基于VR技术的电梯限速器校验实训系统研究.pdf

26特 种 设 备 安 全 技 术2023 年第 5 期1限速器 VR 实训方案设计本文针对电梯限速器校验实训系统设计，系统主要以交互功能为主。为提高学员在限速器校验 VR 实训系统使用过程的可交互性，实训系统设计为步骤式，着重让受训人员通过交互的形式体验限速器校验的全流程，同时设计考核模式，针对重点学习内容进一步巩固，提高学习效率。在实训过程中添加文字说明、语音提醒、错误提示，实训系统设计总体结构如图 1 所示。图 1限速器校验 VR 实训系统总体结构图教学模式下，通过预设流程、虚拟模型高亮显示、提示性的文字、语音等方式指导学员逐步完成整个校验试验，其中包括工具的使用、限速器校验前的准备、校验设备的设置、校验设备的使用。学习操作过程中，如果学员未按照系统预设指示对限速器校验及其设备进行操作，系统发出错误提示或者指示，提醒操作人员返回上一步操作或者退出重新开始。当系统的既定设置的教学内容结束后，实训培训系统将提示学员操作结束，将强制传送受训人员至教学模式下的开始界面。考核模式下，设计了 3 层次（基础、提升、挑战）0引言电梯限速器是电梯一个非常重要安全部件，是避免电梯轿厢（或者对重）超速运行的重要安全保障装置，也称之为断绳保护和超速保护装置1。然而因电梯维保工作不到位、锈蚀、卡滞等问题导致电梯失速时限速器不起作用的情况时有发生，为杜绝该现象的发生，国家总局以修改单的形式在电梯检验规则电梯监督检验和定期检验规则曳引与强制驱动电梯（TSG T7001-2009）增加了：“检验人员现场观察确认电梯限速器校验的过程”的检验项目要求2。在实际在检验过程发现存在耗费时间长、实施困难等情况，究其原因是检验人员疲于应对日常的电梯检验工作，电梯维保人员没有经过系统培训，导致限速器校验人员及检验人员对电梯限速器校验过程不熟悉；一方面原因是由于人机比矛盾突出；另一方面是电梯限速器校验的培训难度大，存在占用电梯时间长耽误电梯正常投入使用，同时存在手指被挤压、校验设备被损坏的风险。近年来，计算机技术与新兴技术得到了高速的发展，基于 VR 技术开发的教学系统日渐普及，打破了传统枯燥、被动的教学模式，很好的改善了教学环境及人机交互模式，使得 VR 技术在各行教学领域得到的很大程度的应用3-6，本文通过3D 建模、VR 技术还原限速器校验场景与校验过程，能够实现受训人员亲临其境的体验限速器校验过程的功能，达到快速、安全、准确的培训限速器校验能力的目的。基于 VR 技术的电梯限速器校验实训系统研究周叶平汪有韬兰清生李婷婷胡诚摘要针对电梯限速器校人员培训效率低、占用设备时间长、危险系数高的问题,提出一种基于 VR 技术的电梯限速器校验实训系统。系统借用虚拟现实、3D 建模等新兴技术，联合限速器校验实训内容，搭建逼真的限速器校验场景，交互式指导限速器校验的流程，快速培训电梯作业人员、电梯检验人员的实际操作能力，对比较于传统实训方法，系统具有明显的优势，具备较好的推广应用价值。关键词VR 技术电梯限速器校验实训系统收稿日期：2023-05-1927特 种 设 备 安 全 技 术2023 年第 5 期不同难易程度的考核试题，操作者可以根据自己在教学模式下学到的知识进行答题，以测试受训后取得的成绩。考核完成后，系统语音播放“考核模式已结束，成绩正在计算中，请稍后”，然后显示成绩页面，选择重新考核或者返回教学模式。2实训系统 3D 建模本文以离心式 OX-240 型额定速度为 2.0m/s 限速器的校验过程为研究对象，为尽提高限速器关键部件、校验设备、辅助工具等模型的准确性、真实度，采用 Creo进行参数化建模。在保证轻量化模型不失真的情况下实现模型数据大小的压缩，只需要将 Creo 软件中参数化建立的模型导入Maya软件中进行布线、减面等轻量化处理。限速器校验环境包括电梯机房、机房内设备（包括配电箱、曳引机、控制柜等）、电梯轿顶等环境，由于这些环境模型对精度要求低，不需要参数化建模，可直接使用 Maya 软件建模。针对上述环境模型特征，可细分为包括：管道类的模型、软变形的物体模型、不规则模型、需安装孔模型7。Maya中创建这些模型的方法有：管道类模型通过 Extrude（挤出）命令实现建模，使用CV 曲线绘制路径后执行 Extrude（挤出）命令可得到管道类模型，然后转化为 polygon 进行点线面编辑及平滑处理。软变形的物体模型，采用 Soft Modification（软修改工具）命令来实现，针对需要骨骼处理高要求的模型，需要使用 Create IK Handle 的控制命令，以实现对模型的软运动控制，例如限速器支架、绳轮、棘轮、压绳打板组件、限位开关、甩块部件、甩块连杆、调节螺杆、打板部件、调节弹簧、限速器校验仪主机、速度传感器、驱动电机等模型8-9，如图 2 所示。图 2限速器模型限速器绳轮轴、压绳打板组件等需要安装在支架上，这种需要安装孔来满足定位安装的模型，首先完成基础建模后，创建一个圆柱体，设置圆柱体半径等于孔的半径，然后将圆柱体放置于需打孔的位置，通过布尔工具 Booleans 完成去除模型，即可得到安装孔。最后通过Center Pivot（居中枢轴）功能将模型的轴中心再一次居中，执行History命令后即可解除其与Booleans的关联10。对于不规则模型，为使其固定比例不发生变化，需要将剖面图导入 Maya 中并将其添加到 Layers 进行冻结，以该剖面图作为参照，通过 Maya 中点、线、面的基本操作即可绘制大小类似外形。然后通过软化边（Soft Edge）功能和平滑命令对模型进行细化。3系统搭建为尽可能的展示还原限速器校验的操作流程，同时建立的场景模型富有视觉冲击，可以逐步指导实训人员完成实训，需要编辑脚本程序以实现系统预设逻辑，实现对各零部件模型、设备模型、环境模型、控制按钮、UI 交互界面进行控制，需要在 Unity3d 引擎中搭载脚本来实现。为丰富实训系统的内容，提升受训人员的真实体验，可以添加插件、特效、制作动画等功能11-12；同样需要搭载脚本，给予控件外接窗口以便于素材的导入。因本实训系统发布后需要在头戴式VR设备上运行，本文选用 HTC Vive 头盔作为程序运行终端。同时在系统中需要传送、抓取对象、交互等功能，选择利用控制手柄上的 VRTK_ControllerEvents 控制器事件功能进行开发，当控制器的手柄按钮被按下，脚本发出一个事件表示按钮被按下了，表明该事件已触发，如图 3 所示 HTC Vive 头盔与手柄。图 3HTC Vive 头盔实训系统中需要用到抓取功能，如限速器钢丝绳脱槽的辅助夹具、校验仪的驱动装置，速度传感器等，为实现抓取功能，需要在手柄上要添加 VRTK_InteractGrab脚本，在被抓取的物体上添加 VRTK_InteractableObject脚本，并且设置 isGrabbable 标志位设置为真，当需要抓取物被触碰，即可实现抓取物体，反之则实现释放，图 4 所示抓取功能实现。28特 种 设 备 安 全 技 术2023 年第 5 期图 4抓取功能实现图4结论相对于传统的限速器校验培训所面临的培训效率低、占用设备时间长、危险系数高等问题，设计的 VR实训系统有以下优势：（1）操作无风险，相对于现场培训存在手指挤压、坠落、触电等风险，在虚拟环境中操作实训，不存在任何危险，有效保障受训人员人身安全。（2）不占用设备、使用场地少，由于在虚拟环境中实施限速器校验的实训过程，可以不占用电梯、限速器、校验设备等，同时所需场地极少。（3）培训效率高，相较于现场传统培训，学员可以身临其境的学习校验流程及技能要点，培训效率高。（4）重复培训成本低，在虚拟场景中受训人员可以多次培训学习，实训成本低。参考文献1 曾健生,陈永煊,汤景升.一种基于闭环控制系统的电梯限速器校验仪器 J.中国电梯,2021,32（12）:57-62.2 郑杰,熊光荣.高速电梯限速器的机械设计 J.机电工程技术,2020,49（03）:133-136.3 肖乾,彭俊江,李萍,等.CRH3 型动/拖转向架虚拟检修系统设计及关键技术研究 J.实验室研究与探索,2020,39（9）:123-127.4 肖安南,张蔚翔,朱宏,等.基于虚拟现实技术的电力消防安全培训系统研究 J.信息技术,2021（6）:154-159.5 王利,陈清奎,宋文浩,魏鑫鑫.基于 VR 的数控铣床虚拟仿真教学系统 J.模具工业,2021,47（5）:75-78.6 肖乾,王丹红,史开志.动车组密接式车钩虚拟仿真实验系统设计 J.实验室研究与探索,2019,38（10）:110-114.7 曹敏.基于 Unity3D 的多用户交互系统设计研究 J.西安文理学院学报,2021,24（2）:58-61.8 谭凯,徐义.电梯限速器常见问题及校验技术创新 J.工程建设与设计,2020（06）:148-149.9 杨新洲.电梯限速器常见问题及校验技术创新 J.现代制造技术与装备,2021,301（12）:166-168.10 王峰,李智星,王俊珲,王昕泽.基于 VR 的水模拟水灾害教学实验平台研究,2022（18）:166-168.11 张琴.基于 MAYA 的 Polygon 建模方法分析及应用 J.软件开发,2020（4）:45-47.12 张焕,刘文哲,屈海洋.超级虚拟轨道列车人机交互系统软硬件设计 J.中国科技信息,2022（22）:102-104.国家市场监督管理总局科技计划项目（编号：2020MK056）作者周叶平汪有韬兰清生李婷婷胡诚江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院江西南昌邮编330052（2）施工人员在存放钢丝绳的时候要注意防潮，放置在干燥的地方，避免钢丝绳的生锈。在对限速器钢丝绳进行安装的时候，要顺着钢丝绳缠绕的方向按次序拉出钢丝绳，不能发生弯折等，在使用电锯、焊机等工具时更加要远离限速器钢丝绳避免对钢丝绳造成机械损伤。（3）在施工人员对电梯安装完成后，电梯制造厂家的自检人员应严格按照相关文件4规定，结合厂家自检方案要求逐项进行自检，认真完成自检报告。在进行限速器-安全钳试验之前可以检查一下限速器、安全钳的安装是否正确，限速器棘爪动作、安全钳楔块动作等各个环节是否能够独立或联动正常，再开始试验，可避免在试验过程中发生限速器钢丝绳断裂的情况，降低事故的发生可能性。5结束语电梯的安全运行离不开规范的管理和各环节人员的认真负责。电梯限速器-安全钳联动机构是电梯安全装置的重要部件组成，是保障乘坐电梯人民群众生命安全和电梯使用单位财产安全的一道重要屏障，是电梯型式试验、安装、维护保养和日常检查的重点项目。保证限速器钢丝绳的可靠性，是维持限速器稳定触发安全钳的重要一环，更是乘客安全和电梯安全运行的有力保障。本文分析了一起电梯离心式有压绳装置限速器动作失效的原因，安装时要根据安装流程步骤、注意细节的把控，检验时应当予以仔细确认。在我们的共同努力下，争取让所有电梯安全运行，力求有效预防和降低相应的事故，把电梯事故率降到最低。参考文献1 电梯监督检验和定期检验规则曳引与强制驱动电梯（TSG T7001-2009）.2 电梯制造与安装安全规范第 1 部分：乘客电梯和载货电梯（GB T 7588.1-2020）.3 电梯用钢丝绳（GB/T 8903-2018）.4 电梯安装验收规范（GB/T 10060-2011）.作者符辉荣广东省特种设备检测研究院广东佛山邮编528200（上接第 25 页）