳的位置即为零件实时摆放位置，最终实现对模型的交互拆装，这种操作方式让用户拥有更直观、更具沉浸感的体验，手动拆卸部分核心代码如下：

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);}}}

图7c为预设路径自动拆卸效果图，预设路径自动拆装是先为零件预设拆卸位置，顺序自动拆装并录像，当检测到对应按键触发时播放自动拆装动画实现自动拆装。

(a) 螺栓手动虚拟拆卸前 (b) 螺栓手动虚拟拆卸后

(c) 预设路径自动拆卸效果 图7 RV减速器拆卸图

3.5 模型增强现实功能实现

采用Vuforia SDK增强现实工具包实现基于二维图纸的跟踪注册，并基于触屏的交互操作在移动设备上与虚拟场景进行交互，完成基于移动设备的零部件三维增强现实显示，AR设计流程如图8所示。RV减速器的AR显示效果如图9所示。

图8 AR实现流程图

图9 手机端装配模型增强现实效果

在移动端界面将设计旋转、缩放、复位以及零件信息等按键，通过点击不同的按键可实现相应的操作。以下为缩放功能实现的主要代码：

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

floatnovelDis=Vector2.Distance(novelPoint1 .position,novelPoint2. position); //获取两触点位置

float offset= novelDis-wornDis; //计算两触点间距

float sca1=ofset/50f; //设置缩放比例

Vector3 objsize=transform localScale;

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

objsizey +sca1 ,objsize.z+scal); //改变模型大小

3.6 图形用户界面设计

图形用户界面GUI(Graphical User Interface)可实现用户与机器的交互。通过编写脚本构建层级界面进行相应场景的跳转，最终实现相应的目标功能。RV减速器虚拟仿真教学系统图形用户界面如图10所示。

图10 系统用户界面效果

用户界面包含场景漫游、结构展示、自动拆装、手动拆装、知识考核、退出系统、返回及AR扫描等功能按键，通过按键点击可进入相应功能模块。

3.7 系统发布

开发完成的仿真系统可通过Unity 3D发布在Android、IOS、Windows、WebGL 等多个平台，以Windows平台发布为例，进行相关属性设置后可发布生成一个.EXE执行文件和一个文件夹，直接运行.EXE文件即可在电脑上打开虚拟仿真系统实现RV减速器相应的虚拟现实功能。将发布平台改为Android平台即可发布Android手机相关应用，实现RV减速器相应的虚拟现实和增强现实功能。还可通过软件选择左右分屏效果，实现在VR头盔上的立体显示，学生通过VR头盔和控制手柄实现更为沉浸式的交互操作。

4 结束语

把当今最流行的VR技术与AR技术融入到机械专业实践教学当中，将UG NX、Unity 3D、3Ds Max、C#集成应用于虚拟实验系统的开发，构建出一套具有良好沉浸感、交互性和跨平台能力的虚拟仿真教学系统，在该系统中，学生可完成机械产品的结构展示、虚拟拆装、知识考核等工作，提高了学生的学习兴趣和主动性，有效缓解了高校实验设备短缺、实验场地资金不足等问题。为创新人才培养提供了新的手段，为高校实践教学改革提供了新的参考。