CN110580834A - 特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，包括硬件控制设备、软件控制***和时机幅度触感训练手法，所述软件控制***安装在硬件控制设备中，并控制硬件控制设备按指令教导、训练和纠正学员进行操作，操作模拟装置设置有束缚手脚的简易装置，所述传感器安装在并反馈教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置和学员的实时信息；所述时机幅度触感训练手法包括机器触感被动训练手法、学员掌握的动作评价手法和学员缺陷强化训练手法。本发明虚拟与现实相结合，让学员身临其境的学习，能够用来训练各种常规或特种技能，并低成本、高效率、无危险性的让学员掌握，培养临危不乱的本能习惯。

Description

特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法

技术领域

本发明涉及技师技能培训考核领域，尤其涉及一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法。

背景技术

目前人们掌握机械操作的使用方法是，通常在前期理论课结束后，就进行实际上模拟机操作训练，然后上真实机器学***地机、旋挖钻机、推土机等等二十多种机器的模拟机；这种培训方法已经比较科学；但是仍然美中不足，对于教练员要求比较高，急需发明一种高端，并且能够模拟真机主动指挥带动学员手、脚、视角运动，达到傻瓜式教学；

对于很多特种机器，模拟机软件开发周期长成本很高，市场机器存量不太大，但是其操作细节很多又十分复杂，没有模拟机，理论后直接上机培训，这种实际训练方式、方法存在着很多问题，例如成本大、耗材高、占用场地大、消耗较多燃料、排放污染多等缺点，使用者在训练过程中也受到时间、经济条件等限制，造成使用者不能熟练掌握机械的操作技能、技巧，在以后的实际工作中也带来许多的安全隐患。

对于新设计的高端模拟设备，中间需要一个特别的连接杆，能够实现空载分离，需要的时候给信号连接锁定，并且在锁定情况下，如果推拉超过一定力度，又能够报警，使用寿命长、体积小、质量轻、价格实惠的连接杆。

当前，在机械工程领域和其他领域机械设备的模拟机培训教学过程中，通常都是学员在了解了模拟机实训操作流程后自己根据操作要求去完成上机的各种操作，以完成模拟实训任务，但在实际操作过程中往往由于初次接触模拟机，对模拟机的操作要求和适应能力不能一下子到位，导致在模拟操作过程中达不到理想的操作状态，尽管模拟机实训操作与真实的设备上机操作危险性较低，成本也相对较小，但如何通过科学有效的模拟机设计在同样的时间内使学员快速达到理想的上机操作水平是困扰模拟机培训教学的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，大幅降低真机操作风险和成本，并且能够分析、掌握和个性化针对性训练学员熟练掌握各种常规或特种技能。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，包括硬件控制设备、软件控制***和时机幅度触感训练手法，三者别具匠心的结合方式相当于为学员提供了一个入门初期的机械导师，在学员还是一穷二白，什么都不懂的情况下，有一个时时刻刻手把手，脚把脚的实时贴身指教导师，帮助学员快速突破入门时刻的艰难关卡，通过触感刺激准确掌握技术要领，不死板教条的受书本理论知识的束缚，快速成为熟练的实操人员，所述软件控制***安装在硬件控制设备中，并控制硬件控制设备按指令教导、训练和纠正学员进行操作，所述硬件控制设备包括安装骨架、外壳、电路板、传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置，所述电路板设置有集成电路，安装在有外壳的安装骨架上，通过电线电缆或线束或无线接收发送装置与传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置分别连接，构成回路，接收或传送各种信号和/或指令，所述驱动装置连接并驱动操作模拟装置工作，所述操作模拟装置设置有束缚手脚的简易装置，所述传感器安装在并反馈教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置和学员的实时信息；所述时机幅度触感训练手法包括机器触感被动训练手法、学员掌握的动作评价手法和学员缺陷强化训练手法，具体的是包括步骤①-⑨：

①.由***讲解演示正规操作过程；

②.让学员按标准要求站立或坐好，手握各种模拟操纵杆或键盘鼠标、脚踩或虚踩各模拟踏板或模拟位置或对应开关传感器，并用束缚手脚的简易装置轻轻束缚手、脚；

③.软件控制***驱动模拟操作控制装置按有人在进行标准操作时，各模拟装置理应运作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度进行运动，带动学员的手、脚运动，让学员通过触觉感受标准操作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度；

④.运动过程中，驱动装置克服并补偿学员因生涩不协调而产生的阻力矢量，确保标准动作的时机、动作、顺序和幅度的精确控制和到位；

⑤.各部位的传感器监控、记录和该阻力矢量实时补偿值；

⑥.分析阻力矢量实时补偿值与标准动作之间的关系和差别幅度，计算差别部分与标准动作之间的比率，分析学员对操作要点的现状把握、存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，根据比率确定偏差程度和缺陷需要加强训练的强度；

⑦.根据分析结果，用显示器显示或喇叭播音向学员展示学员操作失误的时机和幅度，与标准操作相比应该更改调整的时机和幅度，同步提醒学员当前操作如何改进和跟上标准操作的节奏；

⑧.针对学员存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，继续按步骤1-6的方式反复训练学员，获取学员训练学习时的传感器数据进行分析，当传感器数据分析得到的整套目标操作的阻力矢量实时补偿值为零或处于视为掌握学习的差别范围内，判断学员已熟练掌握被动阶段的学习任务；

⑨.切换训练模式，进入主动熟练度训练和意外应急训练模式，按比例突然增加之前被动训练时的缺陷环节，并用传感器实时记录和分析出学员进步情况和技能熟练度。

进一步的，所述软件控制***至少包括以下模块中的一种以上：训练科目技术分解解说模块：用记录并向学员展示训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧；

人机互动交流模块：用于确认学员的学习掌握情况和实际理解情况，优化学员的学习内容，和实际掌握情况；

传感器信息分析模块：用于从传感器接受信号，并对所接受的信息予以分析，判断学员和***的各零部件实时状态和预期的下一步结果；

主动指挥程序模块：通过教学指挥硬件主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，进行常规教学，讲解科目细节一步，等待学员操作一步，接受确认学员的操作反馈，待学员反复操作熟练，进行下一科目细节讲解；

被动指挥程序模块：主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，让学员以专业手法接触各教学指挥硬件，自动驱动教学指挥硬件按训练科目细节运动，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学；

考评模块：获取学员操作实时状态、传感器实时数据、学员答题内容，与标准答案和容错答案进行对比，评价学员的动作完成度、知识点掌握、技能熟练度等成绩。

进一步的，所述传感器包括位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器中的一种以上，设置在操作模拟装置任意有相对运动位置或有声响发生位置或有需要视频确认操作动作幅度和操作手法的位置或有必要监控速度和加速度的位置，通过导线、线束或无线信号收发器与电路板连接，进行实时监控反馈或指令数据交流，以供集成电路分析和确认指令执行的实际完成质量反馈。

进一步的，所述教学指挥硬件包括显示屏、发声装置、指挥旗帜、信号灯光***、模拟负载、安全防护装置、事故模拟装置中的一种以上，以上教学指挥硬件设置在利于学生观察的相对位置或位于目标模拟专业设备的发声、发光、有信号源的对应位置。

进一步的，所述操作模拟装置包括控制按钮、手动操纵装置、脚踩操纵装置、触摸屏、座椅、安全防护装置中的一种以上，设置在目标模拟专业设备的相应实际部件的对应位置。

进一步的，所述驱动装置包括驱动电机、液压油缸、电磁装置、气动元件组、内燃机、手动的伸缩杆、摇杆和旋转机构中的一种以上，用于驱动操作模拟装置模仿目标模拟专业设备相应部件的运动。

进一步的，所述被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，跟标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培养培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，所述考评模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，跟标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作答题的正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，所述传感器信息分析模块接受各传感器的实时信息反馈，单独记录分析或结合被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块、考评模块对学员的针对性分析结果，对学员的操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节予以记录，对比历史发展轨迹，对学员的当前学习进步情况予以确认，并纠正预测学员学习进度发展趋势，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，用模拟操作控制装置带动学员的手或脚模仿操作的动作，一边带动学员的手脚运动，一边讲解动作操控原理，多次反复教学，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学，通过设置在模拟操作控制装置上的传感器实时监控学员操作的自然和流畅程度，待学员熟知关键动作的步骤，操作幅度、历时、力度和速度已基本符合要求，进入模拟实操环节。

本发明的有益效果是：

(1)解决学习特种设备操作时，教员师傅无法手把手指教学员的遗憾，赋予操作装置师傅的功能，更加直观、实时、准确、可视化和数据化的指导学员进行更快的理解要点，更快的掌握技巧、更快的熟练手法，更快的精确操作，大幅提高教学效率，获取同样的教学效果可压缩85％-92％的教学时间和降低62-75％的教学成本分摊，进步特别显著。

(2)大幅降低学员进入真正专业设备真实操机适应和熟练的时间，学员进入实际专业设备仅仅需要实际感受，调整状态，即可快速进入熟手操作状态，可压缩65％-82％真实设备的适应时间，使学员能够高速跨入熟手阶段。

(3)能够让学员进入实际专业设备操作前，提前掌握大量仿真模拟操机手法，并快速熟悉设备的相关构造，掌握各种复杂情况下的上机操作技巧和疑难杂症应对处理办法，避免实机操作时手忙脚乱，产生难以弥补的失误灾难。

(4)大幅减少学员学习过程中失误的影响，避免损坏实机或降低实机的寿命，学员能够通过错误专题、疑难主题和应急专题的针对性训练，快速准确的强化训练、培养优良习惯、克服认识缺陷、心情的不适应和不良习惯的负面情绪修正，节省大量的设备硬件使用成本和维护成本。

(5)能够无损伤的反复训练高难度技术内容或专项训练。

上述说明仅仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1本发明涉及的一种实施例“学员操作模拟驾驶舱结构示意图”；

图2为本发明涉及的又一种实施例“技术鱼骨图”；

图3为本发明涉及的一种实施例“教学质量分析功能原理图”；

图4为本发明涉及的一种实施例“教学个性化学习互动关系示意图”；

图5为本发明涉及的一种实施例“操作模拟器功能原理图”；

图6为本发明涉及的一种实施例“具体虚拟机械导师教学逻辑图”。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

参照图1-6所示，一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，包括硬件控制设备、软件控制***和时机幅度触感训练手法，所述软件控制***安装在硬件控制设备中，并控制硬件控制设备按指令教导、训练和纠正学员进行操作，所述硬件控制设备包括安装骨架、外壳、电路板、传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置，所述电路板设置有集成电路，安装在有外壳的安装骨架上，通过电线电缆或线束或无线接收发送装置与传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置分别连接，构成回路，接收或传送各种信号和/或指令，所述驱动装置连接并驱动操作模拟装置工作，所述操作模拟装置设置有束缚手脚的简易装置，所述传感器安装在并反馈教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置和学员的实时信息；所述时机幅度触感训练手法包括机器触感被动训练手法、学员掌握的动作评价手法和学员缺陷强化训练手法，具体包括以下步骤①-⑨：

①.由***讲解演示正规操作过程；

②.让学员按标准要求站立或坐好，手握各种模拟操纵杆或键盘鼠标、脚踩或虚踩各模拟踏板或模拟位置或对应开关传感器，并用束缚手脚的简易装置轻轻束缚手、脚；

③.软件控制***驱动模拟操作控制装置按有人在进行标准操作时，各模拟装置理应运作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度进行运动，带动学员的手、脚运动，让学员通过触觉感受标准操作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度；

④.运动过程中，驱动装置克服并补偿学员因生涩不协调而产生的阻力矢量，确保标准动作的时机、动作、顺序和幅度的精确控制和到位；

⑤.各部位的传感器监控、记录和该阻力矢量实时补偿值；

⑥.分析阻力矢量实时补偿值与标准动作之间的关系和差别幅度，计算差别部分与标准动作之间的比率，分析学员对操作要点的现状把握、存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，根据比率确定偏差程度和缺陷需要加强训练的强度；

⑦.根据分析结果，用显示器显示或喇叭播音向学员展示学员操作失误的时机和幅度，与标准操作相比应该更改调整的时机和幅度，同步提醒学员当前操作如何改进和跟上标准操作的节奏；

⑧.针对学员存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，继续按步骤1-6的方式反复训练学员，获取学员训练学习时的传感器数据进行分析，当传感器数据分析得到的整套目标操作的阻力矢量实时补偿值为零或处于视为掌握学习的差别范围内，判断学员已熟练掌握被动阶段的学习任务；

⑨.切换训练模式，进入主动熟练度训练和意外应急训练模式，按比例突然增加之前被动训练时的缺陷环节，并用传感器实时记录和分析出学员进步情况和技能熟练度。

所述软件控制***至少包括以下模块中的一种以上：

用户模块：用于学员注册、记录学习过程和交流过程；

教程读写调取模块：用于读写或展示教程的可供选择的训练科目；

训练科目技术分解解说模块：用记录并向学员展示训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧；

人机互动交流模块：用于确认学员的学习掌握情况和实际理解情况，优化学员的学习内容，和实际掌握情况；

传感器信息分析模块：用于从传感器接受信号，并对所接受的信息予以分析，判断学员和***的各零部件实时状态和预期的下一步结果；

主动指挥程序模块：通过教学指挥硬件主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，进行常规教学，讲解科目细节一步，等待学员操作一步，接受确认学员的操作反馈，待学员反复操作熟练，进行下一科目细节讲解；

被动指挥程序模块：主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，让学员以专业手法接触各教学指挥硬件，自动驱动教学指挥硬件按训练科目细节运动，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学；

考题模块：从题库调取考题，发出指令，让学员进入考试状态，允许学员通过传感器或教学指挥硬件进行笔试、口试、模拟实操来答题；

考评模块：获取学员操作实时状态、传感器实时数据、学员答题内容，与标准答案和容错答案进行对比，评价学员的动作完成度、知识点掌握、技能熟练度等成绩；

个性化专门训练模块：确认学员身份，学员根据应用场景自主选择某些需要加强训练的科目局部细节，或根据考评模块、被动指挥程序模块、传感器信息分析模块中一种以上模块的信息反馈，判断为用户掌握不牢固的科目局部细节，予以专门加强训练。

优选的，所述传感器包括位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器中的一种以上，设置在操作模拟装置任意有相对运动位置或有声响发生位置或有需要视频确认操作动作幅度和操作手法的位置或有必要监控速度和加速度的位置，通过导线、线束或无线信号收发器与电路板连接，进行实时监控反馈或指令数据交互，以供集成电路分析。

进一步的，所述传感器包括位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器中的一种以上，设置在操作模拟装置任意有相对运动位置或有声响发生位置或有需要视频确认操作动作幅度和操作手法的位置或有必要监控速度和加速度的位置，通过导线、线束或无线信号收发器与电路板连接，进行实时监控反馈或指令数据交流，以供集成电路分析和确认指令执行的实际完成质量反馈。

进一步的，所述教学指挥硬件包括显示屏、发声装置、指挥旗帜、信号灯光***、模拟负载、安全防护装置、事故模拟装置中的一种以上，以上教学指挥硬件设置在利于学生观察的相对位置或位于目标模拟专业设备的发声、发光、有信号源的对应位置。

进一步的，所述操作模拟装置包括控制按钮、手动操纵装置、脚踩操纵装置、触摸屏、座椅、安全防护装置中的一种以上，设置在目标模拟专业设备的相应实际部件的对应位置。

进一步的，所述驱动装置包括驱动电机、液压油缸、电磁装置、气动元件组、内燃机、手动的伸缩杆、摇杆和旋转机构中的一种以上，用于驱动操作模拟装置模仿目标模拟专业设备相应部件的运动。

进一步的，所述被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，与标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，所述考评模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，与标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作答题的正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，所述传感器信息分析模块接受各传感器的实时信息反馈，单独记录分析或结合被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块、考评模块对学员的针对性分析结果，对学员的操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节予以记录，对比历史发展轨迹，对学员的当前学习进步情况予以确认，并纠正预测学员学习进度发展趋势，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

进一步的，用模拟操作控制装置带动学员的手或脚模仿操作的动作，一边带动学员的手脚运动，一边讲解动作操控原理，多次反复教学，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学，通过设置在模拟操作控制装置上的传感器实时监控学员操作的自然和流畅程度，待学员熟知关键动作的步骤，操作幅度、历时、力度和速度已基本符合要求，进入模拟实操环节。

优选的，所述传感器包括位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器中的一种以上，设置在操作模拟装置任意有相对运动位置或有声响发生位置或有需要视频确认操作动作幅度和操作手法的位置或有必要监控速度和加速度的位置，通过导线、线束或无线信号收发器与电路板连接，进行实时监控反馈或指令数据交互，以供集成电路分析。

优选的，所述教学指挥硬件包括显示屏、发声装置、指挥旗帜、信号灯光***、模拟负载、安全防护装置、事故模拟装置中的一种以上，以上教学指挥硬件设置在利于学生观察的相对位置或位于目标模拟专业设备的发声、发光、有信号源的对应位置。

优选的，所述操作模拟装置包括控制按钮、手动操纵装置、脚踩操纵装置、触摸屏、座椅、安全防护装置中的一种以上，设置在目标模拟专业设备的相应实际部件的对应位置。

优选的，所述驱动装置包括驱动电机、液压油缸、电磁装置、气动元件组、内燃机、手动的伸缩杆、摇杆和旋转机构中的一种以上，用于驱动操作模拟装置模仿目标模拟专业设备相应部件的运动。

优选的，所述被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，跟标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

优选的，所述考评模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，与标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作答题的正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培养培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

优选的，所述个性化专门训练模块，学员完成学业后的职业发展方向不同，今后面临的实际技术难题也不同，确认学员身份后，学员可以自主选择今后即将经常遇到的问题和自己感兴趣想要专门加强的科目，申请进入个性化专门训练模块，通过专题训练快速掌握各种预期情况、应急情况和特种环境情况下发现问题、分析问题和解决问题的能力。

优选的，所述传感器信息分析模块接受各传感器的实时信息反馈，单独记录分析或结合被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块、考评模块对学员的针对性分析结果，对学员的操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节予以记录，对比历史发展轨迹，对学员的当前学习进步情况予以确认，并纠正预测学员学习进度发展趋势，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。具体实施例：

特种技师培养机构购买并安装本发明的装置，对外招生，进行培训，学员首先启用装置内的培训用户模块，通过摄像头、mic、指纹识别装置等硬件输入模块获取学员的区别特征，用于学员注册、记录学习过程和人机交流过程，供个性化专门训练模块为学员做好针对性训练积累原始材料；

培养机构分配教程或学员主动选择教程，***启动教程读写调取模块，获取教程中各可供选择的训练科目数据；训练科目技术分解解说模块：用并向学员展示训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧；学员基本掌握后，让学员按标准要求站立或坐好，手握各种模拟操纵杆或键盘鼠标、脚踩或虚踩各模拟踏板或模拟位置或对应开关传感器，并用束缚手脚的简易装置轻轻束缚手、脚；软件控制***驱动模拟操作控制装置按有人在进行标准操作时，各模拟装置理应运作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度进行运动，带动学员的手、脚运动，让学员通过触觉感受标准操作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度；运动过程中，驱动装置克服并补偿学员因生涩不协调而产生的阻力矢量，确保标准动作的时机、动作、顺序和幅度的精确控制和到位；各部位的传感器监控、记录和该阻力矢量实时补偿值；分析阻力矢量实时补偿值与标准动作之间的关系和差别幅度，计算差别部分与标准动作之间的比率，分析学员对操作要点的现状把握、存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，根据比率确定偏差程度和缺陷需要加强训练的强度；根据分析结果，用显示器显示或喇叭播音向学员展示学员操作失误的时机和幅度，与标准操作相比应该更改调整的时机和幅度，同步提醒学员当前操作如何改进和跟上标准操作的节奏；针对学员存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，继续按步骤①-⑥的方式反复训练学员，获取学员训练学习时的传感器数据进行分析，当传感器数据分析得到的整套目标操作的阻力矢量实时补偿值为零或处于视为掌握学习的差别范围内，判断学员已熟练掌握被动阶段的学习任务；再切换训练模式，进入主动熟练度训练和意外应急训练模式，按比例突然增加之前被动训练时的缺陷环节，并用传感器实时记录和分析出学员进步情况和技能熟练程度，采用人机互动交流模块，通过声音、视频或手脚处的操纵杆动作，运用***主动提问学员答复，或学员主动提问，***进行应答的方式强化学员的学习情况，并通过学员答复的反应速度、准确度，以及学员主动提问的问题知识点覆盖面和深度划分，为学员的学习质量进行打分，分析学员存在的缺陷或掌握不牢固的问题点，为学员分配个性化针对性专门训练方案：针对性加深学员的学习掌握情况和实际理解情况，优化学员的学习内容，和实际掌握情况；等学员知识点掌握情况满足基本要求后，进入实操模拟步骤，启动被动指挥程序模块，先由***讲解操作过程，再由学员按要求把握脚踩模拟操作控制装置，由***驱动模拟操作控制装置模仿实机的操作内容，用模拟操作控制装置带动学员的手或脚模仿操作的动作，一边带动学员的手脚运动，一边讲解动作操控原理，多次反复教学，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学，通过设置在模拟操作控制装置上的传感器实时监控学员操作的自然和流畅程度，待学员熟知关键动作的步骤，操作幅度、历时、力度和速度已基本符合要求，进入模拟实操环节，启动主动指挥程序模块：主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，让学员以专业手法接触各教学指挥硬件，自主判断和操作教学指挥硬件，按训练科目细节运动。

培训过程中经常性调取考题模块，随时随机让学员进入考试状态，允许学员通过传感器或教学指挥硬件进行笔试、口试、模拟实操来答题；并通过位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器获取实时信息予以考评，根据考评模块、被动指挥程序模块、传感器信息分析模块中一种以上模块的信息反馈，判断为用户掌握不牢固的科目局部细节，予以专门加强训练。

并分析学员的操作正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率，大幅降低真机操作风险和成本。

分析、掌握和个性化针对性训练学员熟练掌握各种常规或特种技能，大幅降低学员进入实际专业设备，进行实际操机的时间，学员进入实际专业设备仅仅需要实际感受，调整状态，即可快速进入熟手操作状态，让学员进入实际专业设备操作前，已拥有大量模拟操机时间，并已熟悉相关构造，掌握了各种情况下的上机操作技巧和疑难杂症应对处理办法，避免实机操作失误的灾难。

本发明能够大幅降低培养专业技师的时间，大幅提高学员的技术掌握速度，大幅减少学员学习过程中失误的影响，避免损坏实机或降低实机的寿命，学员能够通过智能专题强化训练克服认识的缺陷、心情的不适应和不良习惯的修正，能够无损伤的反复训练高难度技术内容。

本发明突破了当下模拟机教学的传统操作方式，在学员初次上机操作时首先通过模拟机规范标准的操作流程和操作方法去带动学员的各项操作，当学员被动的接受了模拟机的各项标准操作流程和动作要领后，模拟训练再进入到下一步学员自己操作的环节，这样通过模拟机虚拟导师的“手把手”的引导教学训练，可以使学员在上机后很快知道操作要领和操作技巧，尤其是可以提前掌握如何处理复杂环节的操作要领和应变方法，避免了学员在模拟机操作过程中面对疑难作业“临场发挥”造成的失误和产生的习惯性“隐形事故”，这种模拟机虚拟导师“主动”的“手把手”式的触感实时训练方法促使学员“被动”式的在短时间熟悉操作规范和要领，对工程机械或特种设备的模拟教学培训效果带来了重大突破，对推动机械制造业的发展和人才培养有着积极重大的意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，包括硬件控制设备、软件控制***和时机幅度触感训练手法，所述软件控制***安装在硬件控制设备中，并控制硬件控制设备按指令教导、训练和纠正学员进行操作，其特征在于：所述硬件控制设备包括安装骨架、外壳、电路板、传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置，所述电路板设置有集成电路，安装在有外壳的安装骨架上，通过电线电缆或线束或无线接收发送装置与传感器、教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置分别连接，构成回路，接收或传送各种信号和/或指令，所述驱动装置连接并驱动操作模拟装置工作，所述操作模拟装置设置有束缚手脚的简易装置，所述传感器安装在并反馈教学指挥硬件、操作模拟装置和驱动装置和学员的实时信息；所述时机幅度触感训练手法包括机器触感被动训练手法、学员掌握的动作评价手法和学员缺陷强化训练手法：

所述机器触感被动训练手法包括步骤①-③：①.由***讲解演示正规操作过程；②.让学员按标准要求站立或坐好，手握各种模拟操纵杆或键盘鼠标、脚踩或虚踩各模拟踏板或模拟位置或对应开关传感器，并用束缚手脚的简易装置轻轻束缚手、脚；③.软件控制***驱动模拟操作控制装置按有人在进行标准操作时，各模拟装置理应运作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度进行运动，带动学员的手、脚运动，让学员通过触觉感受标准操作的时机、持续时间、动作方向、动作顺序和动作幅度；所述学员掌握的动作评价手法包括步骤④-⑤：④.运动过程中，驱动装置克服并补偿学员因生涩不协调而产生的阻力矢量，确保标准动作的时机、动作、顺序和幅度的精确控制和到位；⑤.各部位的传感器监控、记录和该阻力矢量实时补偿值；⑥.分析阻力矢量实时补偿值与标准动作之间的关系和差别幅度，计算差别部分与标准动作之间的比率，分析学员对操作要点的现状把握、存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，根据比率确定偏差程度和缺陷需要加强训练的强度；所述学员缺陷强化训练手法包括步骤:⑦-⑨，⑦.根据分析结果，用显示器显示或喇叭播音向学员展示学员操作失误的时机和幅度，与标准操作相比应该更改调整的时机和幅度，同步提醒学员当前操作如何改进和跟上标准操作的节奏；⑧.针对学员存在的明显缺陷和需要加强训练的细节，继续按步骤①-⑥的方式反复训练学员，获取学员训练学习时的传感器数据进行分析，当传感器数据分析得到的整套目标操作的阻力矢量实时补偿值为零或处于视为掌握学习的差别范围内，判断学员已熟练掌握被动阶段的学习任务；⑨.切换训练模式，进入主动熟练度训练和意外应急训练模式，按比例突然增加之前被动训练时的缺陷环节，并用传感器实时记录和分析出学员进步情况和技能熟练度。

2.根据权利要求1所述的一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，其特征在于：所述软件控制***包括以下模块：

人机互动交流模块：用于确认学员的学习掌握情况和实际理解情况，优化学员的学习内容，和实际掌握情况；

训练科目技术分解解说模块：用记录并向学员展示训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧；

主动指挥程序模块：通过教学指挥硬件主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，进行常规教学，讲解科目细节一步，等待学员操作一步，接受确认学员的操作反馈，待学员反复操作熟练，进行下一科目细节讲解；

被动指挥程序模块：主动讲解训练科目细节的构成、要点、控制或判断的技巧，让学员以专业手法接触各教学指挥硬件，自动驱动教学指挥硬件按训练科目细节运动，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学；

传感器信息分析模块：用于从传感器接受信号，并对所接受的信息予以分析，判断学员和***的各零部件实时状态和预期的下一步结果；

考评模块：获取学员操作实时状态、传感器实时数据、学员答题内容，与标准答案和容错答案进行对比，评价学员的动作完成度、知识点掌握、技能熟练度等成绩。

3.根据权利要求1所述的一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，其特征在于：所述传感器包括位置传感器、速度传感器、视频图像摄像头、声音传感器中的一种以上，设置在操作模拟装置任意相对运动位置或有声响发生位置或有需要视频确认操作动作幅度和操作手法的位置或有必要监控速度和加速度的位置，通过导线、线束或无线信号收发器与电路板连接，进行实时监控反馈或指令数据交流，以供集成电路分析和确认指令执行的实际完成质量反馈。

4.根据权利要求1所述的一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，其特征在于：所述教学指挥硬件包括显示屏、发声装置、指挥旗帜、信号灯光***、模拟负载、安全防护装置、事故模拟装置中的一种以上，以上教学指挥硬件设置在利于学生观察的相对位置或位于目标模拟专业设备的发声、发光、有信号源的对应位置。

5.根据权利要求1所述的一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，其特征在于：所述被动指挥程序模块和/或主动指挥程序模块收集操作模拟装置上设置的各传感器实时监控数据，与标准流程的理论数据相比较，分析学员的操作正误，操作完成度、熟练度，缺点分布和分布细节，对学员的学习情况，历史发展轨迹予以记录，并预测学员学习进度发展情况，汇总信息，供培训机构优化教学科目、优化训练人员和训练流程，提高效率。

6.根据权利要求1所述的一种特种机械虚拟导师触感式实时主动训练装置及其训练方法，其特征在于：用模拟操作控制装置带动学员的手或脚模仿操作的动作，一边带动学员的手脚运动，一边讲解动作操控原理，多次反复教学，带动学员的身体器官运动，进行被动触感感受式教学，通过设置在模拟操作控制装置上的传感器实时监控学员操作的自然和流畅程度，待学员熟知关键动作的步骤，操作幅度、历时、力度和速度已基本符合要求，进入模拟实操环节。