一种梯平双工VR全能运动与万向跑步机的制作方法

本发明属于跑步机技术领域，特别涉及一种梯平双工vr全能运动与万向跑步机。

背景技术：

在vr领域中，应用的跑步机有滑动复位万向跑步机及主动复位万向跑步机。

滑动复位万向跑步机，其行走方式不符合人类行走和奔跑的习惯和生理：人类经过千万年进化，形成了两足直立行走的生理运动规律，包括前脚掌触地、后脚掌蹬踏和双足交替变更重心等运动模式，而滑动复位无论行走还是奔跑的运动模式无论怎样进行设计和模拟，都无法达到人类自然行走和奔跑的程度，再加上滑道式跑台的表面是一个凹面，这与人体两足直立和行走已经习惯了的平地的感觉完全不同，从而在虚拟空间中时刻提醒使用者自身在以“不正常”的方式进行运动，容易导致沉浸体验随时“出戏”。

2)缺乏自然的平衡感：正常状态下，视觉是人体最重要的平衡信息反馈渠道，戴上vr眼镜之后，人体与现实空间之间的视觉联系被切断，此时脚底与地面的触觉成为唯一最重要的掌控平衡的信息反馈。而始终处于滑动状态、凹面形状的的地面和装有硬质滚轮的鞋底，无法给予人体正确的与地面接触的信息——人体脚掌有三个主要的触地用力点，脚后跟、大脚趾跟和小脚趾跟与地面形成一个三角支撑的力学结构。而装有硬质滚轮的鞋底破坏了这一个三角支撑的力学结构，从而导致自然平衡感的缺乏。而依靠腰环和吊绳等工具进行外力的平衡，不仅无法代替人体本身通过脚底与地面接触获得的平衡感，而且进一步恶化了人体使用vr眼镜之后通过练习重新获得平衡感的趋势(类似于闭眼单脚平衡训练)。

3)依赖脚底发力的动作严重受限：由于和脚底接触的表面始终是处于滑动状态，缺乏脚掌与地面的摩擦力，而且整个表面是一个凹面，这导致依赖脚底发力的动作严重受限，包括但不仅限于奔跑、跳跃、下蹲、坐下、匍匐等等。

4)然后是上肢因为下肢难以发力、腰环和吊绳的阻挡等原因，导致上肢运动无法做出较大幅度和力度的动作，例如跑步摆臂、上下挥舞、弯腰捡拾、拳打脚踢、投标枪等动作。

主动复位万向跑步机，其机构复杂：需要使用数量很多、尺寸很小的具有主动驱动功能的复位装置(例如滚轮，或跑步带)，从而导致可靠性、实用性、经济性方面均难以施行。

动作有限：目前只能试验性质地提供慢步行走的人机交互功能，无法进行奔跑跳跃等高频率大幅度动作。

平衡性差：主动复位万向跑步机的机械运动与人体运动之间始终存在一个动态同步的问题，任何同步差异都有可能导致使用者失去身体平衡。

因此，当前应用于vr领域的跑步机，不能在现实世界中形成阶梯、崎岖和断续路面，不能实现侧移效果，影响在虚拟空间中的整体感受。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种梯平双工vr全能运动与万向跑步机，可达到实现平面-阶梯两种路面的自适应转换，并能体现真实侧移的运动效果的有益效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种梯平双工vr全能运动与万向跑步机，包括水平旋转结构与纵向运动结构；

所述水平旋转结构包括底座；

所述底座内部底端中心设有承重转盘，处于承重转盘下方的底座部分设有圆弧导轨；所述承重转盘的中心设有导电滑环；所述承重转盘的最外侧底端固定设有齿圈，所述齿圈的底端均匀设有多个导轨滑块，所述导轨滑块安装于圆弧导轨的顶端；所述导轨滑块与齿圈之间固定设有缓冲器；所述底座内部底端处于圆弧导轨内侧安设有回转驱动装置；

所述回转驱动装置包括回转驱动齿轮及电机，回转驱动齿轮与齿圈啮合连接；承重转盘在回转驱动装置驱动下360°回转；

所述纵向运动结构包括多个踏板结构、踏板底座主滚轮导轨、踏板底座副滚轮导轨，两侧为跑步机承重支架；

所述承重转盘的中心通过对称设置的多个跑步机推动装置与跑步机承重支架连接；两个所述跑步机承重支架之间设有驱动轮结构；

所述驱动轮结构包括驱动伺服电机、链条驱动齿轮；所述驱动轮结构通过法兰轴承安装于跑步机承重支架；所述驱动伺服电机与链条驱动齿轮驱动连接；

所述踏板底座主滚轮导轨、踏板底座副滚轮导轨从上至下依次固定安装于跑步机承重支架；

每个所述踏板结构均包括踏板、踏板底座，踏板安装于连接架，连接架的底部设有踏板底座；所述踏板底座的底端固定设有踏板底座支撑架；所述踏板底座支撑架底端设有踏板底座主滚轮、踏板底座副滚轮，并通过底端设有的踏板底座主滚轮安装于踏板底座主滚轮导轨，通过底端设有的踏板底座副滚轮安装于踏板底座副滚轮导轨，形成承重与滚动关系；

多个所述踏板结构之间通过踏板底座两端设有的踏板底座连接销连接，形成闭合；

所述踏板底座主滚轮均设有踏板底座驱动链条连接轴，各个踏板底座驱动链条连接轴的两端安设有踏板底座驱动链条，且链条驱动齿轮的齿探入邻近的两个相邻的踏板底座驱动链条连接轴之间。

作为优选，所述跑步机推动装置的两端分别通过铰链轴与承重转盘、跑步机承重支架连接。

作为优选，所述连接架与踏板底座之间通过两组多个踏板推动装置连接。

作为优选，所述跑步机推动装置采用液压推杆、气动推杆或电动推杆，可使跑步机获得不同姿态：水平、前后倾斜、左右倾斜。

作为优选，所述踏板推动装置采用液压推杆、气动推杆或电动推杆。

作为优选，所述踏板两端设有踏板跑步带滚轮，所述踏板跑步带滚轮设有闭环的环绕踏板的踏板跑步带。

作为优选，所述踏板背离连接架的表面安装有薄膜式压力传感器，薄膜式压力传感器处于踏板跑步带与踏板相对的表面之间；所述踏板靠近连接架的表面安装有数据传输装置、无线充电器、蓄电池；在薄膜式压力传感器的外表面以及踏板跑步带的内表面铺设有低摩擦系数滑膜。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明可实现平面-阶梯两种路面的自适应转换，还可通过调整踏板高度和角度，形成高低不平的行走路面，用于模拟vr世界中的崎岖路面、石墩桥面等非连续路面，并能体现真实侧移的运动效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明图2的a-a局部示意图；

图4为本发明图2的b-b局部示意图；

图5为本发明的踏板底座驱动链条部分的结构示意图；

图6为本发明的侧视图；

图7为本发明的正视图；

图8为本发明的底座部分的内部结构示意图；

图9为本发明应用于上阶梯时的示意图；

图10为本发明应用于下阶梯时的示意图；

图11为本发明应用于凹凸、崎岖、断续路面时的示意图；

图12-13为本发明应用于跌落时的示意图。

图中1-承重转盘，2-跑步机推动装置，3-跑步机承重支架，4-踏板结构，5-踏板推动装置，6-踏板跑步带，7-踏板跑步带滚轮，8-踏板本体，9-踏板底座，10-踏板底座支撑架，11-踏板底座主滚轮，12-踏板底座副滚轮，13-踏板底座连接销，14-踏板底座驱动链条，15-踏板底座驱动链条连接轴，16-踏板底座主滚轮导轨，17-踏板底座副滚轮导轨，18-驱动轮结构，19-底座，20-导轨滑块，21-圆弧导轨，22-导电滑环，23-回转驱动装置，24-链条驱动齿轮，25-法兰轴承，26-齿圈，27-连接架。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明的实施例公开了一种梯平双工vr全能运动与万向跑步机，如图所示，其包括水平旋转结构与纵向运动结构；

水平旋转结构包括底座19；

底座19内部底端中心设有承重转盘1，处于承重转盘1下方的底座19部分设有圆弧导轨21；承重转盘1的中心设有导电滑环22；承重转盘1的最外侧底端固定设有齿圈26，齿圈26的底端均匀设有多个导轨滑块20，导轨滑块20安装于圆弧导轨21的顶端；导轨滑块20与齿圈26之间固定设有缓冲器；底座19内部底端处于圆弧导轨21内侧安设有回转驱动装置23；

回转驱动装置23包括回转驱动齿轮及电机，回转驱动齿轮与齿圈26啮合连接；承重转盘1在回转驱动装置23驱动下360°回转；

纵向运动结构包括多个踏板结构4、踏板底座主滚轮导轨16、踏板底座副滚轮导轨17，两侧为跑步机承重支架3；

承重转盘1的中心通过对称设置的多个跑步机推动装置2与跑步机承重支架3连接；两个跑步机承重支架3之间设有驱动轮结构18；

驱动轮结构18包括驱动伺服电机、链条驱动齿轮24；驱动轮结构18通过法兰轴承25安装于跑步机承重支架3；驱动伺服电机与链条驱动齿轮24驱动连接；

踏板底座主滚轮导轨16、踏板底座副滚轮导轨17从上至下依次固定安装于跑步机承重支架3；

每个踏板结构4均包括踏板8、踏板底座9，踏板8安装于连接架27，连接架27的底部设有踏板底座9；踏板底座9的底端固定设有踏板底座支撑架10；踏板底座支撑架10底端设有踏板底座主滚轮11、踏板底座副滚轮12，并通过底端设有的踏板底座主滚轮11安装于踏板底座主滚轮导轨16，通过底端设有的踏板底座副滚轮12安装于踏板底座副滚轮导轨17，形成承重与滚动关系；

多个踏板结构4之间通过踏板底座9两端设有的踏板底座连接销13连接，形成闭合；

踏板底座主滚轮11均设有踏板底座驱动链条连接轴15，各个踏板底座驱动链条连接轴15的两端安设有踏板底座驱动链条14，且链条驱动齿轮24的齿探入邻近的两个相邻的踏板底座驱动链条连接轴15之间。

本实施例中，跑步机推动装置2的两端分别通过铰链轴与承重转盘1、跑步机承重支架3连接。

本实施例中，连接架27与踏板底座9之间通过两组多个踏板推动装置5连接。

本实施例中，跑步机推动装置2采用液压推杆、气动推杆或电动推杆，可使跑步机获得不同姿态：水平、前后倾斜、左右倾斜。

本实施例中，踏板推动装置5采用液压推杆、气动推杆或电动推杆。

本实施例中，踏板8两端设有踏板跑步带滚轮7，踏板跑步带滚轮7设有闭环的环绕踏板8的踏板跑步带6。

本实施例中，踏板8背离连接架27的表面安装有薄膜式压力传感器，薄膜式压力传感器处于踏板跑步带6与踏板8相对的表面之间；踏板8靠近连接架27的表面安装有数据传输装置、无线充电器、蓄电池；在薄膜式压力传感器的外表面以及踏板跑步带6的内表面铺设有低摩擦系数滑膜。

导电滑环22与跑步机推动装置2电路连接。导电滑环22可以用在任何要求连续旋转的同时，又需要从固定位置到旋转位置传输电源和信号的机电系统中。能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。

水平旋转结构与纵向运动结构均接入外部的控制装置。

回转驱动装置23驱动齿圈26旋转，可带动承重转盘1水平旋转。跑步机推动装置2可分别伸展不同的长度，从而驱动纵向运动结构呈现不同的姿态。踏板结构4的踏板8也在踏板推动装置5的推动下，使踏板结构4呈现不同的姿态。

链条驱动齿轮24驱动踏板底座驱动链条连接轴15移动，从而使踏板底座主滚轮11沿踏板底座主滚轮导轨16、踏板底座副滚轮12沿踏板底座副滚轮导轨17移动。

多块比如12块跑步踏板通过销轴连接，构成一个x轴方向上(绕y轴)滚动回转的跑步履带。其中x轴指代前进的方向，y轴指代左右的方向。人体通过下肢(行走和奔跑运动)或者肘关节膝关节(爬行和匍匐运动)蹬踏跑步踏板带动跑步履带实现x轴方向上的真实运动和相对位移；

每块跑步踏板都覆盖有一条y轴方向(左右方，向绕x轴)上滚动回转的跑步带，由人体脚部左右蹬踏驱动，可以在y轴向上连续滚动回转以实现虚拟空间中的左右侧移，并通过人体运动定位悬臂在y轴上的机械限位实现左右侧移的原地复位，从而获得重要的脚步侧移运动功能；

除了人力蹬踏驱动跑步履带转动之外，跑步履带还可以通过链条传动由伺服电动机进行驱动。在跑步带的下面，踏板的上面铺设有薄膜式压力传感器，可以实时监测人体步态，并按照外接控制装置的信号，自动控制跑步机的伺服电机驱动跑步履带，在x轴上按照与人体运动相适应的速度与方向(前后)运行，以达到降低人体运动消耗、减少人体运动损伤的目的，所以称之为步态自适应梯平双工跑步机；

行走面拥有两种工作状况：平地路面和阶梯路面。通过跑步机推动装置形成0～45°行走坡度，通过踏板推动装置以及机械锁紧装置形成平行于地面的阶梯踏板；

还可通过调整踏板高度和角度，形成高低不平的行走路面，用于模拟vr世界中的崎岖路面、石墩桥面等非连续路面；

通过跑步机推动装置，获得跌落、倾坡、地震等体验功能。

薄膜式压力传感器，采用市场上的rx-m3232l型，实时监测脚步运动；压力传感器矩阵实时采集人体运动施加在踏板上的压力(包括施加压力的人体部位、压力大小、压力点的起止时间、压力点的运动轨迹等信息)，其中可施加压力的人体部位包括脚掌(可细分为脚后跟、大脚趾根、小脚趾跟、脚掌侧缘等几个不同的压力点)、膝关节、手掌、肘关节等等；在人体下肢前后蹬腿或者上肢做匍匐运动的力量带动下，跑步履带被动地向前或向后做直线运动，从而通过压力传感器矩阵向控制系统发出人体运动启动/停止信号；根据脚步运动数据，按照主机系统设定的运行模式，控制驱动伺服电机按照给定的启动停止时间、转动方向和转动频率运转，通过驱动齿轮、驱动链条带动跑步履带板按照与人体运动相适应的方向、速度和时间做直线运动，从而降低人体跑步时的综合能量消耗，防止人体跑步运动损伤；以及同时控制虚拟空间中使用者映射角色的步态与动作。

转向功能说明：经由控制系统控制承重转盘1进行旋转，跟随和匹配使用者的行进方向。

斜坡功能说明：进入斜坡路面模式，跑步机推动装置2带动整个纵向运动结构形成对于(x，y)平面的1～45°的斜坡，用于模拟上坡、下坡、左右斜坡。

阶梯功能说明：在斜坡路面模式下，踏板推动装置5推动踏板结构4前端或后端向上升起，直到踏板8平面平行于(x，y)面也即水平面，形成阶梯，从而获得上行与下行阶梯。

断续路面功能说明：踏板推动装置5推动踏板结构4前端和后端都向上升起，形成高出整个跑步平面的凸起结构，用于模拟断续路面、崎岖路面、桥墩路、跨栏栏杆等路面结构。

运行说明：

1)步幅触发跑步机运行

用户无论向前还是向后运动，压力传感器检测到脚部运动压力、方向和大小之后，驱动伺服电机带动踏板结构4顺应用户步态运行，从而降低用户跑步体能消耗，提高舒适度和游戏使用时间；

用户急停或者猛启动的情况下，使踏板结构4按照最佳缓冲和保护的方式进行运行，降低运动损伤和提高运动健康管理水平；

2)步幅触发回转式跑台转向

脚掌方向斜向运动一个步幅触发跑台转向，直到脚掌方向恢复向前(通过压力传感器矩阵检测脚掌朝向)

3)横移

通过腿部侧蹬发力，带动踏板跑步带6在y轴横向左右运动；由于人体运动定位悬臂提供了大腿根部的发力支撑点，踏板跑步带6下方与踏板8上方之间有低摩擦系数滑膜，使得左右横移既容易发力，需要的力量也小。因此左右横移采用全被动运动与复位的方式进行，综合性能优于其他在y轴方向也需要进行主动驱动与复位的全向跑步机

4)跌落

通过跑步机推动装置2向下拉动纵向运动结构垂直向下10～40厘米，让人体瞬间悬空，然后下路5～30厘米不等距离，从而获得真实的跌落体验。然后可以选择跑步带板接住用户双脚(也可改变身体姿态成水平，实现双手双脚着地)，模拟跌落地面；可选择外接的人体运动定位悬臂承受重量，让整个身体悬空，模拟跳伞运动；由于外接的人体运动定位悬臂的存在，跌落触地的冲击事实上是很轻微的；

5)自动跑

双脚位于跑道后侧，执行向前自动跑步；

双脚位于跑道前侧，执行向后自动跑步。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。应当注意，为了清楚的进行表述，本发明的说明中省略了部分与本发明的保护范围无直接明显的关联但本领域技术人员已知的部件和处理的表述。