一种用于虚拟现实的可操控协调运动感知座椅的制作方法

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种用于虚拟现实的可操控协调运动感知座椅。

背景技术：

在VR虚拟现实中画面模拟人在飞行器，汽车等运动状态时，但人仍然座在椅子上，并未发生移动，大脑在身体移动信号和视觉移动信号不一致而产生紊乱，导致眩晕和恶心症状。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种用于虚拟现实的可操控协调运动感知座椅，包括座椅、底部支架、至少一个左右弧形运动机构、至少一个前后弧形运动机构。

左右弧形运动机构包括至少一对相对设置的第四电机壳体、一个第一弧形轨道、至少一对第三电机壳体，每对第四电机壳体的两个壳体位于第一弧形轨道下方两侧，每对第三电机壳体的两个壳体位于第一弧形轨道上方两侧。各对第三电机壳体下方对应设置一对第四电机壳体，且第三电机壳体是通过第三支撑轴固定于对应第四电机壳体上方。每对第四电机壳体中间设置第四齿轮，且各个第三电机壳体朝向第一弧形轨道的一端设置有第三齿轮。所述第一弧形轨道位于第四齿轮与第三齿轮之间，且沿着座椅左右方向放置，第一弧形轨道下表面设置有沿着轨道长度方向设置有连续的、与第四齿轮咬合的咬合齿，上表面两侧沿着轨道长度方向设置有连续的、与第三齿轮咬合的咬合齿。至少有一个壳体内设置有用于驱动对应齿轮的电机。所述第三齿轮、第四齿轮能够以座椅的前后方向为轴心方向进行转动。

前后弧形运动机构包括至少一对相对设置的第二电机壳体、一个第二弧形轨道、至少一对第一电机壳体，每对第二电机壳体的两个壳体位于第二弧形轨道下方两侧，每对第一电机壳体的两个壳体位于第二弧形轨道上方两侧。各对第一电机壳体下方对应设置一对第二电机壳体，且第一电机壳体是通过第一支撑轴固定于对应第二电机壳体上方。每对第二电机壳体中间设置第二齿轮，且各个第一电机壳体朝向第二弧形轨道的一端设置有第一齿轮。所述第二弧形轨道位于第二齿轮与第一齿轮之间，且沿着座椅前后方向放置，两端固定于座椅底部。第二弧形轨道下表面设置有沿着轨道长度方向设置有连续的、与第二齿轮咬合的咬合齿，上表面两侧沿着轨道长度方向设置有连续的、与第一齿轮咬合的咬合齿。至少有一个壳体内设置有用于驱动对应齿轮的电机。所述第一齿轮、第二齿轮能够以座椅的左右方向为轴心方向进行转动。

前后弧形运动机构设置在左右弧形运动机构的上方或者下方，当在上方时，第一弧形轨道上表面设置有与第二电机壳体数量相同的第二支撑轴，各个第二电机壳体固定于第二支撑轴上端。当在下方时，第二弧形轨道上表面设置有与第四电机壳体数量相同的第四支撑轴，各个第四电机壳体固定于第四支撑轴上端。

优选的，还包括旋转升降机构、旋转升降机构由固定在一起的电动升降泵与第五电机组成，并安装在底部支架上方、左右弧形运动机构及前后弧形运动机构的下方。第五电机能够以垂直地面的方向作为轴线做360度旋转，电动升降泵能够沿垂直于地面的方向升降。旋转升降机构上端设置有与其邻近的弧形运动机构的邻近电机壳体个数对应的支撑轴，各个支撑轴上端分别固定有一个所述邻近电机壳。

优选的，第五电机设置在电动升降泵下端或者上端。

优选的，座椅底部左右两侧设置至少一对可前后旋转的轴承，每对轴承的不动部分均固定在座椅底部，可旋转部分则分别与其中一个第一弧形轨道的两端连接，第一弧形轨道所在圆与第二弧形轨道所在圆为同心圆。

优选的，所述底部支架有四个支撑脚，左右相对设置或者前后相对设置的两个支撑脚上安装有运转电机。

优选的，所述座椅设置有运转电机控制按键。

优选的，所述座椅前方下部设置有脚踏，运转电机控制按键设置于脚踏上。

优选的，所述座椅还设置有植入有虚拟现实程序的电脑主机，所述电脑主机与虚拟现实头盔连接。

优选的，还包括充电模块与蓄电池，座椅的各个电机与蓄电池连接。

优选的，当具有多个左右弧形运动机构和/或多个前后弧形运动机构时，各个左右弧形运动机构平行设置和/或各个前后弧形运动机构平行设置，各个第一弧形轨道的两端部通过连接杆连接和/或各个第二弧形轨道的两端部通过连接杆连接。

优选的，还包括充电模块与蓄电池，座椅的各个电机与蓄电池连接。

优选的，还包括一个遥控器，所述遥控器内设置有用于判断位置和速度的传感器、中央处理器。

所述传感器用于感测遥控器位置变化的方向、角度、速度，并将信号传输给中央处理器。

中央处理器内存储有原始坐标系的相关信息，用于根据原始坐标系及传感器信号判断遥控器的运动方式，进而需要驱动相应机构完成相关动作。

优选的，原始坐标系的确定方法是：遥控器处于静止且不倾斜状态时本体上任意一点作为原点，座椅左右方向作为X轴方向，且右为正向，座椅上下方向作为Y轴方向，且上为正向，座椅前后方向作为Z轴方向，且前为正向。

优选的，所述中央处理器的工作方法为：

步骤一：将遥控器最后一次处于静止且不倾斜状态时所确定的坐标系作为原始坐标系。

步骤二：接收传感器在原始坐标系的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的移动信号。

步骤三：确定需要驱动的机构，并将对应的移动信息转化为相关机构中电机的旋转脉冲频率信号和转动方向信号，驱动相关机构进行运动。

优选的，步骤三中，X轴、Z轴上的移动信号包括方向信号、角度信号、速度信号，Y轴上的移动信号包括上升加速度信号或下降加速度信号。

优选的，步骤三中，所述中央处理器能够通过调整传递给电机的旋转脉冲频率倍数来调整座椅的实际位移量。

优选的，遥控器还设置有存储模块及录制功能单元、运动重现功能单元。

所述录制功能单元用于向中央处理器发出录制指令，所述录制指令用于实现中央处理器将对各个机构发出的电机运动的旋转脉冲频率信号信息和转动方向信号及发送时间信息发送到存储模块中进行存储。

所述运动重现功能单元用于向中央处理器发出读取指令，所述读取指令用于实现中央处理器读出存储模块先前存储的信息，并再次发送对应的信号再次发送给各个机构。

本发明的有益效果为：

本发明使得在VR虚拟现实中画面模拟人在飞行器，汽车等运动状态时，坐在椅子上的用户能够跟随画面发生移动，大脑在身体移动信号和视觉移动信号一致，避免眩晕和恶心。

附图说明

图1示为具体实施例1的整体示意图。

图2为具体实施例1中左右弧形运动机构的示意图。

图3为具体实施例1中前后弧形运动机构的示意图。

图4为具体实施例2的整体示意图。

图5为具体实施例3的整体示意图。

图6为具体实施例4的整体示意图。

图7为具体实施例7中前后弧形运动机构的示意图。

图8为具体实施例8中前后弧形运动机构的示意图。

图9为遥控器运动示例图。

图中，1.第一电机壳体，2.第二电机壳体，3.第三电机壳体，4.第四电机壳体，5.第五电机，6.第一弧形轨道，7.第二弧形轨道，8.电动升降泵，9.座椅，10.底部支架，11.轴承，12.运转电机，13.万向轮，14.脚踏。

具体实施方式

本发明的设计整体构思为：包括座椅9、底部支架10、至少一个左右弧形运动机构、至少一个前后弧形运动机构。下面分别介绍。

1.左右弧形运动机构

左右弧形运动机构包括至少一对相对设置的第四电机壳体4、一个第一弧形轨道6、至少一对第三电机壳体3，每对第四电机壳体4的两个壳体位于第一弧形轨道6下方两侧，每对第三电机壳体3的两个壳体位于第一弧形轨道6上方两侧；各对第三电机壳体3下方对应设置一对第四电机壳体4，且第三电机壳体3是通过第三支撑轴固定于对应第四电机壳体4上方；每对第四电机壳体4中间设置第四齿轮，且各个第三电机壳体3朝向第一弧形轨道6的一端设置有第三齿轮；所述第一弧形轨道6位于第四齿轮与第三齿轮之间，且沿着座椅9左右方向放置，第一弧形轨道6下表面设置有沿着轨道长度方向设置有连续的、与第四齿轮咬合的咬合齿，上表面两侧沿着轨道长度方向设置有连续的、与第三齿轮咬合的咬合齿；至少有一个壳体内设置有用于驱动对应齿轮的电机；所述第三齿轮、第四齿轮能够以座椅9的前后方向为轴心方向进行转动。

左右弧形运动机构并不限定设定个数，当具有多个左右弧形运动机构时，每个左右弧形运动机构平行设置，各个第一弧形轨道6的两端部通过连接杆连接，以保证运动同步。

优选的，为了更好的固定第一弧形轨道6，座椅9底部左右两侧设置至少一对可前后旋转的轴承11，每对轴承11的不动部分均固定在座椅9底部，可旋转部分则分别与其中一个第一弧形轨道6的两端连接。

轴承11的设置具有的技术效果是：扩大本发明的设计者对左右弧形运动机构个数的选择范围，因为当左右弧形运动机构具有多个时，由于各个第一弧形轨道6两端连接在一起，即使只有一个第一弧形轨道6两端固定于轴承11上，也可保障所有左右弧形机构的稳定。

左右弧形运动机构的运动原理为：

第四齿轮和第三齿轮转动，第一弧形轨道6与两种齿轮咬合，咬合力促使第一弧形轨道6左右移动。如要控制第一弧形轨道6的运动轨迹，则只需要控制左右运动的幅度。

2.前后弧形运动机构

前后弧形运动机构包括至少一对相对设置的第二电机壳体2、一个第二弧形轨道7、至少一对第一电机壳体1，每对第二电机壳体2的两个壳体位于第二弧形轨道7下方两侧，每对第一电机壳体1的两个壳体位于第二弧形轨道7上方两侧；各对第一电机壳体1下方对应设置一对第二电机壳体2，且第一电机壳体1是通过第一支撑轴固定于对应第二电机壳体2上方；每对第二电机壳体2中间设置第二齿轮，且各个第一电机壳体1朝向第二弧形轨道7的一端设置有第一齿轮；所述第二弧形轨道7位于第二齿轮与第一齿轮之间，且沿着座椅9前后方向放置，两端固定于座椅9底部，以通过机械力更好的固定第二弧形轨道7，增强座椅9整体稳定性；第二弧形轨道7下表面设置有沿着轨道长度方向设置有连续的、与第二齿轮咬合的咬合齿，上表面两侧沿着轨道长度方向设置有连续的、与第一齿轮咬合的咬合齿；至少有一个壳体内设置有用于驱动对应齿轮的电机；所述第一齿轮、第二齿轮能够以座椅9的左右方向为轴心方向进行转动。

前后弧形运动机构的运动原理为：

第二齿轮和第一齿轮转动，第二弧形轨道7与两种齿轮咬合，咬合力促使第二弧形轨道7前后移动。如要控制第二弧形轨道7的运动轨迹，则只需要控制前后运动的幅度。

前后弧形运动机构设置在左右弧形运动机构的上方或者下方，当在上方时，第一弧形轨道6上表面设置有与第二电机壳体2数量相同的第二支撑轴，各个第二电机壳体2固定于第二支撑轴上端；当在下方时，第二弧形轨道7上表面设置有与第四电机壳体4数量相同的第四支撑轴，各个第四电机壳体4固定于第四支撑轴上端。

本发明还优选设置有旋转升降机构。

旋转升降机构由固定在一起的电动升降泵8(也可以为电动液压或者气压升降泵)与第五电机5组成，并安装在底部支架10与左右弧形运动机构之间。第五电机5能够带动其上方的部分以垂直地面的方向作为轴线做360度旋转，电动升降泵8能够沿带动其上方的部分垂直于地面的方向升降。

旋转升降机构上端设置有与其邻近的弧形运动机构的邻近电机壳体个数对应的支撑轴，各个支撑轴上端分别固定有一个所述邻近电机壳。这里所述的邻近为紧邻，即只有在下方的弧形运动机构才会被成为紧邻。例如，当左右弧形运动机构设置在前后弧形运动机构下方时，左右弧形运动机构与其紧邻，旋转升降机构上端设置有与第四电机壳体4个数对应的第四支撑轴，各个第四支撑轴上端分别固定有一个第四电机壳体4。当前后弧形运动机构设置在左右弧形运动机构下方时，左右弧形运动机构与其紧邻，旋转升降机构上端设置有与第二电机壳体2个数对应的第二支撑轴，各个第二支撑轴上端分别固定有一个第四电机壳体2。

第五电机5可设置于电动升降泵8的上方或者下方。应当理解，两者的相对位置不影响功能的实现。

应当理解，旋转升降机构的设置是优选方案，根据实际情况，可以不设置机构。

还需要说明的是，本发明中，第一弧形轨道6的两端被固定时，当第一弧形轨道6所在圆和第二弧形轨道7所在圆需为同心圆，以避免运动干涉。固定方式为前述的轴承固定。

下面通过具体实施例及附图对本座椅的结构进行举例说明。

具体实施例1：

如图1所示，该实施例具有旋转升降机构、一个左右弧形运动机构、一个前后弧形运动机构。旋转升降机构中，第五电机5设置在电动升降泵8上方。

第五电机5上设置有两个第四支撑轴，对应有两个第四电机壳体4。两个第四电机壳体4驱动的第四齿轮上设置有第一弧形运动轨道，第一弧形轨道6两端通过轴承11固定于座椅9底部。

如图2所示，第四支撑轴设置于第一弧形轨道6上表面两侧齿的间隔处。一对第三电机壳体3的第三齿轮分别与第一弧形轨道6上表面两侧咬合齿咬合，第四齿轮与第一弧形轨道6下表面的咬合齿咬合。

如图3所示，第二支撑轴设置于第二弧形轨道7上表面两侧齿的间隔处。一对第一电机壳体1的第一齿轮分别与第二弧形轨道7上表面两侧咬合齿咬合，第二齿轮与第二弧形轨道7下表面的咬合齿咬合。

所有第四电机壳体4、第三电机壳体3中至少有一个壳体设置有电机。

所有第二电机壳体2、第一电机壳体1中至少有一个壳体设置有电机。

为了方便座椅9各个电机的工作，本发明还优选设置有蓄电池组和充电模块(优选设置为底部支架10上或者9座椅靠背后面)，所述蓄电池组与各个电机连接，充电模块用于为蓄电池组供电。

具体实施方式2：

如图4所示，除了第一弧形轨道6两侧不与座椅9底部固定外，其余均与第一实施方式相同。(第一弧形轨道和第二弧形轨道可为任意弧度弧形轨道，也可为半圆形轨道，也可为非同心圆)

具体实施方式3:

旋转升降机构、左右弧形运动机构、前后弧形运动机构的设置均与具体实施方式1相同，不同之处在于，所述底部支架10有四个支撑脚，所述四个支撑脚分别朝向前、后、左、右四个方向，左右相对设置或者前后相对设置的支撑脚上安装有一个运转电机12，其余支撑脚上安装有万向轮13。

如图5所示，朝向左、右的两个支撑脚安装有运转电机12，朝向前、后的两个支撑脚安装有万向轮13。优选的，为了方便座椅9使用者对整个座椅9位置进行控制，可设置运转电机12控制装置。根据需要，该装置可以为手控或者脚控。当为手控时，可以采用控制手柄或者键盘，当为脚控时，可以在座椅9前方下部设置脚踏14，运转电机12控制按键设置在脚踏14上。控制方式可为：右脚控制两个运转电机12相反运转，实现带动整个座椅9左右360度旋转功能，左脚可控制两个运转电机12同步前后移动。

为了方便座椅9各个电机的工作，本发明还优选设置有蓄电池组和充电模块(优选设置为底部支架10上或者9座椅靠背后面)，所述蓄电池组与各个电机连接，充电模块用于为蓄电池组供电。

具体实施方式4:

如图6所示，旋转升降机构、前后弧形运动机构、底部支架10的设置、运转电机12控制方式均与具体实施方式3相同，不同之处在于，左右弧形运动机构的第一弧形轨道6的两端并不固定于座椅9下方。此时，第一弧形轨道6、第二弧形轨道6可为任意弧度弧形轨道，也可为半圆形轨道，也可为非同心圆、

具体实施方式五：

左右弧形运动机构、前后弧形运动机构、底部支架10的设置(当设置运转电机12时还包括运转电机12控制方式)可采用具体实施方式1-4的任意一种。区别之处在于，第五电机5设置在电动升降泵8下方，其旋转时第五电机5自身及其上所设置装置均旋转。

具体实施方式六：

与具体实施方式5的区别之处在于，第五电机5设置于电动升降泵8上方。

具体实施方式七：

上下旋转机构、底部支架10的设置可采用具体实施方式1-6的任意一种。

区别之处在于，左右弧形运动机构中设置了两对第四电机壳体4、两对第三电机壳体3。前后弧形运动机构中设置了两对第二电机壳体2、两对第一电机壳体1(如图7所示)。这样可使带动轨道和座椅9的功率和钮距增大，同时可使轨道两侧固位更加牢固。

具体实施方式八：

上下旋转机构、底部支架10的设置可采用具体实施方式1-6的任意一种。

区别之处在于，左右弧形运动机构设置了两组，前后弧形运动机构设置了两组(如图8)。

这样可使带动轨道和座椅9的功率和钮距增大，同时可使轨道两侧固位更加牢固。

以上任一实施方式均有如下优化方案：

设置一个电脑主机，该电脑主机植入有虚拟现实程序，可以虚拟现实头盔连接，以供座椅用户具有与座椅9运动动作匹配的虚拟现实感受。电脑主机可设置于座椅9的靠背后面。电脑也可采用蓄电池供电。

蓄电池供电给各个电机的技术构思适合于上述各个具体实施方式及其变形。

为了实现对本座椅的旋转升降机构、左右弧形运动机构、前后弧形运动机构运动的控制，本发明设置了遥控器(可用户手持)，所述遥控器内含用于判断位置和速度的传感器(如陀螺仪、加速度传感器)、中央处理器。

所述传感器用于感测遥控器位置变化的方向、角度、速度，并将信号传输给中央处理器。

中央处理器内存储有原始坐标系的相关信息，用于根据原始坐标系及传感器信号判断遥控器的运动方式，进而确定需要旋转的电机壳体内的电机，及电机壳体内的电机的旋转脉冲频率和转动方向，并控制电机壳体内的电机完成相关动作。

在本申请中，原始坐标系的确定方法是：遥控器处于静止且不倾斜状态时此时本体上任选一点为原点，座椅左右方向作为X轴方向，且右为正向，座椅上下方向作为Y轴方向，且上为正向，座椅前后方向作为Z轴方向，且前为正向。应当理解，本发明中原始坐标系的原点不会是固定不变的，随着遥控器位置的变化，原点在现实空间中的位置会随之变化，整个坐标系做整体移动。

为了方便理解，再对中央处理器的中央处理器的工作方法进行详细说明：

步骤一：将遥控器最后一次处于静止且不倾斜状态时所确定的坐标系作为原始坐标系。

步骤二：接收传感器在原始坐标系的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的移动信号。

X轴、Z轴上的移动信号包括方向信号、角度信号、速度信号，Y轴上的移动信号包括上升加速度信号或下降加速度信号。

步骤三：确定需要驱动的机构，并将对应的移动信息转化为相关机构中电机的旋转脉冲频率信号和转动方向信号，驱动相关机构进行运动。

本步骤中，当具有X轴方向的移动信号时，驱动左右弧形运动机构中各个电机；当具有Y轴方向的移动信号时，驱动上下旋转机构中各个电机(实际使用过程中，当不存在上下旋转机构时，Y轴上的信号不被处理)；当具有Z轴方向的移动信号时，驱动前后旋转机构中各个电机。

优选的，本步骤中，中央处理器能够通过调整传递给电机的旋转脉冲频率倍数来调整座椅的实际位移量，以根据用户实际情况控制座椅的状态。

更优选的，遥控器还设置有存储模块及录制功能单元、运动重现功能单元、当用户需要启动录制功能单元、运动重现功能单元的工作时是通过按下遥控器上的相应按键。

所述录制功能单元用于向中央处理器发出录制指令，所述录制指令用于实现中央处理器将对各个机构发出的电机运动的旋转脉冲频率信号信息和转动方向信号及发送时间信息发送到存储模块中进行存储。

所述运动重现功能单元用于向中央处理器发出读取指令，所述读取指令用于实现中央处理器读出存储模块先前存储的信息，并再次发送对应的信号给各个机构。

下面结合图9以举例的方式对控制原理进行详细说明。需要说明的是，图9显示的是存在上下旋转机构的情况。

当遥控器左右方向旋转时(如图9)，传感器会在左右水平方向上以Z轴为轴心，在X轴和Y轴上产生移动角度和速度，遥控器上的中央处理器将获得位置变化的方向、角度和速度，中央处理器将角度和速度转化成电机对应的旋转脉冲频率和正反转信号(正向和反向是预先人为规定)。

如图9，以Z轴为轴心，向在垂直Z轴的Y轴的左边旋转了30度，旋转时产生的角速度是π/6弧度每秒，以向左转定义为反转，对应由中央处理器收到位置速度传感器的信息后，如果左右弧形运动机构的电机采用步距角为1.8度的电机，根据遥控器旋转的角速度，转化成单位时间旋转的角度，对应电机同样的单位时间旋转相同的角度，如下公式：30÷1.8＝16.6将16.6用4舍5入取整，就得到17个脉冲，中央处理器给左右弧形运动机构电机的电机旋转脉冲频率为17HZ，使得左右弧形运动机构电机在1秒钟内以Z轴为轴心向左旋转30度，这样带动第一弧形轨道产生电机旋转30度向左的位移。同时可根据实际位移量的大小，在中央处理器接收到遥控器的角度变化和速度后，可调整给电机脉冲的频率倍数，来放大实际轨道的位移量，如果要加大第一弧形轨道2倍实际位移量，中央处理器将给电机单位时间的脉冲个数为17*2＝34，脉冲频率为34HZ。如果本实施例采取的是步进电机，则在需要减小步进电机单位时间的位移量时可以调整步进电机的步距角驱动细分数，将驱动细分数为2时，步进电机的步距角为0.9度，如果同样单位时间给17个脉冲，此时步进电机实际旋转是15度，即第一弧形轨道产生的实际位移量将减半。

所以可以通过对步距角的细分和脉冲数量的调整这两种方式来控制步进电机的精度，放大或者缩小实际位移量。

左右弧形运动机构的电机和以前后弧形运动机构的电机都可以根据遥控器的位移产生的角度和速度以同样的方式通过中央处理器接收后给出脉冲频率控制电机运转，来控制电机对应的轨道位移量来实现对椅子的移动和位置的控制。

中央处理器将上升定义为电机正转，下降定义为电机反转。当遥控器在Y轴方向上下的移动产生加速度时，中央处理器将加速度转化成电机旋转的单位脉冲数即可控制电动升降泵升降。例如，假定升降的轨道距离为20CM,加速度最大识别值设置为1.2g,电机采用步距角1.8度电机，电机动力齿轮半径2CM,电机动力齿轮与上升下降轨道垂直，根据最大可识别加速度和以上预设值，中央处理器算出给电机的脉冲数量，并根据20cm轨道长度算出电机最大旋转多少度(20CM/2π2cm)*360度＝573.24度；根据最大加速度1.2g和轨道长度20CM,算出电机到最大加速度所需要时间：20cm＝at＝1.2gt＝1.2*9.8t，得出t＝0.130384秒，根据步距角1.8度每脉冲，可算出中央处理器需输出的脉冲频率为573.24度/(0.130353秒*1.8度)＝2443HZ，在0.130354秒内需要给出脉冲数为32443*0.130354＝318个，遥控器上下移动超出1.2g加速度等同1.2g进行计算。因此，可根据以上算法对应遥控器的加速度和电机运转脉冲之间的关系。实际可根据预设值情况计算工作。