用于辅助体育创新教学“VR+便携式机械臂”系统设计

杨双赫 王琼惠 徐笑然 李欣谣 朱 娜

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

0前言

如今，虚拟现实被认为是多媒体最高级别的应用，能够为学生提供生动、逼真的学习环境，其技术已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。然而在现代体育教育中虚拟现实技术不能够实现真正的教学使用，体育训练需要真实的力量感与触感，本团队设计研发的“VR+便携式机械臂”可以精确地定位到三维空间上的某一点进行作业，解决了体育教学中虚拟现实技术推广的难题。

1系统开发设计

“VR+便携式机械臂”作为一种新型的教学技术，在硬件设备方面，主要运用到VR头盔，便携式机械臂，kinet体感摄像头等辅助设备，使其能对教学场景进行模拟，提高课堂效率，达到更好的教学效果。

1.1硬件部分设计

由三星公司生产的Gear VR结合现在已经成熟的传输应用Home Theater，以及一个支持MIMO和802.11ac的高性能无线路由器，就可作为一个无线头戴VR显示器使用。通过它可以对学生运动时头、手等进行实时监控，并将数据实时反馈给仿真控制系统中。在本次系统设计中，便携式机械臂采用轻便材料，具备肩-肘-腕3个关节组合，由左右对称的机械臂与连接构件组成，共计8个自由度，具有可控自由度多、人机信息传输量大、实时性要求高的特点。微软公司生产的kinet体感摄像头通过结构光对学生运动进行捕捉跟踪，实现人机互动。

1.2软件部分设计

在Poser 5.0软件中，以H-Anim作为标准构建学生人体几何模型，采用齐次变换矩阵构建学生运动数学模型；运用Kinect动作捕捉原理采集运动数据，获取实时运动数据。通过结构光发射器和结构光接收器获取该场景中的深度图像。从深度图像中分离出人体轮廓，对其进行处理，把人体的各个部分相匹配，确定各个关节点在人体中的位置并存储为BVH格式，应用SIFT 算法与MongoDB数据库中的标准动作进行比对，从而达到对学生动作进行规范的目的，提高课堂效率。为了将学生的动作分析过程进行更加量化的对比，本文提出采用特征向量进行相似性匹配的原理。这种计算方法将空间三维动作的离散点进行欧拉计算简化，得到几个基本平面运动问题，以平面运动特点来分析动作的差异性。对于差异度的计算，以每个特征平面上的法向量和向量夹角来判断，前者决定动作的整体精确程度和规范性，后者决定局部规范程度。通过计算空间坐标的差异度，传送空间坐标移动指令到便携式机械臂系统，从而带动用户手臂进行调整运动。

1.3仿真部分设计开发

应用Matlab/Simulink进行VR仿真，根据人体各体段质量、质心位置对身高和体重的二元回归方程建立数学模型，求解方程模型，运用Matlab的解析功能计算出值解，利用仿真技术Simulink库中的图形建模方式模拟人体的运动轨迹，建立健美操动作系统的动态模型，通过MATLAB中的 Robotics Toolbox对机械臂进行建模仿真，采用标准D-H建模方法。建模的详细过程如下，首先使用标准D-H表中的参数输入到Link函数中，通过Link函数构建机械臂的连杆并将关节角度设置为可调整的模式，然后使用SerialLink函数将所有的连杆连接起来构建出初步机械臂模型。最后开启示教模式，定义出机器人的名称，构建初始的角度状态。使用plot3函数将轨迹经过的点按50Hz采样率输出到坐标空间，显示出机械臂末端所经过的路径。到此，可以使用不同数值的0i数值控制机械臂的关节转动角度，进而来控制机械臂的运动动作，相关的技术已经比较成熟。

2结论与感悟

综上所述，基于“VR+便携式机械臂”技术设计开发体育教学仿真系统，使训练者在虚拟的VR场景中训练学习，并且还能够在硬件装备的协助下，使训练者在真实的力量感与触感下与计算机的虚拟环境进行互动，能够大大提高体育课堂训练效率，发挥积极设计应用效益，可以在实践中推广应用该系统设计方案。

具体操作步骤为：①在VR模式中设计舞蹈动作、建立角色(学生)模型、生成舞蹈动画教程。②通过Kinect设备识别学生动作并传输至深度学习系统得到动作误差。③基于视觉学习的机械臂得到误差指令，计算移动角度、距离并作出调整。④通过Kinect设备识别学生调整动作并传输至VR系统完成动作规范。

通过这次做项目，项目组4个人都学会了很多知识。相信这次实验会对我们今后的学习、工作和生活产生很重要的影响，真诚地感谢学校给我们提供了这

图1流程图

样一个锻炼我们的机会，感谢老师的指导和鼓励，感恩小组成员之间的支持和帮助，感谢同学们提出的宝贵意见。希望以后还能继续参加类似的科技创新活动，把大学生活过得更加充实。