CN111736705A - 一种全方向行走辅助系统及行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实(virtual reality，VR)步行设备领域，具体涉及一种行走方向稳定系统及具有所述行走方向稳定系统的行走装置。使用者双脚分别放置于结合部，所述结合部包括支撑部件和连接部件，支撑部件置于使用者脚底部，连接部件可将支撑部件与脚部连接。传动机构分别与结合部连接，所述传动机构由动力装置提供动力，通过结合部对脚部施加平面方向阻力，使脚部保持方向稳定。方向稳定系统能够在活动平面方向转动，也可以带动支撑使用者的部件整体转动，使连接于所述支撑部件的其他部件和装置与使用者的朝向随时保持一致，便于在VR场景中操作各种道具、使用各种交互装置。

Description

一种全方向行走辅助系统及行走装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实(virtual reality，VR)步行设备领域，具体涉及一种行走方向稳定系统及具有所述行走方向稳定系统的行走装置。

背景技术

现阶段国内外虚拟现实行走装置有凹面滑动式、滚珠阵列式、正交传送带式。其中滑动型全方向步行装置将使用者腰部固定，双脚在凹形表面行走。滚珠阵列式也是将使用者腰部固定，双脚在珠盘上行走。正交传送带式全方向步行装置是在大传送带上正交方向布置一周小传送带，大、小传送带分别沿X、Y轴转动，使用者的双足在小传送带排列的上表面全方向行走。上述设备中，滑动式和滚珠阵列式全方向步行装置，使用时存在行走和站立稳定性差的弊病。将使用者腰部固定，虽然能提高行走和站立的稳定性，但是使用者在转向时，依然存在脚底打滑、行走不稳的现象。尤其是滚珠阵列式全方向行走装置，虽然行走阻力小，双脚动作感觉自然，但是由于脚下踩踏的是很多小圆球组成的阵列，每个小圆球都可以沿受力方向转动。使用者的双脚如同踩在摩擦力很低的表面上，当使用者转身时，一只脚抬起、动作，另一只支撑身体的脚与踩踏的表面没有足够的摩擦力，不能实现在有足够摩擦力的地面上一样：一条腿支撑身体，腰部扭动方向即可转动身体。正交传送带式全方向步行装置，虽然行走和转向稳定性较前两种装置有优势，但是，与上述两种类型装置的共同点是：在使用时，身体是相对装置平面方向360度转动，人体自身朝向与装置本身朝向随时在变化，不便于操作或使用无法随人体转动方向的设备和硬件。KAT Walk VR跑步机与使用者腰部连接的设备上安装有座椅，但是受限于空间和重量，坐垫的面积很有限，无法实现需要较大座椅触觉情景模拟。

发明内容

为了解决虚拟现实全方向行走装置使用时转弯和行走不稳、设备和硬件无法与使用者身体同步转向的问题，本发明公开了一种行走方向稳定系统技术方案，和使用所述技术方案的行走装置。

本发明为解决问题采用的技术方案是：使用者双脚分别放置于结合部，所述结合部包括支撑部件和连接部件，支撑部件置于使用者脚底部，连接部件可将支撑部件与脚部连接。传动机构分别与结合部连接，所述方向稳定系统包括动力装置，传动机构由动力装置提供动力，通过结合部对脚部施加与所述结合部活动范围最低点所在平面倾斜角度小于45度的范围内(活动平面)转动力，使脚部保持方向稳定。方向稳定系统设置有方向锁定装置，方向锁定装置的作用是：当方向稳定系统随使用者脚部转动方向时，锁定装置将方向稳定系统与方向稳固的物体锁定(地面或全方向行走装置的固定部件)，传动机构将方向阻力传递给结合部，保持使用者脚部在活动平面的方向稳定。

使用者双脚站立时，方向稳定系统保持双脚在活动平面内方向稳定。当一只脚后跟或全部抬起时，方向稳定系统的锁定装置对抬起的脚解锁，并保持对另一只脚的活动平面方向锁定状态，抬起的脚可以运动并在活动平面方向转动，传动机构的部件随脚部转动，转动方向、角度、速度与所述脚部相同。当抬起的脚落下时，方向稳定系统恢复对两只脚的锁定状态。

上述技术方案，能够让使用者在使用本发明的全方向行走辅助系统配合多种构造的全方向步行装置站立和行走时，都能保持稳定，身体转动方向时，支撑身体的脚如同踩在摩擦力足够的地面上一样稳定，转向时更加灵活，步态更加自然。方向稳定系统能够在活动平面方向转动，也可以带动支撑使用者的部件整体转动，使连接于所述支撑部件的其他部件和装置与使用者的朝向随时保持一致，便于在VR场景中操作各种道具、使用各种交互装置。

附图说明

图1：结合部与使用者足部和传动机构连接示意图。

图2：带有平板形式支撑部件的结合部与使用者足部和传动机构连接示意图。

图3：传动机构与使用者双足连接方位示意图。

图4：传动机构和所连接部件基本结构顶视图。

图5：方向稳定系统基本结构顶视图。

图6：传动机构及所连接部件基本结构和机械变形方式前视图。

图7：锁定装置解锁状态下，结合部带动传动机构及所连接部件在Y轴向运动顶视图。

图8：动力装置设置在方向稳定系统与承载部之间的结构示意图。

图9：动力装置设置在方向稳定系统与行走装置放置平面之间的结构示意图。

图10：锁定装置及其连接部件构造示意图。

图11：两套锁定装置分别处于解锁、锁定状态，配合使用者身体转向时，全方向行走辅助系统各部件动作方式示意图。

图12：锁定装置的基本构造与解锁状态动作方式示意图。

图13：锁定装置的基本构造与锁定状态动作方式示意图。

图14：全方向行走辅助系统各部件配合使用者双足相对于身体前后方向动作方式示意图。

图15：全方向行走辅助系统各部件配合使用者双足相对于身体左右方向动作方式示意图。

图16：全方向行走辅助系统各部件配合使用者身体转动方向动作方式示意图(动作1)。

图17：全方向行走辅助系统各部件配合使用者身体转动方向动作方式示意图(动作2)。

图18：全方向行走辅助系统各部件配合使用者身体转动方向动作方式示意图(动作3)。

图19：全方向行走辅助系统各部件配合使用者身体转动方向动作方式示意图(动作4)。

图20：全方向行走辅助系统与滚珠阵列形式承载部构成行走装置结构图。

图21：全方向行走辅助系统配合使用者在滚珠阵列形式承载部实现行走动作的示意图。

图22：具有多种辅助装置和功能装置的全方向行走辅助系统配合平板构造承载部的实施例。

图23：具全方向行走辅助系统配合平板构造承载部实现使用者VR漫游实施例。

具体实施方式

本说明书将结合附图详细地描述本发明公开的技术方案。附图中显示本发明的示例性实施例，应当理解，可以多种形式实现本发明而不被本说明书阐述的实施例所限制。这些实施例是为了更透彻地理解本发明的技术方案，并且能够将本说明书公开的技术方案完整的传达给本领域的技术人员。

本发明所述传动机构通过结合部与使用者脚部连接。所述方向稳定系统包括动力装置、锁定装置、辅助部件。

附图1所示，本发明所述结合部与使用者脚部连接，进一步地，连接方式为：结合部103的绑带102束缚于脚部105，传动机构部件101与结合部103铰接。使用者脚部105能够通过结合部103带动传动机构部件101运动的同时，脚部105可相对于自身X轴和Y轴转动。结合部103上有传感器106，传感器106用于检测结合部103的空间位置、运动速度、运动方向、加速度、角度、角速度和使用者脚105相对于结合部103的角度、角速度、压力信号，并将信号传送至控制系统和信号处理设备。

附图2所示，结合部与使用者脚部连接的另一种方式为：结合部203有支撑部件200，进一步地，支撑部件200为板型构造，所述板型构造的板尺寸适合脚205的脚底或略小于脚底，由连接绑带202将脚部205固定在支撑部件200上表面。传动机构部件201与所述支撑部件203铰接，使用者脚部205能够通过结合部203带动传动机构201整体或部件运动的同时，脚部205可相对于自身X轴和Y轴转动。

附图3所示，在本说明书的实施例中，传动机构301、302与结合部307、308连接的位置为：左脚305的左侧、右脚306的右侧。两套传动机构分别连接于使用者的左、右脚两侧，无论使用者如何运动，连接于左脚305的传动机构301始终在使用者左脚305的左侧，连接于右脚306的传动机构302始终在使用者右脚306的右侧。

附图4所示，本发明中，传动机构一种方案为：双“口”形四杆平行折叠连杆形式，两个“口”形四杆平行部件401、402铰接相连。传动机构400的一端与结合部403连接，另一端设置有锁定装置405和滑动部件406。

本所明书所描述的传动机构的机械形式只是示例性实施例，是为了清楚地说明本发明的技术方案。在保证实现传动机构功能的前提下，本发明的传动机构可以有其他机械形式，在本说明书中不能全部列举说明。

附图5所示，本发明中，传动机构501的一端有滑动部件506，滑动部件506与环形滑轨507滑动连接，可沿所述环形滑轨360度滑动，滑动部件506有垂直轴向铰接机构505，使传动机构501的部件502以铰接机构505为轴转动，传动机构501相对于滑动部件506可以沿垂直轴向转动。

附图6所示，传动机构600的平行四杆部件601、603的机械结构可变形，在机械变形范围内，传动机构的部件601、603可向上翘起折叠。当使用者的脚部605相对于身体X轴动作时，传动机构的两个部件601、603以铰接处602为轴折叠，改变传动机构在X轴的长度。

附图7所示，当使用者的脚部701沿Y轴动作时，传动机构702随脚部701运动，带动与传动机构702连接的滑动部件703沿环形滑轨705滑动。

本发明中，方向稳定系统包括动力装置，用于对方向稳定系统施加活动平面方向的转动驱动力。进一步地，附图8所示，所述动力装置802为轮式电动机。动力装置802设置在方向稳定系统801与行走装置固定部件803之间，可对方向稳定系统施加驱动力，使方向稳定系统801可相对于行走装置固定部件803同轴360度转动。轮子804、806支撑方向稳定系统801。进一步地，附图9所示，动力装置902设置在行走装置901与地面或活动平面900之间，对走装置整体施加转动驱动力，可带动与行走装置901连接的各种道具和装置同步转动。所述活动平面是结合部和使用者双脚的活动范围所在平面。

附图10所示，本发明中，方向稳定系统包括锁定装置，所述锁定装置1005、1006设置在传动机构1003、1004与结合部1012、1013连接端相对的另一端。锁定装置有两种状态，锁定状态和解锁状态。当使用者处于双脚1001、1002站立状态时，结合部1012、1013上的传感器1015、1016检测到双脚1001、1002处于被支撑状态，将信号发送至控制系统，控制系统控制与双脚1001、1002间接连接的锁定装置1005、1006开启锁定状态，将滑动部件1007、1008与活动平面1000锁定，同时将滑动部件1007、1008的铰接轴1009、1011锁定。此时双脚1001、1002在活动平面1000被锁定，不能相对于活动平面1000转动，实现使用者站立稳定性。

附图11所示，当使用者的脚1102的脚后跟部或整个脚部抬起时，传感器1116检测到脚1102的动作，将信号发送至控制系统，控制系统控制锁定装置1106解锁。使用者右脚1102提起后向Y1方向动作并逆时针转动一定角度(附图11所示)，与脚1102连接的结合部1113相连的传动机构1104解除被锁定装置1106在平面方向的限制，随脚1102的动作，传动机构1104转动方向，与传动机构1104连接的滑动部件1108沿环形滑轨1119滑动。同时，未抬起的左脚1101连接的结合部1112间接连接的锁定装置1105处于锁定状态，保持左脚1101活动平面方向稳定。使用者可以左脚1101为支撑点，如同踩在稳固的地面上一样扭动身体，实现转身。

附图12所示，本发明中，锁定装置的一种构造为伸缩机构，进一步地，动力为电动机。锁定装置由固定部件1201和活动部件1202组成，活动部件1202剖面结构为“工”型，进一步地，由电动机1203驱动上下动作。传动机构部件1205与锁定装置的转动部件1204以锁定装置活动部件1202的中间部位1208为轴铰接，传动部件1205可相对于转动部件1204改变角度。附图12所示的锁定装置处于解锁状态，活动部件1202位于伸缩行程的上部，转动部件1204能够以锁定装置的活动部件1202的部位1208为轴转动，滑动部件1209可以滑动。

附图13所示，锁定装置的活动部件1302由电动机1303驱动到伸缩行程的下部，活动部件1302与行走装置的固定部件1309接触，利用摩擦力，将锁定装置和与锁定装置直接或间接连接的部件的平面方向，与行走装置的固定部件1309锁定。活动部件1302有摩擦部件1305、1306，用于增加活动部件1302与所接触物体的摩擦力。

进一步地，本发明锁定装置的锁定对象有两种。附图13所示，锁定装置处于锁定状态，活动部件1302与行走装置的固定部件1309接触并锁定，活动部件1302的部件1306增加摩擦力。进一步地，锁定装置整体可以改变安装位置，处于锁定状态时，活动部件1302与活动平面1300接触并锁定。

附图14-A所示，本发明行走辅助系统可实现配合使用者在限定范围内全方向运动，包括使用者向身体前方、向后行走。当使用者左脚1401踩踏在活动平面1400上，与左脚1401间接连接的锁定装置1407处于锁定状态，将左脚1401相对活动平面1400的平面方向锁定。使用者右脚1402抬起，向身体的前方迈步，与使用者右脚1402间接连接的锁定装置1408解锁，结合部1404带动传动机构1406向Y1方向运动，滑动部件1410沿环形滑轨1411滑动，传动机构部件1412与滑动部件1410以铰接处1413为轴转动。

附图14-B所示，当使用者右脚1402踩踏在活动平面1400，与右脚1402间接连接的锁定装置1408处于锁定状态，将右脚1402相对活动平面1400的平面方向锁定。使用者左脚1401抬起，向身体的后方迈步，与使用者左脚1401间接连接的锁定装置1407解锁，结合部1403带动传动机构1405向Y2方向运动，滑动部件1409沿环形滑轨1411滑动，传动机构部件1412与滑动部件1409以铰接处1413为轴转动。

附图15所示，使用者双脚1501、1502向身体左方动作，与使用者左脚1501连接的结合部1503相连的传动机构1505部件折叠，铰接处1507向上方翘起(参考附图6)；与使用者右脚1502连接的结合部1504相连的传动机构1506的部件伸展，铰接处1508向下方降下。传动机构1505、1506通过上述说明所描述的动作方式配合使用者双脚1501、1502相对于使用者身体X轴运动。

附图16所示，使用者双脚1601、1602同时踩踏在活动平面1600，通过传动机构1607、1608，与支撑使用者双脚结合部1603、1604间接连接的锁定装置1611、1612处于锁定状态，保持使用者双脚1601、1602活动平面方向稳定。

附图17所示，当使用者的左脚1601的脚后跟部或全部抬起，与脚1601接触的结合部1603上的传感器1605检测到使用者脚1601的动作并将信号传送至控制系统，控制系统控制与脚1601接触的结合部1603间接连接的锁定装置1611解锁，脚1601带动结合部1603和传动机构1607在活动平面1600顺时针转动。与脚1601连接的结合部1603上的传感器1605检测到使用者脚部1601转动动作并将信号传送至控制系统，控制系统控制方向稳定系统1616的动力装置1615产生转动驱动力，驱动方向稳定系统1616整体顺时针转动，转动的速度、角度与脚1601转动速度、角度相同。同时，与未抬起的脚1602间接连接的锁定装置1612处于锁定状态，锁定传动机构1608部件的平面方向，传动机构1608将阻力传递给脚1602连接的结合部1604，保持脚1602的平面方向稳定。使用者能以脚1602支撑身体，腰部扭动，实现顺时针转动身体的动作。当脚1601落下，踩踏在活动平面1600，与脚1601间接连接的锁定装置1611恢复锁定状态。此时，方向稳定系统1616与脚1601的朝向对正，与脚1602的朝向不对正。

附图17所示，如果此时脚1602抬起，无论顺时针或逆时针转动，方向稳定系统1616的动力装置1615不动作；当脚1602顺时针转动到与方向稳定系统1616朝向对正时(附图18所示)，传感系统检测到使用者双脚朝向方与向稳定系统对正，向控制系统发送信号，控制系统控制动力装置1615动作，产生驱动力，带动方向稳定系统1616整体相对脚1602同方向转动，转动的速度、角度与脚1602同步，此时，脚1601间接连接的锁定装置1611保持脚1601的活动平面1600方向稳定。

附图19所示，使用者处于同附图16所示的站立状态，方向稳定系统1616与使用者右脚1602朝向对正，与左脚1601朝向不对正。使用者身体朝向相对于初始状态(附图16所示使用者双脚朝向)顺时针转动了大约45度。

以下说明书内容将详细说明本发明的优选实施例。

附图20所示，本发明优选实施例中，承载部为滚珠阵列构造，承载部2000为圆形平面，在圆形平面上表面设施若干全向轮2001，形成全向轮阵列。全向轮受到外力时，可以在原地沿受力方向转动，物体在全向轮阵列上表面受到外力作用时，可在全向轮阵列上表面沿作用力的方向移动，在承载部2000外围有环形轨道2002，环行轨道2002上有滑动部件2003、2004，两组滑动部件2003、2004分别连接有锁定装置2005、2006、并连接传动机构2007、2008，传动机构2007、2008与滑动部件2003、2004之间有铰接轴2009、2010。两组传动机构2007、2008分别与结合部2011、2012连接。环形滑轨2002的下方有向稳定系统的辅助机构2014，辅助机构2014上有动力装置2015。

附图20所示，本发明优选实施例中，辅助机构2014布置有多个横向滚轮2016和垂直滚轮2017，支撑辅助机构2014绕承载部2000同轴转动。

附图21所示，当使用者抬起右脚2102带动结合部2104离开承载部上表面2100并向身体前方动作时，结合部2104上的传感装置2116将信号发送至控制系统，控制系统控制锁定装置2110解锁。同时，锁定装置2109仍然保持锁定状态，将传动机构2105的方向与活动平面2100锁定。当使用者左脚2101在承载部上表面2100向Y2方向用力，腰部限位器2115限制使用者躯干保持原有位置，不能向身体前方移动。由于承载部上表面2100布置有万向轮阵列，万向轮可沿受力方向向任何方向滚动，使用者左脚2101沿用力方向在承载部上表面2100的万向轮阵列上向身体后方运动，脚2101同时带动传动机构2105的平行四杆结构变形，但传动机构2105对结合部2103施加平面方向阻力，结合部2103仍然保持与部件2117相同的方向，从而锁定结合部2103的活动平面方向。无论使用者双足以现实生活中的行走动作在活动平面2100内向任意方向行走任意数量的步数，都能保持在所使用设备的限定范围内，实现原地全方向运动。当使用者做出转身动作时，方向稳定系统能够保持支撑使用者身体重量的脚如同踩在稳固的地面上一样的感觉，实现使用者的动作稳定感和灵活度。

附图22所示，本发明的一种实施例中，行走辅助系统2200的支架2201上安装有座椅2205，支架2202上安装有腰部限位器2204，腰部限位器2204保持使用者在活动平面范围内全方向行走，身体躯干部分始终处于活动平面2215居中的位置。进一步地，活动平面2215上表面为平整的光滑材质，使用者双脚连接的结合部2217、2218可在表面滑动，进一步地，活动平面2215为跑步板，结合部2217、2218的下表面有滑动部件或轮子，或同时有滑动部件和轮子，滑动部件和轮子用于减小使用者行走动作的摩擦阻力。

附图22所示，在方向稳定系统上，与座椅2205相对的支架2203上有显示屏2208、扬声器2206和2207、方向盘模拟装置2209、踏板模拟装置2212、操纵杆模拟装置2210、枪支模拟装置2211。上述座椅与设备、装置随方向稳定系统2200转动方向，无论使用者身体在活动平面2215转动到任何朝向，都可以操作上述设备和装置，或身体向后动作，坐在座椅上。

附图23所示，使用者2300头戴VR显示设备或VR/AR/MR一体机等VR设备，在本发明的行走设备上行走，传感系统将使用者行走动作的速度、方向等信号传输至与使用者所使用VR设备连接的信号处理设备，信号处理设备将使用者的动作信息输入到VR场景中，计算使用者在VR场景中虚拟角色的运动方向、速度等信息，使用者佩戴的VR显示设备中显示相应的VR场景图像，实现使用者体验以自然行走方式在VR场景中向任意方向漫游。

本实施例的腰部限位器2204可以打开，使用者2300身体可不受限位器2204束缚，向后方动作，坐在座椅2205上，可操作方向盘模拟装置2209、踏板模拟装置2212、操纵杆模拟装置2210进行模拟飞行或模拟车辆驾驶、操作枪支模拟器2211进行VR枪战游戏，相应的VR场景图像由显示屏2208显示，VR场景的声音由扬声器2206、2207输出。

Claims (11)

1.一种全方向行走辅助系统及行走装置，包括：结合部，传动机构、方向稳定系统；

所述结合部设置两个，两个所述结合部各自连接于使用者左、右足部；

所述传动机构的一端与所述方向稳定系统连接，另一端与所述结合部连接；

所述传动机构将所述方向稳动系统的活动平面方向阻力传递给所述结合部，所述活动平面方向为所述结合部运动范围最低点所在平面倾斜正负45度以内；

所述结合部与所连接的使用者足部的动作同步运动；

所述传动机构与所述结合部连接的一端，与所述结合部的运动同步改变空间位置；

所述方向稳定系统整体或部分可转动，与所述结合部中的一个或全部保持所述活动平面方向一致；

所述传动机构的机械结构可变形，在所述机械结构变形范围内，所述传动机构具备传动功能。

2.根据权利要求1所述的全方向行走辅助系统及行走装置，设置有承载部，所述承载部支撑所述结合部和/或使用者足部，所述结合部和所述使用者足部能够在所述承载部上表面运动。

3.根据权利要求1、2所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述承载部与所述方向稳定系统同步转动。

4.根据权利要求1所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述方向稳定系统包括：动力装置、方向锁定装置、辅助机构。

5.根据权利要求4所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述辅助机构的作用包括：保持所述传动机构方向稳定、承载并支撑所述方向稳定系统的所述动力装置；所述辅助机构机械形式包括：平行四杆机构。

6.根据权利要求1所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述结合部设置有支撑部件，所述支撑部件支撑使用者足部，所述支撑部件底部有轮子和/或滑动部件，所述支撑部件的构造包括：板。

7.根据权利要求1、2所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述方向稳定系统和/或所述承载部可连接功能部件或装置，所述功能部件或装置与所述方向稳定系统和/或所述承载部同步转动。

8.根据权利要求7所述的全方向行走辅助系统及行走装置，所述功能部件或装置包括：支架、座椅、腰带和/或其他人体固定部件，驾驶模拟装置、踏板模拟装置、轻武器模拟装置、显示装置、音频装置中一种或几种。

9.根据权利要求1所述的全方向行走辅助系统及行走装置，设置有传感系统，所述传感系统检测的信号来源包括：所述结合部、所述方向稳定系统。所述传感系统发送的信号包括：空间方向、空间位置、速度。

10.根据权利要求1所述的全方向行走辅助系统及行走装置，设置有控制系统，所述控制系统控制的对象包括：所述方向稳定系统的所述动力装置和所述方向锁定装置；所述控制系统接收的信号来源包括：所述传感系统。

11.根据权利要求9、10所述的全方向行走辅助系统及行走装置，设置有信号处理设备，所述信号处理设备接收所述传感系统发送的信号，并向所述控制系统发送信号；所述信号处理设备包括：单片机、PLC、计算机、平板电脑、智能手机、VR/AR/MR头戴显示设备中一种或几种。

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