蘇東亮++景帥++王奇

摘要：隨著科技的進(jìn)步和教育觀念的轉(zhuǎn)變大學(xué)課堂師生的交互性顯得愈發(fā)重要，這款系統(tǒng)由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應(yīng)手機(jī)架組成。同學(xué)需要回答問題時可將內(nèi)容通過手機(jī)傳到教室前方屏幕上，以達(dá)到聲音放大和圖像呈現(xiàn)的效果，而坐在教室后方常看不見黑板的同學(xué)便可通過手機(jī)看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內(nèi)容，這極大增強(qiáng)了課堂上師生之間的交互性。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；影像；交互

一、總體結(jié)構(gòu)

超越之眼——教室影像實(shí)時互交系統(tǒng)主要由前方攝像云臺、單片機(jī)控制電路、自適應(yīng)手機(jī)夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機(jī)夾緊裝置：未使用時，手機(jī)鎖緊裝置處于松散狀態(tài)。當(dāng)有手機(jī)插入時，手機(jī)推動底部擋板運(yùn)動，擋板固結(jié)于豎向運(yùn)動齒條，然后通過雙聯(lián)齒輪和橫向運(yùn)動齒條傳動，將縱向運(yùn)動變向?yàn)闄M向運(yùn)動，從橫向夾緊手機(jī)。當(dāng)需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導(dǎo)通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機(jī)擋板的約束全部消除，手機(jī)可以順利拿出。

手機(jī)支架部分：采用RR開鏈機(jī)械臂，共有5個自由度，保證了手機(jī)各個角度的轉(zhuǎn)動。

二、機(jī)械部分理論設(shè)計(jì)

（一）手機(jī)架自適應(yīng)夾具部分。如上圖是手機(jī)夾緊部分的示意圖，夾具主體經(jīng)填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機(jī)未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機(jī)向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機(jī)；若能穩(wěn)定可靠的夾好手機(jī)，則至少手機(jī)總長的二分之一要被夾住。

我們調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市面上主流手機(jī)尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設(shè)手機(jī)長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數(shù)值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機(jī)縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比。考慮到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數(shù)為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置?，F(xiàn)計(jì)算手機(jī)夾緊力，由功率守恒，有：

。經(jīng)計(jì)算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側(cè)板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當(dāng)連接板體轉(zhuǎn)動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運(yùn)動簡化圖

其中轉(zhuǎn)動副A、B都是周轉(zhuǎn)副，則點(diǎn)P可以到達(dá)的區(qū)域?yàn)橐訟點(diǎn)為圓心，外徑ι1+ι2,內(nèi)徑|ι1-ι2|的圓環(huán)。點(diǎn)P的位置一般是給同學(xué)呈像或是拍攝桌面稿紙上的內(nèi)容，此時求解桿體位置參數(shù)：將點(diǎn)A與點(diǎn)（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點(diǎn)P確定時有確定的位置參數(shù)。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和教師終端控制手機(jī)自適應(yīng)夾具的解鎖。

出勤率統(tǒng)計(jì)功能的主要工作過程如下：（1）手機(jī)放在自適應(yīng)夾具上，觸發(fā)限位開關(guān)；（2）限位開關(guān)被觸發(fā)后啟動無線發(fā)射模塊，發(fā)出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產(chǎn)生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機(jī)的管腳；（5）ATMEGA單片機(jī)檢測到電平變化后，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

教師終端解鎖自適應(yīng)夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產(chǎn)生一個信號；（2）單片機(jī)接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區(qū)域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應(yīng)夾具解鎖。

四、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）應(yīng)用雙聯(lián)齒輪和齒條機(jī)構(gòu)可以自適應(yīng)市面上不同類型主流手機(jī)的大小尺寸；（2）運(yùn)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)配合電磁鐵以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的鎖定可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)各位置的自鎖，防止學(xué)生上課沉迷于玩手機(jī)；（3）引進(jìn)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和對師生開關(guān)電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機(jī)攝像頭像素較高無線網(wǎng)絡(luò)較好此套系統(tǒng)將讓師生之間的交互性變得更強(qiáng)；（2）適應(yīng)更多的電子設(shè)備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎(chǔ)上以后識別同學(xué)的手機(jī)尾號，通過尾號識別可以用來點(diǎn)到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

endprint

摘要：隨著科技的進(jìn)步和教育觀念的轉(zhuǎn)變大學(xué)課堂師生的交互性顯得愈發(fā)重要，這款系統(tǒng)由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應(yīng)手機(jī)架組成。同學(xué)需要回答問題時可將內(nèi)容通過手機(jī)傳到教室前方屏幕上，以達(dá)到聲音放大和圖像呈現(xiàn)的效果，而坐在教室后方?？床灰姾诎宓耐瑢W(xué)便可通過手機(jī)看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內(nèi)容，這極大增強(qiáng)了課堂上師生之間的交互性。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；影像；交互

一、總體結(jié)構(gòu)

超越之眼——教室影像實(shí)時互交系統(tǒng)主要由前方攝像云臺、單片機(jī)控制電路、自適應(yīng)手機(jī)夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機(jī)夾緊裝置：未使用時，手機(jī)鎖緊裝置處于松散狀態(tài)。當(dāng)有手機(jī)插入時，手機(jī)推動底部擋板運(yùn)動，擋板固結(jié)于豎向運(yùn)動齒條，然后通過雙聯(lián)齒輪和橫向運(yùn)動齒條傳動，將縱向運(yùn)動變向?yàn)闄M向運(yùn)動，從橫向夾緊手機(jī)。當(dāng)需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導(dǎo)通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機(jī)擋板的約束全部消除，手機(jī)可以順利拿出。

手機(jī)支架部分：采用RR開鏈機(jī)械臂，共有5個自由度，保證了手機(jī)各個角度的轉(zhuǎn)動。

二、機(jī)械部分理論設(shè)計(jì)

（一）手機(jī)架自適應(yīng)夾具部分。如上圖是手機(jī)夾緊部分的示意圖，夾具主體經(jīng)填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機(jī)未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機(jī)向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機(jī)；若能穩(wěn)定可靠的夾好手機(jī)，則至少手機(jī)總長的二分之一要被夾住。

我們調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市面上主流手機(jī)尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設(shè)手機(jī)長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數(shù)值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機(jī)縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比?？紤]到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數(shù)為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置?，F(xiàn)計(jì)算手機(jī)夾緊力，由功率守恒，有：

。經(jīng)計(jì)算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側(cè)板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當(dāng)連接板體轉(zhuǎn)動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運(yùn)動簡化圖

其中轉(zhuǎn)動副A、B都是周轉(zhuǎn)副，則點(diǎn)P可以到達(dá)的區(qū)域?yàn)橐訟點(diǎn)為圓心，外徑ι1+ι2,內(nèi)徑|ι1-ι2|的圓環(huán)。點(diǎn)P的位置一般是給同學(xué)呈像或是拍攝桌面稿紙上的內(nèi)容，此時求解桿體位置參數(shù)：將點(diǎn)A與點(diǎn)（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點(diǎn)P確定時有確定的位置參數(shù)。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和教師終端控制手機(jī)自適應(yīng)夾具的解鎖。

出勤率統(tǒng)計(jì)功能的主要工作過程如下：（1）手機(jī)放在自適應(yīng)夾具上，觸發(fā)限位開關(guān)；（2）限位開關(guān)被觸發(fā)后啟動無線發(fā)射模塊，發(fā)出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產(chǎn)生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機(jī)的管腳；（5）ATMEGA單片機(jī)檢測到電平變化后，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

教師終端解鎖自適應(yīng)夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產(chǎn)生一個信號；（2）單片機(jī)接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區(qū)域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應(yīng)夾具解鎖。

四、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）應(yīng)用雙聯(lián)齒輪和齒條機(jī)構(gòu)可以自適應(yīng)市面上不同類型主流手機(jī)的大小尺寸；（2）運(yùn)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)配合電磁鐵以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的鎖定可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)各位置的自鎖，防止學(xué)生上課沉迷于玩手機(jī)；（3）引進(jìn)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和對師生開關(guān)電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機(jī)攝像頭像素較高無線網(wǎng)絡(luò)較好此套系統(tǒng)將讓師生之間的交互性變得更強(qiáng)；（2）適應(yīng)更多的電子設(shè)備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎(chǔ)上以后識別同學(xué)的手機(jī)尾號，通過尾號識別可以用來點(diǎn)到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

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摘要：隨著科技的進(jìn)步和教育觀念的轉(zhuǎn)變大學(xué)課堂師生的交互性顯得愈發(fā)重要，這款系統(tǒng)由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應(yīng)手機(jī)架組成。同學(xué)需要回答問題時可將內(nèi)容通過手機(jī)傳到教室前方屏幕上，以達(dá)到聲音放大和圖像呈現(xiàn)的效果，而坐在教室后方常看不見黑板的同學(xué)便可通過手機(jī)看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內(nèi)容，這極大增強(qiáng)了課堂上師生之間的交互性。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；影像；交互

一、總體結(jié)構(gòu)

超越之眼——教室影像實(shí)時互交系統(tǒng)主要由前方攝像云臺、單片機(jī)控制電路、自適應(yīng)手機(jī)夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機(jī)夾緊裝置：未使用時，手機(jī)鎖緊裝置處于松散狀態(tài)。當(dāng)有手機(jī)插入時，手機(jī)推動底部擋板運(yùn)動，擋板固結(jié)于豎向運(yùn)動齒條，然后通過雙聯(lián)齒輪和橫向運(yùn)動齒條傳動，將縱向運(yùn)動變向?yàn)闄M向運(yùn)動，從橫向夾緊手機(jī)。當(dāng)需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導(dǎo)通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機(jī)擋板的約束全部消除，手機(jī)可以順利拿出。

手機(jī)支架部分：采用RR開鏈機(jī)械臂，共有5個自由度，保證了手機(jī)各個角度的轉(zhuǎn)動。

二、機(jī)械部分理論設(shè)計(jì)

（一）手機(jī)架自適應(yīng)夾具部分。如上圖是手機(jī)夾緊部分的示意圖，夾具主體經(jīng)填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機(jī)未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機(jī)向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機(jī)；若能穩(wěn)定可靠的夾好手機(jī)，則至少手機(jī)總長的二分之一要被夾住。

我們調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市面上主流手機(jī)尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設(shè)手機(jī)長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數(shù)值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機(jī)縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比?？紤]到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數(shù)為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置?，F(xiàn)計(jì)算手機(jī)夾緊力，由功率守恒，有：

。經(jīng)計(jì)算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側(cè)板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當(dāng)連接板體轉(zhuǎn)動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運(yùn)動簡化圖

其中轉(zhuǎn)動副A、B都是周轉(zhuǎn)副，則點(diǎn)P可以到達(dá)的區(qū)域?yàn)橐訟點(diǎn)為圓心，外徑ι1+ι2,內(nèi)徑|ι1-ι2|的圓環(huán)。點(diǎn)P的位置一般是給同學(xué)呈像或是拍攝桌面稿紙上的內(nèi)容，此時求解桿體位置參數(shù)：將點(diǎn)A與點(diǎn)（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點(diǎn)P確定時有確定的位置參數(shù)。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和教師終端控制手機(jī)自適應(yīng)夾具的解鎖。

出勤率統(tǒng)計(jì)功能的主要工作過程如下：（1）手機(jī)放在自適應(yīng)夾具上，觸發(fā)限位開關(guān)；（2）限位開關(guān)被觸發(fā)后啟動無線發(fā)射模塊，發(fā)出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產(chǎn)生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機(jī)的管腳；（5）ATMEGA單片機(jī)檢測到電平變化后，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

教師終端解鎖自適應(yīng)夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產(chǎn)生一個信號；（2）單片機(jī)接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區(qū)域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應(yīng)夾具解鎖。

四、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）應(yīng)用雙聯(lián)齒輪和齒條機(jī)構(gòu)可以自適應(yīng)市面上不同類型主流手機(jī)的大小尺寸；（2）運(yùn)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)配合電磁鐵以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的鎖定可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)各位置的自鎖，防止學(xué)生上課沉迷于玩手機(jī)；（3）引進(jìn)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出勤率和對師生開關(guān)電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機(jī)攝像頭像素較高無線網(wǎng)絡(luò)較好此套系統(tǒng)將讓師生之間的交互性變得更強(qiáng)；（2）適應(yīng)更多的電子設(shè)備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎(chǔ)上以后識別同學(xué)的手機(jī)尾號，通過尾號識別可以用來點(diǎn)到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

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