用于輔助體育創新教學“VR+便攜式機械臂”系統設計

楊雙赫 王瓊惠 徐笑然 李欣謠 朱 娜

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

0前言

如今，虛擬現實被認為是多媒體最高級別的應用，能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，其技術已經成為促進教育發展的一種新型教育手段。然而在現代體育教育中虛擬現實技術不能夠實現真正的教學使用，體育訓練需要真實的力量感與觸感，本團隊設計研發的“VR+便攜式機械臂”可以精確地定位到三維空間上的某一點進行作業，解決了體育教學中虛擬現實技術推廣的難題。

1系統開發設計

“VR+便攜式機械臂”作為一種新型的教學技術，在硬件設備方面，主要運用到VR頭盔，便攜式機械臂，kinet體感攝像頭等輔助設備，使其能對教學場景進行模擬，提高課堂效率，達到更好的教學效果。

1.1硬件部分設計

由三星公司生產的Gear VR結合現在已經成熟的傳輸應用Home Theater，以及一個支持MIMO和802.11ac的高性能無線路由器，就可作為一個無線頭戴VR顯示器使用。通過它可以對學生運動時頭、手等進行實時監控，并將數據實時反饋給仿真控制系統中。在本次系統設計中，便攜式機械臂采用輕便材料，具備肩-肘-腕3個關節組合，由左右對稱的機械臂與連接構件組成，共計8個自由度，具有可控自由度多、人機信息傳輸量大、實時性要求高的特點。微軟公司生產的kinet體感攝像頭通過結構光對學生運動進行捕捉跟蹤，實現人機互動。

1.2軟件部分設計

在Poser 5.0軟件中，以H-Anim作為標準構建學生人體幾何模型，采用齊次變換矩陣構建學生運動數學模型；運用Kinect動作捕捉原理采集運動數據，獲取實時運動數據。通過結構光發射器和結構光接收器獲取該場景中的深度圖像。從深度圖像中分離出人體輪廓，對其進行處理，把人體的各個部分相匹配，確定各個關節點在人體中的位置并存儲為BVH格式，應用SIFT 算法與MongoDB數據庫中的標準動作進行比對，從而達到對學生動作進行規范的目的，提高課堂效率。為了將學生的動作分析過程進行更加量化的對比，本文提出采用特征向量進行相似性匹配的原理。這種計算方法將空間三維動作的離散點進行歐拉計算簡化，得到幾個基本平面運動問題，以平面運動特點來分析動作的差異性。對于差異度的計算，以每個特征平面上的法向量和向量夾角來判斷，前者決定動作的整體精確程度和規范性，后者決定局部規范程度。通過計算空間坐標的差異度，傳送空間坐標移動指令到便攜式機械臂系統，從而帶動用戶手臂進行調整運動。

1.3仿真部分設計開發

應用Matlab/Simulink進行VR仿真，根據人體各體段質量、質心位置對身高和體重的二元回歸方程建立數學模型，求解方程模型，運用Matlab的解析功能計算出值解，利用仿真技術Simulink庫中的圖形建模方式模擬人體的運動軌跡，建立健美操動作系統的動態模型，通過MATLAB中的 Robotics Toolbox對機械臂進行建模仿真，采用標準D-H建模方法。建模的詳細過程如下，首先使用標準D-H表中的參數輸入到Link函數中，通過Link函數構建機械臂的連桿并將關節角度設置為可調整的模式，然后使用SerialLink函數將所有的連桿連接起來構建出初步機械臂模型。最后開啟示教模式，定義出機器人的名稱，構建初始的角度狀態。使用plot3函數將軌跡經過的點按50Hz采樣率輸出到坐標空間，顯示出機械臂末端所經過的路徑。到此，可以使用不同數值的0i數值控制機械臂的關節轉動角度，進而來控制機械臂的運動動作，相關的技術已經比較成熟。

2結論與感悟

綜上所述，基于“VR+便攜式機械臂”技術設計開發體育教學仿真系統，使訓練者在虛擬的VR場景中訓練學習，并且還能夠在硬件裝備的協助下，使訓練者在真實的力量感與觸感下與計算機的虛擬環境進行互動，能夠大大提高體育課堂訓練效率，發揮積極設計應用效益，可以在實踐中推廣應用該系統設計方案。

具體操作步驟為：①在VR模式中設計舞蹈動作、建立角色(學生)模型、生成舞蹈動畫教程。②通過Kinect設備識別學生動作并傳輸至深度學習系統得到動作誤差。③基于視覺學習的機械臂得到誤差指令，計算移動角度、距離并作出調整。④通過Kinect設備識別學生調整動作并傳輸至VR系統完成動作規范。

通過這次做項目，項目組4個人都學會了很多知識。相信這次實驗會對我們今后的學習、工作和生活產生很重要的影響，真誠地感謝學校給我們提供了這

圖1流程圖

樣一個鍛煉我們的機會，感謝老師的指導和鼓勵，感恩小組成員之間的支持和幫助，感謝同學們提出的寶貴意見。希望以后還能繼續參加類似的科技創新活動，把大學生活過得更加充實。