虚拟现实技术在电梯机械结构教学中的应用

谢飞

【摘要】本文以电梯限速器为例，介绍了基于3Dmax建模和Converse3D虚拟现实软件的电梯下摆式凸轮棘爪式限速器三维虚拟展示互动课件的制作过程。

【关键词】3Dmax；三维展示；虚拟现实；计算机仿真

引言

随着技术的发展，教育教学的手段在不断的换代更新，从传统的黑板板书，到胶片幻灯片，再到基于PPT或其他制作软件的多媒体动画课件展示，生硬的课本文字和图表描述变得越来越丰富，生动和易于理解。然而，虚拟现实技术更是将课堂带入引人入胜的虚拟世界体验。它的逼真的三维立体模型与场景，具有沉浸感的动态交互效果是幻灯或普通计算机动画不可比拟的。

电梯的限速器、安全钳等机械结构形式多样，设计巧妙。而它们的结构和动作过程用语言较难描述。仅使用结构图也较难让学生有直观的印象。因此，在这里我们以下摆式凸轮棘爪式限速器为例，尝试将虚拟现实技术应用于课堂教学，力图在没有条件使用实物的情况下，将文字或插图的描述表现的更为真实和直观和便于理解接受与记忆。

一、限速器模型与动画的建立

3Dmax是广泛用于影视动画、广告、工业设计、游戏和教学展示的三维渲染软件。此外3Dmax可以方便的导出虚拟现实软件Converse3D使用的模型文件。在3Dmax2012中，我们使用路径放样、布尔运算、多边形编辑等工具建立了限速器的模型，并赋予适当的材质，如图1所示。

建模完成后我们对它进行关键帧动画的制作，制作的方法类似于Flash。先指定关键帧，然后在关键帧中调节制动轮、弹簧和摆杆的位置，再由计算机自动生成中间帧的动作过程。

二、互动设计

3Dmax只能对模型或制作好的动画进行渲染，而不能实现实时的人机互动。所以，互动效果我们在Converse3D软件中设计制作。Converse3D虚拟现实引擎是由北京中天灏景网络科技有限公司研发的三维虚拟现实平台软件，广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、娱乐艺术与教育等行业。可实现虚拟培训、虚拟装配、虚拟生产线等功能。在Con-verse3D环境中我们可以进行虚拟漫游，或对展示对象进行虚拟操作。这里我们让学生可以自由的放大，缩小，旋转甚至拆分和组装虚拟机械的任何部分。从而达到多角度直观的观察和分析结构和动作。

我们将这个虚拟环境课件打包生成.EXE执行文件，使虚拟环境课件的使用不受运行环境的约束，可以拷贝在任何计算机上，双击运行展示文件。如图2和图3所示。

三、总结

电梯是一部机械电气紧密结合，内部机构相当复杂的机电设备。然而，我们将虚拟现实这一技术应用在电梯机械结构的教学实践当中，可以让学生理解书中文字甚至静态图片难以表达清楚的机械部件内部结构与动作过程。与传统的多媒体动画不同的是，在虚拟世界当中，同学可以通过鼠标的拖拽，按照自己的观察意愿任意操纵虚拟世界当中的机电设备以观察其反应。

此外，虚拟现实技术的使用也让我们不必购置昂贵的实验实训设备或实物模型。即使拥有实验实训设备，虚拟的训练也可减少和避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗，有效节约教育成本，更不会因操作失误而造成人身事故。相信虚拟现实技术在教学中将会发挥不可替代的作用。