[发明专利]一种VR人机交互全能运动与万向跑步机

权利要求书

1.一种VR人机交互全能运动与万向跑步机，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)内侧设置有圆弧导轨(3)和圆形随动防护网(20)，且圆形随动防护网(20)位于圆弧导轨(3)外侧，所述圆弧导轨(3)上端滑动安装有导轨滑块(19)，所述导轨滑块(19)上端固定安装有承重转盘(4)，所述承重转盘(4)下端表面设置有回转驱动机构(2)和导电滑环(15)，且导电滑环(15)位于承重转盘(4)中心点，所述承重转盘(4)上端表面设置有电机驱动或人力驱动的(步态自适应)跑步机(5)、升降立柱(11)、埋入式控制仓(16)、多用途辅助支架安装基座(17)和触摸屏一体(18)，且电机驱动或人力驱动的(步态自适应)跑步机(5)位于承重转盘(4)中心端，所述升降立柱(11)包括立柱基座(14)，所述立柱基座(14)上端固定安装有立柱导轨(13)，所述立柱导轨(13)外部滑动安装有可升降悬臂基座(12)，所述可升降悬臂基座(12)一侧螺丝以紧固件、铰链或转轴安装有人体运动定位悬臂(10)，所述人体运动定位悬臂(10)包括四连杆悬臂结构(22)和可调压力空气弹簧或液压缸(23)，所述可调压力空气弹簧或液压缸(23)位于四连杆悬臂结构(22)下方，所述四连杆悬臂结构(22)和可调压力空气弹簧或液压缸(23)一端设置有悬臂端回转轴合页(30)，所述悬臂端回转轴合页(30)下端镶嵌有回转轴压力传感器(29)，所述悬臂端回转轴合页(30)一侧设置有回转复位空气弹簧或液压缸(21)，且回转复位空气弹簧或液压缸(21)与四连杆悬臂结构(22)固定连接，所述悬臂端回转轴合页(30)外壁表面设置有回转限位器(25)和回转轴(28)，所述悬臂端回转轴合页(30)上端设置有俯仰控制可调空气弹簧或液压缸(31)，所述俯仰控制可调空气弹簧或液压缸(31)一端螺丝以紧固件、铰链或转轴安装有刚性靠背(24)，所述刚性靠背(24)一端设置有襁褓护甲(9)，所述悬臂端回转轴合页(30)一端设置有腰带端回转轴合页(26)，所述腰带端回转轴合页(26)表面设置有俯仰轴(27)，所述腰带端回转轴合页(26)一端设置有刚性腰带(6)，所述襁褓护甲(9)内部设置有参考人体(7)，所述参考人体(7)上端套设有VR眼镜(8)。

2.根据权利要求1所述的一种VR人机交互全能运动与万向跑步机，其特征在于：设计思路、步骤和相关技术方案说明如下：

S1：首先设定人体重心在三维空间中的运动关系为：

i.设定一个人体运动三维坐标系(x,y,z)，人体重心在水平面(x,y)上的投影为坐标原点，人体前后方向为x轴，人体左右方向为y轴，人体垂直方向为z轴；

ii.人体重心在x轴和y轴上的位移量始终为零，满足人体平面运动连续复位要求；

iii.人体重心可以沿z轴上双向位移，满足人体纵向运动要求；

iv.人体重心可以绕z轴做360°旋转，满足人体转向要求；

v.人体重心可以绕y轴有限范围转动，向前90度满足人体从直立到水平，向后30度满足人体从直立到后仰的运动要求；

S2：然后设计一种机械装置实现上述的人体重心在三维空间中的运动关系，在本项发明中，该机械装置被命名为“人体运动定位悬臂”，其功能特征为：

i.人体运动定位悬臂的一端通过一个刚性护腰与人体连接，连接点位于后腰中间，接近人体重心的位置，尽量降低悬臂对人体中心的操纵力矩；

ii.人体运动定位悬臂的另一端安装在一个固定的立柱上；

iii.悬臂本身为刚性机械，因此无论人体怎样运动，人体运动定位悬臂都能在水平面上将人体重心约束在坐标原点，自然实现人体平面运动连续复位的功能；

iv.人体运动定位悬臂的机械结构为垂直摆动的四连杆结构，允许人体重心沿z轴上下位移。(注：位移轨迹虽然不是严格的垂直直线，但是在戴上VR眼镜之后人体感觉上会是垂直移动。同时，四连杆结构能够保证人体重心上下移动时身体始终垂直于地面)。在地球上，z轴上的人体运动复位由重力来保证。在太空舱里，z轴上的人体运动复位由悬臂向下施加在人体肩部的压力来保证；

v.悬臂和刚性护腰之间由一根回转轴和一根俯仰轴进行连接，满足人体重心绕z轴做360°旋转、绕y轴有限范围转动的要求；

S3：做下一步设计之前要明确一点：人体重心的位移和人体自身的运动是相对独立的；人体重心的位移通过上述设定与设计被严格的约定了；而人体自身的运动，却因为这一点得到了最大限度的解放；下面继续阐述设计原理和思路；

S4：由于人体运动定位悬臂约束了人体重心在水平面上的真实位移，因此我们需要设计另外一套装置赋予人体自身在水平面上的真实运动和相对位移。在本项发明中，这套装置为回转式跑台和电机驱动或人力驱动的(步态自适应)跑步机的组合体。其功能特征为：

i.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)蹬踏跑步带实现x轴(前后方向)上的真实运动和相对位移；

ii.在跑步机跑步带的下方、踏板的上面铺设有薄膜式压力传感器矩阵，可以探测人体步态，并控制跑步机驱动电机带动跑步带按照与人体运动相适应的方向和速度运行，以达到降低人体运动消耗、减少人体运动损伤的目的，所以称之为电机驱动或人力驱动的(步态自适应)跑步机；

iii.回转式跑台由电动机驱动，通过固定安装在跑台上的立柱和悬臂带动人体绕着坐标原点即跑台回转中心进行旋转(同时也带动跑步机一起旋转)，从而获得人体在水平面上360度的真实转向；

iv.跑台跟随人体行进间转向而回转的原理是通过薄膜式压力传感器矩阵监测人体步态，获得行进间转向信号。跟随人体原地转向则是通过回转轴角度传感器获得转向信号，从而控制回转式跑台跟随人体原地转向。(这里注意一点：原地转向的时候，需要在刚性腰带两侧后方与回转轴合页悬臂端之间的回转复位空气弹簧或液压缸或液压缸提供回转复位控制)；

S5：通过上述设计，我们实现了VR人机交互解决方案中主要的人体运动关系：

i.实现了人体在真实世界前后方向上的真实运动、相对位移和原地复位，以及在虚拟世界前后方向上的连续性无限行走；

ii.实现了人体在真实世界以及虚拟世界的360度全向运动；

iii.实现了人体在真实世界大部分的纵向运动以及在虚拟世界对应的纵向运动，和可以模拟出来的各种垂直方向上的运动。

iv.实现了人体在真实世界的身体俯仰动作(直立、前倾、后仰、水平匍匐)以及在虚拟世界中的映射的俯仰动作和可以模拟出来的相关动作；

S6：在实现VR人机交互解决方案中主要的人体运动关系的基础上，进行体验改善设计和缺陷弥补设计。主要有：

i.在人体和悬臂之间，增设一种人体——机械连接装置，在本项发明中，该装置被命名为“襁褓护甲”，用于将机械装置和人体连接点的集中应力或冲击载荷分散到人体上适合受力的部位(主要为臀部、腿部、肩部和背部，其次为髋部、胯部和腋下)，同时起到保护躯干，和放开四肢运动的作用；

ii.在人体运动定位悬臂及可调空气弹簧/液压缸原本的定位和缓冲作用基础上，调节工作压力，增加步态减重功能，将使用者下肢承担的体重部分分摊到悬臂上，从而降低运动疲劳，延长使用时间；

iii.综合使用各执行系统模拟各种力反馈效果，这一点在VR游戏中十分重要；

iv.利用薄膜式压力传感器矩阵，设计一种“侧移步伐(如丁字步)”来实现虚拟世界中的人体侧移运动(例如篮球运动的侧滑步和过独木桥的侧身移动)，用于弥补本项发明中人体没有真实侧移运动的缺陷；

v.利用本发明中人体重心在真实运动中被精确定位和约束的先决条件，在回转式跑台和底座上可以布置若干外部设备，例如充气沙袋、扶手、驾驶模拟器、骑乘装置、矩阵式风扇、气味发生器、VR道具架等等，以获得额外的功能和更好的体验

S7：基础设计工作的最后一环，是开发VR人机交互全能运动与万向跑步机算法与软件系统，并集成到计算机系统中。