机械学院团队实现3D扫描 推动生态环境修复

通讯员　姜阡嬅

　　12月11日，第14届全国三维数字化创新设计大赛年度竞赛国赛获奖榜单公布，姚伟平团队自主创作完成的“智能感知递级装配的组装式3D扫描仪” 和“一种流程化沙化土地多线程栽苗设备”均荣获国家一等奖。

　　榜单一公布，姚伟平团队成员们纷纷在朋友圈报喜。面对朋友的祝贺，姚伟平在高兴之余还保持着自己的谦逊，回想起两个项目的发展历程，姚伟平感慨万千，“时间还是比较紧的，忙到最后大家连张合照都没有，手头上只有产品的渲染图。”他苦笑道。

着手3D科技  助力三维数字化建设

　　“3D建模作为一项现代化建模技术，十分符合本次大赛的主旨。”在前期确定项目方向时，姚伟平便向老师提出了有关3D扫描仪的构思，这一想法也得到团队众人的肯定。

　　确定方向后，第一个大问题摆在了众人面前，项目既没有技术支撑，又没有任何可以参考的资料和数据，让团队找不到一个合理的入手点。为了能够将问题简化，队长姚伟平将设计任务拆分，按照团队成员专业优势合理分配。

　　多沟通、多交流，设计途中团队相互之间充分交换设计意见。郭志楠和姚伟平共同担任仪器开发工作，他们商量出要使车体上两大主要功能模块连接在一起，必然要做到两者设计尺寸和各项参数一致。为此二人多次通过QQ电话或者腾讯会议的方式进行线上沟通，相互提意见，反复修改参数，使设计更加合理，经过十几天的讨论才最终解决了初步模型的设计问题。

　　对此团队开始追求设计模型的创新性、实用性、产品性以及可实现性，在原有手持式、旋转式扫描仪的结构上创新设计了三层递级装配模式的扫描仪，实现了各级之间模块化的拼接，拓宽了扫描物体的种类与大小范围，同时从算法上简化了原有多视角点云配准并加入了智能感知处理，提升了扫描速度和扫描精度。

　　在面对“3D扫描范围有限”“被扫描物体无法移动”“数据处理算法”等一系列问题上，众人通过在软件上反复建模、查阅相关论文，一共开发了四款模型产品，分别是手持式可变组合扫描仪、双车对接式扫描仪、车体对接式扫描仪和滑轨脚手架安装式扫描仪，分别有针对性地解决了现有的设备问题。

　　想要做好产品的结构设计和建模，不仅需要掌握好理论知识，还需要熟练的运用电脑软件。对于keyshot、pr、ae等软件的团队众人使用熟练度都不高，导致动画制作和渲染方面耗费了大量时间。

　　反复学习、反复试错，经过两个月的努力，团队不仅能够较为熟练的使用solidworks进行机械配合动画的制作并量化部分运动参数，同时在后期导入keyshot进行渲染后也达到了不错的效果，为后期答辩打好了基础。

贴合环境问题 推动生态人工化修复

　　“栽苗车的主意是大家一起想出来的，这个设备的机构创新并且可实现度搞，生态修复意义也大。”在有了扫描仪的项目团队支撑后，大家更加凝心聚力，集思广益，将治沙方向定位在流程化栽苗进行生态修复上。

　　在研究过程中，与扫描仪项目的技术支撑要求较高的难点相比，栽苗车项目的挑战更大，不同机构的理论计算绝不能仅依靠网络平台学习得到，即使能学会方法，也难以用有效的数据支撑。尤其是插入土壤中的阻力，不同湿度、沙粒大小的沙化土地阻力不一样，也没有较多的论文对此有研究，只能靠团队成员内部做实验反向推算出栽苗车的气缸需要充的压力。

　　尽管很难找到设计思路，但团队众人依然共同克难攻坚，做实验反向推算压力，利用3D打印件操作部分实验，在论文里面查寻一部分数据进行对比。

　　通过反复实验，团队不断改变气体压力大小，提供不同的动力，观察记录设备在破土、利用丝杆丝杠完成破土、使用传送带输送树苗完成栽种的各种现象和物理参数。“我们创新设计了气动的栽苗机构和同步带的送苗机构，并且在控制方面设计了双线程工作从而节约充气等待时间。”姚伟平谈到。

　　考虑到大赛的人数限制和人员自身技能问题，团队成员陶雨梦和鲜于晓涵分别加入了扫描组和栽苗组。鲜于晓涵介绍道，团队里的姚伟平、龙汉森、郭志楠和陈彬“四大巨头”作为团队最开始的建设者，一起搭档参加了众多创新型比赛，积累了丰富的经验，面对这一届的3D大赛相对来说四人都比较从容。

　　遇到难以解决的问题时，“四大巨头”则作为团队的定心丸，时刻鼓励着团队其他成员，并将每一个问题比作一场历练，只要相互之间坚持不放弃，一定会找到有效的解决方法。

师生互帮互助 合作荣获双国一荣耀

　　12月4号下午进行答辩顺序抽奖时，两个作品抽签顺序抽到了同样的数字，因此两个项目要求同时答辩。在时间紧急的情况下，小组商榷后决定让姚伟平答扫描组项目，鲜于晓涵答栽苗组项目。众人迅速分工，合理安排好演讲稿和其他改进工作，每项工作都有条不紊地进行着。在姚伟平合理的组织领导下，答辩的准备过程进行的十分顺利，

　　当天上午指导老师带领之前获得过同类赛事国家一等奖的两位师兄来指导答辩，并针对答辩过程中的问题提出很多改进方法，“机构的介绍不够详细，答辩声音有点低，机构以及设计背景介绍的比较少，不太熟悉的控制方面可以少些介绍，多强调目前市场的栽苗设备的缺点以及设计目标，详细介绍我们的结构设计的创新处与未来展望。”

　　在听完老师和师兄们的建议，鲜于晓涵慌了神，再加之近期考试居多，她的状态也同样欠佳，在得到团队成员的鼓励后她不断调整状态，以饱满的精神状态走进答辩现场。“刚加入的时候真的深深感受到了差距，尽管帮不了他们太多但是大家都特别鼓励我，没有让我边缘化。”鲜于晓涵表示。

　　得知两个项目都获得国家一等奖后，众人十分激动，姚伟平谈到项目并不打算停留至此，“后期是希望能够将实物制作出来，目前以及开始基于Ubot模块的万向关节制作，不过都是采用的3D打印件，同时对于栽苗机构的理论计算及其优化还在努力中，希望能够将这个项目做下去。”

　　作为队长，姚伟平把握着团队整体前进方向和进度。在项目中锻炼的这种恒心和耐心逐渐坚定了他走向科研道路的决心。“这次竞赛是我们大学历程里的一次宝贵经历，我们希望我们现在乃至以后的设计能够为三维数字化建设贡献一份力量。”