CN110782722A - 一种基于ar系统的教学系统及教学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AR系统的教学系统及教学方法，属于增强现实技术领域，该一种基于AR系统的教学系统包括：用于根据接入的模拟设备而自动选择相应的模拟场景的模拟模块，用于捕捉学员的动作，以及计算学员的身体相对于模拟设备位置的动作捕捉模块，用于根据模拟场景显示相应的画面，以及根据动作捕捉模块所捕捉到学员的动作显示相应的画面的显示模块，用于根据显示模块显示的画面播放相应声音的声音播放模块；本发明通过显示模块和动作捕捉模块使学员能够多角度的观看教学视频，并能够知道学员进行实训前的动作练习，让学员不必争着围绕教师也能够学到技术要领，且通过实训前的动作练习，降低了实训中因操作不当而发生危险的几率。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，具体是一种基于AR系统的教学系统及教学方法。
背景技术
在实训教学中由于场地、教师等教学资源的限制，都是学员围着教师观看实际操作的技术要领，在学员较多的情况下靠近教师的学员能够看清楚教师的技术要领，而排在后面的学员无法看清楚教师的技术要领。
并且在理工科的实训教学中常常伴随着一些危险性的情况发生，容易对刚接触实训以及对保护手段不熟练的学员造成伤害。
为此需要提供一种能够模拟实训环境的教学系统让学员不必争着围绕教师也能够学到技术要领，并且能够进行实训前的动作练习，降低在实训中因操作不当而发生危险的几率。
发明内容
发明目的：提供一种基于AR系统的教学系统及教学方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种基于AR系统的教学系统包括：用于根据接入的模拟设备而自动选择相应的模拟场景的模拟模块。
用于捕捉学员的动作，以及计算学员的身体相对于模拟设备位置的动作捕捉模块。
用于根据模拟场景显示相应的画面，以及根据动作捕捉模块所捕捉到学员的动作显示相应的画面的显示模块。
用于根据显示模块显示的画面播放相应声音的声音播放模块。
在进一步的实施例中，所述动作捕捉模块包括动作捕捉摄像机。
在进一步的实施例中，所述显示模块包括AR眼镜，所述AR眼镜内还存储有与模拟设备相对应的教学演示程序、场景模拟显示程序和考试程序。学员通过选择教学演示程序或场景模拟显示程序或考试程序，AR眼镜能够显示出相应的画面。
在教学演示程序中AR眼镜能够根据模拟设备能够显示教师实际操作视频，并配合动作捕捉模块传来的学员的身体相对于模拟设备的位置数据能够改变观看视频的角度，通过声音播放模块能够播放教师实际操作中的教学声音和设备真实工作产生的声音，让学员能够不必围着教师进行观看学习，就能够从多个角度观看教师所演示的技术要领。
在场景模拟显示程序中AR眼镜能够根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并引导学员对模拟设备进行操作，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，通过声音播放模块能够播放引导学员进行下一步的操作的声音，并根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时为学员显示操作错误的后果，并启动警告程序提示学员操作错误。其中，对学员操作错误的判定依据是动作捕捉模块所捕捉到的学员的动作轨迹超出预定的轨迹，或触发了模拟设备中的危险条件，如模拟设备为焊接实训模拟设备则该模拟设备的危险条件为未将左手把持的防护面罩移动至距离面部预定的位置，右手把持的焊枪的焊条就已与焊件接触，此时在实际操作中焊条与焊件的连接处会发出强光对操作人员的眼镜和皮肤造成伤害，因此将这种操作作为模拟设备的危险条件之一，在这种情况下为了避免对学员造成伤害又能够为学员显示操作错误的后果，所以此时AR眼镜显示的画面是白色的画面以模拟在强光的直射下眼睛除了强光看不到其余东西的场景。
学员在考试程序中AR眼镜仅根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，声音播放模块仅根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时仅显示操作错误的后果，尽可能的为学员模拟真实的操作情景，并且在学员考试结束后能够根据学员的操作计分并将分数和模拟操作过程发送给教师，其中若触发了模拟设备的危险条件则得零分。
教师在考试程序中AR眼镜能够观看到学生模拟操作的分数，并且可以观看学生模拟操作的过程。
在进一步的实施例中，所述声音播放模块为耳机，为了使学员能够根据自己的进度进行学习不被其他学员的学习声音所打扰，以及避免打扰到其他学员的学习进程，所以使用耳机作为声音播放模块。
在进一步的实施例中，所述AR眼镜内还存储有错误提示程序和警告程序，为了方便使用所以存储错误提示程序和警告程序，在设备连接出现错误时错误提示程序通过AR眼镜显示设备连接错误的画面，在学员操作错误时通过AR眼镜显示操作错误的画面。
在进一步的实施例中，所述模拟设备为普通车床、数控车床和数控铣床的混合模型，包括：机床本体，安装在机床本体外部做直线运动的移动防护门，安装在机床本体内部做直线运动的大拖板、中拖板和小拖板，在大拖板、中拖板和小拖板的一端分别转动连接有大转轮、中转轮和小转轮，固定安装在模拟设备一端的数控面板，以及安装在模拟设备上的第一手轮和第二手轮。
通过将模拟设备设计为普通车床、数控车床和数控铣床的混合模型对有危险的机床实训进行模拟。
在进一步的实施例中，所述模拟设备为焊接设备的模型，包括：焊接件、焊钳、焊条和防护面罩，所述焊条在焊钳的一端做直线运动，所述焊钳靠近焊条的一端侧面弹性连接有夹板，其中，所述焊接件、焊钳和焊条与显示模块电连接。
通过将模拟设备设计为焊接设备的模型对有危险的焊接实训进行模拟。
一种基于AR系统的教学系统的教学方法包括：第一步，根据教学的需要选择相应的模拟设备。
第二步，根据学习进程选择教学演示程序或场景模拟显示程序或考试程序。
在教学演示程序中，通过AR眼镜根据模拟设备显示教师实际操作视频，并配合动作捕捉模块传来的学员的身体相对于模拟设备的位置数据来改变观看视频的角度，通过声音播放模块播放教师实际操作中的教学声音和设备真实工作产生的声音，当接入模拟设备出现错误，以及教学演示程序中出现的视频数据损坏时，启动错误提示程序。
在场景模拟显示程序中，通过AR眼镜根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并引导学员对模拟设备进行操作，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，通过声音播放模块播放引导学员进行下一步的操作的声音，并根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时为学员显示操作错误的后果，并启动警告程序提示学员操作错误。
学员在考试程序中，通过AR眼镜仅根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，声音播放模块仅根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时仅显示操作错误的后果，在学员考试结束后根据学员的操作计分并将分数和模拟操作过程发送给教师。
在进一步的实施例中，还包括：教师在教学演示程序中，能够通过模拟设备、动作捕捉模块和显示模块设定运动轨迹，并设定学员在完成当前动作后为学员展示下一步的提示。
教师在学员考试前能够通过模拟设备、动作捕捉模块和显示模块设定运动轨迹，以运动轨迹作为得分点，以及设定危险条件，在学员触发危险条件时则判定学员得分为零。
教师在学员结束考试后，在教学程序中通过AR眼镜能够观看到学生模拟操作的分数，并且可以观看学生模拟操作的过程。
在进一步的实施例中，还包括：在学员戴上显示模块和声音播放模块后，通过显示模块观看焊接件可以看到教学用的焊缝，学员一只手把持防护面罩另一只手把持焊钳，然后使焊钳上的焊条末端向焊缝移动，在焊条的末端与焊接件之间的距离小于1mm之前学员将防护面罩移动至距离显示模块小于200mm的位置，然后将焊条的末端移动至距离焊接件小于1mm的位置，此时显示模块模拟显示透过防护面罩观看焊接时产生强光的场景。
若在焊条的末端与焊接件之间的距离小于1mm之前学员未将防护面罩移动至距离显示模块小于200mm的位置，则显示模块显示白色的画面模拟在强光的直射下眼睛仅能看到强光的场景。
有益效果：本发明公开了一种基于AR系统的教学系统及教学方法，通过显示模块能够为学员展示教师所教授的技术要领，使得学员不必再争着围绕教师也能够进行学习，并且动作捕捉模块能够根据所捕捉到学员的动作显示不同角度调整显示模块所显示的画面，为学员展示更多的技术要领的细节，通过模拟设备、动作捕捉模块、声音播放模块和显示模块的配合能够让学员在实训前能够在场景模拟显示程序中进行动作练习，以及在考试程序中让教师对学员的技术熟练度进行考核，降低了实训中因操作不当而发生危险的几率。
附图说明
图1是本发明的连接关系示意图。
图2是本发明的设备连接失败示意图。
图3是本发明的操作错误示意图。
图4是本发明的机床操作实训实施例示意图。
图5是本发明的焊接实训实施例示意图。
图1至图5所示附图标记为：模拟模块1、动作捕捉模块2、显示模块3、声音播放模块4。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
经申请人研究发现，在实训教学中由于场地、教师等教学资源的限制，都是学员围着教师观看实际操作的技术要领，在学员较多的情况下靠近教师的学员能够看清楚教师的技术要领，而排在后面的学员无法看清楚教师的技术要领。
并且在理工科的实训教学中常常伴随着一些危险性的情况发生，容易对刚接触实训以及对保护手段不熟练的学员造成伤害。
所以申请人研发了一种能够模拟实训环境的教学系统让学员不必争着围绕教师也能够学到技术要领，并且能够进行实训前的动作练习，降低在实训中因操作不当而发生危险的几率的基于AR系统的教学系统。
一种基于AR系统的教学系统包括：模拟模块1、动作捕捉模块2、显示模块3、声音播放模块4。
其中，模拟模块1包括模拟设备，所谓模拟模块1就是对实训设备的仿真，如图4所示为机床实训的模拟设备，如图5所示为焊接实训的模拟设备，模拟设备具有所仿真设备的外观和基本工作功能而又没有真实操作时的危险性。
如图4所示为机床实训的模拟设备，在机床实训中学员要学习的是对机床刀具走刀路线的控制，和对机床主轴的转速的控制，其中，学员手动操作的是机床的大拖板、中拖板和小拖板，而机床主轴的转动具有危险性也不需要学员进行手感的练习，所以模拟设备具有机床的大拖板、中拖板和小拖板，并且大拖板和小拖板可以沿主轴的轴线方向做直线运动，中拖板可以沿与大拖板运动方向的垂直方向做直线运动，而且小拖板可以绕自身轴线转动，并且大拖板、中拖板和小拖板都具有自锁功能，而模拟设备有不具备有危险性的主轴。但是在模拟设备在接入显示模块3后，模拟模块1会模拟机床的使用场景通过显示模块3显示能够转动的主轴，即真实完整的机床，声音播放模块4会播放机床真实工作时的声音，让学员体验真实的实训环境。
如图5所示为焊接实训的模拟设备，在焊接实训中学员要学习的是对焊钳和焊条的控制，但是焊条与焊件进行焊接时会发生强光，因此在学习焊接前学员还要练习使用防护面具的动作，但是对防护面具动作的练习要与焊接一起进行，为此在图5所示的模拟设备中具有与焊件、焊钳、焊条和防护面具相似的外观，但是焊条不会和焊件发出强光。但是在模拟设备在接入显示模块3后，模拟模块1会模拟焊接实训的场景，为了保护学生免受强光的伤害又能够体验到错误操作带来的后果，所以此时显示模块3显示白色的画面以表示在强光的直射下眼镜除了强光看不到其余东西的场景。
模拟模块1根据接入的模拟设备而自动选择相应的模拟场景，让学员能够在不受到伤害的情况下体验到真实的实训场景，在模拟场景中能够熟练的进行操作后再进一步的进行真实的实训教程。
动作捕捉模块2为动作捕捉摄像机，通过动作捕捉摄像机能够对学员的身体和动作进行捕捉以及对学员的身体相对于模拟设备的位置进行计算。
在本实施例中显示模块3为AR眼镜，能够根据模拟模块1选择的模拟场景显示出相应的画面，以及根据动作捕捉模块2所捕捉到学员的动作显示相应的画面，为学员显示真实的实训教学的环境。
声音播放模块4为耳机，为了使学员能够根据自己的进度进行学习不被其他学员的学习声音所打扰，以及避免打扰到其他学员的学习进程，所以使用耳机作为声音播放模块4。
为了方便教师录入教学声音，进一步地，耳机还具有麦克风，让教师在录入教学视频时可以直接进行声音的录制。
在进一步的实施例中，AR眼镜内还存储有与模拟设备相对应的用于播放教学的教学演示程序，用于让学员练习技术要领动作的场景模拟显示程序，以及用于考核学员是否能够进入下一个真实实训的考试程序，学员通过选择教学演示程序或场景模拟显示程序或考试程序，AR眼镜能够显示出相应的画面。
通过AR眼镜的增强现实功能能够对模拟设备进行增强模拟，让学员体验更加真实的实训环境。
在进一步的实施例中，所述AR眼镜内还存储有错误提示程序和警告程序，为了方便使用所以存储错误提示程序和警告程序，在设备连接出现错误时错误提示程序通过AR眼镜显示设备连接错误的画面，在学员操作错误时通过AR眼镜显示操作错误的画面。
当设备连接出现错误时错误提示程序通过AR眼镜显示如图2所示的设备连接错误的画面，当学员操作错误时通过AR眼镜显示如图3所示的操作错误的画面。在这里需要注意的是图2和图3仅为详细的说明错误提示程序和警告程序的功能本发明并不限于此具体细节。
具体的教学方法：首先根据教学的需要选择相应的模拟设备，然后根据学习进程选择教学演示程序或场景模拟显示程序或考试程序。
在教学演示程序中，通过AR眼镜根据模拟设备显示教师实际操作视频，并配合动作捕捉模块2传来的学员的身体相对于模拟设备的位置数据来改变观看视频的角度，通过声音播放模块4播放教师实际操作中的教学声音和设备真实工作产生的声音，当接入模拟设备出现错误，以及教学演示程序中出现的视频数据损坏时，启动错误提示程序。
在场景模拟显示程序中，通过AR眼镜根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并引导学员对模拟设备进行操作，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，通过声音播放模块4播放引导学员进行下一步的操作的声音，并根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时为学员显示操作错误的后果，并启动警告程序提示学员操作错误。
学员在考试程序中，通过AR眼镜仅根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，声音播放模块4仅根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时仅显示操作错误的后果，在学员考试结束后根据学员的操作计分并将分数和模拟操作过程发送给教师。
在进一步的实施例中，还包括：教师在教学演示程序中，能够通过模拟设备、动作捕捉模块2和显示模块3设定运动轨迹，并设定学员在完成当前动作后为学员展示下一步的提示。
教师在学员考试前能够通过模拟设备、动作捕捉模块2和显示模块3设定运动轨迹，以运动轨迹作为得分点，以及设定危险条件，在学员触发危险条件时则判定学员得分为零。
教师在学员结束考试后，在教学程序中通过AR眼镜能够观看到学生模拟操作的分数，并且可以观看学生模拟操作的过程。
在进一步的实施例中，为了让学员在机床实训之前熟悉机床操作，熟悉技术要领，降低危险发生的几率，所以如图4所示将模拟设备设为普通车床、数控车床和数控铣床的混合模型，包括：机床本体，安装在机床本体外部做直线运动的移动防护门，安装在机床本体内部做直线运动的大拖板、中拖板和小拖板，在大拖板、中拖板和小拖板的一端分别转动连接有大转轮、中转轮和小转轮，固定安装在模拟设备一端的数控面板，以及安装在模拟设备上的第一手轮和第二手轮。保留的大拖板、中拖板和小拖板以及与之一一对应的大转轮、中转轮和小转轮能够让学员熟悉普车实训的手感。
在另一实施例中，为了让学员在焊接实训前熟悉焊接实训的保护动作，所以如图5所示模拟设备为焊接设备的模型，包括：焊接件、焊钳、焊条和防护面罩，所述焊条在焊钳的一端做直线运动，所述焊钳靠近焊条的一端侧面弹性连接有夹板，其中，所述焊接件、焊钳和焊条与显示模块3电连接。
在进一步的实施例中，在学员戴上显示模块3和声音播放模块4后，通过显示模块3观看焊接件可以看到教学用的焊缝，学员一只手把持防护面罩另一只手把持焊钳，然后使焊钳上的焊条末端向焊缝移动，在焊条的末端与焊接件之间的距离小于1mm之前学员将防护面罩移动至距离显示模块小于200mm的位置，然后将焊条的末端移动至距离焊接件小于1mm的位置，此时显示模块3模拟显示透过防护面罩观看焊接时产生强光的场景。
其中，所述危险条件包括：在机床实训模拟中，使用数控机床进行模拟时没有关闭防护罩，以及在AR显示的画面中主轴未停止旋转时身体接触主轴等。
在焊接实训模拟中，未将左手把持的防护面罩移动至距离面部预定的位置，右手把持的焊枪的焊条就已与焊件接触，以及焊条与焊件直接接触时间超过预定时间等。
在本发明的描述中，需要 说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，包括：
用于根据接入的模拟设备而自动选择相应的模拟场景的模拟模块；
用于捕捉学员的动作，以及计算学员的身体相对于模拟设备位置的动作捕捉模块（2）；
用于根据模拟场景显示相应的画面，以及根据动作捕捉模块（2）所捕捉到学员的动作显示相应的画面的显示模块（3）；
用于根据显示模块（3）显示的画面播放相应声音的声音播放模块（4）。
2.根据权利要求1所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述动作捕捉模块（2）包括动作捕捉摄像机。
3.根据权利要求1所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述显示模块（3）包括AR眼镜，所述AR眼镜内还存储有与模拟设备相对应的教学演示程序、场景模拟显示程序和考试程序。
4.根据权利要求3所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述声音播放模块（4）为耳机。
5.根据权利要求3所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述AR眼镜内还存储有错误提示程序和警告程序。
6.根据权利要求1所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述模拟设备为普通车床、数控车床和数控铣床的混合模型，包括：机床本体，安装在机床本体外部做直线运动的移动防护门，安装在机床本体内部做直线运动的大拖板、中拖板和小拖板，在大拖板、中拖板和小拖板的一端分别转动连接有大转轮、中转轮和小转轮，固定安装在模拟设备一端的数控面板，以及安装在模拟设备上的第一手轮和第二手轮。
7.根据权利要求1所述一种基于AR系统的教学系统，其特征在于，所述模拟设备为焊接设备的模型，包括：焊接件、焊钳、焊条和防护面罩，所述焊条在焊钳的一端做直线运动，所述焊钳靠近焊条的一端侧面弹性连接有夹板，其中，所述焊接件、焊钳和焊条与显示模块（3）电连接。
8.一种基于AR系统的教学系统的教学方法，其特征在于，包括：第一步，根据教学的需要选择相应的模拟设备；
第二步，根据学习进程选择教学演示程序或场景模拟显示程序或考试程序；
学员在教学演示程序中，通过AR眼镜显示教师实际操作视频，并配合动作捕捉模块（2）传来的学员的身体相对于模拟设备的位置数据来改变观看视频的角度，通过声音播放模块（4）播放教师实际操作中的教学声音和设备真实工作产生的声音，当接入模拟设备出现错误，以及教学演示程序中出现的视频数据损坏时，启动错误提示程序；
学员在场景模拟显示程序中，通过AR眼镜根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并引导学员对模拟设备进行操作，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，通过声音播放模块（4）播放引导学员进行下一步的操作的声音，并根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时为学员显示操作错误的后果，并启动警告程序提示学员操作错误；
学员在考试程序中，通过AR眼镜仅根据模拟设备模拟显示相应的现场场景画面，并根据学员对模拟设备的操作显示相应的设备真实工作时的画面，声音播放模块（4）仅根据学员的操作播放相应的设备真实工作产生的声音，在学员操作错误时仅显示操作错误的后果，在学员考试结束后根据学员的操作计分并将分数和模拟操作过程发送给教师。
9.根据权利要求8所述一种基于AR系统的教学系统的教学方法，其特征在于，还包括：教师在教学演示程序中，能够通过模拟设备、动作捕捉模块（2）和显示模块（3）设定运动轨迹，并设定学员在完成当前动作后为学员展示下一步的提示；
教师在学员考试前能够通过模拟设备、动作捕捉模块（2）和显示模块（3）设定运动轨迹，以运动轨迹作为得分点，以及设定危险条件，在学员触发危险条件时则判定学员得分为零；
教师在学员结束考试后，在教学程序中通过AR眼镜能够观看到学生模拟操作的分数，并且可以观看学生模拟操作的过程。
10.根据权利要求8所述一种基于AR系统的教学系统的教学方法，其特征在于，还包括：在学员戴上显示模块（3）和声音播放模块（4）后，通过显示模块（3）观看焊接件可以看到教学用的焊缝，学员一只手把持防护面罩另一只手把持焊钳，然后使焊钳上的焊条末端向焊缝移动，在焊条的末端与焊接件之间的距离小于1mm之前学员将防护面罩移动至距离显示模块（3）小于200mm的位置，然后将焊条的末端移动至距离焊接件小于1mm的位置，此时显示模块（3）模拟显示透过防护面罩观看焊接时产生强光的场景；
若在焊条的末端与焊接件之间的距离小于1mm之前学员未将防护面罩移动至距离显示模块（3）小于200mm的位置，则显示模块（3）显示白色的画面模拟在强光的直射下眼睛仅能看到强光的场景。
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