一种VR人机交互全能运动与万向跑步机制造技术

本发明专利技术公开了一种VR人机交互全能运动与万向跑步机，这是一种让人类使用者可实现在物理空间中原地万向跑步与多种肢体运动，与计算机、VR眼镜及VR外设(如VR手柄手套)等设备配套使用后可实现在虚拟空间中自由行走、全能运动和各种操作的智能化VR人机交互装置。包括五大子系统：回转式跑台、步态自适应跑步机、人体运动定位悬臂、襁褓护甲、控制系统(含算法)。以及其他不属于本项发明专利技术，但是紧密关联的还有VR眼镜与计算机系统。本发明专利技术天生具有将健身运动和VR游戏高度融合的基因，为爱玩游戏不爱运动的人群提供了一个根本性改善身体健康和生活品质的两全其美路径。从而为社会解决一大群隐患问题。

A VR Man-machine Interactive All-round Sports and Universal treadmill

The invention discloses a VR man-machine interactive omnipotent movement and universal treadmill, which is an intelligent VR man-machine interaction device that enables human users to realize in-situ omnipotent running and various limb movements in physical space, and can freely walk, omnipotent movement and various operations in virtual space after matching with computers, VR glasses and VR peripherals (such as VR handle gloves). \u3002 It includes five subsystems: rotary treadmill, gait adaptive treadmill, human motion positioning cantilever, swaddling armor and control system (including algorithm). Other inventions that do not belong to this invention are closely related to VR glasses and computer systems. The invention inherently has a gene that highly integrates fitness exercise and VR game, and provides a perfect path for people who like to play games but don't like sports to fundamentally improve their health and quality of life. So as to solve a large group of hidden dangers for the society.

【技术实现步骤摘要】
一种VR人机交互全能运动与万向跑步机
本专利技术涉及VR(虚拟现实)人机交互技术，特别涉及一种VR人机交互全能运动与万向跑步机。
技术介绍
现有各类VR(虚拟现实)人机交互技术、模式、产品与方案均存在各种缺陷与不足，以下按照人机交互模式分类阐述和分析：(一)VR眼镜单独使用时存在的缺陷和不足VR眼镜单独使用是指不依赖与身体运动交互有关的设备(例如万向跑步机)，仅用VR眼镜(或加VR手柄)来与VR空间和角色进行交互和控制的方式。这是VR眼镜最基本和普遍的使用方式，简便易行成本低，但是存在很多的缺陷和不足：1)人体运动受到很大限制。通常只能在小范围物理空间中进行小幅度肢体动作，身体位移被严格限制以确保安全。这反映到虚拟空间中意味着用户无法以人体自然动作来操作虚拟空间、角色和物体(比如说最典型的由于无法以现实中人体的行走来实现虚拟空间中的连续移动和自由行走而采用“手柄操作”、“瞬间移动”等非自然方式来补偿)，从而使得VR(虚拟现实)的体验在根本上大打折扣；2)安全性难以保障。即使没有身体真实位移，只考虑原地动作，单独使用VR眼镜也难以保证安全。其根本原因在于，人类的两足直立是一个天然动不平衡状态，需要不断对身体姿态进行动态微调以保平衡，对于正常人来说视觉系统是实现这一平衡机制的核心系统(盲人需要大量肌肉练习和借助拐杖辅助获得“触地”感知才能在行走和转向时不致跌倒)，在佩戴VR眼镜之后视觉系统难以参与平衡微调，从而在身体移动和转向时(即使在原地)容易失去平衡发生碰撞和摔倒事故；3)容易诱发VR晕动症。VR晕动症是使用者眼睛“看”到的自身运动和身体“感觉”到的自身运动不一致而引起的生理应激反应。解决之道是让现实空间的身体与虚拟空间中的身体运动保持相对一致，尤其是转向和行进，例如万向跑步机。而单独使用VR眼镜时完全无法做到这一点；(二)VR机舱模式解决方案存在的缺陷和不足VR机舱模式是以“驾驶舱”、“座舱”来限制使用者相对周边的位移的一种设定(具体产品表现为VR驾驶舱或VR座椅/蛋椅)，身体在现实和虚拟空间中都不发生移动，代之以身体搭乘的载具的移动，并允许上肢做出更准确的动作来操作虚拟载具和物体，例如驾驶飞机、汽车等(其他载具操作大同小异)。相比单独使用VR眼镜，VR机舱更安全，并能很好模拟操作类游戏和应用。但是其缺陷和不足也很明显：1)VR世界的代入感较弱。VR机舱的设定，本质是对虚拟空间中的“物”而非“我”进行操作，更类似于人类在现实中对计算机及其映射的虚拟载具进行操控的一种模式(现实中可供参考的应用是广泛使用的遥控无人机)，而不是人类本身在虚拟空间的“映射”与“存在”。这导致VR世界的代入感根本性削弱，并使得以“人体”(含人形机器)为映射对象的游戏和应用难以实现和表达；2)游戏与应用类型局限大。VR机舱适用于操作类的游戏和应用，无法作为基础和定常的VR人机交互解决方案——人类需要和现实世界一样能够自由行走的VR世界；3)仍然存在诱发VR运动症的可能性，其原理类似于晕车。(三)滑动复位万向跑步机存在的缺陷和不足滑动复位万向跑步机(以omni万向跑步机为创始和代表)运行原理为，使用者在一个凹形(碗形/锅形)滑道式跑台上移动，通过步态和姿态传感器获得行走和转向操作信号，从而实现使用者在虚拟空间的行走和转向与现实相对一致的运动操作。使用者在跑台上每次(向前向后)迈步的结果都是在重力、鞋底滑轮/滑面、凹形滑道与身体定位装置的共同作用下滑回起步的原点，从而实现在现实空间的复位循环和在虚拟空间的无限行走。同时，为了保持使用者在凹形滑道上不至跌倒，需要另外设置身体重心保持装置，通常以下方支撑结构的腰环或上方悬挂结构的吊绳来实现。这些结构做到了人体被动的平衡，但是又妨碍了肢体的运动。滑动复位万向跑步机在一定程度上满足了真实运动和虚拟视觉的一致性(消除了晕动症主要诱因)、VR运动安全性、虚拟世界无限行走等三大核心诉求，是VR人机交互技术发展史上的一个重要里程碑，也是本专利主要的对标和改进对象。但是滑动复位万向跑步机作为入门级VR交互设备尚可，作为VR世界定常式交互设备则存在着难以克服的缺陷：1)滑动复位行走方式不符合人类行走和奔跑的习惯和生理：人类经过千万年进化，形成了两足直立行走的生理运动规律，包括前脚掌触地、后脚掌蹬踏和双足交替变更重心等运动模式，而滑动复位无论行走还是奔跑的运动模式无论怎样进行设计和模拟，都无法达到人类自然行走和奔跑的程度，从而在虚拟世界中时刻提醒使用者自身在以“不正常”的方式进行运动，导致这种VR人机交互模式的根本性缺陷。再加上，滑道式跑台的表面是一个凹面，这与人体两足直立和行走已经习惯了的平地的感觉完全不同。2)依赖脚底发力的动作严重受限：由于和脚底接触的表面始终是处于滑动状态，缺乏脚掌与地面的摩擦力，而且整个表面是一个凹面，这导致依赖脚底发力的动作严重受限。3)缺乏自然的平衡感：正常状态下，视觉是人体最重要的平衡信息反馈渠道，戴上VR眼镜之后，人体与物理空间之间的视觉联系被切断，此时脚底与地面的触觉成为唯一最重要的掌控平衡的信息反馈。而始终处于滑动状态、凹面形状的的地面和装有硬质滚轮的鞋底，无法给予人体正确的与地面接触的信息——人体脚掌有三个主要的触地用力点，脚后跟、大脚趾跟和小脚趾跟与地面形成一个三角支撑的力学模型。而装有硬质滚轮的鞋底破坏了这一个三角支撑的力学模型，从而导致自然平衡感的缺乏。而依靠腰环和吊绳等工具进行外力的平衡，不仅无法代替人体本身通过脚底与地面接触获得的平衡感，而且进一步恶化了人体使用VR眼镜之后通过练习重新获得平衡感的趋势(类似于闭眼单脚平衡训练)。4)肢体动作幅度受到很大限制：在滑动复位万向跑步机上进行运动，首先是下肢因为缺乏脚底摩擦力、地面不平和凹面滑道周边凸起的边缘等原因无法做出较大幅度和力度的动作——包括但不仅限于奔跑、跳跃、下蹲、坐下、匍匐等等；然后是上肢因为下肢难以发力、腰环和吊绳的阻挡等原因，无法做出脚大幅度和力度的动作。(四)现有主动复位万向跑步机存在的缺陷和不足1)反应迟钝：由于需要对复数(两步以上)的步态进行信号采集和程序运算，然后才能给出对应方向和位置跑带的运动速度，先天上具有很大的延迟。2)机构复杂：需要使用数量很多、尺寸很小的具有主动驱动功能的复位装置(例如滚轮，或跑步带)，从而导致可靠性、实用性、经济性方面均难以施行。3)动作有限：目前只能试验性质地提供漫步行走的人机交互功能，无法进行奔跑跳跃等高频率大幅度动作。4)平衡性差：主动复位万向跑步机的机械运动与人体运动之间始终存在一个动态同步的问题，任何同步差异都有可能导致使用者失去身体平衡。(五)大空间VR解决方案存在的缺陷和不足：1)无法做到无限连续行走：大空间VR技术和解决方案从核心原理来说，所能提供的虚拟世界活动空间基本上等同于使用者在现实世界的物理空间。如果想要获得近似的无限行走功能，需要在现实物理空间的边缘不断使用类似于空间跳跃的设定，无法做到像现实世界一样的连续空间的无限行走，从而极大限制了大空间VR技术与解决方案的应用场景。2)动作受限：大空间VR使用者在虚拟世界中所能做出的动作在现实世界所能做出的动作基本一致，也就是在安全限制条件下的地面活动，从而限制了世界的各种无限可行本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍文斌，
申请(专利权)人：天津运筹天下科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12