一种人体下肢万向运动装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A Universal Motion Device for Human Lower Limbs and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种人体下肢万向运动装置及其控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。本专利技术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；所述人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B均包括依次相连的腰关节件、髋关节件、大腿连接杆、膝关节件、小腿连接杆、踝关节件及脚底连接件；所述人体下肢姿态测量机构A通过其上的腰关节件和所述腰连接杆的一端相连，所述人体下肢姿态测量机构B通过其上的腰关节件和所述腰连接杆的另一端相连。作为一种优选方案，预设腰关节件具有两个自由度、髋关节件具有一个自由度、膝关节件具有一个自由度、踝关节件具有两个自由度，同时，在踝关节件、膝关节件、髋关节件、腰关节件的每个自由度处分别安装角度测量元件，所述角度测量元件与控制中心无线连接，用于实时测量相邻部件之间相对运动的角度并无线传输给控制中心。作为一种优选方案，所述平面连杆装置包括连杆底座及对称设置在连杆底座同一侧的左平面连杆和右平面连杆，所述左平面连杆和右平面连杆分别与人体下肢的左脚和右脚对应，当左脚为摆动足时，所述左平面连杆实时追踪左脚的落地点，当右脚为摆动足时，所述右平面连杆实时追踪右脚的落地点。作为一种优选方案，所述左平面连杆包括依次相连的左肩关节、左肩连杆、左肘关节、左肘连杆和左托盘；所述右平面连杆包括依次相连的右肩关节、右肩连杆、右肘关节、右肘连杆和右托盘；所述左平面连杆通过其上的左肩关节与所述连杆底座相连，所述右平面连杆通过其上的右肩关节与所述连杆底座相连；所述左肩关节、左肘关节、右肩关节和右肘关节均为转动部件，所述左肩连杆绕左肩关节转动，左肘连杆绕左肘关节转动，右肩连杆绕右肩关节转动，右肘连杆绕右肘关节转动；所述左托盘或右托盘用于承托落地足。作为一种优选方案，所述左肩关节、左肘关节和左托盘分别与控制中心无线连接，所述右肩关节、右肘关节和右托盘分别与控制中心无线连接；所述左肩关节上设置左肩电机和左肩角度传感器，左肘关节上设置左肘电机和左肘角度传感器，左托盘包括左托盘架、左万向轮和左压力传感器；所述左肩角度传感器用于实时测量左肩连杆相对于连杆底座的角度变化，所述左肘角度传感器用于实时测量左肘连杆相对于左肩连杆的角度变化，所述左压力传感器用于实时测量左托盘架上的压力PL；所述左肩关节和左肘关节将测得的角度信息及左压力传感器测得的压力PL无线传输给控制中心；所述右肩关节上设置右肩电机和右肩角度传感器，右肘关节上设置右肘电机和右肘角度传感器，右托盘包括右托盘架、右万向轮和右压力传感器；所述右肩角度传感器用于实时测量右肩连杆相对于连杆底座的角度变化，右肘角度传感器用于实时测量右肘连杆相对于右肩连杆的角度变化，右压力传感器用于实时测量右托盘架上的压力PR；所述右肩关节和右肘关节将测得的角度信息及右压力传感器测得的压力PR无线传输给控制中心；控制中心根据PL和PR的数值大小确定落地足和摆动足，进而控制摆动足所在侧的电机驱动相应的连杆运动。作为一种优选方案，当摆动足为左脚时，所述左肩电机驱动左肩连杆运动，左肘电机驱动左肘连杆运动，进而带动左托盘实时追踪左脚并作为左脚的落地脚；当摆动足为右脚时，所述右肩电机驱动右肩连杆运动，所述右肘电机驱动右肘连杆运动，进而带动右托盘实时追踪右脚并作为右脚的落地脚。本专利技术的万向运动装置的控制方法的技术方案为：一种人体下肢万向运动装置的控制方法，它对权利要求7所述的万向运动装置进行控制，包括：步骤一、通过左压力传感器和右压力传感器确定落地足和摆动足；步骤二、以连杆底座为X轴，连杆底座的中心为坐标原点建立坐标系并计算落地足和摆动足的坐标；步骤三、根据摆动足的坐标计算摆动足投影点相对连杆底座的速度矢量，并转化为落地足所在平面连杆的期望关节角速度；步骤四、计算摆动足所在平面连杆的期望关节转角；步骤五、通过控制中心控制落地足所在平面连杆的关节角速度达到步骤三解算出的期望关节角速度；同时，控制摆动足所在平面连杆的关节转角达到步骤四解算出的期望关节转角，使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。作为一种优选方案，所述步骤二中的坐标系的X轴正向从左肩关节的几何中心指向右肩关节的几何中心，Y轴正向垂直于X轴并指向左托盘和右托盘所在侧，Z轴正向与X轴、Y轴的正向满足右手本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人体下肢万向运动装置，其特征在于，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(1)和平面连杆装置(2)；所述人体下肢姿态测量机构(1)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(1)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(2)发送实时追踪指令；所述平面连杆装置(2)水平设置在所述人体下肢姿态测量机构(1)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。

【技术特征摘要】
1.一种人体下肢万向运动装置，其特征在于，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(1)和平面连杆装置(2)；所述人体下肢姿态测量机构(1)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(1)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(2)发送实时追踪指令；所述平面连杆装置(2)水平设置在所述人体下肢姿态测量机构(1)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。2.如权利要求1所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述人体下肢姿态测量机构(1)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(18)；所述人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B均包括依次相连的腰关节件(17)、髋关节件(16)、大腿连接杆(15)、膝关节件(14)、小腿连接杆(13)、踝关节件(12)及脚底连接件(11)；所述人体下肢姿态测量机构A通过其上的腰关节件(17)和所述腰连接杆(18)的一端相连，所述人体下肢姿态测量机构B通过其上的腰关节件(17)和所述腰连接杆(18)的另一端相连。3.如权利要求2所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，预设腰关节件(17)具有两个自由度、髋关节件(16)具有一个自由度、膝关节件(14)具有一个自由度、踝关节件(12)具有两个自由度，同时，在踝关节件(12)、膝关节件(14)、髋关节件(16)、腰关节件(17)的每个自由度处分别安装角度测量元件，所述角度测量元件与控制中心无线连接，用于实时测量相邻部件之间相对运动的角度并无线传输给控制中心。4.如权利要求1所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述平面连杆装置(2)包括连杆底座(21)及对称设置在连杆底座(21)同一侧的左平面连杆和右平面连杆，所述左平面连杆和右平面连杆分别与人体下肢的左脚和右脚对应，当左脚为摆动足时，所述左平面连杆实时追踪左脚的落地点，当右脚为摆动足时，所述右平面连杆实时追踪右脚的落地点。5.如权利要求4所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述左平面连杆包括依次相连的左肩关节(22)、左肩连杆(23)、左肘关节(24)、左肘连杆(25)和左托盘(26)；所述右平面连杆包括依次相连的右肩关节(27)、右肩连杆(28)、右肘关节(29)、右肘连杆(210)和右托盘(211)；所述左平面连杆通过其上的左肩关节(22)与所述连杆底座(21)相连，所述右平面连杆通过其上的右肩关节(27)与所述连杆底座(21)相连；所述左肩关节(22)、左肘关节(24)、右肩关节(27)和右肘关节(29)均为转动部件，所述左肩连杆(23)绕左肩关节(22)转动，左肘连杆(25)绕左肘关节(24)转动，右肩连杆(28)绕右肩关节(27)转动，右肘连杆(210)绕右肘关节(29)转动；所述左托盘(26)或右托盘(211)用于承托落地足。6.如权利要求5所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述左肩关节(22)、左肘关节(24)和左托盘(26)分别与控制中心无线连接，所述右肩关节(27)、右肘关节(29)和右托盘(211)分别与控制中心无线连接；所述左肩关节(22)上设置左肩电机(221)和左肩角度传感器(222)，左肘关节(24)上设置左肘电机(241)和左肘角度传感器(242)，左托盘(26)包括左托盘架(261)、左万向轮(262)和左压力传感器(263)；所述左肩角度传感器(222)用于实时测量左肩连杆(23)相对于连杆底座(21)的角度变化，所述左肘角度传感器(242)用于实时测量左肘连杆(25)相对于左肩连杆(23)的角度变化，所述左压力传感器(263)用于实时测量左托盘架(261)上的压力PL；所述左肩关节(22)和左肘关节(24)将测得的角度信息及左压力传感器(263)测得的压力PL无线传输给控制中心；所述右肩关节(27)上设置右肩电机(271)和右肩角度传感器(272)，右肘关节(29)上设置右肘电机(291)和右肘角度传感器(292)，右托盘(211)包括右托盘架(2111)、右万向轮(2112)和右压力传感器(2113)；所述右肩角度传感器(272)用于实时测量右肩连杆(28)相对于连杆底座(21)的角度变化，右肘角度传感器(292)用于实时测量右肘连杆(210)相对于右肩连杆(28)的角度变化，右压力传感器(2113)用于实时测量右托盘架(2111)上的压力PR；所述右肩关节(27)和右肘关节(29)将测得的角度信息及右压力传感器(2113)测得的压力PR无线传输给控制中心；控制中心根据PL和PR的数值大小确定落地足和摆动足，进而控制摆动足所在侧的电机驱动相应的连杆运动。7.如权利要求6所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，当摆动足为左脚时，所述左肩电机(22...

【专利技术属性】
技术研发人员：张沛，林云成，刘鑫，倪文成，王瑞，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11