磁懸浮太空模擬船的製作方法

2023-05-19 17:27:31

專利名稱：磁懸浮太空模擬船的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用磁懸浮效應實現、具有養生效果的太空模擬船，屬於機 電一體化技術領域。
背景技術：
磁懸浮技術的研究源於德國，早在1922年Hermann Kemper就提出了磁懸浮技術 的基本原理。現代的磁懸浮技術是集電磁學、電子技術、控制工程、信號處理、機械學、動力 學為一體的機電一體化技術。隨著電子技術、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型 電磁材料的發展和轉子動力學的進展，磁懸浮技術實現了長足的發展，已經在軌道交通、風 力發電等多個領域得到深入發展與應用。利用磁懸浮技術，可以在地面實現模擬太空的微重力環境。因此，磁懸浮技術已經 成為人們進行相關高科技研究的重要手段。但是，磁懸浮技術營造的微重力環境只是在有 關研究機構中使用，普通民眾基本上沒有實際接觸、感受微重力環境的機會，因此普遍充滿 著好奇和興趣。在專利號為ZL 00234436. X的中國實用新型專利中，公開了一種磁懸浮太空娛樂 船。該太空娛樂船用高強複合材料製成雙層結構船體，中間層設有沿船體橫向排列的弧形 金屬管，弧形金屬管內碼放高強磁鐵塊；船體後部設有減速輪，船體前部設有減速控制踏 板；減速輪由橡膠管內裝高強磁鐵塊構成。人員乘坐其中安全可靠、感覺獨特，適用於與磁 懸浮滑道配套使用，模仿太空漫遊的體育娛樂裝置。但是，該磁懸浮太空娛樂船只有簡單的 娛樂功能，用途有限。在專利號為ZL 200820090373. 2的中國實用新型專利中，提供了一種磁懸浮可折 疊多功能椅，它包括椅體和底座，椅體包括枕部軟墊、椅背、椅座和安裝在椅座底部的磁體 與固定杆。底座包括支撐環體和支撐肋片，支撐環體上設置有滑軌，滑軌上安裝有磁體，固 定杆穿過支撐環體設置。該實用新型利用磁懸浮原理設計，有三種使用狀態，包括可旋轉座 椅，躺椅、搖椅和可懸浮床，通過磁力懸浮可使人在坐、躺、臥時有磁懸浮的感覺，自然放鬆， 兼有磁療功能。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種磁懸浮太空模擬船。該模擬船利用 磁懸浮效應實現模擬太空失重的效果，兼具養生娛樂的功能。為實現上述的目的，本實用新型採用下述的技術方案一種磁懸浮太空模擬船，其特徵在於包括由永磁體製成的磁浮單元1 ；位於所述磁浮單元1下方且對其提供支持力的支撐單元2 ；位於所述磁浮單元1上方的中間單元3 ；設置在所述中間單元3上方且通過屈伸單元7支撐的座椅單元4 ；[0013]設置在所述中間單元3上的電控單元5 ；以及連接所述中間單元3和所述屈伸單元7的旋轉單元6，其中，所述磁浮單元1具有對應設置的上磁體11、下磁體12、上磁體安裝支座13 和下磁體安裝支座14，所述下磁體安裝支座14安裝在所述支撐單元2上部，所述下磁體12 安裝在所述下磁體安裝支座14內部；所述上磁體安裝支座13安裝在所述中間單元3下部， 所述上磁體11安裝在所述上磁體安裝支座13內部。其中，所述支撐單元2具有基座21和設置在所述基座21頂部的周圍磁軸承定子 25，所述中間單元3具有基體31和從所述基體31底部向下延伸的周圍磁軸承轉子 32，所述周圍磁軸承轉子32伸入到所述周圍磁軸承定子25。所述周圍磁軸承定子25與周圍磁軸承轉子32的對應設置。所述周圍磁軸承定子25周圍設置有防碰撞橡膠壁26。所述中間單元3上設有用於與所述旋轉單元6連接的旋轉座，所述旋轉座可繞垂 直於所述基體31的方向旋轉。 所述旋轉單元6是三自由度轉動框架結構。所述座椅單元4是所述屈伸單元7的從動部分，所述屈伸單元7包括屈伸基座框 架710，安裝在所述屈伸基座框架710上的電機71，由所述電機71驅動的減速機構72，與 所述減速機構72連接的絲杆73，可沿著所述絲杆73在滑槽內滑動的滑塊74，四根軸75A、 75B、75C、75D以及多根與所述軸直接或間接連接的連杆711、712、713、714，其中，一根所述軸75A直接與所述滑塊74相連，兩根所述軸75C、75B分別與所述 屈伸基座框架710前後兩端的所述連杆711、712相連，然後驅動所述兩根所述軸的另一側 的所述連杆713、714。所述電控單元5包括電源、中心控制計算模塊、與所述中心控制計算模塊電連接 的輸入輸出單元、與所述輸入輸出單元電連接的操作器、部件驅動器和電纜，所述部件驅動器與所述電源、所述輸入輸出單元以及所述操作器連接，所述電源 與所述輸入輸出單元連接。所述磁懸浮太空模擬船還包括太空多媒體感效增強單元9，所述太空多媒體感效 增強單元9包括封閉式環形屏幕、音響設備。所述磁懸浮太空模擬船還包括設置在嵌入式模塊、中心電控線路盒或操作器內的 無線通信模塊。本實用新型所提供的磁懸浮太空模擬船能夠低成本地模擬太空失重環境，可用於 娛樂或家庭休閒工具。該太空模擬船通過設置按摩器，可以實現按摩功能；通過設置太空多 媒體感效增強單元(封閉式環形屏幕、音響設備等)，實現了太空視景模擬功能；通過設置 無線通信模塊，還能實現地面監控功能。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。


圖1為本實用新型所提供的磁懸浮太空模擬船整體結構示意圖；圖2(a)為
圖1中的支撐單元上的上磁體布局示意圖；[0032]圖2(b)為
圖1中的支撐單元上的下磁體布局示意圖；圖3(a)為
圖1中的支撐單元的結構示意圖；圖3(b)為
圖1中的中間單元的結構示意圖；圖4為
圖1中的旋轉單元的結構示意圖；圖5為
圖1中的屈伸單元的結構示意圖；圖6為電控單元的原理示意圖。
具體實施方式
如
圖1所示，本實用新型所提供的磁懸浮太空模擬船包括由稀土永磁體製成的磁 浮單元1 ；位於磁浮單元1下方且對其提供支持力的支撐單元2 ；位於磁浮單元1上方的中 間單元3 ；設置在中間單元3上方且通過屈伸單元7支撐的座椅單元4 ；設置在中間單元3 上的電控單元5;以及連接中間單元3和屈伸單元7的旋轉單元6。為了實現功能升級或者 增加新功能，還可以設置可擴展單元10。為了提高舒適感，可以在座椅單元4上設置按摩器 8。為了增強太空失重的感覺，還可以在座椅單元4的周圍設置太空多媒體感效增強單元9。磁浮單元1具有上磁體11、下磁體12、上磁體安裝支座13和下磁體安裝支座14。 下磁體安裝支座14安裝在支撐單元2上部，下磁體12安裝在下磁體安裝支座14內部。上 磁體安裝支座13安裝在中間單元3下部，上磁體11安裝在上磁體安裝支座13內部。共有 8個同樣外形的單磁體均勻設置在上磁體安裝支座13和下磁體安裝支座14上。每個單磁 體均為環形柱體，上磁體安裝支座13和下磁體安裝支座14上的上磁體和下磁體，上下磁體 同性相對地設置。具體如圖2(a)和圖2(b)所示，下磁體安裝支座14上的4個磁體在^CtlYtl水平面 內對稱分布( 從紙面指向上，hYcA呈右手直角坐標系)。下磁體12- I ,12- II ,12- IIL 12- IV分別表示安裝在象限I、II、III、IV的單磁體。如此均勻分布的磁體，可以利用較小的 單磁體產生均勻的所需的磁場。不限於圖2(a)和圖2(b)所示的磁體布局方式，按照載荷 範圍與上下間隙大小要求，可以對磁浮單元進行計算機輔助設計，以滿足不同需求。結合
圖1和圖3(a)可知，支撐單元2包括基座21、4套軲轆22、4套可調高絲杆墊 鐵組合件23、4套周圍磁軸承定子25、4套防碰撞橡膠壁沈以及1個設置在支撐單元2頂 部的電子水平儀對。在基座21內部設有電纜孔，用於電纜貫通，實現電連接。其中，基座21在結構上支持磁浮單元1的下面部分在^CciYci水平面內的合理安裝， 並且具有適當大小的中心孔以便系統走線的需要。軲轆22用於本實用新型所提供的磁懸 浮太空模擬船的移動。如果不需移動，也可以不設置軲轆22。每套可調高墊鐵組合件23均 包括安裝在基座21上的電機和絲槓，絲槓與地面可接觸面為柔性面。絲杆墊鐵的高度可通 過電機驅動進行調節，便於釋放軲轆組所承受的壓力，將磁懸浮太空模擬船在地面固定下 來。利用可調高墊鐵組合件23，可以將座椅單元4設置在人體合適的高度。4套周圍磁軸 承定子25分別對應下磁體安裝支座14上的4個磁體。防碰撞橡膠壁沈安裝在下磁體安 裝支座14上。防碰撞橡膠壁沈在周圍磁軸承定子25上。無需主動措施就可防止中間單 元3與支撐單元2發生碰撞。通過讀取電子水平儀M的讀數，可由電控單元5驅動適當的 電機及絲杆進行閉環控制，將支撐單元自動調整到期望的水平度。如
圖1和圖3(b)所示，中間單元3主要由基體31和設置在基體31下面的4套周圍磁軸承轉子32組成。周圍磁軸承轉子32從基體31向下延伸，以插入基座21上設置的 周圍磁軸承定子25，與之磁耦合。在基座21內部設有電纜孔，用於與支撐單元2的電纜相 連接，實現電連接。磁浮單元1的上磁體11和上磁體安裝支座13安裝在中間單元3的下部，以與下 磁體12和下磁體安裝支座14配合工作。電控單元5安裝在中間單元3的上部，以對磁懸 浮太空模擬船提供電力。旋轉單元6也安裝在中間單元3上，較佳的是，安裝在中間單元3 的中央部位，保證對座椅單元4和屈伸單元7提供足夠的支持力，並驅動座椅單元4和屈伸 單元7進行旋轉。如
圖1和圖3(b)所示，中間單元3的中心位置設有用於與旋轉單元6連接的旋轉 座。旋轉座可繞垂直於基體31的方向旋轉，從而保證旋轉單元6可以在圖4所示Z方向旋 轉。旋轉單元6本質上是一個3自由度的轉動副繞Z軸的大範圍偏航旋轉(標稱範 圍為士 150度)、繞Y軸的小範圍俯仰縱搖(標稱範圍為士20度)和繞X軸的微範圍晃擺 橫滾(標稱範圍為士 10度)。具體如圖4所示，旋轉單元6採用3自由度轉動框架結構。圖4中，施加旋轉負載 時，利用6X轉動軸可以實現圖4中X方向的旋轉；利用6Y轉動軸可以實現圖4中Y方向的 旋轉；利用6Z轉動軸可以實現圖4中Z方向的旋轉。每個自由度均由力矩伺服電機(6Z1、 6YU6X1)驅動減速器(6Z2、6Y2、6X2)傳動，並由角位移傳感器(6Ζ3、6Υ3、6Χ3)實時讀取當 前角位置。根據滿足各自由度所承受的負載要求，確定旋轉單元6的各自由度的驅動和傳 動係數；而且根據各自由度的幾何約束(特別是對於滾動與搖動)，旋轉單元6能及時對角 運動進行強制性安全限位。
圖1所示的座椅單元4是屈伸單元7的從動部分。圖5為屈伸單元7的在Ytl方 向上的示意圖。其中，71為直流伺服電機，設置在屈伸基座框架710上。72為渦輪減速機 構，其由電機71驅動。73為絲杆，絲杆下面為滑槽。74為滑塊，可沿著絲杆在滑槽內滑動。 75A、75B、75C、75D為四根在Ytl方向延伸的軸，其中75A直接與滑塊74相連(未圖示)，75C、 75B分別與屈伸基座框架710前後兩端的Π型連杆相連，然後驅動連杆713與714。75D不 必與框架相連，直接由有關連杆連接。按照四邊形傳動機理，最終驅使座椅單元4的坐墊 41前後運動。座椅單元4的靠背42、大腿支撐43和小腿支撐44亦隨之前後運動。軸75Α 的核心作用是實現靠背42、大腿支撐43和小腿支撐44的屈伸運動的變換過渡。伸展運動 時，軸75Α首先帶動軸75D及至靠背42放開；當軸75D的傳動功能到位時，便同時通過連杆 78Α、78Β帶動大腿支撐43，連杆79Α、79Β帶動小腿支撐44伸開。通過對連杆76_77、76_78 和78-79的適當設計，確保對靠背42相對坐墊41的角位置、大腿支撐43相對坐墊41的角 位置和小腿支撐44相對大腿支撐43的角位置在完全伸開時達到期望的姿態。收攏運動時 的順序正好相反。圖6所示的電控單元5包括電源(可充入電池或市電)、中心控制計算模塊、與所 述中心控制計算模塊電連接的輸入輸出單元(I/O硬體)、與所述輸入輸出單元電連接的操 作器、部件驅動器和電纜。其中，部件驅動器包括調水平電機組驅動器、電子水平儀驅動器、旋轉執行電機驅 動器、旋轉角度測量驅動器、屈伸電機驅動器、按摩器驅動器以及多媒體部件驅動器。圖6中表示了部件驅動器相應驅動的部件，例如調水平電機組驅動器用於驅動調水平電機組。當然，部件驅動器是根據需要設計的。如果磁懸浮太空模擬船沒有安裝的部件，就 不需要相應的驅動器。例如，座椅單元4沒有按摩器8，則電控單元5就不需要按摩器驅動 器；沒有太空多媒體感效增強單元9，就不需要多媒體部件驅動器。類似於筆記本電腦，其中電源51要求直流供電(建議M±8VDC)，因此可以採用 可充放直流電池供電，就不需要適配器；當然，也可以通過AC/DC適配器由市電供電。各部 件需要中心電控線路盒供電。一般地，執行部件電源電平與系統電源提供的電平相同(建 議M±8VDC)，傳感部件電源電平為系統電源電平的一半(建議12VDC)，I/O信號一般採用 5VDC、3. 3VDC 或 4_20mA 電流(對模擬 I/O)。計算模塊根據從輸入輸出單元接收的有關數據進行計算，並根據計算結果通過輸 入輸出單元向操作器發送操作指令。操作器或輸入輸出單元指示部件驅動器對相應的部件 進行驅動。太空多媒體感效增強單元9包括封閉式環形屏幕、音響設備等，用於體驗真實的 星際航行的視覺和聽覺衝擊。計算單元通過採集旋轉運動、屈伸運動數據，計算出人體的方 位和姿勢的變化信息，然後調用預存儲在計算單元上的與當前人體方位和姿勢相適應的太 空星圖以及各種科幻的太空飛船等動態視景圖像，同時音箱設備也將發出與視景相匹配的 太空音樂，增強太空多媒體感覺，即使不帶頭盔或立體眼鏡，也達到逼真的虛擬實境效果。 由於此太空多媒體感效增強單元是建立在磁懸浮技術上的，因此，同一般的3D技術僅給人 帶來視覺和聽覺的感官相比，自身的參與度並不高，而此單元帶來的感官是全方位的，人在 體驗視覺和聽覺的衝擊的同時，也在感受太空失重的感覺，因此這種太空多媒體感效增強 單元給人的體驗更加真實。嵌入式模塊、中心電控線路盒或操作器內可以設置無線通信模塊。通過與嵌入式 模塊、中心電控線路盒或操作器的無線通信，地面監控中心可以獲得磁懸浮太空模擬船的 遙測參數，對其發送遙控指令，對各單元實施遙控操作。基於此，可進一步擴展功能，如生 命的體溫、血壓、心跳等的遙測；環境壓力、溫度等的測量；天地(視頻)通話；運動狀態監 督；人機結合多模式提示報警。以上對本實用新型所提供的磁懸浮太空模擬船進行了詳細的說明。對本領域的技 術人員而言，在不背離本實用新型實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都 將構成對本實用新型專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求1.一種磁懸浮太空模擬船，其特徵在於包括 由永磁體製成的磁浮單元(1)；位於所述磁浮單元(1)下方且對其提供支持力的支撐單元O)； 位於所述磁浮單元(1)上方的中間單元(3)；設置在所述中間單元C3)上方且通過屈伸單元(7)支撐的座椅單元； 設置在所述中間單元C3)上的電控單元(5)； 以及連接所述中間單元C3)和所述屈伸單元(7)的旋轉單元(6)， 其中，所述磁浮單元(1)具有對應設置的上磁體(11)、下磁體(12)、上磁體安裝支座 (13)和下磁體安裝支座(14)，所述下磁體安裝支座(14)安裝在所述支撐單元(2)上部，所 述下磁體(12)安裝在所述下磁體安裝支座(14)內部；所述上磁體安裝支座(13)安裝在所 述中間單元C3)下部，所述上磁體(11)安裝在所述上磁體安裝支座(1 內部。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於所述支撐單元( 具有基座和設置在所述基座頂部的周圍磁軸承定子 (25),所述中間單元C3)具有基體(31)和從所述基體(31)底部向下延伸的周圍磁軸承轉子 (32)，所述周圍磁軸承轉子(3 伸入到所述周圍磁軸承定子05)。
3.如權利要求2所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於 所述周圍磁軸承定子0 與周圍磁軸承轉子(3 的對應設置。
4.如權利要求3所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於 所述周圍磁軸承定子0 周圍設置有防碰撞橡膠壁06)。
5.如權利要求2所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於所述中間單元C3)上設有用於與所述旋轉單元(6)連接的旋轉座，所述旋轉座可繞垂 直於所述基體(31)的方向旋轉。
6.如權利要求5所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於 所述旋轉單元(6)是三自由度轉動框架結構。
7.如權利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於 所述座椅單元(4)是所述屈伸單元(7)的從動部分，所述屈伸單元(7)包括屈伸基座框架(710)，安裝在所述屈伸基座框架(710)上的電機 (71)，由所述電機(71)驅動的減速機構(72)，與所述減速機構(72)連接的絲杆(73)，可沿 著所述絲杆(7 在滑槽內滑動的滑塊(74)，四根軸(75A、75B、75C、75D)以及多根與所述軸 直接或間接連接的連杆(711、712、713、714)，其中，一根所述軸(75A)直接與所述滑塊(74)相連，兩根所述軸(75C、75B)分別與所 述屈伸基座框架(710)前後兩端的所述連杆(711、71幻相連，然後驅動所述兩根所述軸的 另一側的所述連杆(713、714)。
8.如權利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於所述電控單元(5)包括電源、中心控制計算模塊、與所述中心控制計算模塊電連接的 輸入輸出單元、與所述輸入輸出單元電連接的操作器、部件驅動器和電纜，所述部件驅動器與所述電源、所述輸入輸出單元以及所述操作器連接，所述電源與所 述輸入輸出單元連接。
9.如權利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於所述磁懸浮太空模擬船還包括太空多媒體感效增強單元(9)，所述太空多媒體感效增 強單元(9)包括封閉式環形屏幕、音響設備。
10.如權利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特徵在於所述磁懸浮太空模擬船還包括設置在嵌入式模塊、中心電控線路盒或操作器內的無線 通信模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種磁懸浮太空模擬船。它包括由永磁體製成的磁浮單元；位於磁浮單元下方且對其提供支持力的支撐單元；位於磁浮單元上方的中間單元；設置在中間單元上方且通過屈伸單元支撐的座椅單元；設置在中間單元上的電控單元；以及連接中間單元(3)和屈伸單元的旋轉單元，其中，磁浮單元具有對應設置的上磁體、下磁體、上磁體安裝支座和下磁體安裝支座，下磁體安裝支座安裝在支撐單元上部，下磁體安裝在下磁體安裝支座內部；上磁體安裝支座安裝在中間單元下部，上磁體安裝在上磁體安裝支座內部。本實用新型可以低成本地模擬太空失重環境，可用於娛樂或家庭休閒工具。
文檔編號A63G31/02GK201862260SQ20102018768
公開日2011年6月15日 申請日期2010年5月12日 優先權日2010年5月12日
發明者吳國良, 李明航, 田科豐 申請人:李明航