CN107308649B - 一种三自由度仿真座舱 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三自由度仿真座舱，包括：底座、底座上固定的立柱、立柱上的安装轴安装有驱动轮组、驱动轮组上放置空心球体座舱，其中，安装轴为两个水平设置，一个垂直设置；所述驱动轮组绕安装轴旋转，进而带动座舱旋转，实现全方位360°旋转，最大限度进行仿真模拟，同时配合座舱内部的声、光、震动、升降、气流等，以提高模拟体验的逼真效果。

Description

一种三自由度仿真座舱
技术领域
本发明属于仿真模拟设备领域，具体为一种三自由度仿真座舱。
背景技术
随着科技的发展，越来越多的高科技武器装备被应用到部队中，运用仿真模拟技术对武器装备进行模拟操作，是大幅降低训练与维护、维修成本的有效途径。同时，随着高科技的迅猛发展和广泛应用，虚拟现实技术的发展也逐渐多样化，其中沉浸式虚拟现实系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真的显示手段和方式，普遍应用到游乐场所，满足逼真性和人们追求的刺激感。
仿真座舱的动力结构结合其内部的仿真系统，满足动态和环境下的真实性，给乘坐者带来逼真的感受。目前，仿真座舱广泛采用油缸（气缸、电动丝杆）＋平台的方式实现多自由度的座椅模拟仿真，该方式由于受到动力部分行程、运转速度等限制，造成模拟仿真真实度较低，不能实现三自由度360°旋转。
发明内容
为解决现有技术中仿真座舱不能实现三自由度360°旋转导致模拟真实度低的技术问题，本发明提供一种三自由度仿真座舱。本发明的三自由度仿真座舱通过设计座舱底部的驱动结构，可以实现全方位360°旋转，最大限度进行仿真模拟，同时配合座舱内部的声、光、震动、升降、气流等，以提高模拟体验的逼真效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种三自由度仿真座舱，包括：
底座，底座为机构提供一个稳定的支撑，实现整体的承载、固定功能；
三个立柱，固定安装在底座上；
三个安装轴，分别安装在立柱上，其中两个为水平设置，一个为垂直设置；
三套驱动轮组，分别安装在三个安装轴上，绕安装轴旋转，所述驱动轮组由主动轮和安装在主动轮上的从动轮组成，每套驱动轮组包括至少一个主动轮，以及一个主动轮上的至少三个从动轮，从动轮安装在主动轮上组合为驱动轮组；
座舱，放置在驱动轮组上，所述座舱为空心球体座舱，驱动轮组所在平面与球体座舱球心所在水平面之间的距离为0~3/4倍球体半径；
其中，所述主动轮为边缘具有间隔凹槽，中心具有孔结构的正多边形或圆形平板结构，从动轮通过轴体安装在凹槽内，绕轴体旋转。
作为本发明优选的技术方案，所述三个立柱为第一立柱、第二立柱、第三立柱，第一立柱为圆柱体，第二立柱和第三立柱为“凹”字型的长方体结构，三个安装轴为第一安装轴、第二安装轴、第三安装轴，第一安装轴垂直安装于圆柱体第一立柱的中心线上，第二安装轴和第三安装轴分别横向安装在第二立柱和第三立柱的上部缺口位置中。
作为本发明优选的技术方案，所述驱动轮组包括两个主动轮与六个从动轮，每个主动轮上安装三个从动轮。
作为本发明优选的技术方案，所述主动轮为边缘具有三个间隔凹槽，中心具有孔结构的正六边形平板。
作为本发明优选的技术方案，所述从动轮中间插入有轴体的椭圆、圆球、圆柱体中的其中一种，可绕轴体自由旋转，所述轴体长度大于椭圆体或圆柱体的长轴长度或球体直径的长度，用于安装在主动轮的凹槽内。
作为本发明优选的技术方案，所述座舱为空心球体座舱，分为上半球体和下半球体两部分，上半球体和下半球体之间铰接连接或电磁吸合方式连接。
作为本发明优选的技术方案，所述下半球体内部固定设置座椅，座椅设置有限制乘坐者左右滑动的突起以及限制乘坐者前后、上下滑动或掉出的安全带，座椅具备震动功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明仿真座舱通过底座、驱动轮组和球形座舱的配合，实现三个空间轴的360°旋转，能够提供更大倾斜度、更大离心力、更多体位的模拟仿真，进一步提高仿真逼真度。
（2）本发明三自由度仿真座舱采用三维空间三个方向的360°旋转，代替目前油缸（气缸、电动丝杆）的3D仿真结构，360°旋转或倾斜角度更大，体验更加真实。
（3）本发明三自由度仿真座舱的动力结构结合座舱内的声、光、震动、气流及球形座舱升降等特效，提高仿真效果。
（4）本发明三自由度仿真座舱整体设计简单，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明仿真座舱的整体装配图；
图2为本发明仿真座舱的底部结构示意图；
图3为本发明仿真座舱的驱动轮组与立柱组装结构示意图；
图4为图3中驱动轮组的结构示意图；
图5为图4中主动轮的结构示意图；
图6为图4中从动轮的结构示意图；
图7为本发明仿真座舱的座椅结构示意图；
图中：1-底座，2-立柱，2-1-第一立柱，2-2-第二立柱，2-3-第三立柱，3-安装轴，3-1-第一安装轴，3-2-第二安装轴，3-3-第三安装轴，4-驱动轮组，4-1-主动轮，4-2-从动轮，5-座舱，5-1-上半球体，5-2-下半球体，5-3-座椅。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
图1~图7示出了本发明的一个实施例的仿真座舱的结构示意图。图1为本发明仿真座舱的整体装配图。参阅图1和图2，一种三自由度仿真座舱，包括：底座1，底座1为机构提供一个稳定的支撑，实现整体的承载、固定功能，底座1上固定设置有三个立柱2，分别为第一立柱2-1、第二立柱2-2、第三立柱2-3，每个立柱2上分别固定安装轴3，分别为第一安装轴3-1，第二安装轴3-2，第三安装轴3-3，为实现该仿真座舱360°旋转，三个安装轴3优选为两个水平设置，一个垂直设置，例如第一安装轴3-1为垂直设置，第二安装轴3-2和第三安装轴3-3均为水平设置，要实现三个安装轴3的设置要求，立柱2的形状为基础条件，例如第一立柱2-1为圆柱体，第二立柱2-2和第三立柱2-3均为上部中间缺口的长方体，也可以称为“凹”字型的长方体结构。那么，第一安装轴3-1垂直安装于圆柱体第一立柱2-1的中心线上，第二安装轴3-2和第三安装轴3-3分别横向安装在长方体的上部缺口位置中。参阅图2，其中图2a为本发明仿真座舱的底座与立柱结合的立体结构示意图，图2b为图2a的俯视图，图2c以第二立柱为正面的示意图，图2d为以第三支柱为正面的示意图。立柱2并不限制于上述形状，只要立柱2上固定的安装轴3呈两个水平方向、一个垂直方向设置，其余形状的立柱2均可以应用在本发明的仿真座舱中。
该仿真座舱还包括驱动轮组4，驱动轮组4可绕安装轴3旋转，如图3所示。图3为仿真座舱的驱动轮组4与立柱2组装结构示意图，图4为图3中驱动轮组的结构示意图，其中，图4a为驱动轮组的主视图，图4b为驱动轮组的左视图，图4c为驱动轮组的立体图。结合图3和4所示，三个立柱2上的安装轴3上分别安装一套驱动轮组4，即第一安装轴3-1、第二安装轴3-2、第三安装轴3-3上均安装一套驱动轮组4。
其中，安装轴3上安装的驱动轮组4的结构相同，均由主动轮4-1和从动轮4-2组成，从动轮4-2安装在主动轮4-1上，主动轮4-1用于该安装位置的轴向旋转驱动和支撑，而从动轮4-2用于在被其他轴向驱动时，能够配合主动轮4-1的转动以带动座舱旋转并绕自身旋转轴自由旋转，减少其他轮的驱动阻力。具体的，驱动轮组4包括至少一个主动轮4-1，以及一个主动轮4-1上的至少三个从动轮4-2，从动轮4-2安装在主动轮4-1上组合成驱动轮组4。例如，可以由三个从动轮4-2组装到一个主动轮4-1上形成驱动轮组4，也可以将一个主动轮4-1与安装在主动轮4-1上的三个从动轮4-2看成一个整体，两个组成一对，合为驱动轮组4，也就是说，驱动轮组4包括两个主动轮4-1和六个从动轮4-2，每个主动轮4-1上安装三个从动轮。
结合图5，其中，主动轮4-1包括中心孔和至少三个一体连接的“工”字型结构的支翼，换言之，主动轮4-1为边缘具有间隔凹槽，中心具有孔结构的正多边形或圆形平板，例如，主动轮4-1为边缘具有三个间隔凹槽，中心具有孔结构的正六边形平板，如图5所示，其中5a为主动轮的主视图，5b为主动轮的俯视图，5c为主动轮的左视图，5d为主动轮的立体图。
图6为从动轮的结构示意图，如图6所示，6a为从动轮的主视图，6b为从动轮的左视图，6c为从动轮的俯视图，6d为从动轮的立体图。结合图6，从动轮4-2为中间插入有轴体的椭圆、圆球或圆柱体，可绕轴体自由旋转，其中，轴体的长度大于椭圆体或圆柱体本身长轴的长度，或轴体长度大于球体直径的长度，这样用于将从动轮4-2安装在主动轮4-1上，具体的是从动轮4-2通过轴体安装在主动轮4-1的凹槽内，从动轮4-2可绕轴体旋转。
该装置还包括座舱5，座舱5放置在驱动轮组4上，所述座舱为空心球体座舱，驱动轮组所在平面与球体座舱球心所在水平面之间的距离为0~3/4倍球体半径。
图7为本发明仿真座舱结构示意图，图中7a为闭合座舱的主视图，图7b为闭合座舱的右视图，图7c为闭合座舱的俯视图，图7d为闭合座舱的立体图，图7e为开启的座舱立体图。参见图7，本发明的仿真座舱中座舱5为空心的球体座舱，所述座舱为空心球体座舱，驱动轮组所在平面与球体座舱球心所在水平面之间的距离为0~3/4倍球体半径。
空心球体座舱5分为上半球体5-1和下半球体5-2两部分，上半球体5-1和下半球体5-2之间铰接连接或电磁吸合连接，上半球体5-1与下半球体5-2通过铰接结构或电磁吸合构件可以将座舱5打开，方便人员进出，例如可以通过磁力锁将上半球体5-1与下半球体5-2控制开合。同时，下半球体5-2内固定安装座椅5-3，座椅5-3上安装有限制乘坐者左右滑动的突起以及限制乘坐者前后、上下滑动或掉出的安全带，座椅5-3具备震动功能。
球体座舱5靠自重在三个驱动轮组4之间旋转。
球体座舱5内还具有3D图像投影、大屏幕、VR、AR等虚拟现实功能，能够安全固定住座椅舱内乘坐人员，具有空间位置、倾斜角度、向心力和操作手柄等检测功能及声、光、音响、供风等辅助功能。
球形座舱5内有蓄电池等独立电源，乘坐人员开启上级仿真（游戏）软件或场景录像、场景模拟等相关程序后，程序处理器根据当前乘坐人员所处位置及各向倾斜角度，计算需要模拟的乘坐人员位置、各向倾斜角度、离心力等数据并通过无线信号向底座1发出指令，底座1根据指令运转相应驱动轮组4，以进行仿真模拟。另外程序处理器还可命令进行相应的声、光、震动、气流及球形座舱升降等特效，提高仿真效果。
本发明的工作过程和使用方法如下：待人员坐好并系好安全带后，开启上级仿真（游戏）软件或场景录像、场景模拟等，人员通过座舱内的操作手柄等设备与软件或场景模拟交互，软件或场景模拟向球形座舱控制系统提供实时的三维坐标、声光、震动、升降、气流等信息，座舱控制系统根据接受的信息实时精确的控制三个驱动轮组及配套的振动电机、音响设备、通风设施或升降气缸（油缸、电动丝杆）等的动作，从而完成球形座舱的空间角度、振动、升降等控制，最终实现逼真的3D仿真目的。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种三自由度仿真座舱，其特征在于，包括：
底座，底座为机构提供一个稳定的支撑，实现整体的承载、固定功能；
三个立柱，固定安装在底座上；
三个安装轴，分别安装在立柱上，其中两个为水平设置，一个为垂直设置；
三套驱动轮组，分别安装在三个安装轴上，绕安装轴旋转，所述驱动轮组由主动轮和安装在主动轮上的从动轮组成，每套驱动轮组包括两个主动轮与六个从动轮，每个主动轮上安装三个从动轮，从动轮安装在主动轮上组合为驱动轮组；
座舱，放置在驱动轮组上，所述座舱为空心球体座舱，驱动轮组所在平面与球体座舱球心所在水平面之间的距离为0~3/4倍球体半径；
所述三个立柱为第一立柱、第二立柱、第三立柱，第一立柱为圆柱体，第二立柱和第三立柱为“凹”字型的长方体结构，三个安装轴为第一安装轴、第二安装轴、第三安装轴，第一安装轴竖直安装于圆柱体第一立柱的中心线上，第二安装轴和第三安装轴分别横向安装在第二立柱和第三立柱的上部缺口位置中；
所述主动轮为边缘具有三个间隔凹槽，中心具有孔结构的正六边形平板，从动轮通过轴体安装在凹槽内，绕轴体旋转；
所述从动轮为中间插入有轴体的椭圆体、圆球、圆柱体中的其中一种，可绕轴体自由旋转，所述轴体长度大于椭圆体的长轴长度或圆球直径的长度或圆柱体的高度，用于安装在主动轮的凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度仿真座舱，其特征在于，所述座舱为空心球体座舱，分为上半球体和下半球体两部分，上半球体和下半球体之间铰接连接或电磁吸合方式连接。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度仿真座舱，其特征在于，所述下半球体内部固定设置座椅，座椅设置有限制乘坐者左右滑动的突起以及限制乘坐者前后、上下滑动或掉出的安全带，座椅具备震动功能。
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