CN104801014A - 用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车。单车本体上装有速度检测装置和电磁阻尼反馈装置，单车本体后部安装有用于作为从动轮的配重轮，与单车本体脚踏相连的主动轮经皮带与配重轮传动连接；速度检测装置包括霍尔传感器，霍尔传感器安装在单车皮带传动机构的配重轮上；电磁阻尼反馈装置包括用于在配重轮中产生感应磁场的电磁铁，电磁铁装在单车机壳上，并位于配重轮圆周侧面。本发明可用于虚拟现实体验，让骑行健身者在健身骑行时进行虚拟场景体验，经历不同场景下骑行难度的变化；将骑行场景中的坡度带来的骑行感受实时反馈给骑行健身者，让骑行健身者轻松达到健身塑形的效果，转移运动压力，带给骑行健身者身心愉悦感。

Description

用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车

技术领域

本发明涉及一种力反馈单车，尤其涉及了一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality：VR)技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。虚拟现实技术通过利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供给骑行健身者包括视觉、听觉、触觉等在内的各种直观而又自然的实时感知交互体验，与此同时，骑行健身者可以主动、不受限制地观察三维空间内的事物。

作为虚拟现实技术的重要应用，虚拟骑行健身日渐兴起。现有的虚拟骑行健身装置往往只是将健身房的普通动感单车和3D虚拟现实眼镜结合起来使用，两者之间缺乏互动，各自独立工作。这会导致在骑行健身时，当虚拟场景发生变化，骑行健身者身体上无法感受到相应的反馈，因而具有沉浸感低，体验差的问题。

发明内容

针对现有虚拟骑行健身装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，为骑行健身者提供力反馈功能，再配合虚拟现实技术与3D虚拟现实头盔可让骑行健身者在骑行健身时具有高度的沉浸感以及身临其境般的运动体验。

本发明为实现上述功能，采用的技术方案是：

本发明包括骑行健身的单车本体，单车本体上装有速度检测装置和电磁阻尼反馈装置，单车本体后部安装有用于作为从动轮的配重轮，与单车本体脚踏相连的主动轮经皮带与配重轮传动连接；速度检测装置包括霍尔传感器，霍尔传感器安装在单车皮带传动机构的配重轮上；电磁阻尼反馈装置包括用于在配重轮中产生感应磁场的电磁铁，电磁铁装在单车机壳上，并位于配重轮圆周侧面。

所述的皮带传动机构在主动轮与配重轮之间的传动比为1：15。

所述的配重轮为铁质圆盘，电磁铁的铁芯材料为电磁纯铁。

所述的霍尔传感器安装在单车皮带传动机构的配重轮边缘。

所述的电磁铁包括线圈和铁芯，铁芯与配重轮之间存在气隙，电磁铁的安匝数采用以下方式计算确定：

       $\mathrm{NI}=\frac{8\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{d}^2}\sqrt{\frac{30\mathrm{\ρlT}}{n(r^2-{(r-\mathrm{\Δ})}^2)}}$

其中，T为对配重轮施加的电磁阻尼，N为电磁铁的线圈匝数，I为电磁铁线圈中的通电电流强度，μ₀为真空磁导率，d为电磁铁的铁芯直径，δ为铁芯与配重轮之间的气隙厚度，r为配重轮的半径，l为配重轮的厚度，n为配重轮的转速，ρ为配重轮的电阻率，Δ为感应磁场在配重轮中的平均等透入深度。

所述的感应磁场在配重轮中的平均等透入深度Δ采用以下公式计算：

       $\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ\ω}}}$

其中，ρ为配重轮的电阻率，μ为配重轮的磁导率，ω为磁场变化角频率。

所述的磁场变化角频率ω采用以下公式计算：

       $\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$

其中，n为配重轮的转速。

本发明的有益效果是：

1、本发明可用于虚拟现实体验，让骑行健身者在骑行健身时经历不同场景下骑行难度的变化，带给用户前所未有的骑行体验，同时转移运动压力，带给骑行健身者身心愉悦感。

2、本发明可用于虚拟骑行健身，力反馈单车能够将虚拟骑行场景中坡度、风阻等骑行阻力变化带来的骑行感受实时反映给骑行健身者，从而带来身临其境般的运动体验。

附图说明

图1是本发明力反馈单车结构图。

图2是力反馈单车中配重轮与主动轮局部结构图。

图中：1、单车本体，2、霍尔传感器，3、配重轮，4、电磁铁，5、皮带，6、主动轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括骑行健身的单车本体1，单车本体1上装有速度检测装置和电磁阻尼反馈装置，单车本体1后部安装有用于作为从动轮的配重轮3，如图2所示，与单车本体1脚踏相连的主动轮6经皮带5与配重轮3传动连接，皮带5连接在主动轮4与配重轮6之间传动；速度检测装置包括霍尔传感器2，霍尔传感器2安装在单车皮带传动机构的配重轮3上；电磁阻尼反馈装置包括用于在配重轮3中产生感应磁场的电磁铁4，电磁铁4装在单车机壳上，并位于配重轮3圆周侧面。

皮带传动机构的主动轮6与配重轮3之间的传动比为1：15。

配重轮3为铁质圆盘，电磁铁4的铁芯材料为电磁纯铁。

霍尔传感器2安装在单车皮带传动机构的配重轮3边缘。

电磁铁4包括线圈和铁芯，铁芯与配重轮3之间存在气隙，电磁铁4中的安匝数采用以下公式计算确定：

       $\mathrm{NI}=\frac{8\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{d}^2}\sqrt{\frac{30\mathrm{\ρlT}}{n(r^2-{(r-\mathrm{\Δ})}^2)}}$

其中，T为对配重轮3施加的电磁阻尼，N为电磁铁4的线圈匝数，I为电磁铁4线圈中的通电电流强度，μ₀为真空磁导率，d为电磁铁4的铁芯直径，δ为铁芯与配重轮3之间的气隙厚度，r为配重轮3的半径，l为配重轮3的厚度；n为配重轮3的转速，ρ为配重轮3的电阻率，Δ为感应磁场在配重轮3中的平均等透入深度。

上述感应磁场在配重轮3中的平均等透入深度Δ采用以下公式计算：

       $\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ\ω}}}$

其中，ρ为配重轮3的电阻率，μ为配重轮3的磁导率，ω为磁场变化角频率。

上述磁场变化角频率ω采用以下公式计算：

       $\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$

其中，n为配重轮3的转速。

本发明电磁阻尼装置的力反馈控制过程如下：

配重轮3中生成磁场的磁感应强度与电磁铁4对配重轮3施加的电磁阻尼之间的关系采用以下公式，通过设定的骑行阻力即需要施加的电磁阻尼得到配重轮3中需要生成磁场的磁感应强度：

       $B=\frac{1}{\mathrm{\πr}}\sqrt{\frac{30\mathrm{\ρT}}{\mathrm{nl}(r^2-{(r-\mathrm{\Δ})}^2)}}$

其中，B为配重轮3中生成磁场的磁感应强度，T为对配重轮3施加的电磁阻尼，r为配重轮3的半径，n为配重轮3的转速，ρ为配重轮3的电阻率，Δ为感应磁场在配重轮3中的平均等透入深度。

再通过电磁铁4的通电电流强度控制配重轮3与铁芯配合产生的感应磁场，电磁铁4线圈中的通电电流强度与在配重轮3中产生的感应磁场的磁感应强度之间的关系为以下公式：

       $I=\frac{8\mathrm{\δrlB}}{N{\mathrm{\μ}}_0{d}^2}$

其中，I为电磁铁4线圈中的通电电流强度，B为电磁铁4在配重轮3中产生的感应磁场的磁感应强度，N为电磁铁4的线圈匝数，μ₀为真空磁导率，d为电磁铁4的铁芯直径，δ为铁芯与配重轮3之间的气隙厚度，r为配重轮3的半径，l为配重轮3的厚度。

本发明的具体实施过程及工作原理：

电磁铁4通电后在配重轮3周围产生磁场；骑行健身者在力反馈单车上踩踏脚踏带动主动轮旋转，进而通过皮带传动机构带动配重轮高速旋转；配重轮为铁质圆盘，在高速旋转过程中切割电磁铁产生磁场的磁感线，进而在其内部形成感应电动势；感应电动势在配重轮中驱动产生涡流，从而生成电磁阻尼模拟虚拟骑行场景中对应的坡度、风阻等骑行阻力。

在本实施例中，电磁铁4的铁芯材料选用电磁纯铁DT4C，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，电磁铁4的铁芯直径d＝0.02m，铁芯与配重轮3之间的气隙厚度δ＝1mm，配重轮3的半径r＝0.1m，配重轮3的厚度l＝0.01m。配重轮3的电阻率ρ＝10^-7Ω·m，配重轮3的磁导率μ＝0.01H/m。

在本实施例的力反馈控制中，若虚拟骑行场景要求力反馈单车提供的最大电磁阻尼为T_max＝30N·m，力反馈单车的最大骑行速度为v_max＝10m/s，则计算得到配重轮3的转速n＝1230rpm，磁场变化角频率ω＝130rad/s，进一步得到感应磁场在配重轮3中的平均等透入深度Δ＝4×10^-4m。令T＝T_max，得到配重轮3中的感应磁场强度为B＝0.9564T，电磁铁4的安匝数NI＝15229A。

由此，在电磁铁4的设计中，线圈的匝数和通电电流强度的乘积满足15229A就可以满足虚拟骑行场景对力反馈控制的要求。

本发明力反馈单车中，主体结构去除了典型动感单车中的显示屏幕，骑行健身者骑行本发明单车时，头戴3D虚拟现实头盔，力反馈单车与虚拟现实头盔连接，虚拟骑行场景的呈现在虚拟现实头盔中完成，骑行阻力能够根据虚拟骑行场景中的路况通过电磁阻尼的形式实时反馈给骑行健身者，从而带给骑行健身者完全的沉浸体验，具有显著的技术效果。

Claims (7)

1.一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，包括骑行健身的单车本体(1)，其特征在于：单车本体(1)上装有速度检测装置和电磁阻尼反馈装置，单车本体(1)后部安装有用于作为从动轮的配重轮(3)，与单车本体(1)脚踏相连的主动轮(6)经皮带(5)与配重轮(3)传动连接；速度检测装置包括霍尔传感器(2)，霍尔传感器(2)安装在单车皮带传动机构的配重轮(3)上；电磁阻尼反馈装置包括用于在配重轮(3)中产生感应磁场的电磁铁(4)，电磁铁(4)装在单车机壳上，并位于配重轮(3)圆周侧面。

2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的皮带传动机构在主动轮(6)与配重轮(3)之间的传动比为1：15。

3.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的配重轮(3)为铁质圆盘，电磁铁(4)的铁芯材料为电磁纯铁。

4.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的霍尔传感器(2)安装在单车皮带传动机构的配重轮(3)边缘。

5.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的电磁铁(4)包括线圈和铁芯，铁芯与配重轮(3)之间存在气隙，电磁铁(4)的安匝数采用以下方式计算确定：

$\mathrm{NI}=\frac{8\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{d}^2}\sqrt{\frac{30\mathrm{\ρlT}}{n(r^2-{(r-\mathrm{\Δ})}^2)}}$

其中，T为对配重轮(3)施加的电磁阻尼，N为电磁铁(4)的线圈匝数，I为电磁铁(4)线圈中的通电电流强度，μ₀为真空磁导率，d为电磁铁(4)的铁芯直径，δ为铁芯与配重轮(3)之间的气隙厚度，r为配重轮(3)的半径，l为配重轮(3)的厚度，n为配重轮(3)的转速，ρ为配重轮(3)的电阻率，Δ为感应磁场在配重轮(3)中的平均等透入深度。

6.根据权利要求5所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的感应磁场在配重轮(3)中的平均等透入深度Δ采用以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ\ω}}}$

其中，ρ为配重轮(3)的电阻率，μ为配重轮(3)的磁导率，ω为磁场变化角频率。

7.根据权利要求6所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车，其特征在于：所述的磁场变化角频率ω采用以下公式计算：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$

其中，n为配重轮(3)的转速。