基于Gazebo虚拟世界的草莓采摘机器人仿真研究

【目的】提高草莓采摘的自动化水平,解放劳动力并降低采摘成本。【方法】研究小组设计了一种基于曲柄连杆机构的三爪同步夹持式采摘机器人,分析了其主要部件Kinect深度相机、六轴机械臂以及三爪夹持式采摘机械手的结构设计,并在Gezebo虚拟世界中构建了采摘机器人的模型,生成了草莓采摘机器人的末端运动轨迹,完成了该草莓采摘机器人的前期开发试验和算法验证。【结果】该草莓采摘机器人可精准地夹持草莓,减小了采摘过程中对草莓表皮的损伤,同时机械臂末端运动半径最大可达770 mm,完全满足小型辅助采摘设备的基本需求。【结论】Gazebo能真实地还原草莓采摘的自然环境,充分验证了该草莓采摘机器人的可行性,同时还可以在虚拟环境中模拟不同的任务场景,可为六轴机械臂或其他多轴运动机械的运行轨迹设计提供准确的实验数据,并为机器人的实际应用提供指导。

生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心的建设与应用

生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心通过优秀科研项目转化以及与高新技术企业合作开发,建设了一批高质量的生物类虚拟仿真实验教学资源。多层次、多元化的资源为学生前沿科学知识学习、综合性科研训练和生物下游产业技术训练提供有利环境,有效地实现教学模式的转变以及学科交叉知识的学习和延伸。全天候开放共享虚拟仿真实验教学平台,实现虚拟仿真实验教学软件、实验标准化视频、教学课件和测试题库等线上教学资源的有机整合,满足随时随地实验教学需求,支持了一系列的混合式线上线下实验教学课程开展。生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心与国家级生物科学实验教学示范中心形成了“双中心”融合发展的创新人才培养实验教学体系,“虚实结合”的实验教学模式,提升了学生的综合科研能力与教师的业务水平,培养了满足社会需求的生物技术创新实践人才。

近十年我国高校虚拟仿真实验教学研究发展述评

自从2013年教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来,近十年我国高校在虚拟仿真实验领域产生了大量的研究新进展与应用新成效。采用CiteSpace软件分析CNKI数据库中2014~2023年的高校虚拟仿真实验或虚拟现实实验文献集合,挖掘了该领域研究的核心单位、作者与发文期刊;分析了高被引文献的特征。同时,基于关键词共现关系聚类,阐释了虚拟仿真实验研究的主要类别、发展历程和前沿领域,进而探讨了虚拟仿真实验教学的技术层次、覆盖学科、开发软硬件和发展趋势。研究得出,标准化、网络化共享平台和混合现实技术,是推动虚拟仿真实验新发展的重要技术途径。

人工影响天气虚拟仿真实验及课程体系建设

在“人工影响天气”的相关课程教学中,构建虚拟仿真实验教学平台有助于学生深入理解基础理论知识,并对实际业务操作及催化方案设计、优化产生感性认识。虚拟仿真实验教学突破了室内教学时空及仪器设备昂贵的局限性,解决了自然界中不能对同一块云反复催化的实际困难,对云降水环境及人工催化过程高度重现,对理论教学体系及教学形式进行补充,完善了课程教学体系。此外,科技成果在教学和本科生科研创新活动的引入,进一步增强学生科技创新意识及学习兴趣,促进了科研创新型人才的培养。

“虚拟仿真+试误教学法”实验教学模式的探索与实践

以虚拟仿真结合“试误”教学法,建立混合式实验教学模式用于药学专业高危类化学实验教学。以氧化石墨烯的制备为例,采用3D MAX、IdeaVR等软件对实验场景、仪器设备等进行高度仿真。在线教学模式便于学生随时随地沉浸式学习,凸显“以学生为本”的教育理念;增加“试误”选项,让学生体验错误操作会导致爆炸等危险后果,强化关键知识点。基于“试误”教学法的虚拟仿真实验模式,不仅解决了传统实验教学中安全隐患大、污染严重等问题,能够以虚补实,而且为学生创造了自主性高、探索式学习环境,同时,该教学模式为危险系数高的化学类实验课程的开设提供了教学示范。

新工科背景下化工虚拟仿真实训中心建设

在新工科背景下虚拟仿真技术融合到化工实践教学中可以有效解决实践教学困难,淮北师范大学化工专业通过强化师资队伍、更新教学理念和探索过程性考核等举措不断深化虚拟仿真中心建设。虚拟仿真的引入有助于提高本科生的创新精神、工程能力和安全意识,满足化工行业需求的创新型技术人才,为提高本科教学质量提供有力保障。

沉浸式3D虚拟仿真实验平台构建

为解决传统实践教学在时间、空间上的局限性,增强实践教学的互动性,以虚拟智慧城市中的物联网创新应用为研究对象,结合虚拟现实技术,在实验内容和教学模式中融入价值创造和创业素养,构建融入“创新实验路径”和“多层次综合实验项目”的物联网专业沉浸式3D虚拟仿真实验平台。采用布鲁姆教学目标分类法设计3D虚拟仿真实验教学目标,并按照IAPVE的实施模型,构建基于3D虚拟仿真实验平台的教学实施模型和考核评价模型。实施结果表明,该3D虚拟仿真实验平台及教学实施和考核评价模型可指导实践教学改革,实现学生综合能力的全面协同提升。

数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

实践教学是土力学教学中必不可少的环节,高校现有条件和外部环境难以满足日趋多元化的实践需求。利用虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法,开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台,并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。以矿区地表变形监测为例,直观展现地表变形、仪器布设、变形监测及数据处理全过程。研究成果表明,数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力,符合现代岩土工程实验技术的发展方向。

医学生理学虚拟仿真项目的设计与实现

生理学是一门重要的医学基础课程。在生理学教学中引入虚拟仿真技术,将部分授课内容情境化、可视化,并实现人机交融和互动,对传统教学模式将是重要的补充和提升。在生理学虚拟仿真项目的设计和开发中,要以教学目标为导向,贴合教学内容,注重思维培养,合理运用先进的多媒体技术,虚实结合,使虚拟仿真项目更好地为教学服务。

电厂锅炉实验虚拟仿真系统建设与应用

为开展能动专业核心课程“锅炉原理”的实验教学,校企合作开发了电厂锅炉实验虚拟仿真系统。基于两相流动与辐射对流传热原理构建的仿真系统,由风烟和汽水两大模型构成,严格遵守质量、能量、动量守恒方程。变负荷虚拟实验显示,随锅炉负荷增加,热效率降低、燃料耗量增加。根据辐射传热原理,结合火焰平均温度计算发现:只有炉膛出口烟温增加,才能保证炉膛传热负荷增加,继而抬升排烟温度,导致排烟热损失变大、锅炉热效率降低。锅炉原理实验虚拟仿真,可训练学生运用锅炉本体热力计算原理分析问题的思维,是落实创新能力培养的重要举措。

基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(二):面向复杂系统涌现现象的虚拟仿真推演框架

复杂性是能源互联网的重要特征与演进趋势,复杂性及其所伴随的涌现现象往往使得基于机理模型(白箱子)的仿真、分析、推演方法不再适用于复杂系统。得益于数据科学、仿真技术、孪生技术的共同发展,虚拟孪生技术成为应对复杂系统的利器。面向复杂性,该文对虚拟孪生技术及其应用前景进行探究,并重点讨论虚拟孪生系统的基本特性、支撑理论、技术体系、建设流程及其案例分析等,进一步提出基于虚拟仿真推演技术的涌现现象认知框架。该工作一方面为在能源系统中开展虚拟孪生工作提供参考借鉴,另一方面也有益于虚拟孪生技术的推进。

牛生产学虚拟仿真教学课程建设与应用研究

为推动信息技术与高等教育深度融合,该文以高校牛生产学教学需求为导向,聚焦高等教育高质量发展的迫切需要,基于动物科学专业及牛生产学课程教学的特点,从课程建设及应用要解决的重点,教学载体与教学方法、虚拟仿真教学课程内容与组织实施、课程成绩评定方式、课程评价及改革成效等方面,对牛生产学引入虚拟仿真教学、虚实结合的课程建设及应用进行详尽的研究。通过项目实施,构建校企信息共享平台、形成虚实融合教学模式,创新人才培养模式。

“机械制造技术”课程虚拟仿真实验系统设计

针对“机械制造技术”课程中传统现场实验教学的不足,设计开发了机械制造技术虚拟仿真实验系统。该系统以航空航天制造领域的实际工程问题为导向,结合任务驱动的实验教学模式,实现了加工状态监测、加工质量检测和切削参数优化等实验教学内容。引入数据驱动的切削模型构建方法,提高了虚拟仿真实验的实时性和可信度。实践表明,该实验能够满足课程的实践教学需求,激发学生的自主学习热情,提升学生的实践能力和创新意识。

激光诱导击穿光谱(LIBS)分析虚拟仿真实验

虚拟仿真实验作为大型仪器分析实验教学模式的新兴趋势,有效地将虚拟仿真技术与实物仪器教学相结合,最大限度地提升了学生对于大型仪器分析的综合应用能力。本文以激光诱导击穿光谱(LIBS)虚拟仿真实验系统为例,完整地模拟了LIBS系统的样品处理、光谱采集、定性分析和定量分析等实际实验场景,通过虚实结合实验教学模式对实验过程进行实时跟踪与综合考评。该实验有助于提高学生自主探究能力和创新意识,培养具有独立思考与实践能力的拔尖人才。

基于虚拟仿真技术的进阶式手部技能训练在口腔医学专业本科生教学中的应用

目的评价虚拟仿真系统在口腔专业低年级本科生手部技能进阶式训练的应用效果。方法选择78名大二口腔专业本科生作为培训对象,利用Simodont虚拟系统模块设计出进阶式培训课程,包括初级(60%完成度)、中级(80%完成度)、高级(90%完成度),共5学时,通过初、中、高级虚拟课程培训,考察学生操作的效率。结果78名学生通过初、中、高的虚拟课程培训后,平均分数为初级(74.42±5.00)、中级(73.70±3.79)分,高级(70.04±3.98)分。平均操作时间逐渐缩短,初级(6.43±2.25)min,中级(6.19±1.98)min,高级(4.87±0.98)min。操作效率逐渐升高,其中高级虚拟课程培训与初、中级相比差异具有统计学意义(P<0.05)。结论以Simodont虚拟系统操作模块为基础的进阶式虚拟课程能提高低年级学生的操作效率,具有推广价值。

虚拟仿真技术在周口店野外实践教学中的探索和实践

野外实践是地学特色化基础教学环节。野外三维地质体实践教学是理论联系实际的重要桥梁,是学以致用的先决条件。受制于时空范围约束,如何将不同尺度地质体简化成地质专业图件是科学研究的一项基本技能。但受到技术(自然)条件限制,一目不可及和肉眼不可见的区域不能集中呈现的问题是一大教学难点,理论和实际联系困难,由此导致地质观和地质思维的形成周期动辄数载。自从虚拟仿真技术应用于教学以来,突破了地质学教学的时空桎梏,将自然界的地质现象与专业术语一一对应,通过可视化呈现强化了地质现象的直观性和内在性,便于学生对现象的理解。通过大数据平台实时监测反馈实现了教学相长,缩短了地质人才的成才周期。虚拟仿真技术的应用填补了野外地质实践教学中的时空短板,实现了周口店野外实践线上和混合教学质的飞跃。

合成孔径雷达高分辨率成像虚拟仿真实验平台设计

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)系统组成复杂,搭载于飞机、卫星等运动平台上才可实现数据获取,难以开展基于SAR雷达实物的实验教学。为解决此问题,设计并搭建了SAR高分辨率成像虚拟仿真实验平台。该虚拟仿真实验平台将系统设计技术、实验设计技术、数据采集过程、信号处理技术、图像评估技术等SAR实验的完整流程进行了高展示度、高保真度、高交互性的计算机模拟。一方面,该虚拟仿真实验可以帮助学生理解SAR设计、工作和应用的流程,巩固相关课程基础知识,激发学习雷达信号处理知识的兴趣;另一方面,可以考查学生对相关知识的综合应用能力,增强学生解决实际问题的技能。该仿真平台已成功应用于虚拟仿真教学课程实践,教学效果良好,对培养新工科技术型人才具有重要意义。

医学高职院校虚拟仿真实训课程建设中的问题与对策

近年来,随着虚拟现实技术在实训教学中应用水平的不断提升,虚拟仿真实训课程的建设被越来越多的医学高职院校所关注。虚拟仿真技术与实训课程的深度融合,有助于提高学生的实践能力,优化技术技能型医学人才培养。本文探讨了医学高职院校虚拟仿真实训课程建设中课程构建、课程共享、资源开发、团队建设等方面的问题,并针对此类问题提出了相应对策,包括强化顶层设计、搭建共享平台、构建原创资源、打造创新团队等,以期为提高医学高职院校虚拟仿真实训课程的质量提供借鉴。

基于MATLAB_App Designer电力电子虚拟仿真实验系统设计

根据MATLAB_App Designer提供的界面布局功能,运用MATLAB_Simulink搭建电力电子仿真模型,设计了一套人机交互式电力电子技术仿真实验系统。该系统包含典型的电力电子仿真模型和实例,可以帮助学生和工程技术人员学习电力电子电路的工作原理,分析和研究参数设置对电路电压、电流等波形的影响,有利于提高学习者对电力电子技术的研究和设计能力。

双碳背景下能源动力类课程教学中虚拟仿真技术的应用——以“传热学”为例

以双碳背景下的“传热学”教学为基础,基于有限差分方法,利用C++语言开发了“传热学”虚拟教学平台。学生可通过该平台对二维稳态传热问题进行模拟,并可通过改变模型尺寸、物性及边界条件来直观地分析其对导热问题的影响。除此之外,该平台的优势在于用户可自己编写部分边界条件,对此平台进行局部修改,从而增加了此虚拟教学平台的灵活性。与此同时,用户在自编程时,可增强对数值传热学及边界条件等问题的进一步深层次理解,从而达到教学目的。