万向行走器的控制方法与流程

本发明涉及虚拟现实设备技术领域，特别涉及一种万向行走器的控制方法。

背景技术：

虚拟现实就是虚拟和现实相互结合，从理论上来讲，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。

为了提高用户的沉浸感受，除了给用户戴上vr眼镜模拟周围环境外，一般还会设计一种承托用户的万向跑步机，将真实世界的行走、跑步等动作，变成虚拟空间里的相应运动，并且保证用户朝着任意方向运动时都不会脱离跑步机本体范围以外。这种设备目前极其少见，常见的传统跑步机很难实现任意方向的运动。目前最常见的万向跑步机结构如下：包括一个呈锅状的本体，用户穿上低摩擦力的鞋子或者带有滚轮的鞋子以后，在锅状本体上行走，这样不管用户怎么走，都会滑回锅里。这是目前较好的万向跑步机解决方案，但在实际体验中我们发现，在这种结构的跑步机上行走与在真实地面上行走的感觉很不一样，这种走路方式有点像是上坡时鞋底太滑，结果怎么走都走不动，但是也不会滑下去，行走在这种跑步机上，体验非常差，因此未能得到有效的推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种万向行走器的控制方法，能够为用户提供较为真实的行走体验。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种万向行走器的控制方法，包括踏板、底座、安装台、定位单元以及控制单元；所述的踏板包括用于托撑用户脚部的支撑板和第一驱动单元；底座上方设置有三个和三个以上的踏板，底座内设置有第二驱动单元；安装台用于托撑底座且安装台内设置有第三驱动单元，控制单元按如下步骤进行控制：a、系统初始化：控制单元控制第二驱动单元启动并驱动其中一个踏板运动至底座中间位置，用户双脚站在该踏板上；b、用户伸出某只脚时，根据定位单元监测的用户脚部位置计算出该脚的落脚点；c、控制单元根据该脚的落脚点的方位驱动第一驱动单元和第三驱动单元反向同步动作使得另一个踏板运动至该脚的落脚点所在的方向，然后控制单元驱动第二驱动单元动作使得该踏板沿底座的径向方向运动至该脚的落脚点位置承接用户伸出的这只脚；d、用户缩回另一只脚时，控制单元驱动第二驱动单元动作使得用户缩回的这只脚所踩的踏板沿底座径向向外运动并驱动步骤c中用户伸出的这只脚所在的踏板运动至底座中间位置；e、用户继续将缩回的这只脚伸出时，返回并执行步骤b。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过设置踏板，可以方便的对用户脚部进行支撑，第一驱动单元可以驱动支撑板转动，方便在踏板整体转动时提供反向转动使得用户保持静止，底座和踏板呈独立结构，更容易安装、更换和维修，底座内的第二驱动单元可以控制踏板沿径向方向运动，这样就能在用户行走时将用户的脚部收回至中心位置，从而实现原地行走的功能；通过设置安装台，可以方便放置底座和踏板，定位单元可以实现对用户脚部位置监控，这样控制单元就可以根据用户脚部位置来控制踏板动作，从而实现用户行走时踏板能够及时移动承接用户伸出去的脚，同时能够将用户移动至安装台的中心，方便的实现用户在原地朝任意方向移动，该装置结构简单，该控制方法执行起来非常的方便，响应速度快，大幅提高用户的原地行走体验。

附图说明

图1是万向行走器的结构示意图；

图2是底座和踏板的结构示意图；

图3是图2另一个角度的示意图；

图4是踏板的结构示意图；

图5是支撑座的结构示意图；

图6是底座的结构示意图；

图7是底座的另一个角度结构示意图；

图8是上盖板和第二驱动单元的结构示意图；

图9是底座的剖视图；

图10是安装台结构示意图；

图11是安装台不含转动板的结构示意图；

图12是转动板的结构示意图；

图13是安装台的剖视图；

图14是扶手的结构示意图；

图15是鞋底的结构示意图；

图16是鞋底的爆炸结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图16，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1-3，一种万向行走器的控制方法，包括踏板10、底座20、安装台30、定位单元以及控制单元；所述的踏板10包括用于托撑用户脚部的支撑板11和第一驱动单元；底座20上方设置有三个和三个以上的踏板10，底座20内设置有第二驱动单元23；安装台30用于托撑底座20且安装台30内设置有第三驱动单元，控制单元按如下步骤进行控制：a、系统初始化：控制单元控制第二驱动单元23启动并驱动其中一个踏板10运动至底座20中间位置，用户双脚站在该踏板10上；b、用户伸出某只脚时，根据定位单元监测的用户脚部位置计算出该脚的落脚点；c、控制单元根据该脚的落脚点的方位驱动第一驱动单元和第三驱动单元反向同步动作使得另一个踏板运动至该脚的落脚点所在的方向，然后控制单元驱动第二驱动单元23动作使得该踏板10沿底座的径向方向运动至该脚的落脚点位置承接用户伸出的这只脚；d、用户缩回另一只脚时，控制单元驱动第二驱动单元23动作使得用户缩回的这只脚所踩的踏板10沿底座径向向外运动并驱动步骤c中用户伸出的这只脚所在的踏板10运动至底座中间位置；e、用户继续将缩回的这只脚伸出时，返回并执行步骤b。

通过设置踏板10，可以方便的对用户脚部进行支撑，第一驱动单元可以驱动支撑板11转动，方便在踏板10整体转动时提供反向转动使得用户保持静止，底座20和踏板10呈独立结构，更容易安装、更换和维修，底座20内的第二驱动单元23可以控制踏板10沿径向方向运动，这样就能在用户行走时将用户的脚部收回至中心位置，从而实现原地行走的功能。通过设置安装台30，可以方便放置底座20和踏板10，定位单元可以实现对用户脚部位置监控，这样控制单元就可以根据用户脚部位置来控制踏板10动作，从而实现用户行走时踏板10能够及时移动承接用户伸出去的脚，同时能够将用户移动至安装台30的中心，方便的实现用户在原地朝任意方向移动，该装置结构简单，控制起来非常的方便，响应速度快，大幅提高用户的原地行走体验。

下面通过对用户的左右脚进行举例详细说明上述控制过程。首先控制其中一个踏板10运行至底座20的中心，用户双脚都站在该踏板10上；当用户行走伸出左脚时，控制另一个踏板10运动至左脚的落脚点，这样左脚踩下时可以落到该踏板10上；用户继续行走会先收回右脚，右脚一旦被收回，之前承托右脚的踏板10会从底座20中心运动至外侧，并且控制左脚踩下的踏板10运动至底座20的中心，这个动作要在用户收回右脚的过程中执行；用户持续行走会继续将右脚伸出去，这个时候重复控制其他踏板10承接右脚即可，如此反复，即可实现用户的原地行走。由于这里是通过踏板10承接伸出的脚，所以可以是朝向任何方向行走。

参阅图4和图5，踏板10的结构有很多种，本发明中优选地，所述的踏板10包括支撑座12和第一电机14，支撑座12整体呈方形且其上设置有第一通孔121用于安装第一电机14，第一通孔121的轴芯沿竖直方向布置；支撑座12的顶面上设置有多个第一半球形孔洞122用于容纳滚珠60，多个第一半球形孔洞122的中心位于同一圆周上且该圆周的中心线与第一电机14的轴芯重合；支撑板11为圆形板，第一电机14的轴与支撑板11的圆心固定连接，支撑板11下侧板面上设置有第一环形凹槽111与滚珠60构成滚动配合；第一电机14即构成第一驱动单元。通过在支撑座12上设置第一半球形孔洞122，里面放上滚珠60，然后支撑板11放在滚珠60上且支撑板11下方的第一环形凹槽111正好位于滚珠60上，这样设置以后，支撑板11可以在托撑用户的时候依然能更灵活的转动，滚珠60可以根据需要设置多个，只要能够稳定的托撑支撑板11即可；第一电机14的轴和支撑板11固定在一起，同时第一电机14固定在第一通孔121处，这样就实现支撑板11和支撑座12的固定。

参阅图6-图9，底座20的结构有很多种，本发明中优选地，所述的底座20包括圆形的上盖板21和下盖板22，上盖板21的边缘朝下设置有第一翻边211，下盖板22固定在第一翻边211上；上盖板21的板面上设置有多个条形孔212，条形孔212的长度方向沿上盖板21的径向方向布置，多个条形孔212沿圆周方向均匀间隔布置，条形孔212的下方设置有滑杆213；支撑座12位于第一通孔121旁侧的下方朝下设置有凸起且该凸起上设置有供滑杆213穿过的第二通孔123；将踏板10装在条形孔212处，踏板10上的第二通孔123和滑杆213构成滑动配合，滑杆213和条形孔212平行，这样踏板10就可以顺延条形孔212长度方向自由滑移。

第二驱动单元23结构有很多，只需要设置在底座20中能够驱动踏板10动作即可。本发明中具体地，位于条形孔212旁侧的上盖板21下侧板面上设置有第二电机231、皮带轴232以及皮带233，皮带233张紧在两个皮带轴232之间，第二电机231的输出轴固定连接其中一个皮带轴232，第二电机231的轴芯方向、条形孔212的长度方向、上盖板21的轴芯方向三者两两垂直；踏板10的支撑座12下方设置有固定条124，固定条124和皮带233上均设开设有安装孔且两者通过螺栓固定；第二电机231、皮带轴232、皮带233即构成第二驱动单元23。这里通过皮带233带动踏板10沿条形孔212长度方向运动，其响应速度很快，并且速度非常均匀。每个踏板10旁侧旁侧而设置一组第二驱动单元23，就能实现每个踏板10的独立控制了。

参阅图10-图13，安装台30的结构多样，这里优选地，所述的安装台30包括圆盘状本体31，本体31上设置有第二沉孔311，第二沉孔311内设置有台阶312且台阶面上设置有第三半球形孔洞313用于容纳滚珠60，第二沉孔311的孔口处设置有转动板32且转动板32的下侧板面上设置有第二环形凹槽321用于和滚珠60构成滚动配合；同样地，这里在转动板32和安装台30的台阶面之间滚珠60，可以在托撑用户时依然能够保证转动板32的灵活转动，减小摩擦力。转动板32下侧板面位于第二环形凹槽321内还设置有齿轮，安装台30的本体31内设置有第四电机34，第四电机34的输出轴上固定有齿轮并与转动板32上的齿轮相啮合，第四电机34即构成第三驱动单元。第四电机34通过齿轮驱动转动板32转动，实现起来非常方便，这里只是结构示意，实际使用中，可能还需要在第四电机34的输出轴上设置齿轮组，以方便提供合适的驱动力驱动转动板32转动。

为了方便底座20与安装台30的的连接，这里优选地，所述上盖板21下侧板面中心位置处设置有凸柱214，凸柱214和上盖板21同芯布置，下盖板22中心位置处设置有第三通孔221供凸柱214伸出，凸柱214上固定安装有气电滑环24，第一电机14和第二电机231与气电滑环24相连。气电滑环24是非常成熟的产品，它主要用在两个相对转动的部件处，避免两者之间的导线或气管缠绕，这里的底座20需要安装在安装台30上，同时底座20会相对于安装台30转动，由于底座20中的第一电机14和第二电机231需要连接电源和接收控制信号，因此会引出导线，这里设置气电滑环24可以避免底座20转动时导线缠绕。

进一步地，所述的步骤a中，按如下步骤进行系统初始化：a1、以底座20中心为原点在水平面内建立二维坐标系，控制单元控制第四电机34动作驱动底座20复位至初始位置，这里说的初始位置，就是底座20每次启动时处在同一个角度，这样在建立坐标系的时候，可以以此角度为0°；a2、控制单元控制每个踏板10旁侧的第二电机231动作，驱动所有踏板10沿底座20径向向外运动至最外侧，记录每个踏板10中心点的极坐标(r,θi)，这里的r即踏板10运行至最外侧时踏板10中心和底座20中心的距离，所有踏板10都运行至最外侧，它们的极坐标中极径都会是r；由于上一步骤中已经将底座20复位，我们一般令一个踏板10处在0°位置，这样其他踏板10的极角就可以方便的计算得知；在有四个踏板10的情况下，每个踏板10之间的夹角为90°，那么这四个踏板10的极坐标分别是(r,0)、(r,π/2)、(r,π)、(r,3π/2)。a3、控制单元控制其中一个踏板10旁侧的第二电机231动作，驱动该踏板10沿底座20径向向内运动至该踏板10的支撑板11和底座20中心重合并将该踏板10的中心点坐标修改为(0,0)，一般会控制处于0°的踏板10动作，该踏板10的原坐标是(r,0)。用户双脚站在该踏板10上；所述的步骤b中，定位单元计算出的落脚点的坐标为(rf,θf)。这里之所以采用极坐标，是为了减少计算量，提高控制响应速度。

进一步地，所述的步骤c中，按如下步骤承接用户伸出的脚：c11、控制单元计算所有外侧踏板10和落脚点之间的夹角|θf-θi|，选取夹角最小的踏板10，之所以选择夹角最小的踏板10，是为了减少踏板10的运动行程；比如，用户向右前方伸出右脚，此时应该让用户右侧的踏板10去承接，当用户向左前方伸出左脚时，应该让用户左侧的踏板10去承接；c12、控制单元控制第四电机34动作，驱动底座10转动(θf-θi)的夹角；同时控制单元控制步骤c11中所选取的踏板10上的第一电机14转动，第一电机14和第四电机34的转速和转向保证支撑板11和底座20按相同角速度、反向转动，这样可以保证控制踏板10承接用户伸出的脚时，用户的另一只脚所踩的踏板10能维持在中心位置不动；c13、控制单元控制步骤c11中所选取的踏板10旁的第二电机231转动，使得该踏板10的坐标变为(rf,θf)用于承接用户伸出的这只脚，由于之前让踏板10都运动至最外侧，用户的步长可能没有这么大，因此还需要通过第二电机231控制踏板10向内运动至落脚点位置。需要注意的是，这里的步骤c12和c13可以同步进行，即可以一次性将踏板10运动至落脚点。

进一步地，所述的步骤d中，包括如下步骤：用户缩回另一只脚时，控制单元控制坐标为(0,0)的踏板10旁的第二电机231转动，使得该踏板10沿底座20径向向外运动至最外侧；同时控制单元控制步骤c11中所选取的踏板10旁侧的第二电机231转动，使得该踏板10沿底座20径向向内运动至该踏板10的支撑板11和底座20中心重合并将该踏板10的中心点坐标修改为(0,0)。这里在用户缩回脚的时候，将该踏板10运动至底座20外侧，这样就能给另一脚所踩的踏板10腾出位置，这个运动至外侧的踏板10还可以在下一次继续承接用户伸出去的脚，如此反复。在以上控制过程中，第二电机231和第四电机34每次运动时，都会导致踏板10的坐标发生变化，可以根据电机的转角来调整坐标，也可以根据踏板10运动的位置来直接定义其坐标。

让踏板10运动至底座20的外侧，在承接用户脚部的时候还需要让踏板10向内运动，这样增加了控制步骤，本发明优选地，所述的控制单元中保存有步数n和用户步长l；步数n初始值为0，每执行一次步骤b，n的值加1；步骤d中，控制单元控制坐标为(0,0)的踏板10旁的第二电机231转动，使得该踏板10沿底座20径向向外运动距离l；步长l按如下步骤计算得到：

其中rf_k是第k步落脚点对应的极径rf。这里的步骤可以理解为，步骤d中，当用户缩回脚的时候，我们让中心处的踏板10向外运动用户步长那么多距离，这样下一次这个踏板10承接用户伸出的脚时，只需要转动至合适位置即可，沿底座20径向的位置无需调节。为了保证步长的准确性，初始状态下，就取第一次测量的落脚点极径；后面在取前面多次落脚点极径的平均值；当步数较多时，可以仅取前10步的极径平均值。

参阅图1、图15和图16，定位单元的结构有很多种，较为常见的是通过超声波来进行用户脚部的定位，不过这种方式定位精度较低、成本高且计算起来速度较慢。本发明中优选地，所述的定位单元包括鞋底50和摄像头70；鞋底50上设置有条形凹槽51，条形凹槽51中设置有弹片52，弹片52的一端插置在条型凹槽51一端设置的插孔511中，弹片52的另一端呈悬伸状并设置有led灯珠521，led灯珠521位置处的条形凹槽51槽底固定设置有按压式常闭开关512，led灯珠521的正极通过按压式常闭开关512连接电源正极，led灯珠521的负极直接连接电源负极，条型凹槽51的槽口处设置有盖板53，弹片52在正常状态下led灯珠521自盖板53上开设的孔洞中伸出，用户踩下时led灯珠521克服弹片52的弹性作用力缩回条形凹槽51中并打开按压式常闭开关512断开电源和led灯珠521的连接。这样设置以后，当用户踩在踏板10上的时候，led灯珠521就会缩进条形凹槽51中，并激活按压式常闭开关，控制电源和led灯珠521之间断开，从而熄灭led灯珠521；当用户抬脚时，led灯珠521就会在弹片52的作用力下弹出，从盖板53上的孔洞中伸出，并且此时松开按压式常闭开关512，电源和led灯珠521就会导通，从而点亮led灯珠521。led灯珠521的位置可以设置在鞋底50的中间部位，这样计算得到的led灯珠521位置就就相当于用户脚部位置。这里之所以设置led灯珠521，是因为摄像头70拍摄的图像中，直接识别用户脚部会比较困难，但是识别图像中的一个光点则非常容易，并且，这里的led灯珠521可以设置成想要的颜色，甚至左脚和右脚下的led灯珠521的发光颜色不同，以利于识别出左脚或右脚。

具体地，摄像头70固定在安装台30的套筒331上，控制单元按如下步骤计算用户脚部位置：s1、通过摄像头70拍摄用户脚部图像，其中摄像头70设置有两个或两个以上，摄像头70的光轴方向位于用户的行走平面内且各摄像头70的光轴之间具有夹角，摄像头70的拍摄频率大于10次/秒；s2、控制单元根据每个摄像头70拍摄的图像分别拟合用户脚部运动曲线；s3、控制单元根据曲线方程计算出用于脚部在行走平面内落点与该摄像头70的光轴夹角；s4、控制单元根据所有摄像头70的光轴夹角以及摄像头70的位置信息计算得到用户脚部位置。通过设置两个及以上的摄像头70，从不同的角度拍摄用户脚部图像，然后计算出每个摄像头70中脚部位置，这里不计算脚部的具体位置，而是计算其与摄像头70光轴之间的夹角；摄像头70在设置的时候，其光轴已经得以确定，我们根据摄像头70的光轴以及落脚点和光轴的夹角就可以绘制出落脚点和摄像头70之间的连线，两条以上的连线就会有交点且该交点就是落脚点位置，这种方式求解过程很简单，需要处理的数据也非常少。

进一步地，所述的步骤s2中，按如下步骤拟合脚部运动曲线：s21、建立二维坐标系，二维坐标系的y轴沿竖直方向布置且x轴位于行走平面内，x轴、y轴以及摄像头70的光轴三者两两垂直且三者交点为坐标系原点；s22、控制单元识别所拍摄用户脚部图像中的led灯珠521位置得到该图像中脚部坐标；s23、控制单元根据计算得到的坐标拟合抛物线方程得到脚部运动曲线。用户在行走时，抬脚到落脚的过程中，其脚部所划过的轮廓类似于抛物线，这里根据脚部位置拟合抛物线方程，可以减少计算量。得到脚部运动曲线后，我们就可以通过计算抛物线和x轴的交点来得到落脚点位置信息，非常方便。

进一步地，所述的步骤s3中，按如下步骤计算脚部落点与摄像头70的光轴夹角：s31、计算步骤s23中抛物线与x轴两个交点的横坐标；s32、根据以下公式计算光轴夹角：θ＝tan^-1(x/l)，式中x是步骤s31中与原点最近的那个交点的横坐标，l是摄像头70与底座20中心之间的距离，这里l的距离都是事先设定好的，x是在步骤s2中计算得到的，因而可以直接根据公式计算得到夹角。

根据夹角计算落脚点位置的方法有很多，本发明中优选地，所述的步骤s4中，按如下步骤计算用户脚部位置：s41、以底座20中心为原点、以行走平面为二维平面、以任一个摄像头70所在方位为x轴建立二维坐标系；s42、根据摄像头70与底座20中心之间的距离以及方位得到各摄像头70的坐标(l,0)、(0,l)、(-l,0)、(0,-l)，由于摄像头70的位置是固定的，所以其坐标也是固定的，可以预先设定好；s43、根据坐标(l,0)处摄像头70的光轴夹角θ1求得第一直线方程：(y-0)＝tan(π-θ1)·(x-l)；根据坐标(0,l)处摄像头70的光轴夹角θ2求得第二直线方程：(y-l)＝tan(π/2-θ2)·(x-0)；根据坐标(-l,0)处摄像头70的光轴夹角θ3求得第三直线方程：(y-0)＝tan(-θ3)·(x+l)；根据坐标(0,-l)处摄像头70的光轴夹角θ3求得第四直线方程：(y+l)＝tan(π/2-θ4)·(x-0)；这里的第一直线实际上就是坐标为(l,0)的摄像头70和落脚点的连线，同理，其他直线也分别对应其他摄像头70和落脚点的连线。s44、根据第一直线、第二直线、第三直线以及第四直线的方程求解这四条直线的所有交点坐标，理论上来说，这些交点应该是重合的，就是落脚点位置，但实际上由于拍摄、测量和计算的缘故，会产生一定的误差，所以这些交点不一定重合在一起，而是有少许偏差；s45、求解包含所有交点的最小外接圆，并将该圆的圆心坐标转换成极坐标后作为落脚点的极坐标输出，这里通过拟合最小外接圆，将所有的交点包括进去，从而得到较为准确的落脚点位置，并且为了方便后续计算，将圆心的坐标转换成极坐标后输出即可。

参阅图14，进一步地，该万向行走器包括扶手40，扶手40包括第一c型环41、第二c型环42、第三c型环43以及连接部44；所述安装台30的本体31周边向外延伸有凸台33，凸台33上设置有套筒331；第一c型环41截面呈方形，第一c型环41的下方设置有立柱411，立柱411和套筒331构成上下滑移配合且两者通过螺栓锁紧；第二c型环42环绕在用户腰部并通过连接部44固定在第一c型环41上，第一c型环41和第二c型环42的开口方向一致；第二c型环42为中空管状且其管壁上开设有细槽421，第三c型环43位于第二c型环42中且第三c型环43可绕第二c型环42的轴芯转动，第三c型环43上设置有便于拨动的凸块431从细槽421中伸出。在用户腰部位置设置第二c型环42，可以有效的防止用户行走时身体发生大幅度移动，避免用户在行走时摔倒；第一c型环主要用于固定立柱411和连接部44；立柱411和套筒331的设置，可以实现第二c型环42的上下位置调节，以便适应不同身高的用户，用户第一次使用时，可以站上去，由其他人调节立柱411的位置，调节完成后通过螺栓或销钉锁紧；第一c型环41和第二c型环42开口方向一致，这样用户就可以从这个开口方向进入到第二c型环42中；当用户进入以后，通过拨动凸块431，就可以拨动第三c型环43在第二c型环42中转动，从而封闭第二c型环42的开口，这样第二c型环42和第三c型环43就形成一个封闭的圆环让对用户实施保护；第二c型环42上细槽421的设置，可以提供对凸块431的避让。