基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置的制作方法

1.本发明涉及教育设备技术领域，具体为基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置。


背景技术：

2.科学技术已经逐步趋于高端化与多样化，当下热门的技术例如虚拟现实技术(vr)、 3d全息影像技术、人工智能(ai)等作为新兴的现代化技术，目前已经在很多领域得到应用。
3.现有技术中，由虚拟现实(vr)系统或增强现实(ar)系统生成的教育体验，通过佩戴vr眼镜仅会使虚拟世界中的物体立体可视化，实世界环境或物理空间中的边界需要使用者再虚拟时皆中进行手动切换，教育在与现阶段虚拟现实的融合度较低，体验感差，可能会影响用户充分体验系统生成的连续虚拟世界环境的能力，现有的vr运动体验系统中，例如现有专利技术中的 cn111228721a,cn111151005a,cn206408991u，cn209137851u中仅仅是将用户利用一个安全环限制在一个区域内，然后在用户的底部设置运动感测器，从而实现用户的运动反馈，从而在vr眼睛中进行运动场景匹配和更新，但是上述几种运动体验系统设计方案中均存在如下缺陷：用户在进入顶部的环形安全环时不够便利，需要借助垫板或者升降设备，此外上述设计方案仅能够应用在简单的跑步或者简单的场景展示等，而对于复杂的需要用户深层次交互体验的沉浸式 vr系统中并不适用，例如爬雪山或者需要进行身体多维转动并同时伴有手部按压操作等的作业场景。
4.有鉴于此，针对现有的问题予以研究改良，提供基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置，来解决目前存在的教育在与虚拟现实的融合度低、体验效果差的问题，旨在通过该技术，达到解决问题与提高实用价值性的目的。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
6.为此，本发明所采用的技术方案为：基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置，包括移动交互机构、圆周支杆组件、转向交互机构和vr眼镜，所述圆周支杆组件固定安装于移动交互机构的顶面，所述移动交互机构的周侧设有若干支撑脚且呈圆周方向均匀分布；
7.所述移动交互机构包括设备座和轨迹球，所述设备座的内部开设有与轨迹球相适配的运动球舱，所述运动球舱的内壁嵌入安装有运动监测组件，所述运动球舱的内部固定安装有支撑轮以及位底部的运动支撑机构，所述支撑轮和运动支撑机构的表面与轨迹球的表面相抵接；
8.所述转向交互机构包括定环套以及转动安装于定环套内部的转向环套，所述转向环套的外侧固定安装有若干磁性齿片并呈圆周方向均匀分布于转向环套的外周，所述定环套的内壁固定安装有霍尔传感组件；
9.所述圆周支杆组件包括环形限位板、立柱以及弹性绑带，该限位板板体顶部设置有一环形滑轨，还包括滑动安装于限位板顶面的多个立柱，每个立柱为可伸缩设计，立柱由
内固定筒和滑动套接在该内固定筒外的外活动套筒组成，每个立柱(220)上的内固定筒和外活动套筒之间的错位滑动行程可独立锁定，在立柱的顶端铰接设置有辅助握持组件，在立柱上的位于弹性绑带下方处套接有一弹性辅助跨伸组件，该辅助跨伸组件通过一滑环在立柱上可上下滑动；
10.所述辅助握持组件为通过球铰铰接在立柱顶端的竖直杆，在球铰铰接部位的底部设置有转动角度传感器，其中球铰铰接部位嵌设在立柱的顶端，在球铰铰接部位下设置有压力传感器，所述弹性辅助跨伸组件包括一滑环和一弹性带，在滑环内设置有角度编码器，在立柱内设置有检测立柱的外活动套筒相对于内固定筒的竖直方向的位移量的红外感测器；
11.所述限位板的底面与设备座的顶面固定连接，且轨迹球的顶面突出于限位板的表面，所述立柱的表面设有与转向交互机构外周相连接的弹性绑带，所述弹性绑带为弹性尼龙带结构；
12.所述运动监测组件包括监测端盒、pcb板、抵接轮和光电传感器，所述抵接轮转动安装于监测端盒的内部，所述光电传感器固定安装于监测端盒的内壁并对向抵接轮的表面，所述光电传感器的输出端与pcb板的输入端电性连接，所述运动监测组件的数量为两组，且两组运动监测组件呈垂直方向布置于运动球舱的内壁，所述支撑轮的数量为两组且分别与两组运动监测组件呈对称分布并与轨迹球的外侧相抵接；
13.所述轨迹球的外侧固定套接有摩擦套壳，所述摩擦套壳为橡胶材质构件且外表面设有若干密集分布的凸点，所述抵接轮的外侧固定套接有胶套，且抵接轮的外侧呈弧形凸起结构，所述胶套与摩擦套壳的外侧相抵接。
14.所述运动支撑机构包括弹性支撑座和托碗，所述运动支撑机构固定安装于运动球舱的底面圆心处且与轨迹球的中垂线位于同一直线上，所述弹性支撑座的底面与托碗的顶部固定连接，且弹性支撑座的顶面呈弧形凹面结构，所述弹性支撑座的顶面嵌入有若干滚珠。
15.所述磁性齿片为铷磁块结构且均匀分布于转向环套的外周，相邻磁性齿片之间设有间隙，所述霍尔传感组件为霍尔传感器结构。
16.所述抵接轮的表面开设有若干抵接轮并呈圆周分布，所述监测端盒的一端设有激光发射器，且激光发射器与光电传感器呈相对布置并呈对称分布于抵接轮的两侧。
17.所述立柱的数量为五个。
18.本发明所取得的有益效果为：
19.1.本发明中通过可伸缩的立柱在实现用户装配进入的同时还能够辅助作为用户多维度运动检测的辅助结构，该伸缩立柱的设计将检测机构和安全防护结构以及进入机构的便利简化操作融为了一体，此外配合转向环套以及辅助握持组件、辅助跨伸组件、每个立柱上的内固定筒和外活动套筒之间的错位滑动行程可独立锁定的组合设计，实现在传统的防护环保护下进行跑步或者浏览等简单动作的基础上，还能够进行多维度运动状态的检测，能够辅助完成复杂的vr 应用场景。
20.2.本发明中，通过设置移动交互机构和转向交互机构结构，在使用过程中使用者可在虚拟现实环境中进行全向步行实现全新的教育交互方式，将轨迹球的运动信息，包括方向数据和滚动距离数据，映射为对vr应用程序操作指令，并控制应用程序执行特定切换
场景指令，从而完成教育中特定的人机交互操作，提高沉浸体验从而优化教育效果。
21.3.本发明中，通过采用滚珠式轨迹球结构，利用使用者的踩踏摩擦驱动轨迹球转动，并通过相互垂直方向上的运动监测组件进行运动矢量合并，准确推断使用者的步行距离和方向，精准控制虚拟教育环境中的运动交互，提高教育在与虚拟现实的融合度，改善使用体验和沉浸效果。
22.4.本发明中，通过采用圆周支杆组件和转向交互机构进行人员防护并利用移动交互机构的全向运动交互，使得使用者可在原地进行虚拟教育环境中的转身和全景观看，设备体积小巧结构简单，便于大范围推广使用。
附图说明
23.图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；
24.图2为本发明一个实施例的移动交互机构内部结构示意图；
25.图3为本发明一个实施例的移动交互机构横截面结构示意图；
26.图4为本发明一个实施例的转向交互机构局部结构示意图；
27.图5为本发明一个实施例的转向交互机构横截面结构示意图；
28.图6为本发明一个实施例的图5的a处结构示意图；
29.图7为本发明一个实施例的运动监测组件结构示意图；
30.图8为本发明一个实施例的运动支撑机构结构示意图。
31.附图标记：
32.100、移动交互机构；110、设备座；120、运动球舱；130、轨迹球；140、运动支撑机构；150、支撑轮；131、摩擦套壳；141、弹性支撑座；142、托碗； 143、滚珠；
33.200、圆周支杆组件；210、限位板；220、立柱；230、弹性绑带；
34.300、转向交互机构；310、定环套；320、转向环套；330、霍尔传感组件； 321、磁性齿片；
35.400、vr眼镜、；
36.500、运动监测组件；510、监测端盒；520、pcb板；530、抵接轮；531、计数栅格；532、胶套；540、光电传感器。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
39.下面结合附图描述本发明的一些实施例提供的基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置。
40.结合图1
‑
8所示，本发明提供的基于虚拟现实技术的沉浸式教育装置，包括移动交互机构100、圆周支杆组件200、转向交互机构300和vr眼镜400，所述圆周支杆组件200固定安装于移动交互机构100的顶面，所述移动交互机构100的周侧设有若干支撑脚且呈圆周方向均匀分布；
41.所述移动交互机构100包括设备座110和轨迹球130，所述设备座110的内部开设有与轨迹球130相适配的运动球舱120，所述运动球舱120的内壁嵌入安装有运动监测组件500，所述运动球舱120的内部固定安装有支撑轮150以及位底部的运动支撑机构140，所述支撑轮150和运动支撑机构140的表面与轨迹球 130的表面相抵接；
42.所述转向交互机构300包括定环套310以及转动安装于定环套310内部的转向环套320，所述转向环套320的外侧固定安装有若干磁性齿片321并呈圆周方向均匀分布于转向环套320的外周，所述定环套310的内壁固定安装有霍尔传感组件330；
43.所述圆周支杆组件200包括环形限位板210、立柱220以及弹性绑带230，该限位板板体顶部设置有一环形滑轨，还包括滑动安装于限位板210顶面的多个立柱220，每个立柱220为可伸缩设计，立柱220由内固定筒和滑动套接在该内固定筒外的外活动套筒组成，每个立柱220上的内固定筒和外活动套筒之间的错位滑动行程可独立锁定，在立柱220的顶端铰接设置有辅助握持组件，在立柱220上的位于弹性绑带230下方处套接有一弹性辅助跨伸组件，该辅助跨伸组件通过一滑环在立柱220上可上下滑动；
44.所述辅助握持组件为通过球铰铰接在立柱220顶端的竖直杆，在球铰铰接部位的底部设置有转动角度传感器，其中球铰铰接部位嵌设在立柱220的顶端，在球铰铰接部位下设置有压力传感器，所述弹性辅助跨伸组件包括一滑环和一弹性带，在滑环内设置有角度编码器，在立柱220内设置有检测立柱220的外活动套筒相对于内固定筒的竖直方向的位移量的红外感测器；
45.所述限位板210的底面与设备座110的顶面固定连接，且轨迹球130的顶面突出于限位板210的表面，所述立柱220的表面设有与转向交互机构300外周相连接的弹性绑带230，所述弹性绑带230为弹性尼龙带结构；
46.所述运动监测组件500包括监测端盒510、pcb板520、抵接轮530和光电传感器540，所述抵接轮530转动安装于监测端盒510的内部，所述光电传感器 540固定安装于监测端盒510的内壁并对向抵接轮530的表面，所述光电传感器 540的输出端与pcb板520的输入端电性连接，所述运动监测组件500的数量为两组，且两组运动监测组件500呈垂直方向布置于运动球舱120的内壁，所述支撑轮150的数量为两组且分别与两组运动监测组件500呈对称分布并与轨迹球130的外侧相抵接；
47.所述轨迹球130的外侧固定套接有摩擦套壳131，所述摩擦套壳131为橡胶材质构件且外表面设有若干密集分布的凸点，所述抵接轮530的外侧固定套接有胶套532，且抵接轮530的外侧呈弧形凸起结构，所述胶套532与摩擦套壳 131的外侧相抵接。
48.在该实施例中，运动监测组件500的数量为两组，且两组运动监测组件500 呈垂直方向布置于运动球舱120的内壁，支撑轮150的数量为两组且分别与两组运动监测组件500呈对称分布并与轨迹球130的外侧相抵接；利用运动监测组件500和运动球舱120对轨迹球130进行支撑，并通过轨迹球130的转动驱动运动监测组件500进行机械运动的输入。
49.在该实施例中，运动支撑机构140包括弹性支撑座141和托碗142，运动支撑机构140固定安装于运动球舱120的底面圆心处且与轨迹球130的中垂线位于同一直线上，弹性支撑座141的底面与托碗142的顶部固定连接，且弹性支撑座141的顶面呈与轨迹球130底面相适配的弧形凹面结构，，弹性支撑座141 的顶面嵌入有若干滚珠143，滚珠143与轨迹球130的表面抵接。
50.具体的，利用运动支撑机构140进行轨迹球130的弹性支撑，提高踩踏舒适感和使用体验。
51.在该实施例中，磁性齿片321为铷磁块结构且均匀分布于转向环套320的外周，相邻磁性齿片321之间设有间隙，霍尔传感组件330为霍尔传感器结构。
52.具体的，利用霍尔传感器对磁场变化的感知，在转向环套320转动过程中，磁性齿片321运动切换在霍尔传感组件330位置处的磁场发生均匀变化，从而通过霍尔传感器感知变化次数确定转向环套320的转动量。
53.在该实施例中，抵接轮530的表面开设有若干抵接轮530并呈圆周分布，监测端盒510的一侧设有激光发射器，且激光发射器与光电传感器540呈相对布置并呈对称分布于抵接轮530的两侧。
54.具体的，在抵接轮530转动过程中，计数栅格531不断切断和连通激光发射器与光电传感器540之间的连通通路，通过光电传感器540计量光路的切断和连通次数计量抵接轮530的转动量，从而确定轨迹球130的转动量，利用该运动信号进行虚拟现实的场景交互。
55.在该实施例中，抵接轮530的外侧固定套接有胶套532，且抵接轮530的外侧呈弧形凸起结构，胶套532与摩擦套壳131的外侧相抵接；轨迹球130的外侧固定套接有摩擦套壳131，摩擦套壳131为橡胶材质构件且外表面设有若干密集分布的凸点，利用摩擦套壳131提高轨迹球130表面摩擦，避免使用人员踩踏打滑，并利用胶套532提高抵接轮530和轨迹球130外部的抵接摩擦，避免发生断触的现象。
56.本发明的工作原理及使用流程：
57.首先，按压立柱220的外活动套筒，使立柱220的整体高度降低，从而带动转向交互机构300降低高度，便于用户腿部迈入到定环套310内，然后释放对立柱220的外活动套筒的按压力，在复位弹簧下立柱220恢复到原始高度，接着穿戴设备将转向交互机构300套接于腰部位置，将两个立柱220对应的两个弹性辅助跨伸组件中的弹性带分别连接到用户的两个腿部，两个弹性带的另一端分别连接到两个立柱上的滑环上，站立于移动交互机构100表面并利用弹性绑带230进行连接转向交互机构300，穿戴vr眼镜400，根据当前用户手臂高度和活动范围，靠近用户两个手臂的两个立柱的外活动套筒调整到合适高度后然后进行锁定从而不能相对于内固定筒上下运动而其他活立柱220内的外活动套筒可弹性上下被动上下运动，在教育虚拟程序应用中，可通过vr眼镜 400的转向控制进行传统的观看体验；
58.使用者在转向交互机构300的防护下，站立于移动交互机构100表面进行行走运动，并且双手握持靠近被锁定的两个立柱22顶端的竖直杆，通过脚部与轨迹球130表面的摩擦，带动轨迹球130进行旋转运动，在轨迹球130旋转过程中通过与抵接轮530表面的抵接进行传动，从而使抵接轮530转动，在转动过程中计数栅格531通过光电传感器540即产生电信号，计数栅格531不断切断和连通激光发射器与光电传感器540之间的连通通路，通过光电传感器540 计量光路的切断和连通次数计量抵接轮530的转动量，对抵接轮530单位时间的转动圈数进行计量，从而计量轨迹球130单一方向的运动量，通过垂直分布的两组运动监测组件500计量轨迹球130垂直双向上的运动量进行矢量相加即可确定总的行进路程与方向，从而利用该输出数据与虚拟现实进行交互，在人员转向运动时，通过腰部力量带动转向环套320转动，从而通过霍尔传感组件 330感知表面转向环套320的磁性变化，计量转向环套320的转动角度，此外通过用户对竖直杆的操作过程中触发的转动角度传感器和压力传感
器的信号判断用户的操作姿态，并且用户的腿部拉伸频率以及抬起转弯等动作通过滑环内设置有角度编码器获得，腿部跳跃或者抬起高度通过红外感测器获得，在上述过程中，而用户身体的整体转向可以通过检测所有立柱220在限位板板体210上的环形滑轨内的转向获取，例如放置在限位板板体内的多个压电元件获取转动角度，上述过程中多姿态动作的检测中，可伸缩的立柱在实现用户装配进入的同时还能够辅助作为用户多维度运动检测的辅助结构，该伸缩立柱的设计将检测机构和安全防护结构以及进入机构的便利简化操作融为了一体，此外配合转向环套以及辅助握持组件、辅助跨伸组件、每个立柱上的内固定筒和外活动套筒之间的错位滑动行程可独立锁定的组合设计，实现在传统的防护环保护下进行跑步或者浏览等简单动作的基础上，还能够进行多维度运动状态的检测，能够辅助完成复杂的vr应用场景立柱，从而与虚拟现实场景交互，实现控制。
59.在本发明中,术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如，“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言, 可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.需要说明的是，当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
61.在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
62.尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。