一種全方向自由移動裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種全方向自由移動裝置。由一個為空心圓球形的運動體密封包裹住一個外表面緊密排列有多個萬向球，且空腔內固定有永磁體組，且開口向下的圓盆形的基座構成的可以允許使用者站立和移動的運動臺，在磁鐵間同性磁極相互排斥的斥力作用下運動臺磁懸浮于空中，被無接觸的托起，在動力單元的驅動下實現運動體的移動配合使用者的移動，實現使用者在運動臺上可以進行全方向的自由的原地移動，同時指示一個與使用者在現實空間中的位置和移動相對應的虛擬現實的位置和移動，最終實現使用者只在原地移動，而在虛擬現實中卻是在無限的空間里移動。
【專利說明】一種全方向自由移動裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種實現使用者在原地進行全方向自由移動的裝置，具體涉及一種適用于虛擬現實中全方位的自由移動的裝置。
【背景技術】
[0002]虛擬現實是是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬現實，在虛擬現實中可以模擬人在無限空間里全方位的自由移動，但實際上使用者只能在有限制的實際空間里移動，所以使用者不能真正的如同虛擬現實中人的全方位的自由移動。為了解決這個難題，出現了一種轉動大球裝置，這種裝置主要采用一個可以在支架上自由旋轉的封閉空心大球，使用者進入球內部，在球內表面完成行走、轉向等動作。這種形式存在的不足主要表現在:球的體積非常大，一般直徑是人身高的兩倍，占有的空間會非常大，這就與有限的空間要求不相符，而其制作成本較高，使用方便性不理想，這些缺點導致了其只有很小的應用范圍。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種全方向自由移動裝置，可以讓使用者在有限的現實空間里進行無限的全方向自由移動，并滿足結構簡單、體積小、運動自由順暢、制作難度小、成本低、應用廣泛的要求，而且還要適用于使用者在虛擬現實中全方位的自由移動。
[0004]為了實現上述發明的目的，本發明采用的技術方案是:應用磁鐵磁極同性相斥、異性相吸原理的磁懸浮技術，使用滾動靈活，具有較好滑動能力的萬向球和傳感器檢測裝置。
[0005]運動臺，由一個為空心圓球體的運動體，密封包裹住一個外表面緊密排列有多個萬向球，且空腔內固定有永磁體組，且開口向下的圓盆形的基座構成，運動臺的外形如橫向放置的橢球體，其中構成運動臺的平直上面為使用者站立和移動的區域，運動體可以在萬向球的滑動下以萬向球和基座為中心向所有方向移動。
[0006]運動臺置于固定于機座的懸浮基磁鐵組的上方，懸浮基磁鐵組與構成運動臺的永磁體組同性磁極相對，從而產生斥力型磁懸浮力，使運動臺磁懸浮于懸浮基磁鐵組之上，形成運動臺被無接觸的托起。在機蓋的限位下，運動臺懸浮于機座和機蓋之間，固定于機蓋的位置傳感器捕捉使用者的位置信息，并發送至控制器，由控制器進行接收和處理，控制器根據對位置信息的處理，控制電流變換器輸出給動力單元的電流強度、方向、持續時間，從而控制動力單元驅動運動體的移動來配合使用者的運動，并產生指示與使用者在現實空間中的位置和移動相對應的虛擬現實的位置和移動。
[0007]本發明的有益效果是，使用者可以輕松、自由的在原地進行全方向的移動，如日常生活中的自然的走、跑、停、轉向、拐彎、側向移動，并且使用者的位置和移動在虛擬現實中也會有相對應的位置和移動，可廣泛應用于虛擬漫游、游戲等仿真領域，可以應用于教育培訓、健身運動和休閑娛樂。
【專利附圖】

【附圖說明】[0008]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0009]圖1是全方向自由移動裝置的立體透視剖視圖
圖2是全方向自由移動裝置的第一個實施例的縱截面結構圖 圖3是全方向自由移動裝置的第二個實施例的縱截面結構圖 圖4是腳座萬向球的縱截面結構圖 圖5是腰座萬向球的縱截面結構圖
圖中1.運動體，2.萬向球，3.基座，4.永磁體組，5.基座支柱，6.基座蓋，7.定向永磁體，8.蓋體，9.縱向間隙傳感器，10.橫向間隙傳感器，11.位置傳感器，12.牽引磁鐵組，13.萬向球，14.懸浮基磁鐵組，15.支架，16.傳動輪，17.束縛管，18.支撐彈簧，19.轉向電機，20.移動電機，21.隔離管，22.機座，23.控制器，24.電流變換器，30.腳座，31.滾珠，32.腰座，33.滾珠。
[0010]
具體實施方案
[0011]在圖1至圖3中，全方向自由移動裝置由:運動臺、機座22、懸浮基磁鐵組14、動力單元、隔離管21、機蓋、控制器23、電流變換器24構成。運動臺是由:運動體1、萬向球2、基座3、永磁體組4、基座支柱5、基座蓋6、定向永磁體7構成；動力單元，由支架15、傳動輪
16、束縛管17、支撐彈簧18、轉向電機19、移動電機20構成；機蓋，由蓋體8、縱向間隙傳感器9、橫向間隙傳感器10、位置傳感器11、牽引磁鐵組12、萬向球13構成。
[0012]在圖1、圖2所示第一實施例中，運動臺的結構是:運動體I包裹著表面緊密排列固定有萬向球2的基座3和基座支柱5，其中基座3空腔內固定有永磁體組4、定向永磁體7。
[0013]運動體1，是一個球形的空心體，由具有一定彈性和柔性的,且耐磨的材料制成,而且為了避免被磁鐵吸引而造成的運動阻力的增加，制造材料必需再滿足不被磁鐵吸引、不具有磁性、不被磁化的特點，材料可以是:橡膠、硅膠、樹脂或硅膠和樹脂的合成。運動體I的外表面為非光滑的面，是粗糙的或是有凹凸的，這有利于增大運動體I與動力單元的傳動輪16之間的接觸摩擦力，并提高傳動輪16對運動體I的驅動效率，有效保證傳動輪16的驅動與運動體的移動同步。運動體I的內表面為光滑的面，是為了將運動體I與萬向球2之間的接觸摩擦阻力降到最低。
[0014]基座3，是運動臺形成的支撐體，所以其制造材料應該具有可塑性、堅固性 的特點，為了降低基座3的重量，為了避免基座3被磁鐵吸引，而產生與運動臺的磁懸
浮相抵觸的力量，基座3應由不被磁鐵吸引、不具有磁性、不被磁化的塑料、鋁、鈦合金或含鋁的合金材料制成。俯視基座3，其形為圓形，縱截面形如開口向下的大寫字母“C”，整個外形如一個倒扣的盆體，這樣的結構有利處在于其平直的頂部可以讓使用者站立和運動，同時可以實現將永磁體組4、定向永磁體7、基座支柱5固定于基座3空腔內。
[0015]萬向球2，是對運動體I的移動起滑動作用的，降低運動體I在移動時的摩擦阻力。為了避免被周圍的磁鐵吸引而造成的摩擦阻力的增加，萬向球2的制造材料為不被磁鐵吸弓丨、不具有磁性、不被磁化的碳纖維、鈦合金、鋁或含鋁的合金材料，其中萬向球2的滾珠還可以是由碳纖維、鈦合金、尼龍、陶瓷、玻璃材料制成。因為在本實施例中萬向球2是要固定于基座3外表面和基座支柱5底面，所以選用了腳座萬向球，如圖4所示，腳座萬向球含有腳座30和滾珠31，其滾珠31只能有一部分裸露在腳座30外，其只能與一個物體滑動接觸。通過腳座將萬向球2固定于基座3外表面和基座支柱5的底面的。因為每個萬向球2的高度是一樣的，所以其排列的外形與基座3和基座支柱5支撐的外形一樣,呈橢球形,在運動體I的包裹下就形成了一個橢球體。萬向球2是公知的，具有很好的滑動性，其滾珠可以向所有方向轉動，可以有效的減少與其它物體之間的接觸摩擦力，起到很好的滑動作用，而且運動體I的內表面是光滑的，所以兩者之間的接觸摩擦力很少，運動體I可以在萬向球2的滑動下保持橢球形向所有方向自由的移動。
[0016]永磁體組4，是實現整個運動臺懸浮的基本部件，其可以是一塊永磁體或多塊永磁體組成，永磁體組4的外形不受限制。永磁體組4固定于基座3空腔的內壁。永磁體就是能夠長期保持其磁性的磁體，如天然磁石(磁鐵礦)和人造磁鋼(鐵鎳鈷磁鋼)和釹鐵硼磁鐵。
[0017]基座支柱5，制造材料與基座3的相同，其對基座3起到一個支撐的作用，其置入永磁體組4的中間空間，并垂直居中固定在基座3空腔的內壁上方。
[0018]定向永磁體7，是電磁鐵或永磁體，其作用是與牽引磁鐵組12之間的吸引力和排斥力共同作用于基座3磁懸浮的位置的穩定。固定于基座3的空腔內四周。
[0019]懸浮基磁鐵組14，固定于機座22，是由多塊電磁鐵或永磁體組成，也可以是超導體、高溫超導體,但由于后兩種磁體的應用成本過高、實現難度高,所以本實施例優選了電磁鐵，優選電磁鐵的原因是:電磁鐵的磁力大小和有無都可以通過控制電流的強弱和有無來實現。電磁鐵可以為柱形或環形，電磁鐵呈四周圍繞排列或者說是呈環形排列，并且電磁鐵環形排列的內環要保留可以放置動力單元和隔離管21的空間，并且電磁鐵也就是懸浮基磁鐵組14與永磁體4為同性磁極相對。當為懸浮基磁鐵組14的電磁鐵接入足夠強的電流后，將運動臺置于懸浮基磁鐵組14的上方，此時運動臺會懸浮于懸浮基磁鐵組14的上方。這里需要對運動臺的懸浮進行特別的說明，懸浮基磁鐵組14與置于其上方的構成運動臺的永磁體組4為同性磁極相對，由于磁鐵具有磁極同性相斥、異性相吸的特點，所以懸浮基磁鐵組14在足夠強的電流作用下產生足夠強的磁力與永磁體組4之間形成足夠強的磁斥力型磁懸浮，使整個運動臺磁懸浮于懸浮基磁鐵組14的上方，運動臺被無接觸的托起。隔離管21，居中置入懸浮基磁鐵組14的中間空間，并固定于機座22。是對運動臺超限下落時的保護，如懸浮中運動臺的載重超過磁懸浮最大的負重量或斷電，運動臺出現磁懸浮高度不夠或突然下落，導致存在運動體I被損壞的風險。隔離管21還起到隔磁的作用，隔斷懸浮基磁鐵組14的磁場對轉向電機19和移動電機20的運行產生干擾。
[0020]動力單元是由:支架15、傳動輪16、束縛管17、支撐彈簧18、轉向電機19、移動電機20組成，動力單元的作用是為運動體I的移動提供動力；結構特點是:束縛管17居中置入隔離管21的中間空間，并固定于機座22，支撐彈簧18和轉向電機19依次置入束縛管17，支架15與轉向電機19連接，在支架15上固定移動電機20，傳動輪16與移動電機20連接；從結構上看轉向電機19支撐起支架15、移動電機20、傳動輪16，而轉向電機19又是被支撐彈簧18所支撐。在束縛管17的束縛下，支撐彈簧18支撐著轉向電機19上下位置的變化，最終實現在支撐彈簧18的支撐下，傳動輪16始終與磁懸浮中的運動臺的運動體I接觸。其中轉向電機19驅動支架15轉動，支架15帶動移動電機20和傳動輪16改變方向，實現改變驅動運動體I的移動方向。移動電機20驅動傳動輪16轉動，實現驅動運動體I在當前方向上的移動。
[0021]機蓋是由:蓋體8、縱向間隙傳感器9、橫向間隙傳感器10、位置傳感器11、牽引磁鐵組12、萬向球13構成；蓋體8的外形為環形，由不被磁鐵吸引、不具有磁性、不被磁化的塑料、碳纖維、鈦合金、鋁或含鋁的合金材料制造，其固定于機座22的頂部，運動臺被包含在機蓋與機座22之間的空間。蓋體8的環形口直徑小于運動臺的直徑，使得蓋體8對運動臺的邊緣進行了遮擋。機蓋的主要作用是限制磁懸浮中的運動臺的縱向和橫向位置，其中縱向間隙傳感器9固定于蓋體8內頂部，探測頭向下，與運動臺的頂面相對，其作用是實時監測磁懸浮中的運動臺與機蓋之間的縱向間距，并將監測到的實時縱向間距信息發送給固定于機座22的控制器23 ;其中橫向間隙傳感器10固定于蓋體8內頂部，探測頭指向運動臺的側面，其作用是實時監測磁懸浮中的運動臺與機蓋之間的橫向間距，并將監測到的實時橫向間距信息發送給固定于機座22的控制器23 ;位置傳感器11是紅外線傳感器，包括紅外線發射管、紅外線接收管和轉換電路，在置有轉換電路的電路板上排布紅外發射管和紅外接收管，四個電路板分別固定于蓋體8內頂部四邊，在X、Y方向上一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣覆蓋整個蓋體8中間環形口，用于檢測并定位使用者腳的位置，當使用者腳放在運動臺上時，腳就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出腳在運動臺上的新位置，并將捕捉的位置信息發送給控制器23。但需要注意的是:位置傳感器11的固定位置必須保證避免被其它部件遮擋，而且紅外線矩陣還應保持在運動臺允許最高的懸浮位置上方，保證紅外線矩陣始終位于運動臺的上方；牽引磁鐵組12由多塊電磁鐵或永磁體組成，其與定向永磁體7之間的吸引力和排斥力共同作用于基座3磁懸浮的位置的穩定和糾正，同時避免基座3出現自轉；萬向球13是腳座萬向球，其繞正常懸浮中的運動臺的側面中線排列固定于蓋體8內的，與遠動臺的側面保持一定的距離，這個距離就是懸浮中的運動臺最大的橫向偏移距離，萬向球13是對懸浮中的運動臺的橫向位置的強制限制，對運動臺又有保護作用。
[0022]位置傳感器11，是紅外線傳感器或激光傳感器，是實時監測運動臺上使用者腳的位置，并將監測的實時位置信息傳送給控制器23。本實施例中，選用了紅外線傳感器作了說明，其實激光傳感器的應用與紅外線傳感器的應用相同，激光傳感器是由激光器、激光檢測器、測量電路組成，而且其抗光和抗電抗干擾能力更能。
[0023]控制器23，是接收和處理各傳感器傳送的監測信息，并根據相應的處理結果來控制電流變換器24工作。其中接收和處理縱向間隙傳感器9對運動臺磁懸浮時與蓋體8的實時距離信息，根據初設的距離數值與實際距離數值進行對比處理，依照處理結果控制電流變換器24輸出給懸浮基磁鐵組11的電流強度，實現控制運動臺的磁懸浮高度保持穩定；接收和處理橫向間隙傳感器10對運動臺磁懸浮時的實時橫向位置信息，就是運動臺與相應位置的橫向間隙傳感器10之間的距離信息，控制器23根據初設的距離數值與實際距離數值進行對比處理，依照處理結果控制電流變換器24輸出給牽引磁鐵組12的電流強度，實現控制運動臺的橫向磁懸浮位置保持穩定，最終實現運動臺穩定的懸浮，并且運動臺與機蓋和懸浮基磁鐵組14間均有非接觸空間；接收和處理位置傳感器11傳送的使用者腳的位置信息，根據使用者腳的前后兩次位置，分析出使用者移動的方向和移動的距離，然后控制電流變換器24輸出給動力單元的轉向電機19、移動電機20的電流強度、方向、持續時間，來控制傳動輪16驅動運動體I在使用者移動方向的相反方向上移動，從而實現使用者可以在原地進行全方向自由的移動。同時產生指示與使用者在現實空間中的位置和移動相對應的虛擬現實的位置和移動，使用者只在原地移動，而在虛擬現實中卻可以在無限的空間里移動。
[0024]圖3所示的第二實施例與第一實施例區別在于:運動臺的構成和結構上的不同。而除運動臺以外的其它部件的結構、特點、功能、裝配及固定方式都與第一實施例相同，并且在第一實例中對部件制造材料的要求與說明在本實施例中同樣適用。
[0025]在本實施例中，運動臺由:運動體1、萬向球2、基座3、永磁體組4、基座支柱5、基座蓋6、定向永磁鐵7構成；運動臺的結構是:基座蓋6固定于基座3的底部開口，使外形如倒置的圓盆形的基座3形成一個封閉的橢球體,在封閉的基座3內永磁體組4和基座支柱5居中固定于基座3的內壁頂部，永磁體組4和基座支柱5的高度與封閉的基座3內腔高度相同，其中基座支柱5對封閉的基座3起到支撐作用。基座3空腔內固定有定向永磁體
7。在本實施例中的萬向球2是腰座萬向球，如圖5所示，其含有腰座32和滾珠33，其滾珠33有兩個相對的部位裸露，可以同時與兩個物體滑動接觸，可以讓兩個與其接觸的物體同時向兩個相反的方向滑動。在本實施例中應用了腰座萬向球，可以進一步降低運動體I在移動時受到的摩擦阻力。多個萬向球2連接在一起，形成一個封閉的球形網，而球形網的網孔大小由萬向球2之間的距離堅定。形成的球形網包裹在封閉的基座3的表面，與基座3和基座蓋6之間滑動接觸，此時球形網的外形與封閉的基座3的外形相同，為橢球形，球形網可以沿著封閉的基座3的外形向所有方向自由移動。運動體I包裹在球形網的外表面，構成運動臺，運動臺的外形保持封閉的基座3的外形，為橢球形。運動體I可以在萬向球2的滑動下沿著運動臺的外形向所有方向自由移動。
[0026]工作原理:橢球體形的運動臺，其平直的頂部是使用者站立和移動的區域，球形空心體的運動體I可以在萬向球2的滑動下沿著運動臺的橢球體外形向所有方向自由移動。運動臺置于固定于機座22的懸浮基磁鐵組14的上方，此時構成運動臺的永磁體組4與懸浮基磁鐵組14為同性磁極相對，在永磁體組4與懸浮基磁鐵組14之間產生同性相斥的斥力作用下，運動臺磁懸浮于懸浮基磁鐵組14的上方，運動臺被無接觸的托起。運動臺在機蓋的限位下，始終穩定的懸浮與機蓋和懸浮基磁鐵組14之間，使運動體I只與萬向球2之間有接觸摩擦，加之萬向球2滾動靈活，使得運動體I可以在萬向球2的滑動下向所有方向自由移動。雖然運動體I的移動可以很輕松平滑，但當使用者站立其上時，使用者的體重就會增大運動體I與萬向球2接觸面的壓力，而使用者正常移動時產生的對運動體I的推動力可能無法讓運動體I輕松移動甚至是無法移動，所以還需要一個額外動力來輔助運動體I的移動，這是運動力單元存在的必要性。當運動臺上使用者發生移動后，位于運動臺上方的由位置傳感器11排列構成的橫豎交叉的紅外線矩陣感應區便會捕捉和識別出使用者腳的位置，并將位置信息傳送給控制器23，由控制器23根據對位置信息的處理結果來控制電流變換器24輸出給動力單元的電流強度、方向、持續時間，來控制轉向電機19、移動電機20的工作狀態，并通過傳動輪16驅動運動體I以指定的速度向指定的方向進行指定的距離移動，從而最終實現使用者在運動臺上可以進行全方向自由的原地移動，如日常生活中的自然的走、跑、停、轉向、拐彎、側向移動，并且控制器23同時產生指示與使用者在現實空間中的位置和移動相對應的虛擬現實的位置和移動，最終實現使用者只在原地移動，而在虛擬現實中卻是在無限的空間里移動。
【權利要求】
1.一種全方向自由移動裝置，特征在于，其由:運動臺、機座(22)、懸浮基磁鐵(14)、動力單元、隔離管(21)、機蓋、控制器(23)、電流變換器(24)構成。
2.如權利要求1所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的運動臺由:一個為空心圓球體的運動體(1)，密封包裹住一個外表面緊密排列有多個萬向球(2)，且空腔內固定有永磁體組(4)，且開口向下的圓盆形的基座(3)構成，運動臺的外形為橢球形。
3.如權利要求1所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的動力單元由:支架(15)、傳動輪(16)、束縛管(17)、支撐彈簧(18)、轉向電機(19)、移動電機(20)構成。
4.如權利要求1所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的機蓋由:蓋體(8)、縱向間隙傳感器(9)、橫向間隙傳感器(10)、位置傳感器(11)、牽引磁鐵組(12)、萬向球(13)構成。
5.如權利要求1和2所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的運動臺包括永磁體組⑷。
6.如權利要求1、2、5所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的運動臺的構件運動體⑴可以在萬向球⑵的滑動下以基座⑶為中心向所有方向移動。
7.如權利要求1、2、5、6所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的運動臺是磁懸浮的。
8.如權利要求2、6所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的運動體(1)是圓球形的空心體。
9.如權利要求1所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的懸浮基磁鐵組(14)由多塊電磁鐵或多塊永磁體組成，或所述的懸浮基磁鐵組(14)由電磁鐵和永磁體混合組成。
10.如權利要求3所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的傳動輪(16)在所述的支撐彈簧(18)的支撐下與所述的運動體(1)始終保持接觸摩擦。
11.如權利要求4所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，位置傳感器(11)監測使用者的腳部運動。
12.如權利要求4所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的位置傳感器(11)為紅外線傳感器或激光傳感器。
13.如權利要求4和15所述的一種全方向自由移動裝置，其特征在于，所述的位置傳感器(11)在所述運動臺的上方構成柵格形感應區。
【文檔編號】H02N15/00GK103904953SQ201410147006
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2013年4月23日
【發明者】羅陽軍 申請人:羅陽軍