CN110660289A

CN110660289A - 一种基于ar技术的教学用模拟实验设备及其方法

Info

Publication number: CN110660289A
Application number: CN201910980215.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋蕾; 邱陵; 李平平; 李广松; 陈潇潇
Original assignee: Hunan University of Arts and Science
Current assignee: Hunan University of Arts and Science
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: CN110660289B

Abstract

本发明涉及一种基于AR技术的教学用模拟实验设备及其方法，箱体一侧的底座上活动安装有转盘，转盘的上方固定安装有固定座椅，在转盘的外侧啮合连接有旋转主动轮，在底座内安装有与旋转主动轮相连接的电机，电机通过导线与安装在箱体内的主机相连接，在固定座椅上方安装有与主机相连接的AR教学装置；使用者主体能够通过AR技术得到切身的体验，观看者也可以通过显示器观看到最终的模拟结合效果，方便了使用者自身的实验操作，同时也可以为教师提供了监督和观测视角，方面了教学，使教学者能够更为直观的判断学生的操作，并对其进行指导和监督。

Description

一种基于AR技术的教学用模拟实验设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种教学用模拟实验设备，具体涉及一种基于AR技术的教学用模拟实验设备及其方法。

背景技术

增强现实技术，简称 AR，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。它将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。头盔式显示器被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。被广泛应用于教学领域。

传统的AR技术在教学中的应用存在一定的缺陷，这些缺陷集中体现在：首先，传统的教学AR技术存在整体配合度较低的缺陷，在基于计算机显示器的AR教学方案中，摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。这种方式缺乏生动性，不能增强使用者的感官效果，教学方式取得的效果较小，使用者只能自身得到AR体验，教学缺乏监督和判断依据；其次，传统的AR教学设备整体在使用时存在一定的缺陷，缺少相对安静的环境和适应性较强的设备互助支持，在整体使用的过程中，容易受到外界因素的影响，导致学习效果的降低；另外，传统的AR教学设备采取固定的模式，整体运动感官效果不强，与教学方案中移动因素切合度不高，适用范围不广泛，导致效率的降低，并且传统的方法操作较为复杂，不适合大规模适用和推广。

因此，生产一种结构简单，操作方便，工作和运行效率高，适用范围广，配合度度高，交互感受好，人机互动效果好，虚拟以及显示结合度高，环境相对封闭，不易被打扰，学习效果明显，设备人性化考虑周到，方法简单易于操作的基于AR技术的教学用模拟实验设备及其方法，具有广阔的市场前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，操作方便，工作和运行效率高，适用范围广，配合度度高，交互感受好，人机互动效果好，虚拟以及显示结合度高，环境相对封闭，不易被打扰，学习效果明显，设备人性化考虑周到，方法简单易于操作的基于AR技术的教学用模拟实验设备及其方法，用于克服现有技术中的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于AR技术的教学用模拟实验设备，包括底座，固定安装在底座上的箱体，固定安装在箱体上方的支撑板，固定安装在支撑板上方的横向支撑体，所述的箱体一侧的底座上活动安装有转盘，转盘的上方固定安装有固定座椅，在转盘的外侧啮合连接有旋转主动轮，在底座内安装有与旋转主动轮相连接的电机，电机通过导线与安装在箱体内的主机相连接，在固定座椅上方安装有与主机相连接的AR教学装置。

所述的AR教学装置包括固定安装在横向支撑体底部的两根固定支架，两根固定支架的底部套装在第一旋转轴上，在两根固定支架之间的第一旋转轴上套装有第一调节旋转支架，第一调节旋转支架的另一端套装在第二旋转轴上，在第一调节旋转支架两侧的第二旋转轴上套装有两根第二旋转支架，两根第二旋转支架的另一端套装在第三旋转轴上，在两根第二旋转支架之间的第三旋转轴上套装有第三旋转支架，第三旋转支架的底部安装有AR头套，AR头套通过AR导线与主机相连接。

所述的底座为带有开合门的长方体块状空腔结构，主机以及电机固定安装在底座的底板顶面上，箱体为长方体空腔结构，箱体的底部与底座的顶部相连通，支撑板为纵向固定安装在底座顶面边缘位置的长方体块状结构，横向支撑体为横向固定安装在支撑板顶面的长方体块状结构，在支撑板的内侧固定安装有显示屏，显示屏通过导线与主机相连接，在底座内固定安装有旋转轴承，旋转轴承内套装有旋转轴，旋转轴的顶部与转盘固定连接。

所述的固定支架的顶部与横向支撑体的底部固定连接，第一旋转轴的两侧固定安装有第一挡块，第二旋转轴的两侧固定安装有第二挡块，第三旋转轴的两侧固定安装有第三挡块，在横向支撑体的底部设置有AR导线安放架，AR导线的一端设置在AR导线安放架内，AR导线的另一端与AR头套相连接，在AR头套上设置有拉拽把手。

所述的AR头套内侧顶部设置有限位挡片，限位挡片的顶部固定安装有限位调节弹簧，限位调节弹簧的顶部与限位块的底部固定连接，限位块的顶部与第三旋转支架的底部固定连接，在AR头套的顶部设置有用于穿过第三旋转支架的孔，第三旋转支架活动安装在该孔内，在第三旋转支架的顶部开设有旋转通孔，第三旋转轴套装在旋转通孔内，在限位挡片下方的AR头套上安装透明AR眼镜，在透明AR眼镜下方的AR头套上开设有呼吸说话口，在呼吸说话口下方的AR头套底部开设有进入口，在透明AR眼镜两侧的AR头套内部设置有音频器，音频器以及透明AR眼镜通过导线与AR导线相连接，在箱体上安装有与主机相连接的控制器。

一种如上所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备的方法，其方法如下：使用前，使用者坐在固定座椅上，并将AR头套套在头上，在限位挡片的作用下，调整好耳朵、鼻子、嘴巴以及眼睛的位置，到合适位置后，通过控制器开启主机，此时使用者眼睛落入AR眼镜的可视范围，使用者的耳朵落入音频器的播放范围，使用者的鼻子和嘴巴落入呼吸说话口的开设范围，当主机开启后，使用者利用音频器以及透明AR眼镜配合主机实现AR教学用模拟实验，通过视觉和听觉来完成教学试验，同时，当使用者身体需要移动式，主机向电机发出能够跟随教学试验同步旋转移动的信号，电机收到限号后根据信号带动旋转主动轮旋转，旋转主动轮带动转盘旋转，转盘带动固定座椅旋转，实现同步旋转。

本发明具有如下的积极效果：本产品结构简单，操作方便，首先，克服了传统的教学AR技术存在整体配合度较低的缺陷，摈弃了传统摄像机摄取配合计算机整合，并通过穿透配合屏幕形成虚拟场景的缺陷，不需要在屏幕上看到最终的增强场景图片。提高了产品的生动性，显示增强度较高，使用者主体能够通过AR技术得到切身的体验，观看者也可以通过显示器观看到最终的模拟结合效果，方便了使用者自身的实验操作，同时也可以为教师提供了监督和观测视角，方面了教学，使教学者能够更为直观的判断学生的操作，并对其进行指导和监督；其次，克服了传统的AR教学设备整体在使用时缺少相对安静的环境和适应性较强的设备互助支持的缺陷，提供了一种专用设备，在整体使用的过程中，不易受到外界因素的影响，学习效果明显；另外，摒弃了传统的AR教学设备采取固定模式的缺陷，整体感官效果明显，实现了教学为目的的高契合度，适用范围广，可以满足学生和教师的同时使用，适合大规模适用和推广，具有很好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的图1的侧面结构示意图。

图3为本发明的AR头套内部结构示意图。

图4为本发明的内部结构示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种基于AR技术的教学用模拟实验设备，包括底座4，固定安装在底座4上的箱体1，固定安装在箱体1上方的支撑板2，固定安装在支撑板2上方的横向支撑体3，所述的箱体1一侧的底座4上活动安装有转盘6，转盘6的上方固定安装有固定座椅5，在转盘6的外侧啮合连接有旋转主动轮21，在底座4内安装有与旋转主动轮21相连接的电机22，电机22通过导线与安装在箱体1内的主机25相连接，在固定座椅5上方安装有与主机25相连接的AR教学装置。所述的AR教学装置包括固定安装在横向支撑体3底部的两根固定支架12，两根固定支架12的底部套装在第一旋转轴14上，在两根固定支架12之间的第一旋转轴14上套装有第一调节旋转支架15，第一调节旋转支架15的另一端套装在第二旋转轴17上，在第一调节旋转支架15两侧的第二旋转轴17上套装有两根第二旋转支架18，两根第二旋转支架18的另一端套装在第三旋转轴20上，在两根第二旋转支架18之间的第三旋转轴20上套装有第三旋转支架26，第三旋转支架26的底部安装有AR头套10，AR头套10通过AR导线9与主机25相连接。所述的底座4为带有开合门的长方体块状空腔结构，主机25以及电机22固定安装在底座4的底板顶面上，箱体1为长方体空腔结构，箱体1的底部与底座4的顶部相连通，支撑板2为纵向固定安装在底座4顶面边缘位置的长方体块状结构，横向支撑体3为横向固定安装在支撑板2顶面的长方体块状结构，在支撑板2的内侧固定安装有显示屏7，显示屏7通过导线与主机25相连接，在底座4内固定安装有旋转轴承23，旋转轴承23内套装有旋转轴24，旋转轴24的顶部与转盘6固定连接。

所述的固定支架12的顶部与横向支撑体3的底部固定连接，第一旋转轴14的两侧固定安装有第一挡块13，第二旋转轴17的两侧固定安装有第二挡块16，第三旋转轴20的两侧固定安装有第三挡块19，在横向支撑体3的底部设置有AR导线安放架8，AR导线9的一端设置在AR导线安放架8内，AR导线9的另一端与AR头套10相连接，在AR头套10上设置有拉拽把手11。所述的AR头套10内侧顶部设置有限位挡片30，限位挡片30的顶部固定安装有限位调节弹簧29，限位调节弹簧29的顶部与限位块28的底部固定连接，限位块28的顶部与第三旋转支架26的底部固定连接，在AR头套10的顶部设置有用于穿过第三旋转支架26的孔，第三旋转支架26活动安装在该孔内，在第三旋转支架26的顶部开设有旋转通孔27，第三旋转轴20套装在旋转通孔27内，在限位挡片30下方的AR头套10上安装透明AR眼镜31，在透明AR眼镜31下方的AR头套10上开设有呼吸说话口33，在呼吸说话口33下方的AR头套10底部开设有进入口34，在透明AR眼镜31两侧的AR头套10内部设置有音频器32，音频器32以及透明AR眼镜31通过导线与AR导线9相连接，在箱体1上安装有与主机25相连接的控制器34。

一种如上所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备的方法，其方法如下：使用前，使用者坐在固定座椅5上，并将AR头套10套在头上，在限位挡片30的作用下，调整好耳朵、鼻子、嘴巴以及眼睛的位置，到合适位置后，通过控制器34开启主机25，此时使用者眼睛落入AR眼镜31的可视范围，使用者的耳朵落入音频器32的播放范围，使用者的鼻子和嘴巴落入呼吸说话口33的开设范围，当主机25开启后，使用者利用音频器32以及透明AR眼镜31配合主机25实现AR教学用模拟实验，通过视觉和听觉来完成教学试验，同时，当使用者身体需要移动式，主机25向电机22发出能够跟随教学试验同步旋转移动的信号，电机22收到限号后根据信号带动旋转主动轮21旋转，旋转主动轮21带动转盘6旋转，转盘6带动固定座椅5旋转，实现同步旋转。

在整个模拟实验的过程中，教师可以通过显示屏7观测到最终模拟视觉效果，方便随时对使用者学生进行指导和监督，同时为教师和学生提供了AR模拟实验的主动操作和教师的监督指导。

Claims

1.一种基于AR技术的教学用模拟实验设备，包括底座（4），固定安装在底座（4）上的箱体（1），固定安装在箱体（1）上方的支撑板（2），固定安装在支撑板（2）上方的横向支撑体（3），其特征在于：所述的箱体（1）一侧的底座（4）上活动安装有转盘（6），转盘（6）的上方固定安装有固定座椅（5），在转盘（6）的外侧啮合连接有旋转主动轮（21），在底座（4）内安装有与旋转主动轮（21）相连接的电机（22），电机（22）通过导线与安装在箱体（1）内的主机（25）相连接，在固定座椅（5）上方安装有与主机（25）相连接的AR教学装置。

2.根据权利要求1所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备，其特征在于：所述的AR教学装置包括固定安装在横向支撑体（3）底部的两根固定支架（12），两根固定支架（12）的底部套装在第一旋转轴（14）上，在两根固定支架（12）之间的第一旋转轴（14）上套装有第一调节旋转支架（15），第一调节旋转支架（15）的另一端套装在第二旋转轴（17）上，在第一调节旋转支架（15）两侧的第二旋转轴（17）上套装有两根第二旋转支架（18），两根第二旋转支架（18）的另一端套装在第三旋转轴（20）上，在两根第二旋转支架（18）之间的第三旋转轴（20）上套装有第三旋转支架（26），第三旋转支架（26）的底部安装有AR头套（10），AR头套（10）通过AR导线（9）与主机（25）相连接。

3.根据权利要求1所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备，其特征在于：所述的底座（4）为带有开合门的长方体块状空腔结构，主机（25）以及电机（22）固定安装在底座（4）的底板顶面上，箱体（1）为长方体空腔结构，箱体（1）的底部与底座（4）的顶部相连通，支撑板（2）为纵向固定安装在底座（4）顶面边缘位置的长方体块状结构，横向支撑体（3）为横向固定安装在支撑板（2）顶面的长方体块状结构，在支撑板（2）的内侧固定安装有显示屏（7），显示屏（7）通过导线与主机（25）相连接，在底座（4）内固定安装有旋转轴承（23），旋转轴承（23）内套装有旋转轴（24），旋转轴（24）的顶部与转盘（6）固定连接。

4.根据权利要求2所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备，其特征在于：所述的固定支架（12）的顶部与横向支撑体（3）的底部固定连接，第一旋转轴（14）的两侧固定安装有第一挡块（13），第二旋转轴（17）的两侧固定安装有第二挡块（16），第三旋转轴（20）的两侧固定安装有第三挡块（19），在横向支撑体（3）的底部设置有AR导线安放架（8），AR导线（9）的一端设置在AR导线安放架（8）内，AR导线（9）的另一端与AR头套（10）相连接，在AR头套（10）上设置有拉拽把手（11）。

5.根据权利要求2所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备，其特征在于：所述的AR头套（10）内侧顶部设置有限位挡片（30），限位挡片（30）的顶部固定安装有限位调节弹簧（29），限位调节弹簧（29）的顶部与限位块（28）的底部固定连接，限位块（28）的顶部与第三旋转支架（26）的底部固定连接，在AR头套（10）的顶部设置有用于穿过第三旋转支架（26）的孔，第三旋转支架（26）活动安装在该孔内，在第三旋转支架（26）的顶部开设有旋转通孔（27），第三旋转轴（20）套装在旋转通孔（27）内，在限位挡片（30）下方的AR头套（10）上安装透明AR眼镜（31），在透明AR眼镜（31）下方的AR头套（10）上开设有呼吸说话口（33），在呼吸说话口（33）下方的AR头套（10）底部开设有进入口（34），在透明AR眼镜（31）两侧的AR头套（10）内部设置有音频器（32），音频器（32）以及透明AR眼镜（31）通过导线与AR导线（9）相连接，在箱体（1）上安装有与主机（25）相连接的控制器（34）。

6.一种如权利要求5所述的所述的基于AR技术的教学用模拟实验设备的方法，其特征在于，其方法如下：使用前，使用者坐在固定座椅（5）上，并将AR头套（10）套在头上，在限位挡片（30）的作用下，调整好耳朵、鼻子、嘴巴以及眼睛的位置，到合适位置后，通过控制器（34）开启主机（25），此时使用者眼睛落入AR眼镜（31）的可视范围，使用者的耳朵落入音频器（32）的播放范围，使用者的鼻子和嘴巴落入呼吸说话口（33）的开设范围，当主机（25）开启后，使用者利用音频器（32）以及透明AR眼镜（31）配合主机（25）实现AR教学用模拟实验，通过视觉和听觉来完成教学试验，同时，当使用者身体需要移动式，主机（25）向电机（22）发出能够跟随教学试验同步旋转移动的信号，电机（22）收到限号后根据信号带动旋转主动轮（21）旋转，旋转主动轮（21）带动转盘（6）旋转，转盘（6）带动固定座椅（5）旋转，实现同步旋转。