本實(shí)用新型涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多軸機(jī)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在電影或游戲中，為了提高用戶體驗(yàn)，將用戶的座椅安裝在可運(yùn)動(dòng)的設(shè)備上，例如能夠升降和傾斜的平臺(tái)。對(duì)于電影來(lái)說(shuō)，預(yù)先根據(jù)影片內(nèi)容設(shè)置平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式，包括升降的高度和傾斜的角度。然而隨著用戶的要求越來(lái)越高，需要有運(yùn)動(dòng)方式更加豐富的設(shè)備以及相應(yīng)的控制方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要提供一種多軸機(jī)電系統(tǒng)，使用戶在觀看電影或進(jìn)行電子游戲時(shí)能夠得到更豐富的運(yùn)動(dòng)形式，從而有更佳的體驗(yàn)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

一種多軸機(jī)電系統(tǒng)，包括多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備、控制系統(tǒng)、以及播放裝置；其中：所述多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括：底座、第一臂、第二臂、第三臂、以及端頭部；所述第一臂的第一端豎直地安裝在所述底座上并能夠繞所述第一臂的長(zhǎng)度方向的軸線旋轉(zhuǎn)，所述第二臂的第一端與所述第一臂的第二端鉸接，所述第三臂的第一端與所述第二臂的第二端鉸接，所述第一臂、第二臂、以及第三臂保持位于同一平面，所述端頭部安裝在所述第三臂的第二端，能夠繞所述第三臂的長(zhǎng)度方向的軸線旋轉(zhuǎn)；所述端頭部設(shè)置有座椅，供用戶乘坐；所述控制系統(tǒng)與所述多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備以及所述播放裝置連接，用于根據(jù)所述播放裝置所播放的電影進(jìn)程來(lái)控制所述多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)；所述播放裝置是穿戴式顯示設(shè)備。

可選地，所述端頭部具有一個(gè)殼體，該殼體內(nèi)設(shè)置有座椅。

可選地，所述第二臂和所述第三臂的擺動(dòng)自由度為±60°。

可選地，所述端頭部設(shè)置有游戲手柄，該游戲手柄與所述控制系統(tǒng)連接。

根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案，端頭部具有多個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)自由度，與現(xiàn)有的平臺(tái)式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相比，運(yùn)動(dòng)自由度更豐富，有助于使用戶獲得更好的體驗(yàn)。根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本實(shí)用新型的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說(shuō)明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本實(shí)用新型的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的多軸機(jī)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的一種生成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的多軸機(jī)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)的示意圖，該多軸機(jī)電系統(tǒng)可用來(lái)播放電影。如圖1所示，多軸機(jī)電系統(tǒng)主要包括多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1、控制系統(tǒng)2、以及電影播放裝置3。其中的多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1主要包括底座10、第一臂11、第二臂12、第三臂13、以及端頭部14。

第一臂11豎直地安裝在底座10上并能夠繞第一臂的長(zhǎng)度方向的軸線A(圖中以點(diǎn)劃線示出)旋轉(zhuǎn)。第二臂12的第一端與第一臂11鉸接，從而在第一臂11和第二臂12確定的平面(按圖中視圖即為紙面所在平面)內(nèi)二者能夠互相轉(zhuǎn)動(dòng)。第三臂13的第一端與第二臂12的第二端鉸接，從而第二臂12和第三臂13能夠在上述平面內(nèi)互相轉(zhuǎn)動(dòng)。

端頭部14安裝在第三臂13的第二端，能夠繞第三臂13的長(zhǎng)度方向的軸線B(圖中點(diǎn)劃線)旋轉(zhuǎn)；端頭部14設(shè)置有座椅141，供觀看電影的用戶乘坐。端頭部14可以具有一個(gè)殼體，構(gòu)成一個(gè)能夠容納座椅141的艙體。

該座椅141的設(shè)置方式如圖中所示，即用戶背靠座椅141的靠背時(shí)，用戶的左右方向(即進(jìn)入和穿出紙面的方向)是第一臂11的旋轉(zhuǎn)方向。

控制系統(tǒng)2與多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1以及電影播放裝置3連接，用于根據(jù)電影播放裝置3所播放的電影進(jìn)程來(lái)控制多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)2的各個(gè)輸出端與第一臂11的操縱機(jī)構(gòu)(控制線路連接在底座10上)、第二臂12的操縱機(jī)構(gòu)、第三臂13的操縱機(jī)構(gòu)、端頭部14的操縱機(jī)構(gòu)連接。這些操縱機(jī)構(gòu)可采用現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇嬖谶@些操縱機(jī)構(gòu)，因此上述各臂的運(yùn)動(dòng)是以主動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)2同樣與電影播放裝置3連接，該電影播放裝置可以是穿戴式顯示設(shè)備，也可以是固定在作為一個(gè)艙體的端頭部14內(nèi)部的一個(gè)顯示屏。控制系統(tǒng)2可以基于計(jì)算機(jī)以及相關(guān)外圍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1的結(jié)構(gòu)可以看出，它使端頭部14具有多個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)自由度，主要包括第一臂帶動(dòng)下的水平方向的回環(huán)旋轉(zhuǎn)、第二臂和第三臂帶動(dòng)下的升降和端頭部不同的俯仰角度(圖中示出了一種仰起的狀態(tài))、以及橫滾(如軸線B上的箭頭所示)。上述結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的平臺(tái)式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相比，運(yùn)動(dòng)自由度更豐富，有助于使用戶獲得更好的體驗(yàn)。

在應(yīng)用上述的多軸機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行電影播放時(shí)，多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)影片內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。例如在影片內(nèi)容中包含汽車在崎嶇道路上前進(jìn)的場(chǎng)景，那么端頭部應(yīng)當(dāng)有升降和/或俯仰的運(yùn)動(dòng)；又如影片內(nèi)容中包含交通工具的翻滾，端頭部也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行橫滾。對(duì)于后者，開發(fā)人員可以直接根據(jù)影片內(nèi)容設(shè)置一系列的橫滾角度；對(duì)于前者，開發(fā)人員難以準(zhǔn)確地直接設(shè)置第二軸和第三軸的轉(zhuǎn)角。對(duì)于此，本實(shí)用新型實(shí)施方式提出了一種生成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，以下結(jié)合圖2對(duì)此加以說(shuō)明。

如圖2所示，圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的一種生成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2中的生成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)主要包括多軸運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該多軸運(yùn)動(dòng)裝置基本可以看作是多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1的一個(gè)縮小化模型，但不包含其中的操縱機(jī)構(gòu)以及其他一些部件。以下具體加以說(shuō)明。

如圖2所示，多軸運(yùn)動(dòng)裝置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豎直地安裝在底座20上并能夠繞第一臂的長(zhǎng)度方向的軸線A(圖中以點(diǎn)劃線示出)旋轉(zhuǎn)。第二臂22的第一端與第一臂21的第二端活動(dòng)連接從而使二者之間夾角可變；第三臂23的第一端與第二臂22的第二端活動(dòng)連接從而使二者之間夾角可變。

第二臂22與第一臂21之間、第三臂23與第二臂22之間，可采用鉸接的方式，鉸接處安裝有復(fù)位彈簧，使它們之間繞鉸接處旋轉(zhuǎn)之后能夠自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位彈簧的安裝使各臂不受外力的情況下具有一個(gè)初始姿勢(shì)。也可采用兩個(gè)彈性材料例如橡膠的彎管，各臂的連接端套入彎管內(nèi)，可以看出彎管的形狀提供了各臂的初始姿勢(shì)。

圖2所示的系統(tǒng)中，還包含一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括第一至第三角度傳感裝置(圖中未示出)，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)24(線路連接在底座20上)。第一角度傳感裝置與第一臂21連接，用于檢測(cè)第一臂21的旋轉(zhuǎn)角度；第二角度傳感裝置與第二臂22連接，用于檢測(cè)第二臂22相對(duì)第一臂21的擺動(dòng)角度；第三角度傳感裝置與第三臂23連接，用于檢測(cè)第三臂23相對(duì)第二臂22的擺動(dòng)角度。上述的第一至第三角度傳感裝置可以是圓盤滑線電阻，按照?qǐng)A盤滑線電阻的安裝方式固定在各臂之間的鉸接處。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)24用于根據(jù)第一至第三角度傳感裝置檢測(cè)到的角度信息得出第一臂21的旋轉(zhuǎn)角度以及第二臂和第三臂的擺動(dòng)角度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)24主要包含電源和模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，該電源用于向上述第一至第三角度傳感裝置以及該模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置供電；該模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置用于將上述第一至第三角度傳感裝置上的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

應(yīng)用圖2所示的系統(tǒng)，可以生成圖1中的多軸機(jī)電系統(tǒng)在播放影片時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。以下進(jìn)行具體說(shuō)明。

根據(jù)影片的場(chǎng)景，需要先準(zhǔn)備一個(gè)承載面，承載面具有按照指定影片的指定場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)物體的起伏而制作的對(duì)應(yīng)于該處影片場(chǎng)景的崎嶇表面。具體而言，例如影片中有車輛在越野行駛，則可以根據(jù)野地的表面形狀制作承載面；又如影片中有船在大浪中行進(jìn)，根據(jù)船只的起伏制作承載面。然后將圖2中的多軸運(yùn)動(dòng)裝置200放置在該承載面上。該多軸運(yùn)動(dòng)裝置200的底座20下方可以安裝輪，便于推動(dòng)或拉動(dòng)多軸運(yùn)動(dòng)裝置200在該承載面上運(yùn)動(dòng)。

人員可以用手推動(dòng)或拉動(dòng)多軸運(yùn)動(dòng)裝置200在該承載面上運(yùn)動(dòng)，以模擬影片一個(gè)場(chǎng)景中的物體例如交通工具的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)由于慣性的作用，各臂會(huì)發(fā)生擺動(dòng)。此時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)24按照設(shè)定的采樣頻率記錄第二角度傳感器和第三角度傳感器發(fā)來(lái)的擺動(dòng)角度值，從而得到角度的系列值。在影片播放到上述場(chǎng)景時(shí)，調(diào)取該角度的系列值，根據(jù)該系列值控制多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1中的第二臂的擺動(dòng)以及第三臂的擺動(dòng)。因?yàn)槌休d面是按照影片場(chǎng)景中的物體運(yùn)動(dòng)方式來(lái)制作，所以多軸運(yùn)動(dòng)裝置200中的各臂的運(yùn)動(dòng)近似地對(duì)應(yīng)于多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1中的各臂的運(yùn)動(dòng)。需要說(shuō)明的是，在慣性的作用下，作為模型的多軸運(yùn)動(dòng)裝置200的第二臂和第三臂的夾角在物體上坡時(shí)會(huì)增大，但模擬影片中的上坡時(shí)，作為實(shí)際運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1中的第二臂和第三臂的夾角應(yīng)當(dāng)減小，即上述兩個(gè)夾角之間的關(guān)系是取負(fù)值的關(guān)系。

按照以上方式得到多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1中的各臂的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，只需將作為模型的多軸運(yùn)動(dòng)裝置200在承載面上驅(qū)動(dòng)運(yùn)行一遍即可，操作簡(jiǎn)單方便，而且得到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可使多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1的運(yùn)動(dòng)比較符合影片場(chǎng)景。

多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1也可以應(yīng)用于電子游戲中。用戶佩戴可穿戴式顯示設(shè)備以呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，在該虛擬場(chǎng)景中具有受控對(duì)象，該受控對(duì)象一般來(lái)說(shuō)可以是用戶駕駛的一種交通工具，例如汽車或飛機(jī)，并且輔助以射擊等游戲內(nèi)容。在應(yīng)用于電子游戲時(shí)，端頭部14內(nèi)還需設(shè)置游戲手柄，其與控制系統(tǒng)2連接，控制系統(tǒng)2同時(shí)與上述的可穿戴式顯示設(shè)備連接。使用游戲手柄發(fā)送操作指令，用戶可以控制上述的受控對(duì)象，使其發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)、俯仰、和/或橫滾。

在本實(shí)施方式中，選擇由游戲手柄直接控制第一臂、第三臂、和/或端頭部，而不是根據(jù)受控對(duì)象的姿勢(shì)來(lái)控制第一臂、第三臂、以及端頭部。因此游戲手柄的操作指令還要發(fā)送給控制系統(tǒng)2，使控制系統(tǒng)2根據(jù)該操作指令進(jìn)行控制，具體可包括：控制第一臂的旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，控制第三臂的旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)俯仰(用戶按圖中所示的形式乘坐，背向各臂)，控制端頭部的旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)橫滾。操作指令可以針對(duì)第一臂、第三臂、以及端頭部中的一種或幾種。

控制系統(tǒng)2除了根據(jù)上述的操作指令來(lái)控制多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1中的部件，還要控制虛擬場(chǎng)景中的受控對(duì)象，使該受控對(duì)象做出符合用戶意圖的動(dòng)作，具體可包括控制虛擬場(chǎng)景中的當(dāng)前受控對(duì)象的水平旋轉(zhuǎn)、俯仰、和/或橫滾。在受控對(duì)象姿勢(shì)發(fā)生改變的情況下，再根據(jù)其六自由度(即對(duì)于直角坐標(biāo)系，三個(gè)坐標(biāo)軸上的旋轉(zhuǎn)和平移)數(shù)據(jù)來(lái)控制第二臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，在第二臂的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)需要再控制第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，例如虛擬場(chǎng)景中汽車爬坡時(shí)，汽車上升和仰起同時(shí)進(jìn)行，此時(shí)也需控制第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在游戲進(jìn)行的過(guò)程中，一方面實(shí)際的物理設(shè)備即多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1要發(fā)生運(yùn)動(dòng)，另一方面虛擬場(chǎng)景中的受控物也發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)盡可能地同步，才可使用戶有良好的體驗(yàn)。但是，實(shí)際的物理設(shè)備具有一定的機(jī)械慣性，呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景時(shí)需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行渲染，因此在手柄發(fā)出操作指令之后，多軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備1的響應(yīng)會(huì)有延遲，可穿戴式顯示設(shè)備呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景時(shí)也會(huì)有延遲。根據(jù)設(shè)備機(jī)械性能以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的不同，上述延遲的時(shí)間或短或長(zhǎng)，從而有可能導(dǎo)致上述兩種運(yùn)動(dòng)難以同步。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)中一般是先確定哪種延遲較大，再提高相應(yīng)的系統(tǒng)的配置，例如計(jì)算機(jī)渲染導(dǎo)致的延遲時(shí)間大于實(shí)際物理設(shè)備的機(jī)械慣性帶來(lái)的延遲，就提高計(jì)算機(jī)的配置，使其處理速度加快。但是這種方式會(huì)增加成本，并且在實(shí)際中增大了維護(hù)的工作量。因此在本實(shí)用新型實(shí)施方式中，對(duì)于物理設(shè)備和計(jì)算機(jī)二者中的響應(yīng)較快的一方，添加一定的延時(shí)。

具體而言，如果計(jì)算機(jī)渲染較快，那么在收到控制系統(tǒng)2發(fā)來(lái)的操作指令之后，立即按該操作指令進(jìn)行控制，即控制第一臂、第三臂、和/或端頭部，具體控制對(duì)象根據(jù)操作指令來(lái)定；然后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)，再控制虛擬場(chǎng)景中的當(dāng)前受控對(duì)象的水平旋轉(zhuǎn)、俯仰、和/或橫滾，即對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行渲染和呈現(xiàn)。

類似地，如果計(jì)算機(jī)渲染的速度較慢，可以對(duì)物理設(shè)備的控制做一些延時(shí)。這樣，在收到操作指令的情況下，立即控制虛擬場(chǎng)景中的當(dāng)前受控對(duì)象的水平旋轉(zhuǎn)、俯仰、和/或橫滾，即進(jìn)行渲染和呈現(xiàn)，在一定延時(shí)之后，再控制第一臂、第三臂、和/或端頭部。對(duì)于第二臂來(lái)說(shuō)，其動(dòng)作要根據(jù)虛擬場(chǎng)景中的受控對(duì)象的姿勢(shì)來(lái)確定，所以當(dāng)計(jì)算得出虛擬場(chǎng)景中的當(dāng)前受控對(duì)象的六自由度數(shù)據(jù)之后，一方面要立即控制該受控對(duì)象，另一方面進(jìn)行延時(shí)之后再根據(jù)該六自由度數(shù)據(jù)控制所述第二臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。

以上的各項(xiàng)延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)可以相同，也可以不同，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果而定，只要使實(shí)際物理設(shè)備的動(dòng)作與呈現(xiàn)出的虛擬受控對(duì)象的姿勢(shì)相一致即可。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實(shí)用新型的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本實(shí)用新型公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本實(shí)用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實(shí)用新型的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。