专利名称：一种全方位自由行走机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种行走机器，具体涉及一种用于虚拟环境的步行机。
背景技术：
在虚拟制造、虚拟场景漫游等仿真领域中，很多时候需要在虚拟环境中模拟人无空间限制地行走，但是由于受到种种条件限制，操作者只能在有限的实际空间范围内行走，虽然人能感觉到自己在不停走动，但其实际位置并没有改变。为了实现上述目的，出现了一种转动大球装置，这种装置主要采用一个可以在支架上自由旋转的封闭空心大球，操作者进入球内部，在球内表面完成行走、转向等动作。这种形式存在的不足主要表现在由于转动球体积比较大(其直径一般为正常人身高2倍)，要承受内部操作者的重量并且要在一个支撑架上不断旋转，所以对制作材料要求比较高，球体制作难度比较大；由于采用封闭球体，球体内的操作者与外界联系和通讯存在一定难度，对其它相关配套设备要求比较高。因此，转动大球装置制作成本比较高，应用范围比较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种全方位自由行走机器，它具有结构简单、体积小、动作协调、安全平稳、制作难度小、成本低、用途广泛的特点。本发明由左踏板机构50、右踏板机构60、转动机构70、底座80组成，转动机构70固定在底座80内的中部，左踏板机构50与转动机构70的上端固定连接，右踏板机构60与转动机构70的一侧上部固定连接。本发明的全方位自由行走机，与转动大球装置相比，制作难度、成本都可以大幅降低，同时由于全方位自由行走机不是一个封闭环境，所以大大方便了与外部设备、环境等之间的连接与通讯。可以用于虚拟制造、虚拟漫游等仿真领域，也可以用于教育与培训、设计与规划以及娱乐等领域。本发明具有结构简单、体积小、动作协调、安全平稳、制作难度小、成本低、用途广泛的优点。
图1-图3是本发明设计原理及数据示意图，图4是本发明的外部结构示意图，图5是图4的A-A剖视图，图6是本发明左踏板机构50、右踏板机构60和转动机构70的结构放大图，图7是图6的B向视图，图8是图6的C向视图，图9是转动盖35的俯视结构示意图，图10是转动盖35与转动盖轮39的转动结构示意图，图11是上盖36的结构示意图，图12是顶盖板37的结构示意图，图13是支架34的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一(参见图1-图13)本实施方式由左踏板机构50、右踏板机构60、转动机构70、底座80组成，转动机构70固定在底座80内的中部，左踏板机构50与转动机构70的上端固定连接，右踏板机构60与转动机构70的一侧上部固定连接。左踏板机构50由左踏板26、左踏板支柱13、左托板12、左滑道板24、左导套杆支座23、左导套杆25、左活动弹簧挂钩27、左固定弹簧拉钩28、左弹簧41、左导套44、左滚轮45、左前斜度片31、左后斜度片32组成，左滑道板24的后部下侧与左托板12的上端左侧固定连接，在左滑道板24与左托板12之间固定有左前斜度板31和左后斜度板32，左滑道板24上部的前后两端分别固定有左导套杆支座23，在两个左导套杆支座23之间固定有左导套杆25，在左滑道板24上部的前端左右两侧分别固定有左固定弹簧拉钩28，左导套44套设在左导套杆25上，左导套44的下侧设有左滚轮45，左滚轮45与左滑道板24的上部滚动连接，左踏板支柱13的下端固定在左导套44的上端面上，左踏板支柱13的上端固定有左踏板26，左导套44后端的左右两侧分别固定有左活动弹簧挂钩27，左固定弹簧挂钩28与左活动弹簧挂钩27之间设有左弹簧41。右踏板机构60由右踏板29、右踏板支柱14、右托板17、右滑道板30、弯板15、右导套杆支座23′、右导套杆25′、右活动弹簧挂钩27′、右固定弹簧挂钩28′、右弹簧41′、右导套44′、右滚轮45′、右前斜度片31′、右后斜度片32′组成；右滑道板30的后部下侧与右托板17的上端固定连接，在右滑道板30与右托板17之间固定有右前斜度板31′和右后斜度板32′，右滑道板30上部的前后两端分别固定有右导套杆支座23′，在两个右导套杆支座23′之间固定有右导套杆25′，在右滑道板30上部的前端左右两侧分别固定有右固定弹簧挂钩28′，右导套44′套设在右导套杆25′上，右导套44′的下侧设有右滚轮45′，右滚轮45′与右滑道板30的上部滚动连接，弯板15的下侧固定在右滑道板30的上端面上，弯板15的上端与右踏板支柱14的下端固定连接，右踏板支柱14的上端固定有右踏板29，右导套44′后端的左右两侧分别固定有右活动弹簧挂钩27′，右固定弹簧挂钩28′与右活动弹簧挂钩27′之间设有右弹簧41′。转动机构70由中轴减速器1、套筒联轴器2、中轴减速器连接座3、中轴座下端盖4、中轴角接触轴承5、转动筒下端盖6、转动筒齿轮7、转动筒8、中轴9、中轴座10、转动筒上端盖11、中轴座上端盖16、转动筒角接触轴承18、小齿轮19、转动筒减速器连接座20、固定板21、转动筒减速器22组成；中轴减速器连接座3的上端与固定板21的下侧固定连接，中轴减速器连接座3的下端与中轴减速器1的输出端固定连接，中轴座下端盖4固定在固定板21的上侧，中轴座10的下端与中轴座下端盖4固定连接，中轴座10的上端与中轴座上端盖16固定连接，中轴9设在中轴座10内，中轴9与中轴座10之间设有中轴角接触轴承5，中轴9的下端与中轴减速器1的输出轴之间连接有套筒联轴器2，转动筒8套设在中轴座10的外部，转动筒下端盖6固定在转动筒8的下端，转动筒上端盖11固定在转动筒8的上端，转动筒8与中轴座10之间设有转动筒角接触轴承18，转动筒8下端的外缘上固定有转动筒齿轮7，转动筒减速器连接座20固定在固定板21一侧的上部，转动筒减速器22的输出端固定在转动筒减速器连接座20上，转动筒减速器22的输出轴上固定有小齿轮19，小齿轮19与转动筒8下端的转动筒齿轮7啮合，右踏板机构60上的右托板17的左端与转动筒8的外壁固定连接，左踏板机构50上的左托板12的右端与中轴9的上端固定连接。底座80由支架34、挡板33、转动盖35、上盖36、顶盖板37、转动盖轮39、转动盖轮小轴40组成；支架34内设有支架横梁46，支架34的四个外立面固定有挡板33，支架34的上端固定有顶盖板37，顶盖板37的中心开有顶盖孔42，顶盖板37的上端固定有上盖36，上盖36上开有上盖孔43，顶盖孔42与上盖孔43上下对应，转动盖35设在上盖36的上盖孔43内，转动盖35的径向四周设有若干个转动盖轮小轴40，转动盖轮小轴40的下端固定在顶盖板37的上端面上，转动盖轮小轴40上设有转动盖轮39，轮动盖轮39的凸缘47与转动盖35的凹缘48相配合，转动机构70上的固定板21与底座80的支架34上的横梁46固定连接，转动盖35上开有两个条形孔38，左踏板支柱13和右踏板支柱14分别通过转动盖35上的两个条形孔38并与转动盖35顶推连接。
设计原理通过实际考察人的正常行走过程，获取了设计数据，为本发明的设计提供了依据。图1、2、3为全方位自由行走机设计数据示意图，图中L、R分别代表人的左脚和右脚，在图中假定左脚为转弯时固定不动的支撑脚。图1表示当人在正常直线行走时的情况，其中i表示人行走时两脚宽度方向之间距离，h表示人的步距。图2、3为转向时情况，这里考虑了两种情况，一种为人比较习惯的正常的转弯情况，右脚踏出向右转弯，称为正常转弯，如图2所示；另一种情况为右脚踏出但向左转弯，出现了双脚交叉现象，称为交叉转弯，如图3所示。右脚作为支撑脚的情况同理，不再赘述。图2中α为正常转弯时，双脚延伸线之间夹角，图3中β为交叉转弯时，双脚延伸线之间夹角。以上数据(i、h、α、β)的获得，是通过对一批不同身高、体重人的行走数据进行实际测量，并进一步考虑到操作者行走受到周围环境及佩戴设备等的限制情况，取适当数值得到的。根据上述获得的数据，完成了全方位自由行走机的结构设计。
工作原理本发明的全方位自由行走机器，采用两套3-D位置跟踪器连接在操作者脚部，获取操作者脚的位置信息，传到计算机系统，计算机通过伺服电机系统带动两套滑移踏板跟随操作者脚的位置变化。操作者在全方位自由行走机上可以直线行走及左右转弯，行走距离不受限制，这与现实世界中人的行走过程是完全相符的，但实际活动范围仅是在该装置平台范围之内。全方位自由行走机主要由两套独立的可以绕同一固定轴转动的部件一两套踏板组成，其转动分别由相应的伺服电机驱动，并且通过踏板的前后滑移跟随操作者的脚的位置。操作者在全方位自由行走机上直线行走时，伺服电机并不动作，踏板只是前后滑移；当操作者转弯时，计算机根据获得的操作者脚的位置信息，控制伺服电机动作，通过传动系统带动相应踏板转动相应角度，以跟随操作者脚的位置。由于本发明中的全方位自由行走机对应操作者每只脚采用独立的跟随踏板，所以其运动相互之间不影响。具体控制是当左脚抬起向左或右转弯时，计算机根据左脚上的3-D位置跟踪器获得的操作者脚的位置信息，控制与中轴减速器1相连接的伺服电机转动，带动中轴9、左托板12、左滑道板24、左踏板支柱13及左踏板26向左或向右移动，使左踏板26停在左脚的落脚处，为防止左脚踏空，左踏板支柱13在移动时推动转动盖35随之转动，保证操作者的安全。如果右脚抬起向左或右转弯时，计算机根据右脚上的3-D位置跟踪器获得的信息，控制与转动筒减速器22相连接的伺服电机转动，带动小齿轮19旋转，小齿轮19驱动转动筒齿轮7使转动筒围绕中轴座10转动，带动右托板17、右滑道板30、弯板15、右踏板支柱14及右踏板29移动，完成跟踪右脚的动作。
权利要求
1.一种全方位自由行走机器，它由左踏板机构(50)、右踏板机构(60)、转动机构(70)、底座(80)组成，其特征在于转动机构(70)固定在底座(80)内的中部，左踏板机构(50)与转动机构(70)的上端固定连接，右踏板机构(60)与转动机构(70)的一侧上部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种全方位自由行走机器，其特征在于左踏板机构(50)由左踏板(26)、左踏板支柱(13)、左托板(12)、左滑道板(24)、左导套杆支座(23)、左导套杆(25)、左活动弹簧挂钩(27)、左固定弹簧拉钩(28)、左弹簧(41)、左导套(44)、左滚轮(45)、左前斜度片(31)、左后斜度片(32)组成，左滑道板(24)的后部下侧与左托板(12)的上端左侧固定连接，在左滑道板(24)与左托板(12)之间固定有左前斜度板(31)和左后斜度板(32)，左滑道板(24)上部的前后两端分别固定有左导套杆支座(23)，在两个左导套杆支座(23)之间固定有左导套杆(25)，在左滑道板(24)上部的前端左右两侧分别固定有左固定弹簧拉钩(28)，左导套(44)套设在左导套杆(25)上，左导套(44)的下侧设有左滚轮(45)，左滚轮(45)与左滑道板(24)的上部滚动连接，左踏板支柱(13)的下端固定在左导套(44)的上端面上，左踏板支柱(13)的上端固定有左踏板(26)，左导套(44)后端的左右两侧分别固定有左活动弹簧挂钩(27)，左固定弹簧挂钩(28)与左活动弹簧挂钩(27)之间设有左弹簧(41)。
3.根据权利要求1所述的一种全方位自由行走机器，其特征在于右踏板机构(60)由右踏板(29)、右踏板支柱(14)、右托板(17)、右滑道板(30)、弯板(15)、右导套杆支座(23′)、右导套杆(25′)、右活动弹簧挂钩(27′)、右固定弹簧挂钩(28′)、右弹簧(41′)、右导套(44′)、右滚轮(45′)、右前斜度片(31′)、右后斜度片(32′)组成；右滑道板(30)的后部下侧与右托板(17)的上端固定连接，在右滑道板(30)与右托板(17)之间固定有右前斜度板(31′)和右后斜度板(32′)，右滑道板(30)上部的前后两端分别固定有右导套杆支座(23′)，在两个右导套杆支座(23′)之间固定有右导套杆(25′)，在右滑道板(30)上部的前端左右两侧分别固定有右固定弹簧挂钩(28′)，右导套(44′)套设在右导套杆(25′)上，右导套(44′)的下侧设有右滚轮(45′)，右滚轮(45′)与右滑道板(30)的上部滚动连接，弯板(15)的下侧固定在右滑道板(30)的上端面上，弯板(15)的上端与右踏板支柱(14)的下端固定连接，右踏板支柱(14)的上端固定有右踏板(29)，右导套(44′)后端的左右两侧分别固定有右活动弹簧挂钩(27′)，右固定弹簧挂钩(28′)与右活动弹簧挂钩(27′)之间设有右弹簧(41′)。
4.根据权利要求1所述的一种全方位自由行走机器，其特征在于转动机构(70)由中轴减速器(1)、套筒联轴器(2)、中轴减速器连接座(3)、中轴座下端盖(4)、中轴角接触轴承(5)、转动筒下端盖(6)、转动筒齿轮(7)、转动筒(8)、中轴(9)、中轴座(10)、转动筒上端盖(11)、中轴座上端盖(16)、转动筒角接触轴承(18)、小齿轮(19)、转动筒减速器连接座(20)、固定板(21)、转动筒减速器(22)组成；中轴减速器连接座(3)的上端与固定板(21)的下侧固定连接，中轴减速器连接座(3)的下端与中轴减速器(1)的输出端固定连接，中轴座下端盖(4)固定在固定板(21)的上侧，中轴座(10)的下端与中轴座下端盖(4)固定连接，中轴座(10)的上端与中轴座上端盖(16)固定连接，中轴(9)设在中轴座(10)内，中轴(9)与中轴座(10)之间设有中轴角接触轴承(5)，中轴(9)的下端与中轴减速器(1)的输出轴之间连接有套筒联轴器(2)，转动筒(8)套设在中轴座(10)的外部，转动筒下端盖(6)固定在转动筒(8)的下端，转动筒上端盖(11)固定在转动筒(8)的上端，转动筒(8)与中轴座(10)之间设有转动筒角接触轴承(18)，转动筒(8)下端的外缘上固定有转动筒齿轮(7)，转动筒减速器连接座(20)固定在固定板(21)一侧的上部，转动筒减速器(22)的输出端固定在转动筒减速器连接座(20)上，转动筒减速器(22)的输出轴上固定有小齿轮(19)，小齿轮(19)与转动筒(8)下端的转动筒齿轮(7)啮合，右踏板机构(60)上的右托板(17)的左端与转动筒(8)的外壁固定连接，左踏板机构(50)上的左托板(12)的右端与中轴(9)的上端固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种全方位自由行走机器，其特征在于底座(80)由支架(34)、挡板(33)、转动盖(35)、上盖(36)、顶盖板(37)、转动盖轮(39)、转动盖轮小轴(40)组成；支架(34)内设有支架横梁(46)，支架(34)的四个外立面固定有挡板(33)，支架(34)的上端固定有顶盖板(37)，顶盖板(37)的中心开有顶盖孔(42)，顶盖板(37)的上端固定有上盖(36)，上盖(36)上开有上盖孔(43)，顶盖孔(42)与上盖孔(43)上下对应，转动盖(35)设在上盖(36)的上盖孔(43)内，转动盖(35)的径向四周设有若干个转动盖轮小轴(40)，转动盖轮小轴(40)的下端固定在顶盖板(37)的上端面上，转动盖轮小轴(40)上设有转动盖轮(39)，轮动盖轮(39)的凸缘(47)与转动盖(35)的凹缘(48)相配合，转动机构(70)上的固定板(21)与底座(80)的支架(34)上的横梁(46)固定连接，转动盖(35)上开有两个条形孔(38)，左踏板支柱(13)和右踏板支柱(14)分别通过转动盖(35)上的两个条形孔(38)并与转动盖(35)顶推连接。
全文摘要
一种全方位自由行走机器，它涉及一种用于虚拟环境的步行机。本发明转动机构(70)固定在底座(80)内的中部，左踏板机构(50)与转动机构(70)的上端固定连接，右踏板机构(60)与转动机构(70)的一侧上部固定连接。本发明的全方位自由行走机，与转动大球装置相比，制作难度、成本都可以大幅降低，同时由于全方位自由行走机不是一个封闭环境，所以大大方便了与外部设备、环境等之间的连接与通讯。可以用于虚拟制造、虚拟漫游等仿真领域，也可以用于教育与培训、设计与规划以及娱乐等领域。本发明具有结构简单、体积小、动作协调、安全平稳、制作难度小、成本低、用途广泛的优点。
文档编号A63F13/00GK1609916SQ20041004407
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月23日 优先权日2004年11月23日
发明者姚英学, 刘国华, 张宏志 申请人:哈尔滨工业大学