CN106823271A - Vr动感单车及其交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VR动感单车及其交互方法，其包括底座和安装在所述底座上的车架，所述车架上安装有龙头、车把、车座、车蹬和车轮，其还包括计算机终端、单片机控制器、方向模拟单元、速度模拟单元、阻力模拟单元、刹车模拟单元和动作模拟单元，所述阻力模拟单元包括磁粉制动器，所述磁粉制动器同轴安装在所述车轮一侧并与所述单片机控制器连接交互。本发明将动感单车和VR系统结合，所述磁粉制动器和所述车轮结合的阻力调节功能，根据刹车信号和游戏情景，用户通过游戏画面元素可精确、自然、平滑的增加和减少阻力效果。

Description

VR动感单车及其交互方法

技术领域

本发明属于健身器材技术领域，具体涉及一种VR动感单车及其交互方法。

背景技术

动感单车作为一种室内健身器材，结构上基本与普通单车相似，包括车把、车座、车蹬和车轮几个部分，车身稳固地联结为一个整体。其中车轮通过皮带由车蹬驱动，主要作用是配重和增强骑行的连贯性，也就是增加运动的负荷以起到一个加大训练强度的作用，通常设于前面。现有的动感单车，往往只能在坐在车座上踩脚踏，除了脚踏和车轮，车体本身固定不动，健身过程单调乏味，游戏室内的动感单车连接了屏幕，增加了虚拟场景，但是游戏用动感单车仅能左右摆动，车体摆到一侧之后靠人力才能回位，由于车体、车把的功能单一，无法与屏幕中的虚拟场景互动，车体无法动态的配合虚拟场景中的环境，健身效果和游戏体验均不好。

专利(申请号CN201610483597.9，公布号CN105963914A)公开了一种VR(VirtualReality，即虚拟现实)动感单车，包括车架和车把，车把通过转动机构转动设置于所述车架的斜梁前端，转动机构上设有用于与VR系统的处理器采样连接的角度传感器，转动机构包括与车把连接的转筒或转轴、斜梁前端的固定筒以及设于转筒与固定筒之间或设于转轴与固定筒之间的轴承，角度传感器设于转筒或所述转轴上。该VR动感单车将VR系统与动感单车相结合，在转动车把的时候，VR系统的处理器从角度传感器获得车把转动信息，及时将车辆的状态反映在虚拟场景中，让健身及游戏人员有一种身临其境的感觉，增加了骑行的真实感和丰富感。

虽然该VR动感单车可以俯仰和左右摇摆，但是该动感单车无法模拟颠簸感受，而且车轮阻力无法精确灵活调节，对于上坡、下坡、坑洼等复杂路段以及顺风、逆风带来的不同骑行模拟体验还有待开发。

发明内容

因此，本发明针对现有技术中VR动感单车的阻力无法精确灵活模拟调节、骑行体验还有待提高的技术问题，目的在于提供一种阻力可以精确灵活模拟调节的VR动感单车。

本发明的VR动感单车包括底座和安装在所述底座上的车架，所述车架上安装有龙头、车把、车座、车蹬和车轮，其还包括：

计算机终端，所述计算机终端装载有模拟游戏并配设有VR显示设备；

单片机控制器，所述单片机控制器与所述计算机终端连接交互；

方向模拟单元，所述方向模拟单元包括角度传感器，所述角度传感器安装在所述龙头转轴上并与所述单片机控制器连接交互；

速度模拟单元，所述速度模拟单元包括速度传感器，所述速度传感器同轴安装在所述车轮一侧并与所述单片机控制器连接交互；

阻力模拟单元，所述阻力模拟单元包括磁粉制动器，所述磁粉制动器同轴安装在所述车轮一侧并与所述单片机控制器连接交互；

刹车模拟单元，所述刹车模拟单元包括拉力传感器，所述拉力传感器安装在所述车把上并与所述单片机控制器连接交互；

动作模拟单元，所述动作模拟单元包括第一电动缸和第一伺服驱动器，所述第一电动缸竖直安装在所述底座上并位于所述车架后面，所述第一电动缸由紧邻安装的所述第一伺服驱动器连接驱动，所述第一伺服驱动器与所述单片机控制器连接交互；所述车架底部设有缓冲底板，所述缓冲底板前端向上弯曲与所述车架底部连为一体，所述缓冲底板后端连接有一竖直连接杆，所述竖直连接杆通过连接件与所述第一电动缸的竖直的伸缩杆连接。

其中，所述单片机控制器和所述计算机终端可通过共同装载的sdk程序进行数据相互传递。

所述角度传感器用来检测所述龙头转向情况，优选导电塑料角位移传感器，通过转动动感单车车把带动导电塑料角位移传感器转动，获取不同的电压值，反馈出所述龙头的转向情况。

所述速度传感器用来实时检测用户骑行速度，优选编码器，所述编码器与所述车轮结构关联，所述车轮每发生单位角度转动则发射一次脉冲，以2000次/秒以上的脉冲速度来精确判断车轮转速。通过所述车轮转动带动所述编码器旋转产生的电压获取脉冲，根据相邻瞬时时刻的脉冲数值的差值(本时刻脉冲数值与上一时刻脉冲数值的差值)计算出车轮的转速和运动情况，从而检测用户骑行时候的速度值。

所述磁粉制动器优选单轴磁粉制动器，安装于所述车轮一侧，与所述车轮联动转动。当用户骑行到游戏中上坡遇到有阻力的地段或者用户手动拉动拉力传感器时，所述计算机终端接收处理阻力信号后通过所述单片机控制器向所述磁粉制动器发送电流，所述磁粉制动器接通电流后产生电磁场，电磁场强度与电流大小对应，电流越大，电磁场越强，而所述磁粉制动器的工作介质磁粉在电磁场的磁力线作用下形成磁粉链，把所述磁粉制动器的内转子和外转子联接起来，从而达到传递、制动扭矩的目的，产生阻力。其中扭矩大小与电磁场强度成正比，因此产生的阻力与所述计算机终端的接收到的阻力信号成正相关关系，达到较佳的模拟效果，使用户在骑行过程中感受到磁粉制动器的阻力效果，阻力效果通过程序控制可精确到1/120秒以上。实际中，所述磁粉制动器本身配有磁粉制动控制器，实际连接交互时，所述单片机控制器是通过所述磁粉制动器控制器间接控制所述磁粉制动器。

所述拉力传感器安装于所述把手上，通过外力对它的作用会产生弹性变形，粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，会产生与同方向的形变量相应的电压值，该电压值与同方向的拉力大小相关，从而获取到用户拉力的数值，实现拉力的感应，根据拉力数值所述计算机终端可模拟对应的刹车力度。

本发明的一较佳实施例中，所述车架底部前端铰接在一支架上，所述支架固设在所述底座上，所述车轮设于所述车架的后下方。以此，所述车架底部前侧高低不变，而后侧在所述第一电动缸的驱使下可上下运动，可模拟出不同路段骑行体验，比如模拟上坡路段时，所述第一电动缸的伸缩杆缩回，使所述车架后侧下降；反之，模拟下坡路段时，伸缩杆伸出，使车架后侧上升；当模拟坑洼路段时，伸缩杆则不断伸缩运动，使车架后侧上下跳动，产生颠簸的效果。在这些模拟动作中，所述缓冲底板具有一定长度，可起到缓冲的作用，更加逼真地模拟真实车轮在坑洼路段的颠簸效果，避免不舒适感。所述车轮设于所述车架的后下方，这种车轮后置的方案，可使整车的重心靠后，配合后置的第一电动缸可带来更稳更安全的骑行效果。

本发明的一较佳实施例中，所述动作模拟单元还包括两个第二电动缸和两个第二伺服驱动器，两所述第二电动缸竖直安装于所述车架前面两侧，两所述第二电动缸分别由紧邻安装的所述第二伺服驱动器连接驱动，两所述第二伺服驱动器分别与所述单片机控制器连接交互；所述车架底部前端铰接有两根并排斜向上的倾斜连接杆，两所述倾斜连接杆上端分别与两所述第二电动缸的竖直的伸缩杆连接。在所述车架的前面增设两个所述第二电动缸时，所述车架前后两侧均可以上下运动，三个电动缸可相互独立地运作，形成三自由度的仿真运动平台，从而可实现更多立体化的动作模拟，如左右侧倾，前后摆动颠簸等，更加逼真。两个所述第二电动缸可以安装在所述底座上；也可以从所述底座上独立出来一体化地安装在地面上，这种外置式结构安装和拆卸更加方便，用户可自由选择。

本发明的一较佳实施例中，其还包括风力模拟单元，所述风力模拟单元包括风力控制器和出风口，所述风力控制器设于所述车座下面，所述出风口设于所述车架上位于所述车座和所述车把的中间的位置。所述风力控制器与所述速度传感器相互配合，当所述速度传感器所反映的速度值达到一定程度时，触发所述风力控制器，模拟用户骑行时迎面而来的风的效果。当然，其他场景需要的时候也可模拟出风。

本发明的一较佳实施例中，所述龙头上设有显示屏，所述显示屏与所述计算机终端连接交互，所述显示屏用于显示单车运行状态，包括车速，骑行里程等。

本发明的一较佳实施例中，所述VR显示设备为VR眼镜，用于模拟显示游戏情景。

本发明的另一目的在于提供所述的VR动感单车的交互方法，包括：

所述角度传感器转动时产生与所述龙头转向角度对应的电压值并传递给所述单片机控制器，所述单片机控制器将电压值转换为数字式方向信号并传递至所述计算机终端，所述计算机终端处理所述方向信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟龙头转向；

所述车轮带动所述编码器旋转时，所述编码器产生脉冲数值并传递至所述单片机控制器，所述单片机控制器根据相邻瞬时时刻的脉冲数值的差值转换为数字式速度信号并传递至所述计算机终端，所述计算机终端处理所述速度信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟车速；

拉动所述拉力传感器时，所述拉力传感器受力而弹性变形，进而产生与拉力对应的电压值(拉力越大产生的电压值越大)并传递至所述单片机控制器，所述单片机控制器将电压值转换为数字式刹车信号并传递至所述计算机终端传递，所述计算机终端处理所述刹车信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟刹车，同时向所述单片机控制器发送制动信号，所述单片机控制器接收到制动信号后控制所述磁粉制动器通电进行制动；

所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况，向所述单片机控制器发送颠簸信号，所述单片机控制器接收到颠簸信号后控制所述第一伺服驱动器通电，进而驱动所述第一电动缸运作；

所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况和车速，向所述单片机控制器发送阻力信号，所述单片机控制器接收到阻力信号后控制所述磁粉制动器通电进行制动。

进一步的，若安装有所述第二电动缸和所述第二伺服驱动器，所述方法还包括：所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况，向所述单片机控制器发送颠簸信号，所述单片机控制器接收到颠簸信号后控制所述第一伺服驱动器和/或第二伺服驱动器通电，进而驱动所述第一电动缸和/或第二电动缸运作。

进一步的，若安装有所述风力控制器，所述方法还包括：所述计算机终端根据游戏情景中的风向和车速向所述单片机控制器发送风力信号，所述单片机控制器接收到风力信号后控制所述风力控制器运转。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的VR动感单车将动感单车与磁粉制动器、速度传感器、拉力传感器、角度传感器、VR显示设备、第一电动缸、第二电动缸等感应装置和控制装置结合，并通过单片机控制器和计算机终端进行通讯交互，实现动感单车和VR系统的结合。在用户骑行时，计算机终端可通过速度传感器和拉力传感器，实时检测用户的骑行速度，刹车行为等，并在游戏中做出相应的反馈。同时，用户在游戏中如遇到上坡、坑洼等复杂路段时，可感受到磁粉制动器所带来的阻力以及电动缸所带来的颠簸感受，使整个动感单车在骑行时逼真而立体地模拟了不同路况带来的不同骑行体验。

其中，尤其是磁粉制动器和车轮结合的阻力调节功能，通过以下过程进行磁粉制动：单片机控制器发出电流信号→磁粉制动控制器→磁粉制动器增加阻力或是制动，产生的阻力大小与单片机控制器发送的电流大小对应，电流越大，产生的阻力越大，相比于普通的制动方法，磁粉制动系统相关性更好，模拟效果更佳逼真。根据刹车信号和游戏情景，用户通过游戏画面元素可精确、自然、平滑的增加和减少阻力效果，比如，上坡阻力增大，下坡阻力减小，泥泞道路阻力增大等等。

另外，第一电动缸和第二电动缸形成三自由度的仿真运动平台运动，可立体化地模拟各种动作，如左右侧倾，前后摆动颠簸等。

附图说明

图1为本发明的VR动感单车的示意图；

图2为本发明的VR动感单车的车架示意图；

图3为本发明的VR动感单车的第二电动缸的连接示意图；

图4为本发明的VR动感单车的连接示意控制概图；

图5为本发明的VR动感单车的交互流程示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的VR动感单车作进一步说明。

实施例1

本发明一较佳实施例的VR动感单车如图1所示，其包括底座1和安装在底座1上的车架2，车架2上安装有龙头3、车把4、车座5、车蹬6和车轮7。龙头3上设有显示屏8，龙头3的转轴上安装有导电塑料角位移传感器，即角度传感器。车把4上安装有拉力传感器。车轮7一侧同轴安装有磁粉制动器9和编码器10。底座1上竖直安装有一个第一电动缸11和两个第二电动缸12，第一电动缸11位于车架2后面，第二电动缸12分别位于车架前面两侧，第一电动缸11和两个第二电动缸12分别与车架2底部连接，第一电动缸11和两个第二电动缸12紧邻的位置分别安装有第一伺服驱动器11a和第二伺服驱动器12a(即伺服电机)。车架2上位于车座5下面设有风力控制器，而车座5和车把4的中间位置设有出风口，出风口与风力控制器相通。

较佳的，车架2还可设计如图2所示，车架2底部设有缓冲底板13，缓冲底板13前端向上弯曲与车架2底部连为一体，缓冲底板13后端连接有竖直连接杆14，竖直连接杆14通过连接件与第一电动缸11的竖直的伸缩杆连接。如图3所示，车架2底部前端铰接有两根并排斜向上的倾斜连接杆15，两倾斜连接杆15上端分别与两个第二电动缸12的竖直的伸缩杆连接。第一电动缸11安装在底座1上，两个第二电动缸12一体化独立安装于底座1外，这种外置式结构安装和拆卸更加方便，用户可根据体验需要自由选择电动缸的数量。

本发明实施例的VR动感单车还包括计算机终端和单片机控制器，计算机终端装载有模拟游戏，并配设有通讯交互的显示设备：VR眼镜和显示屏幕。如图4所示，单片机控制器与计算机终端连接交互，单片机控制器还分别与角度传感器、拉力传感器、磁粉制动器、编码器、第一、第二伺服驱动器以及风力控制器连接交互。其中磁粉制动器本身配有磁粉制动控制器，实际连接交互时，单片机控制器是通过磁粉制动器控制器间接控制磁粉制动器。

本发明实施例的VR动感单车的交互控制过程如图5所示，具体包括：

角度传感器转动时产生与龙头转向角度对应的电压值并传递给单片机控制器，单片机控制器将电压值转换为数字式方向信号并传递至计算机终端，计算机终端处理方向信号并通过显示设备在游戏环境中模拟龙头转向；

车轮带动编码器旋转时，编码器产生脉冲数值并传递至单片机控制器，单片机控制器根据相邻瞬时时刻的脉冲数值的差值(脉冲数值的变化率)转换为数字式速度信号并传递至计算机终端，计算机终端处理速度信号并通过显示设备在游戏环境中模拟车速；

拉动拉力传感器时，拉力传感器受力而弹性变形，进而产生与拉力对应的电压值(拉力越大产生的电压值越大)并传递至单片机控制器，单片机控制器将电压值转换为数字式刹车信号并传递至计算机终端传递，计算机终端处理刹车信号并通过显示设备在游戏环境中模拟刹车，同时向单片机控制器发送制动信号，单片机控制器接收到制动信号后通过磁粉制动控制器控制磁粉制动器通电进行制动；

计算机终端根据游戏情景中的路面情况，向单片机控制器发送颠簸信号，单片机控制器接收到颠簸信号后控制第一伺服驱动器和/或第二伺服驱动器通电，进而驱动第一电动缸和/或第二电动缸运作；

计算机终端根据游戏情景中的路面情况和车速，向单片机控制器发送阻力信号，单片机控制器接收到阻力信号后通过磁粉制动控制器控制磁粉制动器通电进行制动。

计算机终端根据游戏情景中的风向和车速向单片机控制器发送风力信号，单片机控制器接收到风力信号后控制风力控制器运转。

由上述交互流程可知，在用户骑行时，计算机终端可通过编码器和拉力传感器，实时检测用户的骑行速度，刹车行为等，并在游戏中做出相应的反馈。同时，用户在游戏中如遇到上坡、坑洼等复杂路段时，可感受到磁粉制动器所带来的阻力以及电动缸所带来的颠簸感受，使整个动感单车在骑行时逼真而立体地模拟了不同路况带来的不同骑行体验。

其中，尤其是磁粉制动器和车轮结合的阻力调节功能，根据刹车信号和游戏情景，用户通过游戏画面元素可精确、自然、平滑的增加和减少阻力效果，比如，上坡阻力增大，下坡阻力减小，泥泞道路阻力增大等等。

而第一电动缸和第二电动缸形成三自由度的仿真运动平台运动，可立体化地模拟各种动作，如左右侧倾，前后摆动颠簸等。

另外，车身整体结构上使用了全新的架构，创造了一种极具视觉冲击力的近乎镂空的效果，使整辆车的视觉效果摆脱了传统动感单车的禁锢。

Claims (10)

1.一种VR动感单车，其包括底座和安装在所述底座上的车架，所述车架上安装有龙头、车把、车座、车蹬和车轮，其特征在于，其还包括：

计算机终端，所述计算机终端装载有模拟游戏并配设有VR显示设备；

单片机控制器，所述单片机控制器与所述计算机终端连接交互；

方向模拟单元，所述方向模拟单元包括角度传感器，所述角度传感器安装在所述龙头转轴上并与所述单片机控制器连接交互；

速度模拟单元，所述速度模拟单元包括速度传感器，所述速度传感器同轴安装在所述车轮一侧并与所述单片机控制器连接交互；

阻力模拟单元，所述阻力模拟单元包括磁粉制动器，所述磁粉制动器同轴安装在所述车轮一侧并与所述单片机控制器连接交互；

刹车模拟单元，所述刹车模拟单元包括拉力传感器，所述拉力传感器安装在所述车把上并与所述单片机控制器连接交互；

动作模拟单元，所述动作模拟单元包括第一电动缸和第一伺服驱动器，所述第一电动缸竖直安装在所述底座上并位于所述车架后面，所述第一电动缸由紧邻安装的所述第一伺服驱动器连接驱动，所述第一伺服驱动器与所述单片机控制器连接交互；所述车架底部设有缓冲底板，所述缓冲底板前端向上弯曲与所述车架底部连为一体，所述缓冲底板后端连接有一竖直连接杆，所述竖直连接杆通过连接件与所述第一电动缸的竖直的伸缩杆连接。

2.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，所述角度传感器为导电塑料角位移传感器，所述速度传感器为编码器。

3.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，所述车架底部前端铰接在一支架上，所述支架固设在所述底座上，所述车轮设于所述车架的后下方。

4.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，所述动作模拟单元还包括两个第二电动缸和两个第二伺服驱动器，两所述第二电动缸竖直安装于所述车架前面两侧，两所述第二电动缸分别由紧邻安装的所述第二伺服驱动器连接驱动，两所述第二伺服驱动器分别与所述单片机控制器连接交互；所述车架底部前端铰接有两根并排斜向上的倾斜连接杆，两所述倾斜连接杆上端分别与两所述第二电动缸的竖直的伸缩杆连接。

5.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，其还包括风力模拟单元，所述风力模拟单元包括风力控制器和出风口，所述风力控制器设于所述车座下面，所述出风口设于所述车架上位于所述车座和所述车把的中间位置。

6.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，所述龙头上设有显示屏，所述显示屏与所述计算机终端连接交互。

7.如权利要求1所述的VR动感单车，其特征在于，所述VR显示设备为VR眼镜。

8.如权利要求2所述的VR动感单车的交互方法，其特征在于，其包括：

所述角度传感器转动时产生与所述龙头转向角度对应的电压值并传递给所述单片机控制器，所述单片机控制器将电压值转换为数字式方向信号并传递至所述计算机终端，所述计算机终端处理所述方向信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟龙头转向；

所述车轮带动所述编码器旋转时，所述编码器产生脉冲数值并传递至所述单片机控制器，所述单片机控制器根据相邻瞬时时刻的脉冲数值的差值转换为数字式速度信号并传递至所述计算机终端，所述计算机终端处理所述速度信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟车速；

拉动所述拉力传感器时，所述拉力传感器受力而弹性变形，进而产生与拉力对应的电压值并传递至所述单片机控制器，所述单片机控制器将电压值转换为数字式刹车信号并传递至所述计算机终端传递，所述计算机终端处理所述刹车信号并通过VR显示设备在游戏环境中模拟刹车，同时向所述单片机控制器发送制动信号，所述单片机控制器接收到制动信号后控制所述磁粉制动器通电进行制动；

所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况，向所述单片机控制器发送颠簸信号，所述单片机控制器接收到颠簸信号后控制所述第一伺服驱动器通电，进而驱动所述第一电动缸运作；

所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况和车速，向所述单片机控制器发送阻力信号，所述单片机控制器接收到阻力信号后控制所述磁粉制动器通电进行制动。

9.如权利要求4所述的VR动感单车的交互方法，其特征在于，其包括：所述计算机终端根据游戏情景中的路面情况，向所述单片机控制器发送颠簸信号，所述单片机控制器接收到颠簸信号后控制所述第一伺服驱动器和/或第二伺服驱动器通电，进而驱动所述第一电动缸和/或第二电动缸运作。

10.如权利要求5所述的VR动感单车的交互方法，其特征在于，其包括：所述计算机终端根据游戏情景中的风向和车速向所述单片机控制器发送风力信号，所述单片机控制器接收到风力信号后控制所述风力控制器运转。