一種腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種腳步追隨機(jī)械裝置，包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，還包括分別安裝在使用者兩腳上并與腳同步運(yùn)動的位置參照點(diǎn)裝置，所述平面移動裝置與托接裝置相連接，所述托接裝置包括用于承載使用者雙腳的一對腳托，所述位置檢測裝置用于檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置及方向信息，所述主控系統(tǒng)控制平面移動裝置進(jìn)行移動，使得腳托在確定的平面內(nèi)接住使用者的雙腳并進(jìn)行運(yùn)動重心歸中。本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)讓裝置跟隨使用者的步伐移動，而使得使用者在行進(jìn)中不受單一方向約束，可以任意方向行走、跑步；使用者不受履帶固定速度限制被強(qiáng)制跑步跟隨，而是裝置自動適應(yīng)使用者的跑步速度。
【專利說明】
一種腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種運(yùn)動裝置，具體的講，涉及一種可以應(yīng)用在自由跑步機(jī)或其他設(shè)備上，能夠讓運(yùn)動者在原地完成自由行進(jìn)、轉(zhuǎn)向等動作的腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)分析，目前市場上的傳統(tǒng)跑步機(jī)存在兩個明顯局限:用戶跑步時(shí)只能單方向進(jìn)行;跑步機(jī)履帶速度固定，強(qiáng)制跑步者必須按履帶速度跟隨跑步。針對目前興起的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在運(yùn)動方面?zhèn)鹘y(tǒng)的跑步機(jī)就更加難以勝任，因?yàn)橐笫褂谜叱嗽谠剡\(yùn)動，并且能夠按需求進(jìn)行步伐移動，而不是固定的速度，除此之外，安全方面也需要進(jìn)行考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決傳統(tǒng)跑步機(jī)中存在的兩個上述局限，以及為了適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中對于步伐的要求，本發(fā)明提出一種腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法，可以讓使用者原地自由行進(jìn)、轉(zhuǎn)向，而不受約束。其技術(shù)方案如下所述:
[0004]—種腳步追隨機(jī)械裝置，包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，還包括分別安裝在使用者兩腳上并與腳同步運(yùn)動的位置參照點(diǎn)裝置，所述平面移動裝置與托接裝置相連接，所述托接裝置包括用于承載使用者雙腳的一對腳托，所述位置檢測裝置用于檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置及方向信息，所述主控系統(tǒng)控制平面移動裝置進(jìn)行移動，使得腳托在確定的平面內(nèi)接住使用者的雙腳并進(jìn)行運(yùn)動重心歸中。
[0005]所述平面移動裝置包括固定架、旋轉(zhuǎn)控制裝置、擺動裝置、距離控制裝置；
[0006]所述固定架確立一個“旋轉(zhuǎn)軸al”，al在空間中固定不動；
[0007]所述旋轉(zhuǎn)控制裝置與固定架軸連接，繞al軸旋轉(zhuǎn)；
[0008]所述旋轉(zhuǎn)控制裝置確立一個“旋轉(zhuǎn)軸a2”，a2相對于旋轉(zhuǎn)控制裝置固定不動，隨旋轉(zhuǎn)控制裝置一起繞al轉(zhuǎn)動；
[0009]所述擺動裝置與所述旋轉(zhuǎn)控制裝置軸連于一點(diǎn)，稱為A點(diǎn)，繞a2旋轉(zhuǎn)；
[0010]所述距離控制裝置與所述擺動裝置滑動連接或軸連接，滑動連接時(shí)距離控制裝置沿?cái)[動裝置確定的方向滑動，軸連接時(shí)距離控制裝置繞連接軸轉(zhuǎn)動；
[0011]所述距離控制裝置與腳托相連，并能夠根據(jù)主控系統(tǒng)命令調(diào)整腳托與A點(diǎn)之間的距離。
[0012]所述腳托上安裝有感應(yīng)裝置，從而判斷使用者的腳是否與腳托接觸，所述感應(yīng)裝置包括壓力感應(yīng)裝置、光敏感應(yīng)裝置、距離感應(yīng)裝置、觸點(diǎn)開關(guān)。
[0013]所述位置檢測裝置包括設(shè)置在位置參照點(diǎn)裝置上的慣性測量單元及無線發(fā)射器，以及與主控系統(tǒng)相連接的和無線發(fā)射器對應(yīng)的無線接收器，所述無線發(fā)射器能夠?qū)T性測量單元的信息通過無線接收器告知給主控系統(tǒng)。
[0014]每個無線接收器對應(yīng)一個或多個無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器能夠通過同一個載波頻率的不同調(diào)制信息或采用不同的載波頻率來進(jìn)行區(qū)分。
[0015]對于不同的位置參照點(diǎn)裝置，每個發(fā)射器都有相對應(yīng)的接收器。但接收部件并不一定和發(fā)送部件一一對應(yīng)。只要接收器能夠接收和處理不同的反射或應(yīng)答信息即可。通常系統(tǒng)會采用高頻信號，使用相同的載波頻率，通過調(diào)制不同的信息來區(qū)分不同的發(fā)射端或被探測物，因此實(shí)際情況可以只需要一個接收和處理部件。有沒有成本需求的情況下，也可以為每個發(fā)射部件對應(yīng)一個單獨(dú)的接收裝置，這些部件使用不同的載波頻率，從而避免數(shù)據(jù)沖突引起的精度損失。
[0016]所述腳托設(shè)置有方向控制裝置和平衡裝置，所述方向控制裝置與主控系統(tǒng)相連接，用于控制腳托的方向朝向，所述腳托的上表面設(shè)置有平板，所述平衡裝置設(shè)置有陀螺儀傳感器，用于控制平板在確定的平面上保持水平。
[0017]一種腳步追隨機(jī)械裝置的控制方法，包括下列步驟:
[0018](I)使用者兩腳分別站在兩個腳托上，在兩個腳上分別設(shè)置有一個位置參照點(diǎn)裝置，所述的兩個腳托在運(yùn)行期間是與所述的兩個位置參照點(diǎn)裝置分別配對并綁定在一起的；所述的腳托持續(xù)判斷與其配對的位置參照點(diǎn)裝置是否為被腳接觸的狀態(tài)，并將此狀態(tài)發(fā)送給所述主控系統(tǒng)；
[0019](2)位置檢測裝置持續(xù)檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置以及方向的信息，并將此信息發(fā)送到主控系統(tǒng)，所述主控系統(tǒng)根據(jù)每個腳托的接觸狀態(tài)，持續(xù)的向平面移動裝置發(fā)送腳托定位指令；
[0020](3)當(dāng)被定位腳托未被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)直接發(fā)送位置參照點(diǎn)的方向和位置信息，作為跟蹤定位指令；
[0021]當(dāng)被定位腳托被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送計(jì)算得來的重心歸中位置信息，作為重心歸中定位指令；
[0022](4)所述平面移動裝置只要接到來自主控系統(tǒng)的定位指令就將被定位腳托移動到目標(biāo)位置。
[0023]步驟(3)中，運(yùn)動靜止時(shí)，重心在兩個腳托連線的中心位置;運(yùn)動期間，當(dāng)運(yùn)動的位置參照點(diǎn)裝置所在的腳部落在腳托上時(shí)，主控系統(tǒng)將根據(jù)用戶重心變化移動腳托達(dá)到重心歸中。
[0024]所述主控系統(tǒng)在判斷使用者兩個位置參照點(diǎn)裝置同時(shí)發(fā)生移動并產(chǎn)生交叉時(shí)，所述主控系統(tǒng)將控制兩個腳托的托接功能互易，并根據(jù)位置參照點(diǎn)裝置方向信息判斷使用者的方向朝向，進(jìn)而判斷腳托的托接功能是否需要進(jìn)行交換。
[0025]本發(fā)明中的腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)讓裝置跟隨使用者的步伐移動，而使得使用者在行進(jìn)中不受單一方向約束，可以任意方向行走、跑步;使用者不受履帶固定速度限制被強(qiáng)制跑步跟隨，而是裝置自動適應(yīng)使用者的跑步速度。
【附圖說明】
[0026]圖1是實(shí)施例1所述腳步追隨機(jī)械裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是實(shí)施例1腳托、連接控制裝置、線性導(dǎo)軌的連接示意圖；
[0028]圖3是實(shí)施例1位置檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4是實(shí)施例1腳托工作流程示意圖；
[0030]圖5是實(shí)施例1使用者走路重心調(diào)整示意圖；
[0031]圖6是實(shí)施例1使用者雙腳跳起的重心調(diào)整示意圖；
[0032]圖7是實(shí)施例2的腳步追隨機(jī)械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖8是實(shí)施例3的腳步追隨機(jī)械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖9是實(shí)施例4的腳步追隨機(jī)械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]本發(fā)明提供了一種腳步追隨機(jī)械裝置，在實(shí)施例1中，如圖1所示，包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，以及安裝在使用者兩腳上的一對位置參照點(diǎn)裝置4，所述平面移動裝置包括固定架1、設(shè)置在固定架I上的連接控制裝置2和連接控制裝置3，所述固定架I和連接控制裝置2通過旋轉(zhuǎn)控制裝置5相連接，所述固定架I和連接控制裝置3通過旋轉(zhuǎn)控制裝置6相連接，在連接控制裝置2和連接控制裝置3設(shè)置有用于承載使用者雙腳的一對腳托7。
[0036]所述腳托7設(shè)置為一對，分別安裝在兩個不同的連接控制裝置上，在腳托7上安裝有重力感應(yīng)器，從而判斷使用者是否踩在腳托7上。
[0037]如圖2所示，所述固定架I設(shè)置有軌道，所述軌道的凹槽設(shè)置在內(nèi)外兩側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5下端設(shè)置有卡輪，沿固定架I繞al軸旋轉(zhuǎn)滑動。所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5中部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)裝置，所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)，用于控制連接控制裝置2繞a2軸的轉(zhuǎn)動。所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5上部設(shè)置有卡槽，所述卡槽的上下端設(shè)置有滾輪，所述連接控制裝置2位于卡槽內(nèi)，能夠通過滾輪沿著自身軸向滑動。
[0038]腳托7的一端分別鉸接于兩個連接控制裝置的末端，圖中可見腳托7安裝在連接控制裝置2的末端，所述腳托還設(shè)置有方向控制裝置、平衡裝置，所述方向控制裝置與主控系統(tǒng)相連接，用于控制腳托的方向朝向，主要是通過連接軸8的旋轉(zhuǎn)控制方向，使得腳托7可以繞與連接控制裝置2的連接軸8做任意角度旋轉(zhuǎn)。
[0039]所述腳托的上表面設(shè)置有平板，所述平衡裝置設(shè)置有陀螺儀傳感器，用于控制平板在確定的平面上保持水平。
[0040]腳托能夠在確定的平面上進(jìn)行運(yùn)動，確定的平面是設(shè)定一個用于模擬平整地面的平面，根據(jù)需要進(jìn)行高度和大小的設(shè)定，使用者的各種運(yùn)動都是以此平面作為參考，為了保證腳托只在該平面進(jìn)行移動，可以采用以下設(shè)置，如在特定的平面上設(shè)置網(wǎng)狀裝置，所述腳托上部設(shè)置有距離感應(yīng)器或壓力感應(yīng)器，控制腳托和網(wǎng)狀裝置的距離；也可以在特定的平面或在其上下平行的平面上設(shè)置激光，所述腳托上設(shè)置有光線感應(yīng)器，從而保持在同一平面運(yùn)動。
[0041]所述固定架I設(shè)置的軌道為圓形，也可以采用橢圓、兩個半圓、兩個直線的軌道形式，圓形的使用能夠在計(jì)算和控制上具有優(yōu)勢。
[0042]所述連接控制裝置2是一條直線導(dǎo)軌，因此對于旋轉(zhuǎn)控制裝置和腳托的距離調(diào)整，只能夠通過控制連接控制裝置2和旋轉(zhuǎn)控制裝置的相對距離進(jìn)行操作。如果連接控制裝置2設(shè)置有距離控制裝置，則只需要調(diào)整伸縮度即可。
[0043]連接控制裝置2能夠以旋轉(zhuǎn)控制裝置5為基點(diǎn)擺動，同時(shí)可以沿自身軸向滑動;旋轉(zhuǎn)控制裝置5可以沿固定架I滑動。在此裝置中，基于這些構(gòu)件及連接關(guān)系，腳托在固定架I平面內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)任意位置和角度定位。
[0044]在固定架I上也能夠設(shè)置更多的旋轉(zhuǎn)控制裝置和與其相連接的連接控制裝置，在連接控制裝置上設(shè)置除了腳托之外的托接裝置，根據(jù)需求設(shè)定即可。從而通過在固定架上加上新的連接控制裝置及托接裝置，實(shí)現(xiàn)對更多使用者身體參照點(diǎn)的跟蹤。
[0045]圖3是位置檢測裝置的構(gòu)成示意圖，首先建立立體的xyz坐標(biāo)軸，所述位置參考點(diǎn)裝置包含一個慣性測量單元(MU)及無線發(fā)射器，主控系統(tǒng)(如圖，用標(biāo)號C先代表)連接一個對應(yīng)的無線接收器;如圖3所示，假設(shè)以運(yùn)動平面上點(diǎn)o(0，0，0)為三軸原點(diǎn)，位置參考裝置從A點(diǎn)離開腳托時(shí)的對應(yīng)坐標(biāo)位置為(XI，Y1，Z1)，并運(yùn)動到空間A’點(diǎn)。
[0046]運(yùn)動過程中，主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測并接受位置參考點(diǎn)裝置發(fā)射的電磁波，從中獲取位置參考裝置一一基于頂U(kuò)，得到的對應(yīng)三軸姿態(tài)角以及加速度信息；
[0047]主控系統(tǒng)通過接受到的z軸姿態(tài)角即得到位置參考點(diǎn)裝置的方向信息，假設(shè)其為相對于平面X軸夾角；
[0048]主控系統(tǒng)通過接受到的單軸角加速度與時(shí)間積分可以獲得位置參考裝置的相對于三軸的相對位置信息，將其與初始位置坐標(biāo)點(diǎn)(XI，Yl，Zl)相加，即得到位置參考裝置在八’點(diǎn)的空間位置02，￥2，22);
[0049]主控系統(tǒng)根據(jù)位置參考裝置在A’點(diǎn)的空間位置及對應(yīng)水平面相對于X軸的夾角，實(shí)時(shí)驅(qū)動平面移動裝置移動腳托至對應(yīng)水平面位置(X2，Y2)及調(diào)整腳托相對于X軸夾角的方向；從而實(shí)現(xiàn)腳托持續(xù)跟蹤位置參考裝置直至托接。
[0050]每個無線接收器對應(yīng)一個或多個無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器能夠通過同一個載波頻率的不同調(diào)制信息或采用不同的載波頻率來進(jìn)行區(qū)分。
[0051]為了減少積分累計(jì)誤差，計(jì)算中的積分時(shí)間每次以位置參考點(diǎn)裝置離開腳托開始，直到腳托接到位置參考點(diǎn)裝置為止。
[0052]使用本裝置時(shí)，在用戶左右兩腳上各固定一個位置參照點(diǎn)裝置4，因?yàn)槲恢脜⒄拯c(diǎn)裝置4與腳部固定在一起，所以運(yùn)行期間以位置參照點(diǎn)裝置4的運(yùn)動規(guī)律完全替代腳的運(yùn)動規(guī)律。
[0053]位置檢測裝置持續(xù)檢測、收集兩個位置參照點(diǎn)裝置4的特征及位置信息，并將此信息傳遞給主控系統(tǒng);根據(jù)特征及位置信息，主控系統(tǒng)經(jīng)過分析計(jì)算可以區(qū)分出位置參照點(diǎn)裝置4在運(yùn)動平面的具體位置及方向，進(jìn)而通過指令驅(qū)動平面移動裝置移動腳托7，來消除腳托7與位置參照點(diǎn)裝置4在平面坐標(biāo)位置的距離，從而實(shí)現(xiàn)腳托7實(shí)時(shí)跟隨參照點(diǎn)的水平位置，直到接住運(yùn)動中的參照點(diǎn)。
[0054]所述位置參照點(diǎn)裝置采用主動式的信號發(fā)射，而位置檢測裝置采用被動式的信號接收，也能夠采用其他形式，比如所述位置檢測裝置采用主動式的信號發(fā)射，所述位置參照點(diǎn)裝置采用被動式的信號接收和反射，或者所述位置參照點(diǎn)裝置和位置檢測裝置都采用主動式的信號發(fā)射，而位置檢測裝置同時(shí)采用信號接收。
[0055]因?yàn)槟_托在運(yùn)動中，難以保證各無線接收器在同一時(shí)間發(fā)現(xiàn)位置參照點(diǎn)裝置，因此采用多組位置檢測裝置，能夠有效的計(jì)算出信號接收時(shí)的腳的位置的離散點(diǎn)，從而根據(jù)進(jìn)一步的計(jì)算，判斷出腳的位置，能夠有效的提高位置計(jì)算的準(zhǔn)確度。
[0056]在控制平面移動裝置的方法方面，腳托的跟蹤位置參考點(diǎn)裝置的調(diào)配方法可以選擇不同的算法，只要保證最終有一個腳托能接住落地的位置參照點(diǎn)裝置即可。在實(shí)施例中，提出的平面移動裝置可以實(shí)現(xiàn)腳托在運(yùn)動平面任意位置及角度定位，并避免兩個腳托在運(yùn)動期間出現(xiàn)交叉沖突情況(沖突是當(dāng)前位置和目標(biāo)位置點(diǎn)之間有遮擋，避免的方式是先縮短直軌，然后移動旋轉(zhuǎn)控制裝置直到當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間無障礙，再伸長直軌直到目標(biāo)點(diǎn))。
[0057]使用此平面移動裝置，腳托跟蹤位置參照點(diǎn)裝置的調(diào)配方式可以采用開機(jī)綁定原貝1J:運(yùn)動開始，腳托接住的第一個位置參照點(diǎn)裝置即是它的追蹤對象，并在整個運(yùn)動期間保持跟蹤直到運(yùn)動結(jié)束。
[0058]為了使操作更加簡單，也可以采用非全程綁定方法，但是還需要獲取使用者的特征及位置信息，所述特征包括使用者腳部和腳托的接觸狀態(tài)、根據(jù)位置參照點(diǎn)裝置方向信息和使用者方向朝向信息。所述主控系統(tǒng)在判斷使用者兩個位置參照點(diǎn)裝置同時(shí)發(fā)生移動并產(chǎn)生交叉時(shí)，所述主控系統(tǒng)將控制兩個腳托的托接功能互易，并根據(jù)位置參照點(diǎn)裝置的方向信息判斷使用者的方向朝向，進(jìn)而判斷腳托的托接功能是否需要進(jìn)行交換。
[0059]也就是說，如果左腳和右腳交叉時(shí)，則原右腳的腳托接住左腳，原左腳的腳托接住右腳，在判斷位置參考點(diǎn)裝置方向也改變時(shí)，可以判斷出使用者交叉后進(jìn)行轉(zhuǎn)身，此時(shí)，使用者朝向改變，比如由朝前變成了朝后，此時(shí)，將腳托的托接功能進(jìn)行交換，原右腳的腳托改成左腳腳托，原左腳的腳托改成右腳腳托。但是如果發(fā)現(xiàn)位置參考點(diǎn)裝置的朝向沒有改變時(shí)，則因?yàn)槭褂谜呓徊婧鬀]有改變朝向的方向，只需在下一次發(fā)生交叉時(shí)恢復(fù)原腳托的托接功能即可。
[0060]本發(fā)明的控制方法如圖4所示的基于實(shí)施例中的平面移動裝置及開機(jī)綁定方法，即確定了腳托與位置追蹤點(diǎn)的唯一對應(yīng)關(guān)系，并在整個運(yùn)動期間保持追蹤。
[0061]在運(yùn)動開始，使用者兩腳分別站在兩個腳托上，在兩個腳上分別設(shè)置有一個位置參照點(diǎn)裝置，所述的兩個腳托在運(yùn)行期間是與所述的兩個位置參照點(diǎn)裝置分別配對并綁定在一起的；所述的腳托持續(xù)判斷與其配對的位置參照點(diǎn)裝置是否為被腳接觸的狀態(tài)，并將此狀態(tài)發(fā)送給所述主控系統(tǒng)；
[0062]位置檢測裝置持續(xù)檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置以及方向的信息，并將此信息發(fā)送到主控系統(tǒng)，所述主控系統(tǒng)根據(jù)每個腳托的接觸狀態(tài)，持續(xù)的向平面移動裝置發(fā)送腳托定位指令；
[0063]當(dāng)被定位腳托未被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)直接發(fā)送位置參照點(diǎn)的方向和位置信息，作為跟蹤定位指令；
[0064]當(dāng)被定位腳托被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送計(jì)算得來的重心歸中位置信息，作為重心歸中定位指令；
[0065]運(yùn)動期間，當(dāng)位置參照點(diǎn)裝置落在腳托上時(shí)，主控系統(tǒng)將根據(jù)用戶重心變化移動腳托來達(dá)到重心歸中；當(dāng)位置參照點(diǎn)裝置離開腳托時(shí)，主控系統(tǒng)將根據(jù)位置參照點(diǎn)裝置在運(yùn)動平面的水平位置實(shí)時(shí)驅(qū)動水平移動裝置移動腳托跟蹤運(yùn)動的位置參照點(diǎn)裝置直至落腳。
[0066]而平面移動裝置只要接到來自主控系統(tǒng)的定位指令就將被定位腳托移動到目標(biāo)位置。
[0067]運(yùn)動重心判斷及重心歸中實(shí)現(xiàn)如圖5所示，運(yùn)動靜止時(shí)，重心在兩個腳托連線的中心位置;運(yùn)動期間，如圖6中，右腳托已接住位置參照點(diǎn)裝置，其在水平面的坐標(biāo)位置為BI，左腳位置參照點(diǎn)裝置在運(yùn)動中，左腳托跟蹤到A2位置，Al為左腳最后抬起的位置點(diǎn)。連線BI與Al，取中點(diǎn)Gl為原重心點(diǎn)；連線BI與A2，取中點(diǎn)G2為當(dāng)前重心點(diǎn)。從Gl點(diǎn)到G2點(diǎn)的方向即模擬為用戶重心的移動方向，兩點(diǎn)的距離為重心的移動距離。圖中B1-B2虛線平行G1-G2，方向相反，主控系統(tǒng)將實(shí)時(shí)驅(qū)動右腳托從BI向B2移動，最終右腳托與左腳托同時(shí)移動的合效果是將當(dāng)前重心G2移動到原重心Gl點(diǎn)，從而消除重心點(diǎn)的位移，達(dá)到重心點(diǎn)歸中，實(shí)現(xiàn)跑步者原地運(yùn)動。
[0068]假設(shè)一個用戶雙腳起跳時(shí)的情形，如圖6所示，Al和BI分別是左右腳最后抬起位置，Al'和BI'是重心歸中時(shí)左右腳托的目標(biāo)位置;A2和B2分別是兩腳托的當(dāng)前位置，此時(shí)左腳正在運(yùn)動中，右腳托在B2位置接住參照點(diǎn);連線Al-Bl為原重心線，取中點(diǎn)Gl為原重心點(diǎn)，連線A2-B2為現(xiàn)重心線，取中點(diǎn)G2為現(xiàn)重心點(diǎn)；從GI點(diǎn)到G2點(diǎn)的方向即模擬為用戶重心的移動方向，兩點(diǎn)的距離為重心的移動距離。圖中虛線B2-B1'平行G1-G2，方向相反，虛線A2-A1'平行G1-G2，方向相反。主控系統(tǒng)將驅(qū)動右腳托從B2向BI'移動，如果右腳托移動過程中，左腳托也接到左腳位置參照點(diǎn)裝置，主控系統(tǒng)也將驅(qū)動左腳托從A2向Al'移動。最終右腳托與左腳托同時(shí)移動的合效果是將當(dāng)前重心G2移動到原重心Gl點(diǎn)，從而消除重心點(diǎn)的位移，達(dá)到重心點(diǎn)歸中，實(shí)現(xiàn)跑步者原地運(yùn)動。
[0069]在使用該機(jī)械裝置的自由跑步機(jī)中，用戶可以實(shí)現(xiàn)任意方向自由行進(jìn)，轉(zhuǎn)向等動作。
[0070]基本上來說，其原理描述如下:
[0071]所述平面移動裝置包括固定架、設(shè)置在固定架上的至少兩個旋轉(zhuǎn)控制裝置，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置連接有連接控制裝置，使得連接控制裝置能夠以旋轉(zhuǎn)控制裝置為基點(diǎn)擺動，所述連接控制裝置與腳托相連接，并能夠自行調(diào)整旋轉(zhuǎn)控制裝置到腳托的距離。所述固定架上設(shè)置有軌道，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置能夠沿軌道運(yùn)行，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置設(shè)置有滑動裝置，能夠調(diào)整其與連接控制裝置的相對位置。所述連接控制裝置設(shè)置有距離控制裝置，所述距離控制裝置采用液壓缸、絲杠或活動臂。
[0072]下述第2-第4三個實(shí)施例的示意圖中都給出了一只腳托，及支撐移動該腳托的相關(guān)裝置及連接關(guān)系。具體實(shí)施時(shí)，用同樣方法引入另外一只腳托及相關(guān)裝置即可實(shí)現(xiàn)兩只腳托在水平面內(nèi)以任意角度及方向移動。
[0073]附圖7中，該實(shí)施例2中包括三個基本裝置:一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個距離控制裝置。如圖所示:A點(diǎn)是桿AB與底座的軸連接處，B點(diǎn)是距離控制裝置與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處，C點(diǎn)是距離控制裝置與十字萬向節(jié)的連接處，C’是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。
[0074]旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度:在軸連接A處，B點(diǎn)以al為軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;在軸連接B處，距離控制裝置以a2為軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。距離控制裝置可以沿直線BC做伸縮運(yùn)動;腳托通過十字萬向節(jié)與距離控制裝置連接，并可以分別繞十字萬向節(jié)的軸a3、a4及a5做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得腳托在水平面可以任意角度旋轉(zhuǎn)并保持水平。
[0075]為了處理兩個距離控制裝置的運(yùn)動交叉情況，A、B兩點(diǎn)的直線距離要求不小于距離控制裝置的半徑(假設(shè)距離控制裝置BC段為一圓柱體形狀，如果不是圓柱形狀時(shí)，取其外接圓的半徑)。
[0076]附圖8的實(shí)施例3是附圖7中實(shí)施例2的一個變形方式，它包括一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個距離控制裝置。圖中，A點(diǎn)是距離控制裝置與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處;A’點(diǎn)是距離控制裝置上的一個點(diǎn);B點(diǎn)是距離控制裝置與十字萬向節(jié)連接處;C點(diǎn)是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度:距離控制裝置可以分別繞al、a2軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0077]距離控制裝置A、B兩點(diǎn)連線不是一條直線，A’是偏離AB連線的一個點(diǎn)，線段AA’與A’B剛性連接于A’點(diǎn)，且A’點(diǎn)到AB連線的垂直距離不小于距離控制裝置的半徑(假設(shè)距離控制裝置A’B段為一圓柱體形狀，如果不是圓柱形狀時(shí)，取其外接圓的半徑)；距離控制裝置沿A’B連線方向做伸縮運(yùn)動。距離控制裝置與腳托的連接方式同附圖7中實(shí)施例2。
[0078]附圖9的實(shí)施例包括一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個活動臂。A點(diǎn)是活動臂與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處;B是活動臂上下兩節(jié)軸連接處;C點(diǎn)是活動臂與十字萬向節(jié)的連接處;D是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。
[0079]如圖9，旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度:活動臂可以分別圍繞軸al、a2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在軸連接B處，活動臂的上下兩節(jié)(具體實(shí)施時(shí)，可以考慮多節(jié)情況)AB與BC可以繞軸a3做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;活動臂與腳托的連接關(guān)系同附圖7中實(shí)施例。
[0080]在考慮到雙腳交叉時(shí)，所述距離控制裝置可以采用弧形設(shè)計(jì)，從而在雙腳交叉時(shí)能夠繞過另一端的距離控制裝置，或者只對其中一只腳所在的距離控制裝置進(jìn)行弧形設(shè)計(jì)；另外，在距離控制裝置和旋轉(zhuǎn)控制裝置之間設(shè)計(jì)一個延伸部分，如同實(shí)施例3中的AA’，也能夠使得距離控制裝置有更大的活動空間。
[0081]本發(fā)明中的腳步追隨機(jī)械裝置及其控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)讓裝置跟隨使用者的步伐移動，而使得使用者在行進(jìn)中不受單一方向約束，可以任意方向行走、跑步;使用者不受履帶固定速度限制被強(qiáng)制跑步跟隨，而是裝置自動適應(yīng)使用者的跑步速度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，還包括分別安裝在使用者兩腳上并與腳同步運(yùn)動的位置參照點(diǎn)裝置，所述平面移動裝置與托接裝置相連接，所述托接裝置包括用于承載使用者雙腳的一對腳托，所述位置檢測裝置用于檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置及方向信息，所述主控系統(tǒng)控制平面移動裝置進(jìn)行移動，使得腳托在確定的平面內(nèi)接住使用者的雙腳并進(jìn)行運(yùn)動重心歸中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:所述平面移動裝置包括固定架、旋轉(zhuǎn)控制裝置、擺動裝置、距離控制裝置； 所述固定架確立一個“旋轉(zhuǎn)軸al”，al在空間中固定不動； 所述旋轉(zhuǎn)控制裝置與固定架軸連接，繞al軸旋轉(zhuǎn)； 所述旋轉(zhuǎn)控制裝置確立一個“旋轉(zhuǎn)軸a2”，a2相對于旋轉(zhuǎn)控制裝置固定不動，隨旋轉(zhuǎn)控制裝置一起繞al轉(zhuǎn)動； 所述擺動裝置與所述旋轉(zhuǎn)控制裝置軸連于一點(diǎn)，稱為A點(diǎn)，繞a2旋轉(zhuǎn)； 所述距離控制裝置與所述擺動裝置滑動連接或軸連接，滑動連接時(shí)距離控制裝置沿?cái)[動裝置確定的方向滑動，軸連接時(shí)距離控制裝置繞連接軸轉(zhuǎn)動； 所述距離控制裝置與腳托相連，并能夠根據(jù)主控系統(tǒng)命令調(diào)整腳托與A點(diǎn)之間的距離。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:所述腳托上安裝有感應(yīng)裝置，從而判斷使用者的腳是否與腳托接觸，所述感應(yīng)裝置包括壓力感應(yīng)裝置、光敏感應(yīng)裝置、距離感應(yīng)裝置、觸點(diǎn)開關(guān)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:所述位置檢測裝置包括設(shè)置在位置參照點(diǎn)裝置上的慣性測量單元及無線發(fā)射器，以及與主控系統(tǒng)相連接的和無線發(fā)射器對應(yīng)的無線接收器，所述無線發(fā)射器能夠?qū)T性測量單元的信息通過無線接收器告知給主控系統(tǒng)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:每個無線接收器對應(yīng)一個或多個無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器能夠通過同一個載波頻率的不同調(diào)制信息或采用不同的載波頻率來進(jìn)行區(qū)分。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腳步追隨機(jī)械裝置，其特征在于:所述腳托設(shè)置有方向控制裝置和平衡裝置，所述方向控制裝置與主控系統(tǒng)相連接，用于控制腳托的方向朝向，所述腳托的上表面設(shè)置有平板，所述平衡裝置設(shè)置有陀螺儀傳感器，用于控制平板在確定的平面上保持水平。7.—種腳步追隨機(jī)械裝置的控制方法，包括下列步驟: (1)使用者兩腳分別站在兩個腳托上，在兩個腳上分別設(shè)置有一個位置參照點(diǎn)裝置，所述的兩個腳托在運(yùn)行期間是與所述的兩個位置參照點(diǎn)裝置分別配對并綁定在一起的;所述的腳托持續(xù)判斷與其配對的位置參照點(diǎn)裝置是否為被腳接觸的狀態(tài)，并將此狀態(tài)發(fā)送給所述主控系統(tǒng)； (2)位置檢測裝置持續(xù)檢測位置參照點(diǎn)裝置的位置以及方向的信息，并將此信息發(fā)送到主控系統(tǒng)，所述主控系統(tǒng)根據(jù)每個腳托的接觸狀態(tài)，持續(xù)的向平面移動裝置發(fā)送腳托定位指令； (3)當(dāng)被定位腳托未被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)直接發(fā)送位置參照點(diǎn)的方向和位置信息，作為跟蹤定位指令； 當(dāng)被定位腳托被接觸時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送計(jì)算得來的重心歸中位置信息，作為重心歸中定位指令； (4)所述平面移動裝置只要接到來自主控系統(tǒng)的定位指令就將被定位腳托移動到目標(biāo)位置。
【文檔編號】A63B24/00GK105963909SQ201610404695
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】潘建, 王二兵, 王鐵軍
【申請人】北京斯凱蘭恩廣告有限公司