VR仿真飞翔系统的制作方法

本发明涉及柔索并联机器人应用技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术和传感器技术，尤其涉及实现仿真飞翔的一种设备系统。

背景技术：

现有实现仿真飞翔系统的实现，都是在固定于地面的刚性支撑的设备上，也有加以改进的具有气囊或单维升降平台的解决方案。如中国专利cn205796477u提供了一种人类模拟鸟飞翔的装置，其装置包括支撑体、动力部、模拟翅膀，其中模拟翅膀用于安装在人体的双臂上，支撑体用于支撑动力部以及安装有模拟翅膀的人体，动力部用于使人体进行位移。通过该装置可以实现人类在特定的空间内像鸟一样用自己的翅膀飞翔起来。但是，在所有现在的解决方案中，仿真飞翔系统没有实现人，即装置的体验者或者驾驶者，对仿真飞翔过程的全面控制，只能被动的接受固定的体验设定。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种vr仿真飞翔系统，其结构简单、美观同时可以为体验者提供真实的飞翔体验。

本发明提供的技术方案是一种vr仿真飞翔系统，包括vr系统和与所述vr系统通信连接的载具装置，所述载具装置包括：

控制器，所述控制器包括与所述vr系统通信连接的通信端；

驱动机构，所述驱动机构包括接收控制器转动信号的输入端，以及，依据所述转动信号移动位置的位移输出端；

吊装部，所述吊装部用于在垂直方向承载体验者重量，其包括设置于其一端两侧的两个侧方挂载点和设置于另一端的调平挂载点；

柔索，所述柔索包括：两条侧方柔索和一条调平柔索；所述侧方柔索一端与所述位移输出端连接，另一端与所述侧方挂载点连接；所述调平柔索一端与所述位移输出端连接，另一端与所述调平挂载点连接；

以及，

支架,所述支架包括立柱和固定在立柱顶端的y形滑轮架；所述y形滑轮架两侧枝端部设有绕装所述侧方柔索的侧方定滑轮；所述y形滑轮架在所述两侧枝之间设有绕装所述调平柔索的调平定滑轮；

其中，所述柔索经由所述y形滑轮架支撑的根据所述位移输出端的移动带动所述吊装部移动。

可以理解的是，所述绕装，即缠绕安装，即柔索跨过滑轮外周并借由滑轮外周改变柔索延伸方向以及其张力传递方向，以便形成具备指定力学结构的简单机械。

进一步的，所述位移输出端包括第一输出端，所述第一输出端与两个所述侧方柔索和调平柔索同时连接，以便根据第一输出端的运动，同步的拉拽三条柔索。

进一步的，所述位移输出端包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端与所述调平柔索连接，所述第二输出端与两个所述侧方柔索连接。

进一步的，所述位移输出端包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述第一输出端与所述调平柔索连接，所述第二输出端与所述吊装部一侧的所述侧方柔索连接，所述第三输出端与所述吊装部另一侧的所述侧方柔索连接。

进一步的，连接于同一所述位移输出端的两股以上所述柔索的连接端合并为一股。这种设置便于使用一个位移输出端同时牵引多股柔索，保持柔索末端的同步移动。这种合并是可以由一个位移输出端同时驱动，以及由一个滑轮槽改变方向的，一些实施例中使用互相缠绕实现这种合并，另一些也可以通过粘连、挤压等方式实现这种合并的驱动和滑轮调节，以便在预设的分线位置将合并的多股柔索分开后，连接于不同的挂载点。

进一步的，包括通过铰接部连接于所述吊装部两侧的翅膀，所述铰接部包括三个以上自由度；所述翅膀上设有为体验者提供着力点的把手。

进一步的，包括第一传感器，所述第一传感器设置于所述翅膀与所述吊装部之间，用于采集所述翅膀与所述吊装部之间相对位移的第一信号；所述第一信号控制所述vr系统输出挥翅动作。

进一步的，包括第二传感器，所述第二传感器设置于所述翅膀与所述吊装部之间，用于采集体验者对所述翅膀施加驱动力大小的第二信号；所述第二信号控制所述vr系统输出挥翅动作

进一步的，所述铰接部设有阻尼。这种阻尼一方面为提高飞翔中挥动翅膀所带来的阻力，另一方面通过电磁装置实现的阻尼，可以由控制器动态的调节，提供一定可变力反馈。

进一步的，所述吊装部包括座椅或者缚带。在一些实施例中，吊装部是飞行翼装，侧方挂载点设置在翼装的两侧，如肩部两侧，调平挂载点设置在翼装腰部中间，体验者穿着翼装后，其重心位于两个侧方挂载点和调平挂载点形成的多边形内，优选的，重心位于多边形的中轴上。

一个方面的，本发明中用柔索并联机器人中的柔索的伸长与缩短，实现体验者在仿真飞翔中在空中位置和姿态的变化。如，垂直方向上位置的改变和倾斜功能的实现，增强了仿真飞翔的真实感。另一方面的，本发明技术方案同时涉及在柔索的末端设置有一对仿真翅膀，翅膀的关节部位安装有传感器。当体验者搧动翅膀时，传感器发出信号，可以控制仿真飞翔在虚拟环境中的运动状态。

附图说明

图1为本发明vr仿真飞翔系统的一个实施例中载具装置的机械结构示意图；

图2为图1中翅膀与吊装部连接结构示意图；

图3为本发明vr仿真飞翔系统的一个实施例中其铰接部铰链结构示意图；

图4为本发明vr仿真飞翔系统的另一个实施例中其铰接部铰链结构示意图；

图5为本发明vr仿真飞翔系统的一个实施例中驱动机构部署结构示意图；

图6为本发明vr仿真飞翔系统的一个实施例的系统结构示意图；

图7为本发明vr仿真飞翔系统的另一个实施例的系统结构示意图；

图8为本发明vr仿真飞翔系统的一个实施例的柔索结构示意图；

图9为本发明vr仿真飞翔系统的另一个实施例的柔索结构示意图；

图10为本发明vr仿真飞翔系统的另一个实施例的柔索结构示意图；

其中，电机1、减速机2、安全罩壳3、立柱4、绳盘5、滑轮6、柔索7、翅膀8、骨杆9、把手10、铰链11、座椅12、传感器13、螺钉14、

具体实施方式

本发明的构思是在柔索并联机器人技术的基础上，采用单柱单索或多索形式，结合增加的具有传感器的仿真翅膀，实现仿真飞翔在空中的真实感和对仿真飞翔的可控制性。

实施例一

本实施例提供了一种vr仿真飞翔系统，其包括vr系统和与所述vr系统通信连接的载具装置，本实施例载具装置包括，控制器、驱动机构、吊装部、柔索和支架。其中，吊装部用于依靠支架上挂装的柔索将体验者吊离地面，支架上设有滑轮机构，柔索绕装在滑轮机构上，驱动机构通过收放柔索实现对吊装部的牵引，致使吊装部在前-后、左-右两个维度上改变俯仰角；控制器包括与所述vr系统通信连接的通信端，以便接收vr场景中的体味信号，并控制驱动机构进行相应的动作致使真实改变体验者体位。

具体的，如图1所示，本实施例中由电机1、减速机2和安全罩壳3构成驱动机构。由立柱4以及立柱4下方的底座和立柱4上方的y形滑轮架构成支架。立柱4和y形滑轮架中空，用于柔索7在其内部移动。y形滑轮架两侧枝端部处分别设有柔索出口i、iii，同时在柔索出口i、iii分别设有滑轮6，滑轮6为单槽定滑轮，分别作为侧方定滑轮绕装侧方柔索71、73。y形滑轮架在两侧枝之间设有多个绳盘5，绳盘5均为三槽定滑轮，其中间槽作为调平定滑轮用于绕装调平柔索72，两侧槽分别绕装侧方柔索71和侧方柔索73，其中，柔索出口ii处设绳盘5.2，y形滑轮架与立柱4交接处设绳盘5.1，立柱4下端接近减速机2处还设有第三个绳盘。如图8所示，侧方柔索71、73和调平柔索72的末端缠绕为一股，绕接在减速机2的位移输出端上，在接近第三个绳盘时解绕分为三股，分别绕装在绳盘三个槽中，并藉由此改变方向继续沿立柱4延展，在立柱4顶端的绳盘5.1处第二次改变方向后延y形滑轮架中枝延展，在柔索出口ii处绕装绳盘5.2后，其中，调平柔索72直接从柔索出口ii垂下与座椅12的椅背中部连接，侧方柔索71、73分别沿y形滑轮架两侧枝延展至两侧枝的端部柔索出口i、iii处并分别绕装于滑轮6上，之后分别从柔索出口i、iii垂下并连接座椅12左右两侧连接。在设备运行中，随着位移输出端正反转动，三股柔索同时收放，座椅12作为吊装部整体的承载体验者上下运行，并且在移动中保持座椅12的俯仰角不变。藉由该运动机制，控制器根据其通信端从vr系统获得的移动信号，向驱动机构的输入端发送正转或者反转的转动信号，以致使驱动机构通过位移输出端收回或者放出柔索，进而控制座椅12平稳升降。因为y形滑轮架通过三条柔索三点同时牵引座椅12，可以减少如威亚类吊装形式的晃动。

具体的，本实施例的vr系统可以是vr眼睛或者裸眼vr投影设备，对于裸眼vr投影设备还可能包含沉浸式氛围投影设备，这些设备运行游戏等仿真控制软件，并包含一个控制输出端，输出体验动作信号，以便对接的体验设备执行动作实现vr世界中动作对体验者现实感觉的影响。如通过手柄快速挥舞时，游戏角色升高，座椅12会短期上升，提供上升的加速体验，受到攻击时，游戏角色减速，座椅12会短期下降，提供中弹的加速体验。

示范的，如图1、2所示，本实施例的座椅12的椅背两侧分别安装有一翅膀8，翅膀上设有为体验者提供着力点的把手10，以便体验者抓握。铰接部由骨杆9、传感器13和铰链11构成，铰链11固定在座椅12的椅背上，翅膀8通过螺钉14和骨杆9相连，铰链11支持以椅背为固定端，以翅膀8远离椅背一侧为游离端的，上下方向，前后方向的挥动，以及以骨杆9为轴的旋转，实现了三个自由度的运动。当体验者搧动翅膀8时，传感器13产生信号，控制虚拟环境中的翅膀动作产生动作。本实施例中传感器为多个红外角度传感器，通过采集翅膀与椅背的多个二维角度，采集所述翅膀与所述吊装部之间相对位移的第一信号，并通过有线或者无线传输方式直接或者通过控制器中转的传输给vr系统，用于控制所述vr系统输出挥翅动作，在另一些实施例中，红外角度传感器也可以使用多个霍尔传感器、拉绳传感器替换用于采集相对位移。

在一些改进的实施例中，传感器13还包括扭矩传感器，用于采集体验者对所述翅膀施加驱动力大小的第二信号，第二信号也用于控制所述vr系统输出挥翅动作，比如一些对于加速度有关的视觉动画输出。在另一些实施例中，扭矩传感器也可以使用光纤传感器、拉压力传感器替换用于采集翅膀与椅背之间的多个方向的旋转力矩。

可以理解的是，与现有技术相比，在仿真飞翔体验上，现有的设施一般都采用落地式，不能体验在空中的感觉。本发明将柔索并联机器人简化为单柱形式，通过柔索将体验者“吊”在空中，产生接近真实飞翔的感觉。

可以理解的是，一般的仿真飞翔，人采取水平趴着的体位，挂载点位于人体上方，为保持姿态，体验者躯干要保持克服重力的肌肉紧张，容易产生疲劳并且不便于实施如穿戴安全缚带等准备工作。本实施例采用座椅吊装，使人可以使用坐姿舒适、方便地进行体验，除挥动翅膀所必要的力反馈之外，全身肌肉是放松的。可以理解的是，使用多点挂载，维持了座椅被柔索拉升过程中的稳定性。本实施例中，座椅重心低于体验者驾驶姿态时的重心，在y形滑轮架、人体和座椅所形成的摆动体系中，座椅进一步起到了稳定摆幅的作用，在一些其他实施例中，可以在体验者驾驶位下方设置重摆，或者随动的带阻尼柔索，形成同样的稳定结构，进一步增加吊装部移动过程中的稳定性，以减小吊装部水平摆幅。

可以理解的是，本实施例为单电机方案。即，对侧方柔索和调平柔索的驱动，全部由第一位移输出端实现，第一位移输出端对应于唯一的电机，只能实现吊装部整体的保持俯仰角的上下移动，如果需要水平加速度体验则不能实现。

本实施例中，绕为一股的侧方柔索和调平柔索在位移输出端与第三个绳盘之间已经解绕，在另一些实施例中，解绕点也可以位于第三个绳盘与绳盘5.1之间，或者绳盘5.1与绳盘5.2之间，以便绳盘5.2处分为3股，分别从i、ii、ⅲ处经滑轮引出，和座椅相连接。在一些改进的实施例中，座椅改为翼装。即体验者穿戴上具有翅膀的安全装备，体验者被水平地吊起，可以实现如同翼装滑翔运动一样的vr体验。

如图6所示，本实施例中，控制器与vr系统是双向通信，传感器的信号提供给vr系统，vr系统为体验者提供视觉体验和向控制器发送加速度信号，由控制器控制驱动机构为体验者提供飞翔的体验。如图7所示，在另一些实施例中，控制器与vr系统是单向通信，仅作为输入端为vr系统提供手柄信号，控制器不必经过vr系统而直接的基于传感器13的信号，即时提供加速度的反馈信号。进一步的优化的，为提高体验度，铰接部可以设有电致可控阻尼，如电致磁效应的，以根据控制器或者vr系统的控制，为体验者提供动态的阻尼响应。

本实施例中，支架还包括设于立柱下部的v形底座，v形底座与y形滑轮架相对设置，形成形的支撑结构，使得支架和体验者组成的运动系的重心的移动范围始终在包括v形底座的凸包内。本发明技术方案并不局限于由v形底座保持整个支架系统的稳定，在一些其他实施例中，立柱固定于移动底座上，移动底座为载具装置整体提供一个水平方向的移动。在另一些实施例中，立柱固定于底板安装孔，由立柱整体提供吊装部的支撑力。

实施例二

本实施例和实施例一中单一位移输出端不同，本实施例的vr仿真飞翔系统中，位移输出端包括独立运行的第一输出端和第二输出端，其中，第一输出端与调平柔索连接，用于对其牵引，第二输出端与两个侧方柔索同时连接。本实施例为双电机方案，即，对柔索的驱动，采取一套电机和减速机，其第一位移输出端对单索(单股)的调平柔索牵引，另一套电机和减速机，其第二位移输出端对单索(双股)两个侧方柔索牵引。如图9所示，两条侧方柔索在第二输出端拧绕为一股，单索(单股)单索(双股)，在(ii)处分为2股，分别从i、ii、ⅲ处经滑轮引出，和座椅相连接。带有座椅的翅膀，可以整体的上下垂直移动提供加速体验，同时座椅可以作前后方向的倾斜运动，在前后方向改变座椅的俯仰角，提供前后方向的加速体验。控制器提供两个独立的动作信号，在俯仰动作时，分别在ii处单股提供一个驱动，在i、ⅲ处双股提供另一个驱动。

实施例三

如图5所示，本实施例和实施例一中单一位移输出端和实施例二中双位移输出端不同，本实施例的vr仿真飞翔系统中，位移输出端包括独立运行的第一输出端、第二输出端和第三输出端，其中，第一输出端与调平柔索连接，第二输出端与吊装部一侧的侧方柔索连接，第三输出端与吊装部另一侧的侧方柔索连接。这种分三处独立迁移柔索的方式，可以使得座椅产生前后方向的俯仰动作、左右方向的倾斜动作和垂直方向上的上下动作，分别可以提供前后加速体验、左右加速体验和上下加速体验。如图10所示，本实施例中，三条柔索在位移输出端即各自连接，然后借由三槽绳盘在一根立柱的状态下，安放三根柔索，使用三台电机，达到对模拟飞翔的姿态改变，大大简化了实现前后、左右、上下三维度动态体验的支架结构。

实施例四

本实施例的vr仿真飞翔系统，如图3示范的，提供实施例一中铰链11的结构，其中，铰链11包括枢接的两个连接部，每个连接部上均设有一平面轴承，分别与翅膀8和座椅12上的轴承座连接，以此方式提供三个自由度的关节活动。

另一种等同替换的实施例中，如图4示范的，提供实施例一中铰链11的铰链结构，其中，铰链11包括球头连接的两个连接部，连接部分别与翅膀8和座椅12上的固定连接，以此方式提供三个自由度的关节活动。

实施例五

本实施例的vr仿真飞翔系统，如图5示范的，提供实施例一中多种驱动装置的布置示意。本实施例根据布置电机的多少，构成四种示范方案：

第一种方案，只有第b组包括电机、减速机的驱动机构；第二、三种方案，有第a、c组两组包括电机、减速机的驱动机构；第四种方案，有第a、b、c组三组包括电机、减速机的驱动机构。四种方案对应的是飞翔体验时，体验者可以控制的姿态不同。第一种方案，由一组驱动机构同时驱动两条侧方柔索和一条调平柔索收放，同时带动侧方挂载点和调平挂载点垂直方向上同步移动，体验者只能上下移动，同时座椅、身体保持水平姿态；第二种方案，由两组驱动机构分别驱动两条侧方柔索收放，调平柔索被锁死，体验者身体姿态只能向左侧和向右侧倾斜；第三种方案，由两组驱动机构分别驱动侧方柔索和调平柔索收放，两股侧方柔索绕装于同一驱动机构的位移输出端，体验者身体姿态只能向前侧和向后侧倾斜；第四种方案，由三组驱动机构分别驱动侧方柔索和调平柔索收放，座椅、体验者身体可以增加前后方向上的向上或向下的姿态。这样可以大大增强体验的丰富性、趣味感。

综上，可以理解的是，本实施例各个示范中，电机1根据控制器转动信号指令正反转运行，减速机构2提供方向、收放速度的变化，位移输出端为一柔索盘，柔索绕装于柔索盘，根据电机动力输出轴的转动，柔索盘正反转动收放柔索。从柔索盘引出的柔索经过支柱4内的绳盘5改变方向，并沿柔索槽54部署，柔索盘正反转动收放柔索时，各柔索7沿柔索槽54方向移动。可以理解的是，通过变速箱、差速器等常规技术手段，可以在减少电机的情况下，实现复杂的上述四种情况的体验。

可以理解的是，本发明各个实施例是由单柱柔索并联机器人、可活动关节、信息通讯模块、控制器、vr眼镜系统共同构成的一个模拟鸟类飞行运动的vr设备系统；主要涉及柔索并联机器人。一般的柔索并联机器人都有4柱、5柱、6柱支撑，本发明则涉及为单柱三索形式，在单柱上部形成分叉，并形成三个出绳口，依据支架设置的多滑轮系统实现具体位移方向的改变，利用设置分索，基于出绳口对体验者吊装。在活动关节处安装有信号传感器，当关节活动时，传感器发出信号，通过通讯模块发送至计vr系统，在屏幕上的虚拟场景中表现为虚拟翅膀的搧动；这些翅膀系统中，有椅子或安全缚带。当体验者坐在椅子上，或通过缚带水平地“吊”在空中，并且双臂展开，通过抓手或缚带固定，然后挥动手臂时，产生增强的飞翔体验。翅膀的关节在运动中产生信号，可以控制虚拟翅膀的搧动向前或向上飞翔。

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