CN107050775A - 一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机，包括机械结构部分和虚拟现实系统，所述机械结构部分包括外部支撑架、攀岩机本体框架，在攀岩机本体框架包括内部支撑架，在内部支撑架上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条和多个横板，在攀岩机本体框架的横板上设置有多个攀岩抓手，所述抓手可沿横板横向滑移，在攀岩机本体框架上设有用于实现攀岩抓手路径变换的路径变更装置。本攀岩机能完成攀岩机传动过程中攀岩抓手的路径变更与复位，同时能保证在用户攀岩过程中整机角度倾斜与锁死的，其具有的虚拟现实攀岩系统可以使用户在攀岩过程中产生沉浸式体验，趣味性强。

Description

一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机

技术领域

本发明涉及运动健身模拟设备领域及其沉浸式系统领域，具体地指一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机。

背景技术

攀岩集健身、娱乐和竞技于一体，并能充分满足人们要求回归自然寻求刺激，从中挑战自然和挑战自我的欲望，正因为这种独有的登临高处的征服感，使攀岩运动在发展过程中吸引了无数攀岩爱好者。根据其攀岩场地的不同，主要分为室外攀岩运动和室内攀岩运动。

2016年8月5日，国际奥委会第129次全会表决通过攀岩等5个大项进入2020年东京奥运会，从此攀岩将成为奥运会唯一的攀爬类项目。中国已从2016年开始进行了新一轮的攀岩运动推广普及工作，并在各类学校中开展推广攀岩运动，用于补充国内短缺的攀岩运动人才。由此可见，攀岩运动正在中国国内如火如荼地发展着。但是由于室外攀岩运动对于攀岩场地和攀岩技巧要求较高，因此贴合大众的室内攀岩运动将会成为广大新兴攀岩爱好者的选择。

室内攀岩运动的活动载体分为室内攀岩机和室内攀岩墙壁。目前国内的室内攀岩机只有仿照国外的履带格式攀岩机和家用小型脚踏式攀岩机。前者因为质量不稳定与攀爬方式单一少有人问津，后者仅仅是家用脚踏机器导致攀岩体验性太低。其他的室内攀岩机想法都存在眼高手低的情况，仍无法解决路径变换与变幅角度限制的问题。

而国外的室内攀岩运动已有了近而二十年的发展，但其室内攀岩馆的主题仍然是攀岩墙。从2010年初美国已有几家登山器械公司开始着手研究适用于攀岩爱好者的室内攀岩机，其中的Treadwall室内攀岩机是普及度最广的攀岩机，其属于履带格式攀岩机，利用人体重力的方式带动履带的转动，以少量的电能支持用户在攀岩机上一直连续攀爬，但其仍然无法解决路径固定与变幅角度太小的问题。类似的还有美国Climb Station公司生产的新型室内攀岩机，其采用类三角形的背部设计，初步解决了变幅角度的问题，但依然存在路径固定与无变幅保护的问题。

总体上来说当前国际上的室内攀岩运动普遍存在代入感不强、攀岩形式单调的问题，难以给予攀岩爱好者真实的攀岩体验与攀岩乐趣。而在2016年火爆兴起的虚拟现实技术给予了解决这种问题的一种新的手段。

虚拟现实技术(VR)是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的学科交叉前沿技术和研究领域。虚拟现实技术能通过人为建模十分真实地展示出各种不同的场景，用户足不出户就可以达到在不同场景游玩的沉浸式体验。

由于地形限制无法参与到室外攀岩运动中，又因为室内攀岩运动的局限性，运用虚拟现实技术的沉浸式体育在室内攀岩行业中得到了越来越大的重视。虽然当今世界上几大著名体育公司都在致力于移动沉浸式体育健身产品的开发，但世界沉浸式体育健身运动行业仍处于起步阶段，仅仅是在固定式体育健身器材上得到了一定程度的应用，移动式的体育健身比如攀岩、游泳和球类运动等暂时没有任何实质上的VR产品。虚实同步问题依然是移动VR体育的重大难题，虽已有数家公司尝试通过感应手套和物体感应器基本完成虚实同步的状况，不过效果并不是特别优秀。当今存在一些VR攀岩游戏，其只能通过手套捕捉到手部动作，而无法提供真实的攀岩抓手的感觉，仅仅在虚拟场景中表现了逼真的攀岩场景，实际体验感较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种有多种攀岩路径的基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机。

本发明所采用的技术方案为：一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机，包括机械结构部分和虚拟现实系统，所述机械结构部分包括外部支撑架和攀岩机本体框架，所述攀岩机本体框架安设在外部支撑架上，在攀岩机本体框架包括内部支撑架，在内部支撑架上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条和多个平行于攀岩机本体框架横向的横板，各链条与链轮及链轮轴对应配置，且各链条设置在内部支撑架的两侧位置，各横板相互紧邻固定于各链条上，随链条循环转动，在攀岩机本体框架的横板上设置有多个攀岩抓手，所述抓手可沿横板横向滑移，在攀岩机本体框架上设有用于实现攀岩抓手路径变换的路径变更装置。

按上述技术方案，所述攀岩机转动机构的整体传动是依靠攀爬者自身重力以及攀爬时作用在攀岩机上的力进行传动，所述链轮轴的转速通过攀岩机液压控制系统控制。

按上述技术方案，所述攀岩机本体框架的两侧通过轴承与外部支撑架相连，所述外部支撑架还通过支撑变幅装置与攀岩机本体框架相连，以实现攀岩机本体框架摆动角度的调节。

按上述技术方案，所述攀岩机液压控制系统包括与上部链轮轴相连接的传动齿轮、齿轮泵、油箱、三位四通电磁阀、比例节流阀、PLC控制系统和流量传感器，所述传动齿轮与齿轮泵上的齿轮相啮合，所述齿轮泵的吸油口与油箱相连，排油口通过三位四通电磁阀与比例节流阀相连，所述比例节流阀通过流量传感器与油箱相连，所述PLC控制系统与比例节流阀和流量传感器相连。

按上述技术方案，在内部支撑架上设置有三根链轮轴，所述三根链轮轴呈钝角三角形布置，使链条呈钝角三角形布置。

按上述技术方案，在所述横板上设有倒T型滑槽，所攀岩抓手包括顶部抓手块、中部倒T型滑块和底部铁质凸块，所述攀岩抓手通过中部倒T型滑块可以在横板的T型滑槽内横向滑移，在横板的两侧分别设置有防止攀岩抓手滑出的限位块。

按上述技术方案，所述路径变更装置包括背部抓手变更机构、正面抓手固定轨道、底部抓手复位轨道和攀岩抓手存储区，所述正面抓手固定轨道位于攀岩机本体框架的正面，所述底部抓手复位轨道位于攀岩机本体框架底部朝向攀岩机本体框架的背部方向，所述背攀岩抓手存储区位于横板两侧被攀岩机外部框架所包容的区域，所述背部抓手变更机构位于攀岩机背部倒三角形的上方。

按上述技术方案，所述背部抓手变更机构位于攀岩机本体框架的背部偏上位置，包括抓手推出机构和抓手定位机构；所述抓手推出机构包括在内部支撑架上设置的多个固定板，所述固定板位于横板的内侧，且与横板平行设置，固定板的两侧固设有推拉式电磁铁，所述推拉式电磁铁与在攀岩抓手底部设置的铁质凸块相对应，由电机驱动推拉式电磁铁将攀岩抓手从攀岩抓手存储区推向横板内部，所述抓手定位机构包括在固定板上间隔设置的多个吸盘式电磁铁，其用于初步定位被抓手推出机构推出的攀岩抓手。

按上述技术方案，在每个吸盘式电磁铁的两侧对应设置有防磁挡板。

按上述技术方案，所述正面抓手固定轨道为多个，所述攀岩抓手底部设置的铁质凸块能滑入正面抓手固定轨道内，用于约束其横向自由度，各正面抓手固定轨道沿攀岩机本体框架横向方向设置，所述每条正面抓手固定轨道从上至下为依次相连的Y字型滑轨、直线滑轨和弧形滑轨，所述Y字型滑轨顶端设有包容区域，用于矫正初步固定后的攀岩抓手的位置，所述直线滑轨与吸盘式电磁铁共线，当攀岩抓手位于直线滑轨区域时，由于T型槽横板上竖直方向位移与垂直方向位移的限制，联合直线滑轨上水平方向位移的限制，实现了六个自由度的限制，当攀岩抓手沿直线滑轨到达弧形滑轨时，沿其滑行轨道运动即可到达攀岩机本体框架的背部，所述弧形滑轨与底部抓手复位轨道相连。

按上述技术方案，所述底部抓手复位轨道的数量与正面抓手固定轨道的数量一一对应，并对应相连，每个所述底部抓手复位轨道包括回转滑轨和复位滑轨，所述回转轨道为倾斜设置的弯折型轨道，部分回转轨道向攀岩机本体框架的一侧弯折倾斜，其余部分回转轨道向攀岩机本体框架的另一侧弯折倾斜，所述复位滑轨与回转轨道光滑过渡连接，所述复位滑轨的尾端朝向横板的一端或另一端，且各个复位滑轨的路径长度不同，使每个攀岩抓手回到攀岩抓手存储区的位置不一样。

按上述技术方案，所述支撑变幅装置包括外部支撑架和攀岩机本体框架，所述攀岩机本体框架的两侧通过轴承与外部支撑架相连，在外部支撑架的两侧对称设置的蜗轮蜗杆机构、第一变幅连杆和第二变幅连杆，所述蜗轮蜗杆机构安设在外部支撑架上，两蜗轮蜗杆机构的蜗轮套装在第一变幅旋杆的两端，所述第一变幅旋杆横向安设在外部支撑架上，所述第一变幅连杆的上端与第一变幅旋杆相固连，下端与第二变幅连杆相铰接，所述第二变幅连杆与攀岩机本体框架的下端相铰接，用于实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。

按上述技术方案，所述蜗轮蜗杆机构包括变幅连杆座立式轴承、蜗杆、蜗轮和电机，所述变幅连杆座立式轴承用于支撑蜗杆，蜗杆与电机的输出轴相连，所述蜗杆与蜗轮相配置。

按上述技术方案，攀岩机还配置有安全防护装置。

按上述技术方案，所述安全防护装置包括防护垫软板和安全防护绳，所述防护垫板安设在外部支撑架的最下方，并位于攀岩机本体框架攀岩区的下方，所述安全防护绳固结在外部支撑架的最上方。

按上述技术方案，还包括信息系统，所述信息系统包括用户攀岩运动信息检测模块、用户身体健康信息检测模块、信息对比及反馈模块、上传共享模块。

按上述技术方案，用户攀岩运动信息检测模块用于检测用户攀岩过程中的攀岩高度、攀岩时间和攀岩速度，包括安装在链轮上的感应磁铁、感应器和主机码表。

按上述技术方案，所述用户身体健康信息检测模块用于检测用户的心率、血压和呼吸频率参数，其包括运动手环。

本发明所取得的有益效果为：

1、与现有的室内攀岩机相比较，本攀岩机的虚拟现实攀岩系统可以使用户在攀岩过程中产生沉浸式体验，本室内攀岩机采用齿轮泵作为传动方式，通过人体的自身重力完成攀岩过程中攀岩机的传动功能，在节省电力的同时实现了传动与用户攀爬的同步性，并能完成攀岩机传动过程中攀岩抓手的路径变更与复位，同时能保证在用户攀岩过程中整机角度倾斜与锁死的，其自带的安全防护模块也可以足够保证用户和机器的安全。

2、通过信息系统能在攀岩过程中读取用户的攀岩数据等信息，在通过和标准健康数据指标比照后，得出可以网络共享的对应于用户的健康报告，使室内攀岩运动更具真实性、趣味性和多元信息性。

附图说明

图1为本发明的整机外部示意图；

图2为本发明的整机内部左视图；

图3为本发明的整机外部正视图；

图4为本发明的液压系统回路图；

图5为本发明的T型槽横板示意图；

图6为本发明的T型槽横板左视图；

图7为本发明的背部抓手变更机构示意图；

图8为本发明的正面抓手固定轨道示意图；

图9为本发明的底部抓手复位轨道示意图；

图10为本发明的支撑变幅模块示意图；

图11为本发明的虚拟现实系统架构总图；

图12位本发明的路径变更算法程序框图。

图中：1—攀岩机本体框架、2—外部支撑架、3—铸钢座立式轴承、4—变幅旋杆、5—蜗轮蜗杆机构、6—第一变幅连杆、7—第二变幅连杆、8—T型槽横板、9—攀岩抓手、10—防护软垫板、11—链条、12—推拉式电磁铁、13—链轮、14—内部支撑架、15—正面轨道固定杆、16—链轮轴、17—油箱、18—滤油器、19—齿轮泵、20—安全阀、21—三位四通电磁阀、22—回油管道、23—比例节流阀、24—PLC控制系统、25—流量传感器、26—吸盘式电磁铁、27—吸盘电磁铁固定板、28—Y字型滑轨、29—直线滑轨、30—弧形滑轨、31—回转滑轨、32—复位滑轨、33—变幅连杆座立式轴承、34—蜗杆、35—蜗轮、36—电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-10所示，本实施例提供了一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机，包括机械结构部分、虚拟现实系统。

所述机械结构部分包括攀岩机本体框架1和外部支撑架2，所述攀岩机本体框架1安设在外部支撑架2上，攀岩机本体框架1包括内部支撑架14，在内部支撑架14上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架1外围方向竖向循环转动的链条11和多个平行于攀岩机本体框架横向的横板8，在内部支撑架14上设置有三根链轮轴16及三对链轮13，所述三根链轮轴16呈钝角三角形布置，各链条11与链轮13及链轮轴16对应配置，使攀岩机本体框架1背部呈钝角三角形状。各链条11设置在内部支撑架14的两侧位置，并通过外壳防护。各横板8相互紧邻固定于各链条11上，链条11通过K型链结附件与横板8固定连接，实现机器上横板8的循环运动，在攀岩机本体框架的上设有多个攀岩抓手9，所述攀岩抓手9配置在横板8上，在所述横板8上设有倒T型滑槽，所攀岩抓手9包括顶部抓手块、中部倒T型滑块和底部铁质凸块，所述攀岩抓手9通过中部倒T型滑块可以在横板8的T型滑槽内横向滑移，在横板8的两侧分别设置有防止攀岩抓手滑出的限位块。

所述攀岩机转动机构的整体传动是依靠攀爬者自身重力以及攀爬时作用在攀岩机上的力进行循环传动，所述链轮轴16的转速通过攀岩机液压控制系统控制。

所述攀岩机液压控制系统包括与上部链轮轴相连接的传动齿轮、油箱17、滤油器18、齿轮泵19、安全阀20、三位四通电磁阀21、回油管道22、比例节流阀23、PLC控制系统24和流量传感器25，所述齿轮泵19的吸油口通过滤油器18与油箱17相连，排油口通过三位四通电磁阀21与比例节流阀相连，所述比例节流阀23通过流量传感器25与油箱相连，所述PLC控制系统24与比例节流阀23和流量传感器25相连。所述传动齿轮与齿轮泵上的齿轮相啮合，其中齿轮泵19由攀岩者人体自重带动整机的轮轴轴及传动齿轮转动，作为机械能输入驱动后，从油箱17中吸油。油液经滤油器18进入齿轮泵19，油液在泵腔中从入口低压到泵出口高压。安全阀20可使多余流量流回油箱。三位四通电磁阀21用于控制液压油流向。油液通过比例节流阀23与流量传感器25，传感器将反馈信号传递给PLC控制系统24，其通过数据分析来控制比例节流阀23，并带动步进电机调节阀口大小，实现流量调节。最后液压油经过回油管道22排回油箱。

本实施例中，为了进一步增强攀爬者的体验乐趣，所述路径变更装置包括背部抓手变更机构、正面抓手固定轨道、底部抓手复位轨道和攀岩抓手存储区，所述正面抓手固定轨道位于攀岩机本体框架的正面，所述底部抓手复位轨道位于攀岩机本体框架底部朝向攀岩机本体框架的背部方向，所述攀岩抓手存储区位于横板8两侧被攀岩机外部框架所包容的区域，所述背部抓手变更机构位于攀岩机背部倒三角形的上方。

所述背部抓手变更机构位于攀岩机本体框架1的背部偏上位置，包括抓手推出机构和抓手定位机构；所述抓手推出机构包括在内部支撑架14上设置的3个固定板27，所述固定板27位于横板8的内侧，且与横板8平行设置，固定板27的两侧固设有推拉式电磁铁12，所述推拉式电磁铁12与在攀岩抓手底部设置的铁质凸块相对应，由电机驱动推拉式电磁铁12将攀岩抓手9从T型槽横板8的两侧推向其内部，同时在推拉式电磁铁的前端设置了弧形的包容区域，用于解决攀岩抓手因受力不均而卡死的问题。所述抓手定位机构包括在固定板27上间隔设置的5个吸盘式电磁铁26，其用于将被抓手推出机构推出的攀岩抓手9进行初步定位，在每个吸盘式电磁铁的两侧对应设置有防磁挡板。当攀岩抓手9被推出机构推出后，系统通过预设不同路径模式，使推拉式电磁铁在预设时间进行推出动作，并控制单片机调整吸盘电磁铁26的通断电顺序，进行对在T型槽横板8上的攀岩抓手9的瞬时吸附工作，由此完成对于攀岩抓手9的初步定位，其具体工作原理为：吸盘电磁铁26工作电路分为低压控制电路和高压工作电路两部分，单片机给低压控制电路输出高电平，使高压工作电路闭合，推拉式电磁铁12吸合，推动攀岩抓手9，单片机给低压控制电路输出低电平，使高压工作电路断开，推拉式电磁铁12回复；每块吸盘电磁铁固定板27上都装有五个吸盘电磁铁26，每块吸盘电磁铁26与每条直线滑轨29共线，其通过与内部支撑架相固结完成机器内的固定。

所述正面抓手固定轨道为5个，所述攀岩抓手9底部设置的铁质凸块能滑入正面抓手固定轨道内，用于约束其横向自由度，各正面抓手固定轨道沿攀岩机本体框架横向方向设置，所述每条正面抓手固定轨道从上至下为依次相连的Y字型滑轨28、直线滑轨29和弧形滑轨30，所述Y字型滑轨28用于矫正初步固定后的攀岩抓手9的位置，所述直线滑轨29与吸盘式电磁铁26共线。Y字型滑轨28是正面抓手固定轨道的第一部分，当攀岩抓手9随T型槽横板8向前运动到正面区域后，将经过设置有一个“Y”型包容区域的Y字型滑轨28，用于矫正初步固定后的攀岩抓手9的位置。由于攀岩抓手9在抓手推出机构中，多个吸盘电磁铁26的瞬时通电对其位置产生了干扰，此时的攀岩抓手9大多都不与直线滑轨29共线，此时攀岩抓手9沿Y型包容区域的边缘向前运动后，即可回到与正面竖直滑轨对齐共线的地方；直线滑轨29是正面抓手固定轨道的第二部分，当攀岩抓手9沿Y字型滑轨28到达该滑轨时，由于T型槽横板8上竖直方向位移与垂直方向位移的限制，联合直线滑轨29上水平方向位移的限制，实现了六个自由度的限制，由此实现二次固定攀岩抓手9的位置；弧形滑轨30是正面抓手固定轨道的第三部分，弧形滑轨30设计为圆弧形，当攀岩抓手9沿直线滑轨29到达该滑轨时，其沿弧形轨道运动即可到达攀岩机的背部，该弧形滑轨30与背部的复位轨道31无缝连接，实现正面抓手固定轨道与底部抓手复位轨道的对接。

所述底部抓手复位轨道的数量与正面抓手固定轨道的数量一一对应，为5个，并对应相连，每个所述底部抓手复位轨道包括回转滑轨31和复位滑轨32，所述回转轨道31为倾斜设置的弯折型轨道，部分回转轨道31向攀岩机本体框架1的一侧弯折倾斜，其余部分回转轨道向攀岩机本体框架的另一侧弯折倾斜，所述复位滑轨32与回转轨道31光滑过渡连接，所述复位滑轨32的尾端朝向横板的一端或另一端，且各个复位滑轨的路径长度不同，使每个攀岩抓手回到攀岩抓手存储区的位置不一样。当攀岩抓手9沿着正面抓手固定轨道的底部弧形滑轨30滑出时，会沿着回转滑轨31继续向前运动，当到达复位滑轨32时，将沿着其轨道路径移动到攀岩机左右两边的攀岩抓手存储区。由于五条回转滑轨31与复位滑轨32的路径长度不同，每个攀岩抓手回到攀岩抓手存储区的时间也不一样，从而避免了不同攀岩抓手之间的干涉情况。

本实施例中，为了进一步增加本攀岩机的体验感及乐趣，所述攀岩机本体框架1的两侧通过轴承3与外部支撑架2相连，所述外部支撑架2还通过支撑变幅装置与攀岩机本体框架1相连，以实现攀岩机本体框架摆动角度的调节。

所述支撑变幅装置包括在外部支撑架上设置的蜗轮蜗杆机构5、第一变幅连杆6和第二变幅连杆7，所述蜗轮蜗杆机构固定在外部支撑架1上，在外部支撑架上设有一变幅旋杆4上，两蜗轮蜗杆机构5的蜗轮套装在第一变幅旋杆4的两端，所述第一变幅旋杆4横向安设在外部支撑架上，所述第一变幅连杆6的上端与第一变幅旋杆4相固连，下端与第二变幅7连杆相铰接，所述第二变幅连杆7与攀岩机本体框架1的下端相铰接，实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。蜗轮蜗杆机构5具体的由变幅连杆座立式轴承33、蜗杆34、蜗轮35和电机36组成，其中蜗杆34与蜗轮35作为传动机构，电机36作为动力系统，变幅连杆座立式轴承33用于支撑蜗杆35。当系统下达变幅指令后，电机36通过带动蜗杆34进行旋转，同时蜗杆34带动蜗轮35进行转动，由此带动第一变幅连杆6和第二变幅连杆7摆动，并通过调整蜗杆34旋转方向，使攀岩机机体在一定正负角范围内产生旋转倾斜。由于只能用蜗杆带动蜗轮而蜗轮不能带动蜗杆，系统只需通过控制蜗杆34停止旋转，即可实现机构的自动定位锁死，精确控制用户攀爬过程中整机的倾斜角度。变幅机构的主要作用是使攀岩机能够进行不同角度的旋转，以契合真实攀岩环境的不同山峰坡度，适应不同的需求。

本实施例中，还设置有安全防护装置，所述安全防护装置包括防护垫软板10和安全防护绳，所述防护垫板10安设在外部支撑架2的最下方，并位于攀岩机本体框架1攀岩区的下方，所述安全防护绳固结在外部支撑架2的最上方，用于保护用户在攀岩过程中的生命安全。

如图11所示，本发明公开了一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其包括功能界面层、逻辑计算层、数据存储层和平台支持层四大主要层级，每个层级分为多个子模块，各个模块之间性质独立但功能关联。平台支持层作为用户与VR系统的联接层级，通过PC主机登入虚拟现实系统后，借助虚拟现实眼镜和交互手套实现现实与虚拟世界中的功能界面层实现操作信息交互，同时该层级中的所有操作都会被采集进入数据存储层中。功能界面层是VR系统与用户的交互层级，通过接受用户在平台支持层中的操作信息，进行用户登录、模式选择、系统设置、山峰选择和路径选择等攀岩的个性化设置选项，实现进入虚拟攀岩场景前的所有预处理。逻辑计算层是系统的功能层级，其接受功能界面层传递的数据信息流，进行数据存储层的数据库调用后进行分析处理，并将信息反馈给用户管理层，实现界面层管理，同时其仍具有功能性控制模块与攀岩场景控制模块，用于完成网络通讯、界面切换以及场景优化处理功能。数据存储层作为整个系统的信息存储层级，用于储存各种用户信息、场景资源以及操作信息等数据，并随时完成信息的采集与其他层级的信息调用。通过四个层级之间的协同作用关系，实现了整个虚拟现实系统的交互过程与用户攀岩过程，并由于相关优化使得平台支持层的硬件负荷得以降低，对整个系统运行的流畅性也提供了保障。具体来说：

所述功能界面层是用户、系统和管理员之间进行信息交流互通的窗口，不同的用户可以根据自身对系统功能的需要在该层级上进行个性选择，是实现系统功能操作的应用界面层级，其分为用户管理、攀岩模式选择、攀岩地图选择和系统设置四个部分。

所述用户管理内容包括用户级别设置和登陆验证，用户级别设置包括普通攀岩用户和攀岩机管理员用户，普通攀岩用户即为准备使用攀岩机健身的用户，管理员用户用于技术人员进行攀岩机内部权限调整等设置；登陆验证即通过登陆人员的账号密码确定登录人员的信息实现用户进入系统。

所述模式选择分为单人模式和竞赛模式，单人模式即用户独自选择地图和调整个性化设置后一人进行攀爬健身，所采集的攀岩信息只储存到本用户内部储存中；竞赛模式为连接网络的数据共享模式，当用户进入该模式后，其所进行的选择、攀岩截图、攀岩的情况、攀岩的时间和攀岩的高度等数据都会传输到网络上与所有其他用户共享，用户可以通过浏览他人数据实现彼此间的数据竞赛。

所述地图选择包括山峰选择和路径选择，山峰选择即用户观察通过VR眼镜内所呈现的各个山峰的图像以及数据信息，来控制VR手套选择自己所想要攀爬的山峰；路径选择即为用户选择完毕山峰后通过阅读该山峰各条路径的数据以及推荐难度来确定适合自己的攀岩路径。

所述系统设置为用户对攀岩机系统的音效和攀岩场景画面渲染等系统属性进行设置，其由视频设置和音频设置组成，其中视频设置包括基本设置和细节调整，基本设置中可以设置主机上攀岩画面显示的分辨率、场景渲染的抗锯齿模式、过滤模式和多核渲染效果；细节调整中包括攀岩过程中各种场景互动的效果调节，光照遮挡处的阴影Shader调节和不同模型的纹理调节。音频设置主要包括界面音效的调节、游戏音效的调节、音效质量的调节和主机与HTC Vive眼镜的音效配置器调整。

所述逻辑计算层是根据用户在戴上虚拟现实眼镜后，在与平台进行交互过程中的操作行为时，在系统的后台进行物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法支撑等内容的功能性层级。如用户于功能界面进行选择时，逻辑计算层进行功能界面的调出；用户于攀岩场景内进行攀爬时，逻辑计算层导入数据层中的山峰模型与触发器对应事件的输入等。逻辑计算层分为界面层控制、功能性控制和攀岩场景控制三个控制层级。

所述界面层控制包括用户登录控制和界面音效控制，其中用户登录控制又分为用户信息控制和用户权限管控两部分，用户信息控制用于读取用户输入信息并调用数据库中信息进行账号密码匹配，识别登录用户是否为系统内注册用户；用户权限管控用于将读取后的用户信息与权限库内信息相匹配，识别用户所属的用户等级；界面音效控制通过在Unity3D中设置相应的背景音乐，当用户进入界面层后自动开始循环播放。

功能性控制模块包括场景切换单元、协同网络通讯单元和路径变更控制单元，其中场景切换包括功能界面到攀岩场景的切换和攀岩场景到功能界面的切换，当在功能界面层中，只需在完成地图选择和个性化选择后点击“完成”按钮即可完成到攀岩场景的场景切换工作；当在攀岩场景中，在天空界面上设置了返回和退出的两个图标按钮，用户只需在攀岩过程中抬头点击两个按钮，即可完成从攀岩场景到功能界面的切换。协同网络通讯单元分为资源地址配置与信息共享设置，其中资源地址配置用于配置山峰资源下载的地址；信息共享设置可以设置是否共享与共享信息的内容，给予用户自由的共享设置选择。

如图12所示，路径变更控制单元主要通过路径变更算法完成，根其据实际控制需要，需将攀岩点空间位置数据变换成攀岩机上的平面位置数据和变幅角度数据。之后沿算法流程图运作：完成坐标变换后，遍历变换后的坐标，判断所输入的point2D[i].x值，其若为0、1、2，则左侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为3、4，则右侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为不合法的数据点，则返回错误。根据排布要求，第一个攀岩点的空间位置数据必须位于攀岩机攀岩平面坐标的点(0,0)位置，即初始点的输入值为point2D[0].x＝0，point2D[0].y＝0，以此作为开始标志。最后一个攀岩点的空间位置数据必须x方向偏离第一个攀岩点-Δx，即变换的x坐标为-1，以此特殊的不合法数据点作为结束标志。两个特殊点在排布时不进行排布操作。在完成抓手的退出过程后，通过读取输入point2D[i].x的值，执行StopAt(_point2D[i].x)动作，即控制相应的吸盘式电磁铁通电，实现对于抓手的初次定位过程。

所述攀岩场景控制模块，包括动态加载单元、可见性计算单元、实时渲染单元和虚拟山地场景资源优化，其中动态加载即优先加载用户初始攀岩点附近的场景资源，在攀岩的过程中，不影响用户攀岩操作的情况下，后台加载剩余的资源，直到所有加载完毕。可见性计算包括模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性均通过光栅化光照来实现模型的遮挡，并减少必须由动态遮挡系统进行处理的图元数目，以节省渲染线程时间。实时渲染分为网格渲染和阴影渲染，本攀岩机沉浸式虚拟现实系统采用在Unity3D引擎中创建一个新相机的方法进行场景录制后，以每秒100帧的形式来完成实时渲染，并根据攀岩者攀岩速度和攀岩高度等因素采用脚本控制每秒帧数，模拟攀岩用户在不同情况下身边的场景变化状况。虚拟山地场景资源优化，包括混入视域剔除、山地背面剔除、模型遮挡剔除、多层次细节模型和模型分块加载五个部分，其中混入视域剔除指人物模型与场景模型之间由于物理面积产生的视域混入问题，需要对于不同的模型的层次进行调整；山地背面剔除，指用户在攀岩过程中由于无法达到山峰背面，则在攀岩过程中将背面的模型场景进行剔除操作，减少模型和环境加载时间，提高攀岩场景读取速度；模型遮挡剔除，与可见性计算相关，需要考虑模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，用于解决各种模型之间由于物理面积产生遮挡的情况。多层次细节模型，即为攀岩场景中各种地形元素的模型，如石头、树木、鸟类和凹槽等攀岩特有地形，在3ds Max调试贴图后打包在三维模型数据库中。模型分块加载，与实时渲染和动态加载有关，在用户进入攀岩场景后，优先读取用户身边的数据资源并进行渲染，之后再读取和渲染场景的其他地方。

数据存储层，用于存储三维模型数据，所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，虚拟山峰建模通过调用三者中的数据即完成模型的建立；其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据；3ds Max建模数据包括人物建模数据，其中人物建模为3ds Max中建立人物整体模型。

所述用户信息库包括用户的信息储存和信息管理，其中信息储存是用户信息的储存系统，每当有新用户注册信息，新信息将通过信息储存系统存入用户信息库中，而在数据表中对常用信息和不常用信息做分离设计，比如用户的详细信息，只有用户编辑个人信息时才会修改；信息管理用于管理用户信息库中的全部用户数据信息，可进行筛选和精确查找等管理功能。

所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，这些场景文件及二进制文件都直接封装在AssetBundle中，其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据储存；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据，其中三维地形由Unity3D引擎山地画笔绘制而成，并根据所参考山峰峰貌进行仿真绘制，运用贴图设置补全山峰峰面的地貌设计。天空环境由预设好的Unity3D中的Skybox贴图实现，由程序控制不同的场景选择不同的天空贴图设计，实现天空环境的多变化；3ds Max建模包括人物建模和模型面片数优化设计，其中人物建模为3dsMax中建立人物整体模型，当用户进行攀岩操作时显示出用户的手部模型在场景界面中；模型面片数优化设计即保证各种模型几何外观的前提下进行模型面片数优化，针对山地虚拟环境模型，进行几何建模与图像建模相结合，通过高模低模的变化与Zbrush雕刻贴图设计，在到达最佳画面效果的同时最大限度降低场景面片数。

所述操作日志库分为用户操作信息库和管理员操作信息库，应用Log4net作为开源日志组件，其中用户操作信息库用于存储用户在登陆进入系统后在界面层的操作和用户在进入攀岩场景后的攀岩高度、攀岩平均速度和攀岩过程触发事件状况等攀岩操作信息，以便用户查询与网络共享；管理员操作信息指管理员用户在登入系统后进行的各种系统调试操作记录，以便检查管理员用户是否存在操作不当的问题导致机器故障。

所述平台支持层主要为系统提供了硬件、操作系统、网络环境、交互式外设等平台所必须的硬件与环境支持。其主要分为PC机、交互式硬件、操作系统和网络环境四个部分。

所述PC机表示运行该虚拟现实系统的主机，其在显卡、CPU、内存、视频接口和USB接口上都具有一定的要求，其中显卡要求或AMDRadeon^TMR9290即以上；CPU要求Inteli5-4590或AMDFX8350即以上；内存要求8GB以上；视频接口要求HDMI1.4或DisplayPort1.2及两者的更新版；USB接口要求至少1个USB2.0接口。

所述交互式硬件为用户与攀岩机发生交互感应的硬件设备，本攀岩机虚拟现实系统应用的硬件主要为HTC Vive眼镜和Leap Motion体感控制器，其中HTC Vive眼镜为当今最新虚拟现实佩戴式设备，全设备包括一个Vive头戴式设备、三合一连接线、音频线、耳塞式耳机、面部衬垫、清洁布串流盒、电源适配器、HDMI连接线、USB数据线、固定贴片Vive、两个操控手柄、一个安装工具包(2个支架，4颗螺丝和4个锚固螺栓)、两个电源适配器、两条挂绳和两个Micro-USB数据线定位器；Leap Motion体感控制器是当今最新的虚拟现实眼镜体感控制器，其开发工具包包括Leap Motion主机和一长一短的2根USB2.0数据线。

所述操作系统为PC机所用的操作系统，需要即兼容虚拟现实场景也能与交互式硬件具有良好的适配性，由此采用的是Windows7系统或更高版本的Windows系统。

所述网络环境为系统弱联网模式，即攀岩机只在登陆验证、下载资源和上传数据时与网络连接，而在攀岩过程不需联网，只需记录攀岩数据即可。

本发明中，还设有信息系统，所述信息系统可以对用户攀岩过程各项运动指标与身体状况做出检测，反映当前用户运动状况与身体状况。经过系统分析，给用户提供具体的攀岩建议，同时用户之间还可以分享自己的运动信息。所述信息系统包括用户攀岩运动信息检测模块、用户身体健康信息检测模块、信息对比及反馈模块、上传共享模块。

所述用户攀岩运动信息检测模块用于检测用户攀岩过程中的攀岩高度、攀岩时间和攀岩速度，包括安装在链轮上的感应磁铁、感应器、连接线和主机码表；当用户开始攀岩时，链轮进行旋转，在整个攀岩岩过程中，信息系统利用码表对攀岩机链轮转动周期进行感应测量，同时启动感应器捕捉感应磁铁所采集的信息，再通过传感线将两者采集的信息传输至码表。主机码表对信息进行处理后计算出用户的攀岩高度和攀岩速度等信息，同时根据码表自身时间得到用户的攀岩时间，最后将所得信息传输到信息系统中。

所述用户身体健康信息检测模块用于检测用户的心率、血压和呼吸频率参数，其采用市面上主流的运动手环来完成检测工作，其工作原理如下：通过运动手环内的光学心率传感器，信息系统可以对用户的心率进行测量；通过运动手环内强度很高的绿色光源测量照射用户的手臂血管，借助分析红细胞的吸光程度来计算用户的呼吸频率；通过运动手环内射出的白色特殊光线，来测量用户血液的流速，由此对用户的血压进行监控。

所述信息对比及反馈模块通过信息检测层级得到的信息数据进行汇总，再经过系统分析，得到当前用户运动与健康数据状况。同时系统会将相关数据储存起来，与用户历史数据进行对比，进一步分析用户的健康状态，并以趋势图的形式给予用户直观的视觉反馈，制作一份用户本次攀岩运动的健康报告，并在其中给予用户有针对性的攀岩建议。其中攀岩建议主要分为对用户的运动过程休息建议和运动过程呼吸调节建议。

所述运动过程休息建议是指在用户攀岩过程中，何时何地进行休息的建议。在一条攀登路线中，有些地方简单，同时有些地方复杂，要想一口气爬完全程比较困难。所以要想爬得高一些久一点，就得有效地进行休息。一般是到达一个比较容易的位置，以最省力的姿势，边休息边观察下一段要攀爬的线路。本信息系统将分析用户的各项检测信息，并结合用户所选择的攀登路线特点，给予用户适合休息时长建议与休息地点建议。

所述运动过程呼吸调节建议是指在用户攀岩过程中，如何调节自己呼吸频率与攀岩速度的建议。攀爬一条路线是一个连续的过程，从一开始就应该主动调节呼吸，而不应等快坚持不住了再去调整。本信息系统将分析用户的各项检测信息，并结合用户所选项的攀登路线特点，给予最适合的呼吸调节建议和攀岩速度建议。

所述上传共享模块主要是指在多种网络平台上用户对于自己健康报告的共享。用户得到自己的健康报告后，可以选择其中的全部或一部分在本系统的攀岩App交友圈中进行上传共享，同时本APP也能支持对朋友圈、微博和QQ空间等大型社交社区的共享，使用户能与其他健身爱好者一同交流健身情况，分享运动快乐。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的多路径可变幅室内攀岩机，包括机械结构部分和虚拟现实系统，所述机械结构部分包括外部支撑架、攀岩机本体框架，所述攀岩机本体框架安设在外部支撑架上，在攀岩机本体框架包括内部支撑架，在内部支撑架上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条和多个平行于攀岩机本体框架横向方向的横板，各链条与链轮及链轮轴对应配置，且各链条设置在内部支撑架的两侧位置，各横板是相互紧邻固定于各链条上，随链条循环转动，在攀岩机本体框架的横板上设置有多个攀岩抓手，所述抓手可沿横板横向滑移，在攀岩机本体框架上设有用于实现攀岩抓手路径变换的路径变更装置。

2.根据权利要求1所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述攀岩机本体框架的两侧通过轴承与外部支撑架相连，所述外部支撑架还通过支撑变幅装置与攀岩机本体框架相连，以实现攀岩机本体框架摆动角度的调节。

3.根据权利要求2所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述攀岩机转动机构的整体传动是依靠攀爬者自身重力以及攀爬时作用在攀岩机上的力进行传动，所述链轮轴的转速通过攀岩机液压控制系统控制，所述攀岩机液压控制系统包括与上部链轮轴相连接的传动齿轮、齿轮泵、油箱、三位四通电磁阀、比例节流阀、PLC控制系统和流量传感器，所述传动齿轮与齿轮泵上的齿轮相啮合，所述齿轮泵的吸油口与油箱相连，排油口通过三位四通电磁阀与比例节流阀相连，所述比例节流阀通过流量传感器与油箱相连，所述PLC控制系统与比例节流阀和流量传感器相连。

4.根据权利要求1或2所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：在所述横板上设有倒T型滑槽，所攀岩抓手包括顶部抓手块、中部倒T型滑块和底部铁质凸块，所述攀岩抓手通过中部倒T型滑块可以在横板的T型滑槽内横向滑移，在横板的两侧分别设置有防止攀岩抓手滑出的限位块。

5.根据权利要求1或2所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述路径变更装置包括背部抓手变更机构、正面抓手固定轨道、底部抓手复位轨道和攀岩抓手存储区，所述正面抓手固定轨道位于攀岩机本体框架的正面，所述底部抓手复位轨道位于攀岩机本体框架底部朝向攀岩机本体框架的背部方向，所述攀岩抓手存储区位于横板两侧被攀岩机外部矿框架所包容的区域，所述背部抓手变更机构位于攀岩机背部倒三角形区域的上方。

6.根据权利要求5所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述背部抓手变更机构位于攀岩机本体框架的背部偏上位置，包括抓手推出机构和抓手定位机构；所述抓手推出机构包括在内部支撑架上设置的多个固定板，所述固定板位于横板的内侧，且与横板平行设置，固定板的两侧固设有推拉式电磁铁，所述推拉式电磁铁与在攀岩抓手底部设置的铁质凸块相对应，由电机驱动推拉式电磁铁将攀岩抓手从攀岩抓手存储区推向横板内部，所述抓手定位机构包括在固定板上间隔设置的多个吸盘式电磁铁，其用于初步定位被抓手推出机构推出的攀岩抓手，在每个吸盘式电磁铁的两侧对应设置有防磁挡板。

7.根据权利要求6所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述正面抓手固定轨道为多个，所述攀岩抓手底部设置的铁质凸块能滑入正面抓手固定轨道内，用于约束其横向自由度，各正面抓手固定轨道沿攀岩机本体框架横向方向设置，所述每条正面抓手固定轨道从上至下依次相连的Y字型滑轨、直线滑轨和弧形滑轨，所述Y字型滑轨用于矫正初步固定后的攀岩抓手的位置，所述直线滑轨与吸盘式电磁铁共线，当攀岩抓手位于直线滑轨区域时，由于T型槽横板上竖直方向位移与垂直方向位移的限制，联合直线滑轨上水平方向位移的限制，实现了六个自由度的限制，当攀岩抓手沿直线滑轨到达弧形滑轨时，沿其滑行轨道运动即可到达攀岩机本体框架的背部，所述弧形滑轨与底部抓手复位轨道相连。

8.根据权利要求7所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述底部抓手复位轨道的数量与正面抓手固定轨道的数量一一对应，并对应相连，每个所述底部抓手复位轨道包括回转滑轨和复位滑轨，所述回转轨道为倾斜设置的弯折型轨道，部分回转轨道向攀岩机本体框架的一侧弯折倾斜，其余部分回转轨道向攀岩机本体框架的另一侧弯折倾斜，所述复位滑轨与回转轨道光滑过渡连接，所述复位滑轨的尾端朝向横板的一端或另一端，且各个复位滑轨的路径长度不同，使每个攀岩抓手回到攀岩抓手存储区的位置不一样。

9.根据权利要求2所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：所述支撑变幅装置包括外部支撑架、攀岩机本体框架，所述攀岩机本体框架的两侧通过轴承与外部支撑架相连，在外部支撑架的两侧对称设置的蜗轮蜗杆机构、第一变幅连杆和第二变幅连杆，所述蜗轮蜗杆机构安设在外部支撑架上，两蜗轮蜗杆机构的蜗轮套装在第一变幅旋杆的两端，所述第一变幅旋杆横向安设在外部支撑架上，所述第一变幅连杆的上端与第一变幅旋杆相固连，下端与第二变幅连杆相铰接，所述第二变幅连杆与攀岩机本体框架的下端相铰接，实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。

10.根据权利要求1或2所述的多路径可变幅室内攀岩机，其特征在于：还包括信息系统，所述信息系统包括用户攀岩运动信息检测模块、用户身体健康信息检测模块、信息对比及反馈模块和上传共享模块，用户攀岩运动信息检测模块用于检测用户攀岩过程中的攀岩高度、攀岩时间和攀岩速度，包括安装在链轮上的感应磁铁、感应器和主机码表，所述用户身体健康信息检测模块用于检测用户的心率、血压和呼吸频率参数，其包括运动手环。