超越之眼

苏东亮++景帅++王奇

摘要：随着科技的进步和教育观念的转变大学课堂师生的交互性显得愈发重要，这款系统由教室前方的摄像头和课桌上的自适应手机架组成。同学需要回答问题时可将内容通过手机传到教室前方屏幕上，以达到声音放大和图像呈现的效果，而坐在教室后方常看不见黑板的同学便可通过手机看到由前方摄像头所拍摄到的授课内容，这极大增强了课堂上师生之间的交互性。

关键词：教学；影像；交互

一、总体结构

超越之眼——教室影像实时互交系统主要由前方摄像云台、单片机控制电路、自适应手机夹具、底部固定支架和多自由度支撑架五大部分组成。

手机夹紧装置：未使用时，手机锁紧装置处于松散状态。当有手机插入时，手机推动底部挡板运动，挡板固结于竖向运动齿条，然后通过双联齿轮和横向运动齿条传动，将纵向运动变向为横向运动，从横向夹紧手机。当需要解锁时，通过控制电路使电磁铁所在电路导通，电磁铁带动棘爪收缩，棘爪与棘轮脱离接触。手机挡板的约束全部消除，手机可以顺利拿出。

手机支架部分：采用RR开链机械臂，共有5个自由度，保证了手机各个角度的转动。

二、机械部分理论设计

（一）手机架自适应夹具部分。如上图是手机夹紧部分的示意图，夹具主体经填充物填充后有效地夹紧尺寸为竖直方向95mm,横向90mm，手机未被放入之前底部距顶端30mm。

两个齿轮分别连接两根齿条，在手机向下移动的同时横向齿条带动夹板横向夹紧手机；若能稳定可靠的夹好手机，则至少手机总长的二分之一要被夹住。

我们调查后发现市面上主流手机尺寸宽度在58mm-70mm之间，长度110mm-140mm之间。若设手机长度为h宽度为b故有：≤+30≤h。带入数值得：0.4≤i ≤0.5。其中i为手机纵向和横向下降距离之比；由于角速度和时间相同，i即齿轮的传动比。考虑到尺寸和整体布局以及加工难易程度最终的齿轮参数为：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）锁紧装置。现计算手机夹紧力，由功率守恒，有：

。经计算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—侧板横移速度F2—横向压紧力η —传动效率

i—传动比（i取0.5） P——功率。这里传动效率η0.9 ，则有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夹紧力大于推入力成立。

（三）杆体部分。将模型简化为BC和CD的二级杆组。当连接板体转动副在某位置自锁时，可将连杆简化成如图

图二 RR运动简化图

其中转动副A、B都是周转副，则点P可以到达的区域为以A点为圆心，外径ι1+ι2,内径|ι1-ι2|的圆环。点P的位置一般是给同学呈像或是拍摄桌面稿纸上的内容，此时求解杆体位置参数：将点A与点（x,y）连接起来r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos则，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有确定的解，点P确定时有确定的位置参数。

三、电气部分

电气部分主要利用单片机来实现统计出勤率和教师终端控制手机自适应夹具的解锁。

出勤率统计功能的主要工作过程如下：（1）手机放在自适应夹具上，触发限位开关；（2）限位开关被触发后启动无线发射模块，发出一个脉冲信号；（3）无线接收模块接收到这个信号后产生高低电平的变化；（4）将此电平变化接入ATMEGA单片机的管脚；（5）ATMEGA单片机检测到电平变化后，实现计数功能。

教师终端解锁自适应夹具的工作过程如下：（1）教师终端按动按钮产生一个信号；（2）单片机接收此信号，闭合电磁铁回路；（3）电磁铁通电，将棘爪吸出工作区域；（4）棘轮棘爪的反向自锁条件被破坏，自适应夹具解锁。

四、创新点及应用

（1）应用双联齿轮和齿条机构可以自适应市面上不同类型主流手机的大小尺寸；（2）运用棘轮棘爪机构配合电磁铁以实现手机的锁定可以实现手机各位置的自锁，防止学生上课沉迷于玩手机；（3）引进单片机实现统计出勤率和对师生开关电路的控制。

五、前景展望

（1）基于未来课堂手机摄像头像素较高无线网络较好此套系统将让师生之间的交互性变得更强；（2）适应更多的电子设备用以提高师生间的交互，比如Pad等；（3）在软件的基础上以后识别同学的手机尾号，通过尾号识别可以用来点到装置；（4）适用场合多变，会议室，礼堂等。

endprint

摘要：随着科技的进步和教育观念的转变大学课堂师生的交互性显得愈发重要，这款系统由教室前方的摄像头和课桌上的自适应手机架组成。同学需要回答问题时可将内容通过手机传到教室前方屏幕上，以达到声音放大和图像呈现的效果，而坐在教室后方常看不见黑板的同学便可通过手机看到由前方摄像头所拍摄到的授课内容，这极大增强了课堂上师生之间的交互性。

关键词：教学；影像；交互

一、总体结构

超越之眼——教室影像实时互交系统主要由前方摄像云台、单片机控制电路、自适应手机夹具、底部固定支架和多自由度支撑架五大部分组成。

手机夹紧装置：未使用时，手机锁紧装置处于松散状态。当有手机插入时，手机推动底部挡板运动，挡板固结于竖向运动齿条，然后通过双联齿轮和横向运动齿条传动，将纵向运动变向为横向运动，从横向夹紧手机。当需要解锁时，通过控制电路使电磁铁所在电路导通，电磁铁带动棘爪收缩，棘爪与棘轮脱离接触。手机挡板的约束全部消除，手机可以顺利拿出。

手机支架部分：采用RR开链机械臂，共有5个自由度，保证了手机各个角度的转动。

二、机械部分理论设计

（一）手机架自适应夹具部分。如上图是手机夹紧部分的示意图，夹具主体经填充物填充后有效地夹紧尺寸为竖直方向95mm,横向90mm，手机未被放入之前底部距顶端30mm。

两个齿轮分别连接两根齿条，在手机向下移动的同时横向齿条带动夹板横向夹紧手机；若能稳定可靠的夹好手机，则至少手机总长的二分之一要被夹住。

我们调查后发现市面上主流手机尺寸宽度在58mm-70mm之间，长度110mm-140mm之间。若设手机长度为h宽度为b故有：≤+30≤h。带入数值得：0.4≤i ≤0.5。其中i为手机纵向和横向下降距离之比；由于角速度和时间相同，i即齿轮的传动比。考虑到尺寸和整体布局以及加工难易程度最终的齿轮参数为：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）锁紧装置。现计算手机夹紧力，由功率守恒，有：

。经计算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—侧板横移速度F2—横向压紧力η —传动效率

i—传动比（i取0.5） P——功率。这里传动效率η0.9 ，则有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夹紧力大于推入力成立。

（三）杆体部分。将模型简化为BC和CD的二级杆组。当连接板体转动副在某位置自锁时，可将连杆简化成如图

图二 RR运动简化图

其中转动副A、B都是周转副，则点P可以到达的区域为以A点为圆心，外径ι1+ι2,内径|ι1-ι2|的圆环。点P的位置一般是给同学呈像或是拍摄桌面稿纸上的内容，此时求解杆体位置参数：将点A与点（x,y）连接起来r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos则，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有确定的解，点P确定时有确定的位置参数。

三、电气部分

电气部分主要利用单片机来实现统计出勤率和教师终端控制手机自适应夹具的解锁。

出勤率统计功能的主要工作过程如下：（1）手机放在自适应夹具上，触发限位开关；（2）限位开关被触发后启动无线发射模块，发出一个脉冲信号；（3）无线接收模块接收到这个信号后产生高低电平的变化；（4）将此电平变化接入ATMEGA单片机的管脚；（5）ATMEGA单片机检测到电平变化后，实现计数功能。

教师终端解锁自适应夹具的工作过程如下：（1）教师终端按动按钮产生一个信号；（2）单片机接收此信号，闭合电磁铁回路；（3）电磁铁通电，将棘爪吸出工作区域；（4）棘轮棘爪的反向自锁条件被破坏，自适应夹具解锁。

四、创新点及应用

（1）应用双联齿轮和齿条机构可以自适应市面上不同类型主流手机的大小尺寸；（2）运用棘轮棘爪机构配合电磁铁以实现手机的锁定可以实现手机各位置的自锁，防止学生上课沉迷于玩手机；（3）引进单片机实现统计出勤率和对师生开关电路的控制。

五、前景展望

（1）基于未来课堂手机摄像头像素较高无线网络较好此套系统将让师生之间的交互性变得更强；（2）适应更多的电子设备用以提高师生间的交互，比如Pad等；（3）在软件的基础上以后识别同学的手机尾号，通过尾号识别可以用来点到装置；（4）适用场合多变，会议室，礼堂等。

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摘要：随着科技的进步和教育观念的转变大学课堂师生的交互性显得愈发重要，这款系统由教室前方的摄像头和课桌上的自适应手机架组成。同学需要回答问题时可将内容通过手机传到教室前方屏幕上，以达到声音放大和图像呈现的效果，而坐在教室后方常看不见黑板的同学便可通过手机看到由前方摄像头所拍摄到的授课内容，这极大增强了课堂上师生之间的交互性。

关键词：教学；影像；交互

一、总体结构

超越之眼——教室影像实时互交系统主要由前方摄像云台、单片机控制电路、自适应手机夹具、底部固定支架和多自由度支撑架五大部分组成。

手机夹紧装置：未使用时，手机锁紧装置处于松散状态。当有手机插入时，手机推动底部挡板运动，挡板固结于竖向运动齿条，然后通过双联齿轮和横向运动齿条传动，将纵向运动变向为横向运动，从横向夹紧手机。当需要解锁时，通过控制电路使电磁铁所在电路导通，电磁铁带动棘爪收缩，棘爪与棘轮脱离接触。手机挡板的约束全部消除，手机可以顺利拿出。

手机支架部分：采用RR开链机械臂，共有5个自由度，保证了手机各个角度的转动。

二、机械部分理论设计

（一）手机架自适应夹具部分。如上图是手机夹紧部分的示意图，夹具主体经填充物填充后有效地夹紧尺寸为竖直方向95mm,横向90mm，手机未被放入之前底部距顶端30mm。

两个齿轮分别连接两根齿条，在手机向下移动的同时横向齿条带动夹板横向夹紧手机；若能稳定可靠的夹好手机，则至少手机总长的二分之一要被夹住。

我们调查后发现市面上主流手机尺寸宽度在58mm-70mm之间，长度110mm-140mm之间。若设手机长度为h宽度为b故有：≤+30≤h。带入数值得：0.4≤i ≤0.5。其中i为手机纵向和横向下降距离之比；由于角速度和时间相同，i即齿轮的传动比。考虑到尺寸和整体布局以及加工难易程度最终的齿轮参数为：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）锁紧装置。现计算手机夹紧力，由功率守恒，有：

。经计算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—侧板横移速度F2—横向压紧力η —传动效率

i—传动比（i取0.5） P——功率。这里传动效率η0.9 ，则有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夹紧力大于推入力成立。

（三）杆体部分。将模型简化为BC和CD的二级杆组。当连接板体转动副在某位置自锁时，可将连杆简化成如图

图二 RR运动简化图

其中转动副A、B都是周转副，则点P可以到达的区域为以A点为圆心，外径ι1+ι2,内径|ι1-ι2|的圆环。点P的位置一般是给同学呈像或是拍摄桌面稿纸上的内容，此时求解杆体位置参数：将点A与点（x,y）连接起来r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos则，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有确定的解，点P确定时有确定的位置参数。

三、电气部分

电气部分主要利用单片机来实现统计出勤率和教师终端控制手机自适应夹具的解锁。

出勤率统计功能的主要工作过程如下：（1）手机放在自适应夹具上，触发限位开关；（2）限位开关被触发后启动无线发射模块，发出一个脉冲信号；（3）无线接收模块接收到这个信号后产生高低电平的变化；（4）将此电平变化接入ATMEGA单片机的管脚；（5）ATMEGA单片机检测到电平变化后，实现计数功能。

教师终端解锁自适应夹具的工作过程如下：（1）教师终端按动按钮产生一个信号；（2）单片机接收此信号，闭合电磁铁回路；（3）电磁铁通电，将棘爪吸出工作区域；（4）棘轮棘爪的反向自锁条件被破坏，自适应夹具解锁。

四、创新点及应用

（1）应用双联齿轮和齿条机构可以自适应市面上不同类型主流手机的大小尺寸；（2）运用棘轮棘爪机构配合电磁铁以实现手机的锁定可以实现手机各位置的自锁，防止学生上课沉迷于玩手机；（3）引进单片机实现统计出勤率和对师生开关电路的控制。

五、前景展望

（1）基于未来课堂手机摄像头像素较高无线网络较好此套系统将让师生之间的交互性变得更强；（2）适应更多的电子设备用以提高师生间的交互，比如Pad等；（3）在软件的基础上以后识别同学的手机尾号，通过尾号识别可以用来点到装置；（4）适用场合多变，会议室，礼堂等。

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