一种原地行走驱动系统及行走装置的制作方法

本发明属于虚拟现实(virtualreality，vr)行走装置领域，具体涉及一种原地行走驱动系统，及具有所述原地行走驱动系统的行走装置。

背景技术：

现阶段国内外虚拟现实行走装置有滑动式、滚珠阵列式、正交传送带式。其中滑动型全方向步行装置将使用者腰部固定，双足在凹形表面行走。滚珠阵列式也是将使用者腰部固定，双足在珠盘上行走。正交传送带式全方向步行装置是在大传送带上正交方向布置一周小传送带，大、小传送带沿正交方向的x、y轴分别转动，人的双足在小传送带排列的上表面全方向行走。上述三种类型装置的共同点是：设备笨重，都需要一个结构较复杂的装置供使用者行走，尤其是正交传送带式最为笨重。滑动式虽然结构最简单，但是需要使用者穿上特制的足部配件，影响使用舒适性和行走的自然感。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种使用者可原地行走的驱动系统方案和使用此方案的原地行走装置。原地行走驱动系统包括：动力装置、驱动机构及驱动部件、结合部，进一步地，本说明书中的驱动部件为轮子。驱动机构与动力装置和结合部连接，动力装置为驱动系统提供动力，进一步地，为驱动机构的轮子提供动力，为连接于驱动系统的结合部施加驱动力。结合部连接于使用者足部，并支撑足部。所述结合部可支撑使用者足部，也可以连接并支撑使用者所使用的行走辅助器械，如：拐杖、假肢，所以驱动机构和连接部的数量不限制，可以为配合使用者双足而配备两套，也可以为辅助使用者行走的单拐或双拐配备三套或四套。为便于后续说明，在本发明说明书中，设驱动机构和结合部的数量为两套，分别与使用者的双足连接。

本发明的实现方法是：结合部有连接部件和支撑部件，使用者足部与连接部件连接，置于支撑部件之上。支撑部件底部有轮子或滑动部件，可承载使用者全方向移动。驱动机构的一端与结合部连接，另一端与动力装置连接。驱动机构可采用多种可变形机械结构，可采用伸缩或折叠构造，在机械变形范围之内保持动力传递功能，可在限定范围内将动力装置的动力传递给驱动机构的轮子，对结合部施加驱动力。动力装置的位置相对不动，与动力装置连接的驱动装置机械变形，在机械变形的范围内，将动力装置的动力传递给驱动机构的轮子，为连接于驱动机构的结合部提供驱动力。动力装置是驱动系统中质量最大的部分，动力装置的位置相对固定，使用者足部动作时，带动质量相对较小的结合部和驱动机构运动，便于实现使用者足部动作的灵活性。进一步地，可使用相对于连接于使用足部的动力装置质量更大、动力更强的装置，加大驱动机构对结合部的驱动力。

驱动机构包括传动部件，传动方式包括：皮带、链条。驱动机构有轮子，轮子由动力装置通过传动部件提供动力。每套驱动机构可有一套传动部件，也可以有多套传动部件，多套传动部件分别驱动与其连接的轮子。每个结合部可连接一套或多套驱动机构，多套驱动机构分别为结合部施加不同方向的驱动力。每个动力装置可连接一套或多套驱动机构，动力装置可同时为多套驱动机构提供动力，对多个结合部施加驱动力。

本发明可设置辅助机构，辅助机构用于限制驱动机构和结合部的轴向倾斜度，保持结合部不倾倒，也可用于限制传动机构和结合部的运动范围，并用于连接驱动机构和动力装置。辅助机构可有多种构造、多组部件，为实现功能可有多种机械形式。辅助机构可与驱动机构结合，共用部件。

本发明可设置承载部，用于支撑结合部和使用者足部，为使用者提供活动范围，也可为结合部提供驱动力。驱动机构可为结合部施加一个方向或多个方向的驱动力，最简洁的构造为：驱动机构使用一套传动部件为结合部施加一个方向的驱动力，为了实现结合部具有原地行走功能，需要多方向的驱动力。承载部为结合部施加的驱动力方向，与驱动机构对结合部所施加驱动力方向不同。进一步地，承载部与驱动机构对结合部施加的驱动力方向，为正交方向，承载部与驱动机构分别对结合部施加运动范围内平面的x轴和y轴的驱动力。承载部的位置相对固定，本身不随使用者的足部动作，能够为使用者提供稳固的活动平面，可使用相对连接于驱动机构的动力装置更大、更重的电动机，提供更强的动力。

本发明的原地行走驱动系统及行走装置，由动力装置为驱动机构提供动力，驱动机构将动力传递给设置于驱动机构的轮子，轮子对结合部施加驱动力，带动与结合部连接的使用者足部向使用者行走方向的相反方向运动，保持使用者在限定范围内行走。

使用者在设备上呈立定站立姿势、双足不做任何动作，此时沿使用者腰部中心点与双足站立平面的垂足点，与使用者身体x轴方向相交的线为：y轴向零位线。当使用者在活动平面内向任意方向运动时，结合部或使用者足部在驱动机构动力或承载部的驱动力作用下运动，保持使用者双足不离开限定的活动范围。如果使用者左足向身体前方迈步，左足连接的结合部带动驱动机构a向前运动，运动的距离和速度与使用者左足的动作相同。如果使用者右足向身体后方迈出，右足连接的结合部带动驱动机构b向后运动，运动的距离和速度与使用者右足的动作相同。两个结合部a、b随使用者双足分别处于使用者身体前后呈静止状态，使用者保持左足在前、右足在后的姿势站立。如果使用者右足向身体前方动作，右足连接的结合部带动驱动机构b向使用者身体前方运动，当右足所连接结合部的结构中心点超过所述y轴向零位线时，传感系统向控制系统发出信号，控制系统控制使用者左足所连接的驱动机构a向使用者身体后方施加驱动力或控制承载部向使用者左足或左足连接的结合部施加向使用者身体后方的驱动力。控制系统同时控制驱动机构a或承载部的运动速度与使用者右足带动驱动机构b向身体前方运动速度相同。

附图说明

附图1：驱动系统基本构造示意图。

附图2：驱动机构与结合部轮子设置方式顶视图。

附图3：驱动系统基本构造顶视图。

附图4：驱动机构机械变形方式示意图。

附图5：结合部与使用者足部及驱动机构部件连接示意图。

附图6：平行四杆构造的辅助机构与驱动机构共用部件方式示意图。

附图7：平行四杆构造的辅助机构机械变形方式示意图。

附图8：具有两套传动机构的驱动机构的构造示意图。

附图9：一个动力装置为两套驱动机构提供动力的连接方式示意图。

附图10：一个结合部连接两套驱动机构和动力装置的构造示意图。

附图11：两个结合部各连接两组驱动机构实现行走装置功能的实施例示意图。

附图12：使用者双足与驱动机构配合方式示意图。

附图13：驱动机构和动力装置配合使用者双足动作实现原地行走功能，行走装置各部件运动方式示意图。

附图14：滚柱队列形式承载部的行走装置构造示意图。

附图15：滚柱队列形式承载部实现使用者原地行走功能，行走装置各部件运动方式示意图。

具体实施方式

为详细描述本发明的原地行走驱动系统及行走装置，以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，但并不限于本说明书中所述形式。

附图1是本发明的原地行走驱动系统的基本构造示意图，106为动力装置，进一步地，动力装置为电动机。图中111、112为驱动机构的传动机构，进一步地，为两段式折叠构造，两组等长的部件111、112铰接为可折叠组合机构，组合机构的一端与动力装置106连接，进一步地，连接方式为传动机构部件111与动力装置106的动力输出轴101铰接，部件111的一端可绕轴101转动。传动机构111、112的铰接轴103转动轴向与部件111绕动力装置106输出轴101转动的轴向相同。传动机构111、112部件组合体的部件112的一端与结合部113铰接，结合部113可绕铰接轴105转动。

本发明的原地行走驱动系统及行走装置,其中驱动机构有轮子115，附图1所示，进一步地，安装部位在传动机构111、112与结合部113连接的一端，进一步地，轮子115为全向切换轮。附图2所示，轮子可设置一组或多组，优选为两组轮子，轮子205为一组、轮子201、203为一组，两组轮子成90度正交方向布置。结合部的支撑部件202底面安装有轮子和\或滑动部件，优选方案为轮子，附图2所示，轮子207与轮子208、209位于结合部支撑部件202下表面，用于支撑结合部及与结合部接触的使用者足部，进一步地，轮子为万向轮或全向足轮。

附图1所示，本发明的驱动机构的轮子由驱动机构的传动机构提供动力。动力装置106、传动机构部件111、112及所连接部件，和结合部113组成驱动系统，传动机构的部件111的一端与动力装置106的动力输出轴101铰接，另一端与部件112通过轴103铰接，部件112与结合部113通过轴105铰接。轴101、103、105上分别安装皮带轮107、108、109，皮带102、104环绕在皮带轮107、108、109上。在传动部件112与结合部113的铰接轴105上安装有轮子115，动力装置106通过传动机构部件111、112的皮带轮107、108、109和皮带102、104对轮子115提供驱动力，轮子115在与活动平面上表面接触时，可对结合部113施加驱动力。结合部113上的轮子110不具备驱动力，只起到支撑作用。进一步地，所述传动机构的皮带可替换为链条，皮带轮可替换为链轮。

本说明书中传动机构优选的传动方式为皮带传动或链条传动，本说明书中以皮带传动方式为例，进一步地，皮带为同步带，皮带轮为同步轮。附图3所示，301、303、312三个铰接轴安装有皮带轮307、308、309，皮带轮上环绕有皮带302、304，其中皮带轮307与动力装置306的动力输出轴301固定，随动力输出轴301转动，通过皮带302将动力传递至皮带轮308，带动皮带轮308转动，皮带轮308为并列构造，两个相同的皮带轮纵向同轴固定，同步转动，皮带轮308将动力传递给皮带304，皮带304带动皮带轮309转动。皮带轮309与轮子310、311同轴连接，带动轮子310、311同步转动。

附图4所示，当结合部401沿x轴运动时，驱动机构的部件403、405绕铰接轴402转动，驱动机构的传动部件403、405以铰接轴402为轴折叠或伸展，改变在x轴的长度。本图示例性说明了本发明的驱动机构机械变形的方式，驱动机构在机械变形范围内具有对结合部401的驱动功能。

附图5所示，本发明的结合部501与驱动机构的部件503铰接，以铰接处502为轴转动。结合部由支撑部件505与连接部件506组成，支撑部件505用于支撑使用者足部507，连接部件506用于将使用者足部507固定于支撑部件505上表面。

本发明可设置辅助机构，辅助机构可有一个或多个，为实现功能可有多种形式和构造，辅助机构的主要作用是保持驱动机构和结合部的轴向稳定，并限制驱动机构和结合部的运动范围。辅助机构可与驱动机构结合，共用部分部件。

附图6所示，辅助机构由601、602两个平行四杆机构以603、604为轴铰接。平行四杆机构601、602的轴604、605、606上有皮带轮607、608、609，皮带轮上环绕有皮带611、612。平行四杆机构的部件613、615和皮带轮607、608、609和皮带611、612构成功能完整的传动机构，将动力装置619的动力传递给轮子618。

附图7所示，当图中所示的平行四杆铰接机构与传动机构的组合体在x轴改变长度时，平行四杆机构701、702变形，部件703始终保持相对于x轴垂直方向，与部件703连接的结合部705同样保持轴向稳定。

本发明原地行走驱动系统及行走装置的驱动系统中，驱动机构的传动机构可有一套或多套，附图8所示，驱动系统由动力装置801、传动机构802、804和传动机构806、808组成，动力装置801与两套传动机构802、804和806、808连接。两套传动机构都与结合部807连接，结合部807有轮子805和809，传动机构802、804对轮子805提供驱动力，驱动结合部807沿x轴运动；传动机构806、808对轮子809提供驱动力，驱动结合部807沿y轴运动。

本发明的驱动系统，其动力装置可为一套或多套驱动机构提供动力，附图9所示，动力装置901与驱动机构902、903连接，同时为驱功机构902和903提供动力，结合部906与传动机构902连接；结合部907与驱动机构903连接，动力装置901通过驱动机构902、903分别为结合部906、907提供驱动力。

本发明原地行走驱动系统及行走装置,每个结合部可连接一套或多套驱动机构，附图10所示，结合部1001连接驱动机构1004和1005，驱动机构1004与动力装置1002连接；驱动机构1005与动力装置1003连接。驱动机构1004和1005可同时为结合部1001提供驱动力，其中动力装置1002与驱动机构1004为结合部1001提供x轴驱动力，动力装置1003与驱动机构1005为结合部1001提供y轴驱动力。

本说明书将结合以下实施例进一步说明本发明的技术方案。如图11所示，本发明原地行走驱动系统及行走装置的一种实施例，结合部1101、1102分别与两套驱动机构连接，其中结合部1101与驱动机构1103、1105连接；结合部1102与驱动机构1104、1106连接。驱动机构1103与动力装置1107连接；驱动机构1105与动力装置1109连接。动力装置1107通过驱动机构1103对结合部1101施加x轴驱动力；动力装置1109通过驱动机构1105对结合部1101施加y轴驱动力。驱动机构1104与动力装置1108连接，驱动机构1106与动力装置1110连接，动力装置1108通过传动机构1104对结合部1102施加x轴驱动力；动力装置1110通过驱动机构1106对结合部1102施加y轴驱动力。驱动机构1103和动力装置1107连接于滑轨1111，可沿y轴运动；驱动机构1104和动力装置1108连接于滑轨1112，可沿y轴运动；驱动机构1105与动力装置1109、驱动机构1106与动力装置1110连接于滑轨1100，可沿x轴运动。

附图12所示，结合部1201、1202底面有轮子1217、1218，驱动机构1203、1204与结合部连接端也装有轮子1215、1216。进一步地，本实施例中，驱动机构1203、1204为平行四杆结构。动力装置1207、1208分别通过驱动机构1203、1204驱动轮子1215、1216，对结合部1201、1202施加驱动力。驱动机构1203、1204的平行四杆机构能够折叠，实现结合部1201、1202能够在驱动机构1203、1204平行四杆结构的机械变形范围内活动。当使用者足部1206抬起，带动结合部1202向上运动，驱动机构1204的平行四杆机构变形，轮子1216、1218离开活动平面1200。使用者足部1205未抬起，轮子1215、1217与活动平面1200保持接触，动力装置1207的动力由驱动机构1203传递给轮子1215，对结合部1201施加驱动力。

附图13-a所示，使用者左足部1313与结合部1301连接，足部1316与结合部1302连接。使用者左足部1313不动，右足部1316抬起，向身体前方迈出，右足部1316带动结合部1302向y1方向运动，与结合部1302连接的驱动机构1306的机械结构变形、伸长(参考附图7)，与结合部1302连接的驱动机构1304向y1方向的运动，同时带动与驱动机构1304连接的动力装置1308沿滑轨1312向y1方向运动。当使用者足部1316带动带动结合部1302落下，踏在活动平面1300，与结合部1302连接的驱动机构1304及动力装置1308与使用者足部1302同步停止在y1方向运动，此时使用者处于右足部向身体前方跨一步的姿势站立。在此状态下，如果使用者左足部1313向身体后方迈出，与足部1313连接的结合部1301连接的驱动机构1303及动力装置1307随足部1313沿滑轨1311向y2方向运动，与结合部1301连接的驱动机构1305的机械结构变形、折叠(参考附图7)。当使用者足部1313落下，踏在活动平面1300，驱动机构1303及动力装置1307与使用者足部1313同步停止在y2方向的运动。此时使用者处于右足部在前、左足部在后的姿势站立。

附图13-b所示，使用者右足部1316不动，左足部1313向身体前方迈步，带动驱动机构1303及动力装置1307沿滑轨1311向y1方向运动，当动力装置1307在滑轨1311上运动超过滑轨1311的y轴中间点位置时，传感系统检测到使用者右足部1316在身体前方，同时左足部1313正在向身体前方运动，传感系统将信号发送至控制系统，控制系统控制动力装置1318动作，对驱动机构1306提供动力，驱动机构1306对结合部1302施加y2方向驱动力，结合部1302带动使用者右足部1316向y2方向运动，传感系统检测使用者左足部1313在y1方向运动速度，并将信号发送至控制系统，控制系统控制动力装置1318通过驱动机构1306对结合部1302施加的y2方向的驱动速度等于左足部1313在y1方向的运动速度。当传感系统检测到使用者左足部1313连接的结合部1301落下，接触到活动平面1300时，向控制系统发送信号，控制系统控制动力装置1318停止动作。整套装置的各个机构和部件重复上述动作过程，配合使用者双足的动作，实现使用者原地行走。

本发明可设置承载部，承载部支撑结合部与驱动机构，并为结合部提供驱动力。

附图14所示，本实施例的行走装置的承载部为滚柱排列形式，若干滚柱并列排列，构成矩形区域，用于使用者在滚柱排列区域上表面活动。滚柱队列1420的滚柱横向两端有支架1409、1413，在滚柱队列一端的滚柱上有动力装置1411，动力装置1411与滚柱1419连接，为滚柱1419提供动力，滚柱1419与相邻的滚柱1421由皮带1415连接，滚柱1419转动时带动滚柱1421同步转动，进一步地，滚柱队列1420的所有相邻滚柱之间都有皮带连接，动力装置1411带动滚柱队列1420的所有滚柱同步转动，滚珠队列1420上表面成为可双向驱动的活动平面。

附图14所示，承载部的边框设置有滑轨1412、1410，滑轨1412、1410上有滑动部件1407、1408，滑动部件1407、1408连接有动力装置1405、1406，动力装置1405、1406分别与驱动机构1403、1404连接，驱动机构1403、1404分别与结合部1401、1402连接。结合部1401、1402的底部有两组轮子1417、1418，进一步地，轮子1417、1418为软橡胶轮，长度是承载部滚柱直径的2.5倍，轮子由驱动机构驱动。使用者足部可带动结合部1401、1402运动，当结合部1401、1402与滚柱队列上表面1400接触，滚柱队列1420处于转动状态时，滚柱队列1420对结合部1401、1402施加y轴驱动力；动力装置1405、1406通过对驱动机构1403、1404与结合部1401、1402底部的轮组1417、1418施加x轴驱动力。当使用者足部带动结合部1401、1402抬起，离开承载部上表面1400时，承载部的滚柱队列1420和驱动系统1405、1406不对结合部1401、1402施加驱动力。

附图15所示，使用者1507头戴vr显示设备或vr/ar/mr一体机等vr设备，在本发明的行走装置上运动，传感系统将使用者双足带动结合部1501、1502运动的速度、方向、空间位置等信号传输至使用者所使用vr设备相连的信号处理设备，信号处理设备将使用者的动作信息输入到vr场景中，计算使用者在vr场景中运动的速度、方向、空间位置等信息，使用者佩戴的vr显示设备中显示相应的vr场景图像。使用者在承载部上表面1500范围内向身体的前、后、左、右等方向行走或其他动作，传感系统检测到使用者足部带动结合部1501、1502和驱动机构1503、1504运动的方向、速度、在承载部上表面1500的位置的信息发送到信号处理设备和控制系统，控制系统控制承载部的滚柱队列对结合部施加y轴驱动力，动力装置1505、1506分别对结合部1501、1502施加x轴驱动力。通过在承载部滚柱队列的上表面1500范围内，对与使用者双足连接的结合部1501、1502施加x轴和y轴驱动力的组合。对与承载部滚柱队列上表面1500接触的结合部1501和/或结合部1502，施加与使用者双足或双足之一动作方向相反的驱动力，将结合部1501、1502限制在承载部上表面1500范围内，实现使用者1507体验vr场景漫游。