CN105278685A - 一种基于eon的辅助教学***及教学方法 - Google Patents

Abstract

一种基于EON的辅助教学***及教学方法，通过建立机械产品的三维模型和虚拟手的三维模型，通过位置***实现虚拟手三维模型的上下、前后、左右的移动以及转动，数据手套根据虚拟手的手势变换来实现抓取、释放机械产品三维模型的动作，即通过动画演示，使学生对老师所讲述内容，通过3D演示部分，学生可以通过3D眼镜，对机械产品的组成部分、内部结构、拆卸过程、装配过程等从立体的角度，有一个全新地认识。本发明能够实现动画演示、手动拆卸、手动装配、运动仿真、3D演示的目的，弥补了目前高校在实践教学环节的不足，使学生在学习理论知识的同时可以动手操作，有助于学生深化理论知识、提高实践应用能力。

Description

一种基于EON的辅助教学***及教学方法

技术领域

本发明属于虚拟现实以及教育领域，涉及一种教学***，特别涉及一种基于EON的辅助教学***及教学方法。

背景技术

传统的教学方式是利用课本、板书来向学生传授知识，这种方式很容易导致学生尤其是工科类学生思维停留在理论层次上，不能从实际应用角度对所学知识有一个更全面的认识。

随着多媒体技术的广泛应用，目前绝大多数高校采用多媒体教学，极大地弥补了传统教学方式的不足。但是，这种教学方法对于高校工科类尤其是机械方面的学生仍然存在一定的局限性。例如：要想了解机械产品的内部结构、组成部分、工作原理等，只是靠通过幻灯片讲解或观看相关视频，是不能达到要求的，还需要实际动手对该机械产品进行拆卸、装配等操作，才能全面地认识它。然而，许多高校用于学生实践教学的机械设备有限，并且学生在实际动手操作时很容易损坏设备。因此，需要一种既有助于提高学生动手操作能力又成本低廉的辅助教学***。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于EON的辅助教学***及教学方法，该教学***能够弥补高校在学生实践教学环节的不足，有助于提高学生的动手操作能力，具有操作简单、成本低廉、效果显著的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于EON的辅助教学方法，包括以下步骤：

1)建立机械产品的三维模型，建好后将其导入EONStudio中；

2)在EONStudio中，利用其功能节点和元件完成运动仿真、动画演示、3D演示的设置；

3)建立虚拟手三维模型，并且将其导入到EONStudio中；

4)在VisualC++中，建立应用程序，使VisualC++与EONStudio建立通信；然后使数据手套与虚拟手三维模型建立通信，完成手动拆卸和手动装配的功能；

5)将投影仪和投影屏幕分别连接在计算机上，同时将位置***和数据手套连接在计算机上，并且使位置***的一端连接在数据手套的腕部，虚拟手与数据手套建立通信后，通过位置***实现虚拟手三维模型的上下、前后、左右的移动以及转动，数据手套根据虚拟手的手势变换来实现抓取、释放机械产品三维模型的动作。

所述步骤3)中建立虚拟手三维模型的具体过程是：根据对人手结构和运动的分析，利用Creator三维建模软件进行建模。

所述步骤3)建立虚拟手三维模型的具体过程是：虚拟手的形状是根据人手的真实形状确定的，虚拟手的形状包含手腕、手掌、手指和关节部分；虚拟手的5个手指包括关节和指节：大拇指有3个指节和2个关节，3个指节分别是近端指节、远端指节和掌骨节；2个关节分别是连接近端指节与远端指节的关节以及连接近端指节与掌骨节的关节；其余四个手指都有三个指节，分别为近端指节、中间指节和远端指节，以及连接近端指节与中间指节、中间指节与远端指节、近端指节与掌骨节的三个关节，利用Creator三维建模软件进行建模。

所述步骤4)中数据手套与虚拟手建立通信的过程具体如下：首先，识别数据手套以及选定一个USB接口来接入数据手套，然后使数据手套的每一个手指及其关节与虚拟手三维模型相对应的手指及关节建立通信，从而实现人的手指运动与虚拟手三维模型的手指运动的同步。

进行步骤5)前，设置碰撞检测机制，使得虚拟手接触到机械产品时，虚拟手不穿透与它接触的机械产品。

包括计算机、投影仪、投影屏幕、数据手套、3D眼镜以及位置***，投影仪分别与计算机、投影屏幕连接，数据手套、3D眼镜以及位置***都分别连接在计算机上，并且位置***与数据手套相连。

所述位置***连接在数据手套的腕部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过建立机械产品的三维模型和虚拟手的三维模型，通过位置***实现虚拟手三维模型的上下、前后、左右的移动以及转动，数据手套根据虚拟手的手势变换来实现抓取、释放机械产品三维模型的动作，即通过动画演示，使学生对老师所讲述内容，如机械产品(零件、模具、汽车模型等)的组成部分、内部结构、拆装顺序等，从整体上有一个了解，为进一步地学习打下基础；通过3D演示部分，学生可以通过3D眼镜，对机械产品的组成部分、内部结构、拆卸过程、装配过程等从立体的角度，有一个全新地认识。学生可以模拟机械产品的运动方式，掌握它的工作原理；通过手动装配和手动拆卸，使得学生可以对机械产品的装配过程有一个全面的认识；本发明能够实现动画演示、手动拆卸、手动装配、运动仿真、3D演示的目的，弥补了目前高校在实践教学环节的不足，使学生在学习理论知识的同时可以动手操作，有助于学生深化理论知识、提高实践应用能力。

2)本发明与同类虚拟现实教学***相比，所需部件较少，并且可以极大地减少编程的数量，原理易于理解，极适宜推广，可以面向大多数机械类高校、与机械相关的企业等企事业单位。

3)本发明的教学***不需要特别昂贵的设备、成本较低，具有易学易用的优势，并且沉浸性好、人机交互性强，极适合用于机械类高校学生的实践教学部分。

附图说明

图1为本发明一种基于EON的辅助教学***的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，一种基于EON的辅助教学***，包括计算机1、投影仪2、投影屏幕3、数据手套4、位置***6和3D眼镜5。投影仪2分别与计算机1、投影屏幕3连接，数据手套4、3D眼镜5以及位置***6都分别连接在计算机1上，并且位置***6与数据手套4相连，同时位置***6连接于数据手套4的腕部。所述计算机上安装有EONStudio和VisualC++这两个软件，EONStudio用于机械产品的三维模型的“运动仿真”、“动画演示”、“3D演示”、手动拆卸、手动装配这五个教学功能的设置；VisualC++一方面用于Windows应用程序的开发，另一方面用于与EONStudio进行通信，将EON文件集成起来。

一种基于上述教学***的基于EON的辅助教学方法，包括以下步骤：

1)首先，将虚拟现实软件EONStudio安装在计算机上，并且将其激活；同时，把VisualC++也安装在计算机上。

2)在CAD软件、SolidWorks或Pro/E中建立机械产品的三维模型，建好后将其导入EONStudio中；在导入过程中EONStudio利用其自带的格式转换插件(这个插件是EONStudio自带的用于格式转换的一个插件)将CAD文件的格式转换为所需的面片格式，不需要再利用其它软件进行格式转换。

3)在EONStudio中，利用其功能节点和元件完成“运动仿真”、“动画演示”、“3D演示”这三个模块的设置。其中：

EONStudio中的功能节点和元件是被封装的一段程序代码，因此可以不用通过编程就可以完成所需要的功能。

下面是“运动仿真”、“动画演示”、“3D演示”这三个模块的具体设置过程：

在运动仿真模块，主要用到Rotate节点、Place节点、ClickSensor节点。将Rotate节点、Place节点这两个节点分别拖动到需要仿真的零件节点下，双击Rotate节点，在弹出的属性窗口中设置零件绕X轴、Y轴或者Z轴做旋转运动的旋转轴以及时间；双击Place节点，在弹出的属性窗口中设置零件沿X轴、Y轴或者Z轴做直线运动的距离以及时间；将ClickSensor节点拖动到场景节点下，然后双击ClickSensor节点，在弹出的属性窗口中设置以鼠标的哪个按键(左键、右键或者中键)，触发零件的仿真运动。

在动画演示模块，主要用到Place节点、2DText节点以及ClickSensor节点。同样，将这三个节点拖动到零件节点下，然后对其属性进行设置。双击Place节点，在弹出的属性窗口中设置零件沿X轴、Y轴或者Z轴做直线运动的距离以及时间；双击2DText节点，在弹出的属性窗口中设置文本框的大小、位置以及字体的大小、颜色；双击ClickSensor节点，在弹出的属性窗口中设置以鼠标的哪个按键(左键、右键或者中键)，触发零件的动画演示模块。

在3D演示模块，需要将EONStudio的显示属性设置为3D形式，这一部分需要用到Viewport节点，将其拖动到场景节点下，双击该节点，在弹出的属性窗口中设置显示形式为3D形式；同时在NVIDIA控制面板中设置以3D形式显示，并且需要用到立体投影仪和3D眼镜。

4)在VisualC++中，建立应用程序，并且将EONStudio提供的EonX控件添加到应用程序的控件工具箱中，使VisualC++与EONStudio建立通信。在VisualC++中，设置应用程序的界面，这里主要用到按钮控件、标签控件。具体方式如下：在基于对话框的MFC应用程序中，将控件工具箱中的按钮控件、标签控件拖动到窗体中，左键单击该控件，然后在右侧的属性窗口中可以设置它的字体大小、颜色、背景等。

下面是建立应用程序使VisualC++与EONStudio建立通信的具体过程：

打开VC++6.0，在菜单中依次选择“文件—新建”；在弹出的对话框左侧部分选择“MFCAppWizard[exe]”，并且在右侧部分修改工程的名字以及保存位置；点击确定按钮，在弹出的MFC应用程序向导窗口中选择“基于对话框”，单击确定按钮；在接下来的窗口中选择默认设置，即可完成基于对话框的MFC应用程序的初步创建。

在刚刚建立的基于对话框的MFC应用程序的主菜单中依次选择“工程—部件”，然后在弹出的“部件”窗口中，选中“EonX3.0TypeLibrary”可以将EonX控件添加到应用程序中，从而可以使VisualC++与EONStudio建立通信。

5)将投影仪和投影屏幕分别连接在计算机上，同时，将位置***和数据手套分别连接在计算机上，并且使位置***连接在数据手套的腕部。

6)建立虚拟手模型，根据对人手结构和运动的分析，利用Creator三维建模软件对虚拟手进行建模。具体过程如下：首先按照人手的结构建立出虚拟手的大致模型，然后在手掌根部以及各个关节处分别放置一个自由度(DOF)。定义各个关节DOF的原点在关节中心，沿关节轴向方向(即做屈伸运动时转动轴的方向)为X轴，关节连线方向为Y轴，Z轴由右手法则确定。

虚拟手的形状是根据人手的真实形状确定的。人手部分主要包括手腕、手掌、手指、关节、手纹、指甲等部分，但主要生理和运动特性部分只是手腕、手掌、手指及关节部分。为了方便研究，采取简化虚拟手模型的原则，即虚拟手的形状只包含手腕、手掌、手指和关节部分。虚拟手的5个手指都包括关节和指节：大拇指有3个指节2个关节，分别是近端指节，远端指节，掌骨节，连接近端指节与远端指节以及连接近端指节与掌骨节的两个关节；其余四个手指都有三个指节分别为近端指节，中间指节，远端指节，以及连接近端指节与中间指节，中间指节与远端指节，近端指节与掌骨节的三个关节。在实际抓取过程中，5个手指的指节绕着关节来做旋转运动，从而抓取物体。根据上述对人手的实际结构以及运动过程的分析，在三维建模软件Creator中，建立虚拟手的三维虚拟模型。

7)***采用5DT公司生产的5DTDataGloveUltra型数据手套，通过USB和计算机相连，共有14个触点，每个手指两个测量点，主要用于测量手指的弯曲度。在VC++平台下总体开发过程中，首先要连接与数据手套相关的各个库函数，同时建立数据手套管理类DataGlove，定义相关的属性和函数，并加入所需的头文件<fGlove.h>。然后打开数据手套与计算机连接的端口，一旦端口打开，就利用数据手套函数包中的函数fdGetSensorRawAll()将数据读出。其中写入数组的数据与传感器(这里的传感器是安装在数据手套内的传感器，数据手套自带的)测得的数据一一对应。

8)设置碰撞检测。在虚拟场景中，当虚拟手与零件接触时，如果没有设置碰撞检测，那么虚拟手会穿透零件，这不符合实际装配过程中人的手不能穿透零件的情况。

在EONStudio中，可以较好地实现虚拟手与零件间的碰撞检测。EONStudio的碰撞检测机理是基于层次包围盒的原理，它有专门用于碰撞检测的CollisionObject节点。这个节点的使用较为简单，将该节点拖动到虚拟手与各个零件节点下，左键单击该节点，在右侧属性窗口中，设置包围盒的形状为凸包围盒。这样当虚拟手接触到零件时，就会触发碰撞检测机制，虚拟手不会穿透与它接触的零件，从而虚拟手可以完成抓取零件。

9)编写程序代码，使数据手套与虚拟手建立通信，完成“手动拆卸”和“手动装配”功能。

使虚拟手与数据手套建立映射后，就可以利用位置***和数据手套，对虚拟模型进行抓取、移动、释放，实现手动拆卸和手动装配的功能。其中，位置***用来实现虚拟手的上下、前后、左右的移动以及绕坐标轴的转动，数据手套用于虚拟手的手势变换来实现抓取、释放的动作。

数据手套与虚拟手建立通信的过程如下所述：首先编写数据手套的初始化程序代码，作用是识别数据手套以及设定选择哪一个USB接口来接入数据手套，如果没有接入数据手套，则提示"Failedtofindaglove."，如果已经正确接入数据手套则不会出现上述提示；然后，编写获取数据手套数据的程序代码，其作用是使数据手套的每一个手指及其关节与虚拟手相对应的手指及关节建立通信，从而实现人的手指运动(包括弯曲、伸直、抓取、释放)与虚拟手的手指运动同步的效果。

10)利用VisualC++将上述“动画演示”、“运动仿真”、“3D演示”“手动拆卸”和“手动装配”各模块集成起来，形成一个完成的***。

本发明的一种基于EON的辅助教学方法的教学内容大致包括动画演示、手动拆卸、手动装配、运动仿真、3D演示这几部分内容。其中：

在动画演示部分，学生可以对所讲内容(如机械产品、模具、汽车模型等)的组成部分、内部结构、拆装顺序等，从整体上有一个了解，为进一步地学习打下基础。

在3D演示部分，学生可以通过3D眼镜或头盔，对机械产品的组成部分、内部结构、拆卸过程、装配过程等从立体的角度，有一个全新地认识。

运动仿真也是学习的一个重要内容。在运动仿真部分，学生可以模拟机械产品的运动方式，掌握它的工作原理。

学生除了掌握机械产品的组成部分、内部结构之外，还需要学习该产品的拆卸和装配过程。在手动拆卸部分，允许学生利用外部设备(如数据手套、位置***)对机械产品进行手动拆卸，它有助于学生全面掌握拆卸信息，提高动手操作能力。

手动装配与手动拆卸原理一样，也是利用外部设备(如数据手套、位置***)对机械产品进行手动装配。通过手动装配部分的训练，学生可以对机械产品的装配过程有一个全面的认识。

Claims (7)

1.一种基于EON的辅助教学方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立机械产品的三维模型，建好后将其导入EONStudio中；

2)在EONStudio中，利用其功能节点和元件完成运动仿真、动画演示、3D演示的设置；

3)建立虚拟手三维模型，并且将其导入到EONStudio中；

4)在VisualC++中，建立应用程序，使VisualC++与EONStudio建立通信；然后使数据手套与虚拟手三维模型建立通信，完成手动拆卸和手动装配的功能；

5)将投影仪和投影屏幕分别连接在计算机上，同时将位置***和数据手套连接在计算机上，并且使位置***的一端连接在数据手套的腕部，虚拟手与数据手套建立通信后，通过位置***实现虚拟手三维模型的上下、前后、左右的移动以及转动，数据手套根据虚拟手的手势变换来实现抓取、释放机械产品三维模型的动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于EON的辅助教学方法，其特征在于，所述步骤3)中建立虚拟手三维模型的具体过程是：根据对人手结构和运动的分析，利用Creator三维建模软件进行建模。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于EON的辅助教学方法，其特征在于，所述步骤3)建立虚拟手三维模型的具体过程是：虚拟手的形状是根据人手的真实形状确定的，虚拟手的形状包含手腕、手掌、手指和关节部分；虚拟手的5个手指包括关节和指节：大拇指有3个指节和2个关节，3个指节分别是近端指节、远端指节和掌骨节；2个关节分别是连接近端指节与远端指节的关节以及连接近端指节与掌骨节的关节；其余四个手指都有三个指节，分别为近端指节、中间指节和远端指节，以及连接近端指节与中间指节、中间指节与远端指节、近端指节与掌骨节的三个关节，利用Creator三维建模软件进行建模。

4.根据权利要求1所述的一种基于EON的辅助教学方法，其特征在于，所述步骤4)中数据手套与虚拟手建立通信的过程具体如下：首先，识别数据手套以及选定一个USB接口来接入数据手套，然后使数据手套的每一个手指及其关节与虚拟手三维模型相对应的手指及关节建立通信，从而实现人的手指运动与虚拟手三维模型的手指运动的同步。

5.根据权利要求1所述的一种基于EON的辅助教学方法，其特征在于，进行步骤5)前，设置碰撞检测机制，使得虚拟手接触到机械产品时，虚拟手不穿透与它接触的机械产品。

6.权利要求1所述的辅助教学方法基于一种基于EON的辅助教学***，其特征在于，包括计算机(1)、投影仪(2)、投影屏幕(3)、数据手套(4)、3D眼镜(5)以及位置***(6)，投影仪(2)分别与计算机(1)、投影屏幕(3)连接，数据手套(4)、3D眼镜5以及位置***(6)都分别连接在计算机(1)上，并且位置***(6)与数据手套(4)相连。

7.权利要求1所述的辅助教学方法基于一种基于EON的辅助教学***，其特征在于，所述位置***(6)连接在数据手套(4)的腕部。