原创《基于VR技术的分析仪器虚拟维修拆装教学训练系统设计》
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摘 要：在分析比较了目前流行虚拟维修拆装教学训练系统的基础上,结合分析仪器虚拟维修拆装的具体要求,设计了一套包含结构原理、设备拆装、故障排除和维护保养等多项功能的分析仪器维修拆装教学训练系统.该系统可有效满足教学需求,节省教学资源,提高教学效率,对于虚拟训练系统开发具有重要的参考价值.
关键词：VR 技术；分析仪器；虚拟维修拆装
近年来,随着检测标准的不断更新以及与国际接轨,质谱、荧光等前沿检测技术的不断发展和广泛应用,分析检测仪器设备进一步智能化和自动化[1],对人才培养模式创新、信息化教学应用提出了更高的要求.鉴于大型仪器分析设备的多样性和复杂性,以及这些设备的高尖端、高价值、高消耗、高成本“四高”特征.设备拆装维修实验项目虽然具有较好的实践意义,但常常会存在以下问题[2-3]：①分析仪器设备功能结构复杂,造价昂贵,因条件所限难以给学生机会进行拆装维修训练.②分析仪器设备教学中,数量、型号和实训场地经常有限,受训学生的数量和操作时间难以保证,教学效率低下.③分析仪器的维修拆装仅限于简单的设备拆装,故障检测内容甚少或者没有条件涉及.
我国在《国家中长期教育和改革规划纲要（2010—2020 年）》[4] 中明确指出要大力发展虚拟实验室,用虚拟实验教学弥补真实实验、训练中所存在的高污染、高风险、高损耗、长周期等诸多问题.因此,如何在有限的条件下开展分析仪器拆装维修教学,建立VR技术的分析仪器虚拟维修拆装教学训练系统是目前国内许多高校努力的目标.
1 虚拟教学训练系统选取
根据VR 技术对“沉浸性”程度的高低和交换程度的不同,以及参照设备与呈现方式的不同,虚拟教学训练系统可以分为桌面型、沉浸式、仿真器式及网络分布式虚拟现实[5-6].
桌面型虚拟现实（Desktop VR）也称为非浸入式虚拟现实.该系统主要使用计算机、键盘、鼠标、手写板等相关硬件设备,以显示器为虚拟环境的观察窗口,通过外部设备与系统进行充分数据输入和输出.该系统是最经济的虚拟现实系统.
沉浸式虚拟现实（Immersion VR）又可称为融入式虚拟现实.用户通过一些外部设备（如VR 眼镜、操纵手柄等）进入一个虚拟环境中,计算机将发送信息以刺激用户的感官,包括视觉、听觉与触觉等,而用户的肢体动作也将透过设备回传至计算机,以呈现适当的影像.该系统是本方案的首选.
仿真器式虚拟现实（Simulator VR）又称为载具型虚拟现实.该类型的系统能够真实地仿真实际环境,并完整地模拟特定的操作界面与设备.此类型的系统大多应用于高难度和危险环境下的作业训练.
网络分布式虚拟现实（Distributed VR）.这种类型的系统由上述几种类型组成的基于网络互联互通的虚拟环境,位于不同物理环境位置的多个用户同时参加一个或多个虚拟现实环境.
2 系统总体配置
一个完整的虚拟教学训练系统由硬件、软件2 个部分组成,具体如图1 所示.
2.1 软件配置
分析仪器虚拟维修拆装教学训练系统的软件配置包括气相色谱VR 维修拆装软件、液相色谱VR 维修拆装软件和原子吸收VR 维修拆装软件.
2.1.1 气相色谱VR 维修拆装软件
利用虚拟现实技术对气相色谱仪进行拆分、组装和故障维修.软件由结构原理、设备拆装、故障排除和维护保养等交互性菜单组成,具体包括气相色谱仪的仪器结构、进样口系统、分离系统和检测器系统的拆分和组装；色谱柱污染和色谱柱断裂等相关的故障排除；进样隔垫维护、衬管维护、密封垫圈维护等相关的设备维护.
2.1.2 液相色谱VR 维修拆装软件
利用虚拟现实技术对液相色谱仪进行拆分、组装和故障维修.软件由结构原理、设备拆装、故障排除和维护保养等交互性菜单组成,具体包含液相色谱仪仪器结构、排气阀、色谱柱和手动进样系统的拆装；系统漏液、色谱柱堵塞和排气阀过滤白头堵塞等相关的故障排除；更换流动相和更换色谱柱等相关的设备维护.
2.1.3 原子吸收VR 维修拆装软件
利用虚拟现实技术对原子吸收光谱仪进行拆分、组装和故障维修.软件由结构原理、设备拆装、故障排除和维护保养等交互性菜单组成,具体包含原子吸收主机结构、雾化器和元素灯的拆分和组装；燃烧器缝口堵塞和雾化器堵塞相关的故障排除；更换石墨管和清洗雾化器相关的设备维护.
2.2 硬件配置
硬件配置方面除了高档PC 外,还需要数据采集及多媒体场景体验设备[7].方案采用基于HTC Vive 的VR 虚拟现实游戏设备产品,主要包括Vive 头戴式设备、无线操控手柄和动作,如图2 所示.
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2.2.1 头戴式显示器
头戴式显示器可以在用户面前呈现虚拟世界的影像,是虚拟现实（VR）中最不可缺的设备.设备内建三轴陀螺仪、磁力计及加速器,可以精确追踪用户头部的运动,不但能了解用户的观看方向,而且让用户对虚拟环境的感受更真实.
2.2.2 无线手柄
HTC Vive 的手柄类似一个电视遥控器,当用户在使用时可以准确检测其相对位置和空间状态.手柄上布满了传感器,基于自身的追踪系统Lighthouse 实现动作捕捉,利用激光在固定空间进行高频扫描,然后通过头盔及双手柄上的传感器进行多点定位,来探测VR 设备佩戴用户的位置和动作变化,并将其模拟在3D 空间中.
2.2.3 动作
HTC Vive 采用Lighthouse 动作,Lighthouse能够同时追踪控制器和头戴显示器,可以在3D 场景下提供高精度画面.
3 系统主要功能模块及其关键技术
3.1 三维模型库
三维模型是整个虚拟维修拆装教学训练系统的基础,可利用特征造型技术、层次结构模型和模型简化技术实现模型数据的有效存储和管理,便于设备认知、虚拟拆装、故障模拟、实时交互等功能的实现.例如,气相色谱关键部件三维模型如图3 所示.
3.2 拆装训练数据库
拆装训练数据库是实现虚拟维修拆装训练系统的核心,有以下两方面内容：①拆装过程仿真演示.采用三维视景仿真技术实现维修过程中仪器设备各部件的检测、拆卸、装配过程演示,用户可以从不同角度看到相应部件完整的拆卸、装配过程,并可以多次重复进行.②拆装训练.调用所需模型实例,进入训练系统并完成虚拟拆卸、装配等实践.系统可提供单步提示、无提示、考核等多种训练模式,满足不同层次的用户需求.拆装过程仿真演示及拆装训练,如图4、5 所示.
3.3 故障模型库
故障模型库提供仪器装备故障数据库表以及有关部件的工作原理、故障查询、故障过程演示、故障维修解决方法等多媒体教学资料.故障过程演示,如图6 所示.
4 结语
将VR 技术引入分析仪器虚拟维修拆装教学系统的设计中,有助于辅助教学活动开展,突破了学习过程中的时间和空间的限制,改变了传统的实验室实训方式.同时,利用虚拟维修拆装代替实物维修拆装,可以解决实际拆装训练受到的仪器设备成本等条件限制的难题,对降低教学成本、提高效率具有重要意义.
分析仪器论文参考资料：
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