基于物理台架的汽车人机工程学虚拟现实技术学习方式应用探索与实践

来源:用户上传      作者:支治　郭世永

　　摘要：在工业4.0可持续发展和高校新工科的背景下，传统的高校教学模式难以跟上新产业和新经济的发展步伐。为了强化学生的理论知识与工程实践能力，在传统的汽车人机工程学教和学的基础上，结合工程应用场景提出了新的设计应用课题。我校通过建立一个系统平台，将汽车人机工程学教学内容融入虚拟现实的学习环境，让学生真实感受到整车设计过程。目的在于提升学生理论知识与工程实践相结合能力，对现有教与学的学习模式进行更新补充，对教与学工程应用环境模式进行变革完善。培养符合现代背景新领域的科技人才。
　　关键词：产学合作;协同育人;物理台架;汽车人机工程学;虚拟现实技术
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）13-0223-03
　　 一、引言
　　目前，我国经济社会正处于发展与转型的关键时期，急需培养出大批高素质、适合经济社会发展需要、具有国际竞争力的创新人才。理论与实践证明，产学合作是培养创新人才最重要的途径[1]。在面向工业4.0可持续发展和高校新工科的战略引领下，作为新的发展方向的虚拟现实技术颇受关注。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术（VR）主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。传感设备是指三维交互设备，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。因为虚拟的学习训练系统安全系数较高，学生可以反复练习，掌握相关专业知识和操作技能为止。对汽车设计流程中的数字样机评审、快速造型评审、人机工程分析、整车架构方案布置、虚拟维修等各类应用已提出了全新的需求，尤其在传统的汽车人机工程学教和学的过程中，如何结合工程应用场景提出了新的设计应用课题;这些新的应用需求就需要在传统的CAD设计基础上，有一个面向工业应用的虚拟现实系统来实现上述不同的应用。我校通过一个系统平台能够同时满足以上所有需求，不但能够将汽车人机工程学教学内容融入虚拟现实的学习环境，而且实现学生真实感受到整车设计过程中“造型评审”+“人机校核”+“数字样机评审”的协同并行;对应车辆工程专业认证的新工科的要求，将CAD、三维数字化设计、汽车人机工程学、汽车轻量化与安全设计、汽车设计和电动汽车设计等课程教学的虚拟现实教学环境结合，对老师教学和学生学习的传统模式进行改变和重构，培养学生对于汽车设计、电动汽车类课程工程应用场景驱动的学习任务为导向的面向新工科学生实践能力提升，对现有教与学的学习模式进行更新补充，对教与学工程应用环境模式进行变革完善。如图1所示。
　　二、虚拟现实技术优势
　　VR虚拟现实应用于教育在教育技术发展领域可以说是的一个飞跃。它打造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转换为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，在汽车设计阶段，教师和学生利用VR技术得到1：1的仿真感受，对车身数据进行分层处理，根据不同的部位和需要达到的不同感受选用材质，设置不同的光照效果，达到高度仿真的目的。然后还可以对该模型进行动态实时交互，改变配色、轴距、背景以及查看细节特征结构。从多个角度全面观察，并实时进行调整，从而使整个评审过程简单、明了，使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。除了外观和材质，在汽车内部的人机交互部件设计也同样可以让虚拟现实技术发挥作用。包括座椅、转向盘、变速杆、指示灯、后视镜、刮水器、车门手柄、多媒体娱乐以及空调等都可以利用虚拟现实技术进行设计。老师和学生可以借助VR设计开发汽车产品，开闭件的合理性、上下车的便利性，以及人机界面操作的合理性、便捷性都可以有效地在虚拟现实中获得直观真实的感受。通过虚拟工具，人们可以坐在汽车的座椅上，看到真实的驾驶室布置，观察各式各样的仪表板、变速杆及附属装置，可以检查座椅的高低是否合适、仪表的按键是否在手可及的范围内、手指操作是否方便，以及车内采光效果如何等，从而进行更細致专业的调整。利用虚拟现实技术建立起来的汽车人机工程学虚拟教学课堂，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种人机工程学实验如装配、视野、环境等，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。该平台在教学和科研方面均具有广阔的应用前景。
　　三、平台特点及优势
　　我校拟开发一套基于虚拟现实技术的汽车人机工程学教学实验仿真平台，用于进行虚拟现实教学实验和科学研究，因为在产教融合、校企合作的背景下，多元协同育人的平台的构建时非常的重要[2]。该平台具有以下特点。
　　1.实时驱动数字人体，通过动作捕捉设备和数据手套，可以捕捉人身体的运动信息和手部操作信息，这些数据就可以实时发送到软件当中，并且与数字人体匹配，建立运动映射关系，这样就可以实时地驱动数字人体，将人体的运动信息和手部的操作信息完全复制到数字人体上。
　　2.半实物人机工程仿真解决方案在传统的CAD设计基础之上，引入了“物理台架+虚拟现实”这样的系统设计，能够帮助用户实现“造型评审”+“人机工程分析”+“数字样机评审”的协同并行。“物理台架+虚拟仿真”系统，增加触觉反馈极大提升了交互体验。“物理台架+虚拟仿真”借助追踪系统，标定现实环境中与用户频繁交互的设备，从而实现对虚拟仿真设备的精准匹配。 　　3.人机工程虚拟现实课程教学实验，就是将人机工程学的相关理论，以可视化、可操作化的形式变成一种虚拟现实教与学的课堂实践。
　　四、建设内容与实施路徑
　　我校拟开发一套专注于人机工程应用汽车人机工程的仿真分析软件，主要针对人机工程仿真分析应用需求，是集数字人体建模、作业任务仿真、人机工程分析及虚拟现实于一体的软件解决方案。
　　1.使用最新版国标人体测量数据，带来更准确、更权威的中国标准数字人体。
　　2.可以导入不同CAD格式的数据，导入过程无须进行任何格式转换，并且自动进行轻量化操作，保留必须的结构尺寸信息，实现CAD模型轻量化快速导入。
　　3.支持VRPN（通用虚拟现实通信协议），包括市场上主流的虚拟现实外设，如全身动作捕捉系统、数据手套、数据头盔等。
　　4.利用虚拟现实的技术手段及配套软硬件，完成教学组织与学生沉浸式学习，实时驱动虚拟人在虚拟仿真环境下进行基础人体工程仿真和分析验证。
　　五、结论
　　（1）学生沉浸于虚拟的环境里，并具有在真实环境里的相同体验，提高学生兴趣的同时，也让学生充分发挥了自己的实践能力，为社会经济快速发展提供新型人才。
　　（2）通过引入物理台架这样的平台，结合虚拟现实技术，给学生带来更逼真效果。
　　（3）让虚拟现实在工业制造领域得到更好的应用和发展。
　　参考文献：
　　[1]胡海青.产学合作培养人才政策与实践的国际经验与启示[J].高等工程教育研究，2014，（01），45-51.
　　[2]赵慧勤，陈晓慧.产教融合理念下应用型本科院校多元协同育人模式研究-以山西大同大学数字媒体技术专业为例[J].教育理论与实践，2018，38（36）：6-8.
　　Research and Practice on the Application of Virtual Reality Technology Learning Mode of Automobile Ergonomics Based on Physical Bench
　　ZHI Zhi，GUO Shi-yong
　　（School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，
　　Qingdao，Shandong 266520，China）
　　Abstract：Under the background of sustainable development of industry 4.0 and new engineering in colleges and universities，the traditional teaching mode in colleges and universities can hardly keep pace with the development of new industries and new economy.In order to strengthen the students' theoretical knowledge and engineering practice ability，based on the traditional teaching and learning of automobile ergonomics，a new design application subject is proposed by combining engineering application scenarios.By establishing a system platform，our school integrates the automobile ergonomics teaching content into the virtual reality learning environment，so that students can truly feel the whole vehicle design process.The purpose is to improve students' ability to combine theoretical knowledge with engineering practice，update and supplement the existing teaching and learning mode，and reform and improve the mode of teaching and learning engineering application environment.Cultivating scientific and technological talents in new fields in line with the modern background.
　　Key words：industry-university;cooperation;Collaborative education;Physical bench;Automobile ergonomics;Virtual reality technology
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