CN104906750B - 一种全方位跑步机及具有该跑步机的游戏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全方位跑步机及具有该跑步机的游戏系统，所述跑步机包括支撑系统，设置于所述支撑系统上的控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，及供操作者在其内跑动的载体；所述驱动系统、所述转向系统和所述动态平衡传感系统均与所述控制系统相连接；所述控制系统根据所述动态平衡传感系统采集的操作者在所述载体内的重心偏移信息控制所述驱动系统和所述转向系统，并通过所述驱动系统和所述转向系统使所述跑步机与操作者的跑步方向以及速度相适应。

Description

一种全方位跑步机及具有该跑步机的游戏系统

技术领域

本发明涉及一种跑步机及游戏系统，尤其涉及一种全方位跑步机及具有该跑步机的游戏系统。

背景技术

市场上的跑步机多存在由于跑步机的跑步平面设置成矩形状，使得人跑步的方向只能沿一个方向进行，不能满足虚拟现实游戏操作者的使用要求。

所以，市场上出现了全向跑步机。全向跑步机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，涉及全向跑步机方案主要有以下几种：

一种是采用大传送带嵌套方向垂直的小传送带的方式，其优点是控制简便，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；其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。并且，其边缘没有保护措施，当使用者踩在边缘位置很容易引发摔倒的风险。

还有一种方案是通过操作者脚底在一个平面上面的滑动，来模拟实际行走，该方案的缺点是操作者需要换鞋，且腰部有环形束缚，不能下蹲，强烈的影响了操作者在虚拟现实游戏中的沉浸感。

此外，现有的跑道式跑步机都是单向的跑道式跑步机，其全身的走动跑步动作都不能映射在游戏里，功能较为单一，不能满足虚拟现实游戏的使用要求。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种全方位跑步机及具有该跑步机的游戏系统。

本发明公开了一种全方位跑步机，其包括支撑系统，设置于所述支撑系统上的控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，及供操作者在其内跑动的载体；所述驱动系统、所述转向系统和所述动态平衡传感系统均与所述控制系统相连接；所述控制系统根据所述动态平衡传感系统采集的操作者在所述载体内的重心偏移信息控制所述驱动系统和所述转向系统，并通过所述驱动系统和所述转向系统使所述跑步机与操作者的跑步方向以及速度相适应。

根据一个优选的实施方式，所述支撑系统包括在底部设有多个移动轮子的支撑平台；在所述支撑平台的中部设置有承重柱；在所述承重柱两侧的所述支撑平台上对称设置有升降箱；并且在所述升降箱两端分别安装有一可沿垂直方向上下移动的升降杆，球体支撑板铰接于所述升降杆的顶端，用于跑步机停止时固定所述载体。

根据一个优选的实施方式，所述转向系统包括转向电机和转向齿轮；其中，所述转向电机固定在所述支撑系统中的支撑平台上；并且所述转向电机的轴心齿轮与通过轴承连接在所述支撑系统中的承重柱上的所述转向齿轮相啮合。所述转向电机的电机轴与连接至所述控制系统的编码器相连接，所述编码器用于将所述转向电机的运行状态反馈至所述控制系统。

根据一个优选的实施方式，还包括平衡调整系统，所述平衡调整系统包括承重平台和半圆柱支撑；所述半圆柱支撑包括设置于所述承重平台底部的半圆柱形构件和两端封闭的半管状部件，所述半管状部件的内圆弧与所述半圆柱形构件的外圆弧相匹配；所述半圆柱形构件可转动的卡合在所述半管状部件的内圆弧内，使所述承重平台能够绕所述半管状部件转动。

根据一个优选的实施方式，所述平衡调整系统通过支撑柱固定至所述转向系统中的转向齿轮；所述支撑柱一端与所述平衡调整系统中的半管状部件连接固定，另一端固定在所述转向系统中的转向齿轮上。

根据一个优选的实施方式，在所述承重平台宽度方向的两端设置有至少两个用于安装横向轴的固定座；在所述横向轴的两端安装有用于驱动所述载体的、由内嵌于轮子内的所述驱动系统中的驱动电机驱动的驱动轮；所述驱动电机的电机轴与编码器相连接，所述编码器用于将所述驱动电机的运行状态反馈至所述控制系统；在所述承重平台长度方向的两端设置有至少两个用于支撑弧形板的支撑弹簧。

根据一个优选的实施方式，所述动态平衡传感系统中的加速度传感器及陀螺仪设置于位于所述平衡调整系统中弧形板中部下表面的电路板上；所述驱动电路、所述编码器、所述加速度传感器及所述陀螺仪连接至所述控制系统中的中央处理器。

根据一个优选的实施方式，所述载体通过万向球与所述平衡调整系统中的弧形板相接；所述万向球设置于所述平衡调整系统中的弧形板长度方向的两端。

根据一个优选的实施方式，所述载体为一中空球体；所述中空球体包括由多条结构相同的弧形构件及节点固定件组合形成的球形骨架和敷设于所述球形骨架上的曲面板；在所述曲面板上设置有贯穿所述中空球体内外的、直径小于0.7厘米的孔洞和缝隙；并且在所述中空球体上设置有与所述中空球体铰链连接的门，所述门的曲率和球体的曲率一样，所述门上安装有能够从内、外均能开启的锁具；在门四周设置有和所述锁具联动的插销，所述插销可伸入中空球体门洞侧面。

本发明还涉及一种游戏系统，所述游戏系统包括上述全方位跑步机和与所述全方位跑步机连接的虚拟头戴式游戏主机；所述虚拟头戴式游戏主机根据所述跑步机采集到的操作者重心的偏移信息，使虚拟头戴式游戏中虚拟角色的行动在速度和方向上和操作者一致。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过动态平衡传感系统采集载体内操作者的重心偏移信息，并将采集到的信息传递给控制系统，控制系统根据采集到的操作者在载体内的重心偏移信息控制驱动系统和转向系统，并通过驱动系统和转向系统使跑步机与操作者的跑步方向和速度相适应；操作者在中空球体内运动，可以防止其在跑步时摔倒发生危险；另外，本发明的跑步机还可以与游戏系统相配合，使虚拟头戴式游戏中虚拟角色的行动在速度和方向上和操作者一致，实现娱乐与运动相结合。

附图说明

图1、图2、图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明中A-A剖面结构示意图；

图5、图6为本发明半圆柱支撑的结构示意图；

图7为本发明中空球体球形骨架结构示意图；

图8为本发明中B-B剖面结构示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-载体，2-驱动轮，3-弧形板，4-万向球，5-电路板，6-弹簧，7-固定座，8-半圆柱形构件，9-横向轴，10-转向齿轮，11-半管状部件，12-转向电机，13-支撑平台，14-移动轮子，15-升降箱，16-升降杆，17-球体支撑板，18-承重平台，19-承重柱，20-支撑柱，21-轮毂，22-侧板，23-节点固定件，24-弧形构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1至4所示，其示出了一种全方位跑步机。一种全方位跑步机，其包括支撑系统，设置于支撑系统上的控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，及供操作者在其内跑动的载体1。

驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统均与控制系统相连接。控制系统根据动态平衡传感系统采集的操作者在载体1内的重心偏移信息控制驱动系统和转向系统，并通过驱动系统和转向系统使跑步机与操作者的跑步方向以及速度相适应。

支撑系统包括在底部设有多个移动轮子14的支撑平台13。通过移动轮子14可以使整个跑步机移动，便于跑步机位置的更换。

在支撑平台13的中部设置有承重柱19。在承重柱19两侧的支撑平台13上对称设置有升降箱15。在升降箱15两端分别安装有一可沿垂直方向上下移动的升降杆16。球体支撑板17铰接于升降杆16的顶端，升降杆16和球体支撑板17用于跑步机停止时固定载体1，使载体1在停止运行时不能随意滚动。在跑步机停止时，升降杆16升起使球体支撑板17与载体1相接触，支撑载体1，防止人进出载体1时，因为弹簧6的位移，发生摔跤或跌倒。在跑步机运行时，升降杆16下降，球体支撑板17脱离载体1，以防止跑步机运行时载体1相碰撞，妨碍载体1的运动。

转向系统包括转向电机12和转向齿轮10。转向电机12固定在支撑系统中的支撑平台13上。转向电机12的轴心齿轮与通过轴承连接在支撑系统中的承重柱19上的转向齿轮10相啮合。转向电机12可以带动转向齿轮10转动，进而使跑步机与操作者的跑步方向相适应。转向电机12的电机轴与编码器相连接，同时，编码器连接至控制系统，编码器用于将转向电机12的运行状态反馈至控制系统。

进一步的，本发明全方位跑步机还包括平衡调整系统。平衡调整系统包括承重平台18和半圆柱支撑。如图5、图6所示，半圆柱支撑包括设置于承重平台18底部的半圆柱形构件8和两端封闭的半管状部件11。半管状部件11的内圆弧与半圆柱形构件8的外圆弧相匹配。半圆柱形构件8可转动的卡合在半管状部件11的内圆弧内，使承重平台18能够绕半管状部件11转动。如图5、图6所示，半圆柱形构件8为减轻重量可以为半管状结构，即可以是圆管沿其轴向剖开的一半。半圆柱形构件8扣合在承重平台18的底面，在承重平台18底面形成外表面光滑的弧形凸起。半管状部件11为圆管沿轴向剖开的一半，圆管内圆的一半形成内圆弧，弧形凸起光滑的外表面与半圆状部件11的内圆弧面紧密贴合。半管状部件11两端通过侧板22封合。在半管状部件11的内圆弧内添加润滑剂。半圆柱形构件8的弧形凸起与半管状部件11的内圆弧相配合，使半圆柱形构件8能够绕半管状部件11的内圆弧的弧面转动，进而使承重平台18能够绕半管状部件11转动。当载体1内操作者重心发生偏移时，可以通过承重平台18绕半管状部件11的转动使跑步机与操作者的动作相适应。

平衡调整系统通过支撑柱20固定至转向系统中的转向齿轮10。支撑柱20一端与平衡调整系统中的半管状部件11连接固定，另一端固定在转向系统中的转向齿轮10上。

在承重平台18宽度方向的两端设置有至少两个用于安装横向轴9的固定座7。在横向轴9的两端安装有用于驱动载体1的、由内嵌于轮子内的驱动系统中的驱动电机驱动的驱动轮2。驱动轮2与载体1相接触，用于支撑并驱动载体1。

驱动轮2内有制动装置和轮毂21。驱动轮2外圈是可充气轮胎。驱动轮2的驱动电机在向前直线转动时，转速一致，但在转向时速度不一样。当载体1内操作者速度发生变化时，驱动系统中的驱动电机驱动驱动轮2，使跑步机与操作者的速度相适应。驱动电机的电机轴与编码器相连接，同时，编码器连接至控制系统，编码器用于将驱动电机的运行状态反馈至控制系统。

在承重平台18长度方向的两端设置有至少两个用于支撑弧形板3的支撑弹簧6。弧形板3在靠近长度方向两端的位置与弹簧6相连接。载体1重心前移时，弹簧6受力变形，发出反方向的力，平衡载体1向前的力。

动态平衡传感系统中的加速度传感器及陀螺仪设置于位于平衡调整系统中弧形板3中部下表面的电路板5上。加速度传感器及陀螺仪连接至控制系统中的中央处理器。

陀螺仪和加速度传感器收集弧形板3的倾斜角度变化的数据，并将数据输入控制系统，控制系统通过运算后经过驱动电路对驱动轮内的电机和转向电机发出相应的控制指令。

载体1通过万向球4与平衡调整系统中的弧形板3相接。万向球4设置于平衡调整系统中的弧形板3长度方向的两端。

载体1为一中空球体。中空球体包括由多条结构相同的弧形构件24及节点固定件23组合形成的球形骨架和敷设于球形骨架上的曲面板。在曲面板上设置有贯穿中空球体内外的、直径小于0.7厘米的孔洞和缝隙。在中空球体上设置有与中空球体铰链连接的门，门的曲率和球体的曲率一样。

门上安装有能够从内、外均能开启的锁具。在门四周设置有和锁具联动的插销，插销可伸入中空球体门洞侧面。

当直线向前运行时，中空球体重心前移，带动弧形板3和下面的电路板5向前倾斜，陀螺仪和加速度传感器收集弧形板3的倾斜角度变化的数据，并将数据输入控制系统，控制系统通过运算后经过驱动电路发出指令，驱动轮2转动，带动中空球体转动。

转向时，中空球体向左或右倾斜，同样驱动轮2也同步倾斜，电路板5也同样倾斜，陀螺仪和加速度传感器收集弧形板3的倾斜角度变化的数据，并将数据输入控制系统，控制系统通过运算后经过驱动电路发出指令，转向电机12带动转向齿轮10转动，进而带动承重平台18旋转到横向轴9和倾斜方向垂直的地方，又进行直线方向的运行。

本发明还提供了一种游戏系统，游戏系统包括上述全方位跑步机和与全方位跑步机连接的虚拟头戴式游戏主机。虚拟头戴式游戏主机根据跑步机采集到的操作者重心的偏移信息，使虚拟头戴式游戏中虚拟角色的行动在速度和方向上和操作者一致。本游戏系统可以用于部队士兵的训练，士兵可以在负重的情况下，在跑步机内，结合虚拟现实头盔和游戏武器设备，把士兵带到一个虚拟的环境，看到听到的是一个虚拟的环境，可以和队友合作训练作战，包括解救人质，分队对抗等等，增强士兵的作战能力和临场应对能力。本游戏系统还可以用于消防训练、虚拟现实旅游等。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种全方位跑步机，其特征在于，包括支撑系统，设置于所述支撑系统上的控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，及供操作者在其内跑动的载体（1）；

所述驱动系统、所述转向系统和所述动态平衡传感系统均与所述控制系统相连接；

所述控制系统根据所述动态平衡传感系统采集的操作者在所述载体（1）内的重心偏移信息控制所述驱动系统和所述转向系统，并通过所述驱动系统和所述转向系统使所述跑步机与操作者的跑步方向以及速度相适应；

所述支撑系统包括在底部设有多个移动轮子（14）的支撑平台（13）；

在所述支撑平台（13）的中部设置有承重柱（19）；在所述承重柱（19）两侧的所述支撑平台（13）上对称设置有升降箱（15）；

并且在所述升降箱（15）两端分别安装有一可沿垂直方向上下移动的升降杆（16），球体支撑板（17）铰接于所述升降杆（16）的顶端，用于跑步机停止时固定所述载体（1）。

2.根据权利要求1所述的一种全方位跑步机，其特征在于，所述转向系统包括转向电机（12）和转向齿轮（10）；

其中，所述转向电机（12）固定在所述支撑系统中的支撑平台（13）上；并且所述转向电机（12）的轴心齿轮与通过轴承连接在所述支撑系统中的承重柱（19）上的所述转向齿轮（10）相啮合；

所述转向电机（12）的电机轴与连接至所述控制系统的编码器相连接，所述编码器用于将所述转向电机（12）的运行状态反馈至所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种全方位跑步机，其特征在于，还包括平衡调整系统，所述平衡调整系统包括承重平台（18）和半圆柱支撑；

所述半圆柱支撑包括设置于所述承重平台（18）底部的半圆柱形构件（8）和两端封闭的半管状部件（11），所述半管状部件（11）的内圆弧与所述半圆柱形构件（8）的外圆弧相匹配；

所述半圆柱形构件（8）可转动的卡合在所述半管状部件（11）的内圆弧内，使所述承重平台（18）能够绕所述半管状部件（11）转动。

4.根据权利要求3所述的一种全方位跑步机，其特征在于，所述平衡调整系统通过支撑柱（20）固定至所述转向系统中的转向齿轮（10）；

所述支撑柱（20）一端与所述平衡调整系统中的半管状部件（11）连接固定，另一端固定在所述转向系统中的转向齿轮（10）上。

5.根据权利要求3所述的一种全方位跑步机，其特征在于，在所述承重平台（18）宽度方向的两端设置有至少两个用于安装横向轴（9）的固定座（7）；

在所述横向轴（9）的两端安装有用于驱动所述载体（1）的、由内嵌于轮子内的所述驱动系统中的驱动电机驱动的驱动轮（2）；所述驱动电机的电机轴与编码器相连接，所述编码器用于将所述驱动电机的运行状态反馈至所述控制系统；

在所述承重平台（18）长度方向的两端设置有至少两个用于支撑弧形板（3）的支撑弹簧（6）。

6.根据权利要求5所述的一种全方位跑步机，其特征在于，所述动态平衡传感系统中的加速度传感器及陀螺仪设置于位于所述平衡调整系统中弧形板（3）中部下表面的电路板（5）上；

所述驱动电路、所述编码器、所述加速度传感器及所述陀螺仪连接至所述控制系统中的中央处理器。

7.根据权利要求1所述的一种全方位跑步机，其特征在于，所述载体（1）通过万向球（4）与所述平衡调整系统中的弧形板（3）相接；所述万向球（4）设置于所述平衡调整系统中的弧形板（3）长度方向的两端。

8.根据权利要求1至7之一所述的一种全方位跑步机，其特征在于，所述载体（1）为一中空球体；所述中空球体包括由多条结构相同的弧形构件（24）及节点固定件（23）组合形成的球形骨架和敷设于所述球形骨架上的曲面板；

在所述曲面板上设置有贯穿所述中空球体内外的、直径小于0.7厘米的孔洞和缝隙；并且在所述中空球体上设置有与所述中空球体铰链连接的门，所述门的曲率和球体的曲率一样，所述门上安装有能够从内、外均能开启的锁具；在门四周设置有和所述锁具联动的插销，所述插销可伸入中空球体门洞侧面。

9.一种游戏系统，其特征在于，所述游戏系统包括权利要求1至8之一所述的全方位跑步机和与所述全方位跑步机连接的虚拟头戴式游戏主机；

所述虚拟头戴式游戏主机根据所述跑步机采集到的操作者重心的偏移信息，使虚拟头戴式游戏中虚拟角色的行动在速度和方向上和操作者一致。