CN104834322A - 用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅 - Google Patents
用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅。包括座椅平台、活动气缸、固定平台、电磁控制阀及用于供电的电源电路，座椅平台通过六自由度活动气缸安装在固定平台上，固定平台上设有六个电磁控制阀，六个电磁控制阀分别连接各自的活动气缸进行控制，六个电磁控制阀分别经电磁阀连接模块与控制模块连接，空气压缩机连接六自由度活动气缸，电源电路分别与控制模块和六个电磁控制阀连接进行供电。本发明用于带给体验者随着虚拟过山车在轨道上不同位置时相应的位姿调整反馈，解决了真实过山车场地因素、人身安全等条件的限制，并可利用虚拟现实技术实现对丰富多样的过山车体验场景的体验需求，安全性高，有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种力反馈座椅，尤其涉及一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅。
背景技术
长期以来，游乐场里的过山车都是一项富有刺激性的娱乐工具，那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。当过山车在蜿蜒曲折的轨道上极速飞驰，乘坐的感觉也瞬息万变，但是正因为过山车高速的旋转和强大的落差导致一些高度近视、心脏病或者是有隐形疾病的人群增加了犯病风险。而且真实的过山车由于场地因素和人身安全等条件的限制，无法实现长距离、任意场景、恶劣天气及惊险轨道的刺激体验。
当今虚拟现实(Virtual Reality：VR)技术作为一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域新技术，利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以实时、主动、不受限制地观察三维空间内的事物。
现有市场上的座椅占地空间较大，位姿变换不灵活，再加上电脑场景信息对座椅的传递速度较慢，座椅变化滞后，且变换姿态不够丰富，用户的体验感比较差。
发明内容
针对真实过山车体验的局限性，本发明的目的在于提供一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，可用于虚拟现实技术的过山车场景，实现真实过山车场景中的下坡、上坡、跳跃、下落、左倾和右倾等姿态的体验。
本发明为实现上述功能，采用的技术方案是：
本发明的力反馈座椅包括座椅平台、活动气缸、固定平台、电磁控制阀及用于供电的电源电路，座椅平台通过六自由度活动气缸安装在固定平台上，固定平台上设有六个电磁控制阀，六个电磁控制阀分别连接各自的活动气缸进行控制，六个电磁控制阀分别经电磁阀连接模块与控制模块连接，空气压缩机连接六自由度活动气缸，电源电路分别与控制模块和六个电磁控制阀连接进行供电。
所述的座椅平台底面间隔设有三个座椅铰接座，固定平台顶面间隔设有与座椅平台底面三个座椅铰接座位置交错安装的三个平台铰接座，相邻的座椅铰接座与平台铰接座之间连接有活动气缸，即六个活动气缸依次铰接并呈S形连接在座椅平台底面与固定平台顶面之间，由此连接形成六自由度活动气缸。
所述的控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。
所述的电磁阀连接模块包括译码器U7和六个电路结构相同的中间驱动模块，多个电磁控制阀经各自的中间驱动模块连接到译码器U7；译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的中间驱动模块。
所述的中间驱动模块包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁控制阀。
所述的电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路。
所述的24V转5V电源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源。
所述的5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。
本发明的有益效果是：
本发明利用力反馈座椅代替真实的过山车座椅，解决高速旋转和强大落差带来的安全问题。
本发明力反馈座椅用于带给体验者随着虚拟过山车在轨道上不同位置时相应的位姿调整反馈，并可利用虚拟现实技术设计丰富多样的过山车体验场景，满足用户的不同需求。
本发明解决了真实过山车场地因素、人身安全等条件的限制，为实现过山车体验场景提供可能，可靠性高，具有较强的技术创新性和先进性。
附图说明
图1是本发明座椅的结构示意图。
图2是本发明各模块的连接关系方框图。
图3是本发明单片机控制模块的电路图。
图4是本发明USB通信电路的电路图。
图5是本发明译码器U7的电路图。
图6是本发明中间驱动模块的电路图。
图7是本发明的24V转5V电路的电路图。
图8是本发明的5V转3.3V电源电路的电路图。
图中：1、座椅平台，2、活动气缸，3、固定平台，4、电磁控制阀。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明力反馈座椅包括六自由度运动装置和动力模块。其六自由度运动装置主要包括座椅平台1、活动气缸2、固定平台3、电磁控制阀4及用于供电的电源电路，座椅平台1通过六自由度活动气缸2安装在固定平台3上，固定平台3上设有六个电磁控制阀4，六个电磁控制阀4分别连接各自的活动气缸2进行控制，如图2所示，六个电磁控制阀4分别经电磁阀连接模块与控制模块连接，空气压缩机连接六自由度活动气缸2，电源电路分别与控制模块和六个电磁控制阀4连接进行供电。
如图1所示，上述座椅平台1底面间隔设有三个座椅铰接座，固定平台3顶面间隔设有与座椅平台1底面三个座椅铰接座位置交错安装的三个平台铰接座，相邻的座椅铰接座与平台铰接座之间连接有活动气缸2，即六个活动气缸2依次铰接并呈S形连接在座椅平台1底面与固定平台3顶面之间，由此连接形成六自由度活动气缸2。
如图3所示，上述控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；如图4所示，USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。
上述电磁阀连接模块包括译码器U7和六个电路结构相同的中间驱动模块，多个电磁控制阀4经各自的中间驱动模块连接到译码器U7；如图5所示，译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的中间驱动模块。
如图6所示，上述中间驱动模块包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁控制阀4。
本发明的电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路。
如图7所示，24V转5V电源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源。
图8所示，5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。
本发明的具体实施工作过程如下：
具体实施中，译码器U7的型号可采用74HC154。光耦的型号可采用EL817。场效应管的型号可采用IRF540N。
如图4所示，本发明的控制芯片U1通过串口接收和发送数据，或是通过USB进行通信，PC端场景向座椅控制模块传输位姿数据，控制芯片U1根据反馈的数据接收到场景里面的数据来调整控制座椅的姿态，进而把场景中座椅的姿态在现实中模拟出来，进而增加用户的体验。
中间驱动模块与电磁控制阀4连接控制活动气缸2，六个电磁控制阀4分别用于控制六个活动气缸2的运动，六个活动气缸2可以通过不同动作组合实现座椅的前倾、后仰、提升、下降、左倾和右倾等位姿，模拟虚拟过山车场景中的下坡、上坡、跳跃、下落、左转和右转等位姿(如下表1所示)，带给体验者如同在现实中坐过山车的身***姿变化和座椅力反馈效果。
表1
空气压缩机输出压力为2.3MPa的空气，推动活动气缸2动作。当空压机的压力不足时，与之相连的电动机会自动运转使空压机达到额定的输出压力。
控制模块通过带单片机的集成电路控制与活动气缸2相连的气阀开闭，实现对气缸动作的控制。气阀的响应频率在20Hz以上，保证座椅的位姿变化与虚拟过山车场景一致，从而实现满意的沉浸感。
综上所述，本发明运用气缸力反馈座椅模拟真实的过山车，座椅占地空间相对较小，位姿变换灵活，再加上电脑场景信息实时传输给座椅，座椅变化及时，且变换姿态丰富，同时突破场地因素、人身安全等限制实现了任意场景、恶劣天气及惊险轨道的刺激体验，该***运行稳定，安全性高，有较高的应用价值和显著技术效果。
Claims (8)
1. 一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的力反馈座椅包括座椅平台（1）、活动气缸（2）、固定平台（3）、电磁控制阀（4）及用于供电的电源电路，座椅平台（1）通过六自由度活动气缸（2）安装在固定平台（3）上，固定平台（3）上设有六个电磁控制阀（4），六个电磁控制阀（4）分别连接各自的活动气缸（2）进行控制，六个电磁控制阀（4）分别经电磁阀连接模块与控制模块连接，空气压缩机连接六自由度活动气缸（2），电源电路分别与控制模块和六个电磁控制阀（4）连接进行供电。
2. 根据权利要求1所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的座椅平台（1）底面间隔设有三个座椅铰接座，固定平台（3）顶面间隔设有与座椅平台（1）底面三个座椅铰接座位置交错安装的三个平台铰接座，相邻的座椅铰接座与平台铰接座之间连接有活动气缸（2），即六个活动气缸（2）依次铰接并呈S形连接在座椅平台（1）底面与固定平台（3）顶面之间，由此连接形成六自由度活动气缸（2）。
3. 根据权利要求1所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。
4. 根据权利要求1所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的电磁阀连接模块包括译码器U7和六个电路结构相同的中间驱动模块，多个电磁控制阀（4）经各自的中间驱动模块连接到译码器U7；译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的中间驱动模块。
5. 根据权利要求4所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的中间驱动模块包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁控制阀（4）。
6. 根据权利要求1所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路。
7. 根据权利要求6所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的24V转5V电源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源。
8. 根据权利要求6所述的一种用于沉浸式过山车体验***的力反馈座椅，其特征在于：所述的5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。
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