CN109289184A - 一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,由动平台、执行机构、静平台、控制系统、滑雪板组件、雪杖、支撑体组成;执行机构两端分别安装在动平台和静平台上;控制系统安装在静平台上;滑雪板组件安装在支撑体上;支撑体和雪杖安装在动平台上。本发明设计了一种自由度多、体积相对小、滑雪模拟程度较高的滑雪机,属于运动器械技术、虚拟仿真领域。本发明采用六自由度体感平台作为主要驱动元件,动平台工作空间范围大,精度高;两个滑雪板可以做独立的左右摆动,丰富了滑雪板的姿态,增强了模拟的真实性;此外,在滑雪板上部增加压力传感器,实时采集人体足部压力数据,与控制系统实时交互,使系统模拟更加真实稳定。
Description
技术领域
本发明是一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,由六自由度体感平台作为主要驱动体,滑雪板下方电机进行辅助驱动,实现对滑雪运动的模拟,属于运动器械技术、虚拟仿真领域。
背景技术
随着虚拟现实技术和体感模拟装置的发展和应用,体感平台被广泛应用于汽车驾驶模拟器、飞行模拟器、运动体感模拟器等众多领域。体感平台的功能就是利用机器人技术模拟真实的运动环境,为操作人员提供视觉、听觉、触觉、动感等逼真的感觉。
体感平台广泛采用并联六自由度Stewart结构平台,目前Stewart平台广泛采用电动缸方式驱动,运动范围较小,空间占用较大。本文中采用了一种电机-曲柄摇杆式机构的体感平台,在保证空间占用较小的同时,有效增加了体感平台的运动范围,提高了滑雪模拟的真实性。
在滑雪运动的模拟方面,目前一些学者设计的滑雪模拟机普遍以模仿高山滑雪为主,只能进行左右摆动,自由度较少;还有学者采用并联平台,人体双脚固定在平台上,两脚之间没有相对运动,体验较为单一;另有一些厂家,利用滑雪毯的相对运动来模拟滑雪,原理类似于跑步机,占用场地较大,且滑雪坡度不能改变。
本文设计了一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,每个滑雪板可单独在其水平面内转动,在雪板上增加压力传感器系统,可以较为真实的还原滑雪运动,增强了模拟效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,它使用曲柄摇杆驱动的六自由度体感平台作为主运动单元,滑雪板下方电机进行辅助驱动,配合滑雪板上方的压力传感器,有效解决了当前滑雪模拟机自由度少、体积大、模拟效果差、主动性差等问题。
技术方案:本发明的目的是这样实现的:
一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,由动平台(1)、执行机构(2)、静平台(3)、控制系统(4)、滑雪板组件(5)、雪杖(6)、支撑体(7)组成;执行机构(2)两端分别安装在动平台(1)和静平台(3)上;控制系统(4)安装在静平台(3)上;滑雪板组件(5)安装在支撑体(7)上;支撑体(7)和雪杖(6)安装在静平台(3)上。
所述动平台(1)侧边分布着6个相同的伸出轴,每一个伸出轴分别通过螺钉与相应的动平台连接球铰(25)连接;保护支架(11)与动平台(12)主体相连接;雪杖连接球铰(13)与雪杖(6)相连接。
所述执行机构(2)共有六组,每组分别由驱动电机(21)、转动曲柄(22)、静平台连接球铰(23)、摇杆(24)和动平台连接球铰(25)组成;驱动电机(21)固定在静平台(3)的静平台主体(31)上;转动曲柄(22)输入端与驱动电机(21)伸出轴固定;静平台连接球铰(23)将转动曲柄(22)输出端和摇杆(24)的一端连接在一起,动平台连接球铰(25)将动平台(1)伸出轴和摇杆(24)的另一端连接。
所述静平台(3)由静平台主体(31)、静平台底座(32)两部分组成,静平台底座(32)放置在平地上,静平台主体(31)通过螺钉固定在静平台底座(32)上;静平台主体(31)是一个多边形金属空心盘状结构,其上固定安装6个驱动电机(21)。
所述控制系统(4)安装在静平台(3)的静平台底座(32)上,控制系统(4)由控制箱(41)和电子元件组成,控制箱(41)是一个盒形结构,外部留有电源线插口、网线插口、电机端航空插头接口、急停插口,控制箱(41)内部安装运动控制卡(42)、开关电源(43)、空气开关(44)和驱动器(45);控制系统(4)作用是采集压力等传感器的信息,输出控制信号,控制整体滑雪模拟机的运动。
所述滑雪板组件(5)由电机(51)、卡簧(52)、轴承(53)、轴承端盖(54)、滑雪板(55)、压力传感器(56)组成;轴承(53)安装在滑雪板(55)下部阶梯轴上,卡簧(52)卡在阶梯轴卡簧槽中,实现轴承内圈的轴向定位;轴承(53)外圈安装在轴承端盖(54)中,后者与支撑体连接座(72)相固联;电机(51)与滑雪板(55)下部阶梯轴相连,可带动滑雪板(55)沿电机轴线转动;压力传感器(56)安装在滑雪板(55)上部,可实时采集人体足部压力信息。
所述雪杖(6)共有左右两组,通过其下部的铰接球与雪杖连接球铰(13)相固联。
所述支撑体(7)由雪板支架(71)、支撑体连接座(72)、电机座(73)构成,雪板支架(71)安装在支撑体连接座(72)上,上部与滑雪板(55)相接触,防止其弯曲损坏;滑雪板组件(5)共有两组,分别通过电机(51)安装在电机座(73)的左右电机孔上;电机座(73)与上方支撑体连接座(72)相连接。
本发明的工作原理:
通电后运动控制卡(42)控制6个驱动电机(21)、2个滑雪板驱动电机(51)分别回到零位。人站到滑雪板上后,压力传感器(56)采集人体足部压力信息进行压力零位值标定。工作时,控制系统通过采集两组压力传感器(56)的数据,与零位标定值进行对比,得出差值,进一步计算出人体滑雪想实现的动作。一方面,运动控制卡(42)传递运动信号给相应的驱动器(45),驱动器(45)控制驱动电机(21)的转角,然后将转角转换成各杆件的伸长量,即可改变动平台(1)的位姿。平台姿态角的变化可实现对人体滑雪时地形和坡度的模拟,动平台(1)的运动加速度变化实现对滑雪加减速过程的模拟。另一方面,运动控制卡(42)传递运动信号给驱动器(45),控制电机(51)带动滑雪板(55)局部转动。两个滑雪板(55)的局部转动可模拟滑雪板减速状态下的“八”字动作。最终,配合整体的算法控制,达到对滑雪运动的有效模拟。
优点及功效:与现有技术相比,本发明一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机有益效果是:
1、采用六自由度体感平台作为主驱动体,自由度多,运动模拟精度高,可真实的模拟滑雪运动;
2、每个滑雪板可单独的左右摆动,增加了运动模拟的真实性,可较大程度还原滑雪动作;
3、在滑雪板上方增加压力传感器,实时采集运动中人体足部压力信息,反馈到控制系统,供系统做出实时调整,增强了滑雪模拟的主动性,增强体验效果。
附图说明
图1是基于六自由度体感平台的滑雪模拟机整体结构图
图2是动平台结构图
图3是执行机构结构图
图4是静平台结构图
图5是控制系统结构图
图6是雪杖结构图
图7是滑雪板组件结构图
图8是支撑体结构图
图中,各部件的标记如下:
1-动平台 2-执行机构 3-静平台 4-控制系统
5-滑雪板组件 6-雪杖 7-支撑体 11-保护支架
12-动平台主体 13-雪杖连接球铰 21-驱动电机 22-转动曲柄
23-静平台连接球铰 24-摇杆 25-动平台连接球铰 31-静平台主体
32-静平台底座 41-控制箱 42-运动控制卡 43-开关电源
44-空气开关 45-驱动器 51-电机 52-卡簧
53-轴承 54-轴承端盖 55-滑雪板 56-压力传感器
71-雪板支架 72-支撑体连接座 73-电机座
具体实施方式
见图1---图8,下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1所示,一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,由动平台(1)、执行机构(2)、静平台(3)、控制系统(4)、滑雪板组件(5)、雪杖(6)、支撑体(7)组成;执行机构(2)两端分别安装在动平台(1)和静平台(3)上;控制系统(4)安装在静平台(3)上;滑雪板组件(5)安装在支撑体(7)上;支撑体(7)和雪杖(6)安装在静平台(3)上。控制系统(4)控制执行机构(2)和滑雪板组件(5)运动,实现滑雪运动的模拟。
参见图2所示,动平台(1)侧边分布着6个相同的伸出轴,每一个伸出轴分别通过螺钉与相应的动平台连接球铰(25)连接;保护支架(11)与动平台(12)主体相连接;雪杖连接球铰(13)与雪杖(6)相连接。
参见图3所示,执行机构(2)共有六组,每组分别由驱动电机(21)、转动曲柄(22)、静平台连接球铰(23)、摇杆(24)和动平台连接球铰(25)组成;驱动电机(21)固定在静平台(3)的静平台主体(31)上;转动曲柄(22)输入端与驱动电机(21)伸出轴固定;静平台连接球铰(23)将转动曲柄(22)输出端和摇杆(24)的一端连接在一起,动平台连接球铰(25)将动平台(1)伸出轴和摇杆(24)的另一端连接。
参见图4所示,静平台(3)由静平台主体(31)、静平台底座(32)两部分组成,静平台底座(32)放置在平地上,静平台主体(31)通过螺钉固定在静平台底座(32)上;静平台主体(31)是一个多边形金属空心盘状结构,其上固定安装6个驱动电机(21)。
参见图5所示,控制系统(4)安装在静平台(3)的静平台底座(32)上,控制系统(4)由控制箱(41)和电子元件组成,控制箱(41)是一个盒形结构,外部留有电源线插口、网线插口、电机端航空插头接口、急停插口,控制箱(41)内部安装运动控制卡(42)、开关电源(43)、空气开关(44)和驱动器(45);控制系统(4)作用是采集压力传感器信息,输出控制信号,控制整体滑雪模拟机的运动。
参见图6所示,滑雪板组件(5)由电机(51)、卡簧(52)、轴承(53)、轴承端盖(54)、滑雪板(55)、压力传感器(56)组成;轴承(53)安装在滑雪板(55)下部阶梯轴上,卡簧(52)卡在阶梯轴卡簧槽中,实现轴承内圈的轴向定位;轴承(53)外圈安装在轴承端盖(54)中,后者与支撑体连接座(72)相固联;电机(51)与滑雪板(55)下部阶梯轴相连,可带动滑雪板(55)沿电机轴线转动;压力传感器(56)安装在滑雪板(55)上部,可实时采集人体足部压力信息。
参见图7所示,雪杖(6)共有左右两组,通过其下部的铰接球与雪杖连接球铰(13)相固联。
参见图8所示,支撑体(7)由雪板支架(71)、支撑体连接座(72)、电机座(73)构成。雪板支架(71)安装在支撑体连接座(72)上,上部与滑雪板(55)相接触,防止其弯曲损坏;滑雪板组件(5)共有两组,通过电机(51)分别安装在电机座(73)的左右电机孔上;电机座(73)与上方支撑体连接座(72)相连接。
工作时打开空气开关(44),通电后运动控制卡(42)控制6个驱动电机(21)、2个滑雪板驱动电机(51)分别回到零位。人站到滑雪板上后,压力传感器(56)采集人体足部压力信息进行压力零位值标定。工作时,控制系统通过采集两组压力传感器(56)的数据,与零位标定值进行对比,得出差值,进一步计算出人体滑雪想实现的动作。
系统运动时,一方面,运动控制卡(42)传递运动信号给驱动器(45),驱动器(45)控制驱动电机(21)的转角,然后将转角转换成各杆件的伸长量,即可改变动平台(1)的位姿。平台姿态角的变化可实现对人体滑雪时地形和坡度的模拟,动平台(1)的运动加速度变化实现对滑雪加减速过程的模拟。另一方面,运动控制卡(42)传递运动信号给驱动器(45),控制电机(51)带动滑雪板(55)局部转动。两个滑雪板(55)的局部转动可模拟滑雪板减速状态下的“八”字动作。最终,系统配合整体的算法控制,达到对滑雪运动的有效模拟。运动结束后,待系统自动复位后,关闭空气开关,切断电源。
以上参照附图对本发明的描述是示意性的,没有限制性,本领域的技术人员应该能够理解,在实际实施中,本发明中各构件的形状和布局方式均可能发生某些改变;而在本发明的启示下,其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改以及某个构件的等同替换。特别需要指出的是,只要不脱离本发明的设计宗旨,所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计,均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,其特征在于:它由动平台(1)、执行机构(2)、静平台(3)、控制系统(4)、滑雪板组件(5)、雪杖(6)、支撑体(7)组成;执行机构(2)两端分别安装在动平台(1)和静平台(3)上;控制系统(4)安装在静平台(3)上;滑雪板组件(5)安装在支撑体(7)上;支撑体(7)和雪杖(6)安装在动平台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,其特征在于:所述执行机构(2)由驱动电机(21)、转动曲柄(22)、静平台连接球铰(23)、摇杆(24)和动平台连接球铰(25)组成,共有六组均布安装;驱动电机(21)固定在静平台主体(31)上;转动曲柄(22)输入端与驱动电机(21)伸出轴固定;曲柄(22)输出端和摇杆(24)通过静平台连接球铰(23)连接,动平台连接球铰(25)将动平台(1)伸出轴和摇杆(24)末端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,其特征在于:所述滑雪板组件(5)由电机(51)、卡簧(52)、轴承(53)、轴承端盖(54)、滑雪板(55)、压力传感器(56)组成;轴承(53)安装在滑雪板(55)下部阶梯轴上,卡簧(52)卡在阶梯轴卡簧槽中,实现轴承内圈的轴向定位;轴承(53)外圈安装在轴承端盖(54)中,后者与支撑体连接座(72)相连接;电机(51)与滑雪板(55)下部阶梯轴相连,可带动滑雪板(55)沿电机轴线转动;压力传感器(56)安装在滑雪板(55)上部,可实时采集人体足部压力信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,其特征在于:所述雪杖(6)共有左右两组,通过其下部的铰接球与雪杖连接球铰(13)相固联。
5.根据权利要求1所述的一种基于六自由度体感平台的滑雪模拟机,其特征在于:所述支撑体(7)由雪板支架(71)、支撑体连接座(72)、电机座(73)构成;雪板支架(71)安装在支撑体连接座(72)上,上部与滑雪板(55)相接触;滑雪板组件(5)共有两组,通过电机(51)分别安装在电机座(73)的左右电机孔上;电机座(73)与上方支撑体连接座(72)相连接。
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