“机械测量与拆装”VR 课程的开发与应用

邬宗鹏，王培珍，杨 琦，李 芳，邹 宁

（安徽工业大学工程实践与创新教育中心 安徽 马鞍山 243002）

VR 技术目前已普遍应用到各行各业，尤其在教育领域，已成为新型教学技术手段。“机械测量与拆装”作为高等工科院校机械类及非机械类专业工程训练中的一门实用性和操作性很强的模块课程，其具有实践性强、技术性高的特点，教学中虽有项目实训操作环节，但受到测量器具与拆装设备成本及空间限制等因素影响，无法让每个学生都去拆解全新的量具和设备，将VR 技术引入课程项目教学中，虚实结合，取得了事半功倍的教学效果。

1 VR 技术概述

VR（Virtual Reality）技术是20 世纪以来发展起来的一个全新实用技术领域，它利用计算机、电子信息及仿真技术模拟创建视觉、触觉等多种感知于一体的虚拟环境，使用者可以借助多种交互设备，例如VR 设备、眼镜、操作笔等，在虚拟环境中进行交互操作和信息交流，使之产生身临其境的感觉[1-3]。VR 技术不只是简单的仿真技术，它所呈现的是客观对象的真实结构、工作原理、运行情境，更加注重人与虚拟环境的自然交互性，在难于操作、危险性高、价格昂贵的实验教学和实践教学中得到广泛应用[4-6]，此项技术非常切合目前“互联网+”背景下学生们的学习心理，在进行机械测量与拆装实践教学时，学生使用VR 眼镜及控制笔进行交互操作，在接受测量工具及机械设备三维立体视觉冲击的同时学习着知识与技能。

2 VR 技术的特点

VR 技术集计算机、电子信息、仿真技术于一体，特点主要有以下三个：

沉浸性。从视觉、触觉等感知系统方面让使用者身心沉浸，感觉如同进入了真实世界，自己仿佛也成为计算机虚拟仿真系统所营造环境中的一部分。

交互性。使用者进入虚拟环境空间，利用相应的技术让其跟具体事物产生相互作用，当进行某种交互操作时，事物及周边环境也会做出某种反应。

构想性。使用者在虚拟环境空间中，可以拓宽知识的认知范围，并且使用计算机信息技术构想创造客观世界难以实现的场景环境。

3 “机械测量与拆装”VR 课程开发的意义

测量与拆装教学的特点在于实践场景的真实性以及教学形式的多样化，强调学生动手操作，将VR技术引入实训项目中，创造性地使学生在人为构建出的虚拟空间内进行模拟实训操作，从而巩固学生对常用测量工具以及典型机械拆装设备基础知识的认知，亲身去感受和体验比抽象的理论讲解更具说服力，同时可以摆脱传统的实训操作模式，使用VR 设备（zSpace）及眼镜进行交互操作。

现有教学内容基础上开发建设虚拟测量与拆装VR软件，将可应用VR技术的教学模块穿插在整个教学过程中，同时利用VR 技术拓展测量与拆装实训项目，不受空间限制，节约采购相关昂贵拆装设备和测量器具的成本，同时减少设备的存放场地。后期尝试将课程VR 系统和APP链接，让学生可以在实训前及课后下载课程VR，通过手机与简易VR 眼镜随时进行体验感受，而不必受到教学VR设备的使用限制。

4 “机械测量与拆装”VR 课程的具体实施

4.1 设计思路

为了解决机械测量与拆装在教学过程中的专业难点，帮助学生通过VR课程软件更好地了解机械测量和拆装知识，让学生直观明了地掌握测量器具与拆装设备的内部结构和操作步骤。课程VR 设计采用3D 仿真模型，实现形象化教学，同时采用智能化技术，实现机械零部件的结构展示，加深学习的理解深度，并实现安全性教学过程，机械设备工作原理以3D 动态及爆炸展示其组成，仿真其动态运动过程。

4.2 设计方案

“机械测量与拆装”课程+VR设计方案包括设计阶段、开发阶段、测试阶段，其中设计阶段有架构设计以及系统设计，开发阶段主要由编码开发和单元测试组成。

4.3 内容设计

“机械测量与拆装”VR课程制作的内容主要有量具及拆装设备3D 模型、零部件标签、爆炸视频等。工具及设备模型资源主要有游标卡尺、万能角度尺、外径百分尺、螺纹千分尺、公法线千分尺、齿厚游标卡尺、半径规、螺纹环规、齿轮泵、蜗轮蜗杆减速机、二级直齿轮减速机、普通车床（CA6140）等。

4.4 开发软件

“机械测量与拆装”VR 课程开发使用多个软件，主要包括Unity3D、Autodesk 3ds Max、Adobe Photoshop、Substance Painter、EVR（VR 引擎与仿真编辑软件）等。

4.5 开发过程

“机械测量与拆装”VR课程开发过程主要包括提纲撰写及VR 软件功能细化，如量具及设备原型、功能流程图、3D 美术方案、交互设计方案、UI 概念设计、三维建模列表及三维动画脚本、虚拟仿真脚本以及其他项目相关资料的撰写等。在设计制作中包括系统架构设计、系统功能及接口设计、系统功能及接口实现（编程）、系统联调及打磨以及场景、模型、UI、FLASH 及3D 动画设计与特效制作，同时软件初步完成后的测试完善也尤为重要，包括系统功能性能测试和场景、模型、UI、FLASH、3D动画特效调优以及测试报告制作。

“机械测量与拆装”VR 课程开发是基于zSpace 设备的虚拟现实系统。zSpace 设备本身提供了zCore 开发包，将开发包导入Unity3D 软件中便可进行后续项目的开发。开发过程主要包括三个核心步骤：物体三维建模、交互方式开发和物体碰撞检测。其中在三维模型的建模中包含几何建模、物理建模和行为建模三部分。

①几何建模。使用SolidWorks2021 软件建立测量工具以及拆装设备的几何形状。在建模时应将量具和设备的运动部件与静止部件分开，以便后续对其添加运动指令。

②物理建模。在Autodesk 3ds Max 和Photoshop 软件中对建好的几何模型进行贴图和渲染。目的是为了使模型更逼真、更美观，将相机拍下的实际测量工具和拆装设备的表面图案导入Photoshop 中，进行校正处理后作为后续素材。同时在Maya 软件中进行贴图操作。

③运动建模。在Maya 软件中描述虚拟模型动作与行为逻辑，包括测量工具和设备的基本运动和拆装过程。

机械测量与拆装过程必须符合实际的测量和设备拆装的逻辑顺序。首先对实际零件测量和设备拆装步骤进行采集，包括测量具体方法和物体运动参数等，然后在虚拟测量和拆装每个项目中增加逻辑判断与碰撞检测功能，从而使得整个测量与拆装过程既具有逻辑控制性，也符合机械测量实际教学要求。为更好地显示内容和进行信息的传递，“机械测量与拆装”VR 课程开发利用了跨屏显示技术，zSpace 设备屏幕为26 英寸，而立体显示器屏幕为80 英寸。为了达到zSpace设备立体画面屏幕的分享功能，将zSpace虚拟现实与裸眼立体显示设备相结合，在zSpace 虚拟现实的基础上进行开发，具体实现步骤：首先创建虚拟跨屏相机。在Unity3D 软件中创建一个跨屏幕照相机，并设置相关参数。参数包括聚焦位置、相机小孔、聚焦尺寸、物体聚焦、相机的方位、角度和投影矩阵。其次设置渲染纹理，用于接收Unity3D 软件画面。在Unity3D 的场景中创建RenderTexture 型渲染纹理。最后绑定zCore 中的相机，将创建的虚拟相机绑定于zSpace 中的任意一立体相机即可进行深度方向的渲染，同时设置调整相机的参数，形成立体画面，使裸眼立体显示器中的画面有较好的立体感。裸眼显示屏幕设置一般为每25ms 刷新一次。

4.6 软件说明

“机械测量与拆装”VR课程软件分为两大模块——工具测量和设备拆装。量具3D 动态展示包括三维模型、标签功能、爆炸展示、测量应用。可以选中量具的三维模型，对其进行移动、旋转、缩放操作。同时以3D 爆炸动画形式展现其结构组成，并以3D工作原理动画形式，展现其功能应用场景。

5 “机械测量与拆装”VR 课程的应用效果

①将VR 技术应用到“机械测量与拆装”课程教学中，为课堂提供了一种崭新的教学途径，虚实结合，以学生为中心，转换了老师和学生之间的位置，学生不再单纯依靠“记”和“听”来获取知识，更多的是通过在虚拟仿真软件系统中动手“做”和“练”来加深学习的印象。它营造了“自主学习”的虚拟环境，由传统的“以教促学”方式变为学生通过自身与信息环境的相互作用来获取知识及技能的新型学习方式。

②使用机械专用建模软件对实训教学里的测量工具、拆装设备及零件等全部进行三维建模，将原本PPT课件中的二维且静态图片、图纸素材转换成三维动态，让学生更加容易理解常用量具的结构及作用，提升学生的学习兴趣。

③利用VR专业制作软件开发虚拟机械测量与拆装系统，并结合VR眼镜等专用设备提供多种感官的刺激，展开虚拟测量操作，让学生清楚地了解常用量具的正确使用方法、注意事项以及如何正确读数，同时与实训演示教学相结合，更好地让学生参与和动手操作。

④使用先虚后实的教学方式，完善拆装设备操作的安全性，利用VR专业软件开发虚拟机械拆装操作系统，在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本，并且VR软件中机械拆装设备可以反复使用，不会出现物理损伤，学生在虚拟的实训环境中可以放心地进行各种拆装操作。

6 结语

在“机械测量与拆装”课程中应用VR 技术，较之传统实训教学具有安全可逆、节约成本的显著优势，同时仿真效果优越，学生使用VR 设备以及眼镜感受到量具使用及机械拆装设备360 度立体仿真效果，期间不仅可以使用操作笔旋转、放大缩小和拖拽模型，还可以全方位查看模型的组成结构。另外，通过动画仿真特效展示课程内容的重难点，让学生更容易理解掌握所学的内容。今后将进一步延伸到工程训练其他教学模块，并在完善总结的基础上加以推广。