基于VR的虚拟液压实验系统设计与开发

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虚拟现实(Virtual Reality)技术因具有沉浸感高、交互性强及多感知性等优点,而被广泛应用于医学、工业制造、航空航天、教育等领域。而自2020年以来,为应对新冠疫情对传统课堂的影响,全国陆续开展线上教学,但实验类课程由于受到实验场地和实验器材影响无法正常教学,因此,如何将虚拟现实技术与实验类课程教学有机结合成为仿真教学领域亟待解决的问题。液压实验教学是机械专业教学领域中的重要一环,而传统液压实验课程不仅受限于成本问题导致的实验器材种类和数量有限,还易受限于时间和空间。因此,以HTC Vive作为交互工具,以液压元件拆装实验和液压回路实验为研究对象,采用“分而治之”的思想,对液压元件装配序列规划、层次包围盒算法、三维空间管路绘制算法等关键技术展开研究,开发了虚拟液压实验系统,论文主要工作如下:(1)提出了一种基于层次化割集算法的虚拟液压元件拆装实验方案。针对液压元件装配的不可逆性和虚拟拆装对装配序列可行性的需求,利用层次化割集法求解可行装配序列,并建立装配序列评价模型,从而确定最优拆装序列,为虚拟液压元件拆装实验提供依据。(2)设计了一种应用于虚拟液压实验的AABB层次包围盒与Mesh包围盒碰撞检测算法。在虚拟液压实验场景中,阐述了AABB层次包围盒的建立与更新步骤,设计了图元间的接触测试方法,并将液压元件的接触点坐标输出,对比发现该算法可有效提高液压元件装配时碰撞检测精度。(3)提出了基于NURBS曲线的三维空间管路绘制算法和基于粒子系统的油液流动模型。针对三维空间管路实时连接问题,将NURBS曲线与网格建模方法结合,建立基于NURBS曲线的三维空间管路算法;针对液压元件工作原理展示问题,分析粒子生成流程并设定粒子属性参数和流动区域,以斜轴式轴向柱塞泵为例,利用MGS Mechniery模拟运动副间的运动规律,从而为液压元件工作原理动态演示提供新方法。(4)开发了基于VR虚拟液压实验原型系统。在对系统关键技术研究和功能设计的基础上,以HTC Vive虚拟现实手柄和头盔显示器为交互工具,从液压元件拆装实验、液压回路实验和教学测评三个模块进行设计,开发了一套基于VR的虚拟液压实验原型系统,为液压实验教学提供了一种有效的辅助手段。
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