一种脚步追随机械装置的制作方法

本实用新型涉及一种运动装置，具体的讲，涉及一种可以应用在自由跑步机或其他设备上，能够让运动者在原地完成自由行进、转向等动作的脚步追随机械装置。

背景技术：

经分析，目前市场上的传统跑步机存在两个明显局限：用户跑步时只能单方向进行；跑步机履带速度固定，强制跑步者必须按履带速度跟随跑步。针对目前兴起的虚拟现实技术，在运动方面传统的跑步机就更加难以胜任，因为要求使用者除了在原地运动，并且能够按需求进行步伐移动，而不是固定的速度，除此之外，安全方面也需要进行考虑。

技术实现要素：

为解决传统跑步机中存在的两个上述局限，以及为了适应虚拟现实技术中对于步伐的要求，本实用新型提出一种脚步追随机械装置及其控制方法，可以让使用者原地自由行进、转向，而不受约束。其技术方案如下所述：

一种脚步追随机械装置，包括主控系统和分别与其相连接的位置检测装置、平面移动装置，还包括分别安装在使用者两脚上并与脚同步运动的位置参照点装置，所述平面移动装置与托接装置相连接，所述托接装置包括用于承载使用者双脚的一对脚托，所述位置检测装置用于检测位置参照点装置的位置及方向信息，所述主控系统控制平面移动装置进行移动，使得脚托在确定的平面内接住使用者的双脚并进行运动重心归中。

所述平面移动装置包括固定架、旋转控制装置、摆动装置、距离控制装置；

所述固定架确立一个“旋转轴a1”，a1在空间中固定不动；

所述旋转控制装置与固定架轴连接，绕a1轴旋转；

所述旋转控制装置确立一个“旋转轴a2”，a2相对于旋转控制装置固定不动，随旋转控制装置一起绕a1转动；

所述摆动装置与所述旋转控制装置轴连于一点，称为A点，绕a2旋转；

所述距离控制装置与所述摆动装置滑动连接或轴连接，滑动连接时距离控制装置沿摆动装置确定的方向滑动，轴连接时距离控制装置绕连接轴转动；

所述距离控制装置与脚托相连，并能够根据主控系统命令调整脚托与A点之间的距离。

所述脚托上安装有感应装置，从而判断使用者的脚是否与脚托接触，所述感应装置包括压力感应装置、光敏感应装置、距离感应装置、触点开关。

所述位置检测装置包括设置在位置参照点装置上的惯性测量单元及无线发射器，以及与主控系统相连接的和无线发射器对应的无线接收器，所述无线发射器能够将惯性测量单元的信息通过无线接收器告知给主控系统。

每个无线接收器对应一个或多个无线发射器，所述无线发射器能够通过同一个载波频率的不同调制信息或采用不同的载波频率来进行区分。

对于不同的位置参照点装置，每个发射器都有相对应的接收器。但接收部件并不一定和发送部件一一对应。只要接收器能够接收和处理不同的反射或应答信息即可。通常系统会采用高频信号，使用相同的载波频率，通过调制不同的信息来区分不同的发射端或被探测物，因此实际情况可以只需要一个接收和处理部件。有没有成本需求的情况下，也可以为每个发射部件对应一个单独的接收装置，这些部件使用不同的载波频率，从而避免数据冲突引起的精度损失。

所述脚托设置有方向控制装置和平衡装置，所述方向控制装置与主控系统相连接，用于控制脚托的方向朝向，所述脚托的上表面设置有平板，所述 平衡装置设置有陀螺仪传感器，用于控制平板在确定的平面上保持水平。

本实用新型中的脚步追随机械装置及其控制方法，旨在实现让装置跟随使用者的步伐移动，而使得使用者在行进中不受单一方向约束，可以任意方向行走、跑步；使用者不受履带固定速度限制被强制跑步跟随，而是装置自动适应使用者的跑步速度。

附图说明

图1是实施例1所述脚步追随机械装置的整体结构示意图；

图2是实施例1脚托、连接控制装置、线性导轨的连接示意图；

图3是实施例1位置检测装置结构示意图；

图4是实施例1脚托工作流程示意图；

图5是实施例1使用者走路重心调整示意图；

图6是实施例1使用者双脚跳起的重心调整示意图；

图7是实施例2的脚步追随机械装置的部分结构示意图；

图8是实施例3的脚步追随机械装置的部分结构示意图；

图9是实施例4的脚步追随机械装置的部分结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种脚步追随机械装置，在实施例1中，如图1所示，包括主控系统和分别与其相连接的位置检测装置、平面移动装置，以及安装在使用者两脚上的一对位置参照点装置4，所述平面移动装置包括固定架1、设置在固定架1上的连接控制装置2和连接控制装置3，所述固定架1和连接控制装置2通过旋转控制装置5相连接，所述固定架1和连接控制装置3通过旋转控制装置6相连接，在连接控制装置2和连接控制装置3设置有用于承载使用者双脚的一对脚托7。

所述脚托7设置为一对，分别安装在两个不同的连接控制装置上，在脚托7上安装有重力感应器，从而判断使用者是否踩在脚托7上。

如图2所示，所述固定架1设置有轨道，所述轨道的凹槽设置在内外两侧，所述旋转控制装置5下端设置有卡轮，沿固定架1绕a1轴旋转滑动。所述旋转控制装置5中部设置有旋转装置，所述旋转装置设置有步进电机，用于控制连接控制装置2绕a2轴的转动。所述旋转控制装置5上部设置有卡槽，所述卡槽的上下端设置有滚轮，所述连接控制装置2位于卡槽内，能够通过滚轮沿着自身轴向滑动。

脚托7的一端分别铰接于两个连接控制装置的末端，图中可见脚托7安装在连接控制装置2的末端，所述脚托还设置有方向控制装置、平衡装置，所述方向控制装置与主控系统相连接，用于控制脚托的方向朝向，主要是通过连接轴8的旋转控制方向，使得脚托7可以绕与连接控制装置2的连接轴8做任意角度旋转。

所述脚托的上表面设置有平板，所述平衡装置设置有陀螺仪传感器，用于控制平板在确定的平面上保持水平。

脚托能够在确定的平面上进行运动，确定的平面是设定一个用于模拟平整地面的平面，根据需要进行高度和大小的设定，使用者的各种运动都是以此平面作为参考，为了保证脚托只在该平面进行移动，可以采用以下设置，如在特定的平面上设置网状装置，所述脚托上部设置有距离感应器或压力感应器，控制脚托和网状装置的距离；也可以在特定的平面或在其上下平行的平面上设置激光，所述脚托上设置有光线感应器，从而保持在同一平面运动。

所述固定架1设置的轨道为圆形，也可以采用椭圆、两个半圆、两个直线的轨道形式，圆形的使用能够在计算和控制上具有优势。

所述连接控制装置2是一条直线导轨，因此对于旋转控制装置和脚托的距离调整，只能够通过控制连接控制装置2和旋转控制装置的相对距离进行操作。如果连接控制装置2设置有距离控制装置，则只需要调整伸缩度即可。

连接控制装置2能够以旋转控制装置5为基点摆动，同时可以沿自身轴向滑动；旋转控制装置5可以沿固定架1滑动。在此装置中，基于这些构件及连接关系，脚托在固定架1平面内可以实现任意位置和角度定位。

在固定架1上也能够设置更多的旋转控制装置和与其相连接的连接控制装置，在连接控制装置上设置除了脚托之外的托接装置，根据需求设定即可。从而通过在固定架上加上新的连接控制装置及托接装置，实现对更多使用者身体参照点的跟踪。

图3是位置检测装置的构成示意图，首先建立立体的xyz坐标轴，所述位置参考点装置包含一个惯性测量单元(IMU)及无线发射器，主控系统(如图，用标号C先代表)连接一个对应的无线接收器；如图3所示，假设以运动平面上点o(0，0，0)为三轴原点，位置参考装置从A点离开脚托时的对应坐标位置为(X1,Y1,Z1)，并运动到空间A’点。

运动过程中，主控系统实时监测并接受位置参考点装置发射的电磁波，从中获取位置参考装置——基于IMU，得到的对应三轴姿态角以及加速度信息；

主控系统通过接受到的z轴姿态角即得到位置参考点装置的方向信息，假设其为相对于平面x轴夹角；

主控系统通过接受到的单轴角加速度与时间积分可以获得位置参考装置的相对于三轴的相对位置信息，将其与初始位置坐标点(X1,Y1,Z1)相加，即得到位置参考装置在A’点的空间位置(X2,Y2,Z2)；

主控系统根据位置参考装置在A’点的空间位置及对应水平面相对于x轴的夹角,实时驱动平面移动装置移动脚托至对应水平面位置(X2,Y2)及调整脚托相对于x轴夹角的方向；从而实现脚托持续跟踪位置参考装置直至托接。

每个无线接收器对应一个或多个无线发射器，所述无线发射器能够通过同一个载波频率的不同调制信息或采用不同的载波频率来进行区分。

为了减少积分累计误差，计算中的积分时间每次以位置参考点装置离开脚托开始，直到脚托接到位置参考点装置为止。

使用本装置时，在用户左右两脚上各固定一个位置参照点装置4，因为位置参照点装置4与脚部固定在一起，所以运行期间以位置参照点装置4的 运动规律完全替代脚的运动规律。

位置检测装置持续检测、收集两个位置参照点装置4的特征及位置信息，并将此信息传递给主控系统；根据特征及位置信息，主控系统经过分析计算可以区分出位置参照点装置4在运动平面的具体位置及方向，进而通过指令驱动平面移动装置移动脚托7，来消除脚托7与位置参照点装置4在平面坐标位置的距离，从而实现脚托7实时跟随参照点的水平位置，直到接住运动中的参照点。

所述位置参照点装置采用主动式的信号发射，而位置检测装置采用被动式的信号接收，也能够采用其他形式，比如所述位置检测装置采用主动式的信号发射，所述位置参照点装置采用被动式的信号接收和反射，或者所述位置参照点装置和位置检测装置都采用主动式的信号发射，而位置检测装置同时采用信号接收。

因为脚托在运动中，难以保证各无线接收器在同一时间发现位置参照点装置，因此采用多组位置检测装置，能够有效的计算出信号接收时的脚的位置的离散点，从而根据进一步的计算，判断出脚的位置，能够有效的提高位置计算的准确度。

在控制平面移动装置的方法方面，脚托的跟踪位置参考点装置的调配方法可以选择不同的算法，只要保证最终有一个脚托能接住落地的位置参照点装置即可。在实施例中，提出的平面移动装置可以实现脚托在运动平面任意位置及角度定位，并避免两个脚托在运动期间出现交叉冲突情况(冲突是当前位置和目标位置点之间有遮挡，避免的方式是先缩短直轨，然后移动旋转控制装置直到当前位置和目标位置之间无障碍，再伸长直轨直到目标点)。

使用此平面移动装置，脚托跟踪位置参照点装置的调配方式可以采用开机绑定原则：运动开始，脚托接住的第一个位置参照点装置即是它的追踪对象，并在整个运动期间保持跟踪直到运动结束。

为了使操作更加简单，也可以采用非全程绑定方法，但是还需要获取使用者的特征及位置信息，所述特征包括使用者脚部和脚托的接触状态、根据 位置参照点装置方向信息和使用者方向朝向信息。所述主控系统在判断使用者两个位置参照点装置同时发生移动并产生交叉时，所述主控系统将控制两个脚托的托接功能互易，并根据位置参照点装置的方向信息判断使用者的方向朝向，进而判断脚托的托接功能是否需要进行交换。

也就是说，如果左脚和右脚交叉时，则原右脚的脚托接住左脚，原左脚的脚托接住右脚，在判断位置参考点装置方向也改变时，可以判断出使用者交叉后进行转身，此时，使用者朝向改变，比如由朝前变成了朝后，此时，将脚托的托接功能进行交换，原右脚的脚托改成左脚脚托，原左脚的脚托改成右脚脚托。但是如果发现位置参考点装置的朝向没有改变时，则因为使用者交叉后没有改变朝向的方向，只需在下一次发生交叉时恢复原脚托的托接功能即可。

本实用新型的控制方法如图4所示的基于实施例中的平面移动装置及开机绑定方法，即确定了脚托与位置追踪点的唯一对应关系，并在整个运动期间保持追踪。

在运动开始，使用者两脚分别站在两个脚托上，在两个脚上分别设置有一个位置参照点装置，所述的两个脚托在运行期间是与所述的两个位置参照点装置分别配对并绑定在一起的；所述的脚托持续判断与其配对的位置参照点装置是否为被脚接触的状态，并将此状态发送给所述主控系统；

位置检测装置持续检测位置参照点装置的位置以及方向的信息，并将此信息发送到主控系统，所述主控系统根据每个脚托的接触状态，持续的向平面移动装置发送脚托定位指令；

当被定位脚托未被接触时，主控系统直接发送位置参照点的方向和位置信息，作为跟踪定位指令；

当被定位脚托被接触时，主控系统发送计算得来的重心归中位置信息，作为重心归中定位指令；

运动期间，当位置参照点装置落在脚托上时，主控系统将根据用户重心变化移动脚托来达到重心归中；当位置参照点装置离开脚托时，主控系统将 根据位置参照点装置在运动平面的水平位置实时驱动水平移动装置移动脚托跟踪运动的位置参照点装置直至落脚。

而平面移动装置只要接到来自主控系统的定位指令就将被定位脚托移动到目标位置。

运动重心判断及重心归中实现如图5所示，运动静止时，重心在两个脚托连线的中心位置；运动期间，如图6中，右脚托已接住位置参照点装置，其在水平面的坐标位置为B1，左脚位置参照点装置在运动中，左脚托跟踪到A2位置，A1为左脚最后抬起的位置点。连线B1与A1，取中点G1为原重心点；连线B1与A2，取中点G2为当前重心点。从G1点到G2点的方向即模拟为用户重心的移动方向，两点的距离为重心的移动距离。图中B1-B2虚线平行G1-G2，方向相反，主控系统将实时驱动右脚托从B1向B2移动，最终右脚托与左脚托同时移动的合效果是将当前重心G2移动到原重心G1点，从而消除重心点的位移，达到重心点归中，实现跑步者原地运动。

假设一个用户双脚起跳时的情形，如图6所示，A1和B1分别是左右脚最后抬起位置，A1`和B1`是重心归中时左右脚托的目标位置；A2和B2分别是两脚托的当前位置，此时左脚正在运动中，右脚托在B2位置接住参照点；连线A1-B1为原重心线，取中点G1为原重心点，连线A2-B2为现重心线，取中点G2为现重心点；从G1点到G2点的方向即模拟为用户重心的移动方向，两点的距离为重心的移动距离。图中虚线B2-B1`平行G1-G2，方向相反,虚线A2-A1`平行G1-G2，方向相反。主控系统将驱动右脚托从B2向B1`移动，如果右脚托移动过程中，左脚托也接到左脚位置参照点装置，主控系统也将驱动左脚托从A2向A1`移动。最终右脚托与左脚托同时移动的合效果是将当前重心G2移动到原重心G1点，从而消除重心点的位移，达到重心点归中，实现跑步者原地运动。

在使用该机械装置的自由跑步机中，用户可以实现任意方向自由行进，转向等动作。

基本上来说，其原理描述如下：

所述平面移动装置包括固定架、设置在固定架上的至少两个旋转控制装置，所述旋转控制装置连接有连接控制装置，使得连接控制装置能够以旋转控制装置为基点摆动，所述连接控制装置与脚托相连接，并能够自行调整旋转控制装置到脚托的距离。所述固定架上设置有轨道，所述旋转控制装置能够沿轨道运行，所述旋转控制装置设置有滑动装置，能够调整其与连接控制装置的相对位置。所述连接控制装置设置有距离控制装置，所述距离控制装置采用液压缸、丝杠或活动臂。

下述第2-第4三个实施例的示意图中都给出了一只脚托，及支撑移动该脚托的相关装置及连接关系。具体实施时，用同样方法引入另外一只脚托及相关装置即可实现两只脚托在水平面内以任意角度及方向移动。

附图7中，该实施例2中包括三个基本装置：一只脚托、一个旋转控制装置和一个距离控制装置。如图所示：A点是杆AB与底座的轴连接处，B点是距离控制装置与旋转控制装置的轴连接处，C点是距离控制装置与十字万向节的连接处，C’是脚托与十字万向节的连接处。

旋转控制装置有两个旋转自由度：在轴连接A处，B点以a1为轴做旋转运动；在轴连接B处，距离控制装置以a2为轴做旋转运动。距离控制装置可以沿直线BC做伸缩运动；脚托通过十字万向节与距离控制装置连接，并可以分别绕十字万向节的轴a3、a4及a5做旋转运动，使得脚托在水平面可以任意角度旋转并保持水平。

为了处理两个距离控制装置的运动交叉情况，A、B两点的直线距离要求不小于距离控制装置的半径(假设距离控制装置BC段为一圆柱体形状，如果不是圆柱形状时，取其外接圆的半径)。

附图8的实施例3是附图7中实施例2的一个变形方式，它包括一只脚托、一个旋转控制装置和一个距离控制装置。图中，A点是距离控制装置与旋转控制装置的轴连接处；A’点是距离控制装置上的一个点；B点是距离控制装置与十字万向节连接处；C点是脚托与十字万向节的连接处。旋转控制装置有两个旋转自由度：距离控制装置可以分别绕a1、a2轴做旋转运动。

距离控制装置A、B两点连线不是一条直线，A’是偏离AB连线的一个点，线段AA’与A’B刚性连接于A’点，且A’点到AB连线的垂直距离不小于距离控制装置的半径(假设距离控制装置A’B段为一圆柱体形状，如果不是圆柱形状时，取其外接圆的半径)；距离控制装置沿A’B连线方向做伸缩运动。距离控制装置与脚托的连接方式同附图7中实施例2。

附图9的实施例包括一只脚托、一个旋转控制装置和一个活动臂。A点是活动臂与旋转控制装置的轴连接处；B是活动臂上下两节轴连接处；C点是活动臂与十字万向节的连接处；D是脚托与十字万向节的连接处。

如图9，旋转控制装置有两个旋转自由度：活动臂可以分别围绕轴a1、a2做旋转运动。在轴连接B处，活动臂的上下两节(具体实施时，可以考虑多节情况)AB与BC可以绕轴a3做旋转运动；活动臂与脚托的连接关系同附图7中实施例。

在考虑到双脚交叉时，所述距离控制装置可以采用弧形设计，从而在双脚交叉时能够绕过另一端的距离控制装置，或者只对其中一只脚所在的距离控制装置进行弧形设计；另外，在距离控制装置和旋转控制装置之间设计一个延伸部分，如同实施例3中的AA’，也能够使得距离控制装置有更大的活动空间。

本实用新型中的脚步追随机械装置，能够实现让装置跟随使用者的步伐移动，而使得使用者在行进中不受单一方向约束，可以任意方向行走、跑步；使用者不受履带固定速度限制被强制跑步跟随，而是装置自动适应使用者的跑步速度。