CN104014127B - 电子游戏用旋转升降模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电子游戏用旋转升降模拟器，包括旋转升降机构、传感安全带、具有无线接收模块的第一处理器、无线数据发射装置、PC机和电源连接器；旋转升降机构与传感安全带连接，传感安全带与无线数据发射装置连接，无线数据发射装置与具有无线接收模块的第一处理器连接，具有无线接收模块的第一处理器与PC机连接。传感安全带与旋转升降机构配合，在保证人体动作的安全性的同时，对人体动作的束缚更小，除实现地面动作还可实现空中动作；传感安全带适合于各种人群；减少设备冗余，控制成本；外框架可以吊于屋顶或支架，提高适应性；本发明结合VR眼镜或微软Kinect配件，玩家能够在现实中360°地控制游戏角色各种动作，在虚拟世界中做出对现实反应的真实模拟，且效果更逼真。

Description

电子游戏用旋转升降模拟器

技术领域

本发明属于电子游戏机领域，尤其是涉及电子游戏用旋转升降模拟器。

背景技术

现有的Virtuix公司的Virtuix Omni游戏操控设备的硬件结构为了保护人的身体在游戏时不会摔倒，会在人体的腰部设置一个护圈，使人处于护圈内，这样人就只能在护圈内完成各种游戏动作，所以对人体的运动具有相当的局限性，比如腾空、对抗类动作等不能实现，如何设计一种对人体动作限制性更小的游戏用操控设备成为本领域技术人员研究的课题。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种在保证安全的同时对人体动作束缚性更小的电子游戏用旋转升降模拟器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电子游戏用旋转升降模拟器，包括旋转升降机构、传感安全带、具有无线接收模块的第一处理器、无线数据发射装置、PC机和为各部分提供电源的电源连接器；所述旋转升降机构与所述传感安全带连接，所述传感安全带与所述无线数据发射装置连接，所述无线数据发射装置将数据传送给所述具有无线接收模块的第一处理器和旋转升降机构，所述具有无线接收模块的第一处理器与所述PC机连接。

所述旋转升降机构包括外框架、圆盘，所述外框架的底部设有圆弧导轨，所述圆盘上设有三个钢丝线轴、齿轮减速圆盘旋转电机、电流分配器、第二处理器、无线数据接收器合驱动三个钢丝线轴上的钢丝升降的齿轮减速钢丝升降电机组，所述圆盘的中部固设有一轴，所述轴的一端与所述圆盘垂直连接，所述轴的另一端设有轴承，所述轴承固定在所述外框架的顶部，所述轴承下方的轴上套设有一可自动收线的电线绕线器，所述电线绕线器与电源连接器连接，通过电流分配器为钢丝升降电机组、圆盘旋转电机、第二处理器和无线数据接收器供电，所述圆盘上以所述轴为中心均匀设有三个出线孔，所述三个钢丝线轴上的钢丝分别穿出所述三个出线孔，所述齿轮减速圆盘旋转电机与所述圆弧导轨上的滑动装置连接，所述圆盘通过所述轴架设于所述圆弧导轨内，所述无线数据接收器分别与所述无线数据发射装置和所述第二处理器连接。

所述传感安全带包括安全带，所述安全带包括依次顺序连接的头部绑带、肩部绑带、胸部绑带、腰部绑带和大腿根部绑带，所述肩部绑带向两侧分别向下延伸依次顺序设有上臂绑带、下臂绑带和手部绑带，所述大腿根部绑带分别向下延伸依次顺序设有大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带，各绑带上均设有串联连接的MEMS惯性传感器，腰部绑带和大腿根部绑带中间以及两个所述肩部绑带分别与三个钢丝线轴连接。

所述无线数据发射装置设于所述腰部绑带上。

所述传感安全带为可调节绑带。

所述外框架固定于建筑物的内顶部。

所述外框架固定于一支架上。

所述支架的高度可调节。

所述圆弧导轨为90度、180度或360度导轨。

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明的传感安全带与旋转升降机构配合，在保证人体动作的安全性的同时，对人体动作的束缚更小，不仅可以实现360度的地面动作，同时还可以实现腾空、俯冲、前倾等空中动作；传感安全带的可调节设计，适合于各种体态的人群；安全带，在减少设备冗余性的同时，有效控制了设备成本；外框架可以吊装于室内屋顶或支架上，提高设备使用时的适应性；本发明结合可选的VR眼镜(Oculus Rift)或微软的Kinect配件，玩家能够在现实中360°地控制游戏角色的地面动作和空中动作，在虚拟世界中做出对现实反应的真实模拟，且效果更逼真。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明传感安全带的结构示意图；

图3是本发明外框架与圆盘配合的结构示意图；

图4是本发明沿图3外框架底部的横向剖视图；

图5是本发明的传感器的人体正面位置示意图；

图6是本发明的传感器的人体背面位置示意图。

图中：

1、旋转升降机构，2、电源连接器，3、具有无线接收模块的第一处理器，4、PC机，5、钢丝，6、外框架，7、绕线器，8、轴，9、圆盘，10、14、18、钢丝升降电机组，11、钢丝线轴，12、圆盘旋转电机，13、圆弧导轨，15、电流分配器，16、第二处理器，17、无线数据接收器，19-35、传感器，36、传感安全带，37、无线数据发射装置，38、轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细介绍，如图1-6所示，

一种电子游戏用旋转升降模拟器，包括旋转升降机构1、传感安全带36、具有无线接收模块的第一处理器3、无线数据发射装置37、PC机4和为各部分提供电源的电源连接器2；所述旋转升降机构1与所述传感安全带36连接，所述传感安全带36与所述无线数据发射装置37连接，所述无线数据发射装置37将数据传送给所述具有无线接收模块的第一处理器3和旋转升降机构1，所述具有无线接收模块的第一处理器3与所述PC机4连接。

进一步，本实施例中，旋转升降机构1包括外框架6、圆盘9，所述外框架6的底部设有圆弧导轨13，所述圆盘9上设有三个钢丝线轴11、齿轮减速圆盘旋转电机12、电流分配器15、第二处理器16、无线数据接收器17和驱动三个钢丝线轴11上的钢丝5升降的齿轮减速钢丝升降电机组10、14、18，所述圆盘9的中部固设有一轴8，所述轴8的一端与所述圆盘9垂直连接，所述轴8的另一端设有轴承38，所述轴承38固定在所述外框架6的顶部，所述轴承38下方的轴8上套设有一可自动收线的电线绕线器7，所述电线绕线器7与电源连接器2连接，通过电流分配器15为钢丝升降电机组10、14、18、圆盘旋转电机12、第二处理器16和无线数据接收器17供电，所述圆盘9上以所述轴8为中心均匀设有三个出线孔，所述三个钢丝线轴11上的钢丝5分别穿出所述三个出线孔，所述齿轮减速圆盘旋转电机12与所述圆弧导轨13上的滑动装置连接，所述圆盘9通过所述轴8架设于所述圆弧导轨13内，所述无线数据接收器17分别与所属无线数据发射装置37和所述第二处理器16连接。

进一步，所述传感安全带36包括安全带，所述安全带包括依次顺序连接的头部绑带、肩部绑带、胸部绑带、腰部绑带和大腿根部绑带，所述肩部绑带向两侧分别向下延伸依次顺序设有上臂绑带、下臂绑带和手部绑带，所述大腿根部绑带分别向下延伸依次顺序设有大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带，各绑带上均设有串联连接的MEMS惯性传感器19-35，腰部绑带和大腿根部绑带中间以及两个所述肩部绑带分别与三个钢丝线轴11连接。

进一步，所述无线数据发射装置37设于所述腰部绑带上。

进一步，为适应不同体态人群，所述传感安全带36为可调节绑带。

进一步，所述外框架6可以固定于建筑物的内顶部；也可以固定于一支架上。

进一步，支架的高度可调节。满足不同高度的需要。

进一步，所述圆弧导轨13为90度、180度或360度导轨。

工作原理：利用传感安全带36分布于关节两端的惯性传感器19-35获取原始运动传感器19-35(陀螺仪/加速度/磁场计)的运动信息，依靠人体生物力学模型及传感器19-35融合算法后得到人体关节的动力学参数(位移、速度、加速度、转动速率、转动角度)，传感器19-35所得的信息通过无线数据发射装置37传送给具有无线接收模块的第一处理器3，经融合修正处理后输出参数，传送给PC机4，驱动现有软件内自带的国际标准23段人体骨骼模型，从而实现实时的三维可视化数据显示。该设备与头戴式眼镜显示器配合还可以将捕捉人体动作转换成数据传输并实时显示在头戴式眼镜显示器上，头戴式眼镜显示器，在带上它之后，使用者将看到的是另一个虚拟的世界，让玩家可以通过肢体动作控制游戏角色的移动动作。搭配头戴3D眼镜显示器时，将能提供第一人称视点游戏前所未见的逼真体感效果，为了防止意外事故，同时给予受试者完成飞、腾、前倾等空中动作的能力，本发明提供了一款旋转升降机构1，所有的动作采集均在旋转升降机构1上完成。

通过旋转升降机构1(如图1所示)通过具有收线功能的电线绕线器7与电源连接器2连接。给旋转升降机构1整体供电。在通过与钢丝5连接的传感安全带36感应人体动作，并收集动作数据，通过无线数据发射装置37传输到内置旋转升降机构1里的无线数据接收器17，然后传给第二处理器16控制电流分配器15，再控制圆盘9上的圆盘9旋转电机12(采用双向齿轮减速电机)带动圆盘9沿着圆弧导轨13旋转，并且控制圆盘9上的钢丝升降电机组10、14、18(双向齿轮减速电机)带动钢丝轴8实现钢丝5升降。

钢丝升降电机组中的3台电机分别控制三根钢丝5绳的升降长度。圆盘9中间的轴承38顶端设计有旋转供电装置(绕线器7)，当圆盘9旋转时仍可为圆盘9上的所有设备供电。电机启停及转速通过数据处理器(第二处理器16控制)。

然后由圆盘9穿出的三根升降钢丝5通过挂钩，分别扣于传感器19-35安全带后方的吊环上，其中两个吊环分别位于人体背部的左右两则肩胛位置上，另一吊环位于臀部，通过调整三根钢丝5的相对长度可实现人体不同角度的前倾。当人体在地面上做出旋转动作时，发出的动作信号传输到无线数据接收器17，再由第二处理器16控制电流分配器15，来控制圆盘9上的钢丝升降电机组10、14、18随人体旋转动作做出圆盘9旋转指令。同时其他几个电机的工作原理同上，来控制圆盘9上的各电机，进而控制人体在半空中上做出直立，前倾，平行，俯冲等动作，随人体的前倾动作做出钢丝5升降指令。

第二处理器16采集并解算受试者身上的传感器19-35传回的实时数据，依据前倾或俯冲旋转的加速度指标，预测受试者的动作意图并控制四台电机的运转，实现钢丝5的长度快速、准确控制，进而保证受试者动作完成的流畅性。

此设备为一进四出式电流分配器15，是在自动化控制系统中，将现场各种设备的直流电流或电压信号经过隔离传送、转换成所需的直流信号输出给其他仪表，对信号的变送、转换、隔离、传输、运算与数据接收控制器配合，取回参数信号，满足无线数据控制采集的需求。

当受试者的回转角度不需要360度，比如只需要90或180度，就可以选用90或180度的圆弧导轨13。

发明中所用的17个MEMS惯性传感器19-35每个都包括陀螺仪、加速计和磁力计，它们分布于颈、肩、肘、腕、腰、膝、踝关节的两端。传感器19-35通过蓝牙、wifi等无线数据发射装置37发送原始数据，数据处理器(具有无线接收模块的第一处理器3)接收信息并传递给电脑，根据反向运动学原理可测算出人体关节的位置。

动作采集前，受试者需穿戴好专用动作捕捉安全带(传感安全带36)。该款安全带内置惯性传感器19-35且尺寸可调，穿戴方便，且同时具有数据采集和保护功能，更打破了尺寸限制，使得不同身高、体型的受试者均可穿戴同一套安全带，在减少设备冗余性的同时，有效控制了设备成本。动作捕捉安全带与旋转升降机构1配合使用，可使穿戴者避免跌倒等意外伤害，并使其能实现前倾、水平及俯冲等身体姿势。

动作捕捉安全带使用17个惯性传感器19-35，其在人体的分布位置如图5、6中的19到35所示，上身(包括头部及腰部)共11个，下肢共6个。依据使用目标及传感器19-35的分布位置设计出了一款全身式传感器19-35安全带。

动作捕捉安全带的主体为上身安全带与调节腰带，二者通过分别位于身体前后的两条调节带连接。上身安全带后方设计有两条斜向带，二者交叉形成“X”形，斜带结合处的金属拉环为上身的悬吊点。上肢及头部的安全带，以滑环形式分别连接于安全带的肩部及后侧颈部。两条下肢安全带分别以滑环形式连接于腰带左右两侧。两边大腿根部均设计有绑定带，目的是防止腰带过度上移。腰带与大腿绑定带间同样设计有形成“X”形的两条斜向带。交叉的斜向带可将集中力分散于四个结点，避免了应力集中对人体的伤害，同时，增加了身体在空中的控制能力。

四肢及头部安全带的长度均可通过尼龙目字扣调节，其余尺寸可调处采用金属目字扣。位于大臂、小臂、手、大腿、小腿、足部的传感器19-35安装袋由魔术贴捆缚于相应肢体上。

传感器19-35由电线连接电源供电，人体四肢处的传感器19-35串联，头部单独一根电源线，合计共五根。传感器19-35安全带为双层结构，电源线隐藏于安全带内层，电池及无线信号发射装置袋挂于腰腹部。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：包括旋转升降机构、传感安全带、具有无线接收模块的第一处理器、无线数据发射装置、PC机和为各部分提供电源的电源连接器；所述旋转升降机构与所述传感安全带连接，所述传感安全带与所述无线数据发射装置连接，所述无线数据发射装置将数据传送给所述具有无线接收模块的第一处理器和旋转升降机构，所述具有无线接收模块的第一处理器与所述PC机连接；

所述旋转升降机构包括外框架、圆盘，所述外框架的底部设有圆弧导轨，所述圆盘上设有三个钢丝线轴、齿轮减速圆盘旋转电机、电流分配器、第二处理器、无线数据接收器和驱动三个钢丝线轴上的钢丝升降的齿轮减速钢丝升降电机组，所述圆盘的中部固设有一轴，所述轴的一端与所述圆盘垂直连接，所述轴的另一端设有轴承，所述轴承固定在所述外框架的顶部，所述轴承下方的轴上套设有一可自动收线的电线绕线器，所述电线绕线器与电源连接器连接，通过电流分配器为钢丝升降电机组、圆盘旋转电机、第二处理器和无线数据接收器供电，所述圆盘上以所述轴为中心均匀设有三个出线孔，所述三个钢丝线轴上的钢丝分别穿出所述三个出线孔，所述齿轮减速圆盘旋转电机与所述圆弧导轨上的滑动装置连接，所述圆盘通过所述轴架设于所述圆弧导轨内，所述无线数据接收器分别与所述无线数据发射装置和所述第二处理器连接。

2.根据权利要求1所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述传感安全带包括安全带，所述安全带包括依次顺序连接的头部绑带、肩部绑带、胸部绑带、腰部绑带和大腿根部绑带，所述肩部绑带向两侧分别向下延伸依次顺序设有上臂绑带、下臂绑带和手部绑带，所述大腿根部绑带分别向下延伸依次顺序设有大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带，各绑带上均设有串联连接的MEMS惯性传感器，腰部绑带和大腿根部绑带中间以及两个所述肩部绑带分别与三个钢丝线轴连接。

3.根据权利要求2所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述无线数据发射装置设于所述腰部绑带上。

4.根据权利要求2所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述传感安全带为可调节绑带。

5.根据权利要求1所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述外框架固定于建筑物的内顶部。

6.根据权利要求1所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述外框架固定于一支架上。

7.根据权利要求6所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述支架的高度可调节。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电子游戏用旋转升降模拟器，其特征在于：所述圆弧导轨为90度、180度或360度导轨。