CN111640340A - 一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实头显，长时间使用虚拟现实头显引起颈椎疲劳,虚拟现实头显的舒适性制约VR发展。一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，包括头盔、可转动支架、显示屏、透镜、充电电池、***板，头盔和可转动支架组成实验教学装置框架，可转动支架设置在头盔前部，显示屏设置在可转动支架内，***板和充电电池设置在头盔外后部，整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎上。虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户颈椎上，颈椎椎间盘受力均匀，抗颈椎疲劳，克服了用户颈椎椎间盘和颈部肌肉群受力不均引起病变，用户体验较差的缺点；聚氨酯慢回弹块状泡沫内设置透气避光的透气通道，增加眼部舒适度。

Description

一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置。

背景技术

虚拟现实技术(VirtualReality，VR)是一种模拟环境体验虚拟世界的计算机仿真技术，头戴式虚拟现实显示装置显示原理是人的左右眼分别获取显示***产生的同一物体带有图像差的两幅图像，从而产生立体感。也称为VR头显。

外接式头显设备，外接微型计算机***，用户体验较好，具备独立屏幕，产品结构复杂，技术含量较高，不过受着数据线的束缚，背包背着笔记本电脑才能活动，如HTCvive、OculusRift。一体式头显设备，也叫VR眼镜，设备包含了嵌入式计算机***，无需借助任何输入输出设备就可以在虚拟的世界里尽情感受3D立体感带来的视觉冲击，如爱奇艺奇遇2S。可分离头显设备（手机专用VR眼镜），放入手机即可观看，也即是放入嵌入式计算机***即可观看，使用方便，结构简单、价格低廉，如千幻魔镜VR眼镜。市面上多数较便宜的VR眼镜需要借助手机，将4.7-5.7寸的手机放入可分离头显设备中，在手机中下载相应的APP(根据不同的品牌有其自主的手机软件)便可进行使用。由于手机被置入眼镜中，使用者将无法操作手机，所以必须配备一个蓝牙手柄进行操作。

我们研制了海浪虚拟仿真实验、潮汐虚拟仿真实验、海流虚拟仿真实验、海洋调查船虚拟仿真实验、侧扫声呐虚拟仿真实验、浅地层剖面仪虚拟仿真实验、海水温盐深调查及海水采集虚拟仿真实验、海流调查虚拟仿真实验、探空气球观测虚拟仿真实验、海上综合调查工作过程仿真实验、大气观测虚拟仿真实验、台风虚拟仿真实验、风暴潮虚拟仿真实验、赤潮仿真实验和溢油虚拟仿真实验。在使用VR设备进行物理海洋虚拟仿真实验教学的过程中，我们发现短时间使用VR，满足一下好奇心，所有的问题都不是问题。VR用于虚拟仿真实验教学，学生长时间使用虚拟仿真实验教学装置，逐渐暴露出以下问题：

1、连接电脑和头盔主体的电源和视频传输线限制了用户可以活动的范围，局限性比较大。

2、背包背着笔记本电脑才能活动，电脑便携性差，降低了头盔的便携性；

3、手机散热功能差，长时间观看视频容易引起手机发热；

4、头盔主体内部需要内置风扇散热，风扇噪声较大，容易影响观看视频效果；

5、VR眼镜往往前侧较重，长时间使用用户颈椎椎间盘受力不均压迫椎间盘，引起血流不畅，神经变形，颈椎椎间盘增生病变，同时颈椎肌肉群受力不均，时间长了容易引起病变，长时间使用VR眼镜与低头看手机一样，颈椎受力不均。另外，VR眼镜往往前侧较重，用布带固定于头部，可能产生重心不稳，压破面部和鼻部，例如一种可调节式VR头盔定位结构（CN108363207A）前侧较重。

现在低头看手机的人越来越多，人们看手机的时间越来越长，颈椎椎间盘受力不均，引起血流不畅，神经变形，颈椎椎间盘增生，颈椎受损的人也越来越多。颈椎疲劳受损的后果严重，长期颈椎疲劳可能导致如颈部僵硬、上肢麻木、上肢疼痛无力、酸痛、酸胀、头疼、反复发作头晕、恶心、呕吐、神经功能紊乱、记忆力严重下降、耳聋、顽固失眠、彻夜不眠、神经衰弱、中风、高位截瘫等病理现象。

一种VR眼镜头套装置（CN106681007A）研究了头部弧形垫板稳固了VR眼镜在头部的安置，防止重心太靠前压破面部的情况。一种新型VR眼镜装置（CN207051585U）研究了将左支撑架和右支撑架设置于人体脑部后脑勺处，左支撑架与右支撑架形成的平面与左支架和右支架形成的平面呈钝角，通过左支撑架和右支撑架的支撑转移VR眼镜的重心，防止VR眼镜掉落。一种佩戴舒适的VR设备（CN206193345U）研究了设置配重使设备整体重心移动，利用肩托分担设备的重量，使佩戴更加舒适。一种用于AR一体机的智能感应调节头盔（CN201811157707.8）公开了智能感应调节头盔，在AR头显下方增加了支撑架与垫肩板，通过肩部来承受一部分重量，减少颈椎的压力，使佩戴更加舒适，通过调节组件调节头带使头盔与用户更好的佩戴，从而实现智能感应调节头带松紧。军用头盔重心与转动惯量测试装置CN03104536.7研究了一种对军用头盔稳定性参数的客观、定量的评价依据。一种虚拟现实头盔和虚拟现实***CN206115035U研究了视频播放设备不依附于头盔主体，大大减轻了头部佩戴重量，长时间使用不易引起颈部疲劳。

舒适性是制约VR发展和普及的瓶颈因素，解决虚拟仿真实验教学装置的这一关键技术问题，能够推动VR产业的发展和普及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，合理布置调整虚拟仿真实验教学装置的结构，虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户颈椎上，其内部设置透气避光的透气通道，降低眼部的温度，增加眼部舒适度。

一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，包括头盔、可转动支架、显示屏、透镜、***板和充电电池，转动联接连接头盔和可转动支架组成实验教学装置框架，可转动支架设置在头盔前部，显示屏设置在可转动支架内，***板和充电电池设置在头盔外后部，整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎上。

聚氨酯慢回弹块状泡沫一、聚氨酯慢回弹块状泡沫三、鼻梁上的聚氨酯慢回弹块状泡沫和可转动支架分别构成左右眼观察显示屏的独立空间，此空间透气不透光，增加眼部的舒适度，显示屏分为两个区域，分别播放同一物体带有图像差的两幅图像。

聚氨酯慢回弹块状泡沫一和聚氨酯慢回弹块状泡沫三具有透气孔结构，聚氨酯慢回弹块状泡沫上留有下透气孔、上透气孔和螺旋空腔，它的制造方法是分别发泡成型小块聚氨酯慢回弹块状泡沫，再使用胶结剂粘合在一起，构成螺旋空腔。

聚氨酯慢回弹块状泡沫二安装在头盔内，形成头部与头盔之间的间隙，增加用户的舒适性。***板包括处理器、储存器、接口电路和安装芯片的印制电路板，***板也就是一个嵌入式计算机***，显示屏连接***板的显示接口电路，进一步连接处理器，播放同一物体带有图像差的两幅图像，立体声耳机及其连接线播放虚拟现实图像对应的的声音，麦克风采集用户的声音，立体声耳机和麦克风连接***板的声卡接口。系带固定虚拟仿真实验教学装置，防止滑脱。

一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置的设计、生产和使用方法，其包括下列步骤：

S1.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置设计阶段，统计计算用户头颈比的平均值：M/N，本案中头颈比指的是M除以N的值，M表示侧面观察用户面部到颈椎的尺寸，N表示侧面观察用户后脑勺到颈椎的尺寸，查询统计医学影像资料和人体解剖资料，从目标用户群侧面观测，统计颈椎与头部的比例关系，计算颈椎与头部比例关系平均值，即M/N的值；根据目标用户不同，用户头颅的大小和头颈尺寸及其比例，确定头盔尺寸及其比例，设计一系列尺寸的头盔，就像衣服的大小码一样；

S2.计算和选取最优的充电电池的重量和在头盔上的安装位置。根据头盔的几何形状和M/N的值确定物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心G在头盔上的位置，以重心G为原点O，即虚拟仿真实验教学装置重心为G（0，0），在用户头颅的对称面建立直角坐标系O-XY，虚拟仿真实验教学装置包含i个器件，每个器件重心坐标是(Xi,Yi)，重量是Mi，虚拟仿真实验教学装置总重量是M，满足下面的三个解析式：

M=M1+M2+…+Mi；

0=(X1M1+X2M2+…+XiMi)/M;

0=(Y1M1+Y2M2+…+YiMi)/M;

在除充电电池外其它器件重量和位置结构确定后，也即是确定其它器件的重心后，计算最优的充电电池的重量和在头盔上的安装位置；选取最优的充电电池的重量和在头盔上的安装位置坐标，满足物理海洋虚拟仿真实验教学装置重心落在用户的颈椎上。

S3.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置生产过程中，使用悬挂法检验物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心。先在A点把物理海洋虚拟仿真实验教学装置悬挂起来，物理海洋虚拟仿真实验教学装置静止时，重心一定在通过A点的铅垂线AB上；然后在C点把物理海洋虚拟仿真实验教学装置再悬挂一次，物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心一定在通过C点的铅垂线CD上，AB和CD的交点Z，就是物理海洋虚拟仿真实验教学装置重心的位置；交点Z落在EF线上，满足设计要求调试结束。当然在专用的平衡实验设备上调试更为方便，不再详述。

S4.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户松开联接螺钉，调整头盔和***板的相对位置，从而精确调整整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎上。在虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户可以调节虚拟仿真实验教学装置的重心，头盔上留有长孔，长边平行用户头颅的对称面。联接螺钉垫上垫片连接***板，松开联接螺钉，调整头盔和***板的相对位置，就能调整整个虚拟仿真实验教学装置的重心。设计制造阶段选用的M/N的值，是一个目标用户群的平均值，使用阶段每个用户根据自己的个性值调整重心，达到最佳的舒适度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户颈椎上，颈椎椎间盘受力均匀，抗颈椎疲劳，克服了用户颈椎椎间盘和颈部肌肉群受力不均引起病变用户体验较差的缺点，颈椎椎间盘能承受较大的受力，比如有的民族习惯头部顶一个罐子取水，但是不能受力不均，比如长时间低头看手机。

2、聚氨酯慢回弹块状泡沫内设置透气避光的透气通道，增加眼部舒适度；将嵌入式***和电源设置在头显外部，便于散热；克服了头盔主体内部需要内置风扇散热，风扇噪声较大，容易影响观看视频效果；手机散热功能差，长时间观看视频容易引起手机发热的缺点。

3．虚拟仿真实验教学装置质量轻，用户可以活动的范围增加，特别适用与虚拟现实大空间显示实验教学，克服了连接电脑和头盔主体的电源和视频传输线限制了用户可以活动的范围；背着笔记本电脑的背包才能活动，便携性差的缺点。

4. 虚拟现实头显的舒适性是制约VR发展和普及的瓶颈因素，解决这一关键技术问题，就能推动VR产业的发展。

附图说明

图1为一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置结构示意图；

图2为虚拟仿真实验教学装置重心调节示意图；

图3为透气孔剖视示意图；

图4为虚拟仿真实验教学装置重心测试示意图A；

图5虚拟仿真实验教学装置重心测试示意图B。

图中：显示屏101、透镜支架102、聚氨酯慢回弹块状泡沫一103、透镜104、可转动支架105、聚氨酯慢回弹块状泡沫二106、转动联接107、聚氨酯慢回弹块状泡沫三108、头盔109、显示屏连接线110、***板111、电源连接线112、充电电池113、立体声耳机及其连接线114、现有的VR眼镜的重力指示线115、用户116、颈椎117、重力指示线118、系带119、信号线120、麦克风121；

联接螺钉201、垫片202、长孔203；

聚氨酯慢回弹块状泡沫301、下透气孔302、螺旋空腔303、上透气孔304。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，包括头盔109、可转动支架105、显示屏101、透镜104、***板111、充电电池113，转动联接107连接头盔109和可转动支架105组成实验教学装置框架，可转动支架105设置在头盔109前部，显示屏101设置在可转动支架105内，***板111（包括PCB板和芯片）和充电电池113设置在头盔109外后部，整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎117上。

聚氨酯慢回弹块状泡沫一103、聚氨酯慢回弹块状泡沫三108、鼻梁上的聚氨酯慢回弹块状泡沫（图中未画出）和可转动支架105分别构成左右眼观察显示屏的独立空间，此空间透气不透光，增加眼部的舒适度，显示屏101分为两个区域，分别播放同一物体带有图像差的两幅图像。

聚氨酯慢回弹块状泡沫一103和聚氨酯慢回弹块状泡沫三108的透气空结构如图3所示，聚氨酯慢回弹块状泡沫301上留有下透气孔302、上透气孔304和螺旋空腔303，它的制造方法是分别发泡成型小块聚氨酯慢回弹块状泡沫，再使用胶结剂粘合在一起，构成螺旋空腔303。

聚氨酯慢回弹块状泡沫二106安装在头盔109内，头部与头盔之间形成间隙，增加用户的舒适性。***板111包括处理器、储存器、接口电路和安装芯片的印制电路板，***板111也就是一个嵌入式计算机***，显示屏101连接***板111的显示接口电路，进一步连接处理器，立体声耳机及其连接线114播放虚拟现实的声音，麦克风121采集用户的声音，立体声耳机及其连接线114和麦克风121连接***板111的声卡接口，蓝牙手柄连接蓝牙接口电路，便于用户与嵌入式计算机***交互。系带119固定物理海洋虚拟仿真实验教学装置，防止滑脱。

一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置的设计、生产和使用方法，其包括下列步骤：

S1.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置设计阶段，统计计算用户头颈比的平均值：M/N，如图1所示，本案中头颈比指的是M除以N的值，M表示侧面观察用户面部到颈椎的尺寸，N表示侧面观察用户后脑勺到颈椎的尺寸，查询统计医学影像资料和人体解剖资料，从目标用户群侧面观测，统计颈椎与头部的比例关系，计算颈椎与头部比例关系平均值，即M/N的值，也即是图中的EF线在头部的位置；根据目标用户不同，用户头颅的大小和头颈尺寸及其比例，确定头盔尺寸及其比例，设计一系列尺寸的头盔，就像衣服的大小码一样；

S2.计算和选取最优的充电电池113的重量和在头盔109上的安装位置。根据头盔109的几何形状和M/N的值确定物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心G在头盔109上的位置，以重心G为原点O，即虚拟仿真实验教学装置重心为G（0，0），在用户头颅的对称面建立直角坐标系O-XY，虚拟仿真实验教学装置包含i个器件，每个器件重心坐标是(Xi,Yi)，重量是Mi，虚拟仿真实验教学装置总重量是M，满足下面的三个解析式：

M=M1+M2+…+Mi；

0=(X1M1+X2M2+…+XiMi)/M;

0=(Y1M1+Y2M2+…+YiMi)/M;

在除充电电池113外，其它器件重量和位置结构确定后，也即是确定其它器件的重心后，使用上面三个解析式计算最优的充电电池113的重量和在头盔109上的安装位置；选取最优的充电电池113的重量和在头盔上的安装位置坐标，满足物理海洋虚拟仿真实验教学装置重心落在用户的颈椎上。

S3.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置生产过程中，使用悬挂法检验物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心。如图4和图5所示，先在A点把物理海洋虚拟仿真实验教学装置悬挂起来，物理海洋虚拟仿真实验教学装置静止时，重心一定在通过A点的铅垂线AB上；然后在C点把物理海洋虚拟仿真实验教学装置再悬挂一次，物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心一定在通过C点的铅垂线CD上，AB和CD的交点Z，就是物理海洋虚拟仿真实验教学装置重心的位置；交点Z落在EF线上，满足设计要求调试结束。当然在专用的平衡实验设备上调试更为方便，不再详述。

S4.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户松开联接螺钉201，调整头盔109和***板111的相对位置，从而精确调整整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎117上。如图2所示，在虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户可以调节虚拟仿真实验教学装置的重心，头盔109上留有长孔203，长孔203的长边平行图面，或者说长边平行用户头颅的对称面。联接螺钉201垫上垫片202连接***板111，松开联接螺钉201，调整头盔109和***板111的相对位置，就能调整整个头盔109的重心。设计制造阶段选用的M/N的值，是一个目标用户群的平均值，使用阶段每个用户根据自己的个性值调整重心，达到最佳的舒适度。

现有的头显设备的重力指示线115移动到重力指示线118，物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎117上，增加了物理海洋虚拟仿真实验教学装置的舒适性，VR头显的舒适性是制约VR发展和普及的瓶颈因素之一，解决这一关键技术问题，就能迅速推动VR产业的发展。

实施例2：按照实施例1的内容，使用电动车头盔、华为畅玩6手机、手机用VR眼镜、视频线，验证物理海洋虚拟仿真实验教学装置技术方案的过程。

首先，统计计算用户头颈比的平均值为M/N=2.48/1；

其次，测量手机用VR眼镜的透镜焦距，也就是测量“手机显示屏、透镜和眼睛之间的距离”，从手机用VR眼镜中取出透镜备用；手机安装VR软件，调试蓝牙手柄，然后关机。去掉手机外壳，将显示屏、充电电池与PCB板分离，手机分为四个部件外壳、显示屏、充电电池和带芯片的PCB板；分别测量头盔和分拆的部件的重量和重心，计算和选取最优的充电电池的重量和在头盔上的安装位置，在选定位置头盔上螺钉连接充电电池。基于成本的原因，实验验证阶段没有定制充电电池，一小块配重和原手机充电电池确定为实验教学装置的充电电池（113）的重量。

再次，电动车头盔前部胶结两个塑料支架，一个支架上粘接显示屏，另一个粘接透镜，两个塑料支架的位置关系满足已经测量的“手机显示屏、透镜和眼睛之间的距离”，电动车头盔前部外表面粘帖避光的黑色塑料膜，粘接与面部形状相似的软泡沫将显示屏分隔为两个独立的空间；电动车头盔后部，开长孔，螺纹连接PCB板，视频线连接PCB板和显示屏，电源线连接PCB板和充电电池；使用悬挂法检验物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎（117）上。

最后，打开PCB板上的电源按钮，手机启动，使用蓝牙手柄操控手机运行虚拟仿真软件，进行物理海洋虚拟仿真实验。在物理海洋虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户可以松开联接螺钉（201），调整头盔（109）和***板（111）的相对位置，从而精确调整整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎（117）上。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，包括头盔（109）、可转动支架（105）、显示屏（101）、透镜（104）、充电电池（113）、***板（111），转动联接（107）连接头盔（109）和可转动支架（105）组成实验教学装置框架，可转动支架（105）设置在头盔（109）前部，显示屏（101）设置在可转动支架（105）内，聚氨酯慢回弹块状泡沫一（103）、聚氨酯慢回弹块状泡沫三（108）、鼻梁上的聚氨酯慢回弹块状泡沫和可转动支架（105）分别构成左右眼观察显示屏的独立空间，显示屏（101）连接***板（111），分为两个区域分别显示同一物体带有图像差的两幅图像，其特征在于：***板（111）和充电电池（113）设置在头盔（109）外后部，整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎（117）上。

2.按照权利要求1所述的一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，其特征在于：头盔（109）上留有长孔（203），联接螺钉（201）垫上垫片（202），穿过长孔（203）连接***板（111）。

3.按照权利要求1或2所述的一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置，其特征在于：聚氨酯慢回弹块状泡沫（301）上留有下透气孔（302）、上透气孔（304）和螺旋空腔（303）。

4.按照权利要求1所述的一种物理海洋虚拟仿真实验教学装置的设计、生产和使用方法，其包括下列步骤，其特征在于：

S1.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置设计过程中，统计计算用户头颈比的平均值：M/N；

S2. 计算和选取最优的充电电池的重量和在头盔上的安装位置；

S3.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置生产过程中，使用悬挂法检验物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心；

S4.在物理海洋虚拟仿真实验教学装置使用过程中，用户松开联接螺钉（201），调整头盔（109）和***板（111）的相对位置，从而精确调整整个物理海洋虚拟仿真实验教学装置的重心位于用户的颈椎（117）上。

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