基于增強現實技術的機械原理實驗教學系統設計

王 雨，王 英，王 恒，陳嘉瑤，黃海波

基于增強現實技術的機械原理實驗教學系統設計

王 雨，王 英，王 恒，陳嘉瑤，黃海波

（寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211）

基于增強現實（AR）技術開發了一款機械原理實驗教學輔助系統。該系統包括實驗基礎理論講解模塊、模型虛擬實驗模塊和機構運動仿真實驗模塊，并被打包為手機應用的形式。學生可以使用Android手機學習機械原理實驗教學內容。測試結果表明：該系統提高了虛擬實驗教學的趣味性與交互性體驗，提高了學生的實踐能力。

機械原理；實驗教學系統；增強現實技術

“機械原理”是機械類專業的一門重要的專業基礎課程，而實驗教學是該課程重要的實踐環節。通過實驗教學，學生能夠近距離觀察機構的運動過程，操控機構的運動，鞏固所學的理論知識，加強實踐認識。為改善實驗教學環境條件、豐富實驗教學資源，本文采用增強現實（AR）技術開發了機械原理實驗教學系統[1-4]。該系統將計算機生成的虛擬信息（如圖形、文字注釋等）疊加到真實的環境中，構建高沉浸感、虛實融合、可交互操作的用戶體驗[5-8]。

目前，AR技術已廣泛應用于機械類教學中，例如機械拆裝、機床操作、機械設計等[9-11]。本文基于AR技術開發的機械原理實驗教學輔助系統，能夠使學生在真實的世界中與計算機虛擬出的機構模型交互，不受時間、地點限制地進行機構運動的仿真實驗。

1 AR實驗教學輔助系統開發平臺和架構

1.1 AR實驗教學輔助系統開發平臺

在大學生群體中，智能手機的使用率很高[12]，因此設計了基于AR技術和以手機為載體的輔助教學系統。該系統提供了一種新穎的教學方式，使每位學生都可以隨時進行實際操作，鞏固所學的理論知識、鍛煉操作能力。

本系統的開發平臺是Unity3D。Unity3D是一款用于創建2D與3D游戲、虛擬現實與AR交互式系統的開發平臺，用Unity3D開發的應用具有兼容性好、跨平臺方便了等優點[13]。Vuforia是一個能夠為真實世界場景帶來互動體驗的AR開發引擎，能夠使用視覺技術實時識別和跟蹤平面圖像或者簡單三維物體，通過移動端的虛擬顯示與真實的場景很好地融合在一起[14]。Vuforia與Unity3D具有良好的兼容性，Vuforia以獨立package的形式無縫接入Unity3D開發環境，可以讓開發者在Unity3D環境中十分便捷地進行AR應用的開發。

1.2 AR實驗教學輔助系統架構

AR實驗教學輔助系統由3個模塊組成：

（1）實驗基礎理論講解模塊：該模塊用來輔助學生學習機構的基本組成和機構的傳動原理，鞏固和加深學生所學的理論知識；

（2）模型虛擬實驗模塊：通過對標記物的位置識別，構建虛擬的機構模型，使學生能夠直觀地理解機構的組成；

（3）機構運動仿真實驗模塊：用來模擬真實機構運動狀態，學生通過實踐操作，更容易理解機構的傳動原理。

本文以曲柄滑塊機構為例，闡述各模塊的設計細節。曲柄滑塊機構是一種常見的機械傳動機構，由曲柄、連桿和與機架構成移動副的滑塊組成，如圖1所示。該機構常用于將旋轉運動轉化為執行構件的往復運動。

圖1 曲柄滑塊機構簡圖

2 模塊設計

2.1 實驗基礎理論講解模塊

在AR環境下，實驗基礎理論講解模塊可以將理論知識展示得更加形象生動。使用者將手機打開，用手機攝像頭捕捉如圖2(a)所示的標記物圖片，曲柄滑塊機構的組成和相關的理論知識就會疊加在其上方，如圖2(b)和圖2(c)所示，同時該曲柄滑塊機構的仿真動畫可以隨著理論知識的出現而展開。

圖2 實驗基礎理論學習

2.2 模型虛擬實驗模塊

機械原理實驗教學系統借助AR技術，通過交互的方法進行機構三維虛擬建模，不僅可以保證所有學生同時實驗操作，而且可以讓學生自己建立機構的虛擬模型，從而加深對機構的理解。具體操作過程如圖3所示。

圖3(a)是可在AR環境中被識別的標記物，3張圖片分別代表曲柄滑塊機構的鉸鏈點、和，當使用者將這3個標記物置于手機攝像頭拍攝區域時（見圖3(b)），一個虛擬的曲柄滑塊機構模型將會出現（見圖3(c)），通過調整標記點、、之間的距離，可生成不同尺寸的曲柄滑塊機構模型。

圖3 AR環境下曲柄滑塊機構虛擬建模

2.3 機構運動仿真實驗模塊

機構的運動仿真實驗是建立在人機交互的基礎上，在AR環境下的仿真實驗。當使用者驅動機構的某一構件時，組成機構的其他構件也跟隨運動。

2.3.1 機構傳動原理實驗

圖4 曲柄滑塊機構運動分析簡圖

將矢量方程轉化為解析形式：

由式（2）可得：

2.3.2 運動仿真實驗

本系統提供2種方式的運動仿真。

（1）保持標記物的位置不變，通過屏幕界面上的控制按鈕Modeling和GoPosition實現運動仿真（見圖5(a)）所示。當點擊Modeling按鈕時候，曲柄滑塊機構模型將會呈現出來，如圖5(b)所示。當需要研究曲柄滑塊運動特性時，在輸入框輸入Fai1的度數，即曲柄與水平面的夾角，然后單擊GoPosition，機構運動方程將自動求解，曲柄將旋轉到指定位置，連桿和滑塊也將運動到正確的位置，如圖5(c)所示。

圖5 曲柄滑塊機構運動仿真實驗一

（2）通過連續改變某一標記物位置以驅動構件，從而實現機構的連續運動仿真。如圖6所示，當沿水平面連續移動標記點時，機構運動方程將自動求解，曲柄繞點旋轉，連桿也跟隨運動，同時整個機構保持原尺寸。

圖6 曲柄滑塊機構運動仿真實驗二

3 系統評估

3.1 課堂反饋

（1）機械原理實驗教學系統提高了實驗的方便性和互動體驗。在以往的實驗教學中采用傳動機構實物模型，實驗課上不能滿足每個學生都能夠操作，教學效果不佳。該系統基于AR技術的新穎教學方式，不僅讓每個學生都可以操作，而且多樣的互動性可以使學生更好地理解機構的原理。

（2）提高了學生的實踐能力。該系統在幫助學生鞏固理論知識的基礎上，通過交互的方式輔助學生自己建立機構的虛擬模型并進行機構運動仿真，不僅對機構的理解更透徹，而且提高了實踐能力。

（3）教育資源更加豐富。可以加入同一類別機構的其他形式，多種形式進行知識的傳遞，拓展教學內容的信息量。

3.2 課外反饋

以往學生在上完實驗課后，很難再接觸曲柄滑塊機構；而通過使用該系統，使課后學習也取得了很好的效果。例如學習方便，空間、時間不受限制，可以將標記物貼在床頭、書桌等地方，在課余時間打開手機“掃一掃”，即可進行學習，非常便捷。

4 結語

基于AR技術開發的機械原理實驗教學輔助系統利用手機的便捷、AR的交互性體驗和標記物位置的無約束性，打破了傳統實驗教學的限制，為學生提供了一個隨時隨地進行交互學習的環境。該系統提升了實驗教學便捷性，增強了教學環節的互動體驗，提高了學生的實踐能力，豐富了教育資源，為學生課后自學提供了有效工具。將AR技術應用于機械原理實驗教學，是提高機械原理實驗教學的有效方法。

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Design of mechanical theory experimental teaching system based on augmented reality technology

WANG Yu, WANG Ying, WANG Heng, CHEN Jiayao, HUANG Haibo

(Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Based on the augmented reality (AR) technology, an experimental teaching assistant system of mechanical principle is developed. The system consists of experimental basic theory explanation module, modelling virtual experiment module and mechanism motion simulation experiment module and is packaged as a form of mobile phone application. Students can use Android mobile phones to learn the experimental teaching content of mechanical principles. The test results show that the system improves the interesting and interactive experience of virtual experiment teaching and students’ practical ability.

mechanical theory; experimental teaching; augmented reality technology

TP312；TH111

A

1002-4956(2019)11-0109-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.027

2019-04-09

國家自然科學基金項目（51505239）；浙江省自然科學基金項目（LY19E050001）；浙江省2016年高等教育課程教學改革項目（KG20160107）；寧波市優勢專業建設項目

王雨（1995—），男，安徽滁州，碩士研究生，主要研究方向為增強現實人機交互技術。E-mail: 410702350@qq.com

王英（1989—），女，河南鄧州，博士，副教授，主要研究方向為增強現實人機交互技術、現代設計方法。E-mail: wangying5@nbu.edu.cn