CN107424502A - 一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，包括底座、槽口、步进电机固定座、调节螺母、步进电机、编码器、主动同步带轮、同步带、立柱、横梁、滑槽、运动连杆、滑块、限位开关、控制面板、从动同步带轮安装座、从动同步带轮，其特征在于：在控制面板里面进行程序的编辑，然后进行虚拟实验，再进行实际实验。本发明降低了实验室教学的成本，增加了实验的可视化程度，提高了实验室教学的智能化和可视化水平，有利于推进实验室教学的改革与发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种虚拟实验教学平台，具体是一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，属于教学设备技术领域。
背景技术
众所周知，实验教学是应用型本科教学体系的重要组成部分，是教学活动中必不可少的环节，对于培养学生的综合素质和创新能力至关重要。学生通过实验教学加深了对课程基础理论的理解和强化，也培养了他们的空间思维能力、动手能力、创新能力和工程意识，提高学习兴趣和动力，为参加各类竞争性比赛提供实践基础。然而传统实验教学采用菜谱式教学方式，也就是给出具体实验步骤，学生依样画葫芦，导致学生不重视原理、方法和创新，教学效果不理想，同时传统实验室作为一种资源高度密集的综合系统，在实验仪器和环境的更新和维护上，需要投入大量的人力、物力和财力，这使它的发展受到很大限制。随着现代计算机虚拟现实技术的快速发展，虚拟实验室应运而生，虚拟实验不同于常规实验，彻底打破时间空间的限制，学生实际操作之前可以在虚拟实验环境中多次模拟和创新设计，然后再到实验室进行实际操作，很好地促进了教学方式的改进和教学质量的提高，是实验教学改革的重要方向之一。
近年来，国内外的许多高校都根据自身科研和教学要求建立了一批虚拟实验室，在提高学生实践技能及创新能力，实验设备投入不足等方面起到积极作用。
国外：美国新泽西州立大学高级信息处理中心的基于Java的虚拟实验平台Manifolu，系统的大部分部件用Java Beans实现，虚拟实验作为APPlet下载到浏览器中运行，虚拟实验系统的应用与数据描述采用XML，如初始化的场景图、应用对象之间的关系、实验报告等；加拿大卡尔加里大学生物建模与可视化实验系统研制的虚拟实验系统平台VLAB，其体系结构由与应用领域相关的仿真程序和与应用领域无关的实验对象组成，该平台提供对象浏览器、实验表、对象管理器、实验仪表管理器、超文本浏览器、虚拟实验系统代理等工具，教师和学生可以很方便地创建生物仿真模型与实验对象；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室、意大利帕多瓦大学建立了远程虚拟教育实验室、新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验等。
国内：已有部分高校和科研单位初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；广东省高校重点实验室“电气工程虚拟演练室”；南京宇航软件虚拟设备数控仿真软件等。
目前对于机械创新设计方面的虚拟实验平台研究较少。本发明在对虚拟现实和虚拟实验等进行相关研究的基础上，对机械创新虚拟实验项目的开发进行了总体设计和分析，提出并制定了实现机械创新虚拟实验项目的方案和技术实现方法，构建基于虚拟实验的机械创新实验平台。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种智能化水平高，可视化强的虚拟实验教学平台。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，包括底座、槽口、步进电机固定座、调节螺母、步进电机、编码器、主动同步带轮、同步带、立柱、横梁、滑槽、运动连杆、滑块、限位开关、控制面板、从动同步带轮安装座、从动同步带轮，其特征在于：所述底座上设有槽口，底座的顶部设有步进电机固定座，步进电机固定座上设有通孔，通孔内设有调节螺母，步进电机固定座的顶部设有步进电机，步进电机的后部设有编码器，编码器与步进电机的轴的一端连接，步进电机的轴的另一端设有主动同步带轮，主动同步带轮与步进电机的轴通过键和键槽连接，主动同步带轮上设有同步带，底座的左右两端设有立柱，立柱上设有横梁，横梁上设有滑槽，底座和横梁之间设有运动连杆，运动连杆上设有滑块，立柱的内侧设有限位开关，底座上设有控制面板，滑块上设有从动同步带轮安装座，从动同步带轮安装座上设有从动同步带轮，主动同步带轮和从动同步带轮与同步带联接，控制面板上建立虚拟场景→利用c#语言编写脚本NGUI（unity中的一个插件）进行菜单制作→通过导入ProE、SolidWorks建模的零件，然后利用零件的相对位置坐标进行虚拟装配并导出已开发的虚拟EXE文件，然后利用3d max软件制作动画→将虚拟交互EXE文件上传到服务器的数据库中→通过JSP编程将EXE文件的链接嵌入网页中→点击网页相应按钮触发EXE文件即可进行虚拟实验操作，实验产生的数据将通过与数据库的链接通道保存到服务器数据库相关区域→通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，并显示在网页上。
所述槽口为U形槽口或方形槽口。
所述底座的长度大于槽口的长度，底座的宽度大于槽口的宽度。
所述步进电机固定座的长度小于底座的长度，步进电机固定座的宽度小于底座的宽度，步进电机固定座的高度小于底座的高度。
所述滑槽为U形槽或方形槽。
所述横梁的长度大于滑槽的长度，横梁的宽度大于滑槽的宽度。
所述运动连杆的高度小于立柱的高度。
所述控制面板的长度小于底座的长度，控制面板的宽度小于底座的宽度，控制面板的高度小于底座的高度。
所述控制面板与步进电机、编码器及限位开关连接，采集编码器及限位开关的数据并驱动步进电机。
所述调节螺母的高度大于槽口的高度。
所述调节螺母的直径小于槽口的宽度。
所述运动连杆在底座和横梁之间的二维平面运动，由步进电机驱动主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带驱动从动同步带轮带动运动连杆做机械运动。
所述主动同步带轮的直径大于从动同步带轮的直径。
所述同步带的张紧程度通过调节步进电机固定座在槽口上的位置去实现，确保主动同步带轮和从动同步带轮传动比的准确。
所述控制面板里面集成了控制器和显示屏，控制系统对现有机械实验零件按类型归类，然后按尺寸细化，最后利用三维软件（solidworks、UG、3DMAX等）绘制其三维模型，并对模型进行编号和渲染，供后续虚拟实验选用。
所述交互式虚拟装配可以与用户交互性发生动作，用户决定装配演示的开始或中断等。通过加上相应的脚本程序，构造出不同的虚拟装配场景，实现交互功能,实现用户对场景的修改、调整、重新组合等编辑功能。
所述虚拟实验教学平台通过在控制面板里面进行程序的编辑，场景的设计与调用，首先进行虚拟的仿真实验，然后用户可以通过设置启动实际的机械结构去进行真实实验，控制系统通过编码器及限位开关去采集连杆的运动数据，与虚拟实验进行对比，得出分析结果。
所述虚拟实验教学平台的内部虚拟零部件库以连杆、滑块、凸轮、齿轮、槽轮、轴、带、螺栓以及键等机械零部件为基本构件，辅以各种不同类型的运动副和主机架，充分发挥用户的创新意识和奇思妙想，按照机构运动原理和组成原理，在控制面板上随意拼装各种零部件，把各自的创新思想贯穿在机构创新设计方案中，最终搭建出虚拟机构。
所述unity3D文件以插件形式插入到静态网页中，然后利用GetURL，实现外部事件调用并触发unity3D文件，数据库与静态网页之间通过JSP语言链接，操作虚拟文件产生的数据通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，即可实现虚拟文件与数据库的链接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：降低了实验室教学的成本，增加了实验的可视化程度，提高了实验室教学的智能化和可视化水平，有利于推进实验室教学的改革与发展。
附图说明
图1是本发明的立体结构装配图。
图2是本发明的另一立体结构装配图。
图3是本发明的另一立体结构装配图。
图中：1—底座，2—槽口，3—步进电机固定座，4—调节螺母，5—步进电机，6—编码器，7—主动同步带轮，8—同步带，9—立柱，10—横梁，11—滑槽，12—运动连杆，13—滑块，14—限位开关，15—控制面板，16—从动同步带轮安装座，17—从动同步带轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，包括底座1、槽口2、步进电机固定座3、调节螺母4、步进电机5、编码器6、主动同步带轮7、同步带8、立柱9、横梁10、滑槽11、运动连杆12、滑块13、限位开关14、控制面板15、从动同步带轮安装座16、从动同步带轮17，其特征在于：所述底座1上设有槽口2，底座1的顶部设有步进电机固定座3，步进电机固定座3上设有通孔，通孔内设有调节螺母4，步进电机固定座3的顶部设有步进电机5，步进电机5的后部设有编码器6，编码器6与步进电机5的轴的一端连接，步进电机5的轴的另一端设有主动同步带轮7，主动同步带轮7与步进电机5的轴通过键和键槽连接，主动同步带轮7上设有同步带8，底座1的左右两端设有立柱9，立柱9上设有横梁10，横梁10上设有滑槽11，底座1和横梁10之间设有运动连杆12，运动连杆12上设有滑块13，立柱9的内侧设有限位开关14，底座1上设有控制面板15，滑块13上设有从动同步带轮安装座16，从动同步带轮安装座16上设有从动同步带轮17，主动同步带轮7和从动同步带轮17与同步带8联接，控制面板15上建立虚拟场景→利用c#语言编写脚本NGUI（unity中的一个插件）进行菜单制作→通过导入ProE、SolidWorks建模的零件，然后利用零件的相对位置坐标进行虚拟装配并导出已开发的虚拟EXE文件，然后利用3d max软件制作动画→将虚拟交互EXE文件上传到服务器的数据库中→通过JSP编程将EXE文件的链接嵌入网页中→点击网页相应按钮触发EXE文件即可进行虚拟实验操作，实验产生的数据将通过与数据库的链接通道保存到服务器数据库相关区域→通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，并显示在网页上。
所述槽口2为U形槽口或方形槽口。
所述底座1的长度大于槽口2的长度，底座1的宽度大于槽口2的宽度。
所述步进电机固定座3的长度小于底座1的长度，步进电机固定座3的宽度小于底座1的宽度，步进电机固定座3的高度小于底座1的高度。
所述滑槽11为U形槽或方形槽。
所述横梁10的长度大于滑槽11的长度，横梁10的宽度大于滑槽11的宽度。
所述运动连杆12的高度小于立柱9的高度。
所述控制面板15的长度小于底座1的长度，控制面板15的宽度小于底座1的宽度，控制面板15的高度小于底座1的高度。
所述控制面板15与步进电机5、编码器6及限位开关14连接，采集编码器6及限位开关14的数据并驱动步进电机5。
所述调节螺母4的高度大于槽口2的高度。
所述调节螺母4的直径小于槽口2的宽度。
所述运动连杆12在底座1和横梁10之间的二维平面运动，由步进电机5驱动主动同步带轮7，主动同步带轮7通过同步带8驱动从动同步带轮17带动运动连杆12做机械运动。
所述主动同步带轮7的直径大于从动同步带轮17的直径。
所述同步带8的张紧程度通过调节步进电机固定座3在槽口2上的位置去实现，确保主动同步带轮7和从动同步带轮17传动比的准确。
所述控制面板15里面集成了控制器和显示屏，控制系统对现有机械实验零件按类型归类，然后按尺寸细化，最后利用三维软件（solidworks、UG、3DMAX等）绘制其三维模型，并对模型进行编号和渲染，供后续虚拟实验选用。
所述交互式虚拟装配可以与用户交互性发生动作，用户决定装配演示的开始或中断等。通过加上相应的脚本程序，构造出不同的虚拟装配场景，实现交互功能,实现用户对场景的修改、调整、重新组合等编辑功能。
所述虚拟实验教学平台通过在控制面板15里面进行程序的编辑，场景的设计与调用，首先进行虚拟的仿真实验，然后用户可以通过设置启动实际的机械结构去进行真实实验，控制系统通过编码器及限位开关去采集连杆的运动数据，与虚拟实验进行对比，得出分析结果。
所述虚拟实验教学平台的内部虚拟零部件库以连杆、滑块、凸轮、齿轮、槽轮、轴、带、螺栓以及键等机械零部件为基本构件，辅以各种不同类型的运动副和主机架，充分发挥用户的创新意识和奇思妙想，按照机构运动原理和组成原理，在控制面板15上随意拼装各种零部件，把各自的创新思想贯穿在机构创新设计方案中，最终搭建出虚拟机构。
所述unity3D文件以插件形式插入到静态网页中，然后利用GetURL，实现外部事件调用并触发unity3D文件，数据库与静态网页之间通过JSP语言链接，操作虚拟文件产生的数据通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，即可实现虚拟文件与数据库的链接。
本虚拟实验教学平台在使用时，通过在控制面板15里面进行程序的编辑，场景的设计与调用，unity3D文件以插件形式插入到静态网页中，然后利用GetURL，实现外部事件调用并触发unity3D文件，数据库与静态网页之间通过JSP语言链接，操作虚拟文件产生的数据通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，即可实现虚拟文件与数据库的链接，首先进行虚拟的仿真实验，然后用户可以通过设置启动实际的机械结构去进行真实实验，控制系统通过编码器及限位开关去采集连杆的运动数据，与虚拟实验进行对比，得出分析结果，或者登录网页，进行网上的虚拟实验。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，包括底座（1）、槽口（2）、步进电机固定座（3）、调节螺母（4）、步进电机（5）、编码器（6）、主动同步带轮（7）、同步带（8）、立柱（9）、横梁（10）、滑槽（11）、运动连杆（12）、滑块（13）、限位开关（14）、控制面板（15）、从动同步带轮安装座（16）、从动同步带轮（17），其特征在于：所述底座（1）上设有槽口（2），底座（1）的顶部设有步进电机固定座（3），步进电机固定座（3）上设有通孔，通孔内设有调节螺母（4），步进电机固定座（3）的顶部设有步进电机（5），步进电机（5）的后部设有编码器（6），编码器（6）与步进电机（5）的轴的一端连接，步进电机（5）的轴的另一端设有主动同步带轮（7），主动同步带轮（7）与步进电机（5）的轴通过键和键槽连接，主动同步带轮（7）上设有同步带（8），底座（1）的左右两端设有立柱（9），立柱（9）上设有横梁（10），横梁（10）上设有滑槽（11），底座（1）和横梁（10）之间设有运动连杆（12），运动连杆（12）上设有滑块（13），立柱（9）的内侧设有限位开关（14），底座（1）上设有控制面板（15），滑块（13）上设有从动同步带轮安装座（16），从动同步带轮安装座（16）上设有从动同步带轮（17），主动同步带轮（7）和从动同步带轮（17）与同步带（8）联接，控制面板（15）上建立虚拟场景→利用c#语言编写脚本NGUI（unity中的一个插件）进行菜单制作→通过导入ProE、SolidWorks建模的零件，然后利用零件的相对位置坐标进行虚拟装配并导出已开发的虚拟EXE文件，然后利用3d max软件制作动画→将虚拟交互EXE文件上传到服务器的数据库中→通过JSP编程将EXE文件的链接嵌入网页中→点击网页相应按钮触发EXE文件即可进行虚拟实验操作，实验产生的数据将通过与数据库的链接通道保存到服务器数据库相关区域→通过JSP将服务器数据库相关区域的实验数据取出，并显示在网页上。
2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述槽口（2）为U形槽口或方形槽口。
3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述底座（1）的长度大于槽口（2）的长度，底座（1）的宽度大于槽口（2）的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述步进电机固定座（3）的长度小于底座（1）的长度，步进电机固定座（3）的宽度小于底座（1）的宽度，步进电机固定座（3）的高度小于底座（1）的高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述滑槽（11）为U形槽或方形槽。
6.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述横梁（10）的长度大于滑槽（11）的长度，横梁（10）的宽度大于滑槽（11）的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述运动连杆（12）的高度小于立柱（9）的高度。
8.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述控制面板（15）的长度小于底座（1）的长度，控制面板(15)的宽度小于底座（1）的宽度，控制面板（15）的高度小于底座（1）的高度。
9.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述调节螺母（4）的直径小于槽口（2）的宽度。
10.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的虚拟实验教学平台，其特征在于：所述调节螺母（4）的高度大于槽口（2）的高度。
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