一种穿戴式可原地无限制运动的自平衡外骨骼装置的制作方法

本发明属于运动器械领域，具体地说，涉及一种穿戴式可原地无限制运动的自平衡外骨骼装置。

背景技术：

一般进行原地跑步运动一般采用常规跑步机载体，但其往往只能朝着一个方向上运动，且不能根据跑步者的脚步速度自动控制跑步速度,或者实现下蹲、起跳等动作；另外，当前还有多种vr360度跑步机，如virtuixomni、katvr等，但其同样存在着运动形式的限制，并且其一般都存着者设备大而笨重，造价高昂、占地面积大等众多问题。

普通跑步机不能多个方向运动，且不能主动控速，不能实现自由的下蹲、起跳动作；目前360度全向vr跑步机除了运动形式受到限制之外，其还存在着设备笨重，造价高、且占地面积大等缺点。

技术实现要素：

针对上述问题，所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，本发明提出一种穿戴式可原地无限制运动的自平衡外骨骼装置，以解决普通跑步节不能实现的全方位无限制自由控制速度的运动与游戏娱乐体验；以及当前360度全向vr跑步机体积笨重、占地面积大的问题，并全方位接触人体自然的运动形式受到一般设备的限制的问题，解决当前vr跑步机造价高昂，一般消费者难以企及的问题。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

所述的穿戴式可原地无限制运动的自平衡外骨骼装置包括骨骼连接固定架1、转轮支架2、背部转轮旋转器3、柔性腰部固定带4、左活动支杆5、左脚嵌套式轮滑鞋套6、左柔性牵引绳7、左脚气弹簧伸缩杆8、右活动支杆9、右脚嵌套式轮滑鞋套10、右柔性牵引绳11、右脚气弹簧伸缩杆12、摆动牵引控制杆13；所述的骨骼连接固定架1的上端前侧设置有柔性腰部固定带4，骨骼连接固定架1的上固定安装有转轮支架2，转轮支架2的后端固定安装有背部转轮旋转器3，骨骼连接固定架1的前端底部两侧分别通过销轴安装有左活动支杆5与右活动支杆9，左活动支杆5与右活动支杆9的底端分别安装有左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10；所述的背部转轮旋转器3的底端设置有摆动牵引控制杆13，左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11的上端分别固定在摆动牵引控制杆13的左右两端，左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11的下端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的下部，所述的左脚气弹簧伸缩杆8、右脚气弹簧伸缩杆12的上端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的上部，左脚气弹簧伸缩杆8、右脚气弹簧伸缩杆12的下端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的下部。

进一步，所述的左活动支杆5与右活动支杆9的结构一致，均由大腿外骨骼支杆14、伸缩节15、小腿外骨骼支杆16、髋关节活动连接器17组成，所述的大腿外骨骼支杆14的上端与髋关节活动连接器17的下固定连接，髋关节活动连接器17的上端与骨骼连接固定架1通过销轴转动连接，大腿外骨骼支杆14的下端与伸缩节15的上端通过销轴转动连接，伸缩节15的下部与小腿外骨骼支杆16的上部通过螺栓固定连接。

进一步，所述的伸缩节15的下部为一个套筒，套筒的筒壁上均匀的开设有用于与小腿外骨骼支杆16螺栓连接的螺纹孔。

进一步，所述的大腿外骨骼支杆14的内侧设置有大腿柔性固定带18，两个大腿外骨骼支杆14的后侧分别设置有用于引导左柔性牵引绳7和右柔性牵引绳11的牵引架19，牵引架19下方的大腿外骨骼支杆14上设置有用于分别控制左柔性牵引绳7和右柔性牵引绳11长度的牵引绳长度控制锁扣20。

进一步，所述的髋关节活动连接器17由旋转活动连接轴21、旋转活动轴套22组成，旋转活动连接轴21的下端与大腿外骨骼支杆14的上端固定连接，旋转活动连接轴21的上端安装在旋转活动轴套22内，旋转活动轴套22的顶部开设有用于与骨骼连接固定架1活动连接的销轴连接孔23。

进一步，所述的大腿外骨骼支杆14与髋关节活动连接器17连接处安装有方向转动传感器36，大腿外骨骼支杆14与伸缩节15的连接处安装有屈膝角度传感器37，小腿外骨骼支杆16的下端端部安装有脚步动作捕捉传感器38，方向转动传感器36、屈膝角度传感器37、脚步动作捕捉传感器38分别与服务器39连接，服务器39与vr头盔40、vr眼镜41连接。

进一步，所述的左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10的结构一致，均由脚踝连接支架24、鞋板ⅰ25、鞋板ⅱ26、轮滑27、柔性固定带ⅰ28、柔性固定带ⅱ29组成，所述的脚踝连接支架24有两根，两根脚踝连接支架24的上端均与左活动支杆5或右活动支杆9的下端活动铰接，两根脚踝连接支架24的下端分别与鞋板ⅰ25和鞋板ⅱ26的外侧连接，鞋板ⅰ25上设置有柔性固定带ⅰ28，鞋板ⅱ26上设置有柔性固定带ⅱ29，鞋板ⅰ25与鞋板ⅱ26分别设置有两个轮滑27。

进一步，所述的背部转轮旋转器3包括安全护罩30、旋转转轮31、转轴32、活动支杆33、电机34、蓄电池35，所述的安全护罩30左右两侧分别设置有活动支杆33，活动支杆33安装在转轮支架2上，安全护罩30的中部安装有转轴32，转轴32上安装有旋转转轮31，转轴32伸出安全护罩30的一端与电机34连接，电机34与蓄电池35连接。

本发明的有益效果：

本发明可实现的全方位无限制自由控制速度的运动与游戏娱乐体验；解决当前360度全向vr跑步机体积笨重、占地面积大的问题，并全方位接触人体自然的运动形式收到一般设备的限制问题；可解决当前vr跑步机造价高昂，一般消费者难以企及的问题。

附图说明

图1为本发明的前侧结构示意图；

图2为本发明的后侧结构示意图；

图3为本发明髋关节活动连接器的结构示意图；

图4为本发明髋关节活动连接器的主视图；

图5为图4的b-b向剖视图；

图6为本发明背部转轮旋转器的结构示意图；

图7为本发明的vr实时场景变化数据采集结构框图。

图中，1-骨骼连接固定架、2-转轮支架、3-背部转轮旋转器、4-柔性腰部固定带、5-左活动支杆、6-左脚嵌套式轮滑鞋套、7-左柔性牵引绳、8-左脚气弹簧伸缩杆、9-右活动支杆、10-右脚嵌套式轮滑鞋套、11-右柔性牵引绳、12-右脚气弹簧伸缩杆、13-摆动牵引控制杆、14-大腿外骨骼支杆、15-伸缩节、16-小腿外骨骼支杆、17-髋关节活动连接器、18-大腿柔性固定带、19-牵引架、20-牵引绳长度控制锁扣、21-旋转活动连接轴、22-旋转活动轴套、23-销轴连接孔、24-脚踝连接支架、25-鞋板ⅰ、26-鞋板ⅱ、27-轮滑、28-柔性固定带ⅰ、29-柔性固定带ⅱ、30-安全护罩、31-旋转转轮、32-转轴、33-活动支杆、34-电机、35-蓄电池、36-方向转动传感器、37-屈膝角度传感器、38-脚步动作捕捉传感器、39-服务器、40-vr头盔、41-vr眼镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，所述的穿戴式可原地无限制运动的自平衡外骨骼装置包括骨骼连接固定架1、转轮支架2、背部转轮旋转器3、柔性腰部固定带4、左活动支杆5、左脚嵌套式轮滑鞋套6、左柔性牵引绳7、左脚气弹簧伸缩杆8、右活动支杆9、右脚嵌套式轮滑鞋套10、右柔性牵引绳11、右脚气弹簧伸缩杆12、摆动牵引控制杆13。

所述的骨骼连接固定架1的上端前侧设置有柔性腰部固定带4，骨骼连接固定架1的上固定安装有转轮支架2，转轮支架2的后端固定安装有背部转轮旋转器3，如图6所示，所述的背部转轮旋转器3包括安全护罩30、旋转转轮31、转轴32、活动支杆33、电机34、蓄电池35，所述的安全护罩30左右两侧分别设置有活动支杆33，活动支杆33安装在转轮支架2上，安全护罩30的中部安装有转轴32，转轴32上安装有旋转转轮31，转轴32伸出安全护罩30的一端与电机34连接，电机34与蓄电池35连接，通过蓄电池35给电机34供电，电机34启动，通过转轴32带动安装在安全护罩30内的旋转转轮31转动。

图1、2所示，骨骼连接固定架1的前端底部两侧分别通过销轴安装有左活动支杆5与右活动支杆9，左活动支杆5与右活动支杆9的底端分别安装有左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10；所述的左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10的结构一致，均由脚踝连接支架24、鞋板ⅰ25、鞋板ⅱ26、轮滑27、柔性固定带ⅰ28、柔性固定带ⅱ29组成，所述的脚踝连接支架24有两根，两根脚踝连接支架24的上端均与左活动支杆5或右活动支杆9的下端活动铰接，两根脚踝连接支架24的下端分别与鞋板ⅰ25和鞋板ⅱ26的外侧连接，通过设置两根脚踝连接支架24将鞋板ⅰ25、鞋板ⅱ26与左活动支杆5或右活动支杆9下端活动铰接连接，这样，在两根脚踝连接支架24张角大小程度，可满足不同人体的脚板大小。鞋板ⅰ25上设置有柔性固定带ⅰ28，鞋板ⅱ26上设置有柔性固定带ⅱ29，鞋板ⅰ25与鞋板ⅱ26分别设置有两个轮滑27。通过设置符合人体脚板的左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10，人体的脚板可伸入到鞋板ⅰ25、鞋板ⅱ26上，通过柔性固定带ⅰ28、柔性固定带ⅱ29进行栓紧固定，防止在运动过程中，人体脚板松离左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10，影响正常运动。

所述的背部转轮旋转器3的底端设置有摆动牵引控制杆13，左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11的上端分别固定在摆动牵引控制杆13的左右两端，左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11的下端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的下部，所述的左脚气弹簧伸缩杆8、右脚气弹簧伸缩杆12的上端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的上部，左脚气弹簧伸缩杆8、右脚气弹簧伸缩杆12的下端分别固定在左活动支杆5与右活动支杆9的下部。通过设置左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11以及左脚气弹簧伸缩杆8、右脚气弹簧伸缩杆12配合高速旋转的背部转轮旋转器3，实现人体原地运动的目的。

工作过程：

人体的左右两只脚穿在左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10上，将柔性腰部固定带4拴在腰部，使背部转轮旋转器3位于人体的背部，启动电机34，通过转轴32带动安装在安全护罩30内的旋转转轮31转动，当人们开始原地跑步运动时，由于背部高速旋转的旋转转轮31，当人们将左脚跨出，左柔性牵引绳7、左脚气弹簧伸缩杆8被拉伸，此时，左柔性牵引绳7拉动背部转轮旋转器3转动，背部转轮旋转器3上端向人体背部倾斜，当人体左脚着地时，由于高速旋转的旋转转轮31作用，使得人体左脚被左柔性牵引绳7、左脚气弹簧伸缩杆8拉回至原地，同理，右脚跨出后，在高速旋转的旋转转轮31作用下，被右柔性牵引绳11、右脚气弹簧伸缩杆12拉回至原地，从而实现人体原地运动。

工作原理：

本发明主要采用陀螺仪原理中的角动量守恒原理：将穿戴者的身体与背部高速旋转的旋转转轮31当做一个系统，当穿戴者站立未走动时，背部的背部转轮旋转器3内部高速旋转的旋转转轮31的拥有一个水平的角动量，由于转轴32平行于地面，所以垂直方向上的角动量为0。由于穿戴者往前行走的抬腿动作将会拉动左柔性牵引绳7或者右柔性牵引绳11，而左柔性牵引绳7、右柔性牵引绳11与背部转轮旋转器3底部的牵引控制杆13是固定连接的，因此左柔性牵引绳7或右柔性牵引绳11将拉动高速旋转的旋转转轮31产生一个后倾的角度，此时，角动量的方向发生改变，产生了一个竖直方向上的角动量分量，由于角动量守恒，穿戴者与旋转转轮31组成的系统将产生一个与该角动量相反的转动力矩，使穿戴者与背部高速旋转的旋转转轮31获得一个相反方向的角动量。由于，穿戴者左、右脚底部为自由状态的左脚嵌套式轮滑鞋套6与右脚嵌套式轮滑鞋套10，所以穿戴者与背部高速旋转的旋转转轮31获得一个相反方向的角动量后，其产生的反方向上的力矩将使得穿戴者跨出的脚在着地后往后移动，进而实现原地运动的目的。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，所述的左活动支杆5与右活动支杆9的结构一致，均由大腿外骨骼支杆14、伸缩节15、小腿外骨骼支杆16、髋关节活动连接器17组成，所述的大腿外骨骼支杆14的上端与髋关节活动连接器17的下固定连接，髋关节活动连接器17的上端与骨骼连接固定架1通过销轴转动连接，大腿外骨骼支杆14的下端与伸缩节15的上端通过销轴转动连接，伸缩节15的下部与小腿外骨骼支杆16的上部通过螺栓固定连接，所述的伸缩节15的下部为一个套筒，套筒的筒壁上均匀的开设有用于与小腿外骨骼支杆16螺栓连接的螺纹孔。所述的大腿外骨骼支杆14的内侧设置有大腿柔性固定带18，两个大腿外骨骼支杆14的后侧分别设置有用于引导左柔性牵引绳7和右柔性牵引绳11的牵引架19，牵引架19下方的大腿外骨骼支杆14上设置有用于分别控制左柔性牵引绳7和右柔性牵引绳11长度的牵引绳长度控制锁扣20。

通过设置伸缩节15连接大腿外骨骼支杆14与小腿外骨骼支杆16，能够对左活动支杆5与右活动支杆9的高度进行调节，满足穿戴者的身高，同时，通过牵引绳长度控制锁扣20实现左柔性牵引绳7和右柔性牵引绳11的长度控制，从而实现不同身高人体的要求，扩宽本发明的使用范围，满足广大人民群众的运动需求。

如图3-5所示，所述的髋关节活动连接器17由旋转活动连接轴21、旋转活动轴套22组成，旋转活动连接轴21的下端与大腿外骨骼支杆14的上端固定连接，旋转活动连接轴21的上端安装在旋转活动轴套22内，旋转活动轴套22的顶部开设有用于与骨骼连接固定架1活动连接的销轴连接孔23，通过采用髋关节活动连接器17连接大腿外骨骼支杆14与骨骼连接固定架1，能够实现大腿外骨骼支杆14前后运动以及左右转动，便于人体的多维运动。

实施例3

在实施例2的基础上，如图7所示，所述的大腿外骨骼支杆14与髋关节活动连接器17连接处安装有方向转动传感器36，大腿外骨骼支杆14与伸缩节15的连接处安装有屈膝角度传感器37，小腿外骨骼支杆16的下端端部安装有脚步动作捕捉传感器38，方向转动传感器36、屈膝角度传感器37、脚步动作捕捉传感器38分别与服务器39连接，服务器39与vr头盔40、vr眼镜41连接。

本发明通过设置相应的方向转动传感器36、屈膝角度传感器37、脚步动作捕捉传感器38，根据方向转动传感器36监测的角度大小由服务器39计算穿戴者脚步行进的具体方向；根据屈膝角度传感器37监测的角度大小由服务器39判断穿戴者是否下蹲以及下蹲的高度；根据脚步动作捕捉传感器38监测的脚步交叉运动的频率大小由服务器39计算穿戴者行进方向的虚拟运动速度，服务器39分析获得穿戴者运动参数下的vr实时场景变化，服务器39将该vr场景实时更新传递给vr头盔40或vr眼镜41，穿戴者通过vr头盔40或vr眼镜41获得即时运动条件下的vr场景。

故而，本发明本除了可用于常规健身娱乐推广应用外，特别重要的是其还可以应用虚拟现实领域推广使用，其造价低，佩戴方便且不占地方，可以作为当前vr跑步机的替代设备，其应用方式主要是与虚拟现实头盔、眼镜和各传感器之间配合使用，通过各传感器实时获得的使用者的动作特征数据参数，并与虚拟现实设备及服务器数据对接，通过服务器计算反馈获得与穿戴者动作对应的虚拟场景，从而实现虚拟现实内部运动及游戏的深度沉浸体验。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。