便捷式示教录播支架的设计与制作

2018-03-30郑如祥

现代制造技术与装备 2018年2期

郑如祥陈汉

1 产生背景

在实践性较强的课程教学中，教师的授课内容需要向学生展示，如化学实验课、美术课等，特别是在中等职业学校的专业实践实训课教学里，教师需要向学生做大量的操作演示，尤其是工科类的实训课，如数控加工实训、化学检测等实践性和安全风险都较强的实训课教学，因场地空间与设备所限，教师的现场演示操作不能面向全体学生，只能采用小部分学生围观学习的形式，此授课形式学生受众面小，教学效率低，要把全班学生分成几批逐一演示。在现代信息技术教学中，可以利用摄像头和投影机的形式将老师的操作演示转接到投影屏上播放，很大程度上解决了受众面积小的问题。但这些装备在使用过程中出现了以下问题：

第一，录播系统中的摄像头一般是固定于设备的某处，不能移位，所以录播的角度和视角基本上不能改变，对于要录播有运动特性的对象时便有较大限制，如要做到多视角的摄像，则需安装多台摄像头，在演示中还要频繁切换摄像设备。一方面是硬件投资的成本大，另一方面是切换操作不便，影响教学效率，如图1所示。

图1 固定位置的摄像头

第二，由于职业学校中存在着多种专业，每个专业的每个实训工种都配套有相应的实训场室，这就需要在不同的实训室中都安装独立的录播示教平台。一方面学校的硬件资金投入非常大，另一方面是这些装备的使用率并不高，造成一定的资源浪费。

第三，采用普通三脚架作为支撑的活动式摄像机或摄像头进行录播，在三脚架固定位置后，摄像设备只能固定在三脚架的中心轴线位置上调整角度，无法做到灵活地把拍摄镜头移到某特定的位置进行拍摄的要求，比如，将摄像头伸进机床中以便拍摄数控加工中刀具加工过程的详细情况。

根据以上考虑，可否研发一种可移动式、便捷的、经济的设备来满足教学要求呢？因现代多媒体技术教学中，功能场室基本具备计算机和投影仪等设备，移动笔记本电脑和移动式投影仪、投影幕也是常见的教学设备，现只要解决摄像头的快速可移位即可实现在录播示教中多视角、无死角的要求。产生此想法后，我们进行了深入交流与论证，制作与多次优化改进，便捷式示教录播支架便基于这种背景下产生了。

2 创新点与功能

便捷式示教录播支架首先解决了摄像头可快速变换拍摄位置的问题，摄像头随支架的位置变换而改变，携带方便，适应不同工种、不同岗位、不同场地间的移动，从而提高了设备利用率、降低了硬件投资成本，还可以适应各种突发临时演示需求，配上笔记本电脑和移动式投影机、投影幕，便可快速建立临时的示教录播系统，突显其使用的便捷性与经济性。其次是解决了摄像头拍摄视角的快速调整问题，通过摇臂或柔性软管的调节，实现2.5m范围内的任意角度和视角的拍摄，能迅速适应示教中的各种视角要求，如图2所示。

图2 便捷式示教录播支架外观图

3 工作原理及设计制作

根据物体运动自由度的控制及机械夹具设计、运动副的形式和特点等相关知识，通过UG NX三维设计开展初始产品设计与验证，基于产品轻量化的考虑，本产品主体采用铝合金材料，尽可能采用空心管。为节省成本，部分国标零配件可采购，如小滑轮4个、铝合金伸缩支架柱1个、简易相机云台1个等。各核心零件制造主要采用车削、铣削、钳工等加工工艺，按照各零件的图纸尺寸与技术要求进行普通加工或数控加工，逐个完成非标零件的加工制造。

第一，可移动式的底座。支架底座主要由两块铝合金板、四个滑轮组成，零件通过铣削加工而成，两块板材成90°或120°通过螺栓联接拼装，四角下分别装有四个滑轮，其中，有两个滑轮有锁止功能。通过滑轮可以将支架快捷地移动到需要的位置并锁住，实现不同工种、不同岗位、不同场地间的移动功能，如图3所示。

第二，可伸缩和旋转的立柱。铝合金伸缩立柱是两段铝合金管和锁紧螺母组成，其通过四个螺钉固定于底座上，通过调节锁紧螺母，放松或压紧在两套管与螺母环之间的垫片，可使两管在1m至1.8m的高度范围调节，第二段管可作360°的旋转，实现了摄像头位置的高低位置调节与绕立柱周边角度的调节，如图4所示。

图3 移动式底座

图4 立柱

第三，可伸缩的摆臂。摆臂是由带两个配合孔的套筒、拉钉、锁紧螺母、橡胶垫圈、摆臂等组成。摆臂是一段长1m的空心铝合金管，可在锁紧机构中调节摆臂的伸出长度以适应摄像头特殊拍摄位置的需求，并采用两配合孔错位拉紧的原理，旋转锁紧螺母便锁止了摆臂的轴向与周向的运动自由度，如图5所示。其中，套筒、拉钉、锁紧螺母均采用铣削与车削复合加工而成，为增强锁紧力，建议在空心铝合金管的摆臂表面采用滚花工艺以增大摩擦力。

第四，可旋转的摇臂。主要由带沉孔底座、旋转轴、锁紧螺钉组成，如图6所示。摇臂与摆臂通过关节链接，采用孔、轴配合与螺丝锁紧的原理，底座盲孔与旋转轴为间隙配合，实现两臂关节处的360°调节，也可以通过底部的锁紧螺钉进行锁紧定位。带沉孔底座、旋转轴、锁紧螺钉采用铣削与车削复合加工而成。

图5 摆臂

图6 摇臂

第五，可调节角度的云台。将简易的轻型照相机云台进行相应改造，安装于摇臂之上。一是可实现高清摄影像机的快速安装与拆卸，二是实现高清摄影像机俯仰角度的调节，如图7所示。

第六，支持柔性软管支架的安装。对于微型或轻型摄像头，可以通过柔性软管支架进行安装。通过可上下运动、360 周向旋转的拓展平台安装柔性软管支架，因软管有一定的刚性，还可以根据需要进行弯曲调节，实现更快速的轻型摄像头安装与摄像视角调节，如图8所示。

图7 云台与高清摄像机

图8 柔性软管支架与轻型摄像头

第七，配合PC端Minivcap等监控录播软件，同时实现两个或以上的摄像头安装，与此同时打开多个录播窗口，实现多窗口在线实时录播，让教学示范更直观，如图9所示。

图9 两摄像头同时录播的工作状态

4 使用效果

经过半年的使用验证，便捷式示教录播支架完全达到了设计的使用目的，给教师的教学示范带来了很大便利，成为实训教学、课程演示的辅助利器，大受欢迎。本支架除可应用于教学外，还可广泛应用于需要多视角展示的场合，如商品展销、功能展示等各个领域，有较高的推广和使用价值，使用示意图如图10所示。如可采用无线或蓝牙高清摄像头，省去了USB连接数据线，会让使用过程更便捷。