电磁式多自由度虚拟漫游行进平台制造技术

一种电磁式多自由度虚拟漫游装置，包括由阵列式磁驱单元所组成的运动平台、平台倾侧作动机构、平台倾斜感知系统、悬浮在平台上供使用者直接踩踏的两只踏垫、脚部运动感知系统、以及相应的气浮结构与压力传感器件等。系统采用虚拟现实技术，在使用者的头盔显示器或特定的眼镜中实时显示前行的道路情况及其周边的全景环境，令使用者可以选择并按此“行进”。控制系统能够精确控制踏垫，使其承载双足在平台范围内等效完成行走、跑步等运动，并按照使用者的具体行进情况，同步变更相应的虚拟场景，以收“漫游”之效。使用者在平台上不仅可以原地实现直线行进，而且能够左右转向，特别是，还能通过平台的适度倾侧以获得真实的地面坡度体验。

【技术实现步骤摘要】
电磁式多自由度虚拟漫游行进平台
本专利技术涉及一种能与虚拟现实技术进行直接交互的行进装置，具体地说是一种电磁式多自由度虚拟漫游行进平台。
技术介绍
目前，虚拟现实技术已经能够在立体显示系统中显示虚拟三维环境，使得使用者如同身临其境一般地观察并感受由计算机再现的客观物理世界，甚至，还可通过虚拟漫游平台，生成虚拟现实漫游场景，并进行交互式操作。但在现有的虚拟现实技术中，大部分仅是基于软件技术完成，其“虚拟”的成分往往远远大于“现实”。例如在CN201310284812.9“虚拟现实漫游场景生成方法及系统”中，其“漫游”的过程主要是通过三维交互仿真技术完成。再如，CN201410132834.8“一种虚拟现实系统自由视角切换方法”是通过改善其显示方法，以呈现漫游的效果。具有机电一体化技术的CN02143304.6“虚拟实境阶梯型跑步机”等试图将现有技术或经过改良的跑步机与虚拟现实技术结合，令使用者能够在一个仿真的环境中真正运动起来。特别是CN201310046761.6“柱元阵列式全向跑步机”，其目标是“用于虚拟现实领域中，为用户提供无限的自由行走空间”。而此类设计只是借助虚拟现实技术对现有的机械式跑步机做出一定的改善，尽管具备了行走运动部分，但最终还是一个跑步机，并非实现了一个完整的虚拟环境，而虚拟漫游则更是无从谈起了。而美国专利US20110009241所描述的圆盘状低摩擦地板则完全是基于电子化实现的虚拟现实系统，并采用了基于虚拟现实技术的眼镜或头盔，能够让使用者像在现实世界中一样，奔走于虚拟环境之中。但是，使用者此时需要穿上特制的鞋子，在身体被固定的情况下，双脚在“地面”上滑动或者作出相应姿势，以代替走路。这些要求为具体使用带来了很多不便。此类问题的关键之处正是在于如何将实际的行走动作与完整的虚拟现实技术有机地结合在一起，真正收到虚拟漫游的效果。为此，许多方案从改进的跑步机入手，如国际上称为ODT（Omnidirectionaltreadmill）的新方法。其一是以美国专利US7780573“虚拟行走（Cyberwalk）”为代表，该方案采用了在大传送带中嵌套方向垂直的小传送带的方式，即通过两个运动的叠加形成平面运动的装置；其二是以美国专利US8276701“虚拟地毯（Cybercarpet）”为代表，该方案采用沿垂直轴360°自由旋转的直线传送带配合其上面的滚珠阵列。此外，还有活动地板型、球形内面行走型等其它一些实现方案。综上所述，现有各项方案虽多有特点，但总的来说，仍不能形成一个令使用者在综合感受上更为贴近现实的高效虚拟漫游环境。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种电磁式多自由度虚拟漫游行进平台，以解决现有虚拟现实技术不能形成一个令使用者在综合感受上更为贴近现实的高效虚拟漫游环境的问题。本专利技术是这样实现的：一种电磁式多自由度虚拟漫游行进平台，包括有：运动平台，所述运动平台是在底座上通过平台倾侧作动器支撑连接有台板，在所述台板上设置有角度传感器，所述角度传感器用于检测平台的水平情况、倾侧方向、倾侧速度和倾侧角度；在所述台板上布设有用于驱动踏垫移动的磁驱单元阵列，所述磁驱单元阵列是由多个磁驱单元排布组合而成；所述磁驱单元是在壳体中设置有直立的铁芯和围绕所述铁芯的线圈绕组，所述线圈绕组由嵌入式分布控制系统控制通电与否和通电方向；在所述磁驱单元阵列中的所述磁驱单元之间的间隙中设置有若干气阀和若干位置探测与压力传感组件；所述气阀呈阵列排布，并与设置在磁驱单元阵列上的踏垫一道构成减少踏垫运动摩擦的气浮轴承；所述位置探测与压力传感组件组成位置传感器阵列，用于探测踏垫和使用者的双足在所述运动平台上的位置及运动变化情况；空压机，通过气路与所述运动平台上的所述气阀相接，提供气浮轴承的工作用气；踏垫，放置在所述运动平台的所述磁驱单元阵列上，用于承载使用者的足部并在所述磁驱单元的驱动下，在所述运动平台上静止或移动；虚拟现实场景设备，为佩戴式结构，内设显示器、立体声耳机、数据输入设备和数据处理设备，用于向佩戴者展示其所选定的虚拟现实场景和随运动过程所观测到的变化场景；以及嵌入式分布控制系统，包括虚拟场景选择显示与虚拟参数输出系统、通过测距实现的步态追踪系统、通过磁驱单元阵列实现的踏垫伺服系统、通过惯性元件实现的平台倾角调整系统、通过平台倾侧作动器实现的坡度控制系统以及通过气浮压力测量和空压机驱动调节系统；所述嵌入式分布控制系统用于采集传感器数据，控制运动平台随场景变化所对应的姿态，控制运动平台的磁场变换，以实现对踏垫的驱动，控制虚拟交通场景和音响效果。本专利技术中的所述气阀是在管体中装有弹簧，在所述管体的上口处设置有滚珠，在所述管体的底部设有注气嘴，所述注气嘴通过供气管路与所述空压机相接。本专利技术中的所述踏垫是在一块板状永磁体的中间设置有隔磁条带，在所述永磁体的顶面和周边包覆有隔磁罩。本专利技术中的所述平台倾侧作动器是由所述台板以及套接在所述台板外围的万向架外框组成二自由度的万向架支撑结构，在所述底座上设置有两个压力缸，一个用于控制所述台板相对于所述万向架外框的倾侧角度，另一个用于控制所述万向架外框围绕支点的旋转角度。本专利技术中的所述平台倾侧作动器为六自由度运动平台结构，是在所述底座与所述台板之间设置有六个压力缸，六个所述压力缸的缸体两两一组连接在在所述底座的一个等边三角形的三个顶点处设置的平台球铰上；相邻两组的两个所述压力缸的活塞分成一组，共接在所述台板底面的一个等边三角形的三个顶点之一处的平台球铰上；所述底座上的等边三角形与所述台板底面上的等边三角形的顶角位置相反。本专利技术的运动平台是以平面电机电磁驱动技术为基础的步态追踪和伺服系统、基于液压或电力驱动的平台倾角调整和坡度控制系统构成，用以承载人体重量并使之完成所有相应的运动和动作。踏垫有两只，每只的面积比成年人所穿的鞋底面积略大，分别对应并直接承载使用者的双脚。平台倾侧作动器是由数只液压或电动等压力缸体按照一定的结构和特定的支点对于运动平台进行支撑，并在统一控制下进行平台的倾角或位移的调整。虚拟环境是通过头盔式三维立体显示器或特殊的立体眼镜、立体声耳机等装置所构成的虚拟现实场景设备所实现，并与机械、电磁机构进行信息交互和协同工作，以产生相应的视觉、听觉等效果。运动平台中的台板为圆盘结构，并在平台倾侧作动器的作用下，能以盘面上任意的直径方向为轴线，进行一定角度的偏摆。磁驱单元阵列是由截面积较小、但数量较多的磁驱单元紧密拼装组合而成，为运动平台提供静止或变化的磁场。气浮轴承是由磁驱单元阵列的上表面与踏垫的下表面之间形成的空间所构成。运动平台上的气阀被踩踏而开启时，气路中的高压气体向上喷出，在运动平台和踏垫之间形成气垫，以将踏垫浮起，并在踏垫移动过程中消除绝大部分的摩擦阻力。探测与压力传感组件中的位置传感器可用红外等方式的位置传感器构成，并按照一定间距布满整个运动平台，形成位置传感阵列。当使用者的某只脚离开踏垫、处于悬空状态，并向任意方向迈出时，在踏垫外围周边的位置传感器便可对该足的移动位置的变化情况进行探测。气压传感器阵列是由气压传感器构成，同样按照一定间距布满整个运动平台，以监测传感器周围的气压数值及其变化情况。角度传感单元是由惯性传感器构成，安装于运动平台的台板上，用于检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁式多自由度虚拟漫游行进平台，其特征是，包括有：运动平台，所述运动平台是在底座上通过平台倾侧作动器支撑连接有台板，在所述台板上设置有角度传感器；在所述台板上布设有用于驱动踏垫移动的磁驱单元阵列，所述磁驱单元阵列是由多个磁驱单元排布组合而成；所述磁驱单元是在壳体中设置有直立的铁芯和围绕所述铁芯的线圈绕组；在所述磁驱单元阵列中的所述磁驱单元之间的间隙中设置有若干气阀和若干位置探测与压力传感组件；所述气阀呈阵列排布，并与设置在磁驱单元阵列上的踏垫一道构成减少踏垫运动摩擦的气浮轴承；所述位置探测与压力传感组件组成位置传感器阵列，用于探测踏垫和使用者的双足在所述运动平台上的位置及运动变化情况；空压机，通过气路与所述运动平台上的所述气阀相接，提供气浮轴承的工作用气；踏垫，放置在所述运动平台的所述磁驱单元阵列上，用于承载使用者的足部并在所述磁驱单元的驱动下，在所述运动平台上静止或移动；虚拟现实场景设备，为佩戴式结构，内设显示器、立体声耳机、数据输入设备和数据处理设备，用于向佩戴者展示其所选定的虚拟现实场景和随运动过程所观测到的变化场景；以及嵌入式分布控制系统，包括虚拟场景选择显示与虚拟参数输出系统、通过测距实现的步态追踪系统、通过磁驱单元阵列实现的踏垫伺服系统、通过惯性元件实现的平台倾角调整系统、通过平台倾侧作动器实现的坡度控制系统以及通过气浮压力测量和空压机驱动调节系统；所述嵌入式分布控制系统用于采集传感器数据，控制运动平台随场景变化所对应的姿态，控制运动平台的磁场变换，以实现对踏垫的驱动，控制虚拟交通场景和音响效果。...

【技术特征摘要】
1.一种电磁式多自由度虚拟漫游行进平台，其特征是，包括有：运动平台，所述运动平台是在底座上通过平台倾侧作动器支撑连接有台板，在所述台板上设置有角度传感器；在所述台板上布设有用于驱动踏垫移动的磁驱单元阵列，所述磁驱单元阵列是由多个磁驱单元排布组合而成；所述磁驱单元是在壳体中设置有直立的铁芯和围绕所述铁芯的线圈绕组；在所述磁驱单元阵列中的所述磁驱单元之间的间隙中设置有若干气阀和若干位置探测与压力传感组件；所述气阀呈阵列排布，并与设置在磁驱单元阵列上的踏垫一道构成减少踏垫运动摩擦的气浮轴承；所述位置探测与压力传感组件组成位置传感器阵列，用于探测踏垫和使用者的双足在所述运动平台上的位置及运动变化情况；空压机，通过气路与所述运动平台上的所述气阀相接，提供气浮轴承的工作用气；踏垫，放置在所述运动平台的所述磁驱单元阵列上，用于承载使用者的足部并在所述磁驱单元的驱动下，在所述运动平台上静止或移动；虚拟现实场景设备，为佩戴式结构，内设显示器、立体声耳机、数据输入设备和数据处理设备，用于向佩戴者展示其所选定的虚拟现实场景和随运动过程所观测到的变化场景；以及嵌入式分布控制系统，包括虚拟场景选择显示与虚拟参数输出系统、通过测距实现的步态追踪系统、通过磁驱单元阵列实现的踏垫伺服系统、通过惯性元件实现的平台倾角调整系统、通过平台倾侧作动器实现的坡度控制系统以及通过气浮压力测量和空压机驱动调节系统；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：原硕朋，
申请(专利权)人：原硕朋，
类型：发明
国别省市：河北;13