CN111467748A - 一种模仿现实环境的健身单车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模仿现实环境的健身单车系统，包括基体、交互系统、单车系统、现实环境仿真系统、输入装置、计算装置；所述现实环境仿真系统包括支撑板以及多个并联机构单元体，所述并联机构单元体可提供三转动一平移自由度；所述单车系统还包括驱动轮、阻力机构以及助力机构；所述健身单车系统可模拟平路、上坡、下坡、水平转弯、上坡转弯、下坡转弯等多种现实环境。本发明结构紧凑、控制简单，可以模拟各种路况条件，同时承载能力强、翻转角度大，可以非常逼真的让运动者体验户外骑车的感觉。

Description

一种模仿现实环境的健身单车系统
【技术领域】
本发明涉及一种模仿现实环境的健身单车系统，属于体育器材领域。
【背景技术】
运动健身产业已经成为全球新型的掘金点，据不完全统计，全球每年运动健身领域的产值高达700亿美金，而且仍然呈现快速的增长的趋势。而对于运动健身来说，有氧运动是一项非常重要的运动形式，运动单车已经是各大健身俱乐部的主要标志，然而目前市面上的单车仍然比较单一，即传统意义上的单车，高档一点的单车会增加一个显示屏，以显示各种路况以便模拟户外情况，就专利情况来看，如CN1430174A、CN2792565Y都在一定程度上可以模拟真实的户外情况，但是其模拟还是不够现实，CN1430174A虽然模拟倾斜、俯仰，但是其偏转角度很小，且由于其结构的限制已经无法偏转更大角度，且其需要借助VR眼镜实现感知，这无法有效的适应健身这种长时间的运动以及亲近自然的感觉，CN2792565A虽然可以模拟阻力路况，但是其无法模拟其他真实的路况条件。再者，CN110237493A也是一种可模拟真实路况的单车系统，但是其主要用于锻炼康复者的平衡感，且其结构限制也无法模拟更多的路况，基于并联机构的虚拟现实游戏装备CN109785709A用于模拟赛车，虽然其利用并联机构模拟各种翻转，但是同样，由于结构限制其无法用于单车，同时其承重能力也远远不够。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提出一种可真实模拟现实环境的健身单车系统，具体的技术方案如下：
一种模仿现实环境的健身单车系统，包括：基体、交互系统、单车系统、现实环境仿真系统、输入装置、计算装置；所述基体开设有安装槽，所述现实环境仿真系统固定安装于该安装槽内，所述单车系统固定安装于所述现实环境仿真系统顶部，所述显示系统安装于所述基体上并位于所述单车系统前部；所述现实环境仿真系统包括支撑板以及多个并联机构单元体，所述并联机构单元体可提供三转动、一平移自由度；所述单车系统还包括驱动轮、支撑架、阻力机构以及助力机构；所述健身单车系统可模拟平路、上坡、下坡、水平转弯、上坡转弯、下坡转弯多种现实环境。
进一步，所述并联机构单元体包括安装框、升降滑轨以及并联机构，所述并联机构包括动平台、四条主支链、支撑支链以及四条副支链；每个所述主支链依次包括升降气缸，滑块，球铰A，伸缩气缸，球铰B，所述升降气缸一端固定安装于所述安装框底部，另一端与固定连接所述滑块，所述滑块还连接所述球铰A，所述球铰A与所述伸缩气缸一端连接，所述伸缩气缸另一端与所述球铰B连接，所述球铰B通过铰接座与所述动平台连接；所述支撑支链包括支撑气缸以及球铰G，所述支撑气缸一端固定安装于所述安装框底部，另一端与所述球铰G连接，所述球铰G通过铰接座与所述动平台连接；每个所述副支链包括两个球铰C、两个下连接杆、一个球铰D、一个跟随移动副、一个球铰E、两个上连接杆、两个球铰F，所述两个球铰C分别与相邻的两个所述滑块连接，所述两个下连接杆一端分别与所述两个球铰C 连接，所述两个下连接杆另一端共同连接所述球铰D，所述跟随移动副一端连接所述球铰D，另一端连接所述球铰E，所述两个上连接杆一端共同连接所述球铰E，所述两个上连接杆一端分别连接所述两个球铰F，所述两个球铰F分别通过球铰座与所述动平台连接。
进一步，所述滑块沿所述升降滑轨滑动，所述滑块包括两端燕尾部以及中间矩形部。
进一步，所述驱动轮包括轮毂，所述轮毂包括中间阻力摩擦面以及两边助力摩擦面，所述中间阻力摩擦面为内凹面。
进一步，所述阻力机构包括阻力气缸、阻力块，所述阻力块包括两边让位面和中间阻力突条，所述中间阻力突条与所述中间阻力摩擦面配合。
进一步，所述助力机构包括两个助力气缸、两个助力电机、两个助力滑轨以及助力辊，所述助力气缸、助力电机、助力滑轨以所述驱动轮为中心对称布置，所述助力辊两端分别于所述两个助力电机的电机输出轴连接，所述助力辊包括旋转轴以及位于中间的摩擦辊，所述摩擦辊与所述助力摩擦面配合。
进一步，所述交互系统包括显示触摸屏以及耳机，所述显示触摸屏优选为曲面屏幕。
进一步，所述输入装置具备下载接口，可用于下载更多路况以便训练者选择；所述计算装置可根据各种所选择的路况控制各动力装置，实现模拟所选择的路况。
本发明有益技术效果：本发明结构紧凑、控制简单，可以模拟各种路况条件，同时承载能力强、翻转角度大，可以非常逼真的让运动者体验户外骑车的感觉。
【附图说明】
图1为本发明整体示意性附图；
图2为图1的俯视图(去除单车系统3)；
图3为并联机构单元体5的示意性附图；
图4为并联机构6的结构示意图；
图5为图3的断面图；
图6为单车系统3的结构示意图；
图7为驱动轮31的结构图；
图8为阻力机构33的结构示意图；
图9为助力机构34的结构示意图；
图10为控制系统示意图；
图11为各种路况示意图。
本发明各附图标记指代特征如下：1-基体，2-显示触摸屏，3-单车系统，31-驱动轮，311- 轮毂，3111-阻力摩擦面，3112-助力摩擦面，32-支撑架，33-阻力机构，331-阻力气缸，332- 阻力块，3321-让位面，3322-阻力突条，34-助力机构，341-助力气缸，342-助力电机，343- 助力滑轨，344-助力辊，3441-旋转轴，3442-摩擦辊，4-现实环境仿真系统，41-支撑板，5- 并联机构单元体，51-安装框，52-升降滑轨，6-并联机构，61-动平台，62-铰接座，63-主支链， 631-升降气缸，632-滑块，6321-燕尾部，6322-矩形部，633-球铰A，634-伸缩气缸，635-球铰B，64-副支链，641-球铰C，642-下连接杆，643-球铰D，644-跟随移动副，645-球铰E， 646-上连接杆，647-球铰F，65-支撑支链，651-支撑气缸，652-球铰G，7-输入装置，8-计算装置，9-耳机。
【具体实施方式】
首先就本发明具体技术方案进行介绍：
如图1所示，本发明健身单车系统包括：基体1、交互系统(2、9)、单车系统3、现实环境仿真系统4，其中基体1可以是地面，也可以是台面，可根据健身场所情况设置，基体1 开设有安装槽，该安装槽用于固定安装现实环境仿真系统4，单车系统3固定安装于现实环境仿真系统4顶部，交互系统(2、9)安装于基体1上并位于单车系统3前部，该交互系统包括显示触摸屏2，用于显示各种模拟现实路况，优选的显示触摸屏2可以选择大型曲面液晶显示屏，这样在各种视角来看显示的画面都不会失真。
参照图2-3所示，现实环境仿真系统4包括支撑板41以及多个并联机构单元体5，支撑板41用于固定支撑单车系统3，并联机构单元体5分布于基体1开设的安装槽内，优选设置四个，每个角落设置一个，该并联机构单元体5用于提供三转动、一平移自由度，用于模拟各种转弯以及升降运动。
参照图4-5，每个并联机构单元体5包括安装框51、升降滑轨52以及并联机构6，并联机构6包括动平台61、四条主支链63、支撑支链65以及四条副支链64；动平台61可通过螺栓与支撑板41固定连接。
每个主支链63依次包括升降气缸631，滑块632，球铰A633，伸缩气缸634，球铰B635，升降气缸631一端固定安装于安装框51底部，另一端与固定连接滑块632，滑块632还连接球铰A633，球铰A633与伸缩气缸634一端连接，伸缩气缸634另一端与所述球铰B635连接，球铰B635通过铰接座与动平台61连接；
支撑支链65包括支撑气缸651以及球铰G652，支撑气缸651一端固定安装于安装框51 底部，另一端与球铰G652连接，球铰G652通过铰接座与动平台61连接。
每个副支链64包括两个球铰C641、两个下连接杆642、一个球铰D643、一个跟随移动副644、一个球铰E645、两个上连接杆646、两个球铰F647，两个球铰C641分别与相邻的两个滑块632连接，两个下连接杆642一端分别与两个球铰C641连接，两个下连接杆642 另一端共同连接球铰D643，跟随移动副644一端连接球铰D643，另一端连接球铰E645，两个上连接杆646一端共同连接球铰E645，两个上连接杆646一端分别连接两个球铰F647，两个球铰F647分别通过球铰座与动平台61连接。
优选的，上述球铰A633、两个球铰C641共用一个球铰座，球铰B635和两个球铰F647共用一个球铰座。
滑块632沿升降滑轨52滑动，滑块632包括两端燕尾部6321以及中间矩形部6322，两个升降气缸631伸缩杆固定连接两个燕尾部6321，带动滑块632升降，该形状滑块在保证平稳滑动的同时能够增强支撑稳定性。
上述并联机构6可以提供三个方向的旋转自由度和竖直方向的升降自由度，可模拟各种路况。同时由于骑行者将重量施加在并联机构上部，整体重量较大，而本发明并联机构单元体5共同作用，同时每个并联机构6又在副支链64的作用下，可以显著提高承重能力，并且可以有效保证运动的稳定性。
参照图6-9所示，本发明驱动轮31是提供动力的后轮，其通过支架安装在支撑板41上。驱动轮31包括轮毂311和轮辐，所述轮毂311包括中间阻力摩擦面3111以及两边助力摩擦面3112，中间阻力摩擦面3111为内凹面。
本发明还包括阻力机构33，其包括阻力气缸331、阻力块332，阻力块332包括两边让位面3321和中间阻力突条3322，中间阻力突条3322与中间阻力摩擦面3111配合，当需要提供阻力时，例如爬坡模拟，并且正常行驶就需要提供一定阻力以便模拟路面，阻力气缸331 伸长，阻力块332的阻力突条3322压紧中间阻力摩擦面3111以提供阻力，压紧力越大，阻力越大，同时两边让位面3321可以让位两边助力摩擦面3112。
进一步，本发明还包括助力机构34，其包括两个助力气缸341、两个助力电机342、两个助力滑轨343以及助力辊344，助力气缸341、助力电机342、助力滑轨343以驱动轮31 为中心对称布置，助力辊344两端分别于两个助力电机342的电机输出轴连接，助力辊344 包括旋转轴3441以及位于中间的助力摩擦辊3442，助力摩擦辊3442与助力摩擦面3112配合，当需要进行助力时，例如模拟下坡路，首先启动两个助力电机342，使其带动助力辊344 旋转运动，再通过两个助力气缸341同时推动两个助力电机342在各自的助力滑轨343上滑动向前靠近驱动轮31，直到助力摩擦辊3442与助力摩擦面3112配合压紧提供助力。
参照图10，本发明还具有输入装置7、计算装置8，输入装置为后台输入装置，可以下载设计的新的路况，计算装置8为一个服务器，承担整个计算通信功能，例如显示画面、显示配套的声音，控制并联机构单元体5以及阻力和助力系统协同运动，实现模拟所选择的路况。进一步，本发明交互系统(2、9)还包括耳机9，可以在运动时佩戴，用于提供声音信息，例如鸟鸣，风声，流水声以及各种真实的自然环境。
参照图11，本发明提供的健身单车系统可以模拟各种真实的路况，例如图11中A所示的正常平驶路况，B所示的爬坡路况，C所示的下坡路矿，D所示的左转弯路况，E所示的右转弯路况，F所示的复合路况(例如爬坡左转弯、爬坡右转弯，下坡左转弯，下坡右转弯)。
总之，本发明结构紧凑、控制简单，可以模拟各种路况条件，同时承载能力强、翻转角度大，可以非常逼真的让运动者体验户外骑车的感觉。
需要说明，凡是不脱离本发明宗旨的创造，均应当视作包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模仿现实环境的健身单车系统，包括：基体(1)、交互系统(2、9)、单车系统(3)、现实环境仿真系统(4)、输入装置(7)、计算装置(8)；其特征在于：所述基体(1)开设有安装槽，所述现实环境仿真系统(4)固定安装于该安装槽内，所述单车系统(3)固定安装于所述现实环境仿真系统(4)顶部，所述交互系统(2、9)安装于所述基体(1)上并位于所述单车系统(3)前部；所述现实环境仿真系统(4)包括支撑板(41)以及多个并联机构单元体(5)，所述并联机构单元体(5)可提供三转动一平移自由度；所述单车系统(3)还包括驱动轮(31)、支撑架(32)、阻力机构(33)以及助力机构(34)；所述健身单车系统可模拟平路、上坡、下坡、水平转弯、上坡转弯、下坡转弯多种现实环境。
2.如权利要求1所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述并联机构单元体(5)包括安装框(51)、升降滑轨(52)以及并联机构(6)，所述并联机构(6)包括动平台(61)、四条主支链(63)、支撑支链(65)以及四条副支链(64)；每个所述主支链(63)依次包括升降气缸(631)，滑块(632)，球铰A(633)，伸缩气缸(634)，球铰B(635)，所述升降气缸(631)一端固定安装于所述安装框(51)底部，另一端与固定连接所述滑块(632)，所述滑块(632)还连接所述球铰A(633)，所述球铰A(633)与所述伸缩气缸(634)一端连接，所述伸缩气缸(634)另一端与所述球铰B(635)连接，所述球铰B(635)通过铰接座与所述动平台(61)连接；所述支撑支链(65)包括支撑气缸(651)以及球铰G(652)，所述支撑气缸(651)一端固定安装于所述安装框(51)底部，另一端与所述球铰G(652)连接，所述球铰G(652)通过铰接座与所述动平台(61)连接；每个所述副支链(64)包括两个球铰C(641)、两个下连接杆(642)、一个球铰D(643)、一个跟随移动副(644)、一个球铰E(645)、两个上连接杆(646)、两个球铰F(647)，所述两个球铰C(641)分别与相邻的两个所述滑块(632)连接，所述两个下连接杆(642)一端分别与所述两个球铰C(641)连接，所述两个下连接杆(642)另一端共同连接所述球铰D(643)，所述跟随移动副(644)一端连接所述球铰D(643)，另一端连接所述球铰E(645)，所述两个上连接杆(646)一端共同连接所述球铰E(645)，所述两个上连接杆(646)一端分别连接所述两个球铰F(647)，所述两个球铰F(647)分别通过球铰座与所述动平台(61)连接。
3.如权利要求2所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述滑块(632)沿所述升降滑轨(52)滑动，所述滑块(632)包括两端燕尾部(6321)以及中间矩形部(6322)。
4.如权利要求1所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述驱动轮(31)包括轮毂(311)，所述轮毂(311)包括中间阻力摩擦面(3111)以及两边助力摩擦面(3112)，所述中间阻力摩擦面(3111)为内凹面。
5.如权利要求4所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述阻力机构(33)包括阻力气缸(331)、阻力块(332)，所述阻力块(332)包括两边让位面(3321)和中间阻力突条(3322)，所述中间阻力突条(3322)与所述中间阻力摩擦面(3111)配合。
6.如权利要求4所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述助力机构(34)包括两个助力气缸(341)、两个助力电机(342)、两个助力滑轨(343)以及助力辊(344)，所述助力气缸(341)、助力电机(342)、助力滑轨(343)以所述驱动轮(31)为中心对称布置，所述助力辊(344)两端分别于所述两个助力电机(342)的电机输出轴连接，所述助力辊(344)包括旋转轴(3441)以及位于中间的助力摩擦辊(3442)，所述助力摩擦辊(3442)与所述助力摩擦面(3112)配合。
7.如权利要求1所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述交互系统(2、9)包括显示触摸屏(2)以及耳机(9)，所述显示触摸屏(2)优选为曲面屏幕。
8.如权利要求1所述的一种模仿现实环境的健身单车系统，其特征在于：所述输入装置(7)具备下载接口，可用于下载更多路况以便训练者选择；所述计算装置(8)可根据各种所选择的路况控制各动力装置，实现模拟所选择的路况。
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