CN207187052U - 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
本实用新型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。本实用新型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。本实用新型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
本实用新型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。
实用新型内容
本实用新型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:本实用新型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。
本实用新型的工作原理:
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,本实用新型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,下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
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。
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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