CN104143272B - 一种基于互动教学的立体影像展示机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互动教学的立体影像展示机，包括从下至上依次设置的成像部分、收合部分、旋转部分以及升降部分；工作时，立体影像展示机的直线推杆电机将立体影像展示机降到与视线齐平的高度，然后通过控制立体影像展示机的步进电机使方曲柄带动连杆进行旋转，使得导轨伸长，梯形框和固结在其上的有机玻璃板打开，与水平面成45度角，然后通过控制立体影像展示机的步进电机使得立体影像展示机实现旋转，同时开启液晶显示器，此时，就能够通过立体影像展示机在教室一个方位看到所呈现物体四个不同面的立体图像；在不使用时，将立体影像展示机收起并升至天花板，以达到节省教室空间的目的。本发明具有低成本、多功能、高使用性能等多种优点。

Description

一种基于互动教学的立体影像展示机

【技术领域】

本发明涉及一种教室投影设备，具体涉及一种基于互动教学的立体影像展示机。

【背景技术】

目前已经被授权的相关专利为：一种360度浮空立体幻影成像系统，专利公开号为：CN202854478U，公开日期为：2013年4月3日；其内容简述如下：

一种360度浮空立体幻影成像系统包括立体成像设备和控制处理设备，所述立体成像设备通过导引线与所述控制处理设备连接，所述立体成像设备上倾斜设置有至少一块玻璃板，所述每块玻璃板倾斜方向上均设置有与之对应的所述投影装置，所述投影装置安置在所述立体成像设备上，所述玻璃板朝向所述投影装置的面上敷设有电镀膜。通过本实用新型能够实现裸视观看3D图像，同时本实用新型还可作为一种广告传媒载体，操作简单、适用性强且对外部环境的光害亮度要求相对较低。

但这项技术所存在的问题就是还处于简单的、原始的、不完善的产品阶段，没有相应的机械结构，不能实现产品的功能要求，没有实用价值。

总的来说，目前教室系统的投影设备大多是二维投影仪，只能实现平面投影，教学辅助仪器对维度的局限性在机械设计、机械工程制图等需要认识物体立体结构的课程中将会给学生的理解带来很大的困难。由此，为了解决以上问题，三维立体投影的引入将是必须的。但是现在的三维立体投影技术只停留在简单的、原始的、不完善的产品阶段，只有成像部分，没有办法实现多种必要的功能，例如旋转、升降、收合，没有实际的应用价值。因此没有办法真正地引入教学系统，达不到服务课堂的目的。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于互动教学的立体影像展示机。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于互动教学的立体影像展示机，包括从下至上依次设置的成像部分、收合部分、旋转部分以及升降部分；其中，

成像部分包括X型架、底板以及四个梯形框，X型架固定在底板的一侧，X型架上固定有液晶显示器，四个梯形框分别通过第二合页连接在底板的另一侧，且四个梯形框周向均匀布置在底板上，每个梯形框上均设置有一个有机玻璃板；

收合部分包括中心板以及安装在中心板上方的收合电机，收合电机的输出轴穿过中心板的中心孔后通过第二联轴器与方曲柄的中心处相连，方曲柄的四个角均通过一个连杆与一个伸缩装置活动连接，每个伸缩装置均通过第一合页与对应的梯形框相连；

旋转部分包括顶板以及安装在顶板下方的旋转电机，旋转电机的输出轴通过第一联轴器与设置在顶板中心孔处的螺栓相连；

升降部分包括两个直线推杆电机，中心板与顶板之间通过该两个直线推杆电机相连。

本发明进一步改进在于，每个有机玻璃板上均贴有增反膜。

本发明进一步改进在于，每个伸缩装置均包括上U型槽、下U型槽、两个导轨以及两个滑块，两个滑块分别设置在两个导轨内，两个导轨之间通过上U型槽相连，两个导轨的内侧通过下U型槽相连，下U型槽的一端与对应的连杆活动连接，下U型槽的另一端通过第一合页与对应的梯形框相连。

本发明进一步改进在于，螺栓的螺帽与顶板之间从下至上还依次设置有螺母和推力球轴承。

本发明进一步改进在于，收合电机和旋转电机均采用步进电机57HD8401-27B。

本发明进一步改进在于，还包括用于控制收合电机和旋转电机的步进电机控制器。

本发明进一步改进在于，直线推杆电机采用SL系列的电动推杆。

本发明进一步改进在于，还包括用于控制两个直线推杆电机的推杆电机控制器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、该立体影像展示机所决定的小班制环绕式教室布局最大程度地让处于教室每个位置的学生获得相同的教学感受；

2、该立体影像展示机解决现有教室系统的投影设备只能进行二维平面投影的问题，通过立体影像展示机在同一时刻对物体的各个方位进行成像，达到三维立体投影的视觉效果；

3、该立体影像展示机能够更方便地实现学生对于立体结构比较复杂的物体的理解，这将会对机械设计、机械工程制图等对立体想象能力要求比较高的课程带来很大便捷，既使老师授课变得容易，也使学生的理解更加深刻；

4、该立体影像展示机具有旋转的功能：可以使教室的每个学生在各自不同的位置对所展示物体有一致并且全面的了解；升降功能：可以跟随需求进行高度调节以达到最佳的观看效果；收合的功能：在不使用时可以收到天花板，节省教室空间；

5、综合考虑成像效果、工艺难度、结构稳定性、成本等因素，该立体影像展示机不是通过全息投影技术，而是通过较易实现的光学系统实现的，在保证了成像效果的同时又降低了设备制造的成本与难度；

6、本发明基于互动教学的立体影像展示机具有低成本、多功能、高使用性能等多种优点，这将使其较容易得到大面积的推广和后续进一步的开发。

【附图说明】

图1为本发明一种基于互动教学的立体影像展示机的立体图；

图2为本发明一种基于互动教学的立体影像展示机的主视图；

图3为图2去掉中心板以上部分后的俯视图；

图4为本发明梯形框的结构示意图；

图5为本发明中心板的结构示意图；

图6为本发明顶板的结构示意图；

图7为本发明底板的结构示意图；

图8为本发明上U型槽的结构示意图；

图9为本发明下U型槽的结构示意图；

图10为本发明方曲柄的结构示意图；

图11为本发明连杆的结构示意图；

图12为本发明光学系统光路图；

图13为本发明收合机构的俯视示意图；

图14为本发明收合机构的主视示意图。

图中：1为顶板，2为螺母，3为螺栓，4为推力球轴承，5为第一联轴器，6为直线推杆电机，7为收合电机，8为中心板，9为旋转电机，10为梯形框，11为X型架，12为底板，13为滑块，14为导轨，15为上U型槽，16为液晶显示器，17为有机玻璃板，18为下U型槽，19为第一合页，20为第二合页，21为连杆，22为第二联轴器，23为方曲柄。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1至图11，本发明一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，包括从下至上依次设置的成像部分、收合部分、旋转部分以及升降部分。

其中，成像部分包括X型架11、底板12以及四个梯形框10，X型架11固定在底板12的一侧，X型架11上固定有液晶显示器16，四个梯形框10分别通过第二合页20连接在底板12的另一侧，且四个梯形框10周向均匀布置在底板12上，每个梯形框10上均设置有一个有机玻璃板17，每个有机玻璃板17上均贴有增反膜。

收合部分包括中心板8以及安装在中心板8上方的收合电机7，收合电机7的输出轴穿过中心板8的中心孔后通过第二联轴器22与方曲柄23的中心处相连，方曲柄23的四个角均通过一个连杆21与一个伸缩装置活动连接，每个伸缩装置均通过第一合页19与对应的梯形框10相连；进一步地，每个伸缩装置均包括上U型槽15、下U型槽18、两个导轨14以及两个滑块13，两个滑块13分别设置在两个导轨14内，两个导轨14之间通过上U型槽15相连，两个导轨14的内侧通过下U型槽18相连，下U型槽18的一端与对应的连杆21活动连接，下U型槽18的另一端通过第一合页19与对应的梯形框10相连。

旋转部分包括顶板1以及安装在顶板1下方的旋转电机9，旋转电机9的输出轴通过第一联轴器5与设置在顶板1中心孔处的螺栓3相连；进一步地，螺栓3的螺帽与顶板1之间从下至上还依次设置有螺母2和推力球轴承4。

升降部分包括两个直线推杆电机6，中心板8与顶板1之间通过该两个直线推杆电机6相连。

上述收合电机7和旋转电机9均采用步进电机57HD8401-27B，此外，本发明还包括用于控制收合电机7和旋转电机9的步进电机控制器。

上述直线推杆电机6采用SL系列的电动推杆，此外，本发明还包括用于控制两个直线推杆电机6的推杆电机控制器。

工作时，通过运动控制器控制立体影像展示机的直线推杆电机6将立体影像展示机降到与视线齐平的高度，然后通过控制立体影像展示机的步进电机7使方曲柄23带动连杆21进行旋转，从而使得导轨14伸长，梯形框10和固结在其上的有机玻璃板17打开，与水平面成45度角，然后通过控制立体影像展示机的步进电机使得立体影像展示机实现旋转，同时开启液晶显示器16，此时，就能够通过立体影像展示机在教室一个方位看到所呈现物体四个不同面的立体图像；在不使用时，将立体影像展示机收起并升至天花板，以达到节省教室空间的目的。

为了对本发明进一步了解，现对其进一步详细说明。

1设计原理及方案

1.1总体方案

本发明一种基于互动教学的立体影像展示机，具有成像功能、旋转功能、升降功能和收合功能，非常适合于未来的互动式小班教学。使用时，将立体影像展示机固定于教室中部的天花板，同学坐在教室四周，老师则可以在教室内走动以方便和学生之间的交流与互动，总体方案如图1至3所示。

可收合立体影像展示机可以对物体的四个不同方位的影像进行展示，达到近似立体展示的效果，从而让学生可以更加直观地理解所教授的内容。收合功能可以将四块有机玻璃板铺平，从而节省空间；升降功能可以在立体影像展示机处于闲置状态时升至天花板内，在需要使用时再将其降至合适的位置，从而可以根据需要进行调节，节省空间；旋转功能可以让成像部分进行旋转，让处于不同方位的同学观察到四块有机玻璃上的像。

采用推杆电机控制器和步进电机控制器进行远程控制，使用简单。

1.2光学成像模块设计方案

利用立体影像展示机的投影和现在投影设备最大的区别就是现在的投影设备只能从一个方位进行观看，但是利用立体影像展示机成像之后，同学可以从四个不同方位进行观看。通过四块具有一定角度的呈倒金字塔形的有机玻璃板17将液晶显示器16上制作好的图像向四个方向反射使之成像，形成具有立体效果的图像，反射的像位于有机玻璃板17组成的倒四棱台的中间位置。这样通过四块有机玻璃板17的成像便呈现出物体四个不同方位的形态。有机玻璃板17上贴有增反膜以减弱光的透射从而增强光的反射以达到更清晰的成像效果。如图1、图4和图12所示。

1.3机械结构模块设计方案

1.3.1收合功能

收合功能利用了曲柄滑块机构，通过步进电机带动四个曲柄滑块机构协同运动，通过滑块的运动带动成像模块的四块有机玻璃板17，通过联动实现收合。由梯形框10支撑的四块有机玻璃板17成像时均与地面呈45°角，在不使用时，升至天花板。为了装置运行的一致性与协调性，需要保证四面有机玻璃板17同时展开与收合。收合电机7通过第二联轴器22带动钢制方曲柄23旋转，而方曲柄23与导轨14及滑块13通过连杆21相连，从而使得旋转运动转化为直线运动。利用合页的配合，实现了装有有机玻璃板17的梯形框10同步开合，大大提升教室空间利用率。同时，此结构仅用一个电机巧妙地让四块有机玻璃板17同步开合，简化了机构。如图1、图13和图14所示。

具体过程如下：

(a)收合电机7通过第二联轴器22带动钢制方曲柄23旋转，而方曲柄23与导轨14及滑块13通过连杆21相连，从而使得旋转运动转化为直线运动；

(b)利用合页的配合，使得装有有机玻璃板17的四棱台支撑架的四个侧面同步开合。

1.3.2旋转功能

旋转功能利用将旋转电机9的转子固定于天花板，定子与整个机构相连，通过旋转电机9的转子和定子之间的相对运动实现旋转。旋转功能主要是为了让在一个方位的学生能够看清立体模型四个不同方位的情况。如图1和2所示。

具体过程如下：

(a)旋转电机9转动顶板1从而使得自身转动；

(b)装有平面推力球轴承4的M12螺栓固定于顶板1上，使用四根M6的螺栓将旋转电机9固结于顶板1上，第一联轴器5使旋转电机9与M12螺栓相连接。其中，使用双螺母固定推力球轴承4位置，保证间隙，并且直线推杆电机6、导轨14、梯形框10、显示器的X支架11全部都固结在一起，从而使得顶板1能够带动直线推杆电机6及整个立体影像展示机顺畅的旋转，并且使学生能够观察到物体各个方位的形态并保证成像不失真；

(c)液晶显示器置于X型架11上，以便光线经反射完成成像。

1.3.3升降功能

升降功能利用了直线推杆电机6，通过控制直线推杆电机6的运动距离来进行高度的调节，保证学生可以平视有机玻璃板17，清晰地看到所展示的影像。升降主要是为了在不使用立体影像展示机时，将立体影像展示机升至天花板，从而节省教室空间。在使用时，将立体影像展示机降至合适的位置与液晶显示器16配合成像。

具体过程如下：

(1)利用丝杠螺母等结构，直线推杆电机6带动丝杠旋转从而实现装置升降，用以调节立体影像展示机的距地高度。

1.4控制系统设计方案

1.4.1控制模块

控制部分使用推杆电机控制器和步进电机控制器。推杆电机控制器控制升降，含有三个按钮，上升、停止和下降。驱动器电源将220v交流电转化为24v直流电传送给驱动器，进而通过步进电机控制器控制电机旋转速度，达到旋转与开合功能。步进电机控制器通过编程实现了梯形框展开到所需角度、装置整体正反转和梯形框收至天花板。其中由于用一台步进电机控制器控制两个电机不同步运行，使用继电器分两路控制。

通过直线推杆电机6实现展示机的升降，收合电机7和旋转电机9完成开合与旋转功能。直线推杆电机9具有行程自锁功能，可以将立体影像展示定于设定高度。

2理论设计计算

2.1梯形框

19寸屏幕成像尺寸为300mm*375mm，由于四块相同有机玻璃板17与水平面夹角为45°，可反射出的区域为一正方形，因而设计的梯框架10的下底边长为300mm。如图4所示。

四个等腰梯形框10组成正四棱台，每个面与水平面夹角为45°，尺寸计算如下：

长底边BC长为300mm，将两腰延长交于A点，边BC中点为D，边AD长为212.132mm，取梯形高度为165mm，设上底边长为x，通过

$\frac{x}{300}=\frac{165}{150\sqrt{2}}---(5-1)$

得x约为66mm。

图4为梯形框CAD图，根据外购的合页底板宽度为8.5mm，梯形框上下底边各装一个合页，设计框架宽度为10mm。相应的下梯形框上下底边钻上3个的孔，用以与合页相配合。至于其余的孔是用来将有机玻璃板与其固定的，腰上的两孔分别距下底边110mm和55mm，下底边两侧的孔中心距为200mm，关于中心线对称，6个孔均距外边缘5mm。整体材料采用2mm钢板。

2.2中心板、顶板与底板

2.2.1中心板

如图5所示，中心板8的4个孔用来固定收合电机7。4个孔中任意相邻两孔距离为46mm。靠近边的关于中心对称的8个孔用来连接上U型槽15，一边的两个孔距为30mm，距边缘10mm。对角布置的8个孔用来安装直线推杆电机6的支座。为了使安装在中心板8上的直线推杆电机6的支座与收合电机7之间留有间隙、固定直线推杆电机6的支座的螺栓螺母与中心板8上的上U型槽15不产生干涉，设计了中心板8尺寸。直线推杆电机6的支座两纵向尺寸为44mm，孔径为4mm，设边缘孔中心距边缘2mm，又知上U型槽15的钢板厚度为1mm，即边长为：

$a\≥2\×(33+1+d+4+22\sqrt{2})---(5-2)$

其中，d为孔径(mm)。当d＝4mm，a_min＝146.22mm；当d＝3mm，a_min＝144.23mm。

收合电机7与直线推杆电机6的支座的间隙为δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{\sqrt{2}}{2}a-28-41-(\frac{a}{2}-34-d-11\sqrt{2})\×\sqrt{2}---(5-3)$

当取a＝147mm时，δ＝6.77mm；当a＝148mm时，δ＝7.995mm最终取中心板为148mm*148mm。

2.2.2顶板

顶板1与中心板8相似，均用来固定直线推杆电机6的支座与旋转电机9，只是少了上U型槽15的8个连接孔，并将中心的孔变为的孔。这是因为中心板8上的收合电机7是倒放，电机轴从中心板8中心伸出通过第二联轴器22与方曲柄23连接，通过连杆21变旋转为直线运动，带动导轨14及滑块13实现开合。而顶板1的用来插入带有平面推力球轴承的螺栓，通过第一联轴器5与旋转电机9相连实现旋转运动，如图6所示。

2.2.3底板

如图7所示，已知第二合页20的底边长为38mm，底板12上午边缘距第二合页20的轴线11mm，即底板边长a₂为：

a₂＝38+11+11＝60mm (5-4)

8个的孔用来与X型架11连接，其余12个的孔用来固定第二合页20。第二合页孔的位置也确定，X型架的定位孔定为：分别距边18mm、18mm和6mm、6mm。

通过螺钉以及第二合页20将底板与梯形框10连接起来。

2.3上U型槽与下U型槽

4个上U型槽15固定于中心板8上，每个上U型槽15内侧连接两个导轨14的固定端；而4个下U型槽18连接两滑块13，进而通过第一合页19连接梯形框10，如图2所示。

图8和图9分别为上U型槽与下U型槽的CAD图。第一合页长度为38mm，而钢板厚为1mm，即下U型槽18宽度为40mm。导轨14厚度为13mm，两导轨14即为26mm，又板厚为1mm，因而上U型槽15宽度为68mm。对于长度，上U型槽15为55mm，伸进20mm；下U型槽18为90mm。对于高度，均取35mm。下U型槽18底面3个并排孔根据第一合页19确定，侧面的孔根据导轨14确定，用以连接。

2.4方曲柄与连杆

为了能够让4个梯形框10展开为一平面，收合成一倒四棱台，需要使方曲柄23与连杆21构成曲柄连杆结构。具有曲柄的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_2\≤l_1\\ l_2\≤l_3\\ l_2\≤l_4\end{array}\right.---(5-5)$

同时为了保证旋转过程的压力角不要过大，通过不断尝试修改两者尺寸，得出压力角，取其最优：方曲柄长为60mm，连杆长74mm，如图10和11所示。

3加工及装配

3.1加工

该产品机构的部分零件为购买所得，其余都是根据图纸加工而成。

3.1.1购买标准件

表1：电子电气产品

其中，JJ01步进电机控制器通过驱动器给步进电机发出脉冲，使得步进电机能够以一定步距角进行旋转。直线推杆电机控制器直接控制直线推杆电机的伸长和收缩。

表2：结构件与标准件

3.1.2加工件

所有的加工件的精度要求为10级。

加工件的二维零件加工图纸已在5.2理论计算部分全部详细阐述。

3.2装配

(1)通过24个M4的螺钉和4个第一合页将底板与4个梯形框相连接。

(2)通过20个M4的螺钉将4个导轨分别与4个上U型槽和4个下U型槽相连接。

(3)通过8个M4的螺钉将4个导轨与中心板相连接。

(4)通过12个M4的螺钉与4个合页将梯形框与导轨相连接。

(5)通过12个M4的螺钉分别将1个步进电机和4个曲柄与中心板相连接。

(6)通过8个M4的螺钉将上述安装好的机构、2个推杆安装架与2个直流推杆电机相连接。

(7)通过4个M4的螺钉将1个步进电机、1个联轴器与顶板相连接。

(8)通过8个M4的螺钉将顶板与上述2个直流推杆电机相连接。

(9)通过12个M6的螺钉将底板与X形架连接起来，将显示屏放置于架上。

(10)通过24个M4的螺钉将4块有机玻璃板连接至梯形框。

到此，整个产品的装配就已经完成。

在设计立体影像展示机时，为了增强立体影像展示机的互换性，尽量采用标准件，同时也可以最大限度地降低成本。并且避免采用复杂的机构设计，达到降低整个系统的复杂程度的目的。为了能够有较好的运输与装配效果，应用模块化的设计思想，整个机构都采用螺栓连接而不采用焊接的方式，。为了达到较好的用户体验效果，控制部分可以手动控制，也可以远程遥控。基于以上原则，最终的基于互动教学的立体影像展示机如图1所示。

为了了解同学关于现有教室系统的意见，我们对校内随机抽取的300名同学开展了问卷调查。在对调查结果进行统计之后，调查结果显示：

(1)79％的同学认为立体影像展示机的投影图像清晰明了。具有立体投影功能的投影设备能够帮助理解机械设计、工程制图等课程内容；

(2)84％的同学认为立体影像展示机具有良好的立体投影效果。

(3)75％的同学认为立体影像展示机具有良好地稳定性。

(4)87％的同学认为所设计的立体投影机的机械结构能够满足功能要求。

(5)89％的同学认为立体影像展示机能够帮助理解机械设计、工程制图等课程内容。

(6)80％的同学认为基于立体影像展示机的教室格局能够增强教学互动性。

Claims (8)

1.一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，包括从下至上依次设置的成像部分、收合部分、旋转部分以及升降部分；其中，

成像部分包括X型架(11)、底板(12)以及四个梯形框(10)，X型架(11)固定在底板(12)的一侧，X型架(11)上固定有液晶显示器(16)，四个梯形框(10)分别通过第二合页(20)连接在底板(12)的另一侧，且四个梯形框(10)周向均匀布置在底板(12)上，每个梯形框(10)上均设置有一个有机玻璃板(17)；

收合部分包括中心板(8)以及安装在中心板(8)上方的收合电机(7)，收合电机(7)的输出轴穿过中心板(8)的中心孔后通过第二联轴器(22)与方曲柄(23)的中心处相连，方曲柄(23)的四个角均通过一个连杆(21)与一个伸缩装置活动连接，每个伸缩装置均通过第一合页(19)与对应的梯形框(10)相连；

旋转部分包括顶板(1)以及安装在顶板(1)下方的旋转电机(9)，旋转电机(9)的输出轴通过第一联轴器(5)与设置在顶板(1)中心孔处的螺栓(3)相连；

升降部分包括两个直线推杆电机(6)，中心板(8)与顶板(1)之间通过该两个直线推杆电机(6)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，每个有机玻璃板(17)上均贴有增反膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，每个伸缩装置均包括上U型槽(15)、下U型槽(18)、两个导轨(14)以及两个滑块(13)，两个滑块(13)分别设置在两个导轨(14)内，两个导轨(14)之间通过上U型槽(15)相连，两个导轨(14)的内侧通过下U型槽(18)相连，下U型槽(18)的一端与对应的连杆(21)活动连接，下U型槽(18)的另一端通过第一合页(19)与对应的梯形框(10)相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，螺栓(3)的螺帽与顶板(1)之间从下至上还依次设置有螺母(2)和推力球轴承(4)。

5.根据权利要求1所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，收合电机(7)和旋转电机(9)均采用步进电机57HD8401-27B。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，还包括用于控制收合电机(7)和旋转电机(9)的步进电机控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，直线推杆电机(6)采用SL系列的电动推杆。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于互动教学的立体影像展示机，其特征在于，还包括用于控制两个直线推杆电机(6)的推杆电机控制器。