磁悬浮太空模拟船.pdf

本发明公开了一种磁悬浮太空模拟船。它包括：由永磁体制成的磁浮单元；位于磁浮单元下方且对其提供支持力的支撑单元；位于磁浮单元上方的中间单元；设置在中间单元上方且通过屈伸单元支撑的座椅单元；设置在中间单元上的电控单元；以及连接中间单元(3)和屈伸单元的旋转单元，其中，磁浮单元具有对应设置的上磁体、下磁体、上磁体安装支座和下磁体安装支座，下磁体安装支座安装在支撑单元上部，下磁体安装在下磁体安装支座内部；上磁体安装支座安装在中间单元下部，上磁体安装在上磁体安装支座内部。本发明可以低成本地模拟太空失重环境，可用于娱乐或家庭休闲工具。

1.  一种磁悬浮太空模拟船，其特征在于包括：
由永磁体制成的磁浮单元(1)；
位于所述磁浮单元(1)下方且对其提供支持力的支撑单元(2)；
位于所述磁浮单元(1)上方的中间单元(3)；
设置在所述中间单元(3)上方且通过屈伸单元(7)支撑的座椅单元(4)；
设置在所述中间单元(3)上的电控单元(5)；
以及连接所述中间单元(3)和所述屈伸单元(7)的旋转单元(6)，
其中，所述磁浮单元(1)具有对应设置的上磁体(11)、下磁体(12)、上磁体安装支座(13)和下磁体安装支座(14)，所述下磁体安装支座(14)安装在所述支撑单元(2)上部，所述下磁体(12)安装在所述下磁体安装支座(14)内部；所述上磁体安装支座(13)安装在所述中间单元(3)下部，所述上磁体(11)安装在所述上磁体安装支座(13)内部。

2.  根据权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述支撑单元(2)具有基座(21)和设置在所述基座(21)顶部的周围磁轴承定子(25)，
所述中间单元(3)具有基体(31)和从所述基体(31)底部向下延伸的周围磁轴承转子(32)，所述周围磁轴承转子(32)伸入到所述周围磁轴承定子(25)。

3.  如权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述周围磁轴承定子(25)与周围磁轴承转子(32)的对应设置。

4.  如权利要求3所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述周围磁轴承定子(25)周围设置有防碰撞橡胶壁(26)。

5.  如权利要求2所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述中间单元(3)上设有用于与所述旋转单元(6)连接的旋转座，所述旋转座可绕垂直于所述基体(31)的方向旋转。

6.  如权利要求5所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述旋转单元(6)是三自由度转动框架结构。

7.  如权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述座椅单元(4)是所述屈伸单元(7)的从动部分，
所述屈伸单元(7)包括屈伸基座框架(710)，安装在所述屈伸基座框架(710)上的电机(71)，由所述电机(71)驱动的减速机构(72)，与所述减速机构(72)连接的丝杆(73)，可沿着所述丝杆(73)在滑槽内滑动的滑块(74)，四根轴(75A、75B、75C、75D)以及多根与所述轴直接或间接连接的连杆(711、712、713、714)，
其中，一根所述轴(75A)直接与所述滑块(74)相连，两根所述轴(75C、75B)分别与所述屈伸基座框架710前后两端的所述连杆(711、712)相连，然后驱动所述两根所述轴的另一侧的所述连杆(713、714)。

8.  如权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述电控单元(5)包括电源、中心控制计算模块、与所述中心控制计算模块电连接的输入输出单元、与所述输入输出单元电连接的操作器、部件驱动器和电缆，
所述部件驱动器与所述电源、所述输入输出单元以及所述操作器连接，所述电源与所述输入输出单元连接。

9.  如权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述磁悬浮太空模拟船还包括太空多媒体感效增强单元(9)，所述太空多媒体感效增强单元(9)包括封闭式环形屏幕、音响设备。

10.  如权利要求1所述的磁悬浮太空模拟船，其特征在于：
所述磁悬浮太空模拟船还包括设置在嵌入式模块、中心电控线路盒或操作器内的无线通信模块。

磁悬浮太空模拟船
技术领域
本发明涉及一种利用磁悬浮效应实现、具有养生效果的太空模拟船，属于机电一体化技术领域。
背景技术
磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年Hermann Kemper就提出了磁悬浮技术的基本原理。现代的磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的机电一体化技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术实现了长足的发展，已经在轨道交通、风力发电等多个领域得到深入发展与应用。
利用磁悬浮技术，可以在地面实现模拟太空的微重力环境。因此，磁悬浮技术已经成为人们进行相关高科技研究的重要手段。但是，磁悬浮技术营造的微重力环境只是在有关研究机构中使用，普通民众基本上没有实际接触、感受微重力环境的机会，因此普遍充满着好奇和兴趣。
在专利号为ZL 00234436.X的中国实用新型专利中，公开了一种磁悬浮太空娱乐船。该太空娱乐船用高强复合材料制成双层结构船体，中间层设有沿船体横向排列的弧形金属管，弧形金属管内码放高强磁铁块；船体后部设有减速轮，船体前部设有减速控制踏板；减速轮由橡胶管内装高强磁铁块构成。人员乘坐其中安全可靠、感觉独特，适用于与磁悬浮滑道配套使用，模仿太空漫游的体育娱乐装置。但是，该磁悬浮太空娱乐船只有简单的娱乐功能，用途有限。
在专利号为ZL 200820090373.2的中国实用新型专利中，提供了一种磁悬浮可折叠多功能椅，它包括椅体和底座，椅体包括枕部软垫、椅背、椅座和安装在椅座底部的磁体与固定杆。底座包括支撑环体和支撑肋片，支撑环体上设置有滑轨，滑轨上安装有磁体，固定杆穿过支撑环体设置。该实用新型利用磁悬浮原理设计，有三种使用状态，包括可旋转座椅，躺椅、摇椅和可悬浮床，通过磁力悬浮可使人在坐、躺、卧时有磁悬浮的感觉，自然放松，兼有磁疗功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种磁悬浮太空模拟船。该模拟船利用磁悬浮效应实现模拟太空失重的效果，兼具养生娱乐的功能。
为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：
一种磁悬浮太空模拟船，其特征在于包括：
由永磁体制成的磁浮单元1；
位于所述磁浮单元1下方且对其提供支持力的支撑单元2；
位于所述磁浮单元1上方的中间单元3；
设置在所述中间单元3上方且通过屈伸单元7支撑的座椅单元4；
设置在所述中间单元3上的电控单元5；
以及连接所述中间单元3和所述屈伸单元7的旋转单元6，
其中，所述磁浮单元1具有对应设置的上磁体11、下磁体12、上磁体安装支座13和下磁体安装支座14，所述下磁体安装支座14安装在所述支撑单元2上部，所述下磁体12安装在所述下磁体安装支座14内部；所述上磁体安装支座13安装在所述中间单元3下部，所述上磁体11安装在所述上磁体安装支座13内部。
其中，所述支撑单元2具有基座21和设置在所述基座21顶部的周围磁轴承定子25，
所述中间单元3具有基体31和从所述基体31底部向下延伸的周围磁轴承转子32，所述周围磁轴承转子32伸入到所述周围磁轴承定子25。
所述周围磁轴承定子25与周围磁轴承转子32的对应设置。
所述周围磁轴承定子25周围设置有防碰撞橡胶壁26。
所述中间单元3上设有用于与所述旋转单元6连接的旋转座，所述旋转座可绕垂直于所述基体31的方向旋转。
所述旋转单元6是三自由度转动框架结构。
所述座椅单元4是所述屈伸单元7的从动部分，所述屈伸单元7包括屈伸基座框架710，安装在所述屈伸基座框架710上的电机71，由所述电机71驱动的减速机构72，与所述减速机构72连接的丝杆73，可沿着所述丝杆73在滑槽内滑动的滑块74，四根轴75A、75B、75C、75D以及多根与所述轴直接或间接连接的连杆711、712、713、714，
其中，一根所述轴75A直接与所述滑块74相连，两根所述轴75C、75B分别与所述屈伸基座框架710前后两端的所述连杆711、712相连，然后驱动所述两根所述轴的另一侧的所述连杆713、714。
所述电控单元5包括电源、中心控制计算模块、与所述中心控制计算模块电连接的输入输出单元、与所述输入输出单元电连接的操作器、部件驱动器和电缆，
所述部件驱动器与所述电源、所述输入输出单元以及所述操作器连接，所述电源与所述输入输出单元连接。
所述磁悬浮太空模拟船还包括太空多媒体感效增强单元9，所述太空多媒体感效增强单元9包括封闭式环形屏幕、音响设备。
所述磁悬浮太空模拟船还包括设置在嵌入式模块、中心电控线路盒或操作器内的无线通信模块。
本发明所提供的磁悬浮太空模拟船能够低成本地模拟太空失重环境，可用于娱乐或家庭休闲工具。该太空模拟船通过设置按摩器，可以实现按摩功能；通过设置太空多媒体感效增强单元(封闭式环形屏幕、音响设备等)，实现了太空视景模拟功能；通过设置无线通信模块，还能实现地面监控功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明所提供的磁悬浮太空模拟船整体结构示意图；
图2(a)为图1中的支撑单元上的上磁体布局示意图；
图2(b)为图1中的支撑单元上的下磁体布局示意图；
图3(a)为图1中的支撑单元的结构示意图；
图3(b)为图1中的中间单元的结构示意图；
图4为图1中的旋转单元的结构示意图；
图5为图1中的屈伸单元的结构示意图；
图6为电控单元的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的磁悬浮太空模拟船包括由稀土永磁体制成的磁浮单元1；位于磁浮单元1下方且对其提供支持力的支撑单元2；位于磁浮单元1上方的中间单元3；设置在中间单元3上方且通过屈伸单元7支撑的座椅单元4；设置在中间单元3上的电控单元5；以及连接中间单元3和屈伸单元7的旋转单元6。为了实现功能升级或者增加新功能，还可以设置可扩展单元10。为了提高舒适感，可以在座椅单元4上设置按摩器8。为了增强太空失重的感觉，还可以在座椅单元4的周围设置太空多媒体感效增强单元9。
磁浮单元1具有上磁体11、下磁体12、上磁体安装支座13和下磁体安装支座14。下磁体安装支座14安装在支撑单元2上部，下磁体12安装在下磁体安装支座14内部。上磁体安装支座13安装在中间单元3下部，上磁体11安装在上磁体安装支座13内部。共有8个同样外形的单磁体均匀设置在上磁体安装支座13和下磁体安装支座14上。每个单磁体均为环形柱体，上磁体安装支座13和下磁体安装支座14上的上磁体和下磁体，上下磁体同性相对地设置。
具体如图2(a)和图2(b)所示，下磁体安装支座14上的4个磁体在X₀Y₀水平面内对称分布(Z₀从纸面指向上，X₀Y₀Z₀呈右手直角坐标系)。下磁体12-Ⅰ、12-Ⅱ、12-Ⅲ、12-Ⅳ分别表示安装在象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的单磁体。如此均匀分布的磁体，可以利用较小的单磁体产生均匀的所需的磁场。不限于图2(a)和图2(b)所示的磁体布局方式，按照载荷范围与上下间隙大小要求，可以对磁浮单元进行计算机辅助设计，以满足不同需求。
结合图1和图3(a)可知，支撑单元2包括基座21、4套轱辘22、4套可调高丝杆垫铁组合件23、4套周围磁轴承定子25、4套防碰撞橡胶壁26以及1个设置在支撑单元2顶部的电子水平仪24。在基座21内部设有电缆孔，用于电缆贯通，实现电连接。
其中，基座21在结构上支持磁浮单元1的下面部分在X₀Y₀水平面内的合理安装，并且具有适当大小的中心孔以便系统走线的需要。轱辘22用于本发明所提供的磁悬浮太空模拟船的移动。如果不需移动，也可以不设置轱辘22。每套可调高垫铁组合件23均包括安装在基座21上的电机和丝杠，丝杠与地面可接触面为柔性面。丝杆垫铁的高度可通过电机驱动进行调节，便于释放轱辘组所承受的压力，将磁悬浮太空模拟船在地面固定下来。利用可调高垫铁组合件23，可以将座椅单元4设置在人体合适的高度。4套周围磁轴承定子25分别对应下磁体安装支座14上的4个磁体。防碰撞橡胶壁26安装在下磁体安装支座14上。防碰撞橡胶壁26在周围磁轴承定子25上。无需主动措施就可防止中间单元3与支撑单元2发生碰撞。通过读取电子水平仪24的读数，可由电控单元5驱动适当的电机及丝杆进行闭环控制，将支撑单元自动调整到期望的水平度。
如图1和图3(b)所示，中间单元3主要由基体31和设置在基体31下面的4套周围磁轴承转子32组成。周围磁轴承转子32从基体31向下延伸，以插入基座21上设置的周围磁轴承定子25，与之磁耦合。在基座21内部设有电缆孔，用于与支撑单元2的电缆相连接，实现电连接。
磁浮单元1的上磁体11和上磁体安装支座13安装在中间单元3的下部，以与下磁体12和下磁体安装支座14配合工作。电控单元5安装在中间单元3的上部，以对磁悬浮太空模拟船提供电力。旋转单元6也安装在中间单元3上，较佳的是，安装在中间单元3的中央部位，保证对座椅单元4和屈伸单元7提供足够的支持力，并驱动座椅单元4和屈伸单元7进行旋转。
如图1和图3(b)所示，中间单元3的中心位置设有用于与旋转单元6连接的旋转座。旋转座可绕垂直于基体31的方向旋转，从而保证旋转单元6可以在图4所示Z方向旋转。
旋转单元6本质上是一个3自由度的转动副：绕Z轴的大范围偏航旋转(标称范围为±150度)、绕Y轴的小范围俯仰纵摇(标称范围为±20度)和绕X轴的微范围晃摆横滚(标称范围为±10度)。
具体如图4所示，旋转单元6采用3自由度转动框架结构。图4中，施加旋转负载时，利用6X转动轴可以实现图4中X方向的旋转；利用6Y转动轴可以实现图4中Y方向的旋转；利用6Z转动轴可以实现图4中Z方向的旋转。每个自由度均由力矩伺服电机(6Z1、6Y1、6X1)驱动减速器(6Z2、6Y2、6X2)传动，并由角位移传感器(6Z 3、6Y3、6X3)实时读取当前角位置。根据满足各自由度所承受的负载要求，确定旋转单元6的各自由度的驱动和传动系数；而且根据各自由度的几何约束(特别是对于滚动与摇动)，旋转单元6能及时对角运动进行强制性安全限位。
图1所示的座椅单元4是屈伸单元7的从动部分。图5为屈伸单元7的在Y₀方向上的示意图。其中，71为直流伺服电机，设置在屈伸基座框架710上。72为涡轮减速机构，其由电机71驱动。73为丝杆，丝杆下面为滑槽。74为滑块，可沿着丝杆在滑槽内滑动。75A、75B、75C、75D为四根在Y₀方向延伸的轴，其中75A直接与滑块74相连(未图示)，75C、75B分别与屈伸基座框架710前后两端的∏型连杆相连，然后驱动连杆713与714。75D不必与框架相连，直接由有关连杆连接。按照四边形传动机理，最终驱使座椅单元4的坐垫41前后运动。座椅单元4的靠背42、大腿支撑43和小腿支撑44亦随之前后运动。轴75A的核心作用是实现靠背42、大腿支撑43和小腿支撑44的屈伸运动的变换过渡。伸展运动时，轴75A首先带动轴75D及至靠背42放开；当轴75D的传动功能到位时，便同时通过连杆78A、78B带动大腿支撑43，连杆79A、79B带动小腿支撑44伸开。通过对连杆76-77、76-78和78-79的适当设计，确保对靠背42相对坐垫41的角位置、大腿支撑43相对坐垫41的角位置和小腿支撑44相对大腿支撑43的角位置在完全伸开时达到期望的姿态。收拢运动时的顺序正好相反。
图6所示的电控单元5包括电源(可充入电池或市电)、中心控制计算模块、与所述中心控制计算模块电连接的输入输出单元(I/O硬件)、与所述输入输出单元电连接的操作器、部件驱动器和电缆。
其中，部件驱动器包括调水平电机组驱动器、电子水平仪驱动器、旋转执行电机驱动器、旋转角度测量驱动器、屈伸电机驱动器、按摩器驱动器以及多媒体部件驱动器。图6中表示了部件驱动器相应驱动的部件，例如调水平电机组驱动器用于驱动调水平电机组。
当然，部件驱动器是根据需要设计的。如果磁悬浮太空模拟船没有安装的部件，就不需要相应的驱动器。例如，座椅单元4没有按摩器8，则电控单元5就不需要按摩器驱动器；没有太空多媒体感效增强单元9，就不需要多媒体部件驱动器。
类似于笔记本电脑，其中电源51要求直流供电(建议24±8VDC)，因此可以采用可充放直流电池供电，就不需要适配器；当然，也可以通过AC/DC适配器由市电供电。各部件需要中心电控线路盒供电。一般地，执行部件电源电平与系统电源提供的电平相同(建议24±8VDC)，传感部件电源电平为系统电源电平的一半(建议12MDC)，I/O信号一般采用5VDC、3.3MDC或4-20mA电流(对模拟I/0)。
计算模块根据从输入输出单元接收的有关数据进行计算，并根据计算结果通过输入输出单元向操作器发送操作指令。操作器或输入输出单元指示部件驱动器对相应的部件进行驱动。
太空多媒体感效增强单元9包括封闭式环形屏幕、音响设备等，用于体验真实的星际航行的视觉和听觉冲击。计算单元通过采集旋转运动、屈伸运动数据，计算出人体的方位和姿势的变化信息，然后调用预存储在计算单元上的与当前人体方位和姿势相适应的太空星图以及各种科幻的太空飞船等动态视景图像，同时音箱设备也将发出与视景相匹配的太空音乐，增强太空多媒体感觉，即使不带头盔或立体眼镜，也达到逼真的虚拟现实效果。由于此太空多媒体感效增强单元是建立在磁悬浮技术上的，因此，同一般的3D技术仅给人带来视觉和听觉的感官相比，自身的参与度并不高，而此单元带来的感官是全方位的，人在体验视觉和听觉的冲击的同时，也在感受太空失重的感觉，因此这种太空多媒体感效增强单元给人的体验更加真实。
嵌入式模块、中心电控线路盒或操作器内可以设置无线通信模块。通过与嵌入式模块、中心电控线路盒或操作器的无线通信，地面监控中心可以获得磁悬浮太空模拟船的遥测参数，对其发送遥控指令，对各单元实施遥控操作。基于此，可进一步扩展功能，如：生命的体温、血压、心跳等的遥测；环境压力、温度等的测量；天地(视频)通话；运动状态监督；人机结合多模式提示报警。
以上对本发明所提供的磁悬浮太空模拟船进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。