CN1745404B - 三维模型的互动教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够对最好是三维的物体进行解释和演示的设备，该三维物体例如是解剖模型或者是博物馆和展览会上的模型和展品。根据本发明，模型(1)通过至少一个多元件的力/力矩测量装置(2)固定地与外界相联系。本发明的装置包括存储/分析电路和一个光学视频和/或声音显示装置。力/力矩测量装置(2)将触摸模型(1)时出现的力和力矩变换为电测量信号，此信号被传送给存储/分析电路。在存储/分析电路中基于触摸时检测到的力和力矩计算出触摸位置，并且此位置由光学视频和/或声音显示装置以信号的形式展示给操作者。

Description

三维模型的互动教学装置

本发明涉及能够解释和演示尤其是三维物体的装置，三维物体例如是解剖模型或博物馆和博览会上的模型和展品。

在医学教学领域或在医学演示中，经常利用由塑料或其它材料制成的解剖模型。为了说明或强调某些解剖区域，经常合乎目的地通过标注文字或着色来标识相应的区域。

这种模型的问题在于，由于空间有限使借助于标注文字传递的信息可能不够丰富。经常根本没有文字标注，因为模型的组织(色彩，精细的血管、神经等)应仍能被识别。相应模型区域的名称和相关信息则被列在一页纸上。对应关系由标在模型上的号码或通过示意图或照片(在其上可见到相应的模型区域)来建立。感兴趣的模型区域的识别因而经常是很麻烦和不明显的。

同样的问题也存在于博物馆或博览会上展示的三维展品的情况中，并且与医学模型不同，这里三维展品还涉及到诸如汽车博物馆中的老式汽车。

在博物馆和博览会模型中通常为了解释、说明或强调模型的某些区域也通过文字标注或彩色标识进行标记。经常这里也应用电子开关-它装在模型上或远离模型，它用于借助白炽灯使某个模型区域变为可见，或者通过一个发光的文字符号来说明。所谓的触摸垫用于专门的应用中，这些触摸垫可以在设置为矩阵形式的测量探测器的基础上获取表面应力分布，例如参见DE 3642088C2。这种安排的缺点在于，在被触摸的模型和操作者之间存在传感器元件，从而使原来的接触特性，如表面特性、形状和颜色经常被篡改。此外，被触摸的模型必须被处理，以固定测量探测器。这样，模型被改变或者甚至被损坏。为了在整个相关模型区域上获得足够高的空间分辨率，必须应用大量的压力传感器。

利用所谓导向或跟踪系统-它例如通过跟踪操作者手指或工具，在操作者一侧而不是在模型一侧获取触摸点，可以部分克服上述缺点。然而检测操作者运动的设备开销非常高。

因此本发明的目的在于提供用于教学和演示目的的改进模型，它特别是克服了上面所列举的缺点。

上述任务由权利要求1或2所述的装置完成。

按照权利要求1，所述教学装置具有以下特征：构成模型的三维物体通过至少一个电子的多元件力和力矩测量装置固定地与外界相联系。在三维物体被触摸时出现的力和力矩被转换为电测量信号，此信号被送到一个存储和分析电路。在存储和分析电路中实现三维物体的几何形状的一个数字模型。所谓的“几何形状”在下面应理解为模型表面的至少每个可能被触摸和应被说明的区域，也就是说例如解剖模型上的体穴。

此外，实现了一个现有技术中已知的算法，它由在触摸时求得的力和力矩计算出三维物体上刚才例如用手指或针触摸的位置。

计算出的触摸位置借助于一个显示装置被显示或给出。显示和/或输出的方式是可以自由选择的，或者按照所要达到的目的来设计。最好利用光学可视和/或声学显示装置，这些显示装置已由现有技术已知。

权利要求2所述发明作为独立发明遵从与权利要求1所述发明相同的思路。然而，主要区别在于在存储和分析电路中不存储数学模型，而是存储一个数据表，在数据表中存储感兴趣的触摸点。

这些触摸点借助于现有技术中已知的“教授”方法实现，即用手指或用工具触摸三维物体上或三维物体中的要“教授”的位置(例如体穴)。其中施加预定的力，此力被传输到多元件力和力矩测量装置上。

由多元件力和力矩测量装置得到的力和力矩与存储在数据表中的值比较。借助于相应算法求出触摸位置，并借助于显示装置显示触摸位置。与权利要求1所述发明不同，在权利要求1的发明中原则上求出每个任意的点，只要它通过数字模型被获取，而在权利要求2的发明中基本上只识别以前被教授过的点。

模型通过唯一的多元件力和力矩测量装置固定地与桌子、墙壁、天花板或其他基准相联系。出于改善机械稳定性的理由，也可使用多个力测量装置。多元件力和力矩测量装置属于现有技术的内容，并且商业上作为模块被供应。如果要求三维物体的尺寸，也可应用附加的支撑装置。然而这些支撑装置必须如此构造，使得在触摸时产生的力明确且可复制地被引导到所述力和力矩测量装置或者多个力测量装置。

与至今已知的装置相比较特点在于，对触摸敏感的传感器不是安装在模型的触摸点上，而是作为连接元件位于模型与外界之间。因此模型不需要花费高昂地被处理。此外，几乎可以产生任意多的触摸点，这在现有技术已知的装置中是不可能的。

所述结构允许可视地和/或用声音对操作者所触摸的模型区域、模型点或模型单元进行解释、说明或强调。被展现的信息例如可以是被识别的模型区域或模型单元的名称、特定性能和功能。这些信息例如可以通过可视设备被读取或者在视觉上可识别，并且/或者通过扬声器可以听见。影片或图解动画也可以根据设定和操作动作被放映。此外，求得的力数值和求得的力方向可在数据处理器中进一步处理，并例如作为矢量箭头以图形动画显示或作为声音信号被回放。如果操作者在模型上施加了过大的力，则一个视频或声音告警信号或一个告警声被用来使操作者离开模型，以避免模型或力传感器的损毁。

所用模型的数学表示可借助于三维扫描仪(CT，核旋转层析X射线摄影机，激光扫描仪等)确定，并且存储在数据处理器中。在教授过程中相应的模型区域被触摸，产生的力和力矩被测量和存储，并且例如通过文本输入被配置。这里配置方法可得到现代技术，例如人工神经网络的支持。一旦在后续的应用中出现可相比较的力，如在教授过程中测得的力，则被触摸的单元自动被识别。

模型的几何图象也可通过图形动画来表示。在触摸特定模型区域时，此区域例如可通过着色或借助一个箭头来以动画的形式标识出来。也可以通过视觉设备看到最精细的内容，这些内容出现在触摸点附近，但是由于位置原因这些内容在实际模型上是不标注的。

在模型上或某些预先规定的模型区域内部，可以用各种光学形式，例如颜色、大小、形状、文字标记不同的菜单点。在触摸这些菜单点中的一个时，按照此点的类型触发某个响应或实现一个菜单功能，它以声音或图形被显示。

作为对光学上可能不同的点的替代或补充，具有典型的力-时间关系的特定触摸模式也可引出图形和声音响应。这些触摸模式例如为长或短的接触、轻或重的按压、以及不同数量的敲击信号，例如在程序中双击来打开一个文件窗口。

本发明可以在两种不同的模式下工作。上面所述功能是所谓的正常模式，其中触摸产生一个图形和/或声音响应。在所谓的查询模式下可以首先向操作者给出一个图形或声音请求，此请求例如是触摸某个模型区域。操作者-例如一个要考试的学生-然后触摸被指认的区域，并且数据处理器检查是否触摸了正确的区域，即操作者是否识别出正确的区域。这里也可以检验操作者是否以正确顺序触摸了这些区域，并在需要时也可检验触摸是否有正确的时间期限，力的大小和力的方向。然后可以通过图形和/或声音输出将操作正确、操作错误或一个评价告知操作者。在此模式下操作者也可按其意愿查询。

按照权利要求3，光学-视频显示装置具有一个投影仪，它将可视信息，如文字或图像直接投影到触摸区域上，其中也可以采用背投。其前提是模型区域的颜色和表面被调准到投影上。例如当操作者以增大的力按压模型的肺叶时，投影和展示较深的层面。本领域技术人员都清楚，这些投影也可以显示在分开的屏幕上。

按照权利要求4，投影仪被设计为视频投影仪。从而例如可以接近实际地展示肺部的血液流动，并从而进一步增强信息的效果。

还要提及的是，存在一系列用于分析力和力矩测量装置的信号的智能算法。在一个可分解的解剖模型情况下，例如取出一个器官时剩余的质量减少。如果例如可取下的器官的质量是不同的且已知，所去除的器官可以通过简单的重量分级而确定。此外在移去一个器官时模型重心的改变也可以参考上述确定。如果某个器官被移去，通过力和力矩测量装置不仅仅反映为重量减小，通常还确定出一个倾斜力矩。可信度检验算法可以进一步减小发生混淆的危险。例如若两个器官有相同重量，但是位置相邻，从而只能以预定的顺序移开，因而刚刚移去的器官尽管重量相同仍可明确地识别。

下面借助实施例和示意性附图详细说明本发明，附图中：

图1a-f示出本发明在一个解剖驱干模型上的应用。

图2示出本发明在一个用于针刺疗法的模型耳上的应用。

图3示出一个具有分开模型的实施例。

图4a，b示出本发明用于一个非医学应用的实施例。

图1a示出一个人造的、打开的、具有可取下的器官的上体(躯干模型)。在此实施例中本发明用于支持医学培训。模型安装在一个6元件的力-力矩传感器2上。传感器数据给到一个具有图形和声音输出的数据处理装置。在各个器官上涂上多个黄、蓝和绿色的小点。例如当一名医学专业学生触摸一个器官或某个器官区域时，则他被以声音告知此器官或区域的名称。同时在一台监视器上以彩色方式再现躯干的人造图像并显示出被触摸区域的名称。被触摸的结构可在图形动画中用彩色强调。本身非常小的解剖结构-如血管、小血管、神经、肌肉连接位置-也可变为可视的。如果操作者触摸模型人造器官上的黄色点，则在监视器上为操作者展现此器官或器官区域的照片显示。在触摸蓝色点时以图形及声音给出生理学的说明和可能的病理学说明。触摸绿色点可以起动带声音的图形动画和影片。此外可以用在躯干模型的器官或皮肤上加大压力代替向深处的针刺。并且不同的驱体层和内部视图被用图形动画显示。在查询模式(控制模式)下，一个人造声音可用来请求操作者触摸某个解剖学上的相应区域。然后被触摸的位置由数据处理装置记录，并以图形和声音告知操作者结果并进行评述。

图1b示出操作者如何得知躯干模型的一个器官。传感器响应改变了的重量和重心位移。因为各个部件的重量是已知的，可以自动识别出哪个器官被移走。然后监视器上躯干的人造显示匹配于相应改变了的躯干模型。

图1c示出在移开多个器官后深层的结构，此结构至今都是不可见的，而现在变成可见的了，并且可通过触摸并利用声音图形支持进一步阐释。

图1d示出另一种图形和声音显示，其中使用了一个立体数据头盔(头载显示器，HMD)。通过将两个分开的图像投射到两只眼睛上来取得三维的真实图像感觉。声音则通过一个立体声耳机传送给操作者。

图1e示出另一种图形显示，其中文字和图像信息直接投射在被触摸的模型上。这可以例如用商业上常用的投影仪实现，其中在此例中模型表面应是白色或浅单色的。

图1f示出一个实施方式，其中驱干模型用两个多元件传感器2a，2b确定。相应的力和力矩信号矢量相加，并作为对应于单传感器信号的和信号在数据处理装置中被进一步处理。

图2示出一个实施方式，其中模型耳可用于针刺疗法培训。模型耳与一个力-力矩传感器2相连接。在此耳上标记出最重要的穴位。当操作者用一尖的物体(它与一根针刺疗法用的针一样)触摸模型耳时，他听到一个声音和监视器图像，它们具有所瞄准的点的名称和意义说明。声音说明和文本显示在此应用实例中是有意义的，因为在耳朵上没有足够的地方来显示这些点的名称和意义说明。声音和图像也可指导操作者寻找所要的点。同时也可以检查操作者找出某一个点需要多少时间，以及他以什么顺序抵达这个点。

图3示出一个实施方式，其中模型被分开。右侧模型部分在桌子一侧与一个力一力矩传感器2a相连接。左侧模型部分通过另一个力-力矩传感器2b与右侧模型部分相连接。传感器2b代表右侧和左侧模型部分之间唯一的连接元件。通过这种结构安排，两个力一每个模型部分一个-被导出和定位。这样也可实现双侧的指示动作。在数据处理中，在左侧部分施加的力明确地用与其连接的传感器2b进一步处理。然而由于桌子侧的传感器2a接受两个模型部分的力，为了定位右侧接触点，两个传感器的输出必须相互结合。为此，连接的传感器的力和力矩数据以分量方式，即以矢量方式从桌子侧的传感器的力和力矩数据中减去(在一个公共座标系中)。

图4a示出一个模型汽车，它被安装在一个6元件的力-力矩传感器2上。力-力矩数据被送到一个数据处理装置，该装置可通过一个声音发生器(声卡)输出声音。数据处理装置包括模型汽车几何形状的数学模型。模型汽车由多个小部件，如车轮、门、防撞杆、反光镜组装而成。一旦操作者(博物馆参观者)用其手指短时间触摸一个部件一次，他就从扬声器听到被触摸的部件的名称。在同一部件上先后接着按两次，则对操作者简短而详细地说明其功能。在传送声音信息的同时在一台监视器上显示出模型的动画图像。此图像在被触摸的部件处用彩色强调，以及一个文本框，在此文本框中详细说明其功能。一次长时间的按压可以起动一个短影片，在此影片中展示被触摸的部件的制造过程。

图4b示出一个实施方式，其中模型汽车由两个多元件力和力矩测量装置2a，2b来确定。相应的力和力矩信号被矢量相加，并接着作为对应于单个传感器的信号的和信号在数据处理装置中被进一步处理。

显然，代替模型汽车，利用本发明也可以装配一个真实的物体，例如一辆汽车。毫无疑问，这在博物馆、展览会或博览会应用领域中的特别价值在于展出对象与观众的一种崭新的互动，然而至今还不允许观众触摸展品，本发明为此互动开辟了途径。

Claims (4)

1.一种互动教学装置，其包括：

-一个三维物体(1)，能够触摸该三维物体以指示该三维物体(1)上特定区域、点或要素的位置，其中该三维物体(1)通过至少一个多元件的力和力矩测量装置(2)固定地与外界相联系，

-一个存储和分析电路，以及

-一个光学视频和/或声音显示装置，

其中，

-所述力和力矩测量装置将触摸所述三维物体上的特定区域或点时或者将其某些部分移除时产生的力和力矩变换为电测量信号，这些信号被传送给存储和分析电路，其中在所述存储和分析电路中

-实现三维物体几何形状的一个数学模型，以及实现一种算法，

-其中所述算法借助于所述数学模型并利用检测到的力和力矩确定所触摸的区域或点或者确定从三维物体被移除的部分，并且其中所述确定的结果通过光学视频和/或声音显示装置来指示。

2.一种教学装置，其包括：

-一个三维物体(1)，能够触摸该三维物体以指示该三维物体上特定区域、点或要素的位置，其中该三维物体(1)通过至少一个多元件的力和力矩测量装置(2)固定地与外界相联系，

-一个存储和分析电路，以及

-一个光学视频和/或声音显示装置，

其中

-所述多元件力和力矩测量装置将触摸所述三维物体上的特定区域或点时或者将其某些部分移除时产生的力和力矩变换为电测量信号，这些信号被传送给存储和分析电路，其中

-在存储和分析电路的存储器中存储预定的触摸点的力和力矩测量信号，以及

-在存储和分析电路中实现一个相应的算法，该算法借助于数学模型并利用检测到的力和力矩确定所触摸的区域或点或者从三维物体被移除的部分，其中所述确定的结果通过光学视频和/或声音显示装置来指示。

3.如权利要求1或2所述的教学装置，其特征在于，所述光学视频显示装置具有一个投影仪，该投影仪将可视信息直接投影到被触摸的区域上。

4.如权利要求3所述的教学装置，其特征在于，所述投影仪是视频投影仪。

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