電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】一種電磁式多自由度虛擬漫游裝置，包括由陣列式磁驅(qū)單元所組成的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)機(jī)構(gòu)、平臺(tái)傾斜感知系統(tǒng)、懸浮在平臺(tái)上供使用者直接踩踏的兩只踏墊、腳部運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)、以及相應(yīng)的氣浮結(jié)構(gòu)與壓力傳感器件等。系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在使用者的頭盔顯示器或特定的眼鏡中實(shí)時(shí)顯示前行的道路情況及其周邊的全景環(huán)境，令使用者可以選擇并按此“行進(jìn)”。控制系統(tǒng)能夠精確控制踏墊，使其承載雙足在平臺(tái)范圍內(nèi)等效完成行走、跑步等運(yùn)動(dòng)，并按照使用者的具體行進(jìn)情況，同步變更相應(yīng)的虛擬場景，以收“漫游”之效。使用者在平臺(tái)上不僅可以原地實(shí)現(xiàn)直線行進(jìn)，而且能夠左右轉(zhuǎn)向，特別是，還能通過平臺(tái)的適度傾側(cè)以獲得真實(shí)的地面坡度體驗(yàn)。
【專利說明】電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行直接交互的行進(jìn)裝置，具體地說是一種電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)能夠在立體顯示系統(tǒng)中顯示虛擬三維環(huán)境，使得使用者如同身臨其境一般地觀察并感受由計(jì)算機(jī)再現(xiàn)的客觀物理世界，甚至，還可通過虛擬漫游平臺(tái)，生成虛擬現(xiàn)實(shí)漫游場景，并進(jìn)行交互式操作。
[0003]但在現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，大部分僅是基于軟件技術(shù)完成，其“虛擬”的成分往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“現(xiàn)實(shí)”。例如在CN201310284812.9 “虛擬現(xiàn)實(shí)漫游場景生成方法及系統(tǒng)”中，其“漫游”的過程主要是通過三維交互仿真技術(shù)完成。再如，CN201410132834.8 “一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)自由視角切換方法”是通過改善其顯示方法，以呈現(xiàn)漫游的效果。
[0004]具有機(jī)電一體化技術(shù)的CN02143304.6 “虛擬實(shí)境階梯型跑步機(jī)”等試圖將現(xiàn)有技術(shù)或經(jīng)過改良的跑步機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，令使用者能夠在一個(gè)仿真的環(huán)境中真正運(yùn)動(dòng)起來。特別是CN201310046761.6 “柱元陣列式全向跑步機(jī)”，其目標(biāo)是“用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中，為用戶提供無限的自由行走空間”。而此類設(shè)計(jì)只是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對現(xiàn)有的機(jī)械式跑步機(jī)做出一定的改善，盡管具備了行走運(yùn)動(dòng)部分，但最終還是一個(gè)跑步機(jī)，并非實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的虛擬環(huán)境，而虛擬漫游則更是無從談起了。
[0005]而美國專利US20110009241所描述的圓盤狀低摩擦地板則完全是基于電子化實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并采用了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的眼鏡或頭盔，能夠讓使用者像在現(xiàn)實(shí)世界中一樣，奔走于虛擬環(huán)境之中。但是，使用者此時(shí)需要穿上特制的鞋子，在身體被固定的情況下，雙腳在“地面”上滑動(dòng)或者作出相應(yīng)姿勢，以代替走路。這些要求為具體使用帶來了很多不便。
[0006]此類問題的關(guān)鍵之處正是在于如何將實(shí)際的行走動(dòng)作與完整的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，真正收到虛擬漫游的效果。為此，許多方案從改進(jìn)的跑步機(jī)入手，如國際上稱為ODT (Omnidirect1nal treadmill)的新方法。其一是以美國專利US7780573 “虛擬行走(Cyberwalk)”為代表，該方案采用了在大傳送帶中嵌套方向垂直的小傳送帶的方式，即通過兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的疊加形成平面運(yùn)動(dòng)的裝置；其二是以美國專利US8276701 “虛擬地毯(Cybercarpet)”為代表，該方案采用沿垂直軸360°自由旋轉(zhuǎn)的直線傳送帶配合其上面的滾珠陣列。此外，還有活動(dòng)地板型、球形內(nèi)面行走型等其它一些實(shí)現(xiàn)方案。
[0007]綜上所述，現(xiàn)有各項(xiàng)方案雖多有特點(diǎn)，但總的來說，仍不能形成一個(gè)令使用者在綜合感受上更為貼近現(xiàn)實(shí)的高效虛擬漫游環(huán)境。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的就是提供一種電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，以解決現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不能形成一個(gè)令使用者在綜合感受上更為貼近現(xiàn)實(shí)的高效虛擬漫游環(huán)境的問題。
[0009]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，包括有:
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是在底座上通過平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器支撐連接有臺(tái)板，在所述臺(tái)板上設(shè)置有角度傳感器，所述角度傳感器用于檢測平臺(tái)的水平情況、傾側(cè)方向、傾側(cè)速度和傾側(cè)角度；在所述臺(tái)板上布設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)踏墊移動(dòng)的磁驅(qū)單元陣列，所述磁驅(qū)單元陣列是由多個(gè)磁驅(qū)單元排布組合而成；所述磁驅(qū)單元是在殼體中設(shè)置有直立的鐵芯和圍繞所述鐵芯的線圈繞組，所述線圈繞組由嵌入式分布控制系統(tǒng)控制通電與否和通電方向；在所述磁驅(qū)單元陣列中的所述磁驅(qū)單元之間的間隙中設(shè)置有若干氣閥和若干位置探測與壓力傳感組件；所述氣閥呈陣列排布，并與設(shè)置在磁驅(qū)單元陣列上的踏墊一道構(gòu)成減少踏墊運(yùn)動(dòng)摩擦的氣浮軸承；所述位置探測與壓力傳感組件組成位置傳感器陣列，用于探測踏墊和使用者的雙足在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的位置及運(yùn)動(dòng)變化情況；
空壓機(jī)，通過氣路與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的所述氣閥相接，提供氣浮軸承的工作用氣；
踏墊，放置在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的所述磁驅(qū)單元陣列上，用于承載使用者的足部并在所述磁驅(qū)單元的驅(qū)動(dòng)下，在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上靜止或移動(dòng)；
虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備，為佩戴式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)顯示器、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，用于向佩戴者展示其所選定的虛擬現(xiàn)實(shí)場景和隨運(yùn)動(dòng)過程所觀測到的變化場景；以及
嵌入式分布控制系統(tǒng)，包括虛擬場景選擇顯示與虛擬參數(shù)輸出系統(tǒng)、通過測距實(shí)現(xiàn)的步態(tài)追蹤系統(tǒng)、通過磁驅(qū)單元陣列實(shí)現(xiàn)的踏墊伺服系統(tǒng)、通過慣性元件實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)傾角調(diào)整系統(tǒng)、通過平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的坡度控制系統(tǒng)以及通過氣浮壓力測量和空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；所述嵌入式分布控制系統(tǒng)用于采集傳感器數(shù)據(jù)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)隨場景變化所對應(yīng)的姿態(tài)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁場變換，以實(shí)現(xiàn)對踏墊的驅(qū)動(dòng)，控制虛擬交通場景和音響效果。
[0010]本發(fā)明中的所述氣閥是在管體中裝有彈簧，在所述管體的上口處設(shè)置有滾珠，在所述管體的底部設(shè)有注氣嘴，所述注氣嘴通過供氣管路與所述空壓機(jī)相接。
[0011 ] 本發(fā)明中的所述踏墊是在一塊板狀永磁體的中間設(shè)置有隔磁條帶，在所述永磁體的頂面和周邊包覆有隔磁罩。
[0012]本發(fā)明中的所述平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器是由所述臺(tái)板以及套接在所述臺(tái)板外圍的萬向架外框組成二自由度的萬向架支撐結(jié)構(gòu)，在所述底座上設(shè)置有兩個(gè)壓力缸，一個(gè)用于控制所述臺(tái)板相對于所述萬向架外框的傾側(cè)角度，另一個(gè)用于控制所述萬向架外框圍繞支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度。
[0013]本發(fā)明中的所述平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器為六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，是在所述底座與所述臺(tái)板之間設(shè)置有六個(gè)壓力缸，六個(gè)所述壓力缸的缸體兩兩一組連接在在所述底座的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)置的平臺(tái)球鉸上；相鄰兩組的兩個(gè)所述壓力缸的活塞分成一組，共接在所述臺(tái)板底面的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)之一處的平臺(tái)球鉸上；所述底座上的等邊三角形與所述臺(tái)板底面上的等邊三角形的頂角位置相反。
[0014]本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是以平面電機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)的步態(tài)追蹤和伺服系統(tǒng)、基于液壓或電力驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)傾角調(diào)整和坡度控制系統(tǒng)構(gòu)成，用以承載人體重量并使之完成所有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。踏墊有兩只，每只的面積比成年人所穿的鞋底面積略大，分別對應(yīng)并直接承載使用者的雙腳。平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器是由數(shù)只液壓或電動(dòng)等壓力缸體按照一定的結(jié)構(gòu)和特定的支點(diǎn)對于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行支撐，并在統(tǒng)一控制下進(jìn)行平臺(tái)的傾角或位移的調(diào)整。虛擬環(huán)境是通過頭盔式三維立體顯示器或特殊的立體眼鏡、立體聲耳機(jī)等裝置所構(gòu)成的虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備所實(shí)現(xiàn)，并與機(jī)械、電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行信息交互和協(xié)同工作，以產(chǎn)生相應(yīng)的視覺、聽覺等效果。
[0015]運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的臺(tái)板為圓盤結(jié)構(gòu)，并在平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器的作用下，能以盤面上任意的直徑方向?yàn)檩S線，進(jìn)行一定角度的偏擺。磁驅(qū)單元陣列是由截面積較小、但數(shù)量較多的磁驅(qū)單元緊密拼裝組合而成，為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)提供靜止或變化的磁場。氣浮軸承是由磁驅(qū)單元陣列的上表面與踏墊的下表面之間形成的空間所構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的氣閥被踩踏而開啟時(shí)，氣路中的高壓氣體向上噴出，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和踏墊之間形成氣墊，以將踏墊浮起，并在踏墊移動(dòng)過程中消除絕大部分的摩擦阻力。探測與壓力傳感組件中的位置傳感器可用紅外等方式的位置傳感器構(gòu)成，并按照一定間距布滿整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，形成位置傳感陣列。當(dāng)使用者的某只腳離開踏墊、處于懸空狀態(tài)，并向任意方向邁出時(shí)，在踏墊外圍周邊的位置傳感器便可對該足的移動(dòng)位置的變化情況進(jìn)行探測。氣壓傳感器陣列是由氣壓傳感器構(gòu)成，同樣按照一定間距布滿整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以監(jiān)測傳感器周圍的氣壓數(shù)值及其變化情況。角度傳感單元是由慣性傳感器構(gòu)成，安裝于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的臺(tái)板上，用于檢測運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水平情況、傾側(cè)方向、傾側(cè)速度和傾側(cè)角度等。
[0016]運(yùn)動(dòng)踏墊具有兩個(gè)磁極，每個(gè)磁極的面積相等并且均能覆蓋運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的若干磁驅(qū)單元，并吸附、坐落在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上。
[0017]在模擬道路坡度時(shí)，虛擬環(huán)境中的“地平面”保持水平。模擬身體側(cè)傾時(shí)，虛擬環(huán)境中的“地平面”與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)平面保持相同空間角度的同步側(cè)傾。
[0018]磁驅(qū)單元是磁驅(qū)單元陣列的基本構(gòu)件，其磁場強(qiáng)度及變化情況均由嵌入式分布控制系統(tǒng)通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行獨(dú)立控制。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)磁場由若干磁驅(qū)單元共同形成。磁驅(qū)單元可以封裝成為四邊形、六邊型等規(guī)則的單元模塊結(jié)構(gòu)，并按照拼裝和插接方式形成特定形狀的陣列，也可與氣閥、位置傳感器和氣壓傳感器等器件共同構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)形狀的組合，進(jìn)而可以拼裝成為整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁驅(qū)、氣動(dòng)和傳感平面。
[0019]位置氣壓傳感組件包括位置傳感器和氣壓傳感器，二者既可以獨(dú)立使用，也可以封裝在一起，形成一個(gè)組合體。
[0020]氣浮軸承中的每個(gè)氣閥的控制部件是滾珠，滾珠的頂部露在孔外。氣閥平時(shí)處于密封狀態(tài)，只有當(dāng)滾珠受力下壓、露出縫隙后，才能由縫隙排出高壓氣體，形成氣墊。
[0021]本發(fā)明是配合虛擬環(huán)境共同工作的一種機(jī)、電、計(jì)算技術(shù)一體化的虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)裝置，由機(jī)械、電磁及其控制系統(tǒng)共同形成了“漫游”部分。具體說來，是由基于平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的步態(tài)追蹤系統(tǒng)和人體承載平臺(tái)、基于液壓或電力驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)傾角調(diào)整作動(dòng)機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的傾側(cè)控制技術(shù)構(gòu)成，以形成一個(gè)有別于傳統(tǒng)技術(shù)的電磁式行進(jìn)平臺(tái)。其中的“虛擬”部分是采用頭盔式或眼鏡式的虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備，結(jié)合相應(yīng)的軟件與通信等電子技術(shù)構(gòu)成。使用者可以在真實(shí)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過視覺、聽覺等多通道的交互，產(chǎn)生一種“身臨其境”的沉浸感。
[0022]本發(fā)明中的虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備是供使用者佩戴的一種頭盔或眼鏡式的虛擬場景顯示設(shè)備，佩戴后，使用者即“進(jìn)入”一個(gè)虛擬的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，并能夠以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式對于周邊環(huán)境進(jìn)行全景的查看和路徑的選擇。然后，可以完全按照在平路和坡道的正常行走或跑動(dòng)方式，非常“現(xiàn)實(shí)”地在虛擬的場景中直接沿著所看到的“道路”行進(jìn)，并且是真實(shí)地在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所提供的“地面”上完成前后移位、左右轉(zhuǎn)身等朝向不同方位的運(yùn)動(dòng)。
[0023]本發(fā)明中的磁驅(qū)單元陣列作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所提供的“地面”，是一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的、完整的平面電機(jī)的定子，以此作為承載人體重量并使之完成所有相應(yīng)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。與平面電機(jī)的定子類似，該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)也是一個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)單元排列組合成的一個(gè)陣列，簡稱之為“磁驅(qū)單元陣列”。與傳統(tǒng)平面電機(jī)定子不同的是，該磁驅(qū)單元陣列是由大量的磁驅(qū)單元按照六邊形的“蜂巢”或其它類似結(jié)構(gòu)緊密拼裝組合而成。每一個(gè)磁驅(qū)單元除了包括一個(gè)殼體、一個(gè)鐵芯和一個(gè)繞組之外，在其外圍還設(shè)置有氣閥和位置探測與壓力傳感組件。
[0024]當(dāng)磁驅(qū)單元中的繞組通電時(shí)，就會(huì)使得鐵芯呈現(xiàn)磁性，其磁極的方向取決于繞組中的電流方向。因此，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中整個(gè)磁驅(qū)單元陣列中所有磁驅(qū)單元的磁極的產(chǎn)生、排布和變化情況均可通過相應(yīng)的各個(gè)線圈通電與否以及電流的方向而決定。當(dāng)有電流通過時(shí)，相關(guān)磁驅(qū)單元中的繞組所產(chǎn)生的磁通總是會(huì)沿著磁阻最小的路徑與該平面上的移動(dòng)磁極(動(dòng)子)共同形成一個(gè)閉合的回路。
[0025]與使用者雙腳直接接觸的部分則是兩只“踏墊”。每只踏墊均是一個(gè)面積較大、只有一對磁極的永磁體，相當(dāng)于平面電機(jī)的動(dòng)子。然而，平面電機(jī)動(dòng)子只有一個(gè)，但本發(fā)明中的踏墊卻有兩只，分別承載使用者的雙腳，并“覆蓋”著運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上與踏墊面積相同的若干磁驅(qū)單元。使用者在靜止情況下，雙腳分別站立在兩個(gè)踏墊之上。此時(shí)，兩個(gè)踏墊均被其下方的各個(gè)磁驅(qū)單元所共同產(chǎn)生的磁場緊緊吸附，固定在某一具體位置上。
[0026]當(dāng)使用者在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上“行走”時(shí)，一只腳會(huì)離開踏墊，處于懸空狀態(tài)并“向前”邁動(dòng)，以便成為“前腳”。此時(shí)，“前腳”之下的位置探測與壓力傳感組件便可探測出該踏墊相應(yīng)的變化，并通過控制系統(tǒng)將相應(yīng)的磁驅(qū)單元的通電方式進(jìn)行變更，亦即改變了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上對應(yīng)“前腳”踏墊的磁場位置。鑒于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與踏墊之間磁場的位置偏差力圖使得磁通通路的磁阻保持最小，因而就隨之產(chǎn)生了平移的力量，并可使得踏墊與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中針對該踏墊所產(chǎn)生的磁場面積能夠盡量予以完整地對齊。即，迅速“吸引”踏墊到懸空的腳下，“迎接”即將落下的前腳。
[0027]同樣是在磁場的作用下，承載著后腳的踏墊則帶動(dòng)后腳向后方移動(dòng)。只要整個(gè)磁驅(qū)單元陣列按照某一特定的順序通電，就可以形成兩個(gè)按照使用者行進(jìn)規(guī)律所不斷變化的磁場區(qū)域，帶動(dòng)兩只踏墊進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。雙腳如此前后交替，便對應(yīng)產(chǎn)生了走路和跑步的相應(yīng)效果。
[0028]為了減少運(yùn)動(dòng)摩擦，磁驅(qū)單元上的氣閥能夠起到重要的作用。當(dāng)踏墊不在其上方時(shí)，氣閥內(nèi)的滾珠被其下方的彈簧頂起，將氣孔閉鎖。當(dāng)踏墊在其上方并承受重壓時(shí)，滾珠即被壓下，氣孔打開，高壓氣體噴出。此時(shí)，在平臺(tái)和踏墊之間即可形成一個(gè)具有足夠氣浮剛度的空氣薄膜，成為“氣浮軸承”。踏墊在氣浮作用下，既能被其下方的磁驅(qū)單元陣列牢牢吸附控制、并在其“牽引”之下結(jié)合磁場的變更進(jìn)行同步移動(dòng)，又可在移動(dòng)過程中免除絕大部分的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。
[0029]與傳統(tǒng)跑步機(jī)的工作方式完全不同，使用者除了可以進(jìn)行前后方向的運(yùn)動(dòng)之外，還可以左右轉(zhuǎn)向，即蹬踩著踏墊，在平臺(tái)上進(jìn)行前、后、左、右的各向運(yùn)動(dòng)。從而，可使使用者按照自己的意愿，向“四面八方”行走。而且，通過臺(tái)板底面的作動(dòng)器對臺(tái)板傾角的調(diào)整，使得使用者還能夠具有坡度的感覺。如果雙腳不動(dòng)而虛擬環(huán)境進(jìn)行連續(xù)的改變，則相當(dāng)于使用者正在這個(gè)環(huán)境中進(jìn)行“滑行”。
[0030]當(dāng)然，無論是“行走”還是“滑行”，使用者均需通過虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備來觀察周邊“景況”，并按照虛擬現(xiàn)實(shí)場景中所顯示的內(nèi)容或“道路”選擇前行方向。使用這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)電互動(dòng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，能夠在由計(jì)算機(jī)構(gòu)造的虛擬場景中任意漫游，并在該環(huán)境中的看到、聽到和行進(jìn)到各個(gè)地方，從而獲得與真實(shí)環(huán)境高度近似或基本一致的等效體驗(yàn)。
[0031]所以，站在本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，不必再像站在傳統(tǒng)的跑步機(jī)上一樣，有著固定的前后方向之分，反而更像是站在一個(gè)自然界中的場地中心，面對的任何方向都可以作為自己漫游的行進(jìn)方向和選擇目標(biāo)。如此的“行走”方式和相對應(yīng)的場景變換，都是本發(fā)明中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所提供的虛擬場景畫面相互協(xié)調(diào)與配合的結(jié)果。人體相對于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向和行走距離均由磁驅(qū)單元陣列中的位置探測與壓力傳感組件及嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和匯總，并作為虛擬場景的輸入信息，決定著后續(xù)場景或背景圖像的具體變換。因此，這可成為一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的綜合技術(shù)。
[0032]例如，游客在規(guī)模龐大的博物館中進(jìn)行特定展品的尋找時(shí)，可以通過虛擬漫游設(shè)備提供的引導(dǎo)，先親臨“現(xiàn)場” 一次。而其行走距離既可以與實(shí)際的距離相符，又可以具有一定的“變比”。若要進(jìn)行跑步鍛煉，可在其跑步綜合數(shù)據(jù)庫中添加諸如北京、巴黎或倫敦等不同的“地區(qū)”環(huán)境，并在其中自由選擇不同的“路線”。而對游戲玩家來說，則更是能夠沉浸在虛擬的場景中，真正去左奔右突，如同身臨其境。尤其在軍事上的抵近偵查、人質(zhì)解救等訓(xùn)練過程中，本發(fā)明的作用絕非僅僅局限于運(yùn)動(dòng)過程中的真實(shí)感和趣味性的增加，而其在實(shí)際效果及拓展應(yīng)用方面的潛力與意義可能更為宏大、深遠(yuǎn)。
[0033]本發(fā)明獨(dú)特的優(yōu)勢有以下兩點(diǎn):其一，本發(fā)明中的磁驅(qū)單元能夠按照獨(dú)立受控、共同作用的方式運(yùn)行，不但可以實(shí)現(xiàn)X— Y軸方向的平面驅(qū)動(dòng)(等效于使用者的任意行走方向)，而且還可實(shí)現(xiàn)圍繞人體自身垂直方向的Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，甚至可以進(jìn)行“舞蹈”表演；其二，通過坡度控制結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)還能圍繞X或Y軸進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到能夠模擬所有方向“道路”的坡度以及“地面”的側(cè)傾。
[0034]因此，除可模擬在坡道上的步行之外，更可完成其它各類跑步機(jī)所無法完成的滑冰、輪滑、甚至是滑雪運(yùn)動(dòng)的模擬。特別是通過“冰面”或“地面”以及虛擬場景所共同給予的側(cè)傾效果，使用者便能夠等效體驗(yàn)到往往僅在高速的奔跑轉(zhuǎn)向和彎道滑行等動(dòng)態(tài)過程中才能獲得的感覺。若是配以Z軸方向的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，便可再現(xiàn)滑雪的坡降過程中，在不同的滑速下所產(chǎn)生不同的起伏和顛簸感(當(dāng)然，本裝置不能模擬失重感)。
[0035]本發(fā)明采用踏墊結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)勢，就是穿著普通的平底鞋或運(yùn)動(dòng)鞋即可使用，不需要更換專用的鞋襪，既可免除換鞋的麻煩，還能減少由于使用公用物品而存在交叉感染的顧慮。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的俯視圖。
[0038]圖3是六自由度平臺(tái)的側(cè)視圖。
[0039]圖4是磁驅(qū)單元與氣閥和位置探測與壓力傳感組件之間的位置關(guān)系圖。
[0040]圖5是磁驅(qū)單元陣列的組裝結(jié)構(gòu)平面圖。
[0041]圖6是磁驅(qū)單元陣列的局部立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖7是氣閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖8是踏墊在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的吸合狀態(tài)示意圖。
[0044]圖9是踏墊覆蓋部分的磁驅(qū)單元的磁極變動(dòng)形態(tài)圖。
[0045]圖10是本發(fā)明的基本邏輯關(guān)系框圖。
[0046]圖11是嵌入式分布控制系統(tǒng)的工作原理圖。
[0047]圖12是嵌入式分布控制系統(tǒng)的工作流程圖。
[0048]圖中:01、底座，02、壓力缸，03、鉸接點(diǎn)，04、臺(tái)板，05、磁驅(qū)單元陣列，06、欄桿，07、護(hù)圈，08、平臺(tái)球鉸，09、踏墊，10、永磁體，11、隔磁條帶，12、隔磁罩，13、線圈繞組，14、鐵芯，15、氣閥，16、位置探測與壓力傳感組件，17、遮蓋層；18、氣隙，19、注氣嘴，20、彈簧；21、滾珠，22、Rx方向球鉸，23、R Y方向球鉸，24、R γ方向轉(zhuǎn)軸；25、R χ方向轉(zhuǎn)軸，26、萬向架外框，27、平臺(tái)支架，28、虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備，29、殼體。
【具體實(shí)施方式】
[0049]如圖1所示，本發(fā)明包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、空壓機(jī)、踏墊、虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備和嵌入式控制系統(tǒng)等部分。
[0050]圖1中，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是在底座01上通過平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器支撐連接有臺(tái)板04，在臺(tái)板04上設(shè)置有角度傳感器，用于檢測平臺(tái)的水平情況、傾側(cè)方向、傾側(cè)速度和傾側(cè)角度。在臺(tái)板04上布設(shè)有磁驅(qū)單元陣列05。如圖5、圖6所示，磁驅(qū)單元陣列05是由多個(gè)六棱形的磁驅(qū)單元排布組合而成。如圖4所示，磁驅(qū)單元是在殼體29中設(shè)置有直立的鐵芯14和圍繞鐵芯的線圈繞組13，線圈繞組13由嵌入式分布控制系統(tǒng)控制通電與否和通電方向。磁驅(qū)單元的殼體29的六棱邊上分別制有弧形立槽，圓柱形的氣閥15和位置探測與壓力傳感組件16貼靠在弧形立槽中。這樣，氣閥15在磁驅(qū)單元陣列05中也就成為陣列排布，并與設(shè)置在磁驅(qū)單元陣列05上的踏墊一道構(gòu)成氣浮軸承，以減少踏墊運(yùn)動(dòng)的摩擦。同樣的，位置探測與壓力傳感組件16也是在磁驅(qū)單元陣列05中的磁驅(qū)單元之間組成位置傳感器陣列，用于探測踏墊和使用者的雙足在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的位置及運(yùn)動(dòng)變化情況。
[0051]平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器可有多種實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明給出以下兩種實(shí)現(xiàn)方式:
其一是萬向支撐結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示，在圓形臺(tái)板04的一條軸線(稱為X軸)的兩端分別設(shè)有外向延伸的臺(tái)板軸頭25，臺(tái)板軸頭25連接于萬向架26，使得臺(tái)板能夠以X為軸相對于萬向架進(jìn)行一定幅度的擺動(dòng)。同樣，萬向架26在與X軸相垂直的軸線(稱為Y軸)上也有兩個(gè)分別外向延伸的軸頭24，分別接在兩個(gè)三角形支架27的頂端。兩個(gè)三角形支架27固定在底座01上。這樣，萬向架自身亦可圍繞Y軸進(jìn)行一定幅度的擺動(dòng)。在底座01上還通過鉸接點(diǎn)03連接有兩個(gè)壓力缸02。兩個(gè)壓力缸02支撐連接在臺(tái)板04上，使其不能自由翻轉(zhuǎn)。兩個(gè)壓力缸02與臺(tái)板04的連接點(diǎn)，一個(gè)形成&方向球鉸22，另一個(gè)形成R γ方向球鉸23。兩個(gè)方向的球鉸分別安裝在臺(tái)板04的邊緣，且中心分別與X軸、Y軸重合。Rx方向球鉸22負(fù)責(zé)完成臺(tái)板04圍繞X軸的Rx運(yùn)動(dòng)，R γ方向球鉸23負(fù)責(zé)完成臺(tái)板04協(xié)同萬向架26圍繞Y軸的Ry運(yùn)動(dòng)。因此，通過這兩個(gè)壓力缸，就能精確調(diào)整臺(tái)板04在一定范圍內(nèi)的空間傾角。
[0052]其二是使用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，在底座01與臺(tái)板04的底面之間設(shè)置有六個(gè)壓力缸02，六個(gè)壓力缸的缸體兩兩一組連接在在底座01的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)置的平臺(tái)球鉸08上，相鄰兩組的兩個(gè)壓力缸02的活塞分成一組，共接在臺(tái)板04底面的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)之一處的平臺(tái)球鉸08上。底座01上的等邊三角形與臺(tái)板04底面上的等邊三角形的中心點(diǎn)在一條垂線上且兩個(gè)等邊三角形的頂角位置相反。在六個(gè)壓力缸的支撐連接下，使臺(tái)板04形成一個(gè)六自由度的偏轉(zhuǎn)臺(tái)。
[0053]圖1中，在臺(tái)板04的周邊設(shè)置有欄桿06和護(hù)圈07。
[0054]所有磁驅(qū)單元的磁場強(qiáng)度及變化情況均由嵌入式分布控制系統(tǒng)予以精確控制，所有單元的磁場集合共同形成了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)表面的磁場分布。
[0055]如圖7所示，氣閥15中裝有彈簧20，管口處設(shè)置一個(gè)滾珠21，類似一種“碰珠”結(jié)構(gòu)。氣閥15頂部的滾珠21從遮蓋臺(tái)板04的遮蓋層17上所開出的孔眼中露出局部；氣閥15的底部連通有注氣嘴19，該注氣嘴19穿過臺(tái)板04，伸向臺(tái)板04的底面。
[0056]如圖1所示，在平臺(tái)上放置有踏墊09，運(yùn)動(dòng)者需要踩踏其上以完成行進(jìn)過程中的腳部移動(dòng)。在臺(tái)板04上所布設(shè)的磁驅(qū)單元陣列05，相當(dāng)于平面電機(jī)的定子部分。通過平臺(tái)表面磁場的分布和變化，可對踏墊實(shí)現(xiàn)二維驅(qū)動(dòng)。因此，磁驅(qū)單元陣列05形成了一種沒有任何間接的傳動(dòng)環(huán)節(jié)、能夠直接滿足高響應(yīng)、高速度和高精度要求的平面驅(qū)動(dòng)裝置。而且，還具有出力密度高、熱損耗低和結(jié)構(gòu)簡單的顯著特點(diǎn)。
[0057]如圖8所示，踏墊09實(shí)際上是一塊矩形永磁體10，并在其中間設(shè)置隔磁條帶11，在頂面和四周包覆有隔磁罩12。隔磁罩12可使用具有防滑、隔磁功能的材料制成。其作用，一是防止使用者踩踏時(shí)打滑，二是有利于在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上準(zhǔn)確定位，三是可以減輕兩個(gè)踏墊在距離較近時(shí)的互相吸引或排斥現(xiàn)象。圖9所示是踏墊覆蓋部分的磁驅(qū)單元的磁極變動(dòng)形態(tài)圖，即在磁驅(qū)單元陣列05上吸附踏墊的各磁驅(qū)單元的磁極對應(yīng)變動(dòng)形態(tài)，此時(shí)即可形成對踏墊的吸附。
[0058]踏墊09工作于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁驅(qū)單元陣列05上，使用者的雙腳分別踩踏在兩個(gè)踏墊上。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)利用大量繞組通電后產(chǎn)生的磁能直接推拉踏墊產(chǎn)生平面運(yùn)動(dòng)，踏墊09受控在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁驅(qū)單元陣列05上隨同運(yùn)動(dòng)者的踏足一同移動(dòng)。
[0059]踏墊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均完全取決于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中磁驅(qū)單元的磁極變化形式，也即其中繞組的通電與否及通電方向?？梢钥闯?，臺(tái)板04承載了所有的磁驅(qū)單元和位置探測與壓力傳感組件16，并且在其遮蓋層17上布滿了孔眼，以使氣閥15的滾珠21頂部和位置探測與壓力傳感組件16的頂部露出，與踏墊09之間形成了一定的氣隙18。圖8中，當(dāng)以第②、③號(hào)磁驅(qū)單元形成S極區(qū)域中心，以第⑤、⑥號(hào)磁驅(qū)單元形成N極區(qū)域中心時(shí)，其各自磁場綜合后等效的S極、N極在某一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)保持相對固定。踏墊09上與之對應(yīng)的N、S兩極則在該段時(shí)間內(nèi)被磁力吸合在磁驅(qū)單元陣列的相應(yīng)位置上，處于一個(gè)相對的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0060]當(dāng)其它磁驅(qū)單元的線圈通電時(shí)，便可能產(chǎn)生側(cè)向的“吸力”，以便“牽引”踏墊向著其它單元的方向運(yùn)動(dòng)。例如，若需要將踏墊左移，則將第①、②、③磁極區(qū)域的下一步磁極狀態(tài)通過變更相應(yīng)磁極的通電順序，變換成為當(dāng)前的第②、③、④磁極區(qū)域的狀態(tài)；而將第④、⑤、⑥磁極區(qū)域的下一步磁極狀態(tài)同理變換為第⑤、⑥、⑦磁極區(qū)域當(dāng)前的狀態(tài)即可。此時(shí)踏墊將被磁場引力向左側(cè)拉動(dòng)一步，即一個(gè)磁驅(qū)單元的距離。踏墊右移的情況亦可同理推得。只要磁極變換的距離跨度和保持時(shí)間滿足一定要求，踏墊便可對其實(shí)現(xiàn)連續(xù)的“跟蹤”。
[0061]在正常的行走過程中，通常是后足蹬地承重，前足懸空前移。但在滑冰等滑行方式中，也可按照雙足平行站立的方式向前行進(jìn)，或是前足承重、后足向側(cè)后方向蹬地以獲得前行動(dòng)力。但僅就踏墊的隨動(dòng)技術(shù)而言，這些方式與正常行走并無太大的差別。向前邁出的懸空之足在踏到平臺(tái)之前，即可被運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的位置探測與壓力傳感組件16測出。從而，控制系統(tǒng)能夠迅速跟蹤到具體位置，并將相應(yīng)的踏墊實(shí)時(shí)移送到對應(yīng)的腳下，使之承重。周而復(fù)始，使用者便可通過踏墊的“密切配合”，正?！靶凶摺庇谄脚_(tái)之上了。
[0062]所以，只要能夠精準(zhǔn)地控制磁驅(qū)單元陣列05中磁極的分布和變更，就可“吸引”位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上相應(yīng)的踏墊迅速產(chǎn)生符合要求的移動(dòng)。亦可看出，此時(shí)不工作的磁驅(qū)單元并不通電，亦不產(chǎn)生功耗。而工作中的磁驅(qū)單元與踏墊一起，在任何時(shí)刻都能夠形成一個(gè)閉合的磁回路。因其主要是針對步行或跑步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行伺服，所以磁極的變換頻率不會(huì)太高，其渦流影響不大。因而在制作過程中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的磁驅(qū)單元的鐵芯14甚至不必使用疊片鐵心，普通的導(dǎo)磁材料即可滿足要求。
[0063]如前所述，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)亦可圍繞自身的X軸、Y軸進(jìn)行一定角度的偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)，產(chǎn)生傾斜效果，模擬使用者在行進(jìn)過程中可能遇到的坡道。其傾斜的角度可由嵌入在臺(tái)板中、非常小巧可靠的慣性傳感器測出，并實(shí)時(shí)傳送到控制系統(tǒng)。
[0064]運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的磁驅(qū)單元可按多種方式排布。若將其制作成為正六邊形結(jié)構(gòu)，則其綜合效率相對較高。然而，無論那種排布方式，踏墊下方對應(yīng)的磁驅(qū)單元的數(shù)量均會(huì)因不同的踏墊位置和方向而略有變化。可以想象，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上單位面積所提供的磁場強(qiáng)度越大，并且踏墊覆蓋的面積越大，則所能得到的磁力也就越大，亦如圖9所示。另外，在同樣的單位面積磁場強(qiáng)度下，每個(gè)磁驅(qū)單元的面積越小，即“顆?！痹郊?xì)，上述磁驅(qū)單元的數(shù)量的變化為整個(gè)磁通量所帶來的影響也就越小。
[0065]同時(shí)，磁驅(qū)單元的“顆?！痹郊?xì)，踏墊每步平移的距離就越短。在平移同樣距離的情況下，步數(shù)也就越多。這也使得“齒槽”效應(yīng)(一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因定子或轉(zhuǎn)子具有槽狀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的不連續(xù)現(xiàn)象)所引起的推力波動(dòng)也隨之減小，踏墊運(yùn)行亦越平穩(wěn)。所以，只要踏墊下方的單元數(shù)目足夠多，或經(jīng)優(yōu)化后的排布方式足夠好，或是磁驅(qū)單元通電順序規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)得足夠恰當(dāng)，則運(yùn)行效果必然會(huì)有改善和提高。
[0066]因此，為了能夠在有限的踏墊面積內(nèi)更多地增加磁驅(qū)單元的數(shù)量，在高度一定的情況下，磁驅(qū)單元應(yīng)盡量制作得小巧、精細(xì)。或者說，其截面積應(yīng)盡可能地減小。另外，還必須能夠保證其具有足夠的單位磁場強(qiáng)度，以及需要考慮在結(jié)合了氣閥和位置探測與壓力傳感組件之后，統(tǒng)一進(jìn)行裝配、維護(hù)時(shí)的方便。所有的磁驅(qū)單元均由控制系統(tǒng)給予獨(dú)立的控制和驅(qū)動(dòng)，并按照特定的控制規(guī)律相互關(guān)聯(lián)，以達(dá)到所需的運(yùn)行效果。
[0067]在運(yùn)行過程中，氣體從氣閥15的滾珠21間隙中噴出，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與踏墊09之間形成一個(gè)高壓的氣隙18，成為氣墊?？蛰d時(shí)，只要?dú)鈮|所提供的垂直支撐與踏墊自重和磁驅(qū)單元的法向吸力達(dá)到平衡時(shí)，踏墊便可穩(wěn)定地懸浮在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上。運(yùn)動(dòng)時(shí)，該氣墊就變成了 “氣浮軸承”。
[0068]氣浮軸承的每個(gè)氣閥15中均有一個(gè)彈簧20將滾珠21頂在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的遮蓋層17的氣孔內(nèi)部，滾珠頂部露在孔外。高壓氣體經(jīng)注氣嘴19進(jìn)入氣閥15，而氣閥15平時(shí)處于密閉狀態(tài)。只有當(dāng)滾珠21受力被壓下后，才能打開氣孔并排氣。踏墊承重后，受力越大，其底面與平臺(tái)平面的距離就越小。此時(shí)，滾珠被壓下的程度也越大，使得氣孔露出的有效面積增加，排出的氣量也就自然增多。同時(shí)，在因踏墊下壓而相對縮小的氣浮空間中，氣體壓強(qiáng)也隨之加大，并為踏墊提供更加有力的支撐。
[0069]為了保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的氣密特性以及具有一個(gè)光滑、平整的平面運(yùn)動(dòng)區(qū)域，需要在磁驅(qū)單元陣列05上覆蓋一層丙烯酸環(huán)氧樹脂等類型的薄板，形成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的遮蓋層17。而踏墊的底部也同樣需要光滑、平整，以保證氣墊上下兩側(cè)的氣動(dòng)特性盡量一致。
[0070]由于踏墊是采用永磁體，不需依靠電源等能量供給，所以與平臺(tái)的其它部件之間除了氣閥15的滾珠21與踏墊08底部具有少許接觸、并在氣墊作用下只有一些并不受力的滑動(dòng)以外，不存在其它許多類型的機(jī)械支撐或懸掛方式中難以避免的摩擦、變形等問題。這樣，不僅可以徹底消除機(jī)械系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的“爬行”現(xiàn)象，也避免了因軸承磨損等問題所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)不暢等形成的困擾，使其具有了使用壽命長、動(dòng)態(tài)特性好的特點(diǎn)。
[0071]從控制理論的角度而言，踏墊雖是整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)幅度最大的執(zhí)行元件，但本身質(zhì)量相對較小，在空載運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)速度、諧振等問題均好解決。而承重運(yùn)行時(shí)，其質(zhì)量與人體質(zhì)量相比又可以忽略。所以，能夠比較容易地保證其空載時(shí)具有較高的靈敏度，以及重載時(shí)較好的穩(wěn)定性和定位精度。
[0072]另外，氣浮軸承的力學(xué)性能是將壓縮氣體注入微小的氣膜間隙內(nèi)之后，由所形成的氣膜壓力所體現(xiàn)的。只要通過簡單計(jì)算，便可得到針對不同體重的使用者在不同運(yùn)動(dòng)方式下的基本承載規(guī)律。
[0073]在本發(fā)明中，每只踏墊的長度設(shè)為30cm，寬度為12cm。其邊長則為30X2 + 12X2=84 cm，面積為30X12 = 360cm2。在氣閥15的等效送氣直徑為2mm、按照三角形分布時(shí)兩兩間距平均為2cm的情況下，每只踏墊下能有大約有(12/2+(12/2)-1) X (30/(2XSQR3))=95.26個(gè)氣孔。若有效氣孔數(shù)目取為90，則其總的排氣截面約為90X X (2/2) 2 =282.6mm 2。壓縮氣體從氣閥15中噴出后，會(huì)因其體積膨脹而具有一定的制冷效果，但其溫差在室溫環(huán)境下相對變化不會(huì)太大。所以，按照氣態(tài)方程可知，氣體壓力和其體積仍能保持大致的線性關(guān)系。
[0074]若氣浮軸承的排氣面積與進(jìn)氣面積相同且為等壓，踏墊08的氣膜厚度大致可以保持在282mm 2/840mm = 0.34mm左右。當(dāng)減壓后體積膨脹2—3倍、壓力從5—6kg/cm2降低為2kg/cm2左右、排氣面積相比進(jìn)氣面積也擴(kuò)大2— 3倍時(shí)，氣膜厚度可望保持為Imm左右。僅從理論計(jì)算而言，此時(shí)整只踏墊可以受到氣膜最大的支撐力不小于360cm2X2kg/cm2=720 kgο
[0075]嚴(yán)格說來，動(dòng)態(tài)的行走過程主要是靠足跟和足尖進(jìn)行，且對踏墊的作用時(shí)間均十分短暫，需要按照數(shù)倍于體重的沖擊力予以考慮。當(dāng)遇到彈跳等極端情況，可能會(huì)使沖擊超出了氣墊的承載能力。此時(shí)的沖擊力被支撐力部分抵消之后的合力將導(dǎo)致踏墊底面與平臺(tái)平面發(fā)生一個(gè)瞬間的“撞擊”。即便如此，其剩余力度不會(huì)太大，而且踏墊與臺(tái)板之間是平面接觸，不至于造成任何損環(huán)。此后，氣墊功能便會(huì)立即恢復(fù)。
[0076]在踏墊空載或是輕載的情況下，盡管仍有其下方的磁驅(qū)單元陣列的“牽拉”，但要比滿載時(shí)的力度減小很多。所以踏墊會(huì)自動(dòng)升高。只要略微抬升，情況就會(huì)立刻變化。一是因?yàn)闅庀陡叨鹊脑黾訒?huì)使氣壓立即下降；二是因?yàn)闅忾y在踏墊抬高后的出氣量減少，相當(dāng)于自動(dòng)調(diào)節(jié)了相應(yīng)的支撐力。因此，當(dāng)踏墊輕載時(shí)，提供的支撐力也自然降低。完全空載時(shí)，滾珠21甚至全因露出較高而將氣控機(jī)構(gòu)整體關(guān)閉。從而使得空載的踏墊能以耗能最小的方式，在所覆蓋區(qū)域的所有滾珠的頂部“滑行”，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)陣列05在形式上則類似于一個(gè)“萬向球臺(tái)”。
[0077]運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方的底座01是由金屬、塑料或木制結(jié)構(gòu)所形成的一個(gè)完整、穩(wěn)定的承載基礎(chǔ)，通過萬向架26等多自由度支撐機(jī)構(gòu)對其上部的臺(tái)板04予以支撐，再由嵌入式分布控制系統(tǒng)調(diào)整和變更其的側(cè)傾等狀態(tài)。
[0078]運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式主要分為液壓和電動(dòng)兩種。液壓驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是抗負(fù)載的剛度大，功率/重量比大，使用比較方便。但其因需油源而不易保持清潔，一般多用于大型的運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)速度和精度，體積也相對小巧，外觀整潔。但其出力也是較小，承載能力不如液壓系統(tǒng)。
[0079]盡管在行進(jìn)跑跳過程中，雙腳的蹬踏運(yùn)動(dòng)對于踏墊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)均是一種沖擊，但本發(fā)明所述系統(tǒng)只是承載人體。與一般的駕駛系統(tǒng)模擬器相比，無論是在整體重量還是沖擊作用方面，均不太大。于是，電動(dòng)驅(qū)方式可為首選。
[0080]對本發(fā)明所述的踏墊運(yùn)動(dòng)而言，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上已經(jīng)具備了 X、Y、RZS個(gè)方向的自由度，所以系統(tǒng)能夠在傳統(tǒng)的多自由度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得以較大的改進(jìn)和簡化，即僅考慮Rx、RY和Z方向即可。實(shí)際上，類似于抖動(dòng)和顛簸等Z方向的高速變化情況，在平坦、光滑的表面上行進(jìn)時(shí)是沒有的，甚至緩慢行進(jìn)在一般坡道時(shí)也感覺不到。只有在速升或速降的過程中，例如達(dá)到了一定速度的滑雪時(shí)，才能體驗(yàn)。所以，Z方向的運(yùn)動(dòng)可以模擬滑雪坡道所具有的起伏地勢可能會(huì)給高速的滑雪者在垂直方向造成一定的沖擊感。
[0081]如果僅需完成基于光滑道路的行進(jìn)、輪滑和基于冰面的滑行模擬，則整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式又可大大簡化。在這種情況下，不必考慮Z方向的運(yùn)動(dòng)，只要為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠使其圍繞自身X、Y兩軸進(jìn)行一定角度側(cè)傾的二自由度的支撐機(jī)構(gòu)即可。于是，本發(fā)明便提出了圖1的結(jié)構(gòu)。
[0082]圖1中，臺(tái)板04通過萬向架26連接到作動(dòng)器上，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的擺動(dòng)既可以圍繞X軸或Y軸分別進(jìn)行，也可同時(shí)進(jìn)行。這樣，一個(gè)萬向架結(jié)構(gòu)與兩個(gè)位于側(cè)邊的壓力缸一起，共同形成了二自由度作動(dòng)器。與其它多自由度作動(dòng)方式相比，這可極大地簡化控制方式。輔之以角度、壓力等傳感信息，對運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的“坡度”控制便可異常簡單和準(zhǔn)確。如果從機(jī)械角度考慮整體上獲得進(jìn)一步的穩(wěn)定和平衡，還可在臺(tái)板04和底座01之間與兩個(gè)壓力缸相對稱的位置再增加兩個(gè)，即一共使用4個(gè)壓力缸。對稱的兩缸中活塞的運(yùn)動(dòng)距離相同而方向相反。一升一降，形成互補(bǔ)，使得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效果可以更好。
[0083]從控制角度來看，本發(fā)明由基于虛擬現(xiàn)實(shí)場景系統(tǒng)的虛擬部分和基于多自由度行進(jìn)平臺(tái)的機(jī)電部分共同構(gòu)成，其基本邏輯關(guān)系如圖10所示。
[0084]虛擬部分是“場景再現(xiàn)”的軟件基礎(chǔ)。包含了命令輸入單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、場景信息數(shù)據(jù)庫、音視頻協(xié)調(diào)同步單元，以及虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備，即可穿戴的虛擬顯示器與耳機(jī)等。系統(tǒng)有待執(zhí)行的命令輸入可以通過藍(lán)牙等無線方式傳至數(shù)據(jù)采集與處理單元或直接進(jìn)入嵌入式分布控制系統(tǒng)。然后，通過場景信息數(shù)據(jù)庫提取場景情況供使用者觀看和選擇，以及將對應(yīng)的道路的遠(yuǎn)近、坡度等情況送至機(jī)電部分進(jìn)行模擬。
[0085]機(jī)電部分在基座平臺(tái)與作動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裝配并形成了整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。在電源和氣源的動(dòng)力作用下，為使用者提供“道路行走”的物理環(huán)境。磁驅(qū)單元陣列和氣浮結(jié)構(gòu)構(gòu)成的平臺(tái)的水平和傾斜情況，由鑲嵌在其內(nèi)部的慣性傳感器測得，踏墊和使用者的運(yùn)動(dòng)情況由雙足位置傳感器得到。所有這些數(shù)據(jù)全部送入嵌入式分布控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，其結(jié)果一方面反饋至平臺(tái)自身形成閉環(huán)，另一方面需要送至虛擬部分，以便與虛擬現(xiàn)實(shí)場景系統(tǒng)同步。
[0086]此時(shí)，可以結(jié)合使用者“行進(jìn)”的距離，在數(shù)據(jù)庫中“匹配”相應(yīng)的道路、車輛、行人、環(huán)境等虛擬交通場景，以及周邊車輛、行人的背景聲響。甚至還可包括音樂、解說或提示。所以，虛擬部分的主要工作結(jié)果，將會(huì)被完整和連續(xù)地體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備28之中。
[0087]如前所述，機(jī)電控制部分的主要任務(wù)是運(yùn)動(dòng)設(shè)備的協(xié)調(diào)和控制，包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和踏墊的驅(qū)動(dòng)、傳感數(shù)據(jù)的采集、極限參數(shù)的監(jiān)控等。此外，還要對踏墊轉(zhuǎn)移時(shí)所需的各個(gè)電磁力和力矩的實(shí)時(shí)解耦，以及在下一位置或后續(xù)落點(diǎn)將要使用到的磁驅(qū)單元陣列的快速規(guī)劃和重構(gòu)。進(jìn)而，便可做到對于磁驅(qū)單元陣列中各個(gè)線圈的快速切換與控制。
[0088]因磁力驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量眾多、控制關(guān)系復(fù)雜，而且還需要大量的底層設(shè)備傳感器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和反饋，所以針對磁驅(qū)單元的精密驅(qū)動(dòng)又是踏墊運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在目前的技術(shù)條件下，整個(gè)機(jī)電控制任務(wù)可由基于分布控制方式的嵌入式分布控制系統(tǒng)，分別在每一個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)上予以具體完成。在圖10的基礎(chǔ)上，可對其中的嵌入式分布控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的分解與描述，如圖11所示。
[0089]整個(gè)嵌入式分布控制系統(tǒng)共有四類數(shù)據(jù)輸入接口，即虛擬場景輸入接口、紅外距離傳感器接口、慣性元件傳感器接口和氣浮壓力傳感器接口。與之對應(yīng)的，還有四類數(shù)據(jù)輸出接口，即虛擬參數(shù)輸出接口、磁驅(qū)單元陣列驅(qū)動(dòng)器接口、電動(dòng)壓力缸驅(qū)動(dòng)器接口和空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口。從而，形成了四組從輸入到輸出的基礎(chǔ)控制環(huán)節(jié)。這四組基礎(chǔ)控制環(huán)節(jié)雖有部分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，但在硬件上是基本獨(dú)立的，至少可以通過分布在整個(gè)行進(jìn)平臺(tái)上的四套SOC (片上系統(tǒng))予以完成。
[0090]圖11中，虛擬場景信息來自場景信息數(shù)據(jù)庫，由功能分配與距離方向等參數(shù)計(jì)算單元進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)，以及將距離方向數(shù)據(jù)通過虛擬參數(shù)輸出接口，無線傳至虛擬部分的數(shù)據(jù)采集與處理單元。
[0091]對于功能分配與距離方向計(jì)算單元而言，首先是要獲取三維場景的地形信息和機(jī)電系統(tǒng)中傳感器的讀數(shù)。虛擬系統(tǒng)中所采用的“行走道路”均由使用者自主選擇。然后，機(jī)電控制部分對這些參數(shù)進(jìn)行處理，按此規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的電磁環(huán)節(jié)。同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中兩個(gè)踏墊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，并產(chǎn)生用于場景漫游的反饋信號(hào)，發(fā)送給虛擬顯示軟件。進(jìn)而，形成與所遇到的車輛、行人、建筑等周邊交通環(huán)境的互動(dòng)參數(shù)，反饋至頭盔或眼鏡，以便使用者在高仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，獲得與實(shí)際狀態(tài)相近似的速度、方向等各種體驗(yàn)。
[0092]對于踏墊來說，無論處在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的哪個(gè)位置，其物理形狀不會(huì)改變，即占用的面積是固定的。盡管踏墊相對于X、Y軸的角度不同時(shí)，所覆蓋的位置探測與壓力傳感組件的數(shù)目也有增減，但變化不會(huì)太大。
[0093]紅外距離傳感器和氣浮壓力傳感器綜合為位置探測與壓力傳感組件16。行進(jìn)時(shí)雙腳和踏墊位置的檢測設(shè)備是紅外距離傳感器，且隨著磁驅(qū)單元一起布滿整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。此類器件可以很容易定向檢測到50cm之內(nèi)的物體，十分準(zhǔn)確。紅外距離傳感器檢測到的足部和踏墊運(yùn)行數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，由A/D陣列轉(zhuǎn)換單元、坐標(biāo)變換計(jì)算單元、踏墊位置計(jì)算單元共同形成踏墊位置數(shù)據(jù)。一旦某足離開踏墊移向別處，就會(huì)因?yàn)樾灼x了踏墊的位置而有了新的遮擋，從而又使另外一些與原先位置相鄰的位置探測與壓力傳感組件的狀態(tài)發(fā)生變化。
[0094]嵌入式分布控制系統(tǒng)只要重復(fù)掃描相應(yīng)的位置探測與壓力傳感組件，得其數(shù)目及數(shù)值，就可以核實(shí)該踏墊的具體位置以及負(fù)載情況。只要能夠?qū)崟r(shí)追蹤到這些變化，再經(jīng)后續(xù)的磁驅(qū)陣列驅(qū)動(dòng)器所進(jìn)行功率放大，便可驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的磁驅(qū)單元，使得相應(yīng)的踏墊一直通過電磁力的牽引而保持與該足運(yùn)動(dòng)的同步。
[0095]所以，當(dāng)一只腳向前邁進(jìn)時(shí)，相對應(yīng)的踏墊亦在實(shí)時(shí)跟進(jìn)。此時(shí)，后足則隨著正被蹬踩的踏墊，在嵌入式分布控制系統(tǒng)對相關(guān)磁驅(qū)單元的嚴(yán)格操控下，迅速完成適當(dāng)?shù)暮笠疲也荒艹霈F(xiàn)“滑脫”等失控現(xiàn)象。而當(dāng)前足落下時(shí)，正好又被跟進(jìn)的踏墊所承接。另一只踏墊的運(yùn)動(dòng)情況亦是如此。這樣，便可按照真實(shí)的行進(jìn)方式，完成始終處于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)范圍之內(nèi)的“步行”。不僅正常的行走，即便是一般的跑步，使用者的雙腳位置也同樣能夠得到準(zhǔn)確的探測和標(biāo)定。
[0096]當(dāng)使用者仍然位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上，而所有位置探測與壓力傳感組件的數(shù)據(jù)均不再變動(dòng)或僅有少許波動(dòng)、尚不至于引起踏墊的平移時(shí)，可能是出于兩種情況。一是雙腳穩(wěn)定站立于兩只踏墊上，處于靜立狀態(tài)；二是單足站立、另外一足懸空保持不動(dòng)。無論出現(xiàn)那種情況，均可認(rèn)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和踏墊是處在一個(gè)新的平衡點(diǎn)。
[0097]對于氣閥而言，一般均處于關(guān)閉狀態(tài)。只有被踏墊壓到滾珠、并且達(dá)到一定踩踏壓力后才被打開。此時(shí)噴出的高壓氣體全部用于氣浮軸承的形成。氣浮壓力傳感器檢測整個(gè)氣墊環(huán)節(jié)所需要的氣壓，進(jìn)行供氣優(yōu)化的計(jì)算。并且，可按照脈寬調(diào)制的方式，控制一個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)單元并通過相應(yīng)的接口控制整個(gè)系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)，使其能夠按照使用者的體重和運(yùn)動(dòng)方式等具體情況予以智能化的管理，調(diào)節(jié)供氣壓力以利于節(jié)省電力資源。
[0098]慣性元件傳感器鑲嵌于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的臺(tái)板04之內(nèi)，可以精確測定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在各個(gè)方向的傾斜程度。得到平臺(tái)傾側(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，可經(jīng)其接口送至平臺(tái)姿態(tài)判斷單元，與預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以做出某一時(shí)刻的平臺(tái)姿態(tài)判斷。進(jìn)而，通過反饋保證其姿態(tài)到位。同時(shí)，亦將其姿態(tài)數(shù)值在匹配算法計(jì)算單元中與下一刻的期望位置數(shù)值進(jìn)行匹配。其匹配的誤差在平臺(tái)控制計(jì)算單元中轉(zhuǎn)換為具體加電方式，通過電動(dòng)壓力缸的驅(qū)動(dòng)器接口進(jìn)行壓力缸的驅(qū)動(dòng)，調(diào)整平臺(tái)的傾斜程度。
[0099]由此，便可通過造成一種“地面”的傾斜，以形成使用者在行進(jìn)過程中所面臨之坡道的“坡度”?；蛘撸ㄟ^地面“傾斜”，以等效模擬使用者在“滑冰”或“輪滑”過程中，高速轉(zhuǎn)彎時(shí)身體需要向內(nèi)側(cè)傾斜的體驗(yàn)。鑒于平臺(tái)和踏墊之間的電磁吸附力量遠(yuǎn)大于當(dāng)平臺(tái)側(cè)傾時(shí)，承重踏墊所產(chǎn)生的側(cè)向分力，所以適度的傾斜并不會(huì)造成踏墊在蹬踩時(shí)出現(xiàn)“滑脫”的情況。就總體而言，傾側(cè)控制的難度和實(shí)時(shí)程度均遠(yuǎn)較對于踏墊運(yùn)動(dòng)的控制為低。
[0100]對應(yīng)于圖10和圖11所述嵌入式分布控制系統(tǒng)的各主要硬件環(huán)節(jié)，其軟件控制流程如圖12所示。按此，可以十分方便地進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)。對于本發(fā)明所述嵌入式分布控制系統(tǒng)而言，虛擬現(xiàn)實(shí)部分必須通過虛擬現(xiàn)實(shí)場景系統(tǒng)和多自由度行進(jìn)平臺(tái)中的嵌入式系統(tǒng)共同完成。
[0101]本發(fā)明按照數(shù)據(jù)庫中虛擬環(huán)境基本信息設(shè)定系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，并可通過慣性傳感環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)判斷運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傾側(cè)或水平情況。然后，與不同地形下應(yīng)有的坡度進(jìn)行比較，按其差值驅(qū)動(dòng)作動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傾角滿足使用者所在“道路”的坡度要求。同時(shí)，對使用者需要進(jìn)行包括運(yùn)動(dòng)的速度、方向等動(dòng)作信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。嵌入式分布控制系統(tǒng)把使用者所在位置的坐標(biāo)及視點(diǎn)信息等輸入場景漫游軟件，再由該軟件進(jìn)行對應(yīng)的場景顯示，并將下一步的“地面”參數(shù)回送控制系統(tǒng)。這樣，嵌入式分布控制系統(tǒng)可以據(jù)此完成新的動(dòng)作，協(xié)調(diào)虛擬和機(jī)電兩大部分，形成圖12所示的完整閉環(huán)過程控制過程。
[0102]應(yīng)該考慮到，在人體的奔走行進(jìn)過程中，尤其是雙手也處于較為激烈的動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，若想快速、正確地為虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)系統(tǒng)輸入所需信息，僅靠使用目前常見的鍵盤、鼠標(biāo)等類設(shè)備是難以奏效的，必須另尋他法。所以，圖10中的命令輸入單元和圖12中的外部指令控制環(huán)節(jié)均需要使用全新的方式完成。因此，本 申請人:的在先專利申請CN201410272210.6 “電子設(shè)備和用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置”，即可成為這種環(huán)境下最為方便、簡捷且相對精度較高的專用的命令和數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，與本發(fā)明配套使用。
[0103]為了向使用者提供道路、車輛、交通流、環(huán)境等交通虛擬場景，也可以通過傳統(tǒng)的多通道投影系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但這往往需要較大的場地空間與大量的拼裝屏幕以顯示相關(guān)內(nèi)容。然而，人的視野是有限的。即便是正常的雙目視力向前平視時(shí)，也只能看清大體限定在左右120°、上下90°范圍內(nèi)的景象。所以，并無必要裝配一個(gè)完整的360°全景顯示環(huán)境。
[0104]實(shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備28正是為此而做。其中顯示器顯示內(nèi)容能夠涵蓋虛擬全景中的當(dāng)前可視部分，而且其內(nèi)容又能隨著身體的顛簸和頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而能在大腦中產(chǎn)生與正常視覺基本一致的感受。這樣，無論是凝視或是掃描，雙目同樣可環(huán)視于整個(gè)“全景”范圍，其視覺信息的處理也相對更為容易，顯示效果可能也會(huì)更好。而且，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的占地面積、造價(jià)、功耗等諸多指標(biāo)大為降低。
[0105]嵌入式分布控制系統(tǒng)根據(jù)參與者輸入的選項(xiàng)，可以立即獲得所在場景、地形、位置和方向等基礎(chǔ)信息。進(jìn)而，生成使用者所應(yīng)該看到的相應(yīng)視頻信息，并同時(shí)通過臺(tái)板04的適度傾側(cè)，使得使用者得到相應(yīng)的道路坡度體驗(yàn)，以感受比較真實(shí)、猶如身臨其境般的立體視覺和聽覺，并使之產(chǎn)生具有沉浸感的綜合效果。特別是虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備所附帶的立體聲耳機(jī)，除了應(yīng)能提供較高質(zhì)量的音響效果和語音提示之外，還應(yīng)將系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)氣浮結(jié)構(gòu)等帶來的外界噪聲予以有效屏蔽。另外，所述顯示器還可以配套使用本發(fā)明人先前申請的發(fā)明專利CN201410524713.8 “基于偏振定向和組合定位的智能復(fù)合眼鏡”。
[0106]如前所述，本發(fā)明中的嵌入式分布控制系統(tǒng)可以針對某一特定行進(jìn)路線，獲取全部相關(guān)地形、并且是完全連續(xù)的三維場景信息，以便使用者能夠得到真實(shí)的視覺體驗(yàn)和足夠的運(yùn)動(dòng)感受，以及在該路線的任何一個(gè)點(diǎn)上，都能獲得與場景顯示和坡度控制等相關(guān)的所有參數(shù)。視覺場景必須對參與者的各種控制動(dòng)作做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，包括前進(jìn)速度、方向等。進(jìn)而，同步顯示地形信息，并將傾側(cè)參數(shù)輸出給機(jī)電系統(tǒng)，再傳送至作動(dòng)器予以執(zhí)行。
[0107]對于道路坡度的模擬較為簡單，作動(dòng)器可以按照參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坡度以供使用者體驗(yàn)。此時(shí)，虛擬環(huán)境的“地平面”始終保持水平即可。然而，模擬滑行時(shí)情況則不相同。在轉(zhuǎn)彎時(shí)人體必須向彎道內(nèi)側(cè)適度傾斜以獲得足夠的向心力。鑒于雙目視覺的平面往往是感覺上的“水平面”，所以身體傾斜時(shí)反而像是見到的所有景物都“傾斜”了。因此，在模擬身體側(cè)傾時(shí)，必須結(jié)合使用者在該時(shí)刻的轉(zhuǎn)彎半徑和速度，準(zhǔn)確計(jì)算其所需向心力對應(yīng)的具體傾角。從而，既要使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的物理平面按此偏轉(zhuǎn)，又需使虛擬環(huán)境中的地平面與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保持一致，即從空間角度同步顯示與作動(dòng)器所執(zhí)行的完全相同的側(cè)傾角度。
[0108]一般而言，目前的三維虛擬圖像系統(tǒng)均由場景數(shù)據(jù)庫、控制模塊、3D渲染模塊和顯示模塊等構(gòu)成。虛擬游戲或訓(xùn)練環(huán)境的輸入則多是使用鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿、方向盤等類似設(shè)備完成，以形成有效的互動(dòng)。而本發(fā)明卻能真正使用行走方式，進(jìn)行真實(shí)運(yùn)動(dòng)與虛擬場景的“無縫”交互。因此，通過行進(jìn)時(shí)所選擇的道路和行走距離，并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的虛擬場景，便可實(shí)現(xiàn)“徒步”方式、以某個(gè)“景點(diǎn)”為中心并可“全向”展開的“旅游”。如需更換運(yùn)動(dòng)的“場地”或“環(huán)境”，則只需添加相應(yīng)的地域數(shù)據(jù)庫內(nèi)容或調(diào)整軟件模塊即可。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，其特征是，包括有: 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是在底座上通過平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器支撐連接有臺(tái)板，在所述臺(tái)板上設(shè)置有角度傳感器；在所述臺(tái)板上布設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)踏墊移動(dòng)的磁驅(qū)單元陣列，所述磁驅(qū)單元陣列是由多個(gè)磁驅(qū)單元排布組合而成；所述磁驅(qū)單元是在殼體中設(shè)置有直立的鐵芯和圍繞所述鐵芯的線圈繞組；在所述磁驅(qū)單元陣列中的所述磁驅(qū)單元之間的間隙中設(shè)置有若干氣閥和若干位置探測與壓力傳感組件；所述氣閥呈陣列排布，并與設(shè)置在磁驅(qū)單元陣列上的踏墊一道構(gòu)成減少踏墊運(yùn)動(dòng)摩擦的氣浮軸承；所述位置探測與壓力傳感組件組成位置傳感器陣列，用于探測踏墊和使用者的雙足在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的位置及運(yùn)動(dòng)變化情況； 空壓機(jī)，通過氣路與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的所述氣閥相接，提供氣浮軸承的工作用氣； 踏墊，放置在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的所述磁驅(qū)單元陣列上，用于承載使用者的足部并在所述磁驅(qū)單元的驅(qū)動(dòng)下，在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上靜止或移動(dòng)； 虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)備，為佩戴式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)顯示器、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，用于向佩戴者展示其所選定的虛擬現(xiàn)實(shí)場景和隨運(yùn)動(dòng)過程所觀測到的變化場景；以及 嵌入式分布控制系統(tǒng)，包括虛擬場景選擇顯示與虛擬參數(shù)輸出系統(tǒng)、通過測距實(shí)現(xiàn)的步態(tài)追蹤系統(tǒng)、通過磁驅(qū)單元陣列實(shí)現(xiàn)的踏墊伺服系統(tǒng)、通過慣性元件實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)傾角調(diào)整系統(tǒng)、通過平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的坡度控制系統(tǒng)以及通過氣浮壓力測量和空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；所述嵌入式分布控制系統(tǒng)用于采集傳感器數(shù)據(jù)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)隨場景變化所對應(yīng)的姿態(tài)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁場變換，以實(shí)現(xiàn)對踏墊的驅(qū)動(dòng)，控制虛擬交通場景和音響效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，其特征是，所述氣閥是在管體中裝有彈簧，在所述管體的上口處設(shè)置有滾珠，在所述管體的底部設(shè)有注氣嘴，所述注氣嘴通過供氣管路與所述空壓機(jī)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，其特征是，所述踏墊是在一塊板狀永磁體的中間設(shè)置有隔磁條帶，在所述永磁體的頂面和周邊包覆有隔磁罩。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，其特征是，所述平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器是由所述臺(tái)板以及套接在所述臺(tái)板外圍的萬向架外框組成二自由度的萬向架支撐結(jié)構(gòu)，在所述底座上設(shè)置有兩個(gè)壓力缸，一個(gè)用于控制所述臺(tái)板相對于所述萬向架外框的傾側(cè)角度，另一個(gè)用于控制所述萬向架外框圍繞支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式多自由度虛擬漫游行進(jìn)平臺(tái)，其特征是，所述平臺(tái)傾側(cè)作動(dòng)器為六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，是在所述底座與所述臺(tái)板之間設(shè)置有六個(gè)壓力缸，六個(gè)所述壓力缸的缸體兩兩一組連接在在所述底座的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)置的平臺(tái)球鉸上；相鄰兩組的兩個(gè)所述壓力缸的活塞分成一組，共接在所述臺(tái)板底面的一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)之一處的平臺(tái)球鉸上；所述底座上的等邊三角形與所述臺(tái)板底面上的等邊三角形的頂角位置相反。
【文檔編號(hào)】A63B22/00GK104461018SQ201410853710
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】原碩朋 申請人:原碩朋