挖掘机工作机构建模及运动仿真(附件)
虚拟现实技术是随着信息技术的发展而新兴的一门技术。由于其应用范围非常广泛，涉及各行各业，虚拟现实技术已成为一门非常重要的技术。本课题主要研究的是根据挖掘机原有资料，在UG中对挖掘机工作机构建立三维模型，并按实际装配关系进行装配，并在UG中实现传统的运动仿真。然后再导入Unity 3d实现人机交互式虚拟仿真。与传统的运动仿真不同的是，在Unity 3d中的虚拟仿真技术不仅可以可以实现其运动仿真，而且方法众多，还对学习挖掘机的驾驶技能有非常重要的意义。 本文主要工作和结果如下：一，对挖掘机仿真现状和虚拟现实现状的分析，确保其可行性；二，总体方案设计；三，在UG中实现挖掘机工作机构的运动仿真；四，在Unity 3d中实现挖掘机相应动作的控制；关键字：Unity 3d 挖掘机 UG 虚拟现实 仿真目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2虚拟现实技术 1
1.3课题研究内容和方法 2
1.4课题研究目的和意义 3
第二章 Unity概述 3
2.1 Unity 3d游戏引擎介绍 3
2.2 Unity 3d引擎特点 4
2.3 Unity 3d脚本概述 5
第三章 UG中挖掘机工作机构建模及运动仿真 7
3.1 UG简述 7
3.2 UG中挖掘机的建模与装配 7
3.3 UG中挖掘机工作机构的运动仿真 9
第四章 Unity 中实现虚拟仿真 14
4.1 设计任务和设计思想 14
4.2 挖掘机模型的前期处理 15
4.3 算法的实现 18
4.4 存在的问题以及完善 29
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究背景
挖掘机是一种非常重要的土石方施工机械设备，广泛应用与诸多领域。 挖掘机的发展不仅能减轻繁重的体力劳动强度，节约成本。 而且能保证施工质量， 提高工作效率，同时加快发展建设。但是目前我国挖掘机驾驶员培训主要有以下三种方式：1，培训机构开展的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究背景
挖掘机是一种非常重要的土石方施工机械设备，广泛应用与诸多领域。 挖掘机的发展不仅能减轻繁重的体力劳动强度，节约成本。 而且能保证施工质量， 提高工作效率，同时加快发展建设。但是目前我国挖掘机驾驶员培训主要有以下三种方式：1，培训机构开展的就业前培训，2，施工单位自己培训自己的员工，3，社会上的个体自主培训[1]。
目前挖掘机驾驶员技能培训大都是由经验丰富的老师傅作为培训老师，都是用师带徒的方式来进行培训的。但是不管是哪种培训方式，每个老师傅的认知结构，操作方式，理论知识等不尽相同，就导致了培训出来的员工质量、服务好坏不一，没有保证。最重要的是在整个培训过程中没有系统的知识体系指导，这就为施工时所强调的安全背道而驰，工人的生命无法得到很好的保障[2]。在这样的背景下，就有很多人投入了虚拟现实培训系统的开发，虚拟现实培训不仅安全，节约成本，环保而且具有一定的娱乐性。
1.2虚拟现实技术
虚拟现实技术，涉及很多领域，如计算机图形学、人机交互、传感、人工智能等技术[3]。它利用计算机完成高仿真的三维视、听、嗅觉等，使人通过控制设备，轻松地对虚拟物体进行交互作用。当人的控制设备进行位置移动时，电脑立即完成复杂的运算，将准确的3D世界图像传回，产生十分逼真的临场感。极大地改善了很多我们以往的工作方式。
虚拟现实技术已经应用于各行各业，极大地改善了人类的实验方式。虚拟现实技术本质就是让用户可以完全沉浸在一种人为的虚拟环境当中，通过虚拟现实软件和外部设备与计算机进行交互，进行构思，完成我们所期望的任务，如图 1.1所示[2] 。
1.1 虚拟现实概念图
1.3课题研究内容和方法
主要研究内容
挖掘机虚拟仿真主要由硬件系统、数据库系统和软件系统等三部分组成。在软件系统中主要使用UG来进行三维实体模型的建立,装配，运动仿真。然后采用 Unity3d 来对仿真环境进行设定,在 Unity3d 平台上编写仿真程序，并使用键盘上按键来进行挖掘机运动仿真。
关键技术
运动学分析：本文的虚拟仿真中，在 Unity3d 中的虚拟的环境下实现挖掘机的基本动作和人机交互的实现是本次设计研究的重点和难点。尤其动作的实现对于习惯在机械专业软件中仿真的我们，大大地低估了其难度系数。
1.4课题研究目的和意义
自从计算机软硬件设备的发展，虚拟现实的应用越来越广泛。国内也有人从事于工程机械驾驶模拟训练项目的开发。而且某些专业技术的培训很适合虚拟培训，并且在生活中变得越来越重要。虚拟现实培训系统比传统的培训花费少，方便，投入少，可以说一劳永逸，只需要简单地维护。而且系统维护要比机器故障维修安全，方便的多。
挖掘机虚拟现实的模拟仿真，可以为挖掘机培训提供很好的便利。对于那些没有接触过或者只有在书本上接触过挖掘机的初学者，在实际上挖掘机操作之前可以先通过模拟系统来感受挖掘机的驾驶，以防刚上挖掘机而不懂操作，引发事故。
第二章 Unity概述
2.1 Unity 3d游戏引擎介绍
Unity 3D是由Unity?Technologies开发的一款可以创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎[4]。
游戏引擎是实现虚拟现实的必要工具，所以选择一款适合的引擎尤为重要。本文选择Unity 3d来实现挖掘机的虚拟仿真。Unity 3d能够很方便的制作3D游戏，是一款受大众亲睐的游戏开发平台。Unity 3d拥有强大地资源整合能力，能够很方便的运用其他平台的资源；而且拥有强大的计算机程序编译功能，是一款综合性非常强的游戏开发引擎[5]。游戏测试并编辑后，待一切完备就绪，可以发布到你所需要运行的平台。Unity3d 提供了 Android、iPhone、Mac、Wii 还有 Windows 平台，也可以利用 Unity3d 引擎中的 Unity web player 插件，将你开发的游戏发布为网页游戏的形式，支持 Windows 和 Mac 系统下的网页浏览[2]。 Unity 3d支持的目标平台如图21所示：
图21 Unity 3d支持的目标平台
2.2 Unity 3d引擎特点
一，Unity3d本身所具有的特点：
1.强大地综合编辑特性
Unity用户界面拥有层次式的开发环境，逼真的视觉化编辑，编辑器的属性非常详细，还具有非常方便的游戏动态预览特性。所以，Unity 也时常被大家用来开发游戏原型或制作游戏[6]。
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第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2虚拟现实技术 1
1.3课题研究内容和方法 2
1.4课题研究目的和意义 3
第二章 Unity概述 3
2.1 Unity 3d游戏引擎介绍 3
2.2 Unity 3d引擎特点 4
2.3 Unity 3d脚本概述 5
第三章 UG中挖掘机工作机构建模及运动仿真 7
3.1 UG简述 7
3.2 UG中挖掘机的建模与装配 7
3.3 UG中挖掘机工作机构的运动仿真 9
第四章 Unity 中实现虚拟仿真 14
4.1 设计任务和设计思想 14
4.2 挖掘机模型的前期处理 15
4.3 算法的实现 18
4.4 存在的问题以及完善 29
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究背景
挖掘机是一种非常重要的土石方施工机械设备，广泛应用与诸多领域。 挖掘机的发展不仅能减轻繁重的体力劳动强度，节约成本。 而且能保证施工质量， 提高工作效率，同时加快发展建设。但是目前我国挖掘机驾驶员培训主要有以下三种方式：1，培训机构开展的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究背景
挖掘机是一种非常重要的土石方施工机械设备，广泛应用与诸多领域。 挖掘机的发展不仅能减轻繁重的体力劳动强度，节约成本。 而且能保证施工质量， 提高工作效率，同时加快发展建设。但是目前我国挖掘机驾驶员培训主要有以下三种方式：1，培训机构开展的就业前培训，2，施工单位自己培训自己的员工，3，社会上的个体自主培训[1]。
目前挖掘机驾驶员技能培训大都是由经验丰富的老师傅作为培训老师，都是用师带徒的方式来进行培训的。但是不管是哪种培训方式，每个老师傅的认知结构，操作方式，理论知识等不尽相同，就导致了培训出来的员工质量、服务好坏不一，没有保证。最重要的是在整个培训过程中没有系统的知识体系指导，这就为施工时所强调的安全背道而驰，工人的生命无法得到很好的保障[2]。在这样的背景下，就有很多人投入了虚拟现实培训系统的开发，虚拟现实培训不仅安全，节约成本，环保而且具有一定的娱乐性。
1.2虚拟现实技术
虚拟现实技术，涉及很多领域，如计算机图形学、人机交互、传感、人工智能等技术[3]。它利用计算机完成高仿真的三维视、听、嗅觉等，使人通过控制设备，轻松地对虚拟物体进行交互作用。当人的控制设备进行位置移动时，电脑立即完成复杂的运算，将准确的3D世界图像传回，产生十分逼真的临场感。极大地改善了很多我们以往的工作方式。
虚拟现实技术已经应用于各行各业，极大地改善了人类的实验方式。虚拟现实技术本质就是让用户可以完全沉浸在一种人为的虚拟环境当中，通过虚拟现实软件和外部设备与计算机进行交互，进行构思，完成我们所期望的任务，如图 1.1所示[2] 。
1.1 虚拟现实概念图
1.3课题研究内容和方法
主要研究内容
挖掘机虚拟仿真主要由硬件系统、数据库系统和软件系统等三部分组成。在软件系统中主要使用UG来进行三维实体模型的建立,装配，运动仿真。然后采用 Unity3d 来对仿真环境进行设定,在 Unity3d 平台上编写仿真程序，并使用键盘上按键来进行挖掘机运动仿真。
关键技术
运动学分析：本文的虚拟仿真中，在 Unity3d 中的虚拟的环境下实现挖掘机的基本动作和人机交互的实现是本次设计研究的重点和难点。尤其动作的实现对于习惯在机械专业软件中仿真的我们，大大地低估了其难度系数。
1.4课题研究目的和意义
自从计算机软硬件设备的发展，虚拟现实的应用越来越广泛。国内也有人从事于工程机械驾驶模拟训练项目的开发。而且某些专业技术的培训很适合虚拟培训，并且在生活中变得越来越重要。虚拟现实培训系统比传统的培训花费少，方便，投入少，可以说一劳永逸，只需要简单地维护。而且系统维护要比机器故障维修安全，方便的多。
挖掘机虚拟现实的模拟仿真，可以为挖掘机培训提供很好的便利。对于那些没有接触过或者只有在书本上接触过挖掘机的初学者，在实际上挖掘机操作之前可以先通过模拟系统来感受挖掘机的驾驶，以防刚上挖掘机而不懂操作，引发事故。
第二章 Unity概述
2.1 Unity 3d游戏引擎介绍
Unity 3D是由Unity?Technologies开发的一款可以创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎[4]。
游戏引擎是实现虚拟现实的必要工具，所以选择一款适合的引擎尤为重要。本文选择Unity 3d来实现挖掘机的虚拟仿真。Unity 3d能够很方便的制作3D游戏，是一款受大众亲睐的游戏开发平台。Unity 3d拥有强大地资源整合能力，能够很方便的运用其他平台的资源；而且拥有强大的计算机程序编译功能，是一款综合性非常强的游戏开发引擎[5]。游戏测试并编辑后，待一切完备就绪，可以发布到你所需要运行的平台。Unity3d 提供了 Android、iPhone、Mac、Wii 还有 Windows 平台，也可以利用 Unity3d 引擎中的 Unity web player 插件，将你开发的游戏发布为网页游戏的形式，支持 Windows 和 Mac 系统下的网页浏览[2]。 Unity 3d支持的目标平台如图21所示：
图21 Unity 3d支持的目标平台
2.2 Unity 3d引擎特点
一，Unity3d本身所具有的特点：
1.强大地综合编辑特性
Unity用户界面拥有层次式的开发环境，逼真的视觉化编辑，编辑器的属性非常详细，还具有非常方便的游戏动态预览特性。所以，Unity 也时常被大家用来开发游戏原型或制作游戏[6]。
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