便捷式示教錄播支架的設計與制作

鄭如祥 陳 漢

1 產生背景

在實踐性較強的課程教學中，教師的授課內容需要向學生展示，如化學實驗課、美術課等，特別是在中等職業學校的專業實踐實訓課教學里，教師需要向學生做大量的操作演示，尤其是工科類的實訓課，如數控加工實訓、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了以下問題：

第一，錄播系統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，由于職業學校中存在著多種專業，每個專業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控加工中刀具加工過程的詳細情況。

根據以上考慮，可否研發一種可移動式、便捷的、經濟的設備來滿足教學要求呢？因現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，現只要解決攝像頭的快速可移位即可實現在錄播示教中多視角、無死角的要求。產生此想法后，我們進行了深入交流與論證，制作與多次優化改進，便捷式示教錄播支架便基于這種背景下產生了。

2 創新點與功能

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，突顯其使用的便捷性與經濟性。其次是解決了攝像頭拍攝視角的快速調整問題，通過搖臂或柔性軟管的調節，實現2.5m范圍內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品設計與驗證，基于產品輕量化的考慮，本產品主體采用鋁合金材料，盡可能采用空心管。為節省成本，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，通過調節鎖緊螺母，放松或壓緊在兩套管與螺母環之間的墊片，可使兩管在1m至1.8m的高度范圍調節，第二段管可作360°的旋轉，實現了攝像頭位置的高低位置調節與繞立柱周邊角度的調節，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，可在鎖緊機構中調節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，可旋轉的搖臂。主要由帶沉孔底座、旋轉軸、鎖緊螺釘組成，如圖6所示。搖臂與擺臂通過關節鏈接，采用孔、軸配合與螺絲鎖緊的原理，底座盲孔與旋轉軸為間隙配合，實現兩臂關節處的360°調節，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，可調節角度的云臺。將簡易的輕型照相機云臺進行相應改造，安裝于搖臂之上。一是可實現高清攝影像機的快速安裝與拆卸，二是實現高清攝影像機俯仰角度的調節，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，還可以根據需要進行彎曲調節，實現更快速的輕型攝像頭安裝與攝像視角調節，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等監控錄播軟件，同時實現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

4 使用效果

經過半年的使用驗證，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連接數據線，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.