鄭如祥 陳 漢

1 產(chǎn)生背景

在實踐性較強的課程教學中，教師的授課內(nèi)容需要向?qū)W生展示，如化學實驗課、美術課等，特別是在中等職業(yè)學校的專業(yè)實踐實訓課教學里，教師需要向?qū)W生做大量的操作演示，尤其是工科類的實訓課，如數(shù)控加工實訓、化學檢測等實踐性和安全風險都較強的實訓課教學，因場地空間與設備所限，教師的現(xiàn)場演示操作不能面向全體學生，只能采用小部分學生圍觀學習的形式，此授課形式學生受眾面小，教學效率低，要把全班學生分成幾批逐一演示。在現(xiàn)代信息技術教學中，可以利用攝像頭和投影機的形式將老師的操作演示轉(zhuǎn)接到投影屏上播放，很大程度上解決了受眾面積小的問題。但這些裝備在使用過程中出現(xiàn)了以下問題：

第一，錄播系統(tǒng)中的攝像頭一般是固定于設備的某處，不能移位，所以錄播的角度和視角基本上不能改變，對于要錄播有運動特性的對象時便有較大限制，如要做到多視角的攝像，則需安裝多臺攝像頭，在演示中還要頻繁切換攝像設備。一方面是硬件投資的成本大，另一方面是切換操作不便，影響教學效率，如圖1所示。

圖1 固定位置的攝像頭

第二，由于職業(yè)學校中存在著多種專業(yè)，每個專業(yè)的每個實訓工種都配套有相應的實訓場室，這就需要在不同的實訓室中都安裝獨立的錄播示教平臺。一方面學校的硬件資金投入非常大，另一方面是這些裝備的使用率并不高，造成一定的資源浪費。

第三，采用普通三腳架作為支撐的活動式攝像機或攝像頭進行錄播，在三腳架固定位置后，攝像設備只能固定在三腳架的中心軸線位置上調(diào)整角度，無法做到靈活地把拍攝鏡頭移到某特定的位置進行拍攝的要求，比如，將攝像頭伸進機床中以便拍攝數(shù)控加工中刀具加工過程的詳細情況。

根據(jù)以上考慮，可否研發(fā)一種可移動式、便捷的、經(jīng)濟的設備來滿足教學要求呢？因現(xiàn)代多媒體技術教學中，功能場室基本具備計算機和投影儀等設備，移動筆記本電腦和移動式投影儀、投影幕也是常見的教學設備，現(xiàn)只要解決攝像頭的快速可移位即可實現(xiàn)在錄播示教中多視角、無死角的要求。產(chǎn)生此想法后，我們進行了深入交流與論證，制作與多次優(yōu)化改進，便捷式示教錄播支架便基于這種背景下產(chǎn)生了。

2 創(chuàng)新點與功能

便捷式示教錄播支架首先解決了攝像頭可快速變換拍攝位置的問題，攝像頭隨支架的位置變換而改變，攜帶方便，適應不同工種、不同崗位、不同場地間的移動，從而提高了設備利用率、降低了硬件投資成本，還可以適應各種突發(fā)臨時演示需求，配上筆記本電腦和移動式投影機、投影幕，便可快速建立臨時的示教錄播系統(tǒng)，突顯其使用的便捷性與經(jīng)濟性。其次是解決了攝像頭拍攝視角的快速調(diào)整問題，通過搖臂或柔性軟管的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)2.5m范圍內(nèi)的任意角度和視角的拍攝，能迅速適應示教中的各種視角要求，如圖2所示。

圖2 便捷式示教錄播支架外觀圖

3 工作原理及設計制作

根據(jù)物體運動自由度的控制及機械夾具設計、運動副的形式和特點等相關知識，通過UG NX三維設計開展初始產(chǎn)品設計與驗證，基于產(chǎn)品輕量化的考慮，本產(chǎn)品主體采用鋁合金材料，盡可能采用空心管。為節(jié)省成本，部分國標零配件可采購，如小滑輪4個、鋁合金伸縮支架柱1個、簡易相機云臺1個等。各核心零件制造主要采用車削、銑削、鉗工等加工工藝，按照各零件的圖紙尺寸與技術要求進行普通加工或數(shù)控加工，逐個完成非標零件的加工制造。

第一，可移動式的底座。支架底座主要由兩塊鋁合金板、四個滑輪組成，零件通過銑削加工而成，兩塊板材成90°或120°通過螺栓聯(lián)接拼裝，四角下分別裝有四個滑輪，其中，有兩個滑輪有鎖止功能。通過滑輪可以將支架快捷地移動到需要的位置并鎖住，實現(xiàn)不同工種、不同崗位、不同場地間的移動功能，如圖3所示。

第二，可伸縮和旋轉(zhuǎn)的立柱。鋁合金伸縮立柱是兩段鋁合金管和鎖緊螺母組成，其通過四個螺釘固定于底座上，通過調(diào)節(jié)鎖緊螺母，放松或壓緊在兩套管與螺母環(huán)之間的墊片，可使兩管在1m至1.8m的高度范圍調(diào)節(jié)，第二段管可作360°的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了攝像頭位置的高低位置調(diào)節(jié)與繞立柱周邊角度的調(diào)節(jié)，如圖4所示。

圖3 移動式底座

圖4 立柱

第三，可伸縮的擺臂。擺臂是由帶兩個配合孔的套筒、拉釘、鎖緊螺母、橡膠墊圈、擺臂等組成。擺臂是一段長1m的空心鋁合金管，可在鎖緊機構中調(diào)節(jié)擺臂的伸出長度以適應攝像頭特殊拍攝位置的需求，并采用兩配合孔錯位拉緊的原理，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母便鎖止了擺臂的軸向與周向的運動自由度，如圖5所示。其中，套筒、拉釘、鎖緊螺母均采用銑削與車削復合加工而成，為增強鎖緊力，建議在空心鋁合金管的擺臂表面采用滾花工藝以增大摩擦力。

第四，可旋轉(zhuǎn)的搖臂。主要由帶沉孔底座、旋轉(zhuǎn)軸、鎖緊螺釘組成，如圖6所示。搖臂與擺臂通過關節(jié)鏈接，采用孔、軸配合與螺絲鎖緊的原理，底座盲孔與旋轉(zhuǎn)軸為間隙配合，實現(xiàn)兩臂關節(jié)處的360°調(diào)節(jié)，也可以通過底部的鎖緊螺釘進行鎖緊定位。帶沉孔底座、旋轉(zhuǎn)軸、鎖緊螺釘采用銑削與車削復合加工而成。

圖5 擺臂

圖6 搖臂

第五，可調(diào)節(jié)角度的云臺。將簡易的輕型照相機云臺進行相應改造，安裝于搖臂之上。一是可實現(xiàn)高清攝影像機的快速安裝與拆卸，二是實現(xiàn)高清攝影像機俯仰角度的調(diào)節(jié)，如圖7所示。

第六，支持柔性軟管支架的安裝。對于微型或輕型攝像頭，可以通過柔性軟管支架進行安裝。通過可上下運動、360 周向旋轉(zhuǎn)的拓展平臺安裝柔性軟管支架，因軟管有一定的剛性，還可以根據(jù)需要進行彎曲調(diào)節(jié)，實現(xiàn)更快速的輕型攝像頭安裝與攝像視角調(diào)節(jié)，如圖8所示。

圖7 云臺與高清攝像機

圖8 柔性軟管支架與輕型攝像頭

第七，配合PC端Minivcap等監(jiān)控錄播軟件，同時實現(xiàn)兩個或以上的攝像頭安裝，與此同時打開多個錄播窗口，實現(xiàn)多窗口在線實時錄播，讓教學示范更直觀，如圖9所示。

圖9 兩攝像頭同時錄播的工作狀態(tài)

4 使用效果

經(jīng)過半年的使用驗證，便捷式示教錄播支架完全達到了設計的使用目的，給教師的教學示范帶來了很大便利，成為實訓教學、課程演示的輔助利器，大受歡迎。本支架除可應用于教學外，還可廣泛應用于需要多視角展示的場合，如商品展銷、功能展示等各個領域，有較高的推廣和使用價值，使用示意圖如圖10所示。如可采用無線或藍牙高清攝像頭，省去了USB連接數(shù)據(jù)線，會讓使用過程更便捷。

圖10 應用示意圖

[1]楊世明.機械設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]王杰，程明遠，李士曉.淺談機械設計加工中應注意的幾個問題[J].科技信息，2011，（11）：96-97.

[3]黃山涯，陳磊.錄播教室的功能設計及其建設[J].實驗室研究與探索，2010，（10）：378-380.