一种适用于地形模拟的全向运动设备及其地形模拟方法与流程

[0001]
本发明涉及体育锻炼、体操、游泳、爬山或击剑用的器械；球类；训练器械的技术领域，特别涉及一种适用于地形模拟的全向运动设备及其地形模拟方法。


背景技术：

[0002]
现今社会的休闲娱乐业快速发展，网络游戏更是得到用户的喜爱和推广，众多的虚拟现实环境的终端模拟器也应运而生，满足用户对于更强烈的操控感和沉浸感的需求。基于虚拟现实(vr)技术产生的全向运动设备即是一种可以满足使用者全向行动的需求的设备，其使得使用者在有限空间里实现在虚拟现实中的无限行走，如奔跑、旋转、跳跃、下蹲、左右躲闪等动作。
[0003]
然而现有技术中，基于虚拟现实技术的全向运动设备除了需要配置专门的运动空间外，还需要配置大量的信号收发装置，包括输出设备等，这导致设备的整合性不佳，存在着安全隐患；而现有的全向运动设备对于坡度的调节上只能通过跑盘的外形来完成，调节范围十分有限，无法做到地形模拟，使用者在使用过程中沉浸感不佳，使用效果无法达到预期。


技术实现要素：

[0004]
本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的适用于地形模拟的全向运动设备及其地形模拟方法。
[0005]
本发明所采用的技术方案是，一种适用于地形模拟的全向运动设备，所述设备包括：
[0006]
一支架体，用于设备的定位、设备内零部件的设置；
[0007]
一运动支撑盘，与支架体同轴配合设置，用于运动支撑；
[0008]
一坡度调节组件，分别与支架体和运动支撑盘配合，用于实现运动时的坡度调节；
[0009]
一运动适配单元，设于支架体顶部，用于配合完成全向运动的动作；
[0010]
一腰环，设于运动适配单元下部，用于与人体适配；
[0011]
所述坡度调节组件、运动适配单元连接至控制器。
[0012]
优选地，所述支架体包括与运动支撑盘同轴对应设置的底支撑架和顶支撑架，所述底支撑架和顶支撑架的边缘间对应设有至少3个立柱；所述支架体的底支撑架外缘、立柱两侧及顶支撑架顶部设有若干线槽。
[0013]
优选地，所述运动支撑盘包括与坡度调节组件配合的支撑盘；
[0014]
所述支撑盘包括轴座，所述轴座外放射状设有若干第一支撑杆，相邻的一组或多组第一支撑杆间设有加强杆，任一加强杆背向轴座的一侧朝外连接有第二支撑杆的一端，所述第二支撑杆的另一端向上设有支柱，所有的所述支柱的顶部架设有限位圈
[0015]
所述限位圈内配合设有跑盘。
[0016]
优选地，所述第一支撑杆和跑盘间设有弹性支撑件。
[0017]
优选地，所述坡度调节组件包括一端与对应任一立柱的第一支撑杆的外端部连接的连杆，连杆的另一端设有连接套，所述连接套朝上设有第一转动轴，所述第一转动轴外铰接有电动推拉机构的输出端；任一所述电动推拉机构与对应的立柱配合设置；所述电动推拉机构与控制器配合设置。
[0018]
优选地，所述运动适配单元包括背杆，所述背杆顶部设有第二转动轴，所述第二转动轴外套设有第一齿轮，所述第一齿轮啮合有第二齿轮，所述第二齿轮套设于绝对值编码器外侧，所述绝对值编码器设于支架体顶部，所述绝对值编码器与控制器配合设置；
[0019]
所述背杆后部设有滑轨，配合所述滑轨设有滑块，配合所述滑块设有辅助翅片，背杆两侧的辅助翅片和滑块间分别配合设有辅助杆，所述辅助杆配合腰环设置。
[0020]
优选地，所述辅助杆配合可调设有基座，所述基座的前端设有转轴，所述转轴外铰接设有腰环座，所述腰环座设于腰环背侧。
[0021]
优选地，所述支架体上配合设有一个或多个显示屏，所述显示屏与控制器配合设置。
[0022]
优选地，配合所述支架体设有若干伸缩调节杆，所述伸缩调节杆顶部设有基站，所述基站与控制器配合设置；所述支架体底部设有支撑件，所述伸缩调节杆的底部设有插板，所述插板设于支架体底部的空间中。
[0023]
一种适用于地形模拟的全向运动设备的地形模拟方法，所述地形模拟包括高频垂直运动模拟、高频水平运动模拟、单次升降运动模拟、上坡运动模拟、下坡运动模拟及地形角度模拟；
[0024]
所述地形角度模拟包括以下步骤：
[0025]
步骤1：获得地形角度模拟指令，获取当前内容中使用者所在位置的地形的欧拉角；
[0026]
步骤2：根据预设规定将角度等比例缩放，将缩放后的角度置为3
×
3旋转矩阵a，
[0027]
步骤3：对任一一个坡度调节组件的电动推拉机构，其与运动支撑盘的连接点坐标为q，则当前坡度调节组件的电动推拉机构的目标坐标为(q.x
’
,q.y
’
,q.z
’
)，其中，q.x
’
＝q.x*m
11
+q.y*m
12
+q.z*m
13
，q.y
’
＝q.x*m
21
+q.y*m
22
+q.z*m
23
，q.x
’
＝q.x*m
31
+q.y*m
32
+q.z*m
33
；
[0028]
步骤4：定义l_q为任一轴电动推拉机构的顶点需要到达目标点位置的总长，l_n为此轴电动推拉机构在初始位置时的总长，l_e为电动推拉机构不活动部分的长度，以o点为运动支撑盘的中心点，r为运动支撑盘半径，则
[0029]
l_q＝sqrt((l_n-q.z
’
)*(l_n-q.z
’
)+(r-sqrt(q.x
’
*q.x
’
+q.y
’
*q.y
’
))*(r-sqrt(q.x
’
*q.x
’
+q.y
’
*q.y
’
)))；得到电动推拉机构的行程为l_e+l_q-l_n；
[0030]
步骤5：若计算得到的行程超过电动推拉机构的机械限制行程，则同时缩放三轴的行程，缩放比例为机械限制行程与三轴最大行程和三轴最小行程的差的比值，进行下一步，否则，直接进行下一步；
[0031]
步骤6：基于计算的行程调节电动推拉机构，完成地形角度模拟。
[0032]
本发明涉及一种优化的适用于地形模拟的全向运动设备及其地形模拟方法，通过设置用于设备的定位、设备内零部件的设置的支架体作为整体设备的整合，以用于运动支撑的运动支撑盘与支架体同轴配合设置，以用于实现运动时的坡度调节的坡度调节组件分别与支架体和运动支撑盘配合，以用于配合完成全向运动的动作的运动适配单元设置在支架体顶部并垂下，以腰环与人体适配；并最终以控制器控制坡度调节组件和运动适配单元的协同作业。
[0033]
本发明以支架体对基于虚拟现实技术的全向运动设备进行集成，运动的安全系数提升，以支架体与运动支撑盘间的坡度调节组件完成全向运动过程中的坡度模拟，配合运动适配单元使得使用者获得更好的沉浸体验；整机结构简单，组件均可批量化、标准化生产，成本可控。
附图说明
[0034]
图1为本发明的立体图结构示意图；
[0035]
图2为图1去除跑盘后的结构示意图；
[0036]
图3为本发明的主视图结构示意图；
[0037]
图4为图3的a-a剖视图；
[0038]
图5为本发明的运动适配单元与背杆配合的侧视图；
[0039]
图6为本发明的运动适配单元与背杆配合的后视图。
具体实施方式
[0040]
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
[0041]
本发明涉及一种适用于地形模拟的全向运动设备，所述设备通过设置用于设备的定位、设备内零部件的设置的支架体作为整体设备的整合，以用于运动支撑的运动支撑盘与支架体同轴配合设置，以用于实现运动时的坡度调节的坡度调节组件分别与支架体和运动支撑盘配合，以用于配合完成全向运动的动作的运动适配单元设置在支架体顶部并垂下，以腰环1与人体适配；并最终以控制器控制坡度调节组件和运动适配单元的协同作业。
[0042]
一支架体，用于设备的定位、设备内零部件的设置；
[0043]
所述支架体包括与运动支撑盘同轴对应设置的底支撑架2和顶支撑架3，所述底支撑架2和顶支撑架3的边缘间对应设有至少3个立柱4。
[0044]
所述支架体上配合设有一个或多个显示屏5，所述显示屏5与控制器配合设置。
[0045]
配合所述支架体设有若干伸缩调节杆6，所述伸缩调节杆6顶部设有基站7，所述基站7与控制器配合设置；所述支架体底部设有支撑件8，所述伸缩调节杆6的底部设有插板9，所述插板9设于支架体底部的空间中。
[0046]
所述支架体的底支撑架2外缘及立柱4两侧及顶支撑架3顶部设有若干线槽10。
[0047]
本发明中，以支架体作为整体设备的集合，包括底支撑架2、顶支撑架3及其间边缘的立柱4；底支撑架2和顶支撑架3都可以设置为面结构，当然也可以设置为多个柱体拼成的支撑面，节约成本的同时可以兼顾散热和稳定性，特别是顶支撑架3，可以直接为3个与立柱4顶部连接的横杆；3个立柱4一般均匀分布在支架体外，便于设置、防错。
[0048]
本发明中，对应一个立柱4的顶部可以设置显示屏5，便于互动体验，此立柱4后还可以设置控制柜11等，为不常用柱；对应另外两个立柱4的侧部可以设置伸缩调节杆6，并在伸缩调节杆6的顶部设置基站7，用于获得头戴显示器的定位数据，其与设备既相关又独立，保证了其获得的定位数据的准确和可靠。
[0049]
本发明中，为了进一步增加散热的效果、便于整机的移动，可以在支架体底部设置可调的支撑件8，一般来说还有万向轮12，当运输到指定位置后，支撑件8伸出、抵住地面，此时支架体底部与地面留有间隙，即可以用于设置伸缩调节杆6的底部的插板9，不影响整体的集成度。
[0050]
本发明中，在这种结构的情况下，可以利用立柱4的侧部、底支撑架2的边缘及顶支撑架3顶部进行线槽10的设置，以线槽10便于走线，便于后期的维护及使用者的安全，当然，线槽10的位置可以基于实际需求进行调整，且设置的位置不限于立柱4的侧部、底支撑架2的边缘及顶支撑架3顶部。
[0051]
一运动支撑盘，与支架体同轴配合设置，用于运动支撑；
[0052]
所述运动支撑盘包括与坡度调节组件配合的支撑盘13；
[0053]
所述支撑盘13包括轴座14，所述轴座14外放射状设有若干第一支撑杆15，相邻的一组或多组第一支撑杆15间设有加强杆16，任一加强杆16背向轴座14的一侧朝外连接有第二支撑杆17的一端，所述第二支撑杆17的另一端向上设有支柱18，所有的所述支柱18的顶部架设有限位圈19；
[0054]
所述限位圈19内配合设有跑盘20。
[0055]
所述第一支撑杆15和跑盘20间设有弹性支撑件21。
[0056]
本发明中，运动支撑盘包括了支撑盘13和跑盘20，其中，跑盘20直接与使用者配合，而支撑盘13则与坡度调节组件进行协同，完成使用者的坡度体验。
[0057]
本发明中，以轴座14作为运动支撑盘的中心支点，放射设置第一支撑杆15，并以加强杆16进行固定，以第二支撑杆17扩展运动支撑盘的面积，进而通过支柱18设置限位圈19，保证跑盘20的位置始终在限位圈19内，以弹性支撑件21保证跑盘20与支撑盘13间的大致间距。
[0058]
本发明中，为了对设备整体轻量化处理，可以有选择性地在1组或多组相邻的第一支撑杆15间设置加强杆16，在这种情况下，加强杆16朝外设置第二支撑杆17，但没有加强杆16的对应的2个第一支撑杆15间也应当设置加强杆16，其通过支柱18和限位圈19进行定位，同样起到增加强度的作用。
[0059]
一坡度调节组件，分别与支架体和运动支撑盘配合，用于实现运动时的坡度调节；
[0060]
所述坡度调节组件包括一端与对应任一立柱4的第一支撑杆15的外端部连接的连杆22，连杆22的另一端设有连接套23，所述连接套23朝上设有第一转动轴24，所述第一转动轴24外铰接有电动推拉机构25的输出端；任一所述电动推拉机构25与对应的立柱4配合设置；所述电动推拉机构25与控制器配合设置。
[0061]
所述坡度调节组件连接至控制器。
[0062]
本发明中，使用者在腿部的动作依靠坡度调节组件进行模拟。
[0063]
本发明中，当需要模拟坡度变化时，控制器控制对应侧的电动推拉机构25工作，电动推拉机构25的输出端上下运动，顺次带动第一转动轴24、连接套23、连杆22的对应端上下
运动，进而连杆22带动第一支撑杆15上下，运动支撑盘对应当前电动推拉机构25所处立柱4的一侧上下运动。
[0064]
本发明中，为了保证连杆22和第一支撑杆15间的适配性，一般通过固定座38将两者以螺栓连接，也进一步增加了使用者的沉浸感。
[0065]
本发明中，可以通过调节每个电动推拉机构25的输出端的运动模拟不同的坡度变化，包括缓坡、陡坡、横向的斜坡等。
[0066]
一运动适配单元，设于支架体顶部，用于配合完成全向运动的动作；
[0067]
一腰环1，设于运动适配单元下部，用于与人体适配；
[0068]
所述运动适配单元包括背杆26，所述背杆26顶部设有第二转动轴27，所述第二转动轴27外套设有第一齿轮28，所述第一齿轮28啮合有第二齿轮29，所述第二齿轮29套设于绝对值编码器30外侧，所述绝对值编码器30设于支架体顶部，所述绝对值编码器30与控制器配合设置；
[0069]
所述背杆26后部设有滑轨31，配合所述滑轨31设有滑块32，配合所述滑块32设有辅助翅片33，背杆26两侧的辅助翅片33和滑块32间分别配合设有辅助杆34，所述辅助杆34配合腰环1设置。
[0070]
所述辅助杆34配合可调设有基座35，所述基座35的前端设有转轴36，所述转轴36外铰接设有腰环座37，所述腰环座37设于腰环1背侧。
[0071]
所述运动适配单元连接至控制器。
[0072]
本发明中，使用者上身部分的控制依托运动适配单元进行配合。
[0073]
本发明中，运动适配单元协助使用者完成旋转、上下运动和俯身的动作；使用者在进行运动，特别是绕y轴的运动中，带动第二转动轴27转动，进而第一齿轮28、第二齿轮29顺次转动，可以使得绝对值编码器30获得角度变化量，执行角度判断及反馈；而使用者可以通过腰环1进行施力上下运动，在上下运动时，滑块32在滑轨31上上下运动，并以辅助翅片33和滑块32间配合设置辅助杆34，保证整体滑动部件不松脱且具有一定的强度；在辅助杆34内侧，一般为下部，设置基座35，可以通过腰环座37和转轴36间的配合完成前俯动作。
[0074]
本发明中，一般来说，滑轨31顶部和底部设置有限位部件，滑块32亦可以单独配置与控制器对接的传感设备，前者用于保证运动的安全，后者用于跟踪运动的状态。
[0075]
本发明还涉及一种适用于地形模拟的全向运动设备的地形模拟方法，所述地形模拟包括高频垂直运动模拟、高频水平运动模拟、单次升降运动模拟、上坡运动模拟、下坡运动模拟及地形角度模拟；
[0076]
本发明中，高频垂直运动模拟和高频水平运动模拟是指震动模拟和晃动模拟；在收到震动模拟的指令后，给三轴(三个立柱4处)的电动推拉机构25发送正弦波曲线的数据，让三轴的电动推拉机构25以正弦方式运动，该正弦波频率高，振幅低，可达到运动支撑盘震动的效果；而在收到晃动模拟的指令后，基于晃动的等级执行命令，如，将晃动等级分为3级至0级，其中，0级为没有晃动、3级为晃动最大，由后台在高度范围内生成3个随机数，则控制器控制三轴的电动推拉机构25在t时间内分别到达3个指定位置即可，晃动等级越高，高度越大，时间越短，反之高度越小、时间越长，从而达到模拟晃动的效果。
[0077]
本发明中，单次升降运动模拟包括骤降和骤升的指令；收到骤降的指令后，控制三个电动推拉机构25在短时间内同时向下大幅度运动，达到骤降的效果，在达到最低位置后，
一般需要自动再运行缓慢复位指令；而收到骤升的指令后，控制三个电动推拉机构25在短时间内同时向上大幅度运动，达到骤升效果，在达到最高位置后，内存管理自动再运行缓慢复位指令；“短时间”的具体执行时间可以通过控制器进行调节。
[0078]
本发明中，缓慢复位指令是指在收到该指令后，控制三个电动推拉机构25在一定时间内，如3秒内回归初始位置。
[0079]
本发明中，上坡运动模拟和下坡运动模拟是类似于电梯模式的指令，举例来说，设置5层，包括-2、-1、0、1、2层，层数实际代表三轴电动推拉机构25的位置，以0层代表初始位置，实现方向与骤降/骤升相似，但是在达到最高/最低位置时，不自动运行缓慢复位，如果未在0层的状态下再发送其他指令，则自动运行缓慢复位指令，在回到初始位置后再执行发送的指令。
[0080]
所述地形角度模拟包括以下步骤：
[0081]
步骤1：获得地形角度模拟指令，获取当前内容中使用者所在位置的地形的欧拉角；
[0082]
步骤2：根据预设规定将角度等比例缩放，将缩放后的角度置为3
×
3旋转矩阵a，
[0083]
步骤3：对任一一个坡度调节组件的电动推拉机构25，其与运动支撑盘的连接点坐标为q，则当前坡度调节组件的电动推拉机构25的目标坐标为(q.x
’
,q.y
’
,q.z
’
)，其中，q.x
’
＝q.x*m
11
+q.y*m
12
+q.z*m
13
，q.y
’
＝q.x*m
21
+q.y*m
22
+q.z*m
23
，q.x
’
＝q.x*m
31
+q.y*m
32
+q.z*m
33
；
[0084]
步骤4：定义l_q为任一轴电动推拉机构25的顶点需要到达目标点位置的总长，l_n为此轴电动推拉机构25在初始位置时的总长，l_e为电动推拉机构25不活动部分的长度，以o点为运动支撑盘的中心点，r为运动支撑盘半径，则l_q＝sqrt((l_n-q.z
’
)*(l_n-q.z
’
)+(r-sqrt(q.x
’
*q.x
’
+q.y
’
*q.y
’
))*(r-sqrt(q.x
’
*q.x
’
+q.y
’
*q.y
’
)))；得到电动推拉机构25的行程为l_e+l_q-l_n；
[0085]
步骤5：若计算得到的行程超过电动推拉机构25的机械限制行程，则同时缩放三轴的行程，缩放比例为机械限制行程与三轴最大行程和三轴最小行程的差的比值，进行下一步，否则，直接进行下一步；
[0086]
步骤6：基于计算的行程调节电动推拉机构25，完成地形角度模拟。
[0087]
本发明中，高频垂直运动模拟、高频水平运动模拟、单次升降运动模拟、上坡运动模拟、下坡运动模拟及地形角度模拟的优先级由高到低。
[0088]
本发明中，sqrt是指平方根或开根，即
[0089]