CN109550476A - 一种双支智能实验试管套件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双支智能实验试管套件及其应用，属于实验设备领域。该双支智能实验试管套件包括至少两支实验试管模型，在每个所述实验试管模型的外壁上均设置有电子芯片和压力传感器，每个压力传感器分别与电子芯片的不同端口进行电连接；所述压力传感器用于采集实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为；所述电子芯片与计算机进行通讯。本发明采用传感器和电子芯片技术，采用虚实融合方法，一个容器套件可以“盛装”不同实验材料，具有低成本、多功能、易操作等优势；利用本发明不仅可以感知用户操作态势(用户选择)，而且可以感知容器模型与实验材料态势(容器位置与倾斜度，材质在容器内的真实感仿真效果)，实现了实验的智能化。

Description

一种双支智能实验试管套件及其应用

技术领域

本发明属于实验设备领域，具体涉及一种双支智能实验试管套件及其应用。

背景技术

实验容器是实验的基本工具之一。目前存在的主要问题是：实验材料或昂贵、或有毒，因此采用虚拟实验材料或试剂很有必要。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种双支智能实验试管套件及其应用，一个套件可以“盛装”多种不同实验材料，显示两支实验试管的实验过程。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双支智能实验试管套件，包括至少两支实验试管模型，在每个所述实验试管模型的外壁上均设置有电子芯片和压力传感器，每个压力传感器分别与电子芯片的不同端口进行电连接；

所述压力传感器用于采集实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为；

所述电子芯片与计算机进行通讯。

所述压力传感器包括：

至少一个材料标识压力传感器，在不同的材料标识压力传感器上贴有不同的材料标识；

至少一个性能标识压力传感器，在不同的性能压力传感器上分别贴有温度上升标识、温度下降标识、体积增加标识、体积减小标识、浓度上升标识、浓度下降标识；

至少一个交互行为标识压力传感器，在不同的交互行为标识压力传感器上分别贴有摇晃标识、倾倒标识。

在所述电子芯片上设置有至少一个组件模块，一个组件模块对应两种不同的实验材料，每个组件模块均包括反应过程模块、反应结果模块和反应现象模块；

所述反应过程模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应过程；

所述反应结果模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应结果；

所述反应现象模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应现象。

所述电子芯片通过有线方式与计算机进行通讯，将组件模块获取到的两种实验材料的反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机，在计算机上进行显示或者再处理；

或者，在所述电子芯片上设置有蓝牙通讯设备，所述电子芯片通过蓝牙通讯设备与计算机进行通讯，将组件模块获取到的两种实验材料的反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机，在计算机上进行显示或者再处理。

所述双支智能实验试管套件包括摄像头，所述摄像头设置在能够获取用户的手势的位置；

所述摄像头与计算机连接。

利用上述双支智能实验试管套件进行实验的方法包括：

(1)在第一支实验试管模型上和第二支实验试管模型上确定用户的选择，所述用户的选择包括：实验材料、温度、体积、浓度；

(2)在第二支实验试管模型上按压摇晃标识，摇晃标识对应的压力传感器将传感信号发送给电子芯片，电子芯片将第二支实验试管模型对应的实验材料的物理性能发送给计算机，计算机在屏幕上显示其物理性能；所述物理性能包括实验材料、颜色、温度、体积和浓度；

(3)在第二支实验试管模型上按压倾倒标识，倾倒标识对应的压力传感器将传感信号发送给电子芯片，电子芯片发送信号给计算机，计算机在屏幕上显示将第二支实验试管模型内的实验材料倒入第一只实验试管模型中；

(4)在计算机屏幕显示两种实验材料的反应过程、反应结果和反应现象。

所述步骤(1)的操作包括：用户在第一支实验试管模型上和第二支实验试管模型上分别进行以下操作：

按压所选择的实验材料对应的材料标识；

按压温度上升标识或温度下降标识，使温度达到用户选择的温度；

按压体积增加标识或体积减小标识，使体积达到用户选择的体积；

按压浓度上升标识或浓度下降标识，使浓度达到用户选择的浓度；

各个压力传感器将采集到的传感信号发送给电子芯片。

所述步骤(3)的操作包括：

当电子芯片接收到倾倒标识对应的压力传感器发送来的传感信号后，电子芯片发送开始采集交互动作的信号给计算机，计算机接收到开始采集交互动作的信号后，启动摄像头，摄像头识别用户倾倒的位置与速度，并将用户倾倒的位置与速度显示在屏幕上。

所述摄像头识别用户倾倒的位置与速度的操作包括：

(31)摄像头获取用户的手势图像；

(32)对步骤(31)获取到的手势图像中的每一帧图像进行手势分割，去除背景；

(33)计算步骤(32)得到的去除背景后的相邻两帧的图像之间的Hausdorff距离d：

d＝max(h(I_k,I_k+1),h(I_k+1,I_k)) (1)

a,b分别表示相邻两帧的图像中像素点的位置；

(34)设置第二支实验试管模型的移动速度和倾倒速度：移动速度为去除背景后的相邻两帧的图像的重心位置改变的速度，倾倒速度v如下：

v＝kd (4)

其中，k是一个经验参数，k>0。

所述步骤(4)的操作包括：

电子芯片根据接收到的传感信号确定用户的选择，并根据用户的选择中的两种实验材料检索到对应该两种实验材料的组件模块；

启动检索到的组件模块中的所述反应过程模块计算得到两种实验材料的反应过程、启动所述反应结果模块计算得到两种实验材料的反应结果、启动所述反应现象模块计算得到两种实验材料的反应现象；

将反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机；

计算机实时显示反应过程、反应结果和反应现象的动画。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用传感器和电子芯片技术，采用虚实融合方法，一个容器套件可以“盛装”不同实验材料，具有低成本、多功能、易操作等优势；利用本发明不仅可以感知用户操作态势(用户选择)，而且可以感知容器模型与实验材料态势(容器位置与倾斜度，材质在容器内的真实感仿真效果)，实现了实验的智能化。

附图说明

图1本发明双支智能实验试管套件的结构示意图；

图2本发明中的电子芯片的组成结构示意图；

图3本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，在一个实验试管模型1(实验试管模型不一定是普通的玻璃试管，可以是由任意材料构成的试管模型(例如，可以是塑料模型))上设置三类压力传感器及其标识：第一类，材料标识4：在不同的压力传感器上分别设置一个或多个实验材料名称等材料标识4(图1中设置有两个实验材料名称标识4)；第二类，性能标识3：在不同压力传感器上分别设置温度标识、体积标识、浓度标识等性能标识；第三类，基本交互行为标识2：在不同压力传感器上设置例如摇晃标识、倾倒标识等。每一个压力传感器均分别通过电子线路连接到电子芯片5上，由于每个传感器均单独与电子芯片相连，因此电子芯片不仅可以将不同的传感器区分开，而且可以把上升、下降(上升、下降分别采用两个压力传感器)等操作区分开(各个压力传感器与电子芯片的不同端口相连，因此不同的端口与传感器的编号可以建立一一对应关系，即可区分各种操作了。)。另外再设置一支所述的实验试管模型，其上的实验材料可以根据需要重新设置。在所述电子芯片上设有蓝牙通讯设备，组件的动画结果通过蓝牙通讯设备送往本地计算机设备进行显示或再处理。

假设两个实验试管模型上分别有M和N种不同实验材料。对两个实验试管模型上的所有MN种不同组合，对每种组合构造实验组件模块，每个组件模块包括所在两种实验材料进行化学反应过程、反应结果和现象的动态呈现算法(采用动画方法呈现)。这些组件群对应的算法放在电子芯片上(在电子芯片上设有多个组件，每个组件包括三个算法模块)。电子芯片通过有线或无线方式与一个计算机6相连。图2所示为电子芯片中的一个组件，包括反应过程模块51、反应结果模块52和反应现象模块53。

构建组件的方法：组件是所在两种实验材料进行化学反应过程、结果和现象的动态呈现算法；它有三个功能，即化学反应的过程，反映的结果以及化学反应过程中所呈现的现象。组件的输入参数：实验材料名称，实验材料的温度、颜色、体量、浓度等性能参数，以及来自摄像头的倒入行为。

利用本发明试管套件进行实验的方法如下：

提出一种采用虚拟融合方法将两个实验试管模型中的实验材料进行化学反应的基本方法：

1.用户在一支实验试管模型(1#试管)上用手按压实验材料、温度/浓度等材料性能等(就是温度、浓度、体积三种性能，这是用户选择性能参数的方法)，并将选择结果送往电子芯片，电子芯片接收到传感信号后，就可以判断用户的选项，然后将这些选项送往组件模块，组件模块通过蓝牙通讯模块将动画结果送往本地计算机上进行显示；

2.同样，在另一支实验试管模型(2#试管)上选择一种实验材料，并将选择结果送往电子芯片；

3.在2#试管上选择“摇晃”按钮，可以在屏幕上观察其物理性能(包括实验材料、颜色、温度、浓度、体积。)；

4.在2#试管上选择“倾倒”按钮，然后做“倾倒”动作，屏幕上的虚拟2#试管将里面的实验材料慢慢倒入虚拟1#试管中。试管里没有实际的材料。在倒的过程中，需要通过摄像头设备(例如Kinect设备)识别用户的“倒入”这个行为动作，这种行为动作的识别是通过普通的卷积神经网络进行机器学习得到的识别模型实现的，采用现有的神经网络即可实现。由此，使得用户在屏幕上看的由动画生成的虚拟倒入动作与用户的实际动作一致；

4.1摄像头获取用户手势图像(摄像头与本地计算机相连，安放在可以清晰获得用户操作过程的位置(尽量避免手势遮挡)。)；

4.2利用现有公知方法(例如可采用申请号为2015102793708的申请公开的一种摄像头条件下获取远程手势轨迹的方法)进行手势分割，去除背景；

4.3计算两个相邻图像(先获取每一帧的图像，然后对每一帧进行手势分割，然后再计算距离d)(当前帧图像与上一个时刻帧图像)之间的Hausdorff距离d：

d＝max(h(I_k,I_k+1),h(I_k+1,I_k)) (1)

公式(1)的意思是找到公式(2)的结果和公式(3)的结果中的最大值；

a,b表示图像中像素点的位置。

4.4设置2#虚拟试管“移动”的速度和“倾倒”的速度v(对于分割后的图像，可以用公知方法计算图像重心位置，虚拟试管“移动”的速度就是重心改变的速度，虚拟试管“倾倒”的速度v由kd近似代替,这些速度参数都是动画仿真的输入参数，直接影响动画结果：

v＝kd (4)

其中，k是一个经验参数(k>0，k的取值主要取决于动画的速度与用户实际动作具有一致性，通过反复试验方法得到)，使得动画的速度与用户的操作速度一致。

5，电子芯片根据两种实验材料，检索到对应着两种实验材料的组件模块，将该组件模块的运行(即对化学反应过程、结果和现象的仿真与呈现)结果(每次都要根据选择的温度、浓度、体积、以及操作速度等重新计算(将温度、浓度、体积、速度等作为输入参数，用现有的动画方法仿真反应过程、结果和现象)通过通讯设备送往计算机进行呈现。

本发明的一个实施例如图3所示，首先，准备两支实验试管模型，将实验材料标识贴到模型表面，并布置三类压力传感器及其标识(材料、性能、交互行为)。其次，构建4个组件模块。组件模块1：NaCl+HCl；组件模块2：NaCl+H₂O；组件模块3：M_nO₂+HCl；组件模块4：M_nO₂+H₂O。然后，用动画程序仿真并在显示屏上呈现每个组件化学反应的过程、结果与主要化学现象。

假设用户打算完成“制备氯气”，则首先在1#试管模型上选择MnO₂，然后在2#试管上选择HCl，并按住“浓度”按钮上的“▲”标识，此时屏幕上会出现浓度数字，直到达到规定浓度为止，按住“体积”按钮，则在屏幕上的可视化的体积的大小不同。其次，用户按压2#试管上的“倾倒”标识，屏幕上将出现动画(按压完倾倒标识后，需要人工倾倒2#试管。用户按压倾倒标识作为计算机开始捕捉用户倾倒位置与速度的时间开始点，有利于提高速度感知算法的鲁棒性和精准性)：将2#虚拟试管中的浓HCl液体倒入1#虚拟试管中，并出现氯气和MnCl(这个是由组件模块计算得到的，然后通过动画仿真显示在屏幕上的)。

本发明中的每支试管均可以“盛装”多种不同实验材料，便于操作者对不同实验材料进行了解；利用本发明能够有效地感知实验容器的位置、倾斜度等态势，为基于计算机技术的虚实融合实验提供共性化基础性工具。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种双支智能实验试管套件，其特征在于：所述双支智能实验试管套件包括至少两支实验试管模型，在每个所述实验试管模型的外壁上均设置有电子芯片和压力传感器，每个压力传感器分别与电子芯片的不同端口进行电连接；

所述压力传感器用于采集实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为；

所述电子芯片与计算机进行通讯。

2.根据权利要求1所述的双支智能实验试管套件，其特征在于：所述压力传感器包括：

至少一个材料标识压力传感器，在不同的材料标识压力传感器上贴有不同的材料标识；

至少一个性能标识压力传感器，在不同的性能压力传感器上分别贴有温度上升标识、温度下降标识、体积增加标识、体积减小标识、浓度上升标识、浓度下降标识；

至少一个交互行为标识压力传感器，在不同的交互行为标识压力传感器上分别贴有摇晃标识、倾倒标识。

3.根据权利要求2所述的双支智能实验试管套件，其特征在于：在所述电子芯片上设置有至少一个组件模块，一个组件模块对应两种不同的实验材料，每个组件模块均包括反应过程模块、反应结果模块和反应现象模块；

所述反应过程模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应过程；

所述反应结果模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应结果；

所述反应现象模块用于根据压力传感器采集到的实验材料的名称、温度、体积、浓度以及交互行为获取组件模块对应的两种实验材料的反应现象。

4.根据权利要求3所述的双支智能实验试管套件，其特征在于：所述电子芯片通过有线方式与计算机进行通讯，将组件模块获取到的两种实验材料的反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机，在计算机上进行显示或者再处理；

或者，在所述电子芯片上设置有蓝牙通讯设备，所述电子芯片通过蓝牙通讯设备与计算机进行通讯，将组件模块获取到的两种实验材料的反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机，在计算机上进行显示或者再处理。

5.根据权利要求1至4任一所述的双支智能实验试管套件，其特征在于：所述双支智能实验试管套件包括摄像头，所述摄像头设置在能够获取用户的手势的位置；

所述摄像头与计算机连接。

6.应用权利要求1至5任一所述的双支智能实验试管套件进行实验的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)在第一支实验试管模型上和第二支实验试管模型上确定用户的选择，所述用户的选择包括：实验材料、温度、体积、浓度；

(2)在第二支实验试管模型上按压摇晃标识，摇晃标识对应的压力传感器将传感信号发送给电子芯片，电子芯片将第二支实验试管模型对应的实验材料的物理性能发送给计算机，计算机在屏幕上显示其物理性能；所述物理性能包括实验材料、颜色、温度、体积和浓度；

(3)在第二支实验试管模型上按压倾倒标识，倾倒标识对应的压力传感器将传感信号发送给电子芯片，电子芯片发送信号给计算机，计算机在屏幕上显示将第二支实验试管模型内的实验材料倒入第一只实验试管模型中；

(4)在计算机屏幕显示两种实验材料的反应过程、反应结果和反应现象。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)的操作包括：用户在第一支实验试管模型上和第二支实验试管模型上分别进行以下操作：

按压所选择的实验材料对应的材料标识；

按压温度上升标识或温度下降标识，使温度达到用户选择的温度；

按压体积增加标识或体积减小标识，使体积达到用户选择的体积；

按压浓度上升标识或浓度下降标识，使浓度达到用户选择的浓度；

各个压力传感器将采集到的传感信号发送给电子芯片。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)的操作包括：

当电子芯片接收到倾倒标识对应的压力传感器发送来的传感信号后，电子芯片发送开始采集交互动作的信号给计算机，计算机接收到开始采集交互动作的信号后，启动摄像头，摄像头识别用户倾倒的位置与速度，并将用户倾倒的位置与速度显示在屏幕上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述摄像头识别用户倾倒的位置与速度的操作包括：

(31)摄像头获取用户的手势图像；

(32)对步骤(31)获取到的手势图像中的每一帧图像进行手势分割，去除背景；

(33)计算步骤(32)得到的去除背景后的相邻两帧的图像之间的Hausdorff距离d：

d＝max(h(I_k,I_k+1),h(I_k+1,I_k)) (1)

a,b分别表示相邻两帧的图像中像素点的位置；

(34)获取第二支实验试管模型的移动速度和倾倒速度：移动速度为去除背景后的相邻两帧的图像的重心位置改变的速度，倾倒速度v如下：

v＝kd (4)

其中，k是一个经验参数，k>0。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作包括：

电子芯片根据接收到的传感信号确定用户的选择，并根据用户的选择中的两种实验材料检索到对应该两种实验材料的组件模块；

启动检索到的组件模块中的所述反应过程模块计算得到两种实验材料的反应过程、启动所述反应结果模块计算得到两种实验材料的反应结果、启动所述反应现象模块计算得到两种实验材料的反应现象；

将反应过程、反应结果、反应现象发送给计算机；

计算机实时显示反应过程、反应结果和反应现象的动画。