多轴机电系统的制作方法

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种多轴机电系统。

背景技术：

在电影或游戏中，为了提高用户体验，将用户的座椅安装在可运动的设备上，例如能够升降和倾斜的平台。对于电影来说，预先根据影片内容设置平台的运动方式，包括升降的高度和倾斜的角度。然而随着用户的要求越来越高，需要有运动方式更加丰富的设备以及相应的控制方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要提供一种多轴机电系统，使用户在观看电影或进行电子游戏时能够得到更丰富的运动形式，从而有更佳的体验。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多轴机电系统，包括多轴运动设备、控制系统、以及播放装置；其中：所述多轴运动设备包括：底座、第一臂、第二臂、第三臂、以及端头部；所述第一臂的第一端竖直地安装在所述底座上并能够绕所述第一臂的长度方向的轴线旋转，所述第二臂的第一端与所述第一臂的第二端铰接，所述第三臂的第一端与所述第二臂的第二端铰接，所述第一臂、第二臂、以及第三臂保持位于同一平面，所述端头部安装在所述第三臂的第二端，能够绕所述第三臂的长度方向的轴线旋转；所述端头部设置有座椅，供用户乘坐；所述控制系统与所述多轴运动设备以及所述播放装置连接，用于根据所述播放装置所播放的电影进程来控制所述多轴运动设备的运动；所述播放装置是穿戴式显示设备。

可选地，所述端头部具有一个壳体，该壳体内设置有座椅。

可选地，所述第二臂和所述第三臂的摆动自由度为±60°。

可选地，所述端头部设置有游戏手柄，该游戏手柄与所述控制系统连接。

根据本实用新型的技术方案，端头部具有多个维度的运动自由度，与现有的平台式的运动系统相比，运动自由度更丰富，有助于使用户获得更好的体验。根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型实施方式的多轴机电系统的主要结构的示意图；

图2是根据本实用新型实施方式的一种生成运动数据的系统的基本结构的示意图。

具体实施方式

图1是根据本实用新型实施方式的多轴机电系统的主要结构的示意图，该多轴机电系统可用来播放电影。如图1所示，多轴机电系统主要包括多轴运动设备1、控制系统2、以及电影播放装置3。其中的多轴运动设备1主要包括底座10、第一臂11、第二臂12、第三臂13、以及端头部14。

第一臂11竖直地安装在底座10上并能够绕第一臂的长度方向的轴线A(图中以点划线示出)旋转。第二臂12的第一端与第一臂11铰接，从而在第一臂11和第二臂12确定的平面(按图中视图即为纸面所在平面)内二者能够互相转动。第三臂13的第一端与第二臂12的第二端铰接，从而第二臂12和第三臂13能够在上述平面内互相转动。

端头部14安装在第三臂13的第二端，能够绕第三臂13的长度方向的轴线B(图中点划线)旋转；端头部14设置有座椅141，供观看电影的用户乘坐。端头部14可以具有一个壳体，构成一个能够容纳座椅141的舱体。

该座椅141的设置方式如图中所示，即用户背靠座椅141的靠背时，用户的左右方向(即进入和穿出纸面的方向)是第一臂11的旋转方向。

控制系统2与多轴运动设备1以及电影播放装置3连接，用于根据电影播放装置3所播放的电影进程来控制多轴运动设备1的运动。控制系统2的各个输出端与第一臂11的操纵机构(控制线路连接在底座10上)、第二臂12的操纵机构、第三臂13的操纵机构、端头部14的操纵机构连接。这些操纵机构可采用现有的电动机以及相关传动设备来实现。因为存在这些操纵机构，因此上述各臂的运动是以主动的方式进行运动。控制系统2同样与电影播放装置3连接，该电影播放装置可以是穿戴式显示设备，也可以是固定在作为一个舱体的端头部14内部的一个显示屏。控制系统2可以基于计算机以及相关外围设备来实现。

从多轴运动设备1的结构可以看出，它使端头部14具有多个维度的运动自由度，主要包括第一臂带动下的水平方向的回环旋转、第二臂和第三臂带动下的升降和端头部不同的俯仰角度(图中示出了一种仰起的状态)、以及横滚(如轴线B上的箭头所示)。上述结构与现有的平台式的运动系统相比，运动自由度更丰富，有助于使用户获得更好的体验。

在应用上述的多轴机电系统进行电影播放时，多轴运动设备1应当能够根据影片内容进行运动。例如在影片内容中包含汽车在崎岖道路上前进的场景，那么端头部应当有升降和/或俯仰的运动；又如影片内容中包含交通工具的翻滚，端头部也应当进行横滚。对于后者，开发人员可以直接根据影片内容设置一系列的横滚角度；对于前者，开发人员难以准确地直接设置第二轴和第三轴的转角。对于此，本实用新型实施方式提出了一种生成运动数据的系统，以下结合图2对此加以说明。

如图2所示，图2是根据本实用新型实施方式的一种生成运动数据的系统的基本结构的示意图。图2中的生成运动数据的系统主要包括多轴运动装置和数据处理系统。该多轴运动装置基本可以看作是多轴运动设备1的一个缩小化模型，但不包含其中的操纵机构以及其他一些部件。以下具体加以说明。

如图2所示，多轴运动装置200主要包括底座20、第一臂21、第二臂22、以及第三臂23。

第一臂21竖直地安装在底座20上并能够绕第一臂的长度方向的轴线A(图中以点划线示出)旋转。第二臂22的第一端与第一臂21的第二端活动连接从而使二者之间夹角可变；第三臂23的第一端与第二臂22的第二端活动连接从而使二者之间夹角可变。

第二臂22与第一臂21之间、第三臂23与第二臂22之间，可采用铰接的方式，铰接处安装有复位弹簧，使它们之间绕铰接处旋转之后能够自动复位。复位弹簧的安装使各臂不受外力的情况下具有一个初始姿势。也可采用两个弹性材料例如橡胶的弯管，各臂的连接端套入弯管内，可以看出弯管的形状提供了各臂的初始姿势。

图2所示的系统中，还包含一个数据处理系统，该数据处理系统包括第一至第三角度传感装置(图中未示出)，以及数据采集系统24(线路连接在底座20上)。第一角度传感装置与第一臂21连接，用于检测第一臂21的旋转角度；第二角度传感装置与第二臂22连接，用于检测第二臂22相对第一臂21的摆动角度；第三角度传感装置与第三臂23连接，用于检测第三臂23相对第二臂22的摆动角度。上述的第一至第三角度传感装置可以是圆盘滑线电阻，按照圆盘滑线电阻的安装方式固定在各臂之间的铰接处。

数据采集系统24用于根据第一至第三角度传感装置检测到的角度信息得出第一臂21的旋转角度以及第二臂和第三臂的摆动角度。数据采集系统24主要包含电源和模/数转换装置，该电源用于向上述第一至第三角度传感装置以及该模/数转换装置供电；该模/数转换装置用于将上述第一至第三角度传感装置上的电压模拟量转换为数字量。

应用图2所示的系统，可以生成图1中的多轴机电系统在播放影片时所需的运动数据。以下进行具体说明。

根据影片的场景，需要先准备一个承载面，承载面具有按照指定影片的指定场景中的运动物体的起伏而制作的对应于该处影片场景的崎岖表面。具体而言，例如影片中有车辆在越野行驶，则可以根据野地的表面形状制作承载面；又如影片中有船在大浪中行进，根据船只的起伏制作承载面。然后将图2中的多轴运动装置200放置在该承载面上。该多轴运动装置200的底座20下方可以安装轮，便于推动或拉动多轴运动装置200在该承载面上运动。

人员可以用手推动或拉动多轴运动装置200在该承载面上运动，以模拟影片一个场景中的物体例如交通工具的运动。此时由于惯性的作用，各臂会发生摆动。此时数据采集系统24按照设定的采样频率记录第二角度传感器和第三角度传感器发来的摆动角度值，从而得到角度的系列值。在影片播放到上述场景时，调取该角度的系列值，根据该系列值控制多轴运动设备1中的第二臂的摆动以及第三臂的摆动。因为承载面是按照影片场景中的物体运动方式来制作，所以多轴运动装置200中的各臂的运动近似地对应于多轴运动设备1中的各臂的运动。需要说明的是，在惯性的作用下，作为模型的多轴运动装置200的第二臂和第三臂的夹角在物体上坡时会增大，但模拟影片中的上坡时，作为实际运动机构的多轴运动设备1中的第二臂和第三臂的夹角应当减小，即上述两个夹角之间的关系是取负值的关系。

按照以上方式得到多轴运动设备1中的各臂的运动数据，只需将作为模型的多轴运动装置200在承载面上驱动运行一遍即可，操作简单方便，而且得到的运动数据可使多轴运动设备1的运动比较符合影片场景。

多轴运动设备1也可以应用于电子游戏中。用户佩戴可穿戴式显示设备以呈现虚拟场景，在该虚拟场景中具有受控对象，该受控对象一般来说可以是用户驾驶的一种交通工具，例如汽车或飞机，并且辅助以射击等游戏内容。在应用于电子游戏时，端头部14内还需设置游戏手柄，其与控制系统2连接，控制系统2同时与上述的可穿戴式显示设备连接。使用游戏手柄发送操作指令，用户可以控制上述的受控对象，使其发生水平旋转、俯仰、和/或横滚。

在本实施方式中，选择由游戏手柄直接控制第一臂、第三臂、和/或端头部，而不是根据受控对象的姿势来控制第一臂、第三臂、以及端头部。因此游戏手柄的操作指令还要发送给控制系统2，使控制系统2根据该操作指令进行控制，具体可包括：控制第一臂的旋转从而实现水平旋转，控制第三臂的旋转从而实现俯仰(用户按图中所示的形式乘坐，背向各臂)，控制端头部的旋转以实现横滚。操作指令可以针对第一臂、第三臂、以及端头部中的一种或几种。

控制系统2除了根据上述的操作指令来控制多轴运动设备1中的部件，还要控制虚拟场景中的受控对象，使该受控对象做出符合用户意图的动作，具体可包括控制虚拟场景中的当前受控对象的水平旋转、俯仰、和/或横滚。在受控对象姿势发生改变的情况下，再根据其六自由度(即对于直角坐标系，三个坐标轴上的旋转和平移)数据来控制第二臂的转动。另外，在第二臂的转动过程中，根据需要再控制第三臂的转动，例如虚拟场景中汽车爬坡时，汽车上升和仰起同时进行，此时也需控制第三臂的转动。

在游戏进行的过程中，一方面实际的物理设备即多轴运动设备1要发生运动，另一方面虚拟场景中的受控物也发生运动，这两种运动应当尽可能地同步，才可使用户有良好的体验。但是，实际的物理设备具有一定的机械惯性，呈现虚拟场景时需要计算机进行渲染，因此在手柄发出操作指令之后，多轴运动设备1的响应会有延迟，可穿戴式显示设备呈现虚拟场景时也会有延迟。根据设备机械性能以及计算机运算性能的不同，上述延迟的时间或短或长，从而有可能导致上述两种运动难以同步。

为了解决这个问题，在现有技术中一般是先确定哪种延迟较大，再提高相应的系统的配置，例如计算机渲染导致的延迟时间大于实际物理设备的机械惯性带来的延迟，就提高计算机的配置，使其处理速度加快。但是这种方式会增加成本，并且在实际中增大了维护的工作量。因此在本实用新型实施方式中，对于物理设备和计算机二者中的响应较快的一方，添加一定的延时。

具体而言，如果计算机渲染较快，那么在收到控制系统2发来的操作指令之后，立即按该操作指令进行控制，即控制第一臂、第三臂、和/或端头部，具体控制对象根据操作指令来定；然后经过一定时间的延时，再控制虚拟场景中的当前受控对象的水平旋转、俯仰、和/或横滚，即对受控对象进行渲染和呈现。

类似地，如果计算机渲染的速度较慢，可以对物理设备的控制做一些延时。这样，在收到操作指令的情况下，立即控制虚拟场景中的当前受控对象的水平旋转、俯仰、和/或横滚，即进行渲染和呈现，在一定延时之后，再控制第一臂、第三臂、和/或端头部。对于第二臂来说，其动作要根据虚拟场景中的受控对象的姿势来确定，所以当计算得出虚拟场景中的当前受控对象的六自由度数据之后，一方面要立即控制该受控对象，另一方面进行延时之后再根据该六自由度数据控制所述第二臂的转动。

以上的各项延时的时长可以相同，也可以不同，根据试验结果而定，只要使实际物理设备的动作与呈现出的虚拟受控对象的姿势相一致即可。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。