[发明专利]一种人体下肢万向运动装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种人体下肢万向运动装置，包括：控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构和平面连杆装置；所述人体下肢姿态测量机构固定在人体两条腿上，用于实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据所述人体下肢姿态测量机构测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置发送实时追踪指令；所述平面连杆装置水平设置在所述人体下肢姿态测量机构下方的水平地面上，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪摆动足的落脚点；使用时先确定落地足和摆动足的坐标；再计算摆动足所在平面连杆的期望关节角速度和关节转角，最后控制摆动足所在连杆上的托盘实时追踪摆动足在水平面的投影点。

技术领域

本发明涉及人体下肢运动装置，具体涉及一种人体下肢万向运动装置及其控制方法。

背景技术

沉浸式交互体验设备是虚拟现实技术的发展热点之一，人体下肢万向运动设备能够使穿戴者在任意方向自由跑动，使其具备“虚拟”环境下的无限运动空间，在虚拟现实、军事训练、远程交互等领域具有极大的应用前景。

传统跑步机只能使得人体沿着传送带的运动方向运动，无法改变运动方向。万向跑步机使人体能够在360度范围内任意改变运动方向，使人体具有无限运动的自由。此外，万向跑步机可以检测出人体下肢运动步态，将步态信息反馈到虚拟场景，可实现人机交互，因此特别适用于虚拟现实领域。

目前世界上具有代表性的万向跑步机是美国的OMNI跑步机，该跑步机底座为凹面，使用者穿戴特制的低摩擦力鞋子，同时需要在腰部固定安全带以避免滑倒。当人体足部落在跑步机底座上时，人体会向前方倾斜，通过腰部固定的安全带，可维持人体平衡。此外，低摩擦力鞋子的鞋面上安装了LED灯，通过图像检测装置实现人体足部运动轨迹的监测。OMNI跑步机是一种被动式跑步机，其底座为固定结构，虽然其原理较为简单，但是由于人体运动过程中需要倾斜身体，必须依靠腰部支撑架维持身体平衡。由于使用者的腰或者大腿被固定为身体重心支点，会使得人体跑动中没有脚踩实地的感觉，因此虚拟沉浸感不足，此外OMNI跑步机只采用图像识别方式跟踪人体脚部运动轨迹，无法检测到人体下肢姿态。中国专利CN104874152A公开了一种万向跑步器械，其原理类似OMNI万向跑步机，该专利中描述的万向跑步器械具有中心平台和环形的万向跑步台，万向跑步台一体连接于中心平台外围，万向跑步台上表面布满若干滚动件，滚动件能够原地转动且具有朝向中心平台的滚动方向，万向跑步台上装有环形的人体支撑架，使用过程中通过环形的人体支撑架将人体限制在一个狭窄区域，常常会使人体因支撑组件的设置而歪斜，并且无法下蹲。中国专利CN201737341U公开了一种球形万向跑步机，由球形舱、底座、三台驱动装置组成，使用时人体在球形舱内跑动，电机驱动球形舱跟随人体向任意方向滚动，从而使人体能够连续跑动，这种装置的缺点是其体积巨大，使用不便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种人体下肢万向运动装置及其控制方法，该装置体积小且兼具人体下肢姿态检测功能，并且无需额外设置腰部支撑架即可维持人体平衡，能够使人体在较大的活动空间内主动式的实现下肢万向运动。

本发明的万向运动装置的技术方案为：一种人体下肢万向运动装置，包括：控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构和平面连杆装置；所述人体下肢姿态测量机构固定在人体两条腿上，用于实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据所述人体下肢姿态测量机构测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置发送实时追踪指令；所述平面连杆装置水平设置在所述人体下肢姿态测量机构下方的水平地面上，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪摆动足的落脚点。

作为一种优选方案，所述人体下肢姿态测量机构包括人体下肢姿态测量机构A、人体下肢姿态测量机构B和腰连接杆；