CN203165265U - 一种通用型物流装备模拟训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通用型物流装备模拟训练装置，包括传动座椅，头戴式3D显示器，头部运动追踪传感器，立体声耳机，手部动作捕捉传感器，脚踏压感开关，以及与传动座椅、头戴式3D显示器、头部运动追踪传感器、手部动作捕捉传感器电连接的计算机；传动座椅上设置有旋转电机和液压缸，供座椅颤动。计算机中存有多种物流装备操作的虚拟环境，同时还设置有接收所述各传感器信号，实时改变虚拟环境画面、驱动液压缸与旋转电机的处理器。本实用新型结构简单，方便移动组合，只需要针对不同的物流设备设计几种不同的虚拟环境，即可实现在本装置上进行虚拟现实训练，无需采购专门的训练装置，降低了培训成本。

Description

一种通用型物流装备模拟训练装置

技术领域

本实用新型属于物流装备的模拟操作技术领域，具体讲是涉及一种基于头戴式3D显示器以及多种运动捕捉传感器建立的通用型物流装备的模拟训练装置。

背景技术

物流人员进行诸如堆垛机、叉车、大型吊架、集装箱拖车等装卸搬运设备的操作，是具有危险性的特种工作，会直接影响到生命、财产的安全。因此我国与欧美发达国家都对这些特种装备的驾驶员培训进行了立法。但现有的培训方式一般是传统的师徒传授的方式，效率低下，在物流行业迅速发展的当今社会已经严重落后，培训成本也是非常高。因此虚拟现实模拟操作培训成为必然的选择，然而现有的虚拟现实模拟培训设备往往只能单独进行某一种机械装备的模拟，如需要进行不同装备的培训就需要采购不同的模拟设备，这也导致了培训成本大幅度提升。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种通用型物流装备模拟训练装置，该装置可结合计算机的控制，利用头戴式3D显示器以及多种运动捕捉传感器，创建可实时操作的虚拟环境界面，从而解决了现有技术中的操作设备只能进行单一类型装备的模拟培训问题。

本实用新型所采取的技术方案是：一种通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：包括一传动座椅，一头戴式3D显示器，一头部运动追踪传感器，一立体声耳机，一脚踏压感开关，两手部动作捕捉传感器，以及与传动座椅、头戴式3D显示器、头部运动追踪传感器、手部动作捕捉传感器、脚踏压感开关电连接的计算机。传动座椅包括一支撑底座，在支撑底座上固定一旋转电机，旋转电机的旋转轴顶端固定连接一旋转底盘，在旋转底盘的上部固定有液压缸，液压缸上设置有电磁阀，每个液压缸的伸缩杆顶部分别连接一弹簧，各弹簧的上端均固定在座垫的底部，在旋转底盘的延伸臂上固定所述脚踏压感开关；旋转电机、液压缸上电磁阀、脚踏压感开关与计算机电连接；计算机中存有多种物流装备操作的虚拟环境，同时还设置有接收头部运动追踪传感器、手部动作捕捉传感器、脚踏压感开关信号，并根据信号实时改变虚拟环境画面反馈给头戴式3D显示器、根据信号和画面变化实时驱动所述液压缸电磁阀、旋转电机的处理器。

进一步讲，所述头戴式3D显示器通过视频信号传输线缆与计算机相连。

所述头部运动追踪传感器安装在头部正前方，与所述计算机通过蓝牙连接；所述头部运动追踪传感器包括陀螺仪、加速度传感器、角速度传感器。

所述手部动作捕捉传感器与所述计算机通过蓝牙连接；所述手部动作捕捉传感器使用3D捕捉摄像装置，主要由处理器、红外LED以及一组不同波长的摄像头组成。所述手部动作捕捉传感器选择戴在左、右手上，或安装在左、右两支架上其中的之一方式。

所述液压缸电磁阀、旋转电机、脚踏压感开关通过导线输接在自己的控制器上，各控制器上有输入输出接口，输入输出接口与所述计算机通过线缆连通。

所述脚踏压感开关设置为三档压力。

所述液压缸设置有3个，布置在座椅下前面一个，左、右各一个；或设置有4个，布置在座椅下前面两个，后面两个。

本实用新型的有益效果是：1、本实用新型通过设置系列的头部、手部、脚部运动传感器与计算机相连，同时通过在计算机中预存针对不同的物流设备开发的模拟训练软件，从而营造不同的虚拟环境通过3D显示器显示出来，结合传感器的动态感应，使操作者能以第一视角观察并操控虚拟环境中的设备；并且根据传感器的动态感应和虚拟环境的变化，使计算机驱动座椅颤动，从而模拟出人的真实驾驶感受，能够将虚拟与现实联系起来。2、该装置结构简单，小型化，方便移动组合，只需要针对不同的物流设备设计几种不同的虚拟环境，即可实现在本装置上进行虚拟现实训练，无需采购专门的训练装置，降低了培训成本。3、头戴式3D显示器能够更好的让操作者沉浸在虚拟训练环境中，加强训练效果。

附图说明

图1是本实用新型正视图。

图2是本实用新型侧视图。

图3是本实用新型应用实例示意图。

图中，1-头戴式3D显示器，2-头部运动追踪传感器，3-立体声耳机，4-手部动作捕捉传感器，5-手部动作捕捉传感器支架，6-计算机，7-座垫，8-液压缸，9-旋转电机，10-旋转底盘，11-脚踏压感开关，12-支撑底，13-输入输出接口，14-弹簧，15-传动座椅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

从结构构成上讲，本实用新型设置了一传动座椅15，一头戴式3D显示器1，一结合在头戴式3D显示器上的头部运动追踪传感器2，一耳机3，一脚踏压感开关11，两手部动作捕捉传感器4，以及与头戴式3D显示器1、头部运动追踪传感器2、手部动作捕捉传感器4、传动座椅15、脚踏压感开关11配套使用的计算机6。其中耳机3只是接收音效，营造立体声环境，没有其他作用。

首先详细介绍一下传动座椅15，它包括一传动座椅支撑底座12，固定在地面上；在支撑底座上固定一旋转电机9，旋转电机9的旋转轴顶端固定连接一旋转底盘10。在旋转底盘10的顶部固定3个或4个液压缸8，3个液压缸的布置是前面一个，左、右各一个；4个液压缸的布置是前后各2个。每个液压缸8上带有电磁阀与计算机6相连；每个液压缸的伸缩杆顶部分别安装一弹簧14，各弹簧14的上端共同固定在座垫7的底部。在旋转底盘10的延伸臂上，固定一脚踏压感开关11。

液压缸8的电磁阀、旋转电机9以及脚踏压感开关11各自通过导线输接在自己的控制器上，各控制器上有输入输出接口13，输入输出接口13与计算机6通过线缆能够接通。

脚踏压感开关11分为三档压力，模拟加速、减速状态，当操作者脚踩脚踏压感开关11时可以传送给计算机6一压力信号，从而相应驱动虚拟环境中的设备加速或减速。

计算机6接收各路传感器发来的信号后，综合控制液压缸8和旋转电机9，向它们发送控制信号，液压缸伸缩杆进行伸缩运动，通过伸缩杆不同的伸缩长度以及频率，带动弹簧，营造出座椅前、后、左、右各方向倾斜运动以及震动的效果。旋转电机9可使旋转底盘10绕转轴左、右各180度旋转，旋转底盘10进而带动座椅7也旋转，营造出座椅左右旋转的效果。

接下来在介绍头戴式3D显示器1、头部运动追踪传感器2、手部动作捕捉传感器4各部分结构和功能之前，先介绍一个概念：虚拟环境。所谓虚拟环境是根据实际物流设备的操作在计算机中通过程序编辑并预存的一种模拟环境和设备，一台计算机中可以预存多种物流设备的虚拟环境，它包括虚拟物流设备操作舱，以及其中的仪表盘、按钮、操作杆、方向盘等，也包括操作舱之外物流设备所处工作环境，例如港口堆场、仓库等，还包括在操作舱中的虚拟手。操作者可以以第一人视角观察此虚拟环境，有身临其境的感觉，并可以同步操纵虚拟手对虚拟环境中的物流设备进行控制，完成物流设备的工作任务，意思就是只要在实际中晃动手，利用手部传感器2就可以在虚拟环境中使虚拟手到达目的位置。

计算机6中除了预置有多种物流设备的虚拟环境外，同时还设置有接收头部运动追踪传感器2、手部动作捕捉传感器4、脚踏压感开关11信号，并根据信号实时改变虚拟环境画面反馈给头戴式3D显示器，根据信号和画面实时驱动液压缸电磁阀、旋转电机的处理器。

头戴式3D显示器1就是通过视频信号传输线缆与计算机6相连，接收计算机6输出的某一种虚拟环境的3D视频信号，然后直接在操作者眼前投影显示出这一3D的虚拟环境。头戴式3D显示器1，目前可选用Oculus Rift公司的Oculus Rift或索尼公司的HMZ-T1这两种型号。

头部运动追踪传感器2及手部动作捕捉传感器4通过蓝牙与计算机6无线连接。头部运动追踪传感器2安装在头部正前方(也有附带头部传感器的头戴式3D显示器供选择)。头部运动追踪传感器2由陀螺仪、加速度传感器、角速度传感器构成，能够捕捉头部转动、摆动等运动，并将转动或摆动等信号经陀螺仪发送给计算机，计算机分析运动信号以后，即时同步改变操作者在虚拟环境中的视角，使实际姿态与虚拟姿态保持一致。

手部动作捕捉传感器4使用类似微软kinect(微软XBOX360体感周边外设的名称)的3D捕捉摄像装置如leapmotion(一种手势交互设备)。其主要由处理器，红外LED，以及一组不同波长敏感的摄像头组成。手部动作捕捉传感器4拍摄记录手部影像进行空间及位置识别，并记录手部空间运动，通过计算机将运动信号在虚拟环境中即时同步地应用于虚拟手的动作。本实用新型应用2个leapmotion设备作为手部运动捕捉传感器，可以佩戴在左、右手上，分别进行左、右手动作的捕捉，或者安装在手部动作捕捉传感器支架5上，通过视觉识别，通过传感器自带处理器进行3D空间重建，精确捕捉手势运动，并自定义手势动作如抓握，摆手等以触发系统事件。

本装置的基本操作原理就是，通过计算机6向头戴式3D显示器1输送一虚拟环境的3D视频信号，此时在操作者眼前就会呈现一虚拟环境的画面，如图3所示。操作者可以以第一人视角观察并同步操纵虚拟环境中的设备，伴随着头部、手部和脚踏动作，头部追踪传感器2、手部动作捕捉传感器4和脚踏压感开关11实时向计算机6发送操作者的运动信息。计算机6得到这些信息后，就会调整虚拟环境的画面，使得实际视角与虚拟环境中的视角同步。并且根据操作者的操纵欲望，计算机就会根据这种欲望所可能引发的设备状态变化，响应传动座椅15，使座椅真实动作，仿佛操作者身临其中。比如，操纵者想让设备加速，就人为地去踩脚踏压感开关11，此时虚拟环境中的操作舱就表现出加速状态，计算机6捕捉到这一信息后，判断出设备加速会有一个后仰的倾向，就会发送命令给液压缸8，座椅前面的液压缸降低，后面的液压缸升高，呈现出前倾的现象。又如，操纵者想让设备右转弯，就用虚拟手去操纵方向盘，此时虚拟环境中的操作舱就表现出右转姿态，计算机6捕捉到这一信息后，判断出设备右转会有一个右倾的倾向，就会发送命令给液压缸8和旋转电机9，座椅右面的液压缸降低，左面的液压缸升高，呈现出右倾的现象，同时还伴随有座椅的略微旋转。

下面以一个具体应用实例，来说明本装置的具体操作过程：

虚拟环境取为港口集装箱起重机操作训练环境。操作者以起重机操作者的虚拟视角观察港口起重机虚拟环境，可以看到操作舱中虚拟手以及虚拟的仪表盘、按钮以及操作杆；操作舱外是起重机吊架，以及港口岸边集装箱装卸作业场地，集装箱位于起重机吊架的右方。操作者目标是吊起集装箱运送到作业场地，第一步：通过手部动作捕捉传感器4的感应，使操作者通过虚拟手操纵仪表盘以及操作杆，虚拟环境中的起重机操作舱产生右向移动，同时虚拟场景随着头部追踪传感器2的感应而改变，头部追踪传感器2和手部动作捕捉传感器4的感应信号传递给计算机6，计算机获取运动信息后向传动座椅15发出控制指令，在现实环境中驱动液压伸缩杆震动，右后侧伸缩杆高度降低，座椅模拟向右运动的运动感。在虚拟环境中起重机吊架移动至待装卸的集装箱上方停止，现实中传动座椅也随之停止震动。第二步：操作者通过手部动作捕捉传感器4的感应，操作虚拟环境中虚拟手拉动操作杆，使虚拟的起重机吊架放下钢绳吸盘挂住集装箱，开始起吊集装箱，并转动起重机吊架移走。此时计算机6根据头部追踪传感器2和手部动作捕捉传感器4的感应信号，模拟起吊时前倾的力反馈现象，驱动现实中传动座椅15前侧的液压伸缩杆降低高度，继而所有伸缩杆开始低频震动，并使座椅开始跟随虚拟环境中的操作舱进行旋转。第三步：当虚拟环境中起重机转至指定位置停止，传动座椅15也转至指定角度停止。操作者再次操纵虚拟手完成起重机放下集装箱，并脱离吸盘的动作。传动座椅7后侧液压伸缩杆震动模拟出吸盘取下时的反馈力。至此，完成一个简单的虚拟港口起重机作业训练任务。

上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式、具体操作方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：包括一传动座椅，一头戴式3D显示器，一头部运动追踪传感器，一立体声耳机，一脚踏压感开关，两手部动作捕捉传感器，以及与传动座椅、头戴式3D显示器、头部运动追踪传感器、手部动作捕捉传感器、脚踏压感开关电连接的计算机；

所述传动座椅包括一支撑底座，在支撑底座上固定一旋转电机，旋转电机的旋转轴顶端固定连接一旋转底盘，在旋转底盘的上部固定有液压缸，液压缸上设置有电磁阀，每个液压缸的伸缩杆顶部分别连接一弹簧，各弹簧的上端均固定在座垫的底部，在旋转底盘的延伸臂上固定所述脚踏压感开关；所述旋转电机、液压缸上电磁阀、脚踏压感开关与所述计算机电连接；

所述计算机中存有多种物流装备操作的虚拟环境，同时计算机内还设置有接收所述头部运动追踪传感器、手部动作捕捉传感器、脚踏压感开关信号，并根据信号实时改变虚拟环境画面反馈给头戴式3D显示器、根据信号和画面变化实时驱动所述液压缸电磁阀、旋转电机的处理器。

2.根据权利要求1所述的通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：所述头戴式3D显示器通过视频信号传输线缆与计算机相连。

3.根据权利要求1所述的通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：所述头部运动追踪传感器安装在头部正前方，与所述计算机通过蓝牙连接；所述头部运动追踪传感器包括陀螺仪、加速度传感器、角速度传感器。

4.根据权利要求1所述的通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：所述手部动作捕捉传感器与所述计算机通过蓝牙连接；所述手部动作捕捉传感器使用3D捕捉摄像装置，主要由处理器、红外LED以及一组不同波长的摄像头组成。

5.根据权利要求1或4所述的通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：所述手部动作捕捉传感器选择戴在左、右手上，或安装在左、右两支架上其中的之一方式。

6.根据权利要求1所述的通用型物流装备模拟训练装置，其特征在于：所述液压缸电磁阀、旋转电机、脚踏压感开关通过导线输接在自己的控制器上，各控制器上有输入输出接口，输入输出接口与所述计算机通过线缆连通。

7.根据权利要求1或6所述的通用型物流装备的模拟训练装置，其特征在于：所述脚踏压感开关设置为三档压力。

8.根据权利要求1所述的通用型物流装备的模拟训练装置，其特征在于：所述液压缸设置有3个，布置在座椅下前面一个，左、右各一个。

9.根据权利要求1所述的通用型物流装备的模拟训练装置，其特征在于：所述液压缸设置有4个，布置在座椅下前面两个，后面两个。

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