CN105741627A - 一种4d教室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4D教室，包括：灯光控制系统，音响，头戴式显示器：戴于头部，用于播放虚拟场景中的图像；体感位置捕捉装置；捕捉人的上肢动作，包括大臂、小臂与手的位置，实现手势动作识别，从而对虚拟场景进行互动操作；移动控制器：捕捉人的脚步移动、方向、移动速度和移动距离，实现对虚拟场景中用户的移动控制方式的控制；圆形信号灯：通过显示不同的颜色来分辨当前正在与虚拟场景进行交互操作的用户；本发明从教学创新的角度出发，引进穿戴式显示技术、智能体感技术与三维仿真技术，从教学内容上着眼创新，使学员能够在游乐中体验教学内容，达到寓教于乐的效果，真正的做到了智慧化学习，帮助学校改进教学方式，提升教学品质。

Description

一种4D教室

本发明为申请日为2014年9月19日，申请号为201410480342.8的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种教学用设备。

背景技术

在学校，课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的一环，让学生手脚并用参与到教学中来，充分调动各种感官去体验感受要学习的内容,是一种全新的互动教学手段。这种全新的教学方式是掌握好教学环节的质量，提高教学水平的关键。现行的教学过程中，传统的签到环节、疑问确认环节、提问互动环节、课堂小测试环节存在诸多问题。签到过程中，使用纸张签到，效率低且存在代签现象，结果不便于教师统计；提问互动环节和课堂小测试的环节中，教师给出简单选择后，学生举手或者口头回答，不能获得准确的统计数据，教师只能根据大体情况来判断是否进行教学，没有准确的数据，更不能考虑后期的数据挖掘和数据统计工作。传统的教学方式已经不适应现代化教学的需要。

为了解决上述问题，在中央高校基本业务费专项资金资助，编号为XDJK2014C177的项目支持下，申请人提出了一种新的技术手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种4D教室。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种4D教室，其特征在于：所述4D教室包括：

灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，根据预设值，4D教室中央控制器控制教室内灯光的自动开启与关闭，并调节灯光的亮度；

音响：用于播放声音；

头戴式显示器：戴于头部，用于播放虚拟场景中的图像；

体感位置捕捉装置；捕捉人的上肢动作，包括大臂、小臂与手的位置，实现手势动作识别，从而对虚拟场景进行互动操作；

移动控制器：捕捉人的脚步移动、方向、移动速度和移动距离，实现对虚拟场景中人物的移动控制方式的控制；

圆形信号灯：通过显示不同的颜色来分辨当前正在与虚拟场景进行交互操作的用户；圆形的信号灯包括圆形的底盘，底盘前表面设置有发光体，弧形的透明玻璃前盖与底盘安装在一起。

用户戴上头盔式显示器后，4D教室中央控制器将虚拟场景投放至头盔式显示器中的显示器上，用户看到虚拟场景；在播放虚拟场景的同时，音响播放相应的音频；用户运动时，体感摄像机捕捉上肢动作，实现手势识别，与虚拟场景进行互动；当用户移动时，移动控制器实现对虚拟场景中人物移动方式的控制；当某个用户与虚拟场景进行交互时，圆形信号灯亮起相应的颜色，用于标识用户状态。

所述4D教室还包括对圆形信号灯进行清洁的清洁装置，所述清洁装置包括两个清洁棒，其中第一清洁棒的中心与第一电机的转动轴相接，第二清洁棒的中心与第二电机的转动轴相接，第一电机和第二电机的机座分别固定在第一旋转臂末端和第二旋转臂末端上，第一旋转臂和第二旋转臂的另一端固定在第一旋转筒和第二旋转筒上，第一旋转筒和第二旋转筒套在固定于圆形信号灯圆心处的中心筒上，信号灯的背面边缘处具有凸出的凸缘，在第一旋转臂和第二旋转臂上还设置有第一一电机和第二二电机，第一一电机和第二二电机的转动轴上分别安装有两个滚筒，两个滚筒均与凸缘的内侧边壁压紧；当第一一电机和第二二电机的转动轴旋转时，两个滚筒也相应旋转，进而带动第一旋转臂和第二旋转臂旋转，从而使得第一清洁棒和第二清洁棒围绕圆形信号灯的外缘运动；

在第一清洁棒和第二清洁棒上缠绕有清洁布，其中清洁布的一端固定在第一清洁棒上，清洁布沿逆时针的方向缠绕在第一清洁棒上，清洁布的另一端固定在第二清洁棒上，同时在第二清洁棒上按照顺时针方向缠绕信号灯半径长度的清洁布；在第一清洁棒和第二清洁棒的顶端还分别固定有两个位置传感器。

本发明从教学创新的角度出发，引进穿戴式显示技术、智能体感技术与三维仿真技术，从教学内容上着眼创新，使学员能够在游乐中体验教学内容，达到寓教于乐的效果，真正的做到了智慧化学习，智能化管理，实实在在的帮助学校改进教学方式，提升教学品质。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本实施例1中的清洁装置设置在圆形信号灯上的正面结构示意图；

图3为本实施例1中的清洁装置设置在圆形信号灯上的背面结构示意图；

图4为图3中A-A的剖面图；

图5为当实施例1中清洁装置的第二旋转臂位于信号灯正上方，第一旋转臂位于信号灯正下方时的结构示意图；

图6为图5中C-C的剖面图；

图7为图6中B的放大图；

图8为清洁棒的结构示意图；

图9为实施例2中清洁装置当中的清洁布的截面图；

图10为图9的俯视图。

图中，1为第一清洁棒，2为第二清洁棒，3为中心筒，3-1为第一旋转筒，3-2为第二旋转筒，4为第一旋转臂，5为第二旋转臂，6为第一滚筒，7为第二滚筒，8为位置传感器，9为第一电机，10为玻璃壳体，11为凸缘，12为第一一电机，13为信号灯，14为清洁布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种4D教室，所述4D教室包括：

灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，根据预设值，4D教室中央控制器控制教室内灯光的自动开启与关闭，并调节灯光的亮度；

音响：用于播放声音；

头戴式显示器：戴于头部，用于播放虚拟场景中的图像；

体感位置捕捉装置；捕捉人的上肢动作，包括大臂、小臂与手的位置，实现手势动作识别，从而对虚拟场景进行互动操作；

移动控制器：捕捉人的脚步移动、方向、移动速度和移动距离，实现对虚拟场景中用户的移动控制方式的控制；

圆形信号灯：通过显示不同的颜色来分辨当前正在与虚拟场景进行交互操作的用户；

用户戴上头盔式显示器后，4D教室中央控制器将虚拟场景投放至头盔式显示器中的显示器上，用户看到虚拟场景；在播放虚拟场景的同时，音响播放相应的音频；用户运动时，体感摄像机捕捉上肢动作，实现手势识别，与虚拟场景进行互动；当用户移动时，移动控制器实现对用户移动方式的控制；当某个用户与虚拟场景进行交互时，圆形信号灯亮起相应的颜色，用于标识用户状态。

头戴式显示器为现有的技术，采用110°全视野双通道立体显示方案。并通过三轴陀螺仪、三轴加速计和三轴磁罗盘的9自由度传感器实现头部动态的捕捉，实现对实时画面相机近似人眼的控制方式。

头戴式显示器通过一组光学系统（主要是精密光学透镜）放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上,进而呈现于观看者眼中大屏幕图像，形象点说就是拿放大镜看物体呈现出放大的虚拟物体图像。目光追踪功能大大增强显示器的互动性，相比之前的被动呈像系统是一大突破。佩戴者只需“使眼色”，无需动手，就能发出指令。比如说，向右看表示翻页，随着目光下移计算机会自动下调文件。

移动控制器可以捕捉人的脚步移动、方向、移动速度、移动距离和躯干形态，实现对虚拟场景中用户的移动控制方式的控制。

体感位置捕捉装置可以通过摄像头或者红外传感器捕捉人的上肢动作，包括大臂、小臂与手的位置，实现手势动作识别，从而对虚拟场景进行互动操作。

在申请号为201110458610.2，申请日为2011年12月31日，名称为“一种虚拟现实系统”的申请文件中，具体介绍了如何实现将现实世界中的动作模拟为虚拟现实中的运动。

如图2至图8所示，信号灯清洁装置，所述清洁装置包括两个清洁棒，其中第一清洁棒1的中心与第一电机9的转动轴相接，第二清洁棒2的中心与第二电机的转动轴相接，第一电机和第二电机的机座分别固定在第一旋转臂4末端和第二旋转臂5末端上，第一旋转臂和第二旋转臂的另一端固定在第一旋转筒3-1和第二旋转筒3-2上，第一旋转筒和第二旋转筒套在固定于圆形信号灯13圆心处的中心筒3上，信号灯的背面边缘处具有凸出的凸缘11，在第一旋转臂和第二旋转臂上还分别设置有第一一电机12和第二二电机，第一一电机和第二二电机的转动轴上分别安装有第一滚筒6和第二滚筒7，两个滚筒均与凸缘的内侧边壁压紧；当第一一电机和第二二电机的转动轴旋转时，两个滚筒也相应旋转，进而带动第一旋转臂和第二旋转臂旋转，从而第一清洁棒和第二清洁棒围绕圆形信号灯的外缘运动；

在第一清洁棒1和第二清洁棒2上缠绕有清洁布14，其中清洁布的一端固定在第一清洁棒上，清洁布沿逆时针的方向缠绕在第一清洁棒上，清洁布的另一端固定在第二清洁棒上，同时在第二清洁棒上按照顺时针方向缠绕信号灯半径长度的清洁布；在第一清洁棒和第二清洁棒的顶端还分别固定有两个位置传感器8；

第一清洁棒上缠绕清洁布的起始端，第二清洁棒上缠绕清洁布的终止端。初始状态下，第一清洁棒和第二清洁棒紧靠在一起，第二清洁棒上缠绕有一个信号灯半径长度的干净清洁布。当需要对信号灯进行清洁时，第一一电机和第二二电机运行，使得两个旋转臂相对远离运动，同时第一电机与第二电机运行，第一清洁棒逆时针旋转和第二清洁棒顺时针旋转，连接在第一清洁棒和第二清洁棒上的清洁布伸长，随着两个旋转臂的运动，清洁布位于信号灯的表面玻璃壳体10滑动，对灯的表面进行清洁，当两个旋转臂呈一条直线时，此时两个位置传感器感应到的距离最大，旋转臂继续旋转，两个位置传感器感应到的距离开始减少，此时，第一清洁棒和第二清洁棒均改变旋转方向，位于灯表面的清洁布缩短，这样可以保证位于灯表面的清洁布处于紧绷状态，以得到较好的清洁效果。清洁完毕后，两个清洁棒又紧靠在一起，此时位置传感器感应到的距离又为最小，两个清洁棒均逆时针旋转，将脏的清洁布卷到第二清洁布上，并且第二清洁棒上再多卷一个灯半径长度的清洁布，等待下次清洁工作。

其中控制器控制所有电机的开闭以及正反转，同时接收位置传感器的信号，根据信号的情况按照上面的流程进行电机控制，控制器与电机以及位置传感器之间的信号传递可以采用有线或者无线的方式。

实施例2：与实施例1不同的是，清洁布14的形状不同，实施例1中的布条是普通的长方形布条，如图9和图10所示，实施例2中的清洁布的截面为圆弧形，清洁布由两个以上的弧形布条连接而成，弧形布条的形状与信号灯表面的弧形玻璃的形状相匹配。这样在擦拭的过程中可以更好的对信号灯进行擦拭，缠绕的时候就按照图8所示直接缠绕在清洁棒上即可。另外，在向第一清洁棒和第二清洁棒上缠绕清洁布的时候，可以稍微将布条往清洁棒的下方来一些，这样可以使得弧形的清洁布条与信号灯的弧面接触的更加紧密，以得到更好的清洁效果。

实施例3：与实施例1不同的是，两个滚筒的外缘具有齿轮，信号灯的背面边缘处的凸缘的内侧围绕有与齿轮相啮合的齿条。这样当两个滚筒旋转时，可以更好的带动旋转臂的转动，以防打滑的情况发生。

实施例4：与实施例2不同的是，两个滚筒的外缘具有齿轮，信号灯的背面边缘处的凸缘的内侧围绕有与齿轮相啮合的齿条。这样当两个滚筒旋转时，可以更好的带动旋转臂的转动，以防打滑的情况发生。

Claims (1)

1.一种4D教室，其特征在于：所述4D教室包括：

灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，根据预设值，4D教室中央控制器控制教室内灯光的自动开启与关闭，并调节灯光的亮度；

音响：用于播放声音；

头戴式显示器：戴于头部，用于播放虚拟场景中的图像；

体感位置捕捉装置；捕捉人的上肢动作，包括大臂、小臂与手的位置，实现手势动作识别，从而对虚拟场景进行互动操作；

移动控制器：捕捉人的脚步移动、方向、移动速度和移动距离，实现对虚拟场景中人物的移动控制方式的控制；

圆形信号灯：通过显示不同的颜色来分辨当前正在与虚拟场景进行交互操作的用户；圆形的信号灯包括圆形的底盘，底盘前表面设置有发光体，弧形的透明玻璃前盖与底盘安装在一起；

用户戴上头盔式显示器后，4D教室中央控制器将虚拟场景投放至头盔式显示器中的显示器上，用户看到虚拟场景；在播放虚拟场景的同时，音响播放相应的音频；用户运动时，体感摄像机捕捉上肢动作，实现手势识别，与虚拟场景进行互动；当用户移动时，移动控制器实现对虚拟场景中人物移动方式的控制；当某个用户与虚拟场景进行交互时，圆形信号灯亮起相应的颜色，用于标识用户状态；

所述4D教室还包括对圆形信号灯进行清洁的清洁装置，所述清洁装置包括两个清洁棒，其中第一清洁棒的中心与第一电机的转动轴相接，第二清洁棒的中心与第二电机的转动轴相接，第一电机和第二电机的机座分别固定在第一旋转臂末端和第二旋转臂末端上，第一旋转臂和第二旋转臂的另一端固定在第一旋转筒和第二旋转筒上，第一旋转筒和第二旋转筒套在固定于圆形信号灯圆心处的中心筒上，信号灯的背面边缘处具有凸出的凸缘，在第一旋转臂和第二旋转臂上还设置有第一一电机和第二二电机，第一一电机和第二二电机的转动轴上分别安装有两个滚筒，两个滚筒均与凸缘的内侧边壁压紧；当第一一电机和第二二电机的转动轴旋转时，两个滚筒也相应旋转，进而带动第一旋转臂和第二旋转臂旋转，从而使得第一清洁棒和第二清洁棒围绕圆形信号灯的外缘运动；

在第一清洁棒和第二清洁棒上缠绕有清洁布，其中清洁布的一端固定在第一清洁棒上，清洁布沿逆时针的方向缠绕在第一清洁棒上，清洁布的另一端固定在第二清洁棒上，同时在第二清洁棒上按照顺时针方向缠绕信号灯半径长度的清洁布；在第一清洁棒和第二清洁棒的顶端还分别固定有两个位置传感器，两个滚筒的外缘具有齿轮，信号灯的背面边缘处的凸缘的内侧围绕有与齿轮相啮合的齿条。