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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