CN106943744B - 动感模拟装置及其控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动感模拟装置及其控制方法和控制装置，该动感模拟装置包括：下平台支架；上平台支架，该上平台支架位于下平台支架的上方；座椅，该座椅通过转动机构与所述上平台支架转动连接，且转动机构的转轴方向垂直于座椅的底面；输出扭矩的偏航电机，该偏航电机被设置为通过转动机构带动座椅相对上平台支架旋转；以及，至少三个输出直线运动的驱动轴，每一驱动轴连接于上平台支架与下平台支架之间。

Description

动感模拟装置及其控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及动感模拟技术领域，更具体地，本发明涉及一种动感模拟装置、该种动感模拟装置的控制方法、及该种动感模拟装置的控制装置。

背景技术

动感模拟装置是集机械、电气、计算机与自动控制技术于一体的高科技产品,其可以作为与游戏或者显示内容匹配的动感运动平台，也可以作为航空模拟器等，在动感模拟装置的基础上搭配虚拟现实显示装置，还能够为用户提供更佳逼真的体验感。

现有动感模拟装置的偏航角度均有限，一般在10°～20°左右。以经典的六自由度Stewart运动平台为例，其受限于并联型六轴结构形态，偏航运动只能通过“扭动”来实现，无法满足360度旋转的体验，因此，这类装置对游戏内容的限制性太大，不利于竞技类游戏内容的发挥，玩家体验不到大角度旋转的刺激性和逼真感。

发明内容

本发明实施例的一个目的是提供一种动感模拟装置的新的技术方案，以实现360°偏航旋转体验。

根据本发明的第一方面，提供了一种动感模拟装置，其包括：

下平台支架；

上平台支架，所述上平台支架位于所述下平台支架的上方；

座椅，所述座椅通过转动机构与所述上平台支架转动连接，且所述转动机构的转轴方向垂直于所述座椅的底面；

输出扭矩的偏航电机，所述偏航电机被设置为通过所述转动机构带动所述座椅相对所述上平台支架旋转；以及，

至少三个输出直线运动的驱动轴，每一所述驱动轴连接于所述上平台支架与所述下平台支架之间。

可选的是，所述至少三个输出直线运动的驱动轴围绕所述转动机构均匀设置。

可选的是，每一所述驱动轴被设置为通过直线电机、电缸或者气缸输出直线运动。

可选的是，每一所述驱动轴沿竖直方向固定支撑在下平台支架上，每一所述驱动轴的直线运动输出部通过铰链部件与所述上平台支架连接。

可选的是，每一所述驱动轴的直线运动输出部通过上铰链部件与所述上平台支架连接，每一所述驱动轴的本体通过下铰链部件与所述下平台支架连接，且每一驱动轴与所述下平台支架的连接点相对各自与所述上平台支架的连接点向外偏移。

可选的是，所述转动机构包括轴承座、安装在所述轴承座中的轴承、及相对所述轴承的内圈固定的法兰轴，所述轴承座相对所述上平台支架固定，所述座椅相对所述法兰轴固定；所述偏航电机被设置为带动所述法兰轴转动。

可选的是，所述转动机构还包括变速箱，所述变速箱相对所述上平台支架固定，所述偏航电机被设置为通过所述变速箱带动所述法兰轴转动，所述变速箱被设置为使得所述法兰轴的转速低于所述偏航电机的转速。

可选的是，所述动感模拟装置还包括至少一个操作输入机构、及用于采集每一操作输入机构的操作数据的传感器装置。

根据本发明的第二方面，还提供了一种根据本发明的第一方面所述的动感模拟装置的控制方法，其包括：

接收操控座椅的运动姿态的操作数据；

根据所述操作数据确定驱动数据，其中，所述驱动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅的翻滚角度、座椅的俯仰角度、及座椅的偏航角度；

根据所述驱动数据确定至少三个驱动轴各自的行程量及所述偏航电机的旋转角度；

控制所述至少三个驱动轴输出各自的行程量、及控制所述偏航电机输出对应的旋转角度。

根据本发明的第三方面，还提供了一种根据本发明的第一方面所述的动感模拟装置的控制装置，其包括：

接收模块，用于接收操控座椅的运动姿态的操作数据；

运动数据解算模块，用于根据所述操作数据确定运动数据，其中，所述运动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅的翻滚角度、座椅的俯仰角度、及座椅的偏航角度；

驱动数据解算模块，根据所述运动数据确定至少三个驱动轴各自的行程量及所述偏航电机的旋转角度；以及，

控制模块，用于控制所述至少三个驱动轴输出各自的行程量、及控制所述偏航电机输出对应的旋转角度。

本发明的一个有益效果在于，本发明动感模拟装置采用偏航电机驱动座椅旋转实现偏航运动，由于电机可以输出任意角度的旋转运动，因此，本发明动感模拟装置能够实现360°偏航旋转体验。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为根据本发明的动感模拟装置的一种实施例的结构示意图；

图2为图1所示动感模拟装置的侧视示意图；

图3为图1所示动感模拟装置的除座椅之外的分解结构示意图；

图4为根据本发明的控制方法的一种实施例的流程示意图；

图5为根据本发明的控制装置的一种实施例的方框原理图；

图6为根据本发明的控制装置的一种硬件结构的方框原理图；

图7为基于本发明的动感模拟装置的动感模拟***的方框原理图。

图8为图1所示动感模拟装置的绝对坐标系的示意图。

附图标记说明：

1-座椅； 2-上平台支架；

3-下平台支架； 4-偏航电机；

201-安装孔； 5-驱动轴；

601-上铰链部件； 602-下铰链部件；

8-转动机构； 801-轴承座；

802-轴承； 803-法兰轴；

805-变速箱； 10-操作输入机构。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是根据本发明动感模拟装置的一种实施例的结构示意图，图2是图1中动感模拟装置的侧视示意图，图3是图1中动感模拟装置除座椅之外的分解结构示意图。

根据图1至图3所示，本发明动感模拟装置包括座椅1、上平台支架2、下平台支架3、输出扭矩的偏航电机4、转动机构8、及三个并联设置的驱动轴5，其中，每一驱动轴5被设置为用于输出直线运动。

该座椅1通过转动机构8与上平台支架8转动连接，且该转动机构8的转轴方向垂直于座椅1的座面，其中，上平台支架8在竖直方向上位于座椅1的下方。

参照图8所示的绝对坐标系设置，Y轴沿竖直方向、X轴沿左右方向、Z轴沿前后方向，其中，绕Y轴的转动被称之为偏航运动yaw，绕X轴的转动被称之为俯仰运动pitch、绕Z轴的转动被称之为翻滚运动roll。

动感模拟装置的初始状态可以被设置为是使得座椅1的前后方向与绝对坐标系的Z轴方向一致。

在该初始状态下，座椅1的座面在水平方向上设置，转动机构8的转轴方向为竖直方向。

该转动机构8可以包括轴承座801、安装在轴承座801中的轴承802、及相对轴承802的内圈固定的法兰轴803，其中，轴承座801相对上平台支架2固定，座椅1相对法兰轴802固定，例如，座椅1可以直接固定连接在法兰轴802的法兰盘上。这样，座椅1便可在偏航电机4的作用下相对上平台支架8进行360度旋转，实现大角度的偏航运动。

因此，通过本发明的动感模拟装置，能够实现在射击游戏、飞碟驾驶、竞速游戏，以及太空冒险等场景下进行360°旋转的刺激和惊险体验。

该转动机构8还可以包括变速箱805，上述偏航电机4被设置为通过变速箱805带动法兰轴803转动，其中，变速箱805被设置为使得法兰轴803的转速低于偏航电机4的转速，以提高输出扭矩，并减轻眩晕。

该变速箱805可以包括箱体、及收容在箱体中的第一齿轮和第二齿轮，其中，第一齿轮和第二齿轮相互啮合，且第一齿轮与第二齿轮之间的传动比小于1，偏航电机4的输出轴与第一齿轮限制相对转动地连接，法兰轴802与第二齿轮限制相对转动地连接。

该变速箱805同样相对上平台支架2固定，在该实施例中，变速箱805固定安装在上平台支架2的安装孔201中，偏航电机4和轴承座801可以均安装在变速箱805的箱体上。

该偏航电机4例如可以是伺服电机。

在该实施例中，每一驱动轴5的直线运动输出部通过上铰链部件601与上平台支架2连接，每一驱动轴5的本体通过下铰链部件602与下平台支架3连接，且每一驱动轴5与下平台支架3的连接点相对各自与上平台支架2的连接点向外偏移。这样，通过控制每一驱动轴5的行程量，便可实现座椅1在竖直方向上的升降运动、座椅1的俯仰运动、及座椅1的翻转运动。

该上铰链部件601和下铰链部件602可以包括虎克铰链、万向节中的至少一种。

每一驱动轴5可以被设置为通过直线电机、电缸或者气缸输出直线运动，以减少每一驱动轴5的组件数量，减少机械摩擦，进而提高使用寿命、并实现静音设计。

每一驱动轴5也可以被设置为通过电机驱动丝杠螺母副的传动结构、电机驱动同步带的传动结构等输出直线运动。

以上三个驱动轴5可以围绕转动机构8均匀设置，即三个驱动轴5相互间隔120度设置。

以上三个驱动轴5的排布位置可以进一步为：在动感模拟装置的初始状态下，第一个驱动轴5的中心线与转动机构8的转轴共面，且二者所在的平面平行于Y轴、Z轴、且垂直于X轴，而第二个驱动轴5和第三个驱动轴5则与第一个驱动轴5构成等边三角形支撑结构。该种结构不仅稳定、可靠，而且可以简化对座椅1运动姿态的控制算法。

例如，通过控制三个驱动轴5产生相同的行程量，便可控制座椅1进行升降运动。通过控制第一个驱动轴5产生H1的行程量，并控制第二个驱动轴5和第三个驱动轴5产生H2的行程量，其中，H1不等于H2，便可控制座椅1进行俯仰运动。通过控制第二个驱动轴5产生H3的行程量，并控制第三个驱动轴5产生H4的行程量，其中，H3不等于H4，便可控制座椅1进行翻滚运动。

在另外的实施例中，所有驱动轴5也可以进行并联平行设置，即每一驱动轴5沿竖直方向固定支撑在下平台支架3上，每一驱动轴5的直线运动输出部通过铰链部件与上平台支架2连接，该铰链部件可以为虎克铰链，也可以为万向节、球铰等。这样，通过控制每一驱动轴5的行程量，同样可以实现座椅1在竖直方向上的升降运动、座椅1的俯仰运动、及座椅1的翻转运动。该种实施例有利于进行动感模拟装置的小型化设计。

在驱动轴5进行并联平行设置的实施例中，每一驱动轴5是固定支撑在下平台支架3上，无需通过铰链部件连接在下平台支架3上，这能够有效提高座椅1下方结构的刚性、并提高抗冲击能力和承担负载的能力，以进一步有利于对动感模拟装置进行小型化设计，而且减少铰链部件的使用还能够降低动感模拟装置的成本。

在驱动轴5进行并联平行设置的实施例中，每一驱动轴5同样可以被设置为通过直线电机、电缸或者气缸输出直线运动。

在驱动轴5进行并联平行设置的实施例中，为了减小每一驱动轴5承受的冲击力和负载，本发明动感模拟装置还包括缓冲柱，每一驱动轴5可以通过缓冲柱固定支撑在下平台支架3上，例如，每一驱动轴5各自通过四根缓冲柱固定支撑在下平台支架3上，其中，对应同一驱动轴5的四根缓冲柱可以构成正方形排布结构。

在本发明的另外的实施例中，本发明动感模拟装置可以具有多于三个驱动轴5。

该动感模拟装置还可以包括至少一个操作输入机构10、及用于采集每一操作输入机构10的操作数据的传感器装置，以使动感模拟装置的控制装置能够根据传感器装置提供的操作数据识别出操作者的操作意图，进而控制三个驱动轴5及偏航电机4进行相应的动作，以使座椅1产生与操作意图一致的运动姿态，这样，操作者将能够体验根据游戏内容或者显示内容进行实际操作控制的快感，再配合虚拟现实显示装置，还能够具有更佳逼真的体验。

在该实施例中，本发明动感模拟装置具有两个操作输入机构10，分别为油门杆和操纵杆。

在另外的实施例中，本发明动感模拟装置可以具有的操作输入机构10包括方向盘、脚踏板等。

本发明动感模拟装置还可以设置音响***。

该音响***可以设置在座椅1的内部，其中，座椅1的内部具有线槽，以进行各种线束的合并走线处理，并留有控制面板端口供用户使用。

本发明的动感模拟装置还可以包括震动装置，以可以根据游戏或显示内容进行震动模拟，达到逼真的体验效果。

该震动装置例如可以设置在座椅1的椅背上。

图4为根据本发明动感模拟装置的控制方法的一种实施例的流程示意图。

根据图4所示，本发明控制方法可以包括如下步骤：

步骤S410，接收操控座椅1的运动姿态的操作数据。

在动感模拟装置具有操作输入机构10的实施例中，该操作数据为表征操作输入机构10动作的数据，以操作输入机构10为操纵杆为例，该操作数据可以包括操作杆的偏转方向和偏转角度。

在动感模拟装置具有操作输入机构10的实施例中，该操作数据可以由用于采集操作输入机构10的操作数据的传感器装置提供。

另外，该操作数据也可以是***直接加载与游戏内容或者显示内容相对应的姿态控制脚本获得。

步骤S420，根据操作数据确定运动数据，其中，运动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅1的翻滚角度、座椅1的俯仰角度、及座椅1的偏航角度。

在该步骤S420中，可以先根据操作数据确定游戏姿态数据，该游戏姿态数据包括绕X轴的旋转角度AlfaRad、绕Y轴的旋转角度BetaRad、绕Z轴的旋转角度GammaRad、及Y轴方向线加速度YAcceG；再根据游戏姿态数据确定上述运动数据。

步骤S430，根据运动数据确定三个驱动轴5各自的行程量及偏航电极4的旋转角度。

步骤S440，控制三个驱动轴5输出各自的行程量、及控制偏航电机4输出对应的旋转角度。

图5为根据本发明动感模拟装置的控制装置的一种实施例的流程示意图。

根据图5所示，本发明控制装置可以包括接收模块510、运动数据解算模块520、驱动数据解算模块530、及控制模块540。

该接收模块510用于接收操控座椅的运动姿态的操作数据。

该运动数据解算模块520用于根据所述操作数据确定运动数据，其中，所述运动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅的翻滚角度、座椅的俯仰角度、及座椅的偏航角度。

该驱动数据解算模块530根据所述运动数据确定至少三个驱动轴各自的行程量及所述偏航电机的旋转角度。

该控制模块540用于控制所述至少三个驱动轴输出各自的行程量、及控制所述偏航电机输出对应的旋转角度。

图6是根据本发明动感模拟装置的控制装置的一种硬件结构的实施例。

根据图6所示，该控制装置可以包括至少一个存储器610和至少一个处理器620，其中，存储器610用于存储指令，该指令用于控制处理器620进行操作以执行根据本发明的控制方法。

图7是根据本发明动感模拟***的一种实施例的方框原理图。

根据图7所示，本发明动感模拟***可以包括根据本发明的动感模拟装置710、根据本发明的控制装置720、显示装置730、主机740、通信装置750、接口装置760等。

该显示装置730可以是虚拟现实显示装置、LCD显示装置等。

该接口装置760可以是USB接口等。

该通信装置750可以是进行有线或者无线通信的装置。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，但本领域技术人员应当清楚的是，上述各实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。另外，对于装置实施例而言，由于其是与方法实施例相对应，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的对应部分的说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种动感模拟装置，其特征在于，包括：

下平台支架；

上平台支架，所述上平台支架位于所述下平台支架的上方；

座椅，所述座椅通过转动机构与所述上平台支架转动连接，且所述转动机构的转轴方向垂直于所述座椅的底面；

输出扭矩的偏航电机，所述偏航电机被设置为通过所述转动机构带动所述座椅相对所述上平台支架旋转；以及，

至少三个输出直线运动的驱动轴，每一所述驱动轴连接于所述上平台支架与所述下平台支架之间，每一所述驱动轴通过缓冲柱固定支撑在下平台支架上，其中，第一个所述驱动轴的中心线与所述转动机构的转轴共面，第二个所述驱动轴与第三个所述驱动轴与第一个所述驱动轴构成等边三角形支撑结构。

2.根据权利要求1所述的动感模拟装置，其特征在于，所述至少三个输出直线运动的驱动轴围绕所述转动机构均匀设置。

3.根据权利要求1所述的动感模拟装置，其特征在于，每一所述驱动轴被设置为通过直线电机、电缸或者气缸输出直线运动。

4.根据权利要求1所述的动感模拟装置，其特征在于，每一所述驱动轴沿竖直方向固定支撑在所述下平台支架上，每一所述驱动轴的直线运动输出部通过铰链部件与所述上平台支架连接。

5.根据权利要求1所述的动感模拟装置，其特征在于，每一所述驱动轴的直线运动输出部通过上铰链部件与所述上平台支架连接，每一所述驱动轴的本体通过下铰链部件与所述下平台支架连接，且每一驱动轴与所述下平台支架的连接点相对各自与所述上平台支架的连接点向外偏移。

6.根据权利要求1所述的动感模拟装置，其特征在于，所述转动机构包括轴承座、安装在所述轴承座中的轴承、及相对所述轴承的内圈固定的法兰轴，所述轴承座相对所述上平台支架固定，所述座椅相对所述法兰轴固定；所述偏航电机被设置为带动所述法兰轴转动。

7.根据权利要求6所述的动感模拟装置，其特征在于，所述转动机构还包括变速箱，所述变速箱相对所述上平台支架固定，所述偏航电机被设置为通过所述变速箱带动所述法兰轴转动，所述变速箱被设置为使得所述法兰轴的转速低于所述偏航电机的转速。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的动感模拟装置，其特征在于，所述动感模拟装置还包括至少一个操作输入机构、及用于采集每一操作输入机构的操作数据的传感器装置。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述动感模拟装置的控制方法，其特征在于，包括：

接收操控座椅的运动姿态的操作数据；

根据所述操作数据确定驱动数据，其中，所述驱动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅的翻滚角度、座椅的俯仰角度、及座椅的偏航角度；

根据所述驱动数据确定至少三个驱动轴各自的行程量及所述偏航电机的旋转角度；

控制所述至少三个驱动轴输出各自的行程量、及控制所述偏航电机输出对应的旋转角度。

10.一种根据权利要求1至8中任一项所述动感模拟装置的控制装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收操控座椅的运动姿态的操作数据；

运动数据解算模块，用于根据所述操作数据确定运动数据，其中，所述运动数据包括座椅在竖直方向上的位移量、座椅的翻滚角度、座椅的俯仰角度、及座椅的偏航角度；

驱动数据解算模块，根据所述运动数据确定至少三个驱动轴各自的行程量及所述偏航电机的旋转角度；以及，

控制模块，用于控制所述至少三个驱动轴输出各自的行程量、及控制所述偏航电机输出对应的旋转角度。