TWI666044B - 氣動多自由度裝置 - Google Patents

Abstract

本發明主要揭露一種氣動多自由度裝置，其包括一支架、能供應高壓氣體的一供氣裝置、能以該高壓氣體為動力來驅動該支架作正向或逆向轉動的一氣動旋轉機構、能以該高壓氣體為動力來驅動該支架作不同方向擺動的一氣動昇降機構、多個閥門及一閥門控制單元。該閥門控制單元與該些閥門能決定如何將該高壓氣體供應給該氣動旋轉機構與氣動昇降機構，藉以控制該兩機構的動作。本發明價格低廉，且可進行多自由度運動，以使乘坐其上的使用者體驗到近似真實駕駛賽車、飛機或其他載具的感受。

Description

氣動多自由度裝置

本發明與適用於模擬駕駛賽車、飛機或其他載具的駕駛模擬裝置有關，尤指一種氣動多自由度裝置。

市面上的賽車模擬裝置依其驅動方式大致上可分成兩種，即電動缸和搖臂驅動方式，不管是哪一種方式都是用來驅動一支架，以使該支架上的一座椅能產生多個自由度的運動，讓乘坐於該座椅上的使用者能體驗到近似真實駕駛賽車的感受。然而，這兩種驅動方式，背後都是以電機(例如伺服馬達)作為動力源，由於每一個自由度的運行各自需要一個電機作為動力源，這將導致現有賽車模擬器的售價太高而難以普化至一般家庭。另外，現有的家用賽車模擬器還停留在無運動結構的模擬架方式，或者僅提供一、兩個自由度，例如旋轉和上下運動。這類家用賽車模擬器雖可因此降低售價，但無法模擬實際賽車的駕駛，故所能提供的體驗效果當然差強人意。

鑒於現有駕駛模擬裝置難以兼顧體驗效果及售價的問題，本發明提供一種氣動多自由度裝置，藉以解決該問題。

更詳而言之，本發明之氣動多自由度裝置包括一支架、能供應高壓氣體的一供氣裝置、能以該高壓氣體為動力來驅動該支架作正向或逆向轉動的一氣動旋轉機構、能以該高壓氣體為動 力來驅動該支架作不同方向擺動的一氣動昇降機構、多個閥門及一閥門控制單元。該些閥門分別接收該供氣裝置所供應的高壓氣體，並分別受閥門控制單元控制而對應開啟或關閉。被開啟的閥門將所接收的高壓氣體供應給控該氣動旋轉機構及/或氣動昇降機構，被關閉的閥門中斷該高壓氣體的供應。

在一實施例中，本發明之上述氣動昇降機構包括一底座及間隔環列於該底座上的多支氣壓缸。該底座設於該氣動旋轉機構上，由該氣動旋轉機構帶動而作轉動。該些氣壓缸的缸體設於該底座，該些缸體分別連接該些閥門，並接收來自所連接的閥門的高壓氣體。氣壓缸利用高壓氣體來驅動本身的一伸縮桿作伸、縮，每一支氣壓缸的伸縮桿的末端各自連接於該支架。

在一實施例中，本發明之上述每一支氣壓缸的該伸縮桿各自套一緩衝彈簧，該些緩衝彈簧用於提供彈性緩衝作用給該支架。

在一實施例中，本發明之上述氣動昇降機構包括一固定環，該固定環連接固定於該些氣壓缸的缸體。

在一實施例中，本發明之上述供氣裝置設於該底座上。

在一實施例中，本發明之上述氣動旋轉機構包括一轉動部、一轉動驅動裝置及一傳動機構。該轉動部的一端連接固定於該氣動昇降機構的該底座。該轉動驅動裝置連接該些閥門，並接收來自所連接的閥門的高壓氣體，及利用高壓氣體來驅動本身的一轉軸作轉動。該傳動機構由該轉動驅動裝置帶動，並傳動該轉動部作轉動。

在一實施例中，本發明之上述傳動機構包括由該轉動驅動裝置帶動於轉動的一主動齒輪、多個環繞該主動齒輪的從動齒輪及一內齒環。該些從動齒輪由該主動齒輪同步帶動於轉動。該內齒環連接固定於該轉動部的另一端，並環抱該些從動齒輪，及由該些從動齒輪帶動於轉動。

在一實施例中，本發明之上述閥門控制單元包括一微處理器，該些閥門配置於該轉動驅動裝置及每一支氣壓缸，該微處理器會分析接收來自一電腦的座標數據，並將該些座標數據轉換成代表對應自由度運動的運動數據，再將該些運動數據轉換成對應的閥門開關數據，並根據該些閥門開關數據決定對應的閥門的開啟與關閉，藉以控制該轉動驅動裝置及/或該些氣壓缸的動作。

在一實施例中，本發明之上述閥門控制單元還包括一位置回饋模組，該轉動驅動裝置的該轉軸與該些氣壓缸的伸縮桿分別具有一初始位置，該位置回饋模組偵測該轉動驅動裝置的該轉軸與該些氣壓缸的伸縮桿在動作之後的所在位置，並比對所偵測到的位置與對應的初始位置，及將比對結果傳送給該微處理器。該微處理器根據所收到的比對結果即時更新運動數據，藉以控制該轉動驅動裝置及/或該些氣壓缸的下一步的動作。

相對於先前技術，本發明之氣動多自由度裝置因不採取電機，故有價格低廉而易於普化至一般家庭之優勢，且因其可進行多自由度運動，故可使乘坐其上的使用者體驗到近似真實駕駛賽車、飛機或其他載具的感受，從而解決現有駕駛模擬裝置的上述問題。

1‧‧‧氣動多自由度裝置

10‧‧‧座體

101‧‧‧外殻

11‧‧‧氣動旋轉機構

110‧‧‧轉動驅動裝置

111‧‧‧傳動機構

112‧‧‧轉動部

111A‧‧‧主動齒輪

111B‧‧‧從動齒輪

111C‧‧‧內齒環

12‧‧‧氣動昇降機構

120‧‧‧底座

121‧‧‧氣壓缸

122‧‧‧緩衝彈簧

123‧‧‧固定環

130‧‧‧閥門控制單元

13‧‧‧閥門組

14‧‧‧支架

140‧‧‧框架

141‧‧‧托盤

15‧‧‧供氣裝置

2‧‧‧座椅

圖1顯示本發明之氣動多自由度裝置的一個較佳實施例的立體外觀圖。

圖2、3顯示該較佳實施例的部份機構的立體外觀圖。

圖1顯示本發明之氣動多自由度裝置1一個較佳實施例，其可運用於一賽車模擬裝置、飛機模擬裝置或其他載具的駕 駛模擬裝置，其支持一座椅2，並帶動座椅2作多自由度運動，讓座椅2上的一使用者得以體驗多自由度運動的感受。在此實施例中，氣動多自由度裝置1包括一座體10及非必要的一外殻101，外殻101用以遮蔽隨後提及的相關機構。

如圖2所示(圖中省略了外殻101)，氣動多自由度裝置1還包括設於座體10上的一氣動旋轉機構11、一氣動昇降機構12、一閥門組13、一閥門控制單元130、一支架14、及一供氣裝置15。

如圖3所示，氣動旋轉機構11位於最下方，其包括一轉動驅動裝置110、一傳動機構111及一轉動部112。在此實施例中，轉動驅動裝置110可選用氣動的旋轉缸(或稱迴轉缸)，傳動機構111可選用行星齒輪傳動機構，但不以此為限。

轉動驅動裝置110能通過傳動機構111帶動轉動部112作轉動。更詳言之，轉動驅動裝置110連接閥門組13，並接收來自閥門組13的高壓氣體，及利用該高壓氣體來驅動本身的一轉軸(圖中未示)作轉動。該轉軸帶動傳動機構111的一主動齒輪111A作轉動，並因此帶動了數個環繞主動齒輪111A的從動齒輪111B作轉動，以致於環抱該些從動齒輪111B的一內齒環111C跟著作轉動，從而帶動了轉動部112轉動。

再如圖2所示，氣動昇降機構12包括一底座120及間隔環列於底座120上的多支氣壓缸121。底座120與氣動旋轉機構11的轉動部112連接固定。該些氣壓缸121的缸體設於底座120，且各自與底座120的中心大致等距離。每一缸體各自連接閥門組13，並接收來自閥門組13的高壓氣體，及利用該高壓氣體來驅動本身的一伸縮桿作伸、縮(該伸縮桿在圖中是被隨後將述及的緩衝彈簧122所包圍)。每一支氣壓缸121的伸縮桿的末端各自連接於支架14的一框架140，其連接方式可為樞接、焊接、或其他固定方式。框架140中央具有一托盤141，托盤141用於鎖固上述的座椅2，較佳可選用通用電競椅托盤結構，如此，該使用者便可在市面上 輕易選購想要的電競椅，不需要單獨購買特定的椅子。

在一實施例中，每一支氣壓缸121的該伸縮桿可各自套一緩衝彈簧122，緩衝彈簧122用於提供彈性緩衝作用給框架140。

在一實施例中，氣動昇降機構12還包括一固定環123，固定環123連接固定於該些氣壓缸121的缸體，以使該些氣壓缸121能穩固地立於底座120上。

供氣裝置15可採取外接式或內置式，此實施例係採取後者，亦即，供氣裝置15可固設於上述底座120的中央或座體10上的一個適當位置。此外，供氣裝置15可選用小型空壓機。無論如何，供氣裝置15係連接閥門組13，並通過閥門組13供應氣動旋轉機構11及/或氣動昇降機構12於運作時所需要的上述高壓氣體。

閥門組13可固設於上述底座120或座體10上的一個適當位置，且內部具有多個閥門(圖中未示)，該些閥門分別接收供氣裝置15所供應的高壓氣體，並分別受閥門控制單元130控制而對應開啟或關閉。當閥門被開啟時將所接收的高壓氣體供應給控氣動旋轉機構11及/或氣動昇降機構12，而在關閉時中斷該高壓氣體的供應。

閥門可選用電磁閥或電動閥。氣動旋轉機構11的轉動驅動裝置110的正時針與逆時針轉動運作各需要配置一個閥門。每一支氣壓缸121的昇、降運作也各需配置一個閥門。

閥門控制單元130包括一微處理器(圖中未示)，並耦接該些閥門，及選擇性控制該些閥門的開啟與關閉。在一實施例中，閥門控制單元130耦接一電腦(圖中未示)。該電腦執行的一運動控制程式，例如一賽車遊戲程式。電腦的一顯示屏(圖中未示)可設置在座椅2前方，以供座椅2上的一使用者觀看，該顯示屏也可以設置在由該使用者所使用的一VR裝置(例如VR頭盔)內。電腦於執行該賽車遊戲程式的過程中，發出座標數據給閥門控制單元130。閥門控制單元130的處理器會分析所收到的座標數據並 將它們轉換成代表對應自由度運動的運動數據，再將該運動數據轉換成閥門開關數據，並根據閥門開關數據決定對應的閥門的開啟與關閉，藉以控制轉動驅動裝置110及/或該些氣壓缸121的動作，以使支架14產生對應的自由度運動。

在一實施例中，閥門控制單元130還包括一位置回饋模組(圖中未示)，位置回饋模組具有設置於座體10上的多個位置偵測器(圖中未示)，並通過位置偵測器偵測轉動驅動裝置110的轉軸與該些氣壓缸121的伸縮桿在動作之後的所在位置，比對所偵測到的位置與初始位置，將比對結果傳送給微處理器。微處理器根據所收到的比對結果即時更新運動數據，藉以控制轉動驅動裝置110及/或該些氣壓缸121的下一步的動作。

當氣動旋轉機構11的轉動驅動裝置110在閥門控制單元130及閥門組13的控制下帶動轉動部112作轉動時，整個支架14就會跟著轉動，簡言之，氣動旋轉機構11能在閥門控制單元130的控制下帶動支架14作正向或逆向轉動。當氣動昇降機構12的任一氣壓缸121的伸縮桿在閥門控制單元130及閥門組13的控制下作伸縮時，支架14對應該任一氣壓缸121的部分就會跟著作昇降，簡言之，氣動昇降機構12能在閥門控制單元130的控制下帶動支架14作不同方向之運動。因此，在氣動旋轉機構11與氣動昇降機構12的協同運作下，支架14便具多自由度運動，支架14上的椅子2亦然。這意味著椅子2上的該使用者將可體驗到近似真實駕駛賽車、飛機或其他載具的感受。

相對於先前技術，本發明之氣動多自由度裝置1在不採取電機之下，通過上述氣動旋轉機構11、氣動昇降機構12、閥門控制單元130及閥門組13，實現以低廉價格達成多自由度運動的模擬裝置，並使乘坐於該模擬裝置上的使用者能體驗到近似真實駕駛賽車、飛機或其他載具的感受，解決現有駕駛模擬裝置難以兼顧體驗效果及售價的問題。

Claims (9)

1. 一種氣動多自由度裝置，包括：一支架；一供氣裝置，能供應高壓氣體；一氣動旋轉機構，能以該高壓氣體為動力來驅動該支架作正向或逆向轉動；一氣動昇降機構，能以該高壓氣體為動力來驅動該支架作不同方向的擺動；一閥門控制單元；及多個閥門，分別接收該供氣裝置所供應的高壓氣體，並分別受該閥門控制單元控制而對應開啟或關閉，其中，被開啟的該閥門將所接收的高壓氣體供應給控該氣動旋轉機構及/或該氣動昇降機構，被關閉的該閥門中斷該高壓氣體的供應。
2. 如請求項1所述的氣動多自由度裝置，其中該氣動昇降機構包括：一底座，設於該氣動旋轉機構上，由該氣動旋轉機構帶動而作轉動；及間隔環列於該底座上的多支氣壓缸，該些氣壓缸的缸體設於該底座，該些缸體分別連接該些閥門，並接收來自所連接的閥門的高壓氣體，該些氣壓缸利用該高壓氣體來驅動本身的一伸縮桿作伸、縮，每一支氣壓缸的伸縮桿的末端各自連接於該支架。
3. 如請求項2所述的氣動多自由度裝置，其中每一支氣壓缸的該伸縮桿各自套一緩衝彈簧，該些緩衝彈簧用於提供彈性緩衝作用給該支架。
4. 如請求項2或3所述的氣動多自由度裝置，其中該氣動昇降機構包括一固定環，該固定環連接固定於該些氣壓缸的缸體。
5. 如請求項4所述的氣動多自由度裝置，其中該供氣裝置設於該底座上。
6. 如請求項2所述的氣動多自由度裝置，其中該氣動旋轉機構包括：一轉動部，一端連接固定於該氣動昇降機構的該底座；一轉動驅動裝置，連接該些閥門，並接收來自所連接的閥門的高壓氣體，及利用該高壓氣體來驅動本身的一轉軸作轉動；及一傳動機構，由該轉動驅動裝置帶動，並傳動該轉動部作轉動。
7. 如請求項6所述的氣動多自由度裝置，其中該傳動機構包括：一主動齒輪，由該轉動驅動裝置帶動於轉動；多個環繞該主動齒輪的從動齒輪，該些從動齒輪由該主動齒輪同步帶動於轉動；及一內齒環，連接固定於該轉動部的另一端，並環抱該些從動齒輪，及由該些從動齒輪帶動於轉動。
8. 如請求項6所述的氣動多自由度裝置，其中該些閥門配置於該轉動驅動裝置及每一支氣壓缸，該閥門控制單元包括一微處理器，該微處理器會接收及分析來自一電腦的座標數據，並將該些座標數據轉換成代表對應自由度運動的運動數據，再將該些運動數據轉換成對應的閥門開關數據，並根據該些閥門開關數據決定對應的閥門的開啟與關閉。
9. 如請求項8所述的氣動多自由度裝置，其中該閥門控制單元還包括一位置回饋模組，該轉動驅動裝置的該轉軸與該些氣壓缸的該伸縮桿分別具有一初始位置，該位置回饋模組偵測該轉動驅動裝置的該轉軸與該些氣壓缸的該伸縮桿在動作之後的所在位置，並比對所偵測到的位置與對應的初始位置，及將比對結果傳送給該微處理器，該微處理器根據所收到的比對結果即時更新運動數據。