專利名稱：磁懸浮太空模擬船的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種利用磁懸浮效應實現(xiàn)、具有養(yǎng)生效果的太空模擬船，屬于機電一 體化技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
磁懸浮技術(shù)的研究源于德國，早在1922年Hermann Kemper就提出了磁懸浮技術(shù) 的基本原理。現(xiàn)代的磁懸浮技術(shù)是集電磁學、電子技術(shù)、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(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型 電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動力學的進展，磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)了長足的發(fā)展，已經(jīng)在軌道交通、風 力發(fā)電等多個領域得到深入發(fā)展與應用。利用磁懸浮技術(shù)，可以在地面實現(xiàn)模擬太空的微重力環(huán)境。因此，磁懸 浮技術(shù)已經(jīng) 成為人們進行相關(guān)高科技研究的重要手段。但是，磁懸浮技術(shù)營造的微重力環(huán)境只是在有 關(guān)研究機構(gòu)中使用，普通民眾基本上沒有實際接觸、感受微重力環(huán)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復合材料制成雙層結(jié)構(gòu)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(nèi)碼放高強磁鐵塊；船體后部設有減速輪，船體前部設有減速控制踏 板；減速輪由橡膠管內(nèi)裝高強磁鐵塊構(gòu)成。人員乘坐其中安全可靠、感覺獨特，適用于與磁 懸浮滑道配套使用，模仿太空漫游的體育娛樂裝置。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 與固定桿。底座包括支撐環(huán)體和支撐肋片，支撐環(huán)體上設置有滑軌，滑軌上安裝有磁體，固 定桿穿過支撐環(huán)體設置。該實用新型利用磁懸浮原理設計，有三種使用狀態(tài)，包括可旋轉(zhuǎn)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，自然放松， 兼有磁療功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于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(xiàn)模擬太空失重的效果，兼具養(yǎng)生娛樂的功能。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案一種磁懸浮太空模擬船，其特征在于包括由永磁體制成的磁浮單元1 ；位于所述磁浮單元1下方且對其提供支持力的支撐單元2 ；位于所述磁浮單元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 ；
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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)子 32，所述周圍磁軸承轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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上設有用于與所述旋轉(zhuǎn)單元6連接的旋轉(zhuǎn)座，所述旋轉(zhuǎn)座可繞垂 直于所述基體31的方向旋轉(zhuǎn)。 所述旋轉(zhuǎn)單元6是三自由度轉(zhuǎn)動框架結(jié)構(gòu)。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(qū)動的減速機構(gòu)72，與 所述減速機構(gòu)72連接的絲桿73，可沿著所述絲桿73在滑槽內(nèi)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桿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前后兩端的所述連桿711、712相連，然后驅(qū)動所述兩根所述軸的另一側(cè) 的所述連桿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(qū)動器和電纜，所述部件驅(qū)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(huán)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(nèi)的 無線通信模塊。本發(fā)明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(huán)境，可用于娛樂 或家庭休閑工具。該太空模擬船通過設置按摩器，可以實現(xiàn)按摩功能；通過設置太空多媒體 感效增強單元(封閉式環(huán)形屏幕、音響設備等)，實現(xiàn)了太空視景模擬功能；通過設置無線 通信模塊，還能實現(xiàn)地面監(jiān)控功能。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1為本發(fā)明所提供的磁懸浮太空模擬船整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)為圖1中的中間單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1中的旋轉(zhuǎn)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖1中的屈伸單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為電控單元的原理示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明所提供的磁懸浮太空模擬船包括由稀土永磁體制成的磁浮單 元1 ；位于磁浮單元1下方且對其提供支持力的支撐單元2 ；位于磁浮單元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(zhuǎn)單元6。為了實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(huán)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XtlYtl水平面 內(nèi)對稱分布(Ztl從紙面指向上，XqYqZq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(chǎn)生均勻的所需的磁場。不限于圖2(a)和圖2(b)所示的磁體布局方式，按照載荷 范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(jié)合圖1和圖3(a)可知，支撐單元2包括基座21、4套轱轆22、4套可調(diào)高絲桿墊 鐵組合件23、4套周圍磁軸承定子25、4套防碰撞橡膠壁26以及1個設置在支撐單元2頂 部的電子水平儀24。在基座21內(nèi)部設有電纜孔，用于電纜貫通，實現(xiàn)電連接。其中，基座21在結(jié)構(gòu)上支持磁浮單元1的下面部分在XtlYtl水平面內(nèi)的合理安裝， 并且具有適當大小的中心孔以便系統(tǒng)走線的需要。轱轆22用于本發(fā)明所提供的磁懸浮太 空模擬船的移動。如果不需移動，也可以不設置轱轆22。每套可調(diào)高墊鐵組合件23均包 括安裝在基座21上的電機和絲杠，絲杠與地面可接觸面為柔性面。絲桿墊鐵的高度可通過 電機驅(qū)動進行調(diào)節(jié)，便于釋放轱轆組所承受的壓力，將磁懸浮太空模擬船在地面固定下來。 利用可調(diào)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26安裝在下磁體安裝支 座14上。防碰撞橡膠壁26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(fā)生碰撞。通過讀取電子水平儀24的讀數(shù)，可由電控單元5驅(qū)動適當?shù)碾姍C 及絲桿進行閉環(huán)控制，將支撐單元自動調(diào)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(zhuǎn)子32組成。周圍磁軸承轉(zhuǎn)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(nèi)部設有電纜孔，用于與支撐單元2的電纜相 連接，實現(xiàn)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(zhuǎn)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，并驅(qū)動座椅單元4和屈伸 單元7進行旋轉(zhuǎn)。如圖1和圖3(b)所示，中間單元3的中心位置設有用于與旋轉(zhuǎn)單元6連接的旋轉(zhuǎn) 座。旋轉(zhuǎn)座可繞垂直于基體31的方向旋轉(zhuǎn)，從而保證旋轉(zhuǎn)單元6可以在圖4所示Z方向旋 轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)單元6本質(zhì)上是一個3自由度的轉(zhuǎn)動副繞Z軸的大范圍偏航旋轉(zhuǎn)(標稱范 圍為士 150度)、繞Y軸的小范圍俯仰縱搖(標稱范圍為士20度)和繞X軸的微范圍晃擺 橫滾(標稱范圍為士 10度)。
具體如圖4所示，旋轉(zhuǎn)單元6采用3自由度轉(zhuǎn)動框架結(jié)構(gòu)。圖4中，施加旋轉(zhuǎn)負載 時，利用6X轉(zhuǎn)動軸可以實現(xiàn)圖4中X方向的旋轉(zhuǎn)；利用6Y轉(zhuǎn)動軸可以實現(xiàn)圖4中Y方向的 旋轉(zhuǎn)；利用6Z轉(zhuǎn)動軸可以實現(xiàn)圖4中Z方向的旋轉(zhuǎn)。每個自由度均由力矩伺服電機(6Z1、 6YU6X1)驅(qū)動減速器(6Z2、6Y2、6X2)傳動，并由角位移傳感器(6Ζ 3、6Υ3、6Χ3)實時讀取當 前角位置。根據(jù)滿足各自由度所承受的負載要求，確定旋轉(zhuǎn)單元6的各自由度的驅(qū)動和傳 動系數(shù)；而且根據(jù)各自由度的幾何約束(特別是對于滾動與搖動)，旋轉(zhuǎn)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(gòu)，其由電機71驅(qū)動。73為絲桿，絲桿下面為滑槽。74為滑塊，可沿著絲桿在滑槽內(nèi)滑動。 75A、75B、75C、75D為四根在Y。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前后兩端的Π型連桿相連，然后驅(qū)動連桿713與714。75D不 必與框架相連，直接由有關(guān)連桿連接。按照四邊形傳動機理，最終驅(qū)使座椅單元4的坐墊 41前后運動。座椅單元4的靠背42、大腿支撐43和小腿支撐44亦隨之前后運動。軸75Α 的核心作用是實現(xiàn)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，便同時通過連桿 78Α、78Β帶動大腿支撐43，連桿79Α、79Β帶動小腿支撐44伸開。通過對連桿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(tài)。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硬件)、與所述輸入輸出單元電連接的操 作器、部件驅(qū)動器和電纜。其中，部件驅(qū)動器包括調(diào)水平電機組驅(qū)動器、電子水平儀驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行電機驅(qū) 動器、旋轉(zhuǎn)角度測量驅(qū)動器、屈伸電機驅(qū)動器、按摩器驅(qū)動器以及多媒體部件驅(qū)動器。圖6中表示了部件驅(qū)動器相應驅(qū)動的部件，例如調(diào)水平電機組驅(qū)動器用于驅(qū)動調(diào)水平電機組。當然，部件驅(qū)動器是根據(jù)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(qū)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(qū)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(qū)動器。類似于筆記本電腦，其中電源51要求直流供電(建議24士8VDC)，因此可以采用 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(zhí)行部件電源電平與系統(tǒng)電源提供的電平相同(建 議24士8VDC)，傳感部件電源電平為系統(tǒng)電源電平的一半(建議12MDC)，I/O信號一般采用 5VDC、3. 3MDC 或 4_20mA 電流(對模擬 I/O)。計算模塊根據(jù)從輸入輸出單元接收的有關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果通過輸 入輸出單元向操作器發(fā)送操作指令。操作器或輸入輸出單元指示部件驅(qū)動器對相應的部件 進行驅(qū)動。太空多媒體感效增強單元9包括封閉式環(huán)形屏幕、音響設備等，用于體驗 真實的 星際航行的視覺和聽覺沖擊。計算單元通過采集旋轉(zhuǎn)運動、屈伸運動數(shù)據(jù)，計算出人體的方 位和姿勢的變化信息，然后調(diào)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(tài)視景圖像，同時音箱設備也將發(fā)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，也達到逼真的虛擬現(xiàn)實效果。 由于此太空多媒體感效增強單元是建立在磁懸浮技術(shù)上的，因此，同一般的3D技術(shù)僅給人 帶來視覺和聽覺的感官相比，自身的參與度并不高，而此單元帶來的感官是全方位的，人在 體驗視覺和聽覺的沖擊的同時，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(nèi)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(jiān)控中心可以獲得磁懸浮太空模擬船的 遙測參數(shù)，對其發(fā)送遙控指令，對各單元實施遙控操作。基于此，可進一步擴展功能，如生 命的體溫、血壓、心跳等的遙測；環(huán)境壓力、溫度等的測量；天地(視頻)通話；運動狀態(tài)監(jiān) 督；人機結(jié)合多模式提示報警。以上對本發(fā)明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(shù)人 員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對 本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權(quán)利要求
一種磁懸浮太空模擬船，其特征在于包括由永磁體制成的磁浮單元(1)；位于所述磁浮單元(1)下方且對其提供支持力的支撐單元(2)；位于所述磁浮單元(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)；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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于所述支撐單元(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(zhuǎn)子 (32)，所述周圍磁軸承轉(zhuǎn)子(32)伸入到所述周圍磁軸承定子(25)。
3.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于 所述周圍磁軸承定子(25)與周圍磁軸承轉(zhuǎn)子(32)的對應設置。
4.如權(quán)利要求3所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于 所述周圍磁軸承定子(25)周圍設置有防碰撞橡膠壁(26)。
5.如權(quán)利要求2所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于所述中間單元(3)上設有用于與所述旋轉(zhuǎn)單元(6)連接的旋轉(zhuǎn)座，所述旋轉(zhuǎn)座可繞垂 直于所述基體(31)的方向旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于 所述旋轉(zhuǎn)單元(6)是三自由度轉(zhuǎn)動框架結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于 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(qū)動的減速機構(gòu)(72)，與所述減速機構(gòu)(72)連接的絲桿(73)，可沿 著所述絲桿(73)在滑槽內(nèi)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桿(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前后兩端的所述連桿(711、712)相連，然后驅(qū)動所述兩根所述軸的另 一側(cè)的所述連桿(713、714)。
8.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于所述電控單元(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(qū)動器和電纜，所述部件驅(qū)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(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于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(huán)形屏幕、音響設備。
10.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮太空模擬船，其特征在于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(nèi)的無線 通信模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁懸浮太空模擬船。它包括由永磁體制成的磁浮單元；位于磁浮單元下方且對其提供支持力的支撐單元；位于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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)部。本發(fā)明可以低成本地模擬太空失重環(huán)境，可用于娛樂或家庭休閑工具。
文檔編號A63G31/02GK101829430SQ20101016998
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者吳國良, 李明航, 田科豐 申請人:李明航