一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统及使用方法与流程

本发明一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统及使用方法，属于建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统及使用方法技术领域。

背景技术：

随着虚拟现实和沉浸式学习系统的逐渐发展，随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对vr技术的需求日益旺盛。vr技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域构建虚拟的教学环境能够提高学员的真实体验，提高学生的学习积极性。

现有也有沉浸式的虚拟现实教学系统或教室，但是现有的这种虚拟现实的教学仅仅是基于vr系统使学生体会到身临其境的乐趣，但是对于装配式建筑来说，该种学习环境还是缺少真正的互动性及能够亲身进行构件的搭配，使学生的学习缺少自己动手的实践，同时现有的虚拟现实基本上是只能实现一个人在操作的，但是对于教学中来说，需要每一个学生参与学习，而单独一个人进行体验不仅效率低，同时缺少配合，因此，提出了一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统及使用方法硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统，包括vr实训系统、ar系统、三维模型采集装置，所述vr实训系统包括服务器，所述服务器包括vr虚拟仿真单元，所述vr虚拟仿真单元包括楼梯、休息平台安装、竖向构件吊装、竖向构件吊装准备、套筒灌浆、外墙接缝处理、现浇节点钢筋绑扎、现浇节点支模、预制构件运输及堆垛、楼面模板安装、现浇混凝土+混凝土养护、楼面钢筋绑扎的仿真构件，学生通过vr设备实现对装配式建筑构件装配的模拟训练；

所述ar系统包括建筑沙盘互动教学模型，所述建筑沙盘互动教学模型上设置有ar扫描二维码，学生通过手机扫描ar扫描二维码，实现对沙盘上各装配式预制构件的认知和识图，并通过语音模块进行教学内容语音播放；

所述三维模型采集装置用于对学生的动作信息与三维场景的深度信息进行数据采集，并将采集的数据发送至服务器，所述服务器根据学生的动作信息，控制vr实训系统的显示场景中虚拟角色的动作，实现对建筑构件的虚拟拆分及装配。

所述vr设备包括vr眼镜，所述vr眼镜包括壳体和设置在壳体内的显示器，所述壳体上还设置有用于确定学生站位的定位装置，所述壳体内部还设置有处理器，根据所述定位装置发送的位置信息确定vr眼镜的位置。

所述建筑沙盘互动教学模型包括生产沙盘及施工沙盘，所述生产沙盘及施工沙盘上设置有动作按钮实现对应建筑构件的拆分和装配。

所述三维模型采集装置包括成像设备，所述成像设备通过动作捕捉设备对学生的手势动作、肢体动作进行采集，通过深度相机对学生的手部深度信息、三维场景的深度信息数据进行采集。

一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：学生进入互动教室，通过手机扫描建筑沙盘互动教学模型上的ar扫描二维码进行装配式建筑构件的学习；

步骤二：多个学生佩戴vr设备进行装配式建筑岗位技能vr实训，学生根据建筑构件进行相应的手部及肢体动作，进行构件的装配；

步骤三：三维采集装置同时采集多个学生的手部及肢体动作，服务器根据学生的动作控制对应的虚拟角色进行相应的动作，同时服务器根据学生的动作判断建筑构件装配顺序及装配构件之间的结合方式是否正确，当学生的动作错误时，进行提示。

所述步骤一中具体为多个学生同时进入互动教室，通过对建筑沙盘互动教学模型上设置的按钮进行装配式构件的基本装配及拆卸作业的学习，并通过ar系统对各个装配式构件进行单独学习。

所述步骤二中的装配式建筑岗位技能vr实训主要包括，多个学生同时佩戴vr设备，根据vr虚拟仿真单元对楼梯、休息平台安装、竖向构件吊装、竖向构件吊装准备、套筒灌浆、外墙接缝处理、现浇节点钢筋绑扎、现浇节点支模、预制构件运输及堆垛、楼面模板安装、现浇混凝土+混凝土养护、楼面钢筋绑扎的虚拟构件进行组合，完成装配式建筑的构建组装。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统通过设置ar系统能够让写学生在进行模拟实践之前更加直观的了解学习到的建筑构件的结构与其他部件的配合关系，通过沙盘模型上的按钮能够先学习基本构件的相互配合关系；同时设置vr实训系统能够让多个学生同时参与装配建筑的装配与拆卸，做到了亲自实践，同时通过三维采集装置能够实时捕捉学生的动作以指导虚拟装配，不仅寓教于乐，同时能够提高学生的学习效率。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明ar系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图2所示，本发明一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统，包括vr实训系统、ar系统、三维模型采集装置，所述vr实训系统包括服务器，所述服务器包括vr虚拟仿真单元，所述vr虚拟仿真单元包括楼梯、休息平台安装、竖向构件吊装、竖向构件吊装准备、套筒灌浆、外墙接缝处理、现浇节点钢筋绑扎、现浇节点支模、预制构件运输及堆垛、楼面模板安装、现浇混凝土+混凝土养护、楼面钢筋绑扎的仿真构件，学生通过vr设备实现对装配式建筑构件装配的模拟训练；

所述ar系统包括建筑沙盘互动教学模型，所述建筑沙盘互动教学模型上设置有ar扫描二维码，学生通过手机扫描ar扫描二维码，实现对沙盘上各装配式预制构件的认知和识图，并通过语音模块进行教学内容语音播放；

所述三维模型采集装置用于对学生的动作信息与三维场景的深度信息进行数据采集，并将采集的数据发送至服务器，所述服务器根据学生的动作信息，控制vr实训系统的显示场景中虚拟角色的动作，实现对建筑构件的虚拟拆分及装配。

所述vr设备包括vr眼镜，所述vr眼镜包括壳体和设置在壳体内的显示器，所述壳体上还设置有用于确定学生站位的定位装置，所述壳体内部还设置有处理器，根据所述定位装置发送的位置信息确定vr眼镜的位置。

所述建筑沙盘互动教学模型包括生产沙盘及施工沙盘，所述生产沙盘及施工沙盘上设置有动作按钮实现对应建筑构件的拆分和装配。

所述三维模型采集装置包括成像设备，所述成像设备通过动作捕捉设备对学生的手势动作、肢体动作进行采集，通过深度相机对学生的手部深度信息、三维场景的深度信息数据进行采集。

一种建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：学生进入互动教室，通过手机扫描建筑沙盘互动教学模型上的ar扫描二维码进行装配式建筑构件的学习；

步骤二：多个学生佩戴vr设备进行装配式建筑岗位技能vr实训，学生根据建筑构件进行相应的手部及肢体动作，进行构件的装配；

步骤三：三维采集装置同时采集多个学生的手部及肢体动作，服务器根据学生的动作控制对应的虚拟角色进行相应的动作，同时服务器根据学生的动作判断建筑构件装配顺序及装配构件之间的结合方式是否正确，当学生的动作错误时，进行提示。

所述步骤一中具体为多个学生同时进入互动教室，通过对建筑沙盘互动教学模型上设置的按钮进行装配式构件的基本装配及拆卸作业的学习，并通过ar系统对各个装配式构件进行单独学习。

所述步骤二中的装配式建筑岗位技能vr实训主要包括，多个学生同时佩戴vr设备，根据vr虚拟仿真单元对楼梯、休息平台安装、竖向构件吊装、竖向构件吊装准备、套筒灌浆、外墙接缝处理、现浇节点钢筋绑扎、现浇节点支模、预制构件运输及堆垛、楼面模板安装、现浇混凝土+混凝土养护、楼面钢筋绑扎的虚拟构件进行组合，完成装配式建筑的构建组装。

本发明提供的建筑装配的沉浸式虚拟现实互动教学系统主要通过ar系统使学生先对理论知识进行学习，通过vr实训系统进行对装配式构件的虚拟装配组装，通过三维采集装置对学生虚拟装配操作过程进行实时动作判断，并反馈至vr实训系统进行错误提示及校正。

本发明的ar系统通过设置建筑沙盘互动教学模型进行理论学习，在沙盘模型上包括有生产沙盘和施工沙盘，沙盘模型的大小设置为2.5*1.5*1.2m；在沙盘模型的侧边设置有多个动作按钮，通过按下不同的动作按钮使沙盘模型上的生产沙盘和施工沙盘进行相应动作，通过在生产沙盘和施工沙盘的各个建筑构件上均设置有ar扫描二维码，学生通过手机进行二维码扫描，可将各建筑构件的结构进行三维展示，同时通过沙盘上的语音模块对该构件的结构、用法、优缺点、材料及特性进行讲解，帮助学生理解记忆。

其中对于生产沙盘和施工沙盘上包括用于装配式预制构件的认知和识图，具体为：预制剪力墙、夹心保温外墙、叠合梁、叠合板、预制楼梯等常用预制构件识图；用于装配式预制构件平面布置图的识读，主要为：预制构件楼面埋件布置图、预制构件立面布置图和预制构件平面布置图；装配式主要节点的识图：主要包括现浇梁-叠合板连接节点、叠合梁-叠合板连接节点和现浇墙-预制墙-叠合板连接节点等节点的识图，从而使学生能够掌握装配式识图能力，能够运用装配式图纸，完成装配式设计、生产、施工和一体化装修等技能的学习和提升。

本发明的vr实训系统包括搭载有vr虚拟仿真单元的服务器和vr设备，vr虚拟仿真单元包括装配式建筑的楼梯、休息平台安装、竖向构件吊装、竖向构件吊装准备、套筒灌浆、外墙接缝处理、现浇节点钢筋绑扎、现浇节点支模、预制构件运输及堆垛、楼面模板安装、现浇混凝土+混凝土养护、楼面钢筋绑扎，学生通过佩戴vr设备实现在vr虚拟仿真单元构建的建筑装配平台的虚拟装配，具体可实现下列构件的虚拟装配：1、预制构件生产车间vr模拟：通过vr设备，模拟“参观”预制混凝土预制构件生产车间，了解车间的整体布局和各个车间工位基本情况；2、楼梯、休息平台安装：通过vr设备，学生可完成装配式建筑预制楼梯、休息平台的吊装训练全过程；3、装配化工法楼：学生可通过vr设备模拟“参观”工法楼部分节点构造，近前观察节点连接情况；4、竖向构件吊装：通过vr设备模拟装配式混凝土建筑预制外墙板的吊装全过程；5、竖向构件吊装准备：通过vr设备和三维建模技术研发，学生可通过vr设备完成预制墙板吊装前期准备工作；6、套筒灌浆：通过vr设备模拟装配式建筑的套筒灌浆实训，实训内容包括灌浆料制作操作、灌浆料流动性检测操作、试块制作、套筒灌浆操作四个子任务；7、外墙接缝处理：通过vr设备模拟外墙接缝处理的技术要求，包括外墙接缝验收实训和外墙接缝施胶实训；8、现浇节点钢筋绑扎：通过vr设备，学生模拟装配式建筑现浇节点的钢筋绑扎过程，根据真实案例工程图纸为参考内容进行钢筋绑扎；9、现浇节点支模：通过vr设备，学生模拟装配式建筑现浇节点的钢筋绑扎过程，根据真实案例工程图纸为参考内容进行钢筋绑扎；10、预制构件运输及堆垛：通过vr手柄设备实现在构件堆垛场漫游行走；11、楼面模板安装：通过vr设备，学生模拟装配式建筑楼面模板安装过程，根据真实案例工程图纸为参考内容进行模板安装；12、现浇混凝土+混凝土养护：通过vr设备，学生模拟装配式建筑混凝土浇筑及养护；13、楼面钢筋绑扎：通过vr设备，学生模拟装配式建筑楼面钢筋绑扎流程，根据真实案例工程图纸为参考内容进行钢筋绑扎。

同时本发明vr实训系统的服务器还能接收三维采集装置采集的学生的手势及肢体动作，在学生进行模拟装配的过程中不仅可以实现对vr实训系统的显示场景中虚拟角色进行动作控制实现对构件的装配，同时还能通过学生的动作对虚拟角色的错误动作进行提示，并指导学生进行正确的动作，能够使学生及时的了解正确的操作步骤。

本发明同时结合了ar和vr及通过三维采集装置进行动作捕捉从而控制vr虚拟角色的动作，不仅能够使学生将理论知识的学习与实践的操作结合起来，还能够使学生处于沉浸式学习的氛围中，同时本发明能够实现多个学生同时佩戴vr眼镜进行虚拟装配，使多个学生能够同时进行虚拟实践，效率较高。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。