浅谈机车受电弓部件的虚拟仿真交互设计

曾祥君

大连市轻工业学校，辽宁 大连 116023

浅谈机车受电弓部件的虚拟仿真交互设计

曾祥君

大连市轻工业学校，辽宁 大连 116023

自国家提出“信息化共享平台”建设目标以来，辽宁省教育厅在应用虚拟现实技术进行教学方面给予了大量的资金和政策扶持。自15年克强总理提出要快速推动我国的制造业发展，并向国际社会推广中国的高速铁路和城际铁路以来，轨道运输行业对操作员工需求逐年增高。日益发展的轨道机车运输业在我国尚属新兴事物，各大院校的教学和培训资源相对匮乏。因此、顺应行业发展需求，开发虚拟仿真机车检修实训平台具有非常重要的社会和经济价值。

机车；受电弓；虚拟仿真

国内机车类软件主要以虚拟驾驶为主，交互功能设计较少，很少配合考核评价平台。另外高速机车架修类实训平台未见相关文献提及。国外同类软件起步较早，无论在机车的操作性还是机车信号管理方面都处于领先地位。下面我将以受电弓部件为例展示交互设计的思路。

受电弓类型多样，在同型号车型上，由于制造采购批次不同，也具有差异，本文采用型号为TSG3的双臂受电弓。根据受电弓运行原理和组成机构，我们将受电弓的设计制作分为四大部分，如图1所示分别为：弓头部分、铰链部分、传动机构和底架。

弓头部分：以自由度为机构设计考量，弓头部分在运行中要与电线保持水平并始终接电。所以将其设计为具有移动自由度的构件，不能旋转。

铰链部分：主体为两段，固定端与旋转端，可进行相对运动，将其看作简单四杆机构设计、可移动也可旋转。

传动机构：只进行伸缩控制直线位移，不发生旋转。

底架：相对于车体和传动部件保持静止。

将其归纳为三类运动方式：静止的底架，只有直线位移的传动机构与弓头，具有移动及旋转的铰链部分。三类动作分别建模,见图1。

图1 受电弓的组成

图2 渲染后的受电弓

固定部分构件我们可以进行贴图渲染操作。其中弓头在其移动过程中没有外观面域的改变，能直接用于渲染。在弓头的渲染操作之前，我们要进行坐标点的调整以保证其位移运动的准确。传动部件在运动时，伸缩长度会存在变化，此处要拆分进行渲染。铰链处存在两处衔接，分别处于弓头和传动机构。设计时要注意将坐标中心上移至铰链轴线。铰链部分在交互运动中存在模型变化，需要模型细化。铰链下部与底架连接自身围绕底架进行的是旋转运动，需要将铰链下部的中心坐标移动到底架的轴线处。铰链本身的连接部分在部件移动过程中不旋转，但会带动铰链下半部分进行上下的位置平移。而铰链的上半部分与中段连接处此时会连带发生转动，此种情况需要运用时时渲染操作。利用机械原理我们不难分析出，铰链上方旋转部件的转角与下方部件转角是一种线性并存关系，通过计算可得：当下方部件顺时针旋转1°，则有铰链上方部件逆方向旋转2°角，交互设计时我们将铰链与模型有效进行关联编程操作，利用轴心键物体建模，并在编程时指定铰链上下两部分轴线运动时一齐指向轴心建模型，并满足计算结果，设置轴心键模型不显示状态仅参与计算，这样有效的降低交互编程的难度,见图2。

教学模块交互功能需满足四点：用户需知机械结构；内部构造与交互的识与读；操作提示；相关问题说明。而内部构造与交互是设计软件的重点。其中涵盖了构造显示与模型轮廓显示两项内容。

(1)内部构造显示：利用光标移动到相应的机车构件或位置时，鼠标右侧显示其关联名称。软件制作时我们需要将模型文件命名后进行编组，组名为SHOWNAME——“名称显示”，系统启动后，会自动进行监控和即时捕捉，被光标捕捉到的对象进入“OP”指令模块，与编程初始项目进行对比分析，经判断名称或组别处于“名称显示”组中则触发显示指令，并快速获取鼠标当前坐标，在相对于鼠标位置偏置4-6个像素处显示出该项目的具体名称，完成名称显示,见图3。

图3 线性模块触发条件的交互编写

(2)模型轮廓显示：将不便于观察的模型边界用闪烁得描边勾勒出来，并具有多种色彩变幻。该项操作属于复杂交互指令的范畴。因为模型边界具有不可控性，并且编程操作的边界并不是实际模型体。模型载入Virtools软件后台，读取模型的包含要素有：点云、点间的位置关系、边界线数量。交互编程时我们先将模型边界线全部进行检索，再将边界线同时进行设置，颜色参数静值A和线宽静值B，判断其边界线是否存在被其余几何体包含的关系，即判断边界线是否处于模型的最外一层，将不处于在外层的轮廓统一设置为参数静值0与线宽静值0。最后将屏幕上不可见的线层渲隐藏，就完成了外部轮廓勾勒显示。在实际光标交互中，常利用边界线勾勒所产生的面渲染效果，作为提示与指引功能。如图4所示，左图为虚拟人物远离受电弓时，部件轮廓突出产生“面渲染”，提示操作者远距离发现该部件。右图为虚拟人物近距离观察受电弓时，利用模型边框勾勒功能清楚看到部件的组成。

受电弓本身为易损件，更换拆卸较频繁。传统教学中无法开展以点带面的将其内部构造、机械原理展现出来。而通过交互设计后、在操作过程中可实现受电弓升降、拆装、维修和结构的勾勒透视观察效果。解决了教学中的难题，让学生有人机互动和沉浸之感。也为信息化教学提供了有力的支持。

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1006-0049-(2017)05-0196-01