CN103904953A - 一种全方向自由移动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全方向自由移动装置。由一个为空心圆球形的运动体密封包裹住一个外表面紧密排列有多个万向球，且空腔内固定有永磁体组，且开口向下的圆盆形的基座构成的可以允许使用者站立和移动的运动台，在磁铁间同性磁极相互排斥的斥力作用下运动台磁悬浮于空中，被无接触的托起，在动力单元的驱动下实现运动体的移动配合使用者的移动，实现使用者在运动台上可以进行全方向的自由的原地移动，同时指示一个与使用者在现实空间中的位置和移动相对应的虚拟现实的位置和移动，最终实现使用者只在原地移动，而在虚拟现实中却是在无限的空间里移动。

Description

一种全方向自由移动装置

技术领域

本发明涉及一种实现使用者在原地进行全方向自由移动的装置，具体涉及一种适用于虚拟现实中全方位的自由移动的装置。 

背景技术

虚拟现实是是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟现实，在虚拟现实中可以模拟人在无限空间里全方位的自由移动，但实际上使用者只能在有限制的实际空间里移动，所以使用者不能真正的如同虚拟现实中人的全方位的自由移动。为了解决这个难题，出现了一种转动大球装置，这种装置主要采用一个可以在支架上自由旋转的封闭空心大球，使用者进入球内部，在球内表面完成行走、转向等动作。这种形式存在的不足主要表现在：球的体积非常大，一般直径是人身高的两倍，占有的空间会非常大，这就与有限的空间要求不相符，而其制作成本较高，使用方便性不理想，这些缺点导致了其只有很小的应用范围。 

发明内容

本发明的目的是提供一种全方向自由移动装置，可以让使用者在有限的现实空间里进行无限的全方向自由移动，并满足结构简单、体积小、运动自由顺畅、制作难度小、成本低、应用广泛的要求，而且还要适用于使用者在虚拟现实中全方位的自由移动。 

为了实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：应用磁铁磁极同性相斥、异性相吸原理的磁悬浮技术，使用滚动灵活，具有较好滑动能力的万向球和传感器检测装置。 

运动台，由一个为空心圆球体的运动体，密封包裹住一个外表面紧密排列有多个万向球，且空腔内固定有永磁体组，且开口向下的圆盆形的基座构成，运动台的外形如横向放置的椭球体，其中构成运动台的平直上面为使用者站立和移动的区域，运动体可以在万向球的滑动下以万向球和基座为中心向所有方向移动。 

运动台置于固定于机座的悬浮基磁铁组的上方，悬浮基磁铁组与构成运动台的永磁体组同性磁极相对，从而产生斥力型磁悬浮力，使运动台磁悬浮于悬浮基磁铁组之上，形成运动台被无接触的托起。在机盖的限位下，运动台悬浮于机座和机盖之间，固定于机盖的位置传感器捕捉使用者的位置信息，并发送至控制器，由控制器进行接收和处理，控制器根据对位置信息的处理，控制电流变换器输出给动力单元的电流强度、方向、持续时间，从而控制动力单元驱动运动体的移动来配合使用者的运动，并产生指示与使用者在现实空间中的位置和移动相对应的虚拟现实的位置和移动。 

本发明的有益效果是，使用者可以轻松、自由的在原地进行全方向的移动，如日常生活中的自然的走、跑、停、转向、拐弯、侧向移动，并且使用者的位置和移动在虚拟现实中也会有相对应的位置和移动，可广泛应用于虚拟漫游、游戏等仿真领域，可以应用于教育培训、健身运动和休闲娱乐。 

附图说明

    下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

    图1 是全方向自由移动装置的立体透视剖视图 

图2 是全方向自由移动装置的第一个实施例的纵截面结构图

图3 是全方向自由移动装置的第二个实施例的纵截面结构图

图4是脚座万向球的纵截面结构图

图5是腰座万向球的纵截面结构图

图中 1.运动体，2.万向球，3.基座，4.永磁体组，5.基座支柱，6.基座盖，7. 定向永磁体，8.盖体，9. 纵向间隙传感器，10. 横向间隙传感器，11.位置传感器，12.牵引磁铁组，13.万向球，14.悬浮基磁铁组，15.支架，16.传动轮，17.束缚管，18.支撑弹簧，19.转向电机，20.移动电机，21.隔离管，22.机座，23.控制器，24.电流变换器，30.脚座，31.滚珠，32.腰座，33.滚珠。

  

具体实施方案

在图1至图3中，全方向自由移动装置由：运动台、机座22、悬浮基磁铁组14、动力单元、隔离管21、机盖、控制器23、电流变换器24构成。运动台是由：运动体1、万向球2、基座3、永磁体组4、基座支柱5、基座盖6、定向永磁体7构成；动力单元，由支架15、传动轮16、束缚管17、支撑弹簧18、转向电机19、移动电机 20构成；机盖，由盖体8、纵向间隙传感器9、横向间隙传感器10、位置传感器11、牵引磁铁组12、万向球13构成。 

在图1、图2所示第一实施例中，运动台的结构是：运动体1包裹着表面紧密排列固定有万向球2的基座3和基座支柱5，其中基座3空腔内固定有永磁体组4、定向永磁体7。 

运动体1，是一个球形的空心体，由具有一定弹性和柔性的，且耐磨的材料制成，而且为了避免被磁铁吸引而造成的运动阻力的增加，制造材料必需再满足不被磁铁吸引、不具有磁性、不被磁化的特点，材料可以是：橡胶、硅胶、树脂或硅胶和树脂的合成。运动体1的外表面为非光滑的面，是粗糙的或是有凹凸的，这有利于增大运动体1与动力单元的传动轮16之间的接触摩擦力，并提高传动轮16对运动体1的驱动效率，有效保证传动轮16的驱动与运动体的移动同步。运动体1的内表面为光滑的面，是为了将运动体1与万向球2之间的接触摩擦阻力降到最低。 

基座3，是运动台形成的支撑体，所以其制造材料应该具有可塑性、坚固性 

的特点，为了降低基座3的重量，为了避免基座3被磁铁吸引，而产生与运动台的磁悬浮相抵触的力量，基座3应由不被磁铁吸引、不具有磁性、不被磁化的塑料、铝、钛合金或含铝的合金材料制成。俯视基座3，其形为圆形，纵截面形如开口向下的大写字母“C”，整个外形如一个倒扣的盆体，这样的结构有利处在于其平直的顶部可以让使用者站立和运动，同时可以实现将永磁体组4、定向永磁体7、基座支柱5固定于基座3空腔内。

万向球2，是对运动体1的移动起滑动作用的，降低运动体1在移动时的摩擦阻力。为了避免被周围的磁铁吸引而造成的摩擦阻力的增加，万向球2的制造材料为不被磁铁吸引、不具有磁性、不被磁化的碳纤维、钛合金、铝或含铝的合金材料，其中万向球2的滚珠还可以是由碳纤维、钛合金、尼龙、陶瓷、玻璃材料制成。因为在本实施例中万向球2是要固定于基座3外表面和基座支柱5底面，所以选用了脚座万向球，如图4所示，脚座万向球含有脚座30和滚珠31，其滚珠31只能有一部分裸露在脚座30外，其只能与一个物体滑动接触。通过脚座将万向球2固定于基座3外表面和基座支柱5的底面的。因为每个万向球2的高度是一样的，所以其排列的外形与基座3和基座支柱5支撑的外形一样，呈椭球形，在运动体1的包裹下就形成了一个椭球体。万向球2是公知的，具有很好的滑动性，其滚珠可以向所有方向转动，可以有效的减少与其它物体之间的接触摩擦力，起到很好的滑动作用，而且运动体1的内表面是光滑的，所以两者之间的接触摩擦力很少，运动体1可以在万向球2的滑动下保持椭球形向所有方向自由的移动。 

永磁体组4，是实现整个运动台悬浮的基本部件，其可以是一块永磁体或多块永磁体组成，永磁体组4的外形不受限制。永磁体组4固定于基座3空腔的内壁。永磁体就是能够长期保持其磁性的磁体，如天然磁石（磁铁矿）和人造磁钢（铁镍钴磁钢）和钕铁硼磁铁。 

基座支柱5，制造材料与基座3的相同，其对基座3起到一个支撑的作用，其置入永磁体组4的中间空间，并垂直居中固定在基座3空腔的内壁上方。 

定向永磁体7，是电磁铁或永磁体，其作用是与牵引磁铁组12之间的吸引力和排斥力共同作用于基座3磁悬浮的位置的稳定。固定于基座3的空腔内四周。 

悬浮基磁铁组14，固定于机座22，是由多块电磁铁或永磁体组成，也可以是超导体、高温超导体，但由于后两种磁体的应用成本过高、实现难度高，所以本实施例优选了电磁铁，优选电磁铁的原因是：电磁铁的磁力大小和有无都可以通过控制电流的强弱和有无来实现。电磁铁可以为柱形或环形，电磁铁呈四周围绕排列或者说是呈环形排列，并且电磁铁环形排列的内环要保留可以放置动力单元和隔离管21的空间，并且电磁铁也就是悬浮基磁铁组14与永磁体4为同性磁极相对。当为悬浮基磁铁组14的电磁铁接入足够强的电流后，将运动台置于悬浮基磁铁组14的上方，此时运动台会悬浮于悬浮基磁铁组14的上方。这里需要对运动台的悬浮进行特别的说明，悬浮基磁铁组14与置于其上方的构成运动台的永磁体组4为同性磁极相对，由于磁铁具有磁极同性相斥、异性相吸的特点，所以悬浮基磁铁组14在足够强的电流作用下产生足够强的磁力与永磁体组4之间形成足够强的磁斥力型磁悬浮，使整个运动台磁悬浮于悬浮基磁铁组14的上方，运动台被无接触的托起。隔离管21，居中置入悬浮基磁铁组14的中间空间，并固定于机座22。是对运动台超限下落时的保护，如悬浮中运动台的载重超过磁悬浮最大的负重量或断电，运动台出现磁悬浮高度不够或突然下落，导致存在运动体1被损坏的风险。隔离管21还起到隔磁的作用，隔断悬浮基磁铁组14的磁场对转向电机19和移动电机20的运行产生干扰。 

动力单元是由：支架15、传动轮16、束缚管17、支撑弹簧18、转向电机19、移动电机20组成，动力单元的作用是为运动体1的移动提供动力；结构特点是：束缚管17居中置入隔离管21的中间空间，并固定于机座22，支撑弹簧18和转向电机19依次置入束缚管17，支架15与转向电机19连接，在支架15上固定移动电机20，传动轮16与移动电机20连接；从结构上看转向电机19支撑起支架15、移动电机20、传动轮16，而转向电机19又是被支撑弹簧18所支撑。在束缚管17的束缚下，支撑弹簧18支撑着转向电机19上下位置的变化，最终实现在支撑弹簧18的支撑下，传动轮16始终与磁悬浮中的运动台的运动体1接触。其中转向电机19驱动支架15转动，支架15带动移动电机20和传动轮16改变方向，实现改变驱动运动体1的移动方向。移动电机20驱动传动轮16转动，实现驱动运动体1在当前方向上的移动。 

机盖是由：盖体8、纵向间隙传感器9、横向间隙传感器10、位置传感器11、牵引磁铁组12、万向球13构成；盖体8的外形为环形，由不被磁铁吸引、不具有磁性、不被磁化的塑料、碳纤维、钛合金、铝或含铝的合金材料制造，其固定于机座22的顶部，运动台被包含在机盖与机座22之间的空间。盖体8的环形口直径小于运动台的直径，使得盖体8对运动台的边缘进行了遮挡。机盖的主要作用是限制磁悬浮中的运动台的纵向和横向位置，其中纵向间隙传感器9固定于盖体8内顶部，探测头向下，与运动台的顶面相对，其作用是实时监测磁悬浮中的运动台与机盖之间的纵向间距，并将监测到的实时纵向间距信息发送给固定于机座22的控制器23；其中横向间隙传感器10固定于盖体8内顶部，探测头指向运动台的侧面，其作用是实时监测磁悬浮中的运动台与机盖之间的横向间距，并将监测到的实时横向间距信息发送给固定于机座22的控制器23；位置传感器11是红外线传感器，包括红外线发射管、红外线接收管和转换电路，在置有转换电路的电路板上排布红外发射管和红外接收管，四个电路板分别固定于盖体8内顶部四边，在X、Y方向上一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵覆盖整个盖体8中间环形口，用于检测并定位使用者脚的位置，当使用者脚放在运动台上时，脚就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出脚在运动台上的新位置，并将捕捉的位置信息发送给控制器23。但需要注意的是：位置传感器11的固定位置必须保证避免被其它部件遮挡，而且红外线矩阵还应保持在运动台允许最高的悬浮位置上方，保证红外线矩阵始终位于运动台的上方；牵引磁铁组12由多块电磁铁或永磁体组成，其与定向永磁体7之间的吸引力和排斥力共同作用于基座3磁悬浮的位置的稳定和纠正，同时避免基座3出现自转；万向球13是脚座万向球，其绕正常悬浮中的运动台的侧面中线排列固定于盖体8内的，与远动台的侧面保持一定的距离，这个距离就是悬浮中的运动台最大的横向偏移距离，万向球13是对悬浮中的运动台的横向位置的强制限制，对运动台又有保护作用。 

位置传感器11，是红外线传感器或激光传感器，是实时监测运动台上使用者脚的位置，并将监测的实时位置信息传送给控制器23。本实施例中，选用了红外线传感器作了说明，其实激光传感器的应用与红外线传感器的应用相同，激光传感器是由激光器、激光检测器、测量电路组成，而且其抗光和抗电抗干扰能力更能。 

控制器23，是接收和处理各传感器传送的监测信息，并根据相应的处理结果来控制电流变换器24工作。其中接收和处理纵向间隙传感器9对运动台磁悬浮时与盖体8的实时距离信息，根据初设的距离数值与实际距离数值进行对比处理，依照处理结果控制电流变换器24输出给悬浮基磁铁组11的电流强度，实现控制运动台的磁悬浮高度保持稳定；接收和处理横向间隙传感器10对运动台磁悬浮时的实时横向位置信息，就是运动台与相应位置的横向间隙传感器10之间的距离信息，控制器23根据初设的距离数值与实际距离数值进行对比处理，依照处理结果控制电流变换器24输出给牵引磁铁组12的电流强度，实现控制运动台的横向磁悬浮位置保持稳定，最终实现运动台稳定的悬浮, 并且运动台与机盖和悬浮基磁铁组14间均有非接触空间；接收和处理位置传感器11传送的使用者脚的位置信息，根据使用者脚的前后两次位置，分析出使用者移动的方向和移动的距离，然后控制电流变换器24输出给动力单元的转向电机19、移动电机20的电流强度、方向、持续时间，来控制传动轮16驱动运动体1在使用者移动方向的相反方向上移动，从而实现使用者可以在原地进行全方向自由的移动。同时产生指示与使用者在现实空间中的位置和移动相对应的虚拟现实的位置和移动，使用者只在原地移动，而在虚拟现实中却可以在无限的空间里移动。 

图3所示的第二实施例与第一实施例区别在于：运动台的构成和结构上的 不同。而除运动台以外的其它部件的结构、特点、功能、装配及固定方式都与第一实施例相同，并且在第一实例中对部件制造材料的要求与说明在本实施例中同样适用。 

在本实施例中，运动台由：运动体1、万向球2、基座3、永磁体组4、基座支柱5、基座盖6、定向永磁铁7构成；运动台的结构是：基座盖6固定于基座3的底部开口，使外形如倒置的圆盆形的基座3形成一个封闭的椭球体，在封闭的基座3内永磁体组4和基座支柱5居中固定于基座3的内壁顶部，永磁体组4和基座支柱5的高度与封闭的基座3内腔高度相同，其中基座支柱5对封闭的基座3起到支撑作用。基座3空腔内固定有定向永磁体7。在本实施例中的万向球2是腰座万向球，如图5所示，其含有腰座32和滚珠33，其滚珠33有两个相对的部位裸露，可以同时与两个物体滑动接触，可以让两个与其接触的物体同时向两个相反的方向滑动。在本实施例中应用了腰座万向球，可以进一步降低运动体1在移动时受到的摩擦阻力。多个万向球2连接在一起，形成一个封闭的球形网，而球形网的网孔大小由万向球2之间的距离坚定。形成的球形网包裹在封闭的基座3的表面，与基座3和基座盖6之间滑动接触，此时球形网的外形与封闭的基座3的外形相同，为椭球形，球形网可以沿着封闭的基座3的外形向所有方向自由移动。运动体1包裹在球形网的外表面，构成运动台，运动台的外形保持封闭的基座3的外形，为椭球形。运动体1可以在万向球2的滑动下沿着运动台的外形向所有方向自由移动。 

工作原理：椭球体形的运动台，其平直的顶部是使用者站立和移动的区域，球形空心体的运动体1可以在万向球2的滑动下沿着运动台的椭球体外形向所有方向自由移动。运动台置于固定于机座22的悬浮基磁铁组14的上方，此时构成运动台的永磁体组4与悬浮基磁铁组14为同性磁极相对，在永磁体组4与悬浮基磁铁组14之间产生同性相斥的斥力作用下，运动台磁悬浮于悬浮基磁铁组14的上方，运动台被无接触的托起。运动台在机盖的限位下，始终稳定的悬浮与机盖和悬浮基磁铁组14之间，使运动体1只与万向球2之间有接触摩擦，加之万向球2滚动灵活，使得运动体1可以在万向球2的滑动下向所有方向自由移动。虽然运动体1的移动可以很轻松平滑，但当使用者站立其上时，使用者的体重就会增大运动体1与万向球2接触面的压力，而使用者正常移动时产生的对运动体1的推动力可能无法让运动体1轻松移动甚至是无法移动，所以还需要一个额外动力来辅助运动体1的移动，这是运动力单元存在的必要性。当运动台上使用者发生移动后，位于运动台上方的由位置传感器11排列构成的横竖交叉的红外线矩阵感应区便会捕捉和识别出使用者脚的位置，并将位置信息传送给控制器23，由控制器23根据对位置信息的处理结果来控制电流变换器24输出给动力单元的电流强度、方向、持续时间，来控制转向电机19、移动电机20的工作状态，并通过传动轮16驱动运动体1以指定的速度向指定的方向进行指定的距离移动，从而最终实现使用者在运动台上可以进行全方向自由的原地移动，如日常生活中的自然的走、跑、停、转向、拐弯、侧向移动，并且控制器23同时产生指示与使用者在现实空间中的位置和移动相对应的虚拟现实的位置和移动，最终实现使用者只在原地移动，而在虚拟现实中却是在无限的空间里移动。 

Claims (13)

1.一种全方向自由移动装置，特征在于，其由：运动台、机座(22)、悬浮基磁铁(14)、动力单元、隔离管(21)、机盖、控制器(23)、电流变换器(24)构成。

2.如权利要求1所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的运动台由：一个为空心圆球体的运动体(1)，密封包裹住一个外表面紧密排列有多个万向球(2)，且空腔内固定有永磁体组(4)，且开口向下的圆盆形的基座(3)构成，运动台的外形为椭球形。

3.如权利要求1所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的动力单元由：支架(15)、传动轮(16)、束缚管(17)、支撑弹簧(18)、转向电机(19)、移动电机(20)构成。

4.如权利要求1所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的机盖由：盖体(8)、纵向间隙传感器(9)、横向间隙传感器(10)、位置传感器(11)、牵引磁铁组(12)、万向球(13)构成。

5.如权利要求1和2所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的运动台包括永磁体组(4)。

6.如权利要求1、2、5所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的运动台的构件运动体(1)可以在万向球(2)的滑动下以基座(3)为中心向所有方向移动。

7.如权利要求1、2、5、6所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的运动台是磁悬浮的。

8.如权利要求2、6所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的运动体(1)是圆球形的空心体。

9.如权利要求1所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的悬浮基磁铁组(14)由多块电磁铁或多块永磁体组成，或所述的悬浮基磁铁组(14)由电磁铁和永磁体混合组成。

10.如权利要求3所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的传动轮(16)在所述的支撑弹簧(18)的支撑下与所述的运动体(1)始终保持接触摩擦。

11.如权利要求4所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，位置传感器(11)监测使用者的脚部运动。

12.如权利要求4所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的位置传感器(11)为红外线传感器或激光传感器。

13.如权利要求4和15所述的一种全方向自由移动装置，其特征在于，所述的位置传感器(11)在所述运动台的上方构成栅格形感应区。

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