基于六自由度平台的动感座椅的设计研究

傅天宇　武云江　惠文豪

摘   要：21世纪，人们的娱乐生活更加丰富多彩，动感影院也逐渐进入了人们的视野，由于观众在观看4D影片时能够获得视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位的感受，近年来4D影院的发展非常迅猛。但是传统的动感影院通过网络通信接口传送指令，存在占有带宽、指令延迟引起动感座椅姿态跟踪效果不佳的问题，针对这些问题，文章提出了一种全新的控制方式。首先，利用影片的镜头姿态，求出动感影院六自由度平台的姿态;其次，对六自由度平台的姿态进行逆解，求出六自由度6个臂舵机的转动角度;最后，将逆解后的舵机转动角度存储到MCU的内存中，与控制服务器同步启动影视片播放及座椅的位置调节。

关键词：六自由度平台;运动学逆解;动感影院;座椅

1    六自由度平台

六自由度平台在游乐设备领域主要用于动感影院、驾驶赛车模拟等，而文章要讲述的是关于动感影院方面的问题，动感影院正处在发展阶段，常见的项目有黑暗乘骑、飞行影院、影视悬挂过山车等。

由于六自由度平台的运动复杂性，要让游客有身临其境的感受，必须要让运动与影片同步。为了使动感影院的效果更加逼真，完善的智能控制系统尤为重要。动感影院的控制实际上就是六自由度平台的姿态控制，是该系统最重要的一个技术问题。首先动感影院六自由度平台的运动姿态参数，来源于影片中镜头的姿态。研究人员提出一种获取姿态的方式：将影片导入MAYA工具软件，将六自由度平台座椅与影片镜头相结合，设定运动比例参数，按帧计算并输出座椅的姿态，将姿态信息发送至单片机从而控制六自由度平台的运动。

2    六自由度平台概述

2.1  六自由度平臺的组成

由于条件限制，不可能做成影院式的六自由度平台，因此，工作人员设计了小型的六自由度平台，由底座、平台、6个舵机、6个舵机臂、6根球形拉杆及控制系统组成。控制舵机的转动角度即可完成上平台在空间的平移、旋转、倾斜等空间6个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而模拟出各种空间运动姿态。座椅固定在六自由度平台上。图1是在家搭建的模型，图2是在实验室由电动推杆所搭建的模型。

2.2  六自由度平台姿态解算—运动学逆解

六自由度平台的基底作为参考坐标系XYZ，上平台为动坐标系XYZ，假设初始状态两坐标系相重合，固定z轴与Z轴不动，动坐标系旋转ψ度，如图3所示。

3    六自由度平台的数据输入

3.1  通过MAYA软件生成六自由度平台的姿态数据

座椅的动作要和影片的进行同步，就是说六自由度平台的动作由影片决定。在MAYA中，影片技术人员生成相机视角曲线，导出连续变化的姿态数据。

3.2  将连续变化的姿态数据转变为各舵机转动的角度数据

由MAYA导出的姿态数据是连续变化的空间六自由度数据：各个坐标和各个旋转角度。这完美对应了前面推出的公式，只需要将这些数据发送给单片机，由单片机进行计算处理，即可进行控制。

4    执行步骤

综上所述，只要按照下述的步骤执行，即可完成影片与座椅动作的同步。

（1）输入平台的位置信息bi，pi，s，a，βi，这些量都由人为给定的，可以直接测量出。

（2）运用MAYA软件收到的姿态信息，求解出六自由度平台中心点对应基底的坐标和ψ，θ，?等角度。

（3）运用以上数据计算出舵机所转动的角度，将信息发送至单片机，用单片机控制PWM波形的高低电平时间从而控制舵机的转动角度，完成控制。

5    结语

本文详细阐述了六自由度平台的组成，运动学的逆解，并给出了完整的公式推导，并且将六自由度平台应用到了动感影院当中，利用了MAYA软件进行姿态提取，并将数据发送至单片机完成控制处理。文中所涉及的一些研究思路和方法，特别是六自由度平台运动学逆解的公式原理，可为今后六自由度平台应用于类似项目提供理论借鉴和实践经验。