CN111228721B - 一种基于虚拟现实的全向运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟现实的全向运动装置，包括：平台、VR头盔、设置在平台底部的若干个球体；球体外侧设置有至少一个偏置磁体，平台底部设置有与若干个球体相配合的运动单元，运动单元包括至少一个容腔与若干个线圈，球体能够在容腔内转动，若干个线圈环绕在容腔外侧，任一球体的外侧设置有多个线圈，线圈通电产生的磁场能够控制球体转动；平台为柔性面结构，平台上设置有若干个传感器，若干个传感器用于检测使用人员在平台上的移动方向和移动速度，平台底部设置有底座；球体转动能够带动平台移动，平台移动方向与使用人员的移动方向相反，且移动速度相同；VR头盔用于显示虚拟场景图像，使用人员根据虚拟场景进行运动。

Description

一种基于虚拟现实的全向运动装置

技术领域

本发明涉及一种全向运动装置，尤其涉及一种基于虚拟现实的全向运动装置。

背景技术

对于虚拟现实的应用，使用者虚拟的在应用中或在游戏中运动，在常见的印象下，使用者为了模拟游戏环境而佩戴VR头盔，利用该头盔，使用者在视觉和听觉上再现的获得游戏环境和游戏流程，在这些VR应用中，需要使玩家在不改变地点，也就是说在不显著改变其空间位置的情况下可以沿任意水平的空间方向及全方向虚拟的运动，例如走动或跑动。

传统的万向运动装置则是通过驱动机构直接驱动球体运动，驱动机构的控制精度难以保证，且不是通过偏置磁体在磁场的作用下，通过改变电流进行控制球体的偏置量。另外也无法通过设置线圈的排布方式如按照圆形轨迹，方形轨迹排布或菱形轨迹排布，来控制球体沿预定的轨迹进行依次运动旋转，控制效果较差。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实的全向运动装置，能够用于跑步机或VR虚拟娱乐运动或模拟训练平台。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于虚拟现实的全向运动装置，包括：平台、VR头盔、设置在平台底部的若干个球体；所述球体外侧设置有至少一个偏置磁体，所述平台底部设置有与若干个球体相配合的运动单元，所述运动单元包括至少一个容腔与若干个线圈，所述球体能够在所述容腔内转动，若干个所述线圈环绕在容腔外侧，任一所述球体的外侧设置有多个线圈，多个线圈不在同一平面内，所述线圈通电产生的磁场能够控制所述球体转动；所述平台为柔性面结构，所述平台上设置有若干个传感器，若干个所述传感器用于检测使用人员在平台上的移动方向和移动速度，所述平台底部设置有底座；所述球体转动能够带动所述平台移动，所述平台移动方向与所述使用人员的移动方向相反，且移动速度相同；所述VR头盔与所述平台信号连接，所述VR头盔用于显示虚拟场景图像，使用人员根据虚拟场景进行运动。

本发明一个较佳实施例中，若干个球体中的至少两个或两个以上的球体外侧设置有偏置磁体，带有偏置磁体的球体用于带动所述平台移动，带有偏置磁体的球体在磁场的作用下产生的磁合力方向为平台的移动方向。

本发明一个较佳实施例中，所述容腔的尺寸不小于所述球体的尺寸。

本发明一个较佳实施例中，任一运动单元外侧设置有隔离磁场的隔磁面。

本发明一个较佳实施例中，所述平台外侧设置有防护组件，所述防护组件底部设置有相配合的滑道，所述防护组件能够沿滑道移动。

本发明一个较佳实施例中，所述防护组件包括气囊、固定杆、伸缩杆与转轴，所述固定杆通过配合件配合连接在滑道上，所述伸缩杆连接在所述固定杆顶部，所述伸缩杆顶部设置有转轴，所述转轴连接有摆臂，所述摆臂插入所述气囊内，所述气囊中心位置设置有预留孔。

本发明一个较佳实施例中，所述平台底部设置有底座，所述底座顶部边缘处连接有弧形结构的护板，所述底座顶部设置有凹槽，所述平台设置在凹槽内。

本发明一个较佳实施例中，所述线圈通入不同电流能够产生不同强度的磁场，若干个所述线圈能够按预定顺序依次通电。

本发明一个较佳实施例中，若干个所述线圈能够任一个线圈通电或多个线圈配合通电。

本发明一个较佳实施例中，所述偏置磁体在磁场的作用下使得所述球体发生转动。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

(1)通过线圈通电，球体外侧的偏置磁体受到磁场的作用下，能够带动球体旋转，线圈设置在平台内部，每个线圈均能够独立控制通电，通电电流的大小能够改变磁场强度，从而控制球体旋转速率，进行灵活控制球体旋转，使人员与运动装置始终保持相对静止。

(2)多个线圈位于不同的三维平面内，每一个平面内的线圈控制球体在该平面内转动一定角度，若一个平面内的线圈通电无法满足球体旋转方向与使用人员的移动方向相反，此时需要通过两个平面内的线圈进行配合通电，使球体进行一定角度的偏移。

(3)多个偏置磁体间隔设置在球体的外侧，线圈不在同一平面，保证球体外侧的偏置磁体在磁场的作用下，能够实现万向运动。

(4)每一个运动单元外侧设置有隔离磁场的隔磁面，可以保证每一个运动单元均可以单独控制球体运动，且不会受到相邻运动单元内磁场的影响，保证球体能够根据使用人员的位移进行精准控制球体的转动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的全向运动装置立体结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的平台结构示意图；

图3是本发明的优选实施例的球体分布示意图；

图4是本发明的优选实施例的球腔结构示意图；

图5是本发明的优选实施例的运动单元局部剖视图；

图6是本发明的优选实施例的偏置磁体分布示意图；

图7是本发明的优选实施例的底座结构示意图；

附图标记：

VR头盔10；

气囊20；

防护组件30；转轴31；伸缩杆32；固定杆33；摆臂34；

使用人员40；

滑道60；

底座70；护板71；凹槽72；

平台80；运动单元81；容腔82；球体83；偏置磁体84；线圈85。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置于另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示,本发明公开了一种基于虚拟现实的全向运动装置；

需要说明的是，全向运动装置包括平台80、VR头盔10、设置在平台80底部的若干个球体83；球体83外侧设置有至少一个偏置磁体84，平台80底部设置有与若干个球体83相配合的运动单元81；

运动单元81包括至少一个容腔82与若干个线圈85，球体83能够在容腔82内转动，若干个线圈85环绕在容腔82外侧，任一球体83的外侧设置有多个线圈85，多个线圈85不在同一平面内，线圈85通电产生的磁场能够控制球体83转动；

平台80为柔性面结构，平台80上设置有若干个传感器，若干个传感器用于检测使用人员40在平台80上的移动方向和移动速度，平台80底部设置有底座70；

球体83转动能够带动平台80移动，平台80移动方向与使用人员40的移动方向相反，且移动速度相同；VR头盔10与平台80信号连接，VR头盔10用于显示虚拟场景图像，使用人员40根据虚拟场景进行运动。

具体而言，平台80底部有底座70，底座70上设置有与平台80相配合的凹槽72，底座70顶部的边缘处有一圈弧形的护板71，护板71将平台80包括在内，防止平台80在使用过程中脱离凹槽72，平台80外侧设置有防护组件30，防护组件30底部设置有相配合的滑道60，防护组件30能够沿滑道60移动，滑道60为圆环结构，但不限于圆环结构，本领域技术人员可以根据实际使用进行调整，滑道60上配合连接有三个防护组件30，任意两个防护组件30之间的角度均为120度，保证防护组件30的牢固性，防护组件30包括气囊20、固定杆33、伸缩杆32与转轴31，固定杆33通过配合件配合连接在滑道60上，其中配合件能够是滑轮或其他的结构，只要是能够将固定杆固定在滑道内侧，且固定杆能够在滑道内灵活滑动，且不会脱离滑道均可，伸缩杆32连接在固定杆33顶部，伸缩杆32顶部设置有转轴31，转轴31连接有摆臂34，摆臂34插入气囊20内，气囊20中心位置设置有预留孔，在使用时，将伸缩杆32降下，人穿过预留孔，伸缩杆32缓慢升起，当预留孔的位置位于使用人员40腰部时，则伸缩杆32停止升降，然后对气囊20进行充气，直到充入的气体使气囊20逐渐膨胀，气囊20内侧的预留孔膨胀接触到使用人员的腰的外侧即可，当然，也可以控制充气量调整气囊20强度，通过设置升降式的伸缩杆32，面对不同身高，不同体重的使用人群均能够使用，转轴31一侧的摆臂34能够对气囊20的倾斜角度进行微调，使气囊20朝向上方或下方倾斜，提高使用舒适性。

图2为平台结构示意图，图3示出了球体在平台一侧的分布示意图，

根据本发明的实施例，平台80一侧有一定的弧度，相对应的一侧为近似平面，且平台80的外部位柔性面材，能够是纺织布或纱线交织形成的材料，也可以根据实际需要设置，如软塑料或橡胶，每一个球体83突出平台80底部的尺寸相同，能够保证球体83与凹槽72接触时，每一个球体83均能够与凹槽72直接接触，不会出现部分球体83在凹槽72内悬空的情况；

需要说明的是，球体83阵列分布在平台80底部，任意相邻两个球体83之间的间距能够是相同的，若间距不同，误差应维持在1-5厘米，这样保证使用人员40踩在平台80的每一个位置处，受力均匀，同时，球体83的设置方式可以按照预定的轨迹进行分布，如按照圆形轨迹，方形轨迹排布或菱形轨迹排布等等，但不限于这几种分布方式，这样可以保证在线圈通电过程中，球体83能够按照预定的方式或顺序依次进行旋转，传感器检测平台80的移动速度与移动方向，与人体移动速度方向进行对比，从而得到偏差，然后通过平台80底部的球体83增加或减小速度，或调整球体83偏移方向，进行纠正偏差。

图4-6示出了运动单元结构示意图。

根据本发明的实施例，每一个运动单元81都包括一个容腔82，容腔82内有球体83，球体83能够在球腔内自由灵活移动，在运动单元81的底部有一个开口，保证球体83底部低于开口端面，球体83底部会有部分结构突出开口外，每一个运动单元81有5个线圈85，除了带有开口的一侧没有线圈85，其他面均有一个线圈85，本发明的优选实施例中，球体83外侧设置有6个线圈85，但不限于6个，可以根据实际需要设置，如2个、3个或6个以下，7个、8个或8个以上等等，偏置磁体84在磁场的作用下能够带动球体83运动，每一个运动单元81外侧设置有隔离磁场的隔磁面，可以保证每一个运动单元81均可以单独控制球体83运动，且不会受到相邻运动单元81内磁场的影响，保证球体83能够根据使用人员40的位移进行精准控制球体83的转动，隔磁面的使用不仅可以隔离相邻运动单元81的干扰，同时还有防止磁场对人体产生一定的伤害，安全性较高，当然可以理解的是，只要能够产生磁场的物体均可以替代线圈85进行控制球体的运动，例如电磁铁，永磁体。

需要说明的是，为了实现球体83的万向运动，多个偏置磁体84间隔设置在球体83的外侧，可以理解的是，本实施例中间隔设置能够是无规则设置，也即杂乱无章的设置，也可以按照一定轨迹进行设置，如按照圆形轨迹，方形轨迹排布或菱形轨迹排布等等，但不限于这几种分布方式。线圈85不在同一平面，保证球体83外侧的偏置磁体84在磁场的作用下，能够实现万向运动。

根据本发明的实施例，多个线圈85位于不同的三维平面内，每一个平面内的线圈85控制球体83在该平面内转动一定角度，若一个平面内的线圈85通电无法满足球体83旋转方向与使用人员40的移动方向相反，此时需要通过两个平面内的线圈85进行配合通电，使球体83进行一定角度的偏移，多个偏置磁体84间隔设置在球体83的外侧，线圈85不在同一平面，保证球体83外侧的偏置磁体84在磁场的作用下，能够实现万向运动。

若干个球体83中的至少两个或两个以上的球体83外侧设置有偏置磁体84，带有偏置磁体84的球体83用于带动平台80移动，带有偏置磁体84的球体83在磁场的作用下产生的磁合力方向为平台80的移动方向，带有偏置磁体的球体才能在磁场的作用下进行旋转；

具体而言，通过控制线圈85的通电顺序，球体83外侧位于不同位置处的偏置磁体84在同一磁场的作用下产生的磁力是不相同的，控制线圈85按照一定的顺序或方式进行通断电或/和改变线圈85的电流，进行控制球体83按照一定的轨迹进行旋转偏移，多个带有偏置磁体84的球体在线圈85的作用下均会对应产生一个旋转偏移量与旋转方向，多个球体83偏移量的合量与合旋转方向进行叠加计算，即可得到整个平台80真正的实际偏移量与偏移方向，这样计算，能够实现平台80偏移方位更加广，实现多角度，接近零偏差。

两个球体83外侧设置有偏置磁体84，能够保证平台80实现万向移动，在一个球体83转动过程中，难以保证平台80移动方向与使用人员40移动方向正好相反，而通过两个球体83旋转，然后进行球体83旋转角度的合力分析，得出两个球体83旋转的合力角，实现平台80更多方向运动，且精度更高。

图7示出了底座结构示意图。

根据本发明的实施例，底座70边缘处设置有护板71，护板71向底座70圆心方向弯曲弧度，能够通过护板71将平台80卡在护板71内侧，不会使平台80滑移，容腔82的尺寸不小于球体83的尺寸，优选的，球体83的尺寸为容腔82尺寸的3/4，保证球体83会有部分结构突出开口外，且球体83外表面光滑，凹槽72的表面也光滑，保证平台80在凹槽72内移动时，平台80通过护板71的防护不会脱离凹槽72，同时也能使使用人员40始终保持相对静止。

需要说明的是，通过线圈85通电，通电后的线圈会产生磁场，线圈能够通入直流电产生不变磁场，同时，线圈也能够通入交流电，产生交变磁场，也可以根据实际需要进行设置，如方波电信号或阶梯波段信号进行控制磁场变化，球体83外侧的偏置磁体84受到磁场的作用下，能够带动球体83旋转，线圈85设置在平台80内部，每个线圈85均能够独立控制通电，通电电流的大小能够改变磁场强度，每一次对线圈85通电的电流大小可以根据使用人员40的移动速度进行调整，使用人员40移动速度加快时，通过增加即将需要通电的线圈85的电流，进行瞬间增加球体83偏转速率，进行灵活控制球体83旋转，控制线圈85按照一定的顺序或方式进行通断电或/和改变线圈85的电流，进行控制球体按照一定的轨迹进行旋转偏移，多个带有偏置磁体84的球体在线圈85的作用下均会对应产生一个旋转偏移量与旋转方向，多个球体83偏移量的合量与合旋转方向进行叠加计算，即可得到整个平台真正的实际偏移量与偏移方向，这样计算，能够实现平台80偏移方位更加广，实现多角度，接近零偏差，使人员与运动装置始终保持相对静止。

具体而言，通过线圈85通电，球体83外侧的偏置磁体84受到磁场的作用下，能够带动球体83旋转，线圈85设置在平台80内部，每个线圈85均能够独立控制通电，通电电流的大小能够改变磁场强度，从而控制球体83旋转速率，进行灵活控制球体83旋转，使人员与运动装置始终保持相对静止，多个线圈85位于不同的三维平面内，每一个平面内的线圈85控制球体83在该平面内转动一定角度，若一个平面内的线圈85通电无法满足球体83旋转方向与使用人员40的移动方向相反，此时需要通过两个平面内的线圈85进行配合通电，使球体83进行一定角度的偏移，多个偏置磁体84间隔设置在球体83的外侧，线圈85不在同一平面，保证球体外侧的偏置磁体84在磁场的作用下，能够实现万向运动，每一个运动单元81外侧设置有隔离磁场的隔磁面，可以保证每一个运动单元均可以单独控制球体83运动，且不会受到相邻运动单元81内磁场的影响，保证球体83能够根据使用人员的位移进行精准控制球体83的转动。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的全向运动装置，包括：平台、VR头盔、设置在平台底部的若干个球体；其特征在于；

所述球体外侧设置有至少一个偏置磁体，所述平台底部设置有与若干个球体相配合的运动单元，所述运动单元包括至少一个容腔与若干个线圈，所述球体能够在所述容腔内转动，若干个所述线圈环绕在容腔外侧，任一所述球体的外侧设置有多个线圈，多个线圈不在同一平面内，所述线圈通电产生的磁场能够控制所述球体转动；

所述平台为柔性面结构，所述平台上设置有若干个传感器，若干个所述传感器用于检测使用人员在平台上的移动方向和移动速度，所述平台底部设置有底座；所述球体转动能够带动所述平台移动，所述平台移动方向与所述使用人员的移动方向相反，且移动速度相同；

所述VR头盔与所述平台信号连接，所述VR头盔用于显示虚拟场景图像，使用人员根据虚拟场景进行运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：若干个球体中的至少两个或两个以上的球体外侧设置有偏置磁体，带有偏置磁体的球体用于带动所述平台移动，带有偏置磁体的球体在磁场的作用下产生的磁合力方向为平台的移动方向。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述容腔的尺寸不小于所述球体的尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：任一运动单元外侧设置有隔离磁场的隔磁面。

5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述平台外侧设置有防护组件，所述防护组件底部设置有相配合的滑道，所述防护组件能够沿滑道移动。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述防护组件包括气囊、固定杆、伸缩杆与转轴，所述固定杆通过配合件配合连接在滑道上，所述伸缩杆连接在所述固定杆顶部，所述伸缩杆顶部设置有转轴，所述转轴连接有摆臂，所述摆臂插入所述气囊内，所述气囊中心位置设置有预留孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述平台底部设置有底座，所述底座顶部边缘处连接有弧形结构的护板，所述底座顶部设置有凹槽，所述平台设置在凹槽内。

8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述线圈通入不同电流能够产生不同强度的磁场，若干个所述线圈能够按预定顺序依次通电。

9.根据权利要求8所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：若干个所述线圈能够任一个线圈通电或多个线圈配合通电。

10.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的全向运动装置，其特征在于：所述偏置磁体在磁场的作用下使得所述球体发生转动。

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