一種機械裝備虛擬實訓系統及方法與流程

本發明涉及一種機械裝備教學培訓的技術領域，尤其涉及一種虛擬的機械裝備培訓系統及方法。

背景技術：

現有的機械裝備實訓通過讓學員在特定的教室里進行實訓，但是這樣的培訓方式較為單一，教室內的設備更新換代較慢，難以適應社會的發展，且實訓基地建設成本較高，以職業院校為例，其平均建設成本在5000萬元，運營成本也高達150萬元/年。同時，實訓環節存在一定的安全隱患，即便指導教師對設備做了安全防護，并做出正確操作引導，在實際訓練過程中，仍然難以避免事故的發生，一旦出現險情，后果非常嚴重。

技術實現要素：

本發明的技術方案是這樣實現的：本發明提供一種機械裝備虛擬實訓系統及方法，以解決傳統實訓教學困境、投入成本高，待培訓人員的實訓積極性不高的缺點。

為實現上述目的，本發明提供一種機械裝備虛擬實訓系統，以對待培訓人員進行機械裝備的維修、操作及組裝進行培訓，所述實訓系統包括

虛擬編輯模塊，用以建立虛擬場景內容；

I/O輸入模塊，包括VR顯示裝置、數據手套、聲音采集裝置以及動作捕捉裝置，待培訓人員通過所述VR顯示裝置能夠觀看到所述虛擬編輯模塊建立的內容，并能通過所述VR顯示裝置反饋待培訓人員的頭部的運動；所述數據手套能夠反饋待培訓人員對虛擬機械設備的作用力；所述聲音采集裝置能夠反饋待培訓人員的提問及口頭做答；所述動作捕捉裝置能夠捕捉到待培訓人員的動作數據；

識別處理模塊，用以采集待培訓人員通過所述I/O輸入模塊反饋的數據信息，經分析處理后得出成績結論；

操作管理模塊，建立針對待培訓人員的操作數據庫，該數據庫內容包括所述虛擬編輯模塊建立的場景內容、待培訓人員的反饋數據以及所述識別處理模塊分析得出的成績結論。

作為本發明的進一步改進，所述識別處理模塊包括互動模塊，所述機械裝備虛擬實訓系統還包括與所述互動模塊遠程互動的遠程處理器模塊，導師通過所述遠程處理器模塊與所述互動模塊指導待培訓人員。

作為本發明的進一步改進，所述機械裝備虛擬實訓系統還包括外顯設備，導師可通過所述外顯設備實時觀看待培訓人員的操作。

作為本發明的進一步改進，所述I/O輸入模塊包括VR顯示裝置、數據手套、身體姿態識別器以及控制器，所述VR顯示裝置、數據手套以及身體姿態識別器內設有陀螺儀。

作為本發明的進一步改進，所述數據手套上間隔設置有若干壓力傳感器，若干壓力傳感器包括設置在每個手指部的第一傳感器組以及設置在手掌部的第二傳感器組，所述第一傳感器組與第二傳感器組并聯連接。

作為本發明的進一步改進，所述虛擬編輯模塊編輯的虛擬內容包括三維模型、訓練環境、機械設備以及聲音圖像。

作為本發明的進一步改進，所述虛擬編輯模塊、識別處理模塊、操作管理模塊集成在一系統主機內，所述系統主機上設有API、SDK接口與外界通信。

本發明還提供一種機械裝備虛擬實訓方法，用以拆裝、操作所述機械設備，所述實訓方法包括以下步驟：

預先建立虛擬內容，包括三維模型、訓練環境、機械設備以及聲音圖像；

提供一I/O輸入模塊，待培訓人員通過所述I/O輸入模塊與上述虛擬內容交互，該交互內容包括裝前知識學習、裝配視頻學習、預裝檢測以及自由裝配，并反饋待培訓人員的操作數據；

對待培訓人員進行實時指導，包括通過視頻、語音的方式，以糾正待培訓人員的錯誤動作；

對待培訓人員反饋的操作數據進行分析處理，得出成績結論。

作為本發明的進一步改進，所述的所述I/O輸入模塊包括VR顯示裝置、數據手套、身體姿態識別器以及控制器，所述VR顯示裝置、數據手套以及身體姿態識別器內設有陀螺儀。

作為本發明的進一步改進，所述數據手套上間隔設置有若干壓力傳感器，若干壓力傳感器包括設置在每個手指部的第一傳感器組以及設置在手掌部的第二傳感器組，所述第一傳感器組與第二傳感器組并聯連接。

采用了上述技術方案，本發明的有益效果為：本發明機械裝備虛擬實訓系統利用VR虛擬技術，構建機械設備實訓場景，以對待培訓人員進行實踐操作，節省實訓成本，針對操作的機械設備場景可以更新換代，能夠讓待培訓人員快速掌握新設備的維修、操作和組裝，以使經實訓過的待培訓人員與社會無縫對接。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明機械裝備虛擬實訓系統模塊構成圖。

圖2為本發明機械裝備虛擬實訓系統結構組成圖。

圖3為本發明機械裝備虛擬實訓系統培訓構成圖。

圖4為本發明機械裝備虛擬實訓系統構建的虛擬場景構成圖。

圖5為本發明機械裝備虛擬實訓系統構建的第一虛擬場景圖。

圖6為本發明機械裝備虛擬實訓系統構建的第二虛擬場景圖。

圖7為本發明機械裝備虛擬實訓系統構建的第三虛擬場景圖。

圖8為本發明機械裝備虛擬實訓系統構建的第四虛擬場景圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提供一種機械裝備虛擬實訓系統100，包括虛擬編輯模塊10、I/O輸入模20、識別處理模塊30、操作管理模塊40以及遠程處理器模塊50，所述虛擬編輯模塊10、識別處理模塊30、操作管理模塊40集成在一系統主機60內，并與所述遠程處理器模塊50進行遠程無線通信。所述機械裝備虛擬實訓系統100對待培訓人員進行機械裝備的維修、操作及組裝進行培訓，無需建立昂貴的培訓基地，且培訓方式靈活多變，內容豐富。

所述虛擬編輯模塊10用以建立虛擬場景內容，如三維模型、訓練環境、機械設備以及聲音圖像，所述系統主機60上設有API、SDK接口與外界通信，該場景內容可通過上述接口進行更換或升級，使得待培訓人員能夠接受到最新內容的培訓，以適應公司的需求。

所述I/O輸入模20包括VR顯示裝置21、數據手套22、聲音采集裝置23、動作捕捉裝置24以及控制器，所述VR顯示裝置21和數據手套22上設有陀螺儀，以分別檢測待培訓人員的頭部和手部的移動和轉動。所述數據手套22上間隔設置有若干壓力傳感器221，若干壓力傳感器221包括串聯設置在每個手指部的第一傳感器組222以及串聯設置在手掌部的第二傳感器組223，所述第一傳感器組222與第二傳感器組223并聯連接。任兩個相鄰的壓力傳感器221之間的距離為3-6cm。所述手掌部21的內側這中部設置有呈圓形的若干壓力傳感器222，以準確反饋操作人員的作用力數據。所述聲音采集裝置23能夠反饋待培訓人員的實時提出的問題，以及針對導師的提問進行口頭作答。所述動作捕捉裝置24為捕捉操作人員動作的至少四個高清攝像頭，四個所述攝像頭圓周等角度對準操作人員，以判別操作人員的上半身和下半身的動作，如上半身相對傾斜角度和下半身彎曲角度。

所述識別處理模塊30包括互動模塊31和控制模塊32，導師通過所述遠程處理器模塊50與所述互動模塊31指導待培訓人員。該系統可外接顯示器、液晶電視、投影等顯示裝置，供導師實時觀察學生，導師可通過無線耳機、藍牙耳機等通訊設備，指導學員開展技能訓練。所述控制模塊32與所述I/O輸入模塊20的控制部進行通信，并根據所述I/O輸入模塊20反饋的數據信息，經分析處理后得出成績結論。

所述操作管理模塊40控制整個系統的運行，建立針對待培訓人員的操作數據庫，該數據庫內容包括所述虛擬編輯模塊10建立的場景內容、待培訓人員的反饋數據以及所述識別處理模塊30分析得出的成績結論，待培訓人員和導師可調取出數據庫的內容進行查閱。

本發明還提供一種機械裝備虛擬實訓方法，包括以下步驟：

所述虛擬編輯模塊10預先建立虛擬內容，包括三維模型、訓練環境、機械設備以及聲音圖像；

待培訓人員通過所述I/O輸入模塊20與上述虛擬內容交互，該交互內容包括裝前知識學習、裝配視頻學習、預裝檢測以及自由裝配，并反饋待培訓人員的操作數據；

對待培訓人員進行實時指導，包括通過視頻、語音的方式，以糾正待培訓人員的錯誤動作；

對待培訓人員反饋的操作數據進行分析處理，得出成績結論。

作為本發明的第一實施例：為對待培訓人員進行裝前知識要求學習。所述虛擬編輯模塊10預先建立虛擬場景內容，包括控制臺、3個選擇器、區域啟動開關、答題板、提示燈，待培訓人員佩戴好所述I/O輸入模塊20，即可觀察到上述虛擬場景內容，當待操作人員按下選擇器時，所述提示燈啟動，當答題正確邏輯：綠燈亮；提示文字“答題正確”；3秒后讀取下一題。答題錯誤邏輯：紅燈亮；提示文字“答題錯誤”；題目顯示正確選項；5秒后讀取下一題。所述題目涉及清洗零件；檢查零件定位面情況；倒角、去毛刺；檢查螺紋孔情況；放置清潔后的零件；軸承清潔，以使待培訓人員熟悉零件裝配前的清潔方法、操作流程及修整工具使用順序。

作為本發明的第二實施例：為對待培訓人員進行裝配視頻教學。所述虛擬編輯模塊10預先建立虛擬場景內容，包括放置有主軸裝配圖及主軸剖面模型的控制臺、設置有視頻控制開關的普通實驗臺以及顯示屏，視頻控制開關包括啟動、暫停、回放，顯示屏仿照投影屏或液晶屏，用于視頻播放，點擊“播放”后，裝配視頻循環播放；點擊“暫停”后，視頻暫停；點擊“回放”后，視頻回溯30秒。

作為本發明的第三實施例：為對待培訓人員進行零件預裝與檢測進行教學。所述虛擬編輯模塊10預先建立虛擬場景內容，包括裝配平板、顯示板、數顯千分表、V型塊、選擇器、注射器、主軸前壓軸承法蘭及選擇按鍵。激活“等高檢測系統”，提示音“請進行零件預裝及檢測”，“請對前軸承內套、外套進行等高精度測量，并選擇正確零件”；待檢測零件白色閃爍，待學員操作。

等高檢測系統：前軸承內套(721)、外套(720)等高允差≤0.002(工具：數顯千分表)。721和720分別設置兩組，記為721A、721B和720A、720B。各零件均配有V型塊和千分表，系統引導學員通過VR控制器可進行：零件旋轉→千分表顯示結果。要求學員通過控制器主鍵，可使內、外套轉動，待轉動一圈后(仿照實操操作)，千分表顯示結果，721A結果為0.001，721B結果為0.003，720A結果為0.003，720B結果為0.002。

學員做完四個零件檢測后，提示音“請選擇尺寸正確的零件”，學員選擇每組的A/B按鈕，配有提示音及按鈕燈亮。

兩組A/B選擇完畢后，注射器A、注射器B激活，提示音“請選擇正確注射器為前、后軸承加潤滑液”，桌面設置兩組軸承，分別標有前軸承、后軸承。

不論注射器A或注射器B移動到哪一個軸承范圍內，均會將所有液體注入，僅體現注射器內部液體消失即可。

兩個注射器液體均注入后，提示音“請測量并選擇正確匹配的主軸前壓軸承法蘭”。套筒702、主軸前軸承(3個)、外隔套720激活。套筒702前端朝上，豎立固定。

學員分別抓取前軸承(3個)、外隔套720放入套筒702中。每一個放入后均不可取出。

全部放入后，激活“數顯深度卡尺”，提示音“請測量裝配后前軸承外端面至套筒孔端面的距離尺寸公差”。

學員抓取“卡尺”，需測量頭垂直向下并放入套筒內時，卡尺顯示結果(該結果設置三組數值，0.01，0.02，0.03隨機顯示)。系統引導學員進行兩次測量，每次測量結果均顯示在白板上，且顯示總的平均值。檢測所有情況如下：

兩次測量完畢后，提示“請將卡尺放回原處”，卡尺座激活，將卡尺移動到附近后，自動固定。

卡尺放回后，提示音“選擇正確的主軸前壓軸承法蘭”，學員在6-8個標有不同尺寸的法蘭中，選擇一個，點擊選擇按鈕，配有提示音和按鈕燈。

選擇法蘭按鈕后，提示音“請進入主軸裝配區裝配主軸”。

該培訓讓待培訓人員熟悉各種檢具使用方法，掌握如何在裝配前檢測及選取正確零件。

作為本發明的第四實施例：為對待培訓人員進行主軸自由裝配的培訓，所述虛擬編輯模塊10預先建立虛擬場景內容，包括區域啟動開關，設置啟動和暫停；主軸固定座；白板，用以現實提示音內容；裝配平板；軸承感應加熱器；耐高溫手套；扭力扳手；磁力座數顯千分表；扭力槍；螺紋防松膠；V型塊，按操作流程進行自由裝配，僅可操作激活態零件。各個零件裝在正確位置后即可鎖死，零件裝在錯誤位置或未按正確順序裝配則不可鎖死。

學員可以看到主軸前端朝下，固定在特殊基座上，進入主軸裝配環節。所有裝配流程，只有第一個裝配零件裝配到位，狀態鎖死后，第二個零件才可裝配到位并鎖死。包括如下步驟：

安裝墊片723，可自由裝入，只有端面正確才裝入到位后狀態鎖死。

加熱軸承：學員拾取軸承，一起放置到加熱器上，儀器加熱開關激活。點擊加熱開關，加熱器待5秒給予提示，已加熱至60℃加熱完畢。只有加熱過的軸承才可安裝到主軸上，否則提示“需加熱軸承”。加熱完畢后，提示音“請佩戴手套將軸承裝配到主軸”，耐高溫手套激活，學員佩戴手套拾取加熱后的軸承。也可跳過該步驟，直接將軸承裝入主軸。

軸承可自由裝入，取出，僅當正確端面正確裝入到位時，狀態鎖死，先裝入2個軸承，寬端面超主軸前端裝入，提示音“請依次裝入內套721和外套720”，需先裝入內套721，鎖死后才可裝入720鎖死。否則720裝入后，無法鎖死。提示音“請依次裝入軸承和隔套722”，軸承寬端面需朝向主軸后端裝入，鎖死后，方可裝入隔套722。提示音“請將手套放回原處”，將手套移至原處，手套自動脫下，學員也可配戴手套一直操作。隔套裝入鎖死后，提示音“請裝入鎖緊螺母YSF M70×2”。將鎖緊螺母裝入后，螺母接觸主軸螺紋便無法繼續裝入，提示音“請使用正確的力矩扳手將螺母鎖緊”。

有3個力矩扳手，力矩分別顯示為106Nm，166Nm，206Nm。學員撿取任一力矩扳手，放置到鎖緊螺母端面附近，即可轉動扳手。轉動一次后，提示音“請繼續緊固”，再重復2次動作后，提示音“螺母已緊固”，螺母自動旋入螺紋底部，鎖死。

螺母鎖死狀態后，提示音“請檢測外隔套與主軸同心度”。“請將磁力座數顯千分表放置主軸上”，學員拾取磁力座數顯千分表，主軸上顯示綠色放置區域，將千分表移至附近后自動固定。提示音“請轉動外隔套”，外隔套閃爍，學員點擊后，千分表顯示結果“0.003”，提示音“滿足同心度公差要求”。

提示音“請將千分表放回原處”，學員拾取千分表，移至原處后固定鎖死。

提示音“請將后軸承加熱后裝入主軸”。加熱軸承如前述：學員拾取軸承(2個)，一起放置到加熱器上，儀器加熱開關激活。點擊加熱開關，加熱器待5秒給予提示，已加熱至60℃加熱完畢。只有加熱過的軸承才可安裝到主軸上，否則提示“需加熱軸承”。

學員將軸承7012CTYNDBLP4(NSK)“面對面”依次裝入主軸，鎖死，提示音“裝入隔套724”。

學員將隔套正確端面裝入鎖死后，提示音“請裝入主軸套筒702”，將正確端面裝入后鎖死，提示音“請裝入主軸后法蘭盤711”，學員將后法蘭正確端面放置套筒702后端面后，711鎖死。提示音“請將螺栓涂防松膠后，緊固后法蘭”，學員將6顆M6×25螺栓分別涂防松膠后，裝入后法蘭711。所有螺栓放入到后法蘭孔后，提示音“請用扭力槍緊固螺栓”。

拾取扭力槍，對每個M6×25螺栓進行緊固(每個動作持續1秒即可)后，提示音“后法蘭已鎖緊，請將扭力槍放回原處”，將槍放回原處附近后，自動放入。

僅后法蘭711四個M6×20螺栓裝入后，再將槍放回原位時有提示音：“請將主軸放置在V型塊上，并安裝前法蘭”。此時，主軸可抓取，并放置到指定的V型塊上，鎖死。提示音“請裝入前法蘭710”。提示音“請將M6×20螺栓涂防松膠后，緊固后法蘭”，學員將4顆M6×20螺栓分別涂防松膠后，裝入前法蘭710。所有螺栓放入到前法蘭孔后，提示音“請用扭力槍緊固螺栓”。用扭力槍將4個螺栓緊固。

提示音“請裝入鎖緊螺母YSF M60×2”。將鎖緊螺母裝入后，螺母接觸主軸螺紋便無法繼續裝入，提示音“請使用正確的力矩扳手將螺母鎖緊”。此操作重復步驟(10)。

提示音“裝入皮帶輪705”，將皮帶輪正確端面裝入后鎖死，提示音“裝入脹套713”，將脹套正確端面裝到位，鎖死。提示音“請將M8×25螺栓裝入并緊固”。學員將6顆M8×25螺栓分別裝入脹套713。所有螺栓放入后，提示音“請用扭力槍緊固螺栓”。用扭力槍將6個M8×25螺栓緊固。

提示音“請裝入反口盤712”，將712正確端面裝入后鎖死，提示音“請將M6×30螺栓裝入反口盤并緊固”。學員將4顆M6×30螺栓分別裝入反口盤712。所有螺栓放入后，提示音“請用扭力槍緊固螺栓”。用扭力槍將4個M6×30螺栓緊固。提示音“已完成主軸裝配訓練”。

本教程可使學員熟悉主軸機械結構，掌握主軸裝配流程。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。