虚拟现实技术在工业机器人维护课程中的应用

韩 宇

(深圳技师学院，广东 深圳 518000)

1 工业机器人机械本体拆装与维护课程特点

工业机器人机械本体拆装与维护课程是工业机器人应用与维护专业的一门核心专业课。该课程采用一体化教学模式，为专科层次二年级学生学习的一门专业课。课程在一体化教室中完成，培养学生学习工业机器人的机械结构、转动工作原理、工业机器人机械本体故障诊断、拆装和维护的基本理论和基本知识；培养学生学习工业机器人机械本体的拆装和常见故障的维护技能，为掌握工业机器人机械本体维修奠定基础，同时训练学生工业机器人机械本体维护的综合素质。

2 一体化课程教学实施过程中的难点

2.1 一体化课程的缺点

众所周知，任何事物都不可能是完美无缺的，一体化教学与传统教学相比，尽管有很多优点，但难免会有一些不可避免的缺点。例如，一体化教学强调理论和实际相结合，要求学习情境设置时，融入技能培训。而技能的培训尤其是理工科专业，是离不开设备和典型工作任务的支撑的，这样就需要诸多的设备，无疑增加课堂的成本。

2.2 工业机器人机械本体拆装与维护课程实施的难点

工业机器人机械本体拆装与维护课程作为一门专业课程，也难免会遇到上述问题。

以深圳技师学院工业机器人应用与维护专业为例，该专业承担这门课的实训室为工业机器人机械本体拆装一体化教室。实训室内配置有4台尔必地LT1500-C-6型号六自由度工业机器人和6台LS450-A-4型号水平多关节机器人，这些设备制作精密，造价昂贵。在实施课程的时候，若不让学生动手去装卸和装配设备，则失去了一体化课程的意义；若放手让学生去拆装，则对于一群没有太多经验的学生来说，很容易造成设备的不可逆损坏。图1为工业机器人机械本体拆装一体化教室设备场景。

图2 基于VR技术的虚拟实训室的场景

3 VR技术的特点

3.1 虚拟现实(VR)技术的定义

虚拟现实技术(VirtualReality)又被称为灵境技术，是利用多传感交互技术、实时三维图形生成技术和高清分辨显示技术等，快速生成逼真的三维虚拟环境，操作者佩戴特殊的头盔以及数据手套等传感交互设备，在虚拟空间中与虚拟环境中的事物进行实时交互，感知和操控虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的沉浸感和接近真实体会。

2.2 虚拟现实(VR)技术的典型特征

(1)沉浸性。虚拟现实技术实时产生的虚拟环境能使操作者产生“身临其境”的感觉，仿佛和真正的客观世界一样。

(2)动作性。在虚拟环境中，操作者可以以客观世界的实际动作或方式来操控虚拟系统，让操作者感觉到自己正处于一个真实的环境之中。

(3)自主性。自主性是指在三维虚拟世界中，虚拟物体可以按照各自的模型和规则进行自主运动。

(4)交互性。在虚拟环境中，操作者可以像在真实的环境中一样，和虚拟环境中的任务、对象发生交互关系，在整个过程中，操作者是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，二者之间的交互是全方位的。

(5)构想性。VR技术存在的意义之一是成为能够启发人的创造性的活动，它不仅能使沉浸于虚拟环境中的操作者获取新的指示，提高感性以及理性认识，而且可以使操作者产生新的构思。

4 VR技术在工业机器人机械本体拆装与维护课程中的应用及效果

4.1 基于VR技术的工业机器人拆装实训平台的软硬件组成

基于VR技术的工业机器人拆装实训平台的硬件由高性能电脑、可穿戴头式头显设备、串流盒、操作手柄、激光定位器以及连接线和电源线组成。基于VR技术的工业机器人拆装实训平台的软件由VR运行软件SteamVR和场景资源软件robot.exe组成。

4.2 基于VR技术的工业机器人拆装实训平台的搭建

基于VR技术的工业机器人拆装实训平台的搭建包括软件的安装和硬件之间的连接。软件安装时，按顺序依次将SteamVR和robot.ex两个软件安装在高性能计算机上。硬件连接时，串流盒的一端通过高速视频输出口连接在高性能计算机上。激光定位器通过支架固定在矩形教学区域的对角位置，其高度设置为1.8米。手柄通过蓝牙技术与高性能计算机相连接。其连接结构如下图所示。

图3 基于VR技术的工业机器人拆装实训平台硬件连接示意图

4.3 基于VR技术的工业机器人拆装实训平台在课程中的应用效果

效果一：提高了学生的学习兴趣。基于VR技术的工业机器人拆装实训平台技术先进、场景逼真、操作简便，学生仿佛置身于场景之中，化枯燥学习为快乐学习，学生学习兴趣浓厚。效果二：加深了学生对拆装工艺的理解和正确选择工具的意义。工业机器人属于精密贵重设备，其拆装工艺的正确与否往往影响后期的拆装质量。在教学过程中，工艺的讲解枯燥难懂，学生在课堂中往往难以理解。基于VR技术的工业机器人拆装实训平台，将拆装工艺制作成动画，直观易懂，大大加深了学生对精密设备拆装工艺的理解。效果三：加深了学生对工业机器人机械结构的认知和了解。基于VR技术的工业机器人拆装实训平台中，工业机器人结构清晰可见，各零部件的连接关系一目了然，学生完成虚拟实训操作后，对工业机器人的内部机械结构已经有了初步的认知和了解。效果四：解决了一体化课程中设备较少的问题，同时减少了设备的损坏风险。由于各学校的规模和财力的限制，大型贵重设备不可能大规模采购，而且贵重精密设备无节制让学生操作使用，会增大设备的损坏风险。基于VR技术的工业机器人拆装实训平台采用虚拟场景，将学生实训过程中损坏设备的风险几乎降为零。

5 结论

基于VR技术的教学平台，作为一种先进的教学手段，无疑其教学效果是可圈可点的，为一体化教学过程中设备缺少和设备损坏风险问题提供了一种解决途径，对一体化课程的发展和实施具有一定的参考意义。