CN109154867A - 通用平移和旋转运动模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用平移和旋转运动模拟器，其包括：第一设备，用于使用户在第一线性方向上平移；第二设备，用于使用户在第二线性方向上平移；第三设备，用于使用户在第三线性方向上平移；设置在第三设备上的第四设备，用于支承用户通过第一、第二和第三线性平移；万向节组件，其设置在第四设备上并且包括用于跟踪用户头部位置的位置跟踪传感器和/或基准装置；虚拟现实装置，用于在用户的脑海里创建虚拟现实场景；声音***，用于在用户的脑海里产生听觉；微电子器件；和可编程控制器，该模拟器可操作以使用户同时在第一、第二和第三线性方向以及第一、第二和第三旋转方向上向前和向后平移。

Description

通用平移和旋转运动模拟器

与其它申请和专利的关系

本申请要求2016年3月30日提交的、系列号为No.62/315,111的待决美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本公开总体上涉及虚拟现实；更具体地，本公开涉及一种用于产生并组合模拟器用户的现实平移和旋转运动以及模拟器用户感知到的虚拟场景的一体化***。

背景技术

与移动人的设备——包括过山车和其它游乐设施——有关的现有技术在特定重力作用下执行沿特定方向的加速度和速度，以在用户体内产生令人兴奋和欢快的感觉。诸如电梯的其它移动人的工具具有将人们从一个位置竖直地运输到另一个位置的唯一目的。用于训练的运动模拟器还可以让人移动从而为危险的现实世界任务做准备。

这些***中的一部分利用线性推进或线性提升***来产生这种加速度。这些线性运动***可以结合各种设备，包括但不限于带滑轮和钢缆的旋转马达、液压马达、线性感应马达、线性同步马达或任何其它合适的线性致动器。

娱乐业对虚拟现实(VR)技术的最新进步有着大幅提高的兴趣。已经开发了大量的运动***来呼应这种新的兴趣浪潮。这些现实运动***中的大多数是小型的并且通常利用液压马达和/或气缸以通过产生较小的加速度来引起运动感。

将VR用于真实过山车的乘坐者是一个相对较新的想法。Six Flags已经在多个公园实施了自己的VR过山车体验，乘坐者在乘坐时佩戴VR头盔。现在或不久后将可以在世界各地的游乐园中获得额外的VR体验。

能够为人们提供享受和分享的新体验将始终是一个令人感兴趣的并且有价值的行业。虚拟现实头盔已经能够提供所谓的“存在感”，即感知到物理地存在于非物理世界中。当今虚拟现实的问题在于，开发涉及用户运动的体验是非常困难的。目前正在开发的大部分VR内容包括就坐或站立体验或仅在有限空间内行走。由于VR技术已经有了很大的改进，因此运动模拟器需要赶上，以便维持用户在运动期间的存在感。常规运动模拟器缺乏用户维持存在感所需的保真度，并且虚拟运动与现实运动之间的断开混淆了身体的前庭***，从而导致恶心。运动模拟器使现实加速度与虚拟加速度(保持在生物公差内)匹配得越接近，体验就越令人满意。虽然常规木制或钢制过山车可能是有用的并且对某些应用是有利的，但它有几个缺点。常规过山车可以定义为由具有许多急弯和陡坡的固定轨道组成的游乐园景点，人们在小型快速车辆中乘坐于所述固定轨道上。

一个缺点是乘坐装置在其机械构造上是静态的。换句话说，这种常规过山车的路径是恒定的，因为它需要将极难制造的部件进行解构。另外，乘坐装置的路径上没有使得乘坐者在两次乘坐中可以体验到不同加速度的地点。当然，这忽略了在不同乘坐之间由于乘客车的重量差异而引起的天气和摩擦的影响。

另一个缺点是设计过程需要大量规划。设计过山车可能需要长达1500小时，加上2到6周安装和测试它的时间，然后才能向公众开放。

另一个缺点是制造技术非常耗时且昂贵。在制造过山车的过程中，将直钢片加热，然后永久地形成为所需形状。所制造的轨道形状需要精确到其设计形状的十分之一毫米以内，并且该过程可能导致显著的金属疲劳。

为了改变用户所体验的感知到的乘坐，已经提出将经由***用户佩戴的各个VR头盔提供的虚拟运动旅程与传统过山车上的实际物理旅程进行组合和映射。虽然这种***可以通过利用现有的物理过山车来最小化资本支出，但缺点是乘坐装置的构造是固定的并且局限于过山车轨道本身的三维构造。

已经提出使用运动模拟器代替常规过山车。然而，目前用于战斗和航天运输或者用于其它在现实世界中无法安全地复用的困难任务的常规运动模拟器缺乏所需的现实保真度，从而将其使用仅限于少量体验。

在现有技术中，位于加利福尼亚州Moffett Field的NASA Ames研究中心包括竖直运动模拟器(VMS)，其中运动底座具备六个自由度，这意味着内部有飞行员的驾驶室可以在飞行器或太空舱能够移动的六条路线上被驱动。这包括三个平移自由度(竖直、横向和纵向)和三个旋转自由度(俯仰、翻滚和横摆)。提供竖直自由度的是包括平台的竖直结构，该平台跨越建筑物的70英尺高度并支承用于其余自由度的机构。支承该平台的是两个柱，其延伸到深75英尺的轴中。位于平台两端和一侧的导向件使其保持对齐。通过平衡器可以快速移动70吨重的平台及其负载，该平衡器用氮气对两个支承柱加压，从而抵消巨大的负载。8台150马力的马达驱动所述柱，从而将平台竖直地加速至高达22英尺/秒/秒，或几乎3g/4。提供横向运动的是横向托架，其可以平移40英尺并由4台40马力的马达驱动。纵向运动由具有8英尺的范围的纵向托架提供，该纵向托架由伸缩式液压致动器驱动。

与纵向托架相似，三个旋转自由度被液压地驱动。旋转的中心支柱提供横摆运动，并且俯仰液压致动器和翻滚液压致动器提供俯仰和翻滚运动。

附接到横向托架上的两个悬链保护了许多电的、电子和液压的线路，这些线路将移动的驾驶室连接到模拟器的其余部分。悬链中的铰链使悬链具有挠性，从而允许悬链随着驾驶室的移动而移动。

窗外(OTW)图形提供计算机生成的图像，其为飞行员模拟外部世界。竖直运动模拟器(VMS)保持两个图像生成器，一个图像生成器具有五个通道，另一个具有六个通道。每个通道对应于在单个窗口中显示的图像。图像生成器能够具有独立的视点；换句话说，这些图像生成器可以同时显示不同位置的场景。这使飞行员和副驾驶员能够从略微不同的位置准确地观察场景。

该***的一个缺点是每个旋转自由度仅是部分的，不像真正的万向节/平衡环架(gimbal)***中每个万向节能够绕其自身的轴线旋转360°。

1996年4月23日授予DeSalvo的美国专利No.5509631、1996年9月24日授予Swensen的美国专利No.5558582、1999年12月28日授予DiNunzio的美国专利No.6007338、2015年3月3日授予Stoker的美国专利No.8968109和2015年4月21日授予Schmidt的美国专利No.9,011,259全部公开了一些与本发明的元件相似的元件，但是它们并未预期本发明，并且这些专利也没有一起使得本发明对本领域普通技术人员来说是显而易见的。

本领域需要一种改进的现实或物理运动***，用于以全尺寸和高保真度模拟任何物理地移动的物体在三维空间中的实际路径、可在不使用固定在空间中的轨道的情况下操作以描述实际路径，并且可编程以提供通过三维空间的以其任何速度及变量的任何所需的物理路径。

还需要一种这样的***，其中用户可以在这样的物理路径上行进的同时经受此种三维空间中的任何物理定向，并且其中该物理路径可以是连续的或不连续的。

还需要这样一种***，其中用户配备有虚拟现实设备，其中由用户观看的虚拟路径与用户的物理路径同步，以在用户体内产生期望的旅行体验的感觉。

本发明的目的是通过三维场景在用户的脑海里创建虚拟旅行的逼真感觉。

本发明的又一个目的是通过提供具有高保真度的精确加速度来使用户沿着与虚拟旅行路径对应的物理路径移动，从而相对于任何其它类似目的的***显著改善了体验质量。

发明内容

简而言之，根据本发明的一个方面，现实运动的路径是完全动态的。在这方面，单纯通过改变使能软件和运动控制，可以在任何时间、在任何维度上、以无限多种方式改变现实运动路径。由于线性马达和旋转马达的布置，这种动态自由度是可能的。

在一个实施例中，设备中的每个自由度被精确地控制和编程以复制大量现实世界体验的实际运动的分量，所述实际运动包括但不限于：乘坐过山车；在陆地上、海上、空中或太空中旅行；以及体验极限运动，所有这些都优选地具有1：1的比例并且具有高保真度。此外，可以模拟从未体验过的以及实际上在现实世界中可能无法体验的新的或想象的事件，例如，从太空降落在水星上或攻击中世纪城堡。

在另一实施例中，体验可以是随机的或交互式的，让用户选择体验结果或操纵虚拟环境。

在另一实施例中，该***可以像传统的电影院一样操作，其中多人共享共同的现实世界乘坐装置但体验各自的虚拟现实乘坐装置。此外，在电影院中，当有新的体验时，人们反复回来享受它们。

根据本发明的通用平移和旋转运动模拟器包括：第一设备，其可操作以使用户在第一线性方向上平移；第二设备，其设置在第一设备上，并且可操作以使用户在垂直于第一线性方向的第二线性方向上平移；设置在第二设备上的第三设备，其可操作以使用户在垂直于第一和第二线性方向的第三线性方向上平移；设置在第三设备上的第四设备，其可操作以支承用户贯穿/通过第一、第二和第三线性平移，并且第四设备连同第一、第二和第三设备一起限定可编程线性运动组件。第一、第二和第三设备可沿着其各自的正交轴线在速度、加速度和方向上独立地引导。优选地，通过再生制动来辅助在三个方向中的任何一个方向上的减速。

根据本发明的通用平移和旋转运动模拟器还包括：第一电动万向节，其设置在第四设备上并且具有第一旋转轴线，第一电动万向节可在第一旋转方向上围绕该第一旋转轴线向前或向后旋转；第二电动万向节，其设置在第一电动万向节上并具有与第一旋转轴线相交的第二旋转轴线，第二电动万向节可在第二旋转方向上围绕该第二旋转轴线向前或向后旋转；和第三电动万向节，其设置在第二万向节上并具有与第一和第二旋转轴线相交的第三旋转轴线，第三电动万向节可在第三旋转方向上围绕该第三旋转轴线向前或向后旋转。第一、第二和第三万向节共同限定设置在第四设备上的万向节组件。

可选地，多个此种万向节组件可被排列在第四设备上，以容许同样数量的混合现实旅程被多名用户同时享受。

可选地，在万向节组件中可以包括第四电动万向节以防止如万向节领域中公知的“万向节锁死”。万向节锁死是当三万向节组件的两个万向节的旋转轴线被驱动为平行构型时的一个自由度的缺失。在这种构型中，没有能够适应沿一个轴线的旋转的万向节。当两个万向节的旋转轴线对齐时，万向节组件经历不连续的运动(万向节锁死)。具备第四万向节可以通过智能控制它来避免万向节锁死，这样最多只有两个万向节旋转轴线排成一行。当所有四个万向节在两个旋转轴线上对齐(两组万向节平行)时，四万向节组件仍会经历万向节锁死。此构型忽略了一个旋转轴线。只要不多于两个万向节旋转轴线平行，万向节组件就不会锁死，并且始终可以进行连续运动。在四万向节组件的情况下，整个模拟器***将具有七个自由度而不是六个。

第一、第二和第三万向节可围绕其各自的旋转轴线在速度、加速度和方向上独立地引导。优选地，通过再生制动来辅助三个万向节中的任何一个万向节的旋转减速。

更进一步地，在第三万向节内设置有至少一个用户座位以供用户占据，并且在第三万向节内设置有至少一个位置跟踪传感器和/或基准装置，其可操作以跟踪用户的头部和/或其它肢体的位置。

更进一步地，在第三万向节内设置有包括虚拟现实装置的第五设备，该第五设备可由用户佩戴并且可操作以在用户的脑海内创建虚拟现实场景。

设置在第三万向节内并且可由用户佩戴的第六设备可操作以在用户的脑海里产生听觉。

更进一步地，设置在第三万向节内并且包含微电子器件的第七设备可操作以向第五设备提供图形处理能力并向第六设备提供听觉放大，并且第七设备连同至少一个位置跟踪传感器以及第五设备和第六设备一起限定虚拟运动组件。

一个或更多个可编程控制器可操作地连接到第一设备、第二设备、第三设备、第一电动万向节、第二电动万向节、第三电动万向节、可选的第四电动万向节、第五设备和第七设备；其中模拟器可操作以使用户同时在第一、第二和第三线性方向以及第一、第二和第三旋转方向上向前或向后平移，并且与所产生的运动同步地提供虚拟视觉和音频刺激。

附图说明

附图不一定成比例，而是总体上着重于示出本发明的原理。在附图中，全部各视图中相同或相似的标号用于表示相同或相似的部分。参考下面描述的附图可以更好地理解本文描述的特征，其中：

图1是示出用于设计和实施根据本发明的模拟器的三个线性笛卡尔轴线的示意图；

图2是三维空间的示意图，其中根据本发明的模拟器可以使用户沿着无限多个示例性路径中的任何一个路径平移；

图3是根据本发明的模拟器的平移部分的示意性立面图；

图4是图3中所示的平移设备的示意性立面图，示出了增加附接在平移设备的平台部分上并穿过其中心的开口的配重；

图5是示出了对图3和图4所示的模拟器增加多个万向节/平衡环架组件的示意性立面图；

图6是示出了被配置用于佩戴虚拟现实头盔的两名就座用户的单个3环万向节组件的第一实施例的示意性立面图；

图7是示出了在围绕三个相交的旋转轴线的运动中的图6所示的万向节组件的示意性立面图；

图8是示出了单个4环万向节组件的第一实施例的示意性立面图；

图9是示出了被配置用于佩戴虚拟现实头盔的两名就座用户的单个3环万向节组件的第二实施例的等轴测视图；

图10是单个4环万向节组件的第二实施例的等轴测视图，示出了用于将万向节组件驱动到模拟器上和从模拟器上离开的轮式底架；

图11是详细的等轴测视图，示出了通过夹具固定到模拟器的平台上的3环万向节组件的多个轮式实施例；

图12是示出根据本发明的模拟器的操作中的步骤的等轴侧视图，示出了经由卸载和装载斜坡同时将轮式万向节组件装载到模拟器的平台和从模拟器的平台卸载。

图13是用于操作根据本发明的通用平移和旋转模拟器并且用于将一个或更多个模拟器用户的物理运动与在模拟器用户脑海里体验的虚拟现实场景进行整合的主控制方案；

图14是与图13所示的主控制方案协调以控制模拟器的线性分量的子控制方案；

图15是与图13所示的主控制方案协调以控制模拟器的α和β分量的子控制方案；以及

图16是与图13所示的主控制方案协调以控制模拟器的γ和η分量的子控制方案。

具体实施方式

参照图1至图16，根据本发明的通用平移和旋转运动模拟器可操作以在用户的脑海里创建与用户身体的现实运动体验同步的虚拟现实体验。本发明的现实运动部分包括同时沿三个线性笛卡尔轴线和围绕三个旋转轴线的1：1高保真现实运动。这种1：1现实运动定义为在物理上与呈现给用户的虚拟运动场景中内在的表观平移和加速度相同。

参考图1和2，示出了在现实空间1中的三个正交线性轴线X、Y和Z。点P可直接沿着Z轴平移，整个Z轴可直接沿着Y轴平移，整个Y轴可直接沿着X轴平移。可以看出，通过组合沿着所有三个平移轴线的同时运动，点P可以沿着无限多个连续或不连续路径中的任何一个路径移动通过现实空间。示例性路径2在图2中示出。

现在参照图3，示出了示例性电子机械***10，其用于沿着刚才描述的在现实空间1中的无限数量的路径2中的任何一个路径移动设备。在当前优选的示例中使用的平移原动力由一个或更多个线性同步马达(LSM)和/或线性感应马达(LIM)提供，但是本发明完全包容其它动力装置的使用，包括但不限于带滑轮和钢缆的旋转马达以及液压马达和活塞。

注意：关于线性马达，有两种不同的方式来布置各构件。例如，定子(初级)可以是固定构件或移动构件。

固定定子布置结构(初级件)在本领域中称为“长定子”设计(并且连接到输电网络)，这是因为轨道在这种情况下包括定子并且比车辆(移动部件)长。

移动定子布置结构在本领域中称为“短定子”设计(位于具有车载电源的车辆上)，并且轨道包括转子。

本发明可采用上述任一类型的定子布置结构或可使用LIM与LSM的组合，这是因为一者可以更便宜而另一者可以更轻且更高效。

***10包括第一可水平操作的结构12(第一设备)，其具有例如三个可平行操作以使上方的设备沿图1和2中所示的Y轴方向移动的第一LSM 14、16、18以及例如两个导轨20、22。每个第一LSM 14、16、18包括线性初级件24和至少一个次级件26。导向车27可在导轨20和22上操作。第一配电装置28向每个第一LSM提供电力，并以已知方式经由电缆链30将电力传输到模拟器***的其余部分。

***10还包括第二可水平操作的结构32(第二设备)，其具有例如三个可平行操作以使上方设备沿着X轴方向移动的第二LSM/LIM 34、36、37，如图1和2所示。可选地，在水平结构32中可以包括导轨(未示出)。每个第二LSM包括至少一个初级件和至少一个次级件。次级件纵向延伸并沿着初级件同步移动。第二配电装置38从第一配电装置28接收电力并向每个第二LSM提供电力，并以已知方式经由电缆链将电力传输到其余模拟器***。

***10还包括第三可竖直地操作的矩形结构40(第三设备)，其优选地具有至少四个、但理论上可以仅具有一个LSM/LIM 42、44、46、48，该LSM/LIM设置在结构40的四个角部处并且可沿着图1和2中所示的Z轴方向平行操作。每个第三LSM/LIM包括至少一个初级件和至少一个次级件。次级件同步地沿着初级件移动。第三配电装置49从第二配电装置38接收电力并向每个可竖直地操作的LSM提供电力，并以已知方式经由电缆链将电力传输到其余模拟器***。第四配电装置50从第三配电装置49接收电力，并向下面描述的万向节/平衡环架(gimbal)阵列和VR装置提供电力。

LSM/LIM 42、44、46、48支承用于在第三结构40内竖直运动的平台52(第四设备)。现在可以看出，到目前为止所描述的结构10能够将平台52移动到现实空间1内的任何期望位置(图2)。

现在参考图4，结构12、32和40限定了第一电子机械子***41，其用于点P的沿着三维空间中的三个正交平移轴线的直线运动。在当前优选的实施例中，经由电缆悬挂在结构40顶部处的滑轮上的可选配重54穿过平台52中心处的开口53，电缆在其自由端连接到平台52。配重54抵消平台52的重量和平台上的负载，这减少了平台52的竖直移动所需的响应时间和能量。可选地，可以设置穿过开口53的附加LSM/LIM 56、58，其可与LSM/LIM 42、44、46、48平行地操作，以增加模拟器10的竖直原动力。

现在参照图5至7，通用平移和旋转运动模拟器100的当前优选实施例包括安装在平台52上的至少一个万向节组件60。优选地，多个万向节组件60如图2所示安装在平台52上的第一和第二支架62上，以如上所述同时容纳多个***用户64a、64b。

万向节组件60包括安装在支架62上的第一万向节66(第五结构)，其用于围绕第一旋转轴线68进行受控的电动旋转(马达未示出)。第二万向节70(第六结构)安装在第一万向节66内，用于围绕正交的第二旋转轴线72进行受控的电动旋转(马达未示出)。第三万向节74(第七结构)安装在第二万向节70内，用于围绕第三旋转轴线76进行受控的电动旋转(马达未示出)。优选但非必要地，第一、第二和第三旋转轴线68、72、76相交在空间中的公共点处(未示出)。

在第三万向节74内安装有用于将***用户64a、64b放置在第三轴线76上的至少一个用户座位78a、78b。每个用户座位78a、78b对应于图1和2中所示的点P。万向节组件60限定用于使点P绕空间中的三个正交旋转轴线旋转的第二电子机械子***80。

总之，第一子***41和第二子***80限定用于***用户的现实运动的新颖的六维通用平移和旋转运动模拟器，其中用户可以体验独立地沿着三个正交平移轴线X、Y和Z中的任何一个的平移以及围绕三个旋转轴线78、82、86(文中也称为α、β和γ)中的每一个的完整360°旋转。

此外，每个用户位置78a、78b配备有虚拟现实(VR)专用CPU(未示出)和VR显示装置82。目前优选的VR显示装置包括用户佩戴的面罩和音频耳塞或耳机，但是本发明完全包容其它类型的VR装置。优选地，单个万向节组件中的两个并排用户可以坐在横向轨道(未示出)上，从而允许每个用户横向定位成使得用户的质心与三个旋转轴线的交点重合。这对于使万向节组件的单个用户居中也是有用的。

万向节组件60还包括连接到电源50的至少一个运动传感器基准装置。它没有系连在头盔上。现有技术头盔可以采用两种不同的运动跟踪技术中的任何一种：在其中一种中，独立传感器是连接到万向节CPU的光学传感器；另一种只是基准点，用于发射由头盔上的运动传感器拾取的激光。它基本上充当头盔的“灯塔”，用以确定头盔在空间中的位置。在后一种情况下，独立传感器未系连到万向节CPU，仅连接到电源。如果运动传感器基准装置连接到CPU，则将由同一CPU控制GPU/图形处理单元并进而控制VR头盔82以准确地跟踪用户的头部，以使得当用户移动他的头部以向左或向右或向上或向下看时，面罩中的VR显示器将跟随用户的头部运动。全部在第三万向节内将CPU/GPU设备连接到VR显示装置82最大限度地减小了移动时间延迟/运动光子延迟，以提高用户体验的实时保真度。

经由第一和第二万向节之间以及第二和第三万向节之间的旋转联接器中的滑环84向三个万向节提供电力。

在操作中，混合现实/虚拟运动***10可操作以在用户的脑海里创建虚拟现实体验，该虚拟现实体验与用户身体的沿着三个正交线性轴线和三个正交旋转轴线的现实运动体验同步，该混合现实/虚拟运动***10在文中定义为六维混合现实/虚拟运动***。

现在参照图8，在根据本发明的万向节组件的第二实施例86中，在万向节组件中可以包括第四万向节88以防止万向节领域中公知的“万向节锁死”。万向节锁死是当三个万向节中的两个的轴线被驱动成平行构型、从而将***“锁死”为在退化的二维空间中旋转时发生的三维、三万向节机构中的一个自由度的缺失。锁死一词具有误导性：没有万向节受到限制。所有三个万向节仍可绕其各自的悬置轴线自由旋转。然而，由于两个万向节轴线的平行定向，没有可用于适应沿着一个轴线的旋转的万向节。这个问题可以通过使用第四万向节88来克服，第四万向节88设置在第三万向节74内并且由马达智能地驱动以维持两个万向节轴线之间的大角度。

现在参照图9，根据本发明的万向节组件的第三实施例110是第一实施例60(图6)的简化变型，其中外部万向节66由支架组件112代替，支架组件112具有可由马达116绕竖直轴线68旋转并由水平轴承123支承的两个支撑立柱114。马达116的壳体安装在平台52上(图5)。

万向节组件的其余部分与图5中所示基本上相同。万向节70由马达73绕轴线72驱动，万向节74由马达77绕轴线76驱动。

现在参照图10和11，根据本发明的万向节组件的第四实施例120是实施例110(图9)的变型，其中整个万向节组件经由附接到万向节组件66的下侧的水平支承件123可旋转地安装在轮式托架122上。马达116(在图10中不可见)安装在托架122的平台124上。托架122包括在轮128之间突出的第一和第二水平凸缘126，第一和第二水平凸缘126用于与平台52上的夹具128接合，以在模拟器的操作期间将实施例120的装置固定到平台52上。

参照图12，示出了用于向平台52装载和从平台52卸载多个万向节组件120的示例性方法。模拟器100的一个重要操作考虑因素是将用户装载到操作位置和从操作位置移出所需的时间和难度。一种可能的解决方案是设置额外的一组150万向节组件120，当模拟器正在运行前一次乘坐时，用户可以被装载到该组万向节组件中并固定在场外(未示出)。在转换时，第一组140万向节组件中的先前用户经由用于将乘客卸载到场外并将万向节组件重新装载新用户的可拆卸坡道142而被驱动离开平台52，而第二组万向节组件中的下一组用户经由可拆卸坡道152被驱动到平台52上并被夹紧到位。

现在参考图13-16，主控制器驱动物理环境内的马达。服务器驱动虚拟环境。主控制器和服务器都预加载位置与时间关系数据(假设马达控制非实时)。在运动控制的情况下，主控制器将获得对应于所需加速度的模拟输入信号并将其转换为马达的控制变量。

主控制器向用于对应于一个自由度的每组马达的控制器发送位置数据并从所述控制器接收位置数据。主控制器还将每个单独的马达组的物理位置(p_m)发送到服务器。本发明中的所有马达控制器均使用反馈回路来以高采样率保持位置精度，并且它们都以相同方式工作。对于在图14中描述的x方向上的马达控制器，主控制器发送在x方向上的所需位置(x*)。x控制器获取x*并将其发送到每个马达的比例积分微分控制器(PID)。PID₁基于所需位置x*、通过编码器测定的实际位置x₁以及M₁和M₂之间的偏差(x₂-x₁)来计算对于x方向上的第一线性马达(M₁)的所需速度。该偏差在相邻马达之间计算，最后一个与第一个进行比较。这确保了以相同自由度操作的所有马达保持对齐。在PID₁计算获得所需位置所需的速度(v*)后，将其发送到DRIVE₁。DRIVE₁为M₁提供必要的电压和电流水平，以有效地执行操作。安装在M₁上的编码器将x₁反馈给x控制器。x_i，x₂，...和x_q的平均值(x)——其中q等于在x方向上操作的马达的数量——被发送回主控制器。其它自由度的控制器的操作与此相同。在图15和16中的万向节马达控制器的情况下，每个自由度最多可以有两个马达，然而可以有无限数量的线性马达控制一个自由度。而且，η自由度仅对于四万向节组件是必需的。

主控制器将每个马达的当前位置(p_m)发送到服务器。输入流接收马达位置数据并将其转换为虚拟引擎友好格式(e)。引擎友好变量被发送到服务器实例，在该服务器实例里使用e来确定适当的虚拟方向，该虚拟方向可能取决于乘坐者各自的虚拟体验而因乘坐者而异。对于同时乘坐的所有用户而言，虚拟体验不必相同，并且物理旋转运动也可以不同。然而，在任何给定时间，对于所有用户的物理线性运动都相同。另外，如果万向节组件具有多于一个乘坐者，则它们的旋转速度将根据其座位的位置而不同。虽然所有乘坐者的现实线性运动相同，但它们可以具有不同的虚拟线性运动。这是因为乘坐者可能被欺骗为比他们物理的运动虚拟地更快或更慢。因此，不必然在所有情况下都是虚拟到物理运动1：1同步。对于旋转运动也是如此，因此l_n和r_n在乘坐者之间可以不同。服务器以与主控制器相同的时钟运行，并且它们都可以执行反馈循环以确定马达(对于主控制器)或虚拟环境(对于服务器)是否需要加速或减速以维持同步。服务器基于万向节组件和每个人坐于其中的座椅而将位置数据发送到每个万向节组件上的各个CPU。每个客户端实例将客户端特定帧发送到VR头盔以供用户观看，并经由耳机伴有音频。可以将乘坐者的头部、手和被跟踪的任何目标的位置数据发送回客户端实例以重新计算客户端特定帧。

根据本发明的模拟器的一个重要用途是再现通过时间和空间的现实世界旅行。通过将加速度计、陀螺仪、其它惯性测量单元(IMU)或其任何组合安装到任何移动目标上，可以实时测量和记录目标的旋转和平移运动。来自这些传感器的数据可以在数学上分成三维分量，并用于控制运动模拟器内的所有马达组，从而以高保真度精确再现原始运动。要记录的和随后模拟的潜在移动目标的一些示例包括但不限于汽车、摩托艇、跳伞运动员、飞机和沙丘车。

虽然已经参考许多具体实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明的实质和范围应该仅仅通过本说明书可以支持的权利要求来确定。此外，虽然在文中的许多情况下***和设备以及方法被描述为具有一定数量的元件，但是应该理解，这些***、设备和方法可以用少于所述特定数量的元件来实施。而且，虽然已经描述了许多特定实施例，但是应该理解，已经参考每个特定实施例描述的特征和方面可以与每个其余特别描述的实施例一起使用。

Claims (20)

1.一种通用平移和旋转运动模拟器，包括：

a)第一设备，其能够使用户同时在三个独立的正交线性方向中的任何一个上平移；

b)第二设备，其设置在所述第一设备上并且能够使用户同时绕三个独立的旋转轴线中的任何一个旋转，其中所述旋转中的至少两个旋转能够通过360°；

c)虚拟现实设备，其能够在用户的脑海里创建虚拟旅行体验；和

d)包括硬件和软件两者的控制设备，其连接到所述第一设备、所述第二设备和所述虚拟现实设备，以使所述第一设备沿着空间中的与所述虚拟旅行中的虚拟路径对应的现实路径移动所述用户。

2.一种通用平移和旋转运动模拟器，其与用户身体沿着空间中的现实的规定路径的现实运动体验同步地将虚拟现实运动体验结合在所述用户的脑海里以产生现实/虚拟运动体验，包括：

a)第一设备，其可操作以使所述用户沿第一线性方向平移；

b)第二设备，其设置在所述第一设备上并且可操作以使所述用户在正交于所述第一线性方向的第二线性方向上平移；

b)第三设备，其设置在所述第二设备上并且可操作以使所述用户在正交于所述第一和第二线性方向的第三线性方向上平移；

d)第四设备，其设置在所述第三设备上并可操作以支承所述用户通过第一、第二和第三线性平移，并且第四设备连同所述第一设备、第二设备和第三设备一起限定线性运动组件；

e)第一电动万向节，其设置在所述第四设备上并且具有第一旋转轴线；

f)第二电动万向节，其设置在所述第一电动万向节内并且具有正交于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线；

g)第三电动万向节，其设置在所述第二万向节内，具有正交于所述第一旋转轴线和第二旋转轴线的第三旋转轴线，并且第三电动万向节连同所述第一电动万向节和第二电动万向节一起限定万向节组件；

h)用于所述用户乘坐的、设置在所述第三万向节内的至少一个座位；

i)设置在所述第三万向节内的至少一个位置运动传感器基准装置，其可操作以跟踪所述用户头部的位置；

j)第五设备，其设置在所述第三万向节内，能由所述用户佩戴，并且可操作以在所述用户的脑海里创建虚拟现实场景；

k)第六设备，其设置在所述第三万向节内，能由所述用户佩戴，并且可操作以在所述用户的脑海里产生听觉；

l)第七设备，其设置在所述第三万向节内并包含微电子器件，所述微电子器件可操作以向所述第五设备提供图形处理能力并向所述第六设备提供听觉放大，并且第七设备连同所述至少一个位置运动传感器基准装置以及第五和第六设备一起限定虚拟现实组件；和

m)控制子***，其包括至少一个可编程控制器，操作地连接到所述第一设备、所述第二设备、所述第三设备和所述第四设备以在所述第一线性方向、第二线性方向和第三线性方向上控制所述线性运动组件，并且操作地连接到所述第一电动万向节、所述第二电动万向节、所述第三电动万向节和所述第七设备以在所述第一旋转方向、第二旋转方向和第三旋转方向上控制所述万向节组件。

3.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其特征在于，所述第一设备包括第一马达，所述第一马达选自由线性同步马达、线性感应马达、旋转马达和液压马达组成的群组。

4.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其特征在于，所述第二设备包括第二马达，所述第二马达选自由线性同步马达、线性感应马达、旋转马达和液压马达组成的群组。

5.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其特征在于，所述第三设备包括第三马达，所述第三马达选自由线性同步马达、线性感应马达、旋转马达和液压马达组成的群组。

6.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第一设备和所述第二设备占据相应的第一水平平面和第二水平平面并且所述第三设备占据竖直平面。

7.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第四设备还包括支承所述万向节组件的水平平台。

8.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括在所述第三万向节内的多个所述座位。

9.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括设置在所述第四设备上的多个所述万向节组件。

10.根据权利要求9所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括多个所述虚拟现实组件。

11.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述规定路径能通过将所述第一可编程控制器和第二可编程控制器中的至少一者重新编程而切换到不同的规定路径。

12.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第一和第二可编程计算机中的至少一者可操作以使所述线性运动和万向节组件的每个构件的现实运动与所述虚拟现实组件的所述虚拟现实场景同步。

13.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括第八设备，所述第八设备限定设置在所述第三电动万向节内的第四电动万向节。

14.根据权利要求2所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第一设备、第二设备和第三设备中的至少一者包括至少一个线性马达。

15.根据权利要求3所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第一电动万向节、第二电动万向节和第三电动万向节限定第一万向节组件。

16.根据权利要求13所述的通用平移和旋转运动模拟器，其中，所述第一、第二、第三和第四万向节组件限定第二万向节组件。

17.根据权利要求15所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括轮式底架。

18.根据权利要求16所述的通用平移和旋转运动模拟器，还包括轮式底架。

19.一种用于在用户的脑海和身体中产生虚拟现实体验的方法，包括以下步骤：

a)提供用于现实运动的六维***；

b)提供虚拟运动***；

c)将所述用户设置在所述六维***中；

d)为所述用户配备所述虚拟运动***；

e)在通过所述六维中的至少多个维度的现实路径中运送所述用户，同时在与所述现实路径同步的虚拟路径上操作所述虚拟运动***。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述六个维度包括三个正交线性维度和三个旋转维度。