全方向运动转化结构及辅助装置的制作方法

专利名称：全方向运动转化结构及辅助装置的制作方法
技术领域：
本发明为运动转换的结构和及辅助装置
背景技术：
由于空间的限制，人口的增多，土地与空间成了稀缺资源，人们的运动空间越来越小。人们 发明了跑步机来解决这种问题，使人们或各种需要广阔空间运动的物体可以在很狭小的空间 就可以进行运动。但是跑步机只能够完成向前，向后的运动的转换。这使这种技术的应用大 为受限。本发明解决了跑步机这类设备的向各个方向运动的难题。使得这种运动装置可以在 任何地点，向任何方向的运动。可以给运动的主体，提供很真实的感官刺激，结合现在的虚 拟现实技术可以给提供极大的健康保障与娱乐享受。

发明内容
本发主要内容是一个运动转换结构和辅助装置。目的在于提供一种可以将各个方向的， 运动主体(可以是人，动物，机械等各种可以自主凭借与地面摩擦力产生运动的主体)与地 面的相对运动转化为运动装置的循环运动。而以地面为参照物运动主体还保留在原位。并提 供良好的运动相关感觉。
本发明主要运动转换装置的结构是全方向运动转换结构，下面称为万向环，如说明书附图i，
说明书附图2所示。其特征在于该结构为一个外皮较为坚韧的有一定弹性的可以是中空的软 质环；在环的中部和内部可以填充具有润滑、支撑、定型作用的填充物。万向环的外表面构 成的外型环在下面称为"主环"(3);将主环环沿中心轴某一半径切开，切面腔面形成的环下 面称为"腔环"(2) (4)。当万向环表面受到力的作用时，在环中部和内部的润滑、支撑、和 定型下，可以将力的作用转化为沿万象环沿主环切向的运动，与沿环的腔环切向进行的运动;从而万象环的外皮结构可以在保持中部和内部填充物外型基本保持不变的情况下，围绕填充 物进行旋转。这种结构的优点在于，可以把施加在环状结构的任何方向的力都转化为环的自 身旋转。如果材料的特性允许，也可以不要空腔。并且环可以按使用条件及环境被弯曲成多 种形状包括圆形，矩形，多边形，及可以扭转为"麦比乌斯环"。
惯性模拟结构可以借助万向环提供的运动平面产生惯性的模拟感觉，由两组正交方向的 惯性轮组成，每组由一定数量的惯性轮组成。每个惯性轮由一个多自由度轮式装置和该装置 附带的配重部分构成。这种轮式装置通过每一个接触点两个自由度的设计可以把运动正交分 解。我们通过给主旋转方向附加一定质量的物体，达到可以使该惯性轮在受到惯性方向的力 时将能量存储在该方向的惯性轮中，而正交方向旋转轮以主旋转轮的一个或多个圆周上的弦 为中轴，不增加或减少配重则该方向能量基本不会被存储。当添加正交方向两组惯性轮后就 可以达到存储和释放任意方向惯性(动能)的目的。
由以上结构构成的一种装置使人们可以在上面作模拟真实的地面运动。可应用于健身， 康复，虚拟现实，游戏娱乐，信号输入输出，运动分析，人力发电，机械测试等领域


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图1为本发明主要传动部件万向环的一种三维立体图，及其沿主环直径切割的切面图。
图2为本发明主要传动部件万向环的一种二维视图，及其沿主环直径切割的切面图。其中标
示了 一种受力的情况及其受力分解。
图3为本发明的一种实施方案正面剖面图。
图4为本发明的一种实施方案侧面剖面图。
图5为惯性模拟装置图。
图6为惯性模拟装置中的惯性轮从主轴方向看的侧面图。
图7为惯性模拟装置中的惯性轮从垂直主轴方向看的正面图。
其中部件与主要作用(1)为万象环的一种三维立体图。万向环即全方向运动转换结构，其 特征在于该结构为一个外皮较为坚韧的有一定弹性的可以是中空的软质环(2)为万象环的一 种三维立体图的剖面图。(3)万向环的主环。(4)将主环沿任意半径切开可以看到的切面环或 称腔环。(5)指向某方向的产生运动的力。(6)可以将力的作用转化为沿万象环沿主环切向 的力。(7)可以将力的作用转化沿环的腔环切向进行的力。(8)发起运动的主体。可以是人， 动物，自动机械等。(9)可以置于运动主体上的装置。主要作用可以是保护，定位，信号接 受发送等(10)固定运动主体与万向环及机械架构及之间的装置。可以是一个或多个。(11)对运动主体进行缓冲，支撑，保护，并可以提供虚拟场景的装置。(12)万向环的主体材料， 包括润滑层，受力层，表面耐磨缓冲层，表面效果层。并可以提供虚拟场景的展示。也可以 提供自动改变功能。(13)运动主体保护装置，主要作用避免运动主体及其他附属物，细小物 品，在运动过程中被万象环巻入，同时有清洁万向环表面的作用。(14)整体支撑装置。起到 支撑，保护，动力输入输出，动力转化，信号采集，信号传输，万向环运动润滑，清洁作用。 (15)万象环腔内上部的填充物质。主要可以起到润滑，支撑作用。同时也可以置入信号接 收发送装置，逻辑控制装置，及动力(能量)产生，接收，储存及发送装置，可以根据不同 的要求和条件改变形状，改变状态，改变接触感觉，改变惯性感觉。产生动力，改变角度， 并可以进行辅助运动。也可以根据虚拟场景动态的情况改变体运动主体的体验程度。(16)万 象环的中部支撑物。主要可以起到润滑，支撑作用。同时也可以置入信号接收发送装置，逻 辑控制装置，及动力(能量)产生，接收，储存及发送装置，可以根据不同的要求和条件改 变形状，改变状态，改变接触感觉，改变惯性感觉。产生动力，改变角度，并可以进行辅助 运动。也可以根据虚拟场景动态的情况改变体运动主体的体验程度。(17)万象环腔内下部的 填充物质。主要可以提供支撑形状。润滑。提供部分力量补充的功能。(18)整个结构上部及 下部的挡板。主要作用提供虚拟视觉，虚拟听觉，虚拟触觉，对主体施加作用力也可以提供 虚拟超失重，平移冲击感觉(19)万象环中部支撑物。主要作用可以提供外加动力等。(20) 万象环腔内部的填充物质，可以改变万向环角度坡度等。(21)为惯性模拟装置中的惯性轮从 垂直主轴方向看的正面图。(22)惯性模拟装置中的惯性轮从主轴方向看的侧面图。(23)惯 性模拟系统产生作用的表面。(24)绕主轴旋转的惯性轮主轮。(25)以主轮的某一圆周上弦 为轴旋转的副轮。(26)与主轮固定的的配重轮。(27)惯性轮的主轴。
以上各个部件中(8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20)(21) (22) (23) (24) (25) (26) (27)等各个部件可以再分割成更细微的部件。如有需要还也可 以联合或不联合其他部件共同完成如下功能的一种或多种增强功能 可以起到润滑，减少部件间摩擦力的作用。 可以起到缓冲作用，减少相对运动产生的冲击力。 支撑作用。对整体结构及运动主体提供一个支撑的力量。
可以置入信号接收发送装置，与外界的系统，或内部系统或运动主体产生交互。以调整各个 部件间的配合。
逻辑控制装置。可以根据实际情况，自主完成一些逻辑判断。以调整各个部件间的配合。 动力(能量)产生，接收，储存及发送装置。可以将运动主体或，外界的作用力或能量接受，储存，转化，或发送，或作用于整个系统，或通过外部能量提供动力。 可以根据不同的要求和条件改变形状。如长短大小。
可以根据不同的要求和条件改变物理状态。如变软，或变硬，或变柔软等。 可以根据不同的要求和条件改变接触感觉。如变光滑，变温，变凉等。 可以根据不同的要求和条件改变惯性感觉，如增大惯性，减小惯性。
可以根据不同的要求和条件改变视觉感觉，如借助其他物品产生投影，或在表面显图案。
可以根据不同的要求和条件改变嗅觉感觉，如借助气味发生装置产生在不同位置产生气味。
可以根据不同的要求和条件改变听觉感觉，如在不同位置产生立体声音效。
可以根据不同的要求和条件改变味觉感觉。如
可以根据不同的要求和条件改变光热辐射感觉。
可以根据不同的要求和条件改变角度，弧度。
可以根据不同的要求和条件改变厚度。
可以根据不同的要求和条件改变宽度。
可以根据不同的要求和条件改变摩擦系数。
可以产生动力，包括使万向轮旋转的动力，使使用者或整个或部分系统上升下降，平面平移， 改变角度。
具体实施例方式
以下结合图描述一种可行的实施方案。供实施参考。
首先全方向运动转换结构，即万向环的制造可以使用现在市面上很多的跑步机跑步带。此 种软质带具有良好的坚韧，耐磨，及有一定的延展性，可以将其缝接为万向环的形状。在内 部(15) (17) (16) (19) (20)的位置可以设置一些钢板。其上及边缘密布(21)与(22) 的惯性轮组。同时这些惯性轮组可以有升降的自由度。(16) (19)在的位置还需要增加动力 装置，如增加一些可以通过外接动力运动的惯性模拟轮来改变惯性状态或利用外接动力及电 机完成对万向环运动的加速减速等。增加液压装置，改变万向环整体高度。(10)的位置可以 使用软质橡胶及绳或带对人的重心进行固定。(9)是人们所佩戴的护具，如头盔，视觉眼镜， 穿的信号发射操作服，信号发射鞋，手持信号发射机等(13)是延伸至运动主体周围的厚橡 胶。(14)中的设备可以是硬质的支架。其中可以安放万向环发电装置。同过与万向环的摩擦 发电。可以放入数据，动力电缆。及对外界的插座。(11)是周围的保护墙，如果用户使用投 影来模拟视觉的话，可以作为屏幕。(18) (11) (12)上可以安装投影机。安装滑轨，安装喷气，喷水，光热辐射装置。及运动平移，垂直升降设备。(18)或(11)可以安装人们出入的 通道。在(14)中可以植入电脑，协调各个部件之间的工作。进行虚拟现实的内容管理。 及与使用者(8)进行通讯，或与外界通讯。
权利要求
1.全方向运动转换结构，下面称为万向环；其特征在于该结构为一个外皮较为坚韧的有一定弹性的可以是中空的软质环；在环的中部和内部可以填充具有润滑、支撑、定型作用的填充物；万向环的外表面构成的外型环在下面称为“主环”；将主环环沿中心轴某一半径切开，切面腔面形成的环下面称为“腔环”；当万向环表面受到力的作用时，在环中部和内部的润滑、支撑、和定型下，可以将力的作用转化为沿万象环沿主环切向的运动，与沿环的腔环切向进行的运动；从而万象环的外皮结构可以在保持中部和内部填充物外型基本保持不变的情况下，围绕填充物进行旋转。
2. 惯性模拟结构；其特征在于由两组正交方向的惯性轮组成，每组由一定数量的惯性轮 组成，每个惯性轮由一个多自由度轮式装置和该装置附带的配重部分构成；这种轮式装 置通过每一个接触点两个自由度的设计可以把运动正交分解；我们通过给主旋转方向附 加一定质量的物体，达到可以使该惯性轮在受到惯性方向的力时将能量存储在该方向的 惯性轮中，而正交方向旋转轮以主旋转轮的一个或多个圆周上的弦为中轴，不增加或减 少配重则该方向能量基本不会被存储；当添加正交方向两组惯性轮后就可以达到存储和 释放任意方向惯性(动能)的目的。
3. 按照权利要求1或2所述的全方向运动转换结构或惯性模拟结构，其特征在于当运动发 起主体产生运动使万向环产生旋转运动或产生运动趋势时可以用合适的装置放在，万向 环结构中，或填充物中，或周边环境中，或运动主体中，或惯性模拟结构中，将这种在 万向环或惯性模拟装置上产生的运动的能量，或运动信息(例如包括方向，位置，力 量，速度，距离，压力，坡度，角度，高度等)进行收集、存储、发送、接收、释放、 反馈；从而可以达到收集能量，或辅助运动，或模拟真实感觉，或进行运动分析等的效 果。
4. 按照权利要求1或2或3所述的全方向运动转换结构或惯性模拟结构，构造一种装置使 人们可以在上面作模拟真实的地面运动；可应用于健身，康复，虚拟现实，游戏娱乐， 信号输入输出，运动分析，人力发电，机械测试等领域；其特征在于结构上，运动主 体可以处于系统上部，万向环系统位于运动主体下部，支撑结构可以是一个或多个，位 于万向环结构下部或完全、非完全包覆万向环结构、运动主体，可以使用惯性模拟结构， 惯性模拟结构可以在支撑结构或万向环结构内部；其中运动主体可以使用一个或多个定 位装置可以与框架或大地联接，起到使运动主体相对位置固定的作用；使用较为可靠的 支撑结构，支撑万向环传动系统；可以使用一套减少摩擦力的装置(如万向滑轮，圆型 滚珠，润滑涂层，光滑板材等)放置在万向环和支撑结构之间保持万向环相对位置的固定；可以在万向环的内部上部放入水平方向较为坚固，垂直方向可以是活动的(这种活 动可以感应受到的压力，向运动主体反馈高低的感觉；并有缓冲，保护等的作用)的平板，平板上下可以作减少摩擦的处理(如润滑涂层，润滑剂，或圆型滚珠，万向滑轮) 主要起到固定万向环腔环位置的作用；可以在万向环和支撑结构之间，及运动主体和万 向环之间，设置运动主体保护装置和万向环清洁装置，对运动主体的动作进行保护，防 止夹伤，细小物品搅入，并可以对于万向环表面的物体进行清理，以避免转动堵塞；可 以在万向环的中部支撑处或底部支撑处，或其他可接触的内外部表面设置惯性模拟装 置，此装置可以给万向环和运动主体提供模拟真实的惯性感觉；可以在万向环的支撑或 接触处放置升降装置，控制万向环的高低，及倾斜角度，为用户提供高度，角度感觉； 可以在万向环的表面周围还设置速度，距离，压力，位置信息采集和动力反馈的装置； 可以在与运动主体接触的地方，万向环，及支撑，填充，固定，保护部分，及万向环周 边辅助装置使用光电技术进行全方位的视觉，听觉，触觉，嗅觉，味觉，的模拟；如在 运动主体的上部，固定、防尘、保护板可以投射天空的全景景色；前后左右的保护壁可 以投射各个方向的影像；底部万向环及其保护装置，也可以投射地面的影像，并且也可 以在万向环表面模拟独立的接触感觉，更换或改变表面的材质，形状，并独立的模拟高 低起伏的感觉；可以用立体声模拟声音；可以使用鼓风系统，喷水系统，光热系统，甚 至电磁波系统模拟触觉，也可以使用用户佩戴的设备进行触觉模拟；可以在不同方位安 放气味发生器模拟嗅觉；味觉也可以通过用户的佩戴装置提供；可以通过以上装置对用 户提供健身，娱乐，发电，运动分析，运动模拟等功能。
5. 按照权利要求1或2或3或4所述的结构或装置，使用垂直方向抬升，下降或平移装置， 给权利要求书中的用户提供的超重或失重或高低感觉，或各个方向的冲击感觉的装置； 其特征在于，将抬升或下降或平面平移的设备作于万向环表面，或万向环的填充、支撑 物，或通过固定装置，或保护装置或主体佩戴的设备或其的部分区域；作用于运动主体， 以提供超重或失重或高低感觉，或各个方向的冲击感觉的装置。
6. 鼓风或喷水或光热感觉模拟器；其特征在于，可以通过控制吹风设备或喷水设备或光热 设备的位置；喷射、照射、吹射角度、范围、强度、温度等，模拟人们或被吹射、喷射、 照射物体的触觉体验。
7. 按照权利要求1或2或3或4或5或6所述装置，其上使用的视觉或听觉全方位模拟装 置，其特征在于，在以上一种或多种结构或装置中，通过引入全方位视觉或听觉设备， 结合万向环并可以结合惯性模拟结构与上述感觉模拟器产生的全方位立体的视觉或听觉感觉的装置。
8. 按照权利要求l或2或3或4或5或6或7所述的结构或装置，在其中添加，智能或电 子设备增加设备整体的协调与协同工作能力，及增加对定位及收集到信息的反馈能力。
9. 按照权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的结构或装置，使用于机械测试， 车辆测试，动物应用(驯化，野化，生物发电)，动物健身等领域的设备或装置；其特征 在于结构与功能与权利要求l或2或3或4或5或6或7或8相近或相似，应用方向不 同。
全文摘要
本发明主要内容是一个运动转换结构和辅助装置。目的在于提供一种可以将各个方向的，运动主体与地面的相对运动转化为运动装置的循环运动。而以地面为参照物运动主体还保留在原位。并提供良好的运动相关感觉。本发明主要运动转换装置的结构是全方向运动转换结构。该结构为一个外皮较为坚韧的有一定弹性的软质环；在环的内部可以填充具有润滑、支撑、定型作用的填充物。外皮结构可以围绕填充物进行旋转。两组正交方向的惯性轮借助运动平面可以产生惯性(动能)的存储及释放模拟惯性感觉。由以上结构构成的装置使人们可以在上面作模拟真实的地面运动。可应用于健身，康复，虚拟现实，游戏娱乐，信号输入输出，运动分析，人力发电，机械测试等领域。
文档编号A63B22/02GK101288798SQ20081009804
公开日2008年10月22日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者轶 马 申请人:轶 马