基于VR的箱体零件虚拟加工教学系统开发

发布时间：2020-08-01 22:00

【摘要】：传统虚拟零件加工教学系统的人机交互方式大多数为桌面式教学系统,用户通过使用鼠标点击用户界面,将用户指令输入教学系统,系统根据指令做出反馈的方式完成加工过程。这种交互方式使学员和计算机系统成为两个独立的个体,沉浸感较差,学员无法体验真实的机床操作的感觉,从而不能达到想要的效果。为了解决上述问题,本文提出采用可使沉浸感加强的沉浸式头盔显示器来提高教学系统的沉浸感,借助数据手套进行人机交互,人手做出的手势通过传感器传输到系统内,控制虚拟手操作机床。具体的研究工作如下:首先,对箱体零件虚拟加工教学系统进行需求及结构分析,根据需求分析进行系统总体设计,选择系统开发平台,对系统中进行虚拟现实交互的硬件设备进行简单介绍。其次,分析箱体零件加工工艺特点,针对其工艺特点制定加工工艺流程,针对该工艺流程分析应该使用何种机床、刀具、夹具。对所需立式铣床、卧式铣床、钻床、镗床等机床及其刀具、夹具进行几何建模与优化,根据工艺流程放置机床位置,形成箱体零件加工生产线。第三,交互系统的设计,根据虚拟现实环境下箱体零件加工特点及系统功能需求的分析,结合数据手套与HTC Vive头盔的优势,设计了一套人机交互手势,在系统中由虚拟手替代真实手与虚拟物体进行交互,实现加工过程。最后,构建一个完整的虚拟现实环境下的箱体零件虚拟加工教学系统。分析教学系统涉及的关键技术,包括碰撞检测技术,手势识别技术等,分析系统交互过程中遇到的虚拟手与零件干涉问题的解决方案,对用户活动范围较小及如何准确放置模型的方法进行研究,并提出相关解决方案,设计人机交互界面,阐述视频播放功能、语音提示功能及仿真运动实现方法。实验结果表明,本课题的研究成果对以后此类项目有很大的借鉴意义,对学生系统学习箱体零件的加工及相关机床的操作具有很大的教育意义,一定程度上解决了高校设备不足的问题。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH16
【图文】：

教学系统结构,虚拟加工,箱体零件

2.2 虚拟加工教学系统结构设计及开发流程2.2.1 虚拟加工教学系统结构设计本系统是基于 Unity 3D 开发平台开发的箱体零件虚拟加工教学系统，借助 Unity 3D内置特有技术，如场景搭建、碰撞器技术及程序脚本等，以 CA6140 车床溜板箱箱体零件虚拟加工为例，开发一套具有箱体零件虚拟加工从毛坯到成品全过程的教学系统，包括：加工工艺制定，立式铣床、卧式铣床、钻床、镗床的加工操作过程，相关刀具的选择等内容。该教学系统可将学生课上所学有关机械加工工艺的理论知识、刀具选择知识、夹具选择知识融入其中，通过操作该系统，学生可将相关知识串联在一起，直至融汇贯通。此外，该系统通过将 Unity 3D 开发平台与先进的虚拟现实交互设备 HTC Vive 头盔显示器相连，借助 Miiglove 数据手套进行人机交互，可使学生身临其境。该教学系统的结构设计框架，如图 2.1 所示。

流程图,教学系统开发,虚拟加工,流程

图 2.2 虚拟加工教学系统开发流程软件平台选择工教学系统的开发过程主要在虚拟现实开发平台中进行，其中包括编果的调试等。目前，主流开发平台主要有 Unity 3D、虚幻引擎（UnreaQusest 3D、VRP 等。UE 是一款极为出色的开发工具，其特点是展格唯美，极其适合展示建筑或内装。使用 C++开发，加载时间较长，est 3D 偏重面向建筑领域，更侧重于让设计人员简单快速搭建虚拟建一款国内公司自主研发的虚拟现实软件，该平台主要面向三维美工需要程序员参与，美工根据自己的理解方式能够很快制作出自己的虚平台中前两种平台支持 HTC Vive 和 Oculus Rift 等虚拟现实硬件设用 C#和 JavaScript 两种编程方式，编程人员自行编制插件上传至插

车间,场景,头盔

图 2.3 车间整体场景实交互硬件设备 Vive 头盔显示器ive 是由 HTC 公司与 Valve 公司联合开发的一款虚拟现实头戴显示 VR 设备之一，主要由 VR 头戴设备、无线 VR 控制手柄和空间球首款完整虚拟现实系统[37]。该头盔通过精确追踪技术，超逼真用户打造超乎想象的真实体验。Vive 头戴式设备具有可调式头带鼻部衬垫，提高头盔舒适度，前置摄像头，可以让用户观看现实世器可以 360°定位覆盖，同时支持无线同步技术，为用户体验的极致现实设备头盔现实器如图 2.4 所示。

【参考文献】