CN103961840A - 柱元阵列式全向跑步机 - Google Patents

Abstract

一种柱元阵列式全向跑步机，包括行走平台和阵列式全向驱动组件，可用于虚拟现实领域中为用户提供无限的自由行走空间。跑步机的全向驱动组件采用柱元阵列式结构，运转惯性小同时对转弯半径无限制，可准确快速地跟踪用户的运动，可模拟各种复杂地形。柱元的工作传动系统在传动过程中将外部输入动力转换为水平驱动力，提供工作动力；柱元的转向传动系统控制整个工作部分的转向运动，使其配合用户前进的方向。柱元的工作和转向的动力均由外部提供。通过几个不同高度不同倾斜角的行走平台相互拼接，可模拟各种复杂地形中的行走运动及上下台阶运动。通过若干柱元以不同高度组成阵列，可模拟地面上各种复杂的立体结构。

Description

柱元阵列式全向跑步机

技术领域

本发明涉及一种全向跑步机，也称作ODT（Omnidirectional treadmill），可用于虚拟现实领域中为用户在有限的实际空间中提供无限的自由行走空间，尤其是涉及到一种可模拟复杂地形及上下台阶运动的立体全向跑步机。

背景技术

全向跑步机，国际上称为ODT，是指一类水平运动方向可随人的脚步变化的跑步机，它可以为室内用户提供无限的自由行走空间。

目前国际上已有多种ODT方案。

其一是“虚拟行走（Cyberwalk）”计划，该方案采用大传送带嵌套方向垂直的小传送带的方式，优点是控制简便，只需要控制两个方向传送带的运动速度从而形成任意水平方向的合速度；缺点是系统惯性较大，由于小传送带系统整体安装在大传送带上，导致大传送带转动惯性太大，因而缺乏灵活性。为了有效地对人的运动进行跟踪，必须增大整个行走平面的尺寸，这进一步增大了系统惯性。

另一种方案是“虚拟地毯（Cybercarpet）”计划，该方案采用沿垂直轴360度自由旋转的直线传送带配合其上面的滚珠阵列。此方案系统惯性小，同步性较好，但缺点是对虚拟行走路线的转弯半径有限制，当转弯半径过小时，滚珠的滚动会失调，当用户转弯半径较小或者原地转向时，传送带几乎无法实现对前进方向的有效快速跟踪。

另有其它一些ODT实现方案，如活动地板型，球形内面行走型，由于与本专利采用的技术方向完全无关，因此不加赘述。

目前现有方案还无法实现对复杂地形及上下台阶运动的有效模拟。

基于上述现有方案的不足之处，为了开发出动力系统惯性小同时对运动转弯半径无限制的全向跑步机，本发明提出了柱元阵列式全向跑步机，并在此基础上提出了如何对复杂地形及上下台阶运动进行模拟。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足之处，所要解决的技术问题是：开发出一种系统惯性小，转向灵活且可原地转向的全向跑步机，解决转向带来的速度失调问题，并实现对复杂地形及上下台阶运动的模拟。

一种柱元阵列式全向跑步机，包括行走平台和阵列式全向驱动组件。阵列式全向驱动组件由若干个可全向驱动的柱元构成，柱元沿垂直轴放置，其动力由外部的主动力轮和转向动力轮提供，主动力轮带动动力输入轮，带动同轴连接的圆锥齿轮，带动滚动齿轮，此时主动力转动轴已变为水平方向，然后工作滚轮被带动，从而驱动载荷水平运动，在需要转向时，转向动力轮转动一定角度，带动柱元壳体转动一定角度，滚动齿轮和工作滚轮的转轴都固定在柱元壳体上，因而随着柱元壳体一同绕垂直轴转动相同角度，从而完成了工作滚轮的转向运动，采用上述结构，通过外部输入的动力，即可完成工作滚轮的水平滚动和360°自由转动两种运动，实现了全向驱动功能。

作为优选，柱元阵列中两个相同的相邻柱元的动力输入轮之间通过一个动力同步轮相连，实现同步转动，同时，两个柱元壳体之间通过一个转向同步轮相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

作为优选，柱元阵列中两个相邻柱元呈绕垂直轴180°反向放置，两个动力输入轮直接相连，反向转动，从而使得最终输出的两个工作滚轮的转动方向仍然相同，同时，两个柱元壳体之间通过一个转向同步轮相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

作为优选，正反放置的柱元交错均匀排布在行走平面上，使得在载荷与行走平面接触的区域，始终有相同数量的正反两种柱元，因而当柱元阵列转向时，滚动齿轮在圆锥齿轮上滚动造成的工作滚轮速度失调问题可抵消。

作为优选，转向动力轮在带动柱元壳体转向的同时，也带动外部动力装置绕其自身轴整体转动，因而使得外部动力装置所带动的主动力轮也同时加速或减速，使圆锥齿轮与滚动齿轮不发生相对滚动，因而工作滚轮的转速不会偏离预定值，速度失调问题可消除。

作为优选，在行走平面上柱元阵列的间隙位置，安装有可全向转动且阻尼可调的辅助滚珠，用来增加或减少用户脚面在平台上的摩擦力。

作为优选，用户在行走平面上行走时，穿上带有特制鞋底板的鞋，鞋底板由若干梯形棱杆组合而成，梯形棱杆一端有铰链，若干梯形棱杆相互铰接成链状结构，形成特制鞋底板，该鞋底板只能向上弯曲，而无法向上凸起，因而，在遇到行走平面上的各种凸起部件时，特制鞋底板在向上凸起的过程中能将支撑力分散，从而使人脚感到较小的局部支撑力，而当人脚面自然向上弯曲时，梯形结构下端张开，对弯曲无阻碍。

作为优选，用户在行走平面上行走时，身体上固定有刚性支架，支架顶端连有安全绳，安全绳与行走平台外部的动力收紧装置相连，当用户正常行走时安全绳处于松弛状态，当用户即将摔倒时，安全绳收紧，从而避免用户摔倒，在需要时，动力收紧装置可带动安全绳将用户垂直提起离开地面，以制造临空感受。

作为优选，柱元上有弹性转向延迟结构，具体为，转向动力轮带动转向齿环，而转向齿环与柱元壳体之间用若干弹性结构连接，当柱元上有载荷时，柱元壳体被压在基板上无法转动，当载荷撤离，柱元壳体可以自由地与转向齿环同步转动，从而避免了在用户脚接触期间转向导致的速度失调问题，弹性结构可以是弹簧结构也可以是其他弹性物质形成的结构。

作为优选，柱元上有斜面转向延迟结构，具体为，转向动力轮带动斜面转向齿环，当柱元上有载荷时，柱元壳体被压在基板上无法转动，当载荷撤离，柱元壳体下方的升力装置将柱元壳体向上推动，柱元壳体的外台阶有与斜面转向齿环相同角度的斜面，柱元壳体向上运动并沿着斜面发生滑动转动，直到两个斜面完全贴合，柱元壳体停止上升和转动，到达了与斜面转向齿环相同的角度，完成转向运动，从而避免了在用户脚接触期间转向导致的速度失调问题，升力装置可以是弹簧结构也可以是气压或液压等弹性结构或动力机构。两个斜面的接触面可加润滑剂或滚珠来减小滑动摩擦力。

作为优选，柱元可沿着垂直方向上下运动，具体方法是，主动力轮与滑动动力输入轮配合，滑动动力输入轮带动滑动连轴转动，从而带动圆锥齿轮，且滑动动力输入轮可沿轴向自由滑动，同时，转向动力轮与滑动转向输入轮配合，滑动转向输入轮上有若干小孔，可供柱元壳体上的若干滑动杆穿过，从而带动柱元壳体转动，且滑动转向输入轮同时可沿轴向自由滑动，采用上述结构，可实现柱元结构的上下自由伸缩，同时保证主动力轮、滑动动力输入轮、转向动力轮和滑动转向输入轮这四个齿轮的垂直位置不变，以便外部输入动力，底部动力伸缩装置通过轴承带动滑动连轴上下运动来带动整个柱元结构的上下运动，动力伸缩装置可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构，通过若干可上下伸缩的柱元组成的阵列，可以对复杂地形、台阶、地面物体等一定高度的立体结构进行较为真实的模拟。

作为优选，由柱元阵列组成的行走平台下方安装有若干可独立控制的平台升降装置，从而使得行走平台在不同的高度以不同的角度倾斜，平台升降装置可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构，多个带有平台升降装置的行走平台拼接组合，可模拟各种复杂地形中的行走运动及上下台阶运动。

作为优选，柱元中的工作滚轮旁边带有若干个辅助滚轮，可有效增大与载荷的接触面积，滚轮与壳体上表面之间的缝隙处填充有防尘材料，可有效防止杂物进入柱元影响内部工作。

作为优选，每个柱元下方与基板之间有载荷传感器，当柱元上有载荷时，柱元受压下沉，载荷传感器感知到运动或压力从而发出信号，控制系统通过分析整个平台所有载荷传感器的信号，可得出用户脚的所在位置。

本发明有益效果如下。

1）柱元的转向运动和水平滚动两种运动相互独立可控，且柱元内部不含独立的动力装置，所有动力皆由外部输入，因而所述柱元的质量小、结构简单、成本低廉、替换方便、可靠性高。

2）阵列中所有柱元的滚动和转向动力输入轮可连为一体，由统一的外部动力装置来进行驱动，保证了运动的统一性，且控制系统简单、可靠性高。

3）柱元有正反两种放置形式，在转向时可产生相反的速度失调效应，因而可通过正反柱元的均匀混排来从整体上抵消速度失调问题。

4）通过转向延迟结构，可保证当用户脚接触柱元时，转向控制失效，当用户脚撤离时，转向运动才发生，因而防止了速度失调问题对用户的影响。

5）柱元可沿垂直方向上下运动，若干柱元以不同高度组合排列，可对复杂地形、台阶、地面物体等一定高度的立体结构进行较为真实的模拟。

6）行走平台可在不同的高度以不同的角度倾斜，多个可升降和倾斜的行走平台拼接组合，可模拟各种复杂地形中的行走运动及上下台阶运动。

附图说明

图1是基本型柱元的结构拆分示意图。

图2是相邻两个相同柱元的连接方式示意图。

图3是相邻两个相反放置的柱元的连接方式示意图。

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E是采用如图2连接方式的五种典型柱元排列方式示意图。

图5A、图5B是采用如图3连接方式的两种典型柱元排列方式示意图。

图6是外部动力装置与转向机构相连从而消除速度失调问题的示意图。

图7是柱元阵列与辅助滚珠的典型排布方式示意图。

图8是特制鞋底的梯形棱杆外形示意图。

图9是带有梯形棱杆的特制鞋底在行走平面上受支撑和弯曲的情况示意图。

图10A、图10B、图10C、图10D是安全绳系装置在不同状态下的作用示意图。

图11A、图11B、图11C是带有弹性转向延迟结构的柱元在不同情况下的状态示意图。

图12A、图12B、图12C、图12D是带有斜面转向延迟结构的柱元在不同情况下的状态示意图。

图13是上下伸缩型柱元的结构拆分示意图。

图14A、图14B是上下伸缩型柱元的上下运动不同状态示意图。

图15是上下伸缩型柱元组成的阵列形成的典型行走表面示意图。

图16是图15中柱元阵列形成的行走表面对应的抽象化立体网格示意图。

图17是带有升降装置的柱元阵列行走平台示意图。

图18A、图18B、图18C是单个带有升降装置的行走平台模拟不同地形的示意图。

图19是四个带有升降装置的方形行走平台拼接的情况示意图。

图20是七个带有升降装置的六边形行走平台拼接的情况示意图。

图21A、图21B、图21C、图21D、图21E、图21F是六种不同形状行走平台的典型拼接方式示意图。

图22A、图22B、图22C、图22D、图22E是拼接型行走平台模拟不同地形的示意图。

图23A、图23B、图23C、图23D、图23E、图23F、图23G、图23H是拼接型行走平台模拟上台阶运动的连续状态序列示意图。

图24是配有辅助滚轮、载荷传感器和防尘材料的柱元示意图。

图中示意元素及编号：柱元1、主动力轮2、转向动力轮3、动力输入轮4、圆锥齿轮5、滚动齿轮6、工作滚轮7、柱元壳体8、动力同步轮9、转向同步轮10、辅助滚轮11、载荷12、基板13、外部动力装置14、行走平面15、辅助滚珠16、梯形棱杆17、刚性支架18、安全绳19、动力收紧装置20、转向齿环21、弹性结构22、斜面转向齿环23、升力装置24、滑动动力输入轮25、滑动连轴26、滑动转向输入轮27、滑动杆28、动力伸缩装置29、轴承30、行走平台31、平台升降装置32、右脚33、左脚34、防尘材料35、滚动齿轮轴孔36、工作滚轮轴孔37、外部支架38、载荷传感器39。

具体实施方式

柱元阵列式全向跑步机，包括行走平台和阵列式全向驱动组件，实现全向驱动组件的关键是同时实现工作滚轮（7）的滚动和转向独立控制，并防止两种运动产生耦合效应，造成速度失调。在本例中，全向驱动组件采用如图1所示的柱元（1）形式。柱元（1）包括两套齿轮传动系统，一套是工作传动系统，以主动力轮（2）带动动力输入轮（4），带动同轴连接的圆锥齿轮（5），带动滚动齿轮（6），最后带动工作滚轮（7）运动，在传动过程中转动轴由垂直转换为水平，为工作滚轮（7）的滚动提供了动力；另一套是转向传动系统，以转向动力轮（3）带动柱元壳体（8），柱元壳体（8）上有滚动齿轮轴孔（36）和工作滚轮轴孔（37），将带动滚动齿轮（6）和工作滚轮（7）的转轴绕垂直轴旋转一定角度，从而完成了工作滚轮（7）的转向运动。

由图1所示结构实现的全向驱动组件将会导致速度失调问题。原因是，在柱元壳体（8）转向运动中，滚动齿轮（6）的转轴在绕垂直轴转动时，将带动滚动齿轮（6）在圆锥齿轮（5）上产生额外的相对滚动，因而造成滚动齿轮（6）的速度偏离预定值。例如，当柱元壳体（8）沿俯视顺时针（图中箭头所指）方向转动时，将带动滚动齿轮（6）沿图中标有的转动方向加速转动，造成工作滚轮（7）速度增加；当柱元壳体（8）沿俯视逆时针（图中箭头所指相反）方向转动时，将带动滚动齿轮（6）沿图中标有的转动方向减速转动，造成工作滚轮（7）速度减小。上述机理所描述的两套运动之间的耦合作用，导致的工作滚轮（7）的速度增加或减小，即本说明书所定义的速度失调问题。速度失调问题将会影响用户的正常运动，在极端情况下甚至可能导致用户失去平衡而摔倒，因而必须采取措施加以消除。

采用如图1所示的基本型柱元结构，可采用以下方法消除速度失调问题：在柱元壳体（8）转向时，主动力轮（2）也同时加速或减速，使圆锥齿轮（5）与滚动齿轮（6）的相对传动关系不变，因而工作滚轮（7）在转向时的转速不会偏离预定值，速度失调问题可消除。

另有其他一些消除速度失调问题的解决方案，将在下文详细阐述。

图2画出了相邻两个相同柱元的连接方式。两个相同的相邻柱元（1）的动力输入轮（4）之间通过一个动力同步轮（9）相连，同时，两个柱元壳体（8）之间通过一个转向同步轮（10）相连。因而相邻柱元（1）的传动系统（工作传动系统和转向传动系统）连为一体，可以同步控制转向、加减速两种运动。

图3画出了相邻两个相反放置的柱元的连接方式。两个相邻柱元（1）呈绕垂直轴180°对称（分别以√和×两种符号标识，以便下文对两种柱元加以区分），两个动力输入轮（4）直接相连，反向转动的两个动力输入轮（4）带动两个相反放置的柱元（1），因而负负得正，最终输出的两个工作滚轮（7）的转速和方向仍相同；同时，两个柱元壳体（8）之间通过一个转向同步轮（10）相连。因而相邻柱元（1）的传动系统（工作传动系统和转向传动系统）连为一体，可以同步控制转向、加减速两种运动。

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E画出了采用如图2连接方式的五种典型柱元排列方式示意图。

图4A是柱元呈正方形网格排列的一种情况，柱元间沿网格线（图中点划线）方向连接两套传动系统，其中实线表示工作传动系统，虚线表示转向传动系统。

图4B是柱元呈正方形网格排列的另一种情况，柱元间沿网格线偏45°方向连接两套传动系统，相邻四个柱元间共用一个动力同步轮（9）或转向同步轮（10）。

图4C中柱元呈三角形网格排列，相邻三个柱元间共用一个动力同步轮（9）或转向同步轮（10），同时动力同步轮（9）和转向同步轮（10）交替排列而不重叠以节省空间。

图4D中柱元呈三角形网格排列，相邻三个柱元间共用一个转向同步轮（10），同一行柱元的动力输入轮（4）间沿点划线用若干动力同步轮（9）相连，不同行柱元的动力输入轮（4）间由主动力轮（2）直接连接，因而所有柱元动力输入轮（4）转动方向相同，最终输出的所有工作滚轮（7）的转速和方向相同。

图4E中柱元呈三角形网格排列，相邻三个柱元间共用一个转向同步轮（10），同一行柱元的动力输入轮（4）间沿点划线用若干动力同步轮（9）相连，不同行柱元的动力输入轮（4）间由两个主动力轮（2）间接连接，相邻行中柱元的动力输入轮（4）转动方向相反，此时应采用正反柱元交替成行排列，关于正反放置的定义见图3，以√符号代表正向放置柱元，以×符号代表反向放置柱元。例如，可采用如下策略：第一行柱元全部采取正向放置（图中标有√符号的柱元），第二行柱元全部采取180°反向放置（图中标有×符号的柱元），第三行又全部正向放置（图中标有√符号的柱元），因而负负得正，最终输出的所有工作滚轮（7）的转速和方向仍相同。

图5A、图5B画出了采用如图3连接方式的两种典型柱元排列方式示意图，都是正方形网格排列。

图5A中柱元间沿网格线方向连接转向传动系统，而动力输入轮（4）直接相连，间隔反向的动力输入轮（4）与间隔反向放置的柱元（在图中以√和×符号表示正反放置的柱元）相互配合，负负得正，最终输出的所有工作滚轮（7）的转速和方向仍相同。

图5B中柱元间沿网格线偏45°方向连接转向传动系统，而动力输入轮（4）直接相连，间隔反向的动力输入轮（4）与间隔反向放置的柱元（在图中以√和×符号表示正反放置的柱元）相互配合，负负得正，最终输出的所有工作滚轮（7）的转速和方向仍相同。

需要强调的是，当采用如图4E、图5A、图5B所描绘的柱元排列方式，正反放置的柱元交错均匀排布在行走平面上。若柱元足够小，排列足够紧密，使得在载荷与行走平面接触的区域，始终有几乎相同数量的正反两种柱元。当柱元阵列转向时，相邻的柱元产生的速度失调方向相反，因而相互抵消，整体上呈现的效果是速度失调问题被抵消掉了。这是速度失调问题的一种解决方案。

图6画出了外部动力装置（例如图中所示的电动机）与转向机构相连的示意图。转向动力轮（3）在带动柱元壳体（8）转向的同时，也带动外部动力装置（14）绕其自身轴整体转动，因而使得外部动力装置（14）所带动的主动力轮（2）也同时加速或减速，使圆锥齿轮（5）与滚动齿轮（6）不发生相对滚动，因而工作滚轮（7）的转速不会偏离预定值。这是速度失调问题的另一种解决方案。

图7画出了柱元阵列与辅助滚珠的典型排布方式。在行走平面（15）上柱元（1）阵列的间隙位置，安装有可全向转动且阻尼可调的辅助滚珠（16），用来增加或减少用户脚面在平台上的摩擦力。

图8画出了特制鞋底的梯形棱杆外形。梯形棱杆（17）横截面为梯形，一端有两个长铰链。

图9画出了带有梯形棱杆的特制鞋底在行走平面上受支撑和弯曲的情况。若干梯形棱杆（17）相互铰接成链状结构，附着在用户鞋底形成特制鞋底板，该鞋底板只能向上弯曲，而无法向上凸起，因而，在遇到行走平面上的各种凸起部件时，在向上凹起的过程中能将支撑力分散，从而使人脚感到较小的局部支撑力，因而让人感觉不到脚面相对于行走平面的运动，提高了模拟行走的真实性；而当人脚面自然向上弯曲时，梯形结构下端张开，对弯曲无阻碍。

图10A、图10B、图10C、图10D画出了安全绳系装置在不同状态下的作用。用户在行走平面（15）上行走时，身体上固定有刚性支架（18），支架顶端连有安全绳（19），安全绳（19）与动力收紧装置（20）相连，动力收紧装置（20）安装在外部支架（38）上。

图10A中用户处于正常行走状态，则安全绳（19）处于松弛状态；图10B中系统为了给用户制造临空感受，或类似失重的感受，安全绳（19）收紧，用户被提起离开地面；图10C和图10D中用户处于向前或向后即将摔倒的状态，安全绳（19）收紧给歪斜的人体提供支撑，从而避免用户摔倒。

在其他一些场景下，安全绳（19）可以给用户提供一定方向的作用力，来模拟虚拟环境中的力的作用。

下面介绍另外两种解决速度失调问题的方案：弹性转向延迟结构方案和斜面转向延迟结构方案。

图11A、图11B、图11C画出了带有弹性转向延迟结构的柱元的工作情况。

图11A中柱元（1）上有载荷（12），转向齿环（21）与柱元壳体（8）之间有若干弹性结构（22）连接，此时弹性结构（22）接近最小变形状态。

图11B描绘了带载转向的情况，带载转向时柱元的转向运动被隔离和延迟。转向动力轮（3）带动转向齿环（21）转动一定角度，而柱元壳体（8）被压在基板（13）上无法转动，此时弹性结构（22）被拉长。特别地，为了防止弹性结构（22）变形量过大而失效损坏，又必须保证柱元360°自由转向不受限制，故转向齿环（21）的转动范围设定为±180°较为合理，这种情况下转动范围刚好覆盖整个圆周，且弹性结构（22）的最大变形量最小。

图11C描绘了空载转向的情况，空载时柱元壳体（8）可随着转向齿环（21）自由转向。在载荷（12）撤离的瞬间，柱元壳体（8）随之上升离开基板（13），如果此时转向齿环（21）与柱元壳体（8）存在角度差，弹性结构（22）将迅速恢复至最小变形状态，弹性力带动柱元壳体（8）转动，完成在带载时被延迟的转向任务。

弹性转向延迟结构简单可靠，保证了用户脚踩范围的柱元不会发生转向，而当脚离开后会自动完成转向，因而消除了速度失调问题对用户的影响。弹性结构（22）可以是弹簧结构也可以是其他弹性物质形成的结构，需要注意的是弹性结构（22）变形量往往比较大，且动作频繁，对弹性结构（22）的材料性能要求较高。

图12A、图12B、图12C、图12D画出了带有斜面转向延迟结构的柱元的工作情况。斜面转向齿环（23）的斜面与柱元壳体（8）外台阶的斜面角度相同，因而在升力装置（24）的升力作用下有一起运动的趋势，当空载时，柱元壳体（8）可随着斜面转向齿环（23）自由转向。两个斜面的接触面可以自由滑动，可加润滑剂或滚珠来减小摩擦力。

图12A中柱元（1）上有载荷（12），柱元壳体（8）被向下压紧在基板（13）上。

图12B中，斜面转向齿环（23）随着转向动力轮（3）转动了180°（也可以是其他任意角度），而柱元壳体（8）仍被压紧在基板（13）上不发生转动。

图12C中，载荷（12）撤离，柱元壳体（8）在升力装置（24）的作用下上升一定距离，两个斜面开始接触。

图12D中，在升力装置（24）的作用下，柱元壳体（8）继续上升，开始沿着斜面转向齿环（23）的斜面发生滑动并开始转动，直到转过180°，两个斜面完全贴合，转动停止，完成了带载时被延迟的转向任务。

斜面转向延迟结构同样是通过延迟柱元转向来消除了速度失调问题对用户的影响。斜面转向延迟结构较为复杂，但其优点是对斜面转向齿环（23）的转动范围没有限制，且斜面会自动沿着圆周中较短的弧线来滑动恢复。升力装置（24）可以是弹簧结构也可以是气压或液压等弹性结构或动力机构。

图13画出了上下伸缩型柱元的拆分结构。其中主动力轮（2）与滑动动力输入轮（25）配合，滑动动力输入轮（25）带动滑动连轴（26）转动，从而带动圆锥齿轮（5），且滑动动力输入轮（25）可沿轴向自由滑动，同时，转向动力轮（3）与滑动转向输入轮（27）配合，滑动转向输入轮（27）上有若干小孔，可供柱元壳体（8）上的若干滑动杆（28）穿过，从而带动柱元壳体（8）转动，且滑动转向输入轮（27）同时可沿轴向自由滑动。

由图14A和图14B可以看出，柱元工作部分在上下伸缩的过程中，主动力轮（2）、滑动动力输入轮（25）、转向动力轮（3）和滑动转向输入轮（27）这四个齿轮的垂直位置不变，以便外部输入动力。柱元的上下运动由动力伸缩装置（29）通过轴承（30）带动滑动连轴（26）上下运动来实现。动力伸缩装置（29）可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构。

图15画出了上下伸缩型柱元组成的阵列形成的典型行走表面。阵列中部分柱元上升，且高度不同，因而形成了复杂的三维地面结构，其抽象化立体网格如图16所示。

由图16可以看出，行走表面形成了一个小台阶和一个平地上的凸起，这说明利用上下伸缩型柱元阵列可以对复杂地形、台阶、地面物体等一定高度的立体结构进行较为真实的静态和动态模拟，因而可实现复杂地形运动、上下台阶运动、地面物体互动等高级模拟。

图17画出了带有升降装置的柱元阵列行走平台。柱元（1）阵列组成的行走平台（31）下方安装有若干可独立控制的平台升降装置（32），从而使得行走平台（31）在不同的高度以不同的角度倾斜。平台升降装置（32）可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构。若采用图15中的方案制成带有升降装置的上下伸缩柱元阵列行走平台，则可进一步提高复杂地形的模拟能力。

图18A画出了一个带有升降装置的行走平台在平地行走模式下工作的情况，此时前后两端的平台升降装置（32）高度相同。

图18B画出了一个带有升降装置的行走平台在上坡行走模式下工作的情况，此时前端平台升降装置（32）高度较高，后端平台升降装置（32）高度较低。

图18C画出了一个带有升降装置的行走平台在下坡行走模式下工作的情况，此时前端平台升降装置（32）高度较低，后端平台升降装置（32）高度较高。

多个带有平台升降装置（32）的行走平台（31）组成拼接型行走平台，可模拟各种复杂地形中的行走运动及上下台阶运动。若采用图15中的方案制成带有升降装置的上下伸缩柱元阵列拼接型行走平台，则可进一步提高复杂地形的模拟能力。

图19画出了四个带有升降装置的方形行走平台拼接的情况。

图20画出了七个带有升降装置的六边形行走平台拼接的情况，这是一种中心对称式拼接方案，中心的为主行走平台，四周的为辅助行走平台。一般情况下用户只在主行走平台上运动，只有当用户快速改变运动状态或模拟复杂地形时，才需要用到辅助行走平台。

图21A、图21B、图21C、图21D、图21E、图21F画出了其他六种典型的中心对称式拼接方案。

图22A、图22B、图22C、图22D、图22E分别画出了用户在拼接型行走平台上模拟低洼、山顶、山谷、山脊及一般曲面等复杂地形的行走情况。

图23A、图23B、图23C、图23D、图23E、图23F、图23G、图23H画出了拼接型行走平台模拟用户上台阶运动的连续状态序列。

图23A为初始静止状态，用户右脚（33）（图中以空心三角形表示）在前，用户左脚（34）（图中以实心三角形表示）在后，两块行走平台（31）前高后低形成一个台阶。

图23B中用户抬起右脚（33）放在台阶上，行走平台保持静止。

图23C中用户左脚（34）离开行走平面，载荷传感器感应到用户左脚离地，系统开始准备执行上台阶运动程序。

图23D中前面的行走平台（31）下降，同时开始向后传送用户右脚（33）。

图23E中前面的行走平台（31）下降到与后面的行走平台（31）相同的高度，此时用户的右脚（33）刚到达两个行走平台（31）的接缝之处，因而能无阻碍的通过接缝到达后面的行走平台（31）上。此时前后两个行走平台（31）以相同速度向后传送用户的右脚（33）。

图23F中用户的右脚（33）已经运动到后面的行走平台（31）上，此时用户的左脚（34）仍保持悬空状态。

图23G中用户左脚（34）抬起跨向高处，与此同时前面的行走平台（31）迅速升高，以构建下一个台阶。

图23H中用户左脚（34）到达新一级台阶高度，与此同时前面的行走平台（31）也到达新一级台阶高度，用户左脚（34）顺利踩上新一级台阶，此时左脚（34）在前，右脚（33）在后。

按照上面的规律依次类推，可持续模拟上台阶运动。下台阶运动同理可模拟，不再赘述。

图24画出了柱元可配置的一些辅助结构。柱元（1）中的工作滚轮（7）旁边带有辅助滚轮（11），可有效增大与载荷（12）的接触面积；滚轮与壳体上表面之间的缝隙处填充有防尘材料（35），可有效防止杂物进入柱元影响内部工作；每个柱元（1）下方与基板（13）之间有载荷传感器（39），当柱元上有载荷（12）时，柱元（1）受压下沉，载荷传感器（39）感知到运动或压力从而发出信号，控制系统通过分析整个平台所有载荷传感器（39）的信号，可迅速得出用户脚的所在位置，进一步可用来分析人体受力情况和平衡状态，以便采取应对措施。

以上对本发明实施例的多种选型方案进行了描述，但是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的设计思想和构思的基础上仍可以作出其他变型或者改型，应当说，这样一些变型或改型都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柱元阵列式全向跑步机，包括行走平台和阵列式全向驱动组件，其特征是：阵列式全向驱动组件由若干个可全向驱动的柱元（1）构成，柱元（1）沿垂直轴放置，其动力由外部的主动力轮（2）和转向动力轮（3）提供，主动力轮（2）带动动力输入轮（4），带动同轴连接的圆锥齿轮（5），带动滚动齿轮（6），此时主动力转动轴已变为水平方向，然后工作滚轮（7）被带动，从而驱动载荷水平运动，在需要转向时，转向动力轮（3）转动一定角度，带动柱元壳体（8）转动一定角度，滚动齿轮（6）和工作滚轮（7）的转轴都固定在柱元壳体（8）上，因而随着柱元壳体（8）一同绕垂直轴转动相同角度，从而完成了工作滚轮（7）的转向运动，采用上述结构，通过外部输入的动力，即可完成工作滚轮（7）的水平滚动和360°自由转动两种运动，实现了全向驱动功能。

2.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：两个相同的相邻柱元（1）的动力输入轮（4）之间通过一个动力同步轮（9）相连，实现同步转动，同时，两个柱元壳体（8）之间通过一个转向同步轮（10）相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

3.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：两个相邻柱元（1）呈绕垂直轴180°反向放置，两个动力输入轮（4）直接相连，反向转动，从而使得最终输出的两个工作滚轮（7）的转动方向仍然相同，同时，两个柱元壳体（8）之间通过一个转向同步轮（10）相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

4.根据权利要求3所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：正反放置的柱元（1）交错均匀排布在行走平面上，使得在载荷与行走平面接触的区域，始终有相同数量的正反两种柱元（1），因而当柱元阵列转向时，滚动齿轮（6）在圆锥齿轮（5）上滚动造成的工作滚轮（7）速度失调问题可抵消。

5.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：转向动力轮（3）在带动柱元壳体（8）转向的同时，也带动外部动力装置（14）绕其自身轴整体转动，因而使得外部动力装置（14）所带动的主动力轮（2）也同时加速或减速，使圆锥齿轮（5）与滚动齿轮（6）不发生相对滚动，因而工作滚轮（7）的转速不会偏离预定值，速度失调问题可消除。

6.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：用户在行走平面（15）上行走时，穿上带有特制鞋底板的鞋，鞋底板由若干梯形棱杆（17）组合而成，梯形棱杆（17）一端有铰链，若干梯形棱杆（17）相互铰接成链状结构，形成特制鞋底板，该鞋底板只能向上弯曲，而无法向上凸起，因而，在遇到行走平面上的各种凸起部件时，特制鞋底板在向上凸起的过程中能将支撑力分散，从而使人脚感到较小的局部支撑力，而当人脚面自然向上弯曲时，梯形结构下端张开，对弯曲无阻碍。

7.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：柱元（1）上有弹性转向延迟结构，具体为，转向动力轮（3）带动转向齿环（21），而转向齿环（21）与柱元壳体（8）之间用若干弹性结构（22）连接，当柱元（1）上有载荷（12）时，柱元壳体（8）被压在基板（13）上无法转动，当载荷（12）撤离，柱元壳体（8）可以自由地与转向齿环（21）同步转动，从而避免了在用户脚接触期间转向导致的速度失调问题，弹性结构（22）可以是弹簧结构也可以是其他弹性物质形成的结构。

8.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：柱元（1）上有斜面转向延迟结构，具体为，转向动力轮（3）带动斜面转向齿环（23），当柱元（1）上有载荷（12）时，柱元壳体（8）被压在基板（13）上无法转动，当载荷（12）撤离，柱元壳体（8）下方的升力装置（24）将柱元壳体（8）向上推动，柱元壳体（8）的外台阶有与斜面转向齿环（23）相同角度的斜面，柱元壳体（8）向上运动并沿着斜面发生滑动转动，直到两个斜面完全贴合，柱元壳体（8）停止上升和转动，到达了与斜面转向齿环（23）相同的角度，完成转向运动，从而避免了在用户脚接触期间转向导致的速度失调问题，升力装置（24）可以是弹簧结构也可以是气压或液压等弹性结构或动力机构。

9.根据权利要求1所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：柱元（1）可沿着垂直方向上下运动，具体方法是，主动力轮（2）与滑动动力输入轮（25）配合，滑动动力输入轮（25）带动滑动连轴（26）转动，从而带动圆锥齿轮（5），且滑动动力输入轮（25）可沿轴向自由滑动，同时，转向动力轮（3）与滑动转向输入轮（27）配合，滑动转向输入轮（27）上有若干小孔，可供柱元壳体（8）上的若干滑动杆（28）穿过，从而带动柱元壳体（8）转动，且滑动转向输入轮（27）同时可沿轴向自由滑动，采用上述结构，可实现柱元结构的上下自由伸缩，同时保证主动力轮（2）、滑动动力输入轮（25）、转向动力轮（3）和滑动转向输入轮（27）这四个齿轮的垂直位置不变，以便外部输入动力，底部动力伸缩装置（29）通过轴承（30）带动滑动连轴（26）上下运动来带动整个柱元结构的上下运动，动力伸缩装置（29）可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构，通过若干可上下伸缩的柱元（1）组成的阵列，可以对复杂地形、台阶、地面物体等一定高度的立体结构进行较为真实的模拟。

10.根据权利要求1或9所述的柱元阵列式全向跑步机，其特征是：由柱元（1）阵列组成的行走平台（31）下方安装有若干可独立控制的平台升降装置（32），从而使得行走平台（31）在不同的高度以不同的角度倾斜，平台升降装置（32）可以是电动伸缩机构，也可以是气压或液压等其他伸缩机构，多个带有平台升降装置（32）的行走平台（31）拼接组合，可模拟各种复杂地形中的行走运动及上下台阶运动。