确定运动速度和方向的系统及应用该系统的万向运动装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及运动器材设备技术领域，特别涉及一种确定运动速度和方向的系统，包括：随用户运动而转动的球体，所述球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台；N个等距分布于所述球体同一个圆周上的测向机构，N≥3且为自然数，以及数据处理装置，所述数据处理装置接收电信号并对其进行分析处理。本发明专利技术还提供了一种应用该系统的万向运动装置。在短时间内，本发明专利技术所公开的系统以及利用本系统的万向运动装置室内占地面积小且适用范围广、能测速测向，所测得的各项运动参数准确度和精确度高。

A system for determining the speed and direction of motion and its universal motion device

【技术实现步骤摘要】
确定运动速度和方向的系统及应用该系统的万向运动装置
本专利技术涉及运动器材设备
，特别涉及一种确定运动速度和方向的系统及应用该系统的万向运动装置。
技术介绍
目前，普通跑步机都只能完成单方向的传动，很难应用到游戏活动中，因此降低了跑步机的适用范围，现有技术中完成万向移动的方式分为两种：一种是采用两个互相垂直的传动轴，其中竖直传动轴用于控制速度方向、水平传动轴用于控制速度大小，这样的结构在使用过程中容易出现各种故障，维修也很麻烦；另一种则采用发散状的结构，从圆盘中心向四周呈发散状，这种结构需要用户自己改变站立点的位置，才能实现不同方向的移动，使用起来非常不便。同时，现有的跑步机一般置于室内，占地面积大，空间利用率不高，现有的用于人机交互的跑步机中，也未曾见有关检测跑步机跑步速度装置的研究。因此，为了满足用户日益增长的需求，十分有必要开发出一种室内占地面积小且适用范围广、能测速的万向跑步机。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种用于确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万向运动装置，解决上述现有技术问题中一个或多个。根据本专利技术的一个方面，提供了一种确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：随用户运动而转动的球体，球体转动上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台，N个等距分布于球体同一个圆周上的测向机构，N≥3且为自然数，测向机构包括固定于地面的主体架构，与主体构架连接的弹簧，与弹簧连接的摩擦杆以及设于摩擦杆上的第一触头和设于主体架构内壁的第二触头，其中：摩擦杆与弹簧固定连接的一端悬空，另一端与球体接触并在球体运动时与球体表面产生摩擦力，摩擦杆在摩擦力作用下产生运动；第二触头一直保持静止状态，且能与第一触头接触、接触时接通电路。由此，在合适刚度的弹簧制约下，摩擦杆与球体之间的滑动摩擦力拉动摩擦杆，在拉动过程中摩擦杆上的第一触头与第二触头接触，使得电路接通通电；有电信号产生的测向机构为有效的测向机构，可根据有效测向机构所在方位来确定用户运动方向。在一些实施方式中，主体架构包括与地面固定的固定机构，以及与固定机构固定的套筒，弹簧置于套筒内，第二触头置于套筒内壁上。由此，主体架构作为测向机构的主体装置，相对于地面处于静止状态，套筒一端固定于主体架构上使得套筒能悬空置于地面与球体表面之间的空隙，其中套筒与主体架构的固定方式可采用现有技术常用固定方式，如螺栓连接、混凝土浇筑、水泥钉固定等方式。在一些实施方式中，第一触头与第二触头设计成相互契合的楔形状，楔形角均为10°；为了便于计算弹簧伸长量，第二触头沿着套筒由内向外的方向分别设有3个触点：第一触点、第二触点和第三触点，这3个触点间隔设置，每两相邻触点之间的间隔相等；第一触头右侧面与第三触点左侧面之间的距离为(λ-1)mm，其中，λ为弹簧形变量。在实际使用过程中，由于摩擦表面不均匀等问题的出现，在两个触头间的契合量(距离)小于等于1mm都认为是在误差范围内允许的正确数据结果。在一些实施方式中，摩擦杆与球体之间的夹角为7°～90°，夹角是以摩擦杆与球体接触点与球心形成的线为始边，绕球心逆时针旋转至竖直方向时所形成的角。由此，保证球体与摩擦杆之间产生的滑动摩擦力能对摩擦杆产生拉力作用，因为当夹角小于7°或大于90°时，无论球体如何转动，都不能拉动摩擦杆。在一些实施方式中，还包括数据处理装置，所述数据处理装置分别与第一触点、第二触点连通，对接收到的电信号进行分析处理。具体地，数据处理装置可以为计算机，也可以为载有算法的处理器。在一些实施方式中，根据以下方法判断用户的运动方向：根据形成电信号的测向机构所在方向和弹簧形变量大小，通过方向合成判断出球体运动方向，球体运动方向的反方向即为用户运动方向。利用上述系统确定运动方向的原理在于，在合适刚度弹簧制约下，当球体在用户运动后，作用在摩擦杆末端的动摩擦力不会进行变化，所以只要球体表面的摩擦因子不变化的话，该处的摩擦力就是固定的，这里假设其摩擦力为F摩擦杆，那么弹簧刚度的计算公式如公式1.1所示：上式中：c：弹簧的刚度；F：弹簧所受的载荷；λ：弹簧在受载荷F时所产生的变形量；G：弹簧材料的切变模量；d：弹簧丝直径；D：弹簧直径；n：弹簧有效圈数；C：弹簧的旋绕比(又称为弹簧指数C＝D/d)。既然F摩擦杆是固定的，那么F也是固定的，而且弹簧变形量λ也可以按照多次试验的最佳结果来进行设定，那么弹簧的刚度也是确定的，根据该刚度，可以得出合适的弹簧旋绕比、有效圈数以及根据弹簧材料的切变模量来确定该弹簧所使用的材料。其中，弹簧形变量λ是由实验的最佳结果来进行设定的，那么只要满足以下条件即可：(1)第一触头位于弹簧右侧，且其所处的位置应大于弹簧未变形时的长度；(2)第一、二触头(第一触点、第二触点、第三触点)依次按照从左到右的顺序放置(即按照套筒由内向外的顺序)；(3)第二触点左侧与第三触点左侧的距离为其中，c为弹簧刚度，F摩擦杆为摩擦杆所受到的摩擦力，θ是两个测向装置之间夹角的一半。其中，第一、二触点之间的间隙与第二、三触点之间的间隙相等；第三触点位于套筒内且距套筒口有一定的距离，第一触头右侧面与第三触点左侧面的距离为(λ-1)mm。在一些实施方式中，还包括M个等距分布于球体同一个圆周上的测速机构，M≥3且为自然数；其中，测速机构包括：从动轮，底端与球体接触并随球体运动而滚动，顶端固定于主体架构上；以及传感器，固定于从动轮上，用于记录从动轮转动圈数，计数信息由数据处理装置记录并处理。由此，通过记录从动轮转动圈数，可以计算出从动轮运动位移，从而量化用户的运动位移。在一些实施方式中，测速机构根据以下公式计算用户的运动速度：其中，r为从动轮半径，t为运动时间，nm为第m个从动轮随球体转动的圈数，M≥m≥3且m、M均为自然数，θm为从x轴正向以逆时针方向到第m个从动轮所在方向之间的夹角。根据本专利技术的另一方面，提供了一种万向运动装置，其包括上述的确定用户运动速度和运动方向的系统，使球体与地面脱离的支撑机构，以及设于球体运动平台四周的安全装置。在一些实施方式中，支撑机构为位于球体下方的支撑底座或位于球体下方使得球体悬浮的悬浮系统。具体地，支撑机构为支撑底座时，支撑底座设有放置球体的容腔，容腔与球体大小匹配且球体可在容腔内转动，容腔设有至少三个放置槽，每一个放置槽内放置一个用于支撑球体并随球体转动的滚子球。支撑机构为悬浮系统时，可以采用现有的磁悬浮系统、光悬浮系统、声悬浮系统、气流悬浮系统、电悬浮系统或者粒子束悬浮系统，承载球体使其脱离地面。由此，便于用户在运动平台上跑步时，能轻松实现球体万向转动，值得说明的是，此处的脱离是指，与地面距离微小使用户不足以明显感觉到间隙的存在而又没有接触到地面。在一些实施方式中，安全装置包括扶手及用于固定扶手的立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，包括：/n随用户运动而转动的球体(1)，所述球体(1)转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台(11)；/nN个等距分布于所述球体(1)同一个圆周上的测向机构(2)，N≥3且为自然数，所述测向机构(2)包括固定于地面(8)的主体架构(21)，与所述主体构架(21)连接的弹簧(22)，与所述弹簧(22)连接的摩擦杆(23)以及设于所述摩擦杆(23)上的第一触头(24)和设于所述主体架构(21)内壁的第二触头(25)，其中：/n所述摩擦杆(23)与弹簧(22)固定连接的一端悬空，另一端与球体(1)接触并在球体(1)运动时与球体(1)表面产生摩擦力，摩擦杆(23)在摩擦力作用下产生运动；第一触头(24)随摩擦杆(22)运动时能与第二触头(25)接触，接触时产生电信号；以及/n数据处理装置，所述数据处理装置接收电信号并对其进行分析处理。/n

【技术特征摘要】
20180919 CN 20181109192031.确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，包括：
随用户运动而转动的球体(1)，所述球体(1)转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台(11)；
N个等距分布于所述球体(1)同一个圆周上的测向机构(2)，N≥3且为自然数，所述测向机构(2)包括固定于地面(8)的主体架构(21)，与所述主体构架(21)连接的弹簧(22)，与所述弹簧(22)连接的摩擦杆(23)以及设于所述摩擦杆(23)上的第一触头(24)和设于所述主体架构(21)内壁的第二触头(25)，其中：
所述摩擦杆(23)与弹簧(22)固定连接的一端悬空，另一端与球体(1)接触并在球体(1)运动时与球体(1)表面产生摩擦力，摩擦杆(23)在摩擦力作用下产生运动；第一触头(24)随摩擦杆(22)运动时能与第二触头(25)接触，接触时产生电信号；以及
数据处理装置，所述数据处理装置接收电信号并对其进行分析处理。


2.根据权利要求1所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述主体架构(21)包括与地面(8)固定的固定机构(211)，以及与固定机构(211)固定的套筒(212)，所述弹簧(22)置于所述套筒(212)内，所述第二触头(25)置于所述套筒(212)内壁。


3.根据权利要求2所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述第一触头(24)与第二触头(25)设计成相互契合的楔形状，楔形角为10°；第二触头(25)沿着套筒(212)由内向外的方向分别设有第一触点(251)、第二触点(252)和第三触点(253)，第一触头(24)与第三触点(253)之间的间隙为(λ-1)mm，其中，λ为弹簧形变量。


4.根据权利要求3所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述摩擦杆(23)与...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴悦明，鄢鑫，何汉武，杨贤，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44