万向运动装置的制作方法

本实用新型属于运动器材设备技术领域，特别涉及一种万向运动装置。

背景技术：

万向跑步机是指一类水平运动方向可随操作者脚步变化的跑步机，它可以为室内用户提供无限的自由行走空间。

现有技术中，涉及全向运动机构的方案主要有以下几种：

专利CN106178399A公开了一种万向跑步机，该装置通过在跑步台上设置呈矩阵排列的滚动件，且每个滚动件均能独立绕水平的第一转动轴转动和绕竖直的第二转动轴转动，从而统一控制各滚动件的转动形式，该装置结构复杂，这样的结构在使用过程中容易出现各种故障，维修也很麻烦。

专利CN206792896U所公开的装置则采用发散状的结构，从圆盘中心向四周呈发散状，这种结构需要用户自己改变站立点的位置，才能实现不同方向的移动，使用起来非常不便。

专利CN104906750A公开了一种全方位跑步机，包括支撑系统、控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，以及供操作者在其内跑动的载体，该装置通过转向系统实现全方位跑动，其控制系统通过动态平衡传感系统采集载体内操作者的重心偏移信息后传递给驱动系统和转向系统，从而使跑步机与操作者跑步方向和速度相适应。但是，使用该装置时，操作者在球内，进出非常不方便，而且操作者随身携带的交互设备必须是无线通信的，也不能很好记录跑步速度和距离，从而造成一定的使用局限。

专利CN202422477U公开了一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置、工作台、滚动球、制动装置、万向滚珠、测速装置、可升降支撑架和万向滚珠固定环，通过万向滚珠实现全方位行走，测速装置为机械式或光电式等，分布于滚动球的赤道处。操作者在使用过程中，腰部有束缚装置，强烈影响使用时的舒适感，体验感受较差，且只能测速，难以满足现在多样化运动数据记录的要求。

同时，现有的跑步机一般置于室内，占工作平台积大，空间利用率不高，因此，为了满足用户日益增长的需求，十分有必要开发出一种室内占工作平台积小且适用范围广、能测多项运动数据的万向跑步机。

技术实现要素：

本实用新型提供一种用于确定运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万向运动装置，解决上述现有技术问题中一个或多个。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种万向运动装置，包括可往任意方向转动的运动机构、支撑机构、用于确定用户运动位移和运动速度的系统，其中：

运动机构为球体，球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台，球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，以每个帧的中心的经纬度代表该帧的经纬度，其中，M、N为自然数；

支撑机构包括滚筒、固定轴和支架，固定轴从滚筒中间穿过，且固定轴的两端固定在支架上，滚筒与运动机构表面相互接触且随运动机构转动而绕固定轴转动；

用于确定用户运动位移和运动速度的系统包括：

至少一个正对运动机构的摄像头且有一个摄像头正对运动机构最低位；

设于每个帧上的纬度方向灯和八个纬度信号灯，八个纬度信号灯纵向上呈两排排列，纬度方向灯亮着表示北纬，记为正数，纬度方向灯熄灭则表示南纬，记为负数；纬度信号灯采用二进制编码，灯亮表示1，灯熄则表示0，其中四个信号灯为二进制的低位，另外四个为二进制的高位；

设于每个帧上的经度方向灯和十二个经度信号灯，十二个经度信号灯横向方向上呈三排排列，经度方向灯亮着表示东经，记为正数，经度方向灯熄灭则表示西经，记为负数；经度信号灯采用二进制编码，灯亮着表示1，灯熄灭则表示0，其中四个信号灯为二进制的低位，另外八个为二进制的高位。

其中，数据处理模块通过式(Ⅰ)计算用户的运动位移：

式中，A为摄像头采集的前一帧，其经度为α1纬度为β1；B为摄像头采集的后一帧，其经度为α2纬度为β2；为A到B的弧长，也就是用户的运动位移；R为球体的半径；θ为AB的夹角；

数据处理模块通过式(Ⅱ)计算用户的运动速度：

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

在一些实施方式中，滚筒设有四个，分别位于运动机构的四个侧面，且相邻的两个滚筒之间相互垂直。由此，设于运动机构四个侧面的滚筒形成一个正方形，不仅可以对运动机构起支撑作用，而且便于在运动机构全方位转动时与滚筒接触并使滚筒随之滚动。

在一些实施方式中，用于确定用户运动位移和运动速度的系统还包括信号接收模块和数据处理模块，由此，信号接收模块用于接收摄像头检测到的单个帧的灯光信号，数据处理模块用于将接收到的灯光信号转换成十进制经纬度、再转换成对应的坐标信息并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向。

在一些实施方式中，万向运动装置的运动机构设于地下，运动平台突出于地面。由此，用户通过运动平台与运动机构接触并作用于运动机构使其滚动，具有节省室内占工作平台积的效果，且万向运动装置的运动机构因设于地下而减少环境因素如化学介质、光、温度、湿度等的影响和损耗而延长使用寿命。

在一些实施方式中，还包括安全装置，设于运动平台四周，安全装置包括扶手及用于固定扶手的立柱。由此，具有保障用户安全的效果。

在一些实施方式中，安全装置一侧设有便于用户出入的入口，且入口处设有挡板以及控制挡板开合的控制开关。由此，便于用户对万向跑步机进行管理。

在一些实施方式中，在运动机构上布满经纬线，确定好0°经线和0°纬线；建立三维直角坐标系：以球心为原点O，纬度增加的方向为Z轴正向，0°纬线平面为X轴和Y轴所在平面，在该平面上地心到零度经线的方向为X轴正方向，根据右手定则确定Y轴正方向。由此，便于在运动机构上建立坐标，以便于对每个帧中心的坐标进行量化和计算。

在一些实施方式中，可以分别在运动机构的正前方、正左方和正下方各设一个高速摄像头，若摄像头采样频率足够高的情况下，可以获取每一帧内移动前各摄像头正对的区域中心的经纬度坐标和移动后当前摄像头正对的区域中心的经纬度，然后通过下面的计算公式，计算得出在各摄像头下各区域中心移动的距离，比较取其最大值，得出人在运动平台运动的距离，同时也可求出其速度与方向。

以正前方摄像头为例，设移动前区域取中心点A的三维坐标为(x1，y1，z1)，移动后区域中心点B的三维坐标为(x2，y2，z2)。

由于弧R是确定的，只要获得OA与OB的夹角θ就可以获得的长度。

角θ可通过向量公式求得：向量OA●向量OB＝|OA||OB|cosθ

则

又：

x1＝R·cosβ1cosα1，y1＝R·cosβ1cosα1，z1＝R·sinβ1

x2＝R·cosβ2cosα2，y2＝R·cosβ2sinα2，z2＝R·sinβ2

所以：

因此，θ＝arccos[cosβ1cosβ2cos(α1-α2)+cosβ1cosβ2]

式中，A为摄像头采集的前一帧，其经度为α1纬度为β1；B为摄像头采集的后一帧，其经度为α2纬度为β2；为A到B的弧长，也就是用户的运动位移；R为球体的半径；θ为AB的夹角，A到B的方向可以用有向线段AB表示。

同理可得，正下方和正左方的摄像头下区域移动的距离，取其三个之间的最大值，即作为运动距离。

速度其中t是A到B所花费的时间。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的万向运动装置结构示意图；

图2为图1所示万向运动装置的主视图；

图3为图1所示万向运动装置的安全装置结构示意图；

图4为每个帧中LED灯排列示意图；

图5为图4所示的LED灯计算其所在区域中心经纬坐标原理示意图；

图6为图4所示的LED灯表示二进制高低位示意图；

图7为本实用新型跑步机速度及运动距离计算原理图，其中，图7a为滚动件移动前区域坐标显示图，图7b为滚动件移动后区域坐标显示图；

图8为图1所述万向跑步机的运动机构球体的半径计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

图1-7示意性地显示了根据本实用新型所实施的一种万向运动装置，如图所示，该装置包括可往任意方向转动的运动机构1、支撑机构、用于确定用户运动位移和运动速度的系统，其中，

运动机构1为球体，球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台11，球体表面设有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧12，以每个帧12中心的经纬度代表该帧的经纬度，其中，M、N为自然数；

支撑机构包括四个滚筒3、四个固定轴4和支架5，每个滚筒3位于球体1的一个侧面，且相邻的两个滚筒3之间相互垂直，每个固定轴4从一个滚筒3中间穿过，且固定轴4的两端固定在支架5上，球体1的表面与滚筒3表面相互接触，球体转动时带动滚筒3绕固定轴4转动；

如图7a和7b所示，用于确定用户运动位移和运动速度的系统包括：

三个摄像头6，均正对球体1球心，分别分布于球体1的正下方、正前方以及正右方，

如图4-6所示，设于每个帧12上的纬度方向83和八个纬度信号灯81，纬度信号灯81采用红色LED灯作为指示，纵向上呈两排排列，纬度方向灯亮着表示北纬，记为正数，纬度方向灯熄灭则表示南纬，记为负数；纬度信号灯81采用二进制编码，灯亮着表示1，灯熄灭则表示0，其中四个信号灯为二进制的低位，另外四个为二进制的高位；

如图4-6所示，设于每个帧12上的经度方向灯84和十二个经度信号灯82，十二个经度信号灯82采用蓝色LED灯作为指示，横向上呈三排排列，经度方向灯亮着表示东经，记为正数，经度方向灯熄灭则表示西经，记为负数；经度信号灯82采用二进制编码，灯亮着表示1，灯熄灭则表示0，其中四个信号灯为二进制的低位，另外八个为二进制的高位；

信号接收模块，用于接收摄像头6所正对的单个帧12的LED灯亮灭信号，

以及数据处理模块，用于将接收到的灯光信号转换成十进制的经纬度，再转换成对应的坐标信息，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向。

如图3所示，在本实施方式中，万向运动装置还包括设于运动平台11四周的安全装置7，安全装置7包括扶手71及用于固定扶手73的立柱74，安全装置7一侧设有便于用户出入的入口，入口处设有挡板71以及控制挡板71开合的控制开关72。

万向运动装置设于地面2以下，运动平台11突出于地面2上，作为与用户接触的运动面。

其中，数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

式中，A为摄像头采集的前一帧，其经度为α1纬度为β1；B为摄像头采集的后一帧，其经度为α2纬度为β2；为A到B的弧长，也就是用户的运动位移；R为球体的半径；θ为AB的夹角。

数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度V：

式中，t为摄像头正对区域由移动前区域中心点A变成移动后区域中心点B所花费的时间，V为用户单位时间内的运动速度。

具体而言，利用本实用新型所提供的系统和装置实现确定运动位移和运动速度方式如下：

在球体1上布满经纬线，确定好0°经线和0°纬线，于是可知每个区域12中心所在的经纬度，将经纬度值换算成二进制数，以每个区域中心LED灯亮灭情况来呈现，并提前设好LED灯亮灭情况；建立三维直角坐标系：球心为原点O，纬度增加的方向为Z轴正向，0°纬线平面为X轴和Y轴所在平面，在该平面上地心到零度经线的方向为X轴正方向，根据右手定则确定Y轴正方向。

如图7a所示，分别在球体1的正前方、正右方和正下方各设一个摄像头6。若摄像头6采样频率足够高的情况下，在短时间内，可以获取每一帧内移动前各摄像头6正对的区域12的经纬度坐标和移动后摄像头6正对的区域12的经纬度，如图7b所示，然后通过算法计算，得出每个摄像头6所正对区域12距离的变化值，比较取其最大值，得出人在运动平台11运动的距离，同时也可求出其速度与方向。

其中，摄像头6正对的区域1的经纬度坐标采用二进制编码计算得出，其中二进制编码根据LED灯的亮灭情况来决定，从而确定运动前后正对区域的位置坐标。

如图4和图5所示，为了确定球体1上各区域12中心的坐标位置，这里采用L型的红蓝LED灯亮灭来二进制编码表示区域12中心的经纬坐标，灯亮表示1，灯灭则表示0，以八个红色的LED灯亮81灭表示其所处区域12中心的纬度坐标，十二个蓝色的LED灯82来表示其所处区域12中心的经度坐标。

如图5所示，红灯区域表示二进制数0001 1110，即0×2⁰+1×2¹+1×2²+1×2³+1×2⁴+0×2⁵+0×2⁶+0×2⁷＝30，则表示十进制30；蓝灯区域表示二进制数0000 0111 1000，即十进制数120，因此，此时摄像头所正对区域中心的坐标是纬度30°，经度120°，从而确定摄像头6所正对帧12中心的坐标位置。

以正前方摄像头为例，设移动前区域取中心点A的三维坐标为(x1，y1，z1)，移动后区域中心点B的三维坐标为(x2，y2，z2)。

由于弧R是确定的，只要获得OA与OB的夹角θ就可以获得的长度。

角θ可通过向量公式求得：向量OA*向量OB＝|OA||OB|cosθ

则

将经纬坐标转换成三维直角坐标：

x1＝R·cosβ1cosα1，y1＝R·cosβ1cosα1，z1＝R·sinβ1

x2＝R·cosβ2cosα2，y2＝R·cosβ2sinα2，z2＝R·sinβ2

所以：

因此，θ＝arccos[cosβ1cosβ2cos(α1-α2)+cosβ1cosβ2]

式中，A为摄像头采集的前一帧，其经度为α1纬度为β1；B为摄像头采集的后一帧，其经度为α2纬度为β2；为A到B的弧长，也就是用户的运动位移；R为球体的半径；θ为AB的夹角，A到B的方向可以用有向线段AB表示。

同理可得，正下方和正左方的摄像头下区域移动的距离，取其三个之间的最大值。

运动速度

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

如图8所示，运动机构半径R确定方法，要计算半径R，就得先知道球体露出工作平台的高度h，以及被工作平台截取的球体的截面(即用户活动范围)的半径r。

运动机构半径R确定采用如下方法：

人的活动范围假设是1个平方米，则球露出来的部分，当坡度小于3％的时候，人在上面就像如履平地，即得h≤0.0168m，又R²＝(R-h)²+r²，将r＝0.56m，h≤0.0168m代入上式，得出R≥9.34m。

即当人的活动范围为1个平方米的时候，球的半径不小于9.34m。

在其他实施方式中，根据二进制编码设计信号灯的亮和灭，也可以设定信号灯亮计为“0”，信号灯灭计为“1”，以此来进行编码后转换为十进制经纬度，也可以达到本实用新型所要的技术效果。

本实用新型所提供的万向跑步机，结构简单、成本低廉、维修方便，且主体部分置于地下，可降低外界环境对本装置的损坏影响；将运动机构表面按经纬度标注坐标，利用信息捕捉装置捕捉运动机构运动时所产生的信息，根据坐标信息的变化情况不仅可以测定用户跑步速度与跑步方向，而且还可以测定运动距离，满足用户多样化要求；使用时无腰带绑束，对用户身高体重不限制，用户直接在球面上运动，使得运动更自由，且使用更简便。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。