CN111369854A - 一种Vr虚拟现实实验室的操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及教学设备技术领域，具体为一种Vr虚拟现实实验室的操作系统及方法；其中，操作系统包括：操作平台，所述操作平台用于为实验者提供实体操作设备，采用VR操作手柄，所述操作平台用于让使用者控制三维虚拟场景中虚拟的实验器械的移动和步骤操作；可以避免使用者直接进行实验而产生风险，通过执行机械手替代真人进行实验，能够观察真实环境中的实验结果，显示终端显示摄像头拍摄的画面，设置金属罩，可以利用执行机械手做出一些危险性较大的实验，能够减少设备成本的同时，还可以获得真实环境中实验的结果展示，大大增加了教学的质量和学生学习的兴趣。

Description

一种Vr虚拟现实实验室的操作系统及方法

技术领域

本发明涉及教学设备技术领域，具体为一种Vr虚拟现实实验室的操作系统及方法。

背景技术

随着新时期教学的发展，实验室在教学中发挥着越来越重要的作用。实验课是一种常见的理科教学方法。主要是通过现场的实验进行教学，根据实验操作者的不同可分为：教师演示、学生动手、师生协作三类。实验教学法具有以下优点：(1)教学过程直观、明了、生动，易引起学生兴趣。(2)便于加深学生对有关学习内容的理解，加强学生对相关知识的记忆。(3)可以充分的调动学生的积极性，使学生主动地参与到学习过程中去。

虽然实验课优点众多，但实验课所用设备比较贵重，学校建立一个科学探究实验室需要很大的资金，对于偏远地区或实验条件较差地区的学校，由于缺少资金，很难建立科学探究实验室。传统教学模式受教学经费的限制，很难随时随地带领学生实地讲解。而增加一些实地教学设施，但在资金成本上投入很大，而且这些投入并不能重复利用。在这一方面，传统教学方式明显存在不足。

随着信息技术的发展广播、电视、网络必将在一个平台上统一，跨媒体将成为媒体发展主流。如：利用计算机技术存储和处理信息的电子媒体将取代容量小、成本高、复制困难、不易保存的平面媒体，如报纸、杂志等等。多媒体平台不但能提供声像图文并茂的新闻，而且还能提供电子商务、电子政务、电子公务、电子医务、电子教务等多种服务。信息产业的发展已经经历了3次浪潮，即以硬件为核心的浪潮、以软件为核心的浪潮和以网络为核心的浪潮，因此下一次浪潮应是信息采集、处理和传播的浪潮，也就是以多媒体新闻为核心的多种信息服务崛起的浪潮。

虚拟现实是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为作出动态的交互反应。传统的仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，无法模拟人对外界环境的感知--听觉、视觉、触觉，而虚拟现实带来了人机交互的新概念和新方法，计算机模拟外界环境对人的感官刺激已经成为可能。随着网络通信速度的提高和带宽的扩展，信息社会对教育提出了新的需求，VR技术的研究已经从高投入的航天、军事领域开始进入教育领域，国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉及高等教育的各个学科，由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性，使用者能够沉浸其中、超越其上、交时交互，已显示其实用性和先进性，技术潜力巨大，应用前景广阔。采用虚拟现实和数字城市技术，则为传统教育观念和教育模式的转变提供了新的可能。采用虚拟现实和专业显示等先进的技术手段，建设实训模拟教学系统，将彻底解决以上学校目前面临的教学难题，并可大大降低学校的资金投入，成为学校信息化建设和教学模式的重要突破，也成为旅游、动漫专业实训的最重要、最有效的教学手段。

随着实验室教学的快速发展，实现试验教学的互动已经成为试验教学发展的大趋势。互动体验式教学的内涵是根据学生所处年龄段的心理特征,由教学环境境在恰当时机结合情景进行教学活动,从而使学生能够感受到较为真实的交流体验,以期使学生的各项素质和逻辑能力得到综合提升,使其感觉到教学活动与现实更加贴近。而互动体验式教学重视的是从环境入手来完成互动体验式教学。

目前随着网络的发展，现有的虚拟现实实验室能够通过VR设备进行一些简单的实验，提高使用者的动手能力和理论知识，但是虚拟现实实验室中所展示的结果只能展示出计算机中预先储存的画面，与实际实验中所产生的效果是存在差异的，无法准确的展现实际环境中的实验结果，因为在实际的实验中，影响实验结果的因素有很多，计算机中无法将其全部的模拟出来。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种Vr虚拟现实实验室的操作系统及方法。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

本发明提供一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，包括：

操作平台，所述操作平台用于为实验者提供实体操作设备，采用VR操作手柄，所述操作平台用于让使用者控制三维虚拟场景中虚拟的实验器械的移动和步骤操作；

上机位，所述上机位用于对操作进行仿真模拟；上机位包括计算机、显示终端、仿真操作模块，所述计算机用于对仿真模拟提供运算和实施平台，所述显示终端与计算机连接，用于对计算机的仿真模拟结果进行显示，所述仿真操作模块与计算机连接，用于在计算机上运行仿真模拟的操作，并提出规范化的要求，实现对实验进行三维的仿真模拟实验；

下机位，所述下机位用于对操作进行执行，下机位包括控制器、执行器、执行机械手，所述控制器用于接收计算机发生的操作信号，并发送到执行器，所述执行器控制执行机械手工作，执行相应的实验操作；

防护机构，所述防护机构用于对下机位进行防护，防护机构包括金属罩和摄像头；所述金属罩罩在下机位上，金属罩内安装有摄像头，所述摄像头与显示终端连接，显示终端显示摄像头拍摄的画面。

优选的，所述操作平台采用型号为HTC-vive的VR设备。

优选的，所述执行机械手采用装配有柔性夹爪的六轴机械手。

优选的，所述摄像头采用型号为NAC-Memrecam-HX-7s的高速摄像机。

本发明还提供一种Vr虚拟现实实验室的操作方法，包括以下步骤：

1)连接电源，开启上机位和下机位，计算机运载试验操作模型数据，用户佩戴HTC-vive的VR设备进入试验虚拟现实场景；

2)在三维虚拟场景中，控制虚拟的实验器械的移动和步骤操作，选择试验项目，计算机加载该试验项目所对应的虚拟现实场景；

3)根据操作指令，由用户操作HTC-vive的VR设备中的VR手柄控制试验器械的移动，计算机计算出该步骤所获取的实验结果，模拟真实环境下试验结果的显示；

4)选择存储整个操作步骤的动画，动画被保存到计算机中，便于观看和分析；

5)将存储在计算机中的动画转换为控制器电路信号，发送到控制器中，控制器通过执行器控制执行机械抓工作，机械工作抓抓取真实的实验器械进行实验，即在现实世界中重现使用者在虚拟现实中进行的操作；

6)通过显示终端观察高速摄像机拍摄到的画面，可以进行慢放，观察实验中的细节变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用下机位实现使用者在虚拟现实中所进行的实验步骤，可以避免使用者直接进行实验而产生风险，通过执行机械手替代真人进行实验，能够观察真实环境中的实验结果，显示终端显示摄像头拍摄的画面，设置金属罩，可以利用执行机械手做出一些危险性较大的实验，能够减少设备成本的同时，还可以获得真实环境中实验的结果展示，大大增加了教学的质量和学生学习的兴趣。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种较佳的实施方式：

一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，包括：

操作平台，所述操作平台用于为实验者提供实体操作设备，采用VR操作手柄，所述操作平台用于让使用者控制三维虚拟场景中虚拟的实验器械的移动和步骤操作；

上机位，所述上机位用于对操作进行仿真模拟；上机位包括计算机、显示终端、仿真操作模块，所述计算机用于对仿真模拟提供运算和实施平台，所述显示终端与计算机连接，用于对计算机的仿真模拟结果进行显示，所述仿真操作模块与计算机连接，用于在计算机上运行仿真模拟的操作，并提出规范化的要求，实现对实验进行三维的仿真模拟实验；

下机位，所述下机位用于对操作进行执行，下机位包括控制器、执行器、执行机械手，所述控制器用于接收计算机发生的操作信号，并发送到执行器，所述执行器控制执行机械手工作，执行相应的实验操作，利用下机位实现使用者在虚拟现实中所进行的实验步骤，可以避免使用者直接进行实验而产生风险，通过执行机械手替代真人进行实验，能够观察真实环境中的实验结果；

防护机构，所述防护机构用于对下机位进行防护，防护机构包括金属罩和摄像头；所述金属罩罩在下机位上，金属罩内安装有摄像头，所述摄像头与显示终端连接，显示终端显示摄像头拍摄的画面，设置金属罩，可以利用执行机械手做出一些危险性较大的实验。

所述操作平台采用型号为HTC-vive的VR设备。

所述执行机械手采用装配有柔性夹爪的六轴机械手。

所述摄像头采用型号为NAC-Memrecam-HX-7s的高速摄像机，能够拍摄出实验中的慢镜头画面，以便展示出实验中更多的细节。

一种Vr虚拟现实实验室的操作方法，包括以下步骤：

1)连接电源，开启上机位和下机位，计算机运载试验操作模型数据，用户佩戴HTC-vive的VR设备进入试验虚拟现实场景；

2)在三维虚拟场景中，控制虚拟的实验器械的移动和步骤操作，选择试验项目，计算机加载该试验项目所对应的虚拟现实场景；

3)根据操作指令，由用户操作HTC-vive的VR设备中的VR手柄控制试验器械的移动，计算机计算出该步骤所获取的实验结果，模拟真实环境下试验结果的显示；

4)选择存储整个操作步骤的动画，动画被保存到计算机中，便于观看和分析；

5)将存储在计算机中的动画转换为控制器电路信号，发送到控制器中，控制器通过执行器控制执行机械抓工作，机械工作抓抓取真实的实验器械进行实验，即在现实世界中重现使用者在虚拟现实中进行的操作；

6)通过显示终端观察高速摄像机拍摄到的画面，可以进行慢放，观察实验中的细节变化。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，其特征在于，包括：

操作平台，所述操作平台用于为实验者提供实体操作设备，采用VR操作手柄，所述操作平台用于让使用者控制三维虚拟场景中虚拟的实验器械的移动和步骤操作；

上机位，所述上机位用于对操作进行仿真模拟；上机位包括计算机、显示终端、仿真操作模块，所述计算机用于对仿真模拟提供运算和实施平台，所述显示终端与计算机连接，用于对计算机的仿真模拟结果进行显示，所述仿真操作模块与计算机连接，用于在计算机上运行仿真模拟的操作，并提出规范化的要求，实现对实验进行三维的仿真模拟实验；

下机位，所述下机位用于对操作进行执行，下机位包括控制器、执行器、执行机械手，所述控制器用于接收计算机发生的操作信号，并发送到执行器，所述执行器控制执行机械手工作，执行相应的实验操作；

防护机构，所述防护机构用于对下机位进行防护，防护机构包括金属罩和摄像头；所述金属罩罩在下机位上，金属罩内安装有摄像头，所述摄像头与显示终端连接，显示终端显示摄像头拍摄的画面。

2.根据权利要求1所述的一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，其特征在于：所述操作平台采用型号为HTC-vive的VR设备。

3.根据权利要求1所述的一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，其特征在于：所述执行机械手采用装配有柔性夹爪的六轴机械手。

4.根据权利要求1所述的一种Vr虚拟现实实验室的操作系统，其特征在于：所述摄像头采用型号为NAC-Memrecam-HX-7s的高速摄像机。

5.一种Vr虚拟现实实验室的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)连接电源，开启上机位和下机位，计算机运载试验操作模型数据，用户佩戴HTC-vive的VR设备进入试验虚拟现实场景；

2)在三维虚拟场景中，控制虚拟的实验器械的移动和步骤操作，选择试验项目，计算机加载该试验项目所对应的虚拟现实场景；

3)根据操作指令，由用户操作HTC-vive的VR设备中的VR手柄控制试验器械的移动，计算机计算出该步骤所获取的实验结果，模拟真实环境下试验结果的显示；

4)选择存储整个操作步骤的动画，动画被保存到计算机中，便于观看和分析；

5)将存储在计算机中的动画转换为控制器电路信号，发送到控制器中，控制器通过执行器控制执行机械抓工作，机械工作抓抓取真实的实验器械进行实验，即在现实世界中重现使用者在虚拟现实中进行的操作；

6)通过显示终端观察高速摄像机拍摄到的画面，可以进行慢放，观察实验中的细节变化。