CN111569390A - 用于万向行走设备的脚部定位方法 - Google Patents

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CN111569390A CN202010516395.6A CN202010516395A CN111569390A CN 111569390 A CN111569390 A CN 111569390A CN 202010516395 A CN202010516395 A CN 202010516395A CN 111569390 A CN111569390 A CN 111569390A
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李传红
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Abstract

本发明特别涉及一种用于万向行走设备的脚部定位方法，包括如下步骤：S1、通过摄像头拍摄用户脚部图像；S2、控制单元根据每个摄像头拍摄的图像分别拟合用户脚部运动曲线；S3、控制单元根据曲线方程计算出用于脚部在行走平面内落点与该摄像头的光轴夹角；S4、控制单元根据所有摄像头的光轴夹角以及摄像头的位置信息计算得到用户脚部位置。通过设置两个及以上的摄像头从不同的角度拍摄用户脚部图像，我们根据摄像头的光轴以及落脚点和光轴的夹角就可以绘制出落脚点和摄像头之间的连线，两条以上的连线就会有交点且该交点就是落脚点位置，这种方式求解过程很简单，需要处理的数据也非常少。

Description

用于万向行走设备的脚部定位方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实设备技术领域，特别涉及一种用于万向行走设备的脚部定位方法。
背景技术
虚拟现实就是虚拟和现实相互结合，从理论上来讲，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。
为了提高用户的沉浸感受，除了给用户戴上VR眼镜模拟周围环境外，一般还会设计一种承托用户的万向跑步机，将真实世界的行走、跑步等动作，变成虚拟空间里的相应运动，并且保证用户朝着任意方向运动时都不会脱离跑步机本体范围以外。这种设备目前极其少见，常见的传统跑步机很难实现任意方向的运动。目前最常见的万向跑步机结构如下：包括一个呈锅状的本体，用户穿上低摩擦力的鞋子或者带有滚轮的鞋子以后，在锅状本体上行走，这样不管用户怎么走，都会滑回锅里。这是目前较好的万向跑步机解决方案，但在实际体验中我们发现，在这种结构的跑步机上行走与在真实地面上行走的感觉很不一样，这种走路方式有点像是上坡时鞋底太滑，结果怎么走都走不动，但是也不会滑下去，行走在这种跑步机上，体验非常差，因此未能得到有效的推广。
为了提高跑步机的真实体验，有很多其他结构的万向跑步机被发明出来，在很多结构中，需要对用户的脚进行定位，以方便万向跑步机能够可靠的运行，现有技术中基本没有可以可靠定位用户脚部的系统和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于万向行走设备的脚部定位方法，可以快速、准确的计算出脚部位置。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于万向行走设备的脚部定位方法，包括如下步骤：S1、通过摄像头拍摄用户脚部图像，其中摄像头设置有两个或两个以上，摄像头的光轴方向位于用户的行走平面内且各摄像头的光轴之间具有夹角，摄像头的拍摄频率大于10次/秒；S2、控制单元根据每个摄像头拍摄的图像分别拟合用户脚部运动曲线；S3、控制单元根据曲线方程计算出用于脚部在行走平面内落点与该摄像头的光轴夹角；S4、控制单元根据所有摄像头的光轴夹角以及摄像头的位置信息计算得到用户脚部位置。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过设置两个及以上的摄像头，从不同的角度拍摄用户脚部图像，然后计算出每个摄像头中脚部位置，这里不计算脚部的具体位置，而是计算其与摄像头光轴之间的夹角；摄像头在设置的时候，其光轴已经得以确定，我们根据摄像头的光轴以及落脚点和光轴的夹角就可以绘制出落脚点和摄像头之间的连线，两条以上的连线就会有交点且该交点就是落脚点位置，这种方式求解过程很简单，需要处理的数据也非常少。
附图说明
图1是基于该定位方法的万向行走设备实施例一示意图；
图2是基于该定位方法的万向行走设备实施例二示意图；
图3是是鞋底的结构示意图；
图4是鞋底的爆炸结构示意图；
图5是安装台结构示意图；
图6是安装台不含转动板的结构示意图；
图7是转动板的结构示意图；
图8是安装台的剖视图；
图9是实施例一中踏板的示意图；
图10是实施例一中支撑座的示意图；
图11是实施例一中底座的结构示意图；
图12是实施例一中底座的另一个角度结构示意图；
图13是实施例一中上盖板和第二驱动单元的结构示意图；
图14是实施例一中底座的剖视图；
图15是实施例二中踏板的示意图；
图16是实施例二中支撑座的结构示意图；
图17是实施例二中踏板的剖视图；
图18是实施例二中底座的结构示意图；
图19是实施例二中图18中去掉上盖板和第二驱动板后的结构示意图；
图20是实施例二中底座的剖视图；
图21是扶手的结构示意图；
图22是实施例一中踏板和底座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图22，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图1和图2，一种用于万向行走设备的脚部定位方法，包括如下步骤：S1、通过摄像头70拍摄用户脚部图像，其中摄像头70设置有两个或两个以上，摄像头70的光轴方向位于用户的行走平面内且各摄像头70的光轴之间具有夹角，摄像头70的拍摄频率大于10次/秒；S2、控制单元根据每个摄像头70拍摄的图像分别拟合用户脚部运动曲线；S3、控制单元根据曲线方程计算出用于脚部在行走平面内落点与该摄像头70的光轴夹角；S4、控制单元根据所有摄像头70的光轴夹角以及摄像头70的位置信息计算得到用户脚部位置。通过设置两个及以上的摄像头70，从不同的角度拍摄用户脚部图像，然后计算出每个摄像头70中脚部位置，这里不计算脚部的具体位置，而是计算其与摄像头70光轴之间的夹角；摄像头70在设置的时候，其光轴已经得以确定，我们根据摄像头70的光轴以及落脚点和光轴的夹角就可以绘制出落脚点和摄像头70之间的连线，两条以上的连线就会有交点且该交点就是落脚点位置，这种方式求解过程很简单，需要处理的数据也非常少。
参阅图1-图4，为了更方便的识别出脚部和光轴的夹角，这里优选地，所述用户脚部的鞋底50上设置有条形凹槽51，条形凹槽51中设置有弹片52，弹片52的一端插置在条型凹槽51一端设置的插孔511中，弹片52的另一端呈悬伸状并设置有LED灯珠521，LED灯珠521位置处的条形凹槽51槽底固定设置有按压式常闭开关512，LED灯珠521的正极通过按压式常闭开关512连接电源正极，LED灯珠521的负极直接连接电源负极，条型凹槽51的槽口处设置有盖板53，弹片52在正常状态下LED灯珠521自盖板53上开设的孔洞中伸出，用户踩下时LED灯珠521克服弹片52的弹性作用力缩回条形凹槽51中并打开按压式常闭开关512断开电源和LED灯珠521的连接。这样设置以后，当用户踩在踏板10上的时候，LED灯珠521就会缩进条形凹槽51中，并激活按压式常闭开关，控制电源和LED灯珠521之间断开，从而熄灭LED灯珠521；当用户抬脚时，LED灯珠521就会在弹片52的作用力下弹出，从盖板53上的孔洞中伸出，并且此时松开按压式常闭开关512，电源和LED灯珠521就会导通，从而点亮LED灯珠521。LED灯珠521的位置可以设置在鞋底50的中间部位，这样计算得到的LED灯珠521位置就就相当于用户脚部位置。这里之所以设置LED灯珠521，是因为摄像头70拍摄的图像中，直接识别用户脚部会比较困难，但是识别图像中的一个光点则非常容易，并且，这里的LED灯珠521可以设置成想要的颜色，甚至左脚和右脚下的LED灯珠521的发光颜色不同，以利于识别出左脚或右脚。
摄像头70设置方式多样，这里通过示例出一种万向行走设备来说明如果设置摄像头70。具体地，该万向行走设备包括踏板10、底座20以及安装台30，所述的踏板10包括用于托撑用户脚部的支撑板11以及第一驱动单元，第一驱动单元驱动支撑板11转动，底座20用于托撑踏板10且底座20内设置有第二驱动单元23用于驱动踏板10沿底座20的径向方向运动，安装台30用于托撑底座20且安装台30内设置有第三驱动单元用于驱动底座20的转动。通过设置踏板10，可以方便的对用户脚部进行支撑，第一驱动单元可以驱动支撑板11转动，方便在踏板10整体转动时提供反向转动使得用户保持静止，底座20和踏板10呈独立结构，更容易安装、更换和维修，底座20内的第二驱动单元23可以控制踏板10沿径向方向运动，这样就能在用户行走时将用户的脚部收回至中心位置，从而实现原地行走的功能。通过设置安装台30，可以方便放置底座20和踏板10，定位单元可以实现对用户脚部位置监控，这样控制单元就可以根据用户脚部位置来控制踏板10动作，从而实现用户行走时踏板10能够及时移动承接用户伸出去的脚，同时能够将用户移动至安装台30的中心，方便的实现用户在原地朝任意方向移动，该装置结构简单，控制起来非常的方便，响应速度快，大幅提高用户的原地行走体验。
进一步地，安装台30上固定安装有四个摄像头70，四个摄像头70呈位于正方形的四个顶角状态设置，四个摄像头70与底座20中心之间的距离相等且各摄像头70的光轴均指向底座20中心；支撑板11的上板面即构成行走平面。设置四个摄像头70，可以从四个方向拍摄用户脚部图像，有效避免遮挡，同时，让四个摄像头70呈位于正方形的四个顶角状态设置，可以大大简化后续落脚点位置的计算数据。
进一步地，所述的步骤S2中，按如下步骤拟合脚部运动曲线：S21、建立二维坐标系，二维坐标系的Y轴沿竖直方向布置且X轴位于行走平面内，X轴、Y轴以及摄像头70的光轴三者两两垂直且三者交点为坐标系原点；S22、控制单元识别所拍摄用户脚部图像中的LED灯珠521位置得到该图像中脚部坐标；S23、控制单元根据计算得到的坐标拟合抛物线方程得到脚部运动曲线。用户在行走时，抬脚到落脚的过程中，其脚部所划过的轮廓类似于抛物线，这里根据脚部位置拟合抛物线方程，可以减少计算量。得到脚部运动曲线后，我们就可以通过计算抛物线和X轴的交点来得到落脚点位置信息，非常方便。
进一步地，所述的步骤S3中，按如下步骤计算脚部落点与摄像头70的光轴夹角：S31、计算步骤S23中抛物线与X轴两个交点的横坐标；S32、根据以下公式计算光轴夹角：θ＝tan-1(X/L)，式中X是步骤S31中与原点最近的那个交点的横坐标，L是摄像头70与底座20中心之间的距离，这里L的距离都是事先设定好的，X是在步骤S2中计算得到的，因而可以直接根据公式计算得到夹角。
根据夹角计算落脚点位置的方法有很多，本发明中优选地，所述的步骤S4中，按如下步骤计算用户脚部位置：S41、以底座20中心为原点、以行走平面为二维平面、以任一个摄像头70所在方位为X轴建立二维坐标系；S42、根据摄像头70与底座20中心之间的距离以及方位得到各摄像头70的坐标(L,0)、(0,L)、(-L,0)、(0,-L)，由于摄像头70的位置是固定的，所以其坐标也是固定的，可以预先设定好；S43、根据坐标(L,0)处摄像头70的光轴夹角θ1求得第一直线方程：(y-0)＝tan(π-θ1)·(x-L)；根据坐标(0,L)处摄像头70的光轴夹角θ2求得第二直线方程：9y-L)＝tan(π/2-θ2)·(x-0)；根据坐标(-L,0)处摄像头70的光轴夹角θ3求得第三直线方程：(y-0)＝tan(-θ3)·(x+L)；根据坐标(0,-L)处摄像头70的光轴夹角θ3求得第四直线方程：(y+L)＝tan(π/2-θ4)·(x-0)；这里的第一直线实际上就是坐标为(L,0)的摄像头70和落脚点的连线，同理，其他直线也分别对应其他摄像头70和落脚点的连线。S44、根据第一直线、第二直线、第三直线以及第四直线的方程求解这四条直线的所有交点坐标，理论上来说，这些交点应该是重合的，就是落脚点位置，但实际上由于拍摄、测量和计算的缘故，会产生一定的误差，所以这些交点不一定重合在一起，而是有少许偏差；S45、求解包含所有交点的最小外接圆，并将该圆的圆心坐标转换成极坐标后作为落脚点的极坐标输出，这里通过拟合最小外接圆，将所有的交点包括进去，从而得到较为准确的落脚点位置，并且为了方便后续计算，将圆心的坐标转换成极坐标后输出即可。
参阅图5-图8，安装台30的结构多样，这里优选地，所述的安装台30包括圆盘状本体31，本体31上设置有第二沉孔311，第二沉孔311内设置有台阶312且台阶面上设置有第三半球形孔洞313用于容纳滚珠60，第二沉孔311的孔口处设置有转动板32且转动板32的下侧板面上设置有第二环形凹槽321用于和滚珠60构成滚动配合，同样地，这里在转动板32和安装台30的台阶面之间滚珠60，可以在托撑用户时依然能够保证转动板32的灵活转动，减小摩擦力；转动板32下侧板面位于第二环形凹槽321内还设置有齿轮，安装台30的本体31内设置有第四电机34，第四电机34的输出轴上固定有齿轮并与转动板32上的齿轮相啮合，第四电机34即构成第三驱动单元。第四电机34通过齿轮驱动转动板32转动，实现起来非常方便，这里只是结构示意，实际使用中，可能还需要在第四电机34的输出轴上设置齿轮组，以方便提供合适的驱动力驱动转动板32转动。
这里的万向行走设备有两种实施方式，下面分别对两种万向行走设备的结构进行详细的说明。
参阅图9和图10，实施例一中的踏板10结构如下：所述的踏板10包括支撑座12和第一电机14，支撑座12整体呈方形且其上设置有第一通孔121用于安装第一电机14，第一通孔121的轴芯沿竖直方向布置；支撑座12的顶面上设置有多个第一半球形孔洞122用于容纳滚珠60，多个第一半球形孔洞122的中心位于同一圆周上且该圆周的中心线与第一电机14的轴芯重合；支撑板11为圆形板，第一电机14的轴与支撑板11的圆心固定连接，支撑板11下侧板面上设置有第一环形凹槽111与滚珠60构成滚动配合；第一电机14即构成第一驱动单元。通过在支撑座12上设置第一半球形孔洞122，里面放上滚珠60，然后支撑板11放在滚珠60上且支撑板11下方的第一环形凹槽111正好位于滚珠60上，这样设置以后，支撑板11可以在托撑用户的时候依然能更灵活的转动，滚珠60可以根据需要设置多个，只要能够稳定的托撑支撑板11即可；第一电机14的轴和支撑板11固定在一起，同时第一电机14固定在第一通孔121处，这样就实现支撑板11和支撑座12的固定。
参阅图11-图14，实施例一种的底座20结构如下：所述的底座20包括圆形的上盖板21和下盖板22，上盖板21的边缘朝下设置有第一翻边211，下盖板22固定在第一翻边211上；上盖板21的板面上设置有多个条形孔212，条形孔212的长度方向沿上盖板21的径向方向布置，多个条形孔212沿圆周方向均匀间隔布置，条形孔212的下方设置有滑杆213；支撑座12位于第一通孔121旁侧的下方朝下设置有凸起且该凸起上设置有供滑杆213穿过的第二通孔123；将踏板10装在条形孔212处，踏板10上的第二通孔123和滑杆213构成滑动配合，滑杆213和条形孔212平行，这样踏板10就可以顺延条形孔212长度方向自由滑移。
位于条形孔212旁侧的上盖板21下侧板面上设置有第二电机231、皮带轴232以及皮带233，皮带233张紧在两个皮带轴232之间，第二电机231的输出轴固定连接其中一个皮带轴232，第二电机231的轴芯方向、条形孔212的长度方向、上盖板21的轴芯方向三者两两垂直；踏板10的支撑座12下方设置有固定条124，固定条124和皮带233上均设开设有安装孔且两者通过螺栓固定；第二电机231、皮带轴232、皮带233即构成第二驱动单元23。这里通过皮带233带动踏板10沿条形孔212长度方向运动，其响应速度很快，并且速度非常均匀。每个踏板10旁侧旁侧而设置一组第二驱动单元23，就能实现每个踏板10的独立控制了。
为了方便底座20与安装台30的的连接，这里优选地，所述上盖板21下侧板面中心位置处设置有凸柱214，凸柱214和上盖板21同芯布置，下盖板22中心位置处设置有第三通孔221供凸柱214伸出，凸柱214上固定安装有气电滑环24，第一电机14和第二电机231与气电滑环24相连。气电滑环24是非常成熟的产品，它主要用在两个相对转动的部件处，避免两者之间的导线或气管缠绕，这里的底座20需要安装在安装台30上，同时底座20会相对于安装台30转动，由于底座20中的第一电机14和第二电机231需要连接电源和接收控制信号，因此会引出导线，这里设置气电滑环24可以避免底座20转动时导线缠绕。
参阅图15-图17，实施例二中的踏板10结构如下：所述的踏板10包括支撑座12和第一电机14，支撑座12整体呈方形且其上设置有第一通孔121用于安装第一电机14，第一通孔121的轴芯沿竖直方向布置；支撑座12的顶面上设置有多个第一半球形孔洞122用于容纳滚珠60，多个第一半球形孔洞122的中心位于同一圆周上且该圆周的中心线与第一电机14的轴芯重合；支撑板11为圆形板，第一电机14的轴与支撑板11的圆心固定连接，支撑板11下侧板面上设置有第一环形凹槽111与滚珠60构成滚动配合；第一电机14即构成第一驱动单元。通过在支撑座12上设置第一半球形孔洞122，里面放上滚珠60，然后支撑板11放在滚珠60上且支撑板11下方的第一环形凹槽111正好位于滚珠60上，这样设置以后，支撑板11可以在托撑用户的时候依然能更灵活的转动，滚珠60可以根据需要设置多个，只要能够稳定的托撑支撑板11即可；第一电机14的轴和支撑板11固定在一起，同时第一电机14固定在第一通孔121处，这样就实现支撑板11和支撑座12的固定。
进一步地，所述支撑座12的下方设置有凸起，伸缩单元13包括自下而上设置在凸起中的第一沉孔131、呈T型的伸缩头132、压簧133、压板134、气流通道135以及三通阀，伸缩头132位于第一沉孔131中且T型头朝向第一沉孔131的孔底一侧，压板134设置在凸起的下方且压板134中开设有供伸缩头132伸出的孔洞，压簧133套设在伸缩头132上，压簧133的一端抵靠在伸缩头132的T型台阶上、另一端抵靠在压板134上，气流通道135自第一沉孔131底部延伸至凸起的侧面并通过气管连接三通阀的公共端，三通阀的常开端连接大气、常闭端连接气源。这样设置以后，在常态下，由于三通阀的常开端连接大气，故气流通道135中为常压，压簧133的弹性作用力就会是的伸缩头132运动至第一沉孔131的内部，伸缩头132缩回至踏板10中；当需要控制伸缩头132伸出，只需要控制三通阀动作，使其连接气源，这样气流通道135中就会有正压，伸缩头132在气压的作用力下克服压簧133的弹性作用力向下伸出至底座20中。该结构简单，控制起来也非常方便，只需要控制三通阀动作就能实现伸缩头132的伸出和缩回。
参阅图18、图19和图20，实施例二中底座20的结构如下：所述的底座20包括圆形的上盖板21和下盖板22，下盖板22的边缘朝上设置有第二翻边222，上盖板21固定在第二翻边222上；上盖板21的板面上设置有多个条形孔212，条形孔212的长度方向沿上盖板21的径向方向布置，多个条形孔212沿圆周方向均匀间隔布置；踏板10的支撑座11下方设置有第二半球形孔洞125用于容纳滚珠60，条形孔212的两侧设置有滚珠槽215与滚珠60构成滚动配合，滚珠槽215与条形孔212平行。这里在支撑座11下方和上盖板21之间按相同方式设置滚珠60，可以保证踏板10在底座20上较为顺滑的移动，在实际安装时，踏板10放在底座20上，第二半球形孔洞125、滚珠60以及滚珠槽215形成滚动配合时，可以让伸缩单元13的压板134正好卡在上盖板21的下侧板面上，这样可以避免踏板10掉落。
进一步地，所述第二驱动单元23包括滚轮234、第一驱动板235、第二驱动板236以及第三电机237，滚轮234固定在下盖板22上且沿圆周方向间隔布置有多个，滚轮234沿其轴芯方向布置有两组，两组滚轮234分别卡在第一驱动板235和第二驱动板236的边缘使得两个驱动板绕下盖板22的轴芯转动；第一驱动板235上沿周向均匀间隔设置有多条阿基米德螺旋线段槽，第二驱动板236上设置有形状相同且方向相反的阿基米德螺旋线段槽，第一驱动板235和第二驱动板236上的阿基米德螺旋线段槽在条形孔212处相交；第一驱动板235和第二驱动板236朝向彼此一侧面上均设置有平面齿轮，第三电机237驱动第一驱动板235和第二驱动板236按同样的转速朝相反方向转动，这里所说的阿基米德螺旋线段槽是指这个槽的长度方向是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹，这样，当伸缩头132伸出至阿基米德螺旋线段槽内时，只需要驱动第一驱动板235匀速转动，伸缩头132也会被匀速的驱动至中心位置。设置单个驱动板235，伸缩头132还会受到测量的推力，因此这里设置两个对称的第一驱动板235和第二驱动板236，使得侧向推力抵消，只会受到向底座20中心的推力，该结构非常巧妙，控制起来也非常方便，只需要控制两个驱动板反向同步转动即可推动伸缩头132向底座20中心方向运动。
为了方便底座20与其他部件方便的连接，这里优选地，所述上盖板21下侧板面中心位置处设置有凸柱214，凸柱214和上盖板21同芯布置，下盖板22中心位置处设置有第三通孔221供凸柱214伸出，凸柱214上固定安装有气电滑环24，如图22所示，第一驱动板235和第二驱动板236的中心处设置避开凸柱214和气电滑环24的孔洞；第一电机14和第三电机237与气电滑环24相连，气流通道135通过气电滑环24连接三通阀的公共端；气电滑环24是非常成熟的产品，它主要用在两个相对转动的部件处，避免两者之间的导线或气管缠绕，这里的底座20需要安装在安装台30上，同时底座20会相对于安装台30转动，由于底座20中的第一电机14和第三电机237需要连接电源和接收控制信号、气流通道135需要通过气管连接三通阀，因此会引出导线和气管，这里设置气电滑环24可以避免底座20转动时导线缠绕。三通阀、控制单元均固定在安装台30的本体31内。
参阅图21，对于实施例一和实施例二，进一步地，该万向走步机包括扶手40，扶手40包括第一C型环41、第二C型环42、第三C型环43以及连接部44；所述安装台30的本体31周边向外延伸有凸台33，凸台33上设置有套筒331；第一C型环41截面呈方形，第一C型环41的下方设置有立柱411，立柱411和套筒331构成上下滑移配合且两者通过螺栓锁紧；第二C型环42环绕在用户腰部并通过连接部44固定在第一C型环41上，第一C型环41和第二C型环42的开口方向一致；第二C型环42为中空管状且其管壁上开设有细槽421，第三C型环43位于第二C型环42中且第三C型环43可绕第二C型环42的轴芯转动，第三C型环43上设置有便于拨动的凸块431从细槽421中伸出。在用户腰部位置设置第二C型环42，可以有效的防止用户行走时身体发生大幅度移动，避免用户在行走时摔倒；第一C型环主要用于固定立柱411和连接部44；立柱411和套筒331的设置，可以实现第二C型环42的上下位置调节，以便适应不同身高的用户，用户第一次使用时，可以站上去，由其他人调节立柱411的位置，调节完成后通过螺栓或销钉锁紧；第一C型环41和第二C型环42开口方向一致，这样用户就可以从这个开口方向进入到第二C型环42中；当用户进入以后，通过拨动凸块431，就可以拨动第三C型环43在第二C型环42中转动，从而封闭第二C型环42的开口，这样第二C型环42和第三C型环43就形成一个封闭的圆环让对用户实施保护；第二C型环42上细槽421的设置，可以提供对凸块431的避让。

Claims (10)

1.一种用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、通过摄像头(70)拍摄用户脚部图像，其中摄像头(70)设置有两个或两个以上，摄像头(70)的光轴方向位于用户的行走平面内且各摄像头(70)的光轴之间具有夹角，摄像头(70)的拍摄频率大于10次/秒；
S2、控制单元根据每个摄像头(70)拍摄的图像分别拟合用户脚部运动曲线；
S3、控制单元根据曲线方程计算出用于脚部在行走平面内落点与该摄像头(70)的光轴夹角；
S4、控制单元根据所有摄像头(70)的光轴夹角以及摄像头(70)的位置信息计算得到用户脚部位置。
2.如权利要求1所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述用户脚部的鞋底(50)上设置有条形凹槽(51)，条形凹槽(51)中设置有弹片(52)，弹片(52)的一端插置在条型凹槽(51)一端设置的插孔(511)中，弹片(52)的另一端呈悬伸状并设置有LED灯珠(521)，LED灯珠(521)位置处的条形凹槽(51)槽底固定设置有按压式常闭开关(512)，LED灯珠(521)的正极通过按压式常闭开关(512)连接电源正极，LED灯珠(521)的负极直接连接电源负极，条型凹槽(51)的槽口处设置有盖板(53)，弹片(52)在正常状态下LED灯珠(521)自盖板(53)上开设的孔洞中伸出，用户踩下时LED灯珠(521)克服弹片(52)的弹性作用力缩回条形凹槽(51)中并打开按压式常闭开关(512)断开电源和LED灯珠(521)的连接。
3.如权利要求2所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：包括踏板(10)、底座(20)以及安装台(30)，所述的踏板(10)包括用于托撑用户脚部的支撑板(11)以及第一驱动单元，第一驱动单元驱动支撑板(11)转动，底座(20)用于托撑踏板(10)且底座(20)内设置有第二驱动单元(23)用于驱动踏板(10)沿底座(20)的径向方向运动，安装台(30)用于托撑底座(20)且安装台(30)内设置有第三驱动单元用于驱动底座(20)的转动，安装台(30)上固定安装有四个摄像头(70)，四个摄像头(70)呈位于正方形的四个顶角状态设置，四个摄像头(70)与底座(20)中心之间的距离相等且各摄像头(70)的光轴均指向底座(20)中心；支撑板(11)的上板面即构成行走平面。
4.如权利要求3所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的步骤S2中，按如下步骤拟合脚部运动曲线：
S21、建立二维坐标系，二维坐标系的X轴沿竖直方向布置且Y轴位于行走平面内，X轴、Y轴以及摄像头(70)的光轴三者两两垂直且三者交点为坐标系原点；
S22、控制单元识别所拍摄用户脚部图像中的LED灯珠(521)位置得到该图像中脚部坐标；
S23、控制单元根据计算得到的坐标拟合抛物线方程得到脚部运动曲线。
5.如权利要求4所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的步骤S3中，按如下步骤计算脚部落点与摄像头(70)的光轴夹角：
S31、计算步骤S23中抛物线与X轴两个交点的横坐标；
S32、根据以下公式计算光轴夹角：θ＝tan-1(X/L)，式中X是步骤S31中与原点最近的那个交点的横坐标，L是摄像头(70)与底座(20)中心之间的距离；
所述的步骤S4中，按如下步骤计算用户脚部位置：
S41、以底座(20)中心为原点、以行走平面为二维平面、以任一个摄像头(70)所在方位为X轴建立二维坐标系；
S42、根据摄像头(70)与底座(20)中心之间的距离以及方位得到各摄像头(70)的坐标(L,0)、(0,L)、(-L,0)、(0,-L)；
S43、根据坐标(L,0)处摄像头(70)的光轴夹角θ1求得第一直线方程：(y-0)＝tan(π-θ1)·(x-L)；
根据坐标(0,L)处摄像头(70)的光轴夹角θ2求得第二直线方程：(y-L)＝tan(π/2-θ2)·(x-0)；
根据坐标(-L,0)处摄像头(70)的光轴夹角θ3求得第三直线方程：(y-0)＝tan(-θ3)·(x+L)；
根据坐标(0,-L)处摄像头(70)的光轴夹角θ3求得第四直线方程：(y+L)＝tan(π/2-θ4)·(x-0)；
S44、根据第一直线、第二直线、第三直线以及第四直线的方程求解这四条直线的所有交点坐标；
S45、求解包含所有交点的最小外接圆，并将该圆的圆心坐标转换成极坐标后作为落脚点的极坐标输出。
6.如权利要求5所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的安装台(30)包括圆盘状本体(31)，本体(31)上设置有第二沉孔(311)，第二沉孔(311)内设置有台阶(312)且台阶面上设置有第三半球形孔洞(313)用于容纳滚珠(60)，第二沉孔(311)的孔口处设置有转动板(32)且转动板(32)的下侧板面上设置有第二环形凹槽(321)用于和滚珠(60)构成滚动配合；转动板(32)下侧板面位于第二环形凹槽(321)内还设置有齿轮，安装台(30)的本体(31)内设置有第四电机(34)，第四电机(34)的输出轴上固定有齿轮并与转动板(32)上的齿轮相啮合，第四电机(34)即构成第三驱动单元。
7.如权利要求6所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的踏板(10)包括支撑座(12)和第一电机(14)，支撑座(12)整体呈方形且其上设置有第一通孔(121)用于安装第一电机(14)，第一通孔(121)的轴芯沿竖直方向布置；支撑座(12)的顶面上设置有多个第一半球形孔洞(122)用于容纳滚珠(60)，多个第一半球形孔洞(122)的中心位于同一圆周上且该圆周的中心线与第一电机(14)的轴芯重合；支撑板(11)为圆形板，第一电机(14)的轴与支撑板(11)的圆心固定连接，支撑板(11)下侧板面上设置有第一环形凹槽(111)与滚珠(60)构成滚动配合；第一电机(14)即构成第一驱动单元。
8.如权利要求7所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的底座(20)包括圆形的上盖板(21)和下盖板(22)，上盖板(21)的边缘朝下设置有第一翻边(211)，下盖板(22)固定在第一翻边(211)上；上盖板(21)的板面上设置有多个条形孔(212)，条形孔(212)的长度方向沿上盖板(21)的径向方向布置，多个条形孔(212)沿圆周方向均匀间隔布置，条形孔(212)的下方设置有滑杆(213)；支撑座(12)位于第一通孔(121)旁侧的下方朝下设置有凸起且该凸起上设置有供滑杆(213)穿过的第二通孔(123)；位于条形孔(212)旁侧的上盖板(21)下侧板面上设置有第二电机(231)、皮带轴(232)以及皮带(233)，皮带(233)张紧在两个皮带轴(232)之间，第二电机(231)的输出轴固定连接其中一个皮带轴(232)，第二电机(231)的轴芯方向、条形孔(212)的长度方向、上盖板(21)的轴芯方向三者两两垂直；踏板(10)的支撑座(12)下方设置有固定条(124)，固定条(124)和皮带(233)上均设开设有安装孔且两者通过螺栓固定；第二电机(231)、皮带轴(232)、皮带(233)即构成第二驱动单元(23)。
9.如权利要求7所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述支撑座(12)的下方设置有凸起，伸缩单元(13)包括自下而上设置在凸起中的第一沉孔(131)、呈T型的伸缩头(132)、压簧(133)、压板(134)、气流通道(135)以及三通阀，伸缩头(132)位于第一沉孔(131)中且T型头朝向第一沉孔(131)的孔底一侧，压板(134)设置在凸起的下方且压板(134)中开设有供伸缩头(132)伸出的孔洞，压簧(133)套设在伸缩头(132)上，压簧(133)的一端抵靠在伸缩头(132)的T型台阶上、另一端抵靠在压板(134)上，气流通道(135)自第一沉孔(131)底部延伸至凸起的侧面并通过气管连接三通阀的公共端，三通阀的常开端连接大气、常闭端连接气源。
10.如权利要求9所述的用于万向行走设备的脚部定位方法，其特征在于：所述的底座(20)包括圆形的上盖板(21)和下盖板(22)，下盖板(22)的边缘朝上设置有第二翻边(222)，上盖板(21)固定在第二翻边(222)上；上盖板(21)的板面上设置有多个条形孔(212)，条形孔(212)的长度方向沿上盖板(21)的径向方向布置，多个条形孔(212)沿圆周方向均匀间隔布置；踏板(10)的支撑座(11)下方设置有第二半球形孔洞(125)用于容纳滚珠(60)，条形孔(212)的两侧设置有滚珠槽(215)与滚珠(60)构成滚动配合，滚珠槽(215)与条形孔(212)平行；
所述第二驱动单元(23)包括滚轮(234)、第一驱动板(235)、第二驱动板(236)以及第三电机(237)，滚轮(234)固定在下盖板(22)上且沿圆周方向间隔布置有多个，滚轮(234)沿其轴芯方向布置有两组，两组滚轮(234)分别卡在第一驱动板(235)和第二驱动板(236)的边缘使得两个驱动板绕下盖板(22)的轴芯转动；第一驱动板(235)上沿周向均匀间隔设置有多条阿基米德螺旋线段槽，第二驱动板(236)上设置有形状相同且方向相反的阿基米德螺旋线段槽，第一驱动板(235)和第二驱动板(236)上的阿基米德螺旋线段槽在条形孔(212)处相交；第一驱动板(235)和第二驱动板(236)朝向彼此一侧面上均设置有平面齿轮，第三电机(237)驱动第一驱动板(235)和第二驱动板(236)按同样的转速朝相反方向转动，第一驱动板(235)和第二驱动板(236)的中心处设置有孔洞。
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CN113730868A (zh) * 2021-06-28 2021-12-03 刘晓龙 游戏型核心稳定康复训练系统

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