摘 要

虚拟现实技术已经带动相关行业的飞速发展，其中包括娱乐、军事、医学等方面。虚拟现实技术进步也是的各行各业对其沉浸性提出了更高的要求，虚拟现实的沉浸性的提高依赖使用者在虚拟现实中各个感官反馈的效果。现阶段在虚拟现实各个感官反馈已有一定研究，但大多设备只能提供一种或者两个感官反馈，极度缺乏一种综合各个感官的综合反馈设备。

基于现阶段缺乏一种虚拟现实各个感官综合反馈设备，本课题结合现阶段的研究成果以及机械设计电子电工的相关知识设计了一种深度沉浸式VR智能体验舱，同时完成其控制系统设计，其综合有视觉感官的反馈、听觉感官的反馈、前庭觉感官的反馈、嗅觉感官的反馈、触觉感官的反馈；利用六自由度平台以及万向跑步机提供其前庭觉反馈，触觉反馈阵列提供其触觉反馈，借用现有的虚拟现实设备提供视觉听觉嗅觉反馈。可以实现使用者的五个感官的虚拟现实反馈。

本文首先对现阶段的发展现状进行总结，随后进行了深度沉浸式VR智能体验舱的整体设计；而后再整体设计的基础上利用所学知识进行了整机关键承载模块的机械设计验算，在此基础上完成了整机的模型构建以及选型，并利用SolidWorks三维建模软件进行了其整体三维虚拟样机的构建；并利用有限元分析软件ANSYS对整机的关键机构进行了应力以及应变的设计分析，均满足设计要求。在控制部分设计中，首先进行了整体系统的控制方案的设计以及描述；再次结合机械原理以及机器人运动学基本内容，建立了六自由度平台的伸缩杆与移动平台的位姿之间的关系数学模型，完成了其移动平台的位置和姿态的反解；并在此基础上完成了六自由度平台部分的控制选型及设计；同时也完成其他各个模块的设计及选型；完成了整机的设计。

关键词：感官反馈，六自由度平台，万向跑步，静力学，控制模块

Abstract

Virtual reality technology has led to the rapid development of related industries, including entertainment, military, medical and other aspects. The progress of virtual reality technology also brings about higher requirements for its immersion from all walks of life. The improvement of the immersion of virtual reality depends on the effect of users' sensory feedback in virtual reality. At the present stage, there have been some studies on various sensory feedback of virtual reality, but most devices can only provide one or two sensory feedback, and there is a severe lack of a comprehensive sensory feedback device.

Based on the present stage the lack of a virtual reality various comprehensive sensory feedback device, the research achievements of this topic in combination with the present stage of electronic electrical and mechanical design knowledge to design an intelligent depth immersive VR experience, at the same time to complete its control system is designed, which integrated with visual sensory feedback, auditory sensory feedback, vestibular sensory feedback, smell sensory feedback, touch sensory feedback; The 6-DOF Platform and the universal treadmill are used to provide its vestibular sensory feedback, the haptic feedback array is used to provide its haptic feedback, and the existing virtual reality equipment is used to provide visual, auditory and olfactory feedback. Virtual reality feedback from users' five senses can be realized.

This paper first summarizes the current development situation, and then carries out the overall design of the deep immersion VR intelligent experience module. Then on the basis of the overall design, the key bearing module of the whole machine is checked by using the knowledge learned. On this basis, the model construction and model selection of the whole machine are completed. The SolidWorks 3d modeling software is used to construct its overall 3d virtual prototype. The stress and strain of the key mechanism of the whole machine are analyzed by using the finite element analysis software ANSYS. In the design of the control part, the control scheme of the whole system is designed and described firstly. Combined with the mechanical principle and the basic content of robot kinematics, the mathematical model of the relationship between the telescopic rod of the 6-DOF Platform and the pose of the mobile platform is established, and the inverse solution of the position and pose of the mobile platform is completed. On this basis, the control selection and design of6-DOF Platform are completed. At the same time, I also completed the design and selection of other modules. Completed the design of the whole machine.

Keywords: Sensory feedback, 6-DOF Platform, Universal running, statics, control module

目 录

第1 章绪论 1

1.1 虚拟现实技术介绍 1

1.2 现阶段的研究现状 1

1.2.1 视觉与听觉研究现状 1

1.2.2 嗅觉研究现状 3

1.2.3 触觉研究现状 6

1.2.4 前庭觉研究现状 9

1.2.5 万向跑步机的研究现状 10

1.3 研究目的及项目意义 11

1.3.1 研究目的 11

1.3.2 研究意义 12

第2章 深度沉浸式VR智能体验舱总体设计 13

2.1 引言 13

2.2 深度沉浸式VR智能体验舱功能综述 13

2.3 整机设计的基本参数 14

2.4 深度沉浸式VR智能体验舱整体机构设计 15

2.5 六自由度平台机构设计 15

2.6 万向跑步机机构设计 17

2.6.1 X方向转动模块设计 18

2.6.2 Y方向转动模块设计 19

2.6.3 电源供给模块设计 20

2.7 阵列制冷制热模块设计 21

2.8 本章小结 22

第3章 深度沉浸式VR智能体验舱的设计计算 23

3.1 X方向传动模块的设计计算 23

3.1.1 驱动电机的选型计算 23

3.1.2 支撑小轮的设计计算 23

3.1.3 两侧支撑板以及底板的设计计算 25

3.2 Y方向传动模块的设计计算 26

3.2.1 链与链轮参数设计 26

3.2.2 承载轴的参数设计 30

3.3 六自由度平台的驱动设计计算 30

3.3.1 整机重量及现有六自由度平台的重量设计 30

3.3.2 伺服电动缸的选型 31

3.4 本章小结 32

第4章 深度沉浸式VR智能体验舱关键机构分析 33

4.1 万向跑步机支撑轴的静力学分析 33

4.2 万向跑步机X方向转动模块及链节的分析 36

4.3 本章小结 41

第5章 深度沉浸式VR智能体验舱的控制系统设计 42

5.1 整机控制系统设计 42

5.2 六自由度平台模块控制设计 42

5.2.1 六自由度平台原理介绍 43

5.2.2 六自由度平台控制部分介绍 47

5.3 万向跑步机模块控制 49

5.4 触觉反馈阵列模块控制设计 51

5.5 本章小结 53

第6章 总结与展望 54

参考文献 56

致谢 57

第1 章绪论

1.1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实作为仿真技术的一个要紧的部分。它集合了计算机的多项技术于一体，例如：人机界面技术，多媒体技术，网络技术等。也由于虚拟现实技术是一种多学科集合的技术，故其也是一个学科交叉的前沿领域^[1]。虚拟现实技术是一种人机交互方式，该交互方式主要包含以下几部分内容：虚拟环境、感官反馈、人的自然动作技能和对人动作进行感知的设备。虚拟环境是在计算机上产生的、非延时的、非静止的、立体的、接近于真实的图像。感官反馈意味着虚拟现实技术应该可以进行一切人具有的感官反馈。除了由计算机的寻你环境图形产生的视觉方面的感知反馈外，还有其他一切人类拥有的感知。人的自然动作技能指的是人体的各个身体部位的自然动作技能即是人类行为的动作。计算机将使用者的行为动作的实时操作数据进行处理，并根据计算机的计算结果及时的输出至使用者的感官接收处^[2]。对人动作进行感知的设备装置是一种在立体空间内进行计算机与使用者交互的装置。

现阶段，社会上的消费者将其主要的关注点集中在虚拟现实的头戴设备，该设备可以进行视觉以及听觉方面的反馈，同时该设备也侧重于感知。本设计所设计也是一种侧重于虚拟现实感官反馈的设备。