CN114288625A - 一种串并混联机构滑雪模拟平台 - Google Patents

Abstract

一种可实现双脚同步与双脚异步滑雪动作模拟的串并混联机构滑雪模拟平台。由动平台、定平台，分支机构组成并联机构，以及结构相同的两个串联机构组成，其中串联机构安装在动平台上。并联机构由推杆马达驱动实现双脚同步滑雪动作模拟；串联机构包含弹簧作为运动约束元件，以体验者主动动作为输入，实现双脚异步滑雪动作模拟。本发明采用串并混联机构设计的双雪板滑雪模拟平台，可真实模拟滑雪运动，同时采用双板同步滑雪动作模拟跟随平台运动，与人体主动输入实现双板差别动作相结合的方式，既可实现高逼真度双板滑雪动作模拟，又增强了体验者滑雪模拟的主动性，获得良好的体验效果。

Description

一种串并混联机构滑雪模拟平台

技术领域

本发明涉及一种滑雪模拟平台，尤其是涉及一种可实现差别滑雪动作模拟的串并混联机构的模拟滑雪平台。

背景技术

滑雪作为世界公认的寒冷地区最普及冬季体育运动，在我国现阶段仍是一种少数人参与的运动项目。相对于其他运动项目，冰雪项目对环境和场地的要求比较高，在国内能够符合条件的地区也仅限于北部几个省份。即使在东北地区，因运动场地、季节时间等因素限制，多数人参与冰雪运动的机会也不多。上述因素造成了我国冰雪运动普及不够且分布不平衡，极大地限制了我国冰雪运动的发展。如何能够使更多的人体验到滑雪的魅力，成为了我国发展冬季体育运动急需解决的问题。基于虚拟现实技术的模拟滑雪平台可以有效降低滑雪体验场地要求，使更多人体验滑雪运动成为可能。这种模拟滑雪平台能让因时间、场地限制的人们快速体验到滑雪的魅力所在，提高体验者的滑雪热情和参与兴趣，对我国滑雪运动乃至冬季体育运动的推广都具有重要的现实意义。

在滑雪模拟平台设计方面，目前国内外产品一般都采用滚动雪道和绕雪板轴向微小摆动的耦合来模拟双板滑雪中的平滑滑行动作，但因模拟雪道所在平台运动自由度有限而无法模拟双板滑雪中更多技巧性的动作，如基于不同运动场景下的众多双板差别运动的技术动作，且不能模拟滑雪者下降时高度变化伴随的超重感或失重感。这些模拟滑雪装置给用户的滑雪体验相对单一，更多侧重在基础动作的重复训练方面，而对滑雪动作中的不同场地场景下的动作体验营造不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现双脚同步与双脚异步滑雪动作模拟的串并混联机构滑雪模拟平台。并联机构由推杆马达驱动实现双脚同步滑雪动作模拟；串联机构包含弹簧作为运动约束元件，以体验者主动动作为输入，实现双脚异步滑雪动作模拟。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明为串并混联机构滑雪模拟平台，由动平台、定平台，分支机构，以及结构相同的两个串联机构组成，其中串联机构安装在动平台上。定平台与动平台之间由4个结构相同的分支机构连接，分支机构均匀分布。每个分支包含一个平面闭环结构支链，闭环结构支链包含两个分支，每个分支一端通过转动副与下连杆连接，另一端通过转动副与上连杆连接，两转动副之间由移动副或推杆马达连接，两分支上下四个转动副轴线平行。闭环支链的下连杆与定平台转动连接，转动轴线与定平台平行；上连杆与转轴转动连接，轴线沿上连杆方向，转轴与上平台垂直转动连接。相对分支中的闭环支链中分别布置1个和2个推杆马达，即相邻分支分别布置1个和2个推杆马达，机构都有6个推杆马达。

串联机构安装在动平台上，每个串联机构均包括上、下滑台、滑块、连接弹簧、踏板。下滑台与动平台之间由转动副连接，转动副销轴上装有扭转约束弹簧；下滑台上分布两组双滑道直线滑轨，上平台与下平台直线滑轨连接，滑轨与上平台连接两侧安装直线约束弹簧。上平台分布两组单滑道弧形滑轨；弧形滑轨与滑块两端各分布的两个导轮相配合，弧形滑轨上安装弧形弹簧，一侧固定在弧形滑轨一段，一侧与导轮外侧挡板相连；踏板通过两端销轴与滑块相连。

本发明的工作原理：由控制系统根据不同滑雪动作，结合视觉运动场景，基于运动体感模拟算法，控制推杆马达直线位移，从而改变动平台姿态角，实现对人双脚同步滑雪动作的模拟(如平滑滑行、猫跳滑雪等)；同时动平台加速度变化可以模拟人体滑雪中的加速度感知。当人体站到踏板上主动施力时，由于上滑台在下滑台轨道仅有弹簧进行约束，滑块在上滑台弧形轨道上亦仅有弹簧进行约束，因此当人体主动施力时，可改变滑块的位置与姿态，实现双脚的异步动作，如双脚一前一后(J型转弯、变节奏滑行)，或双脚形成内八字、外八字形状(踏步式转弯)。同时串联机构跟随并联机构的动平台运动，实现双脚异步滑雪动作的模拟。

本发明具有的有益效果是：运用六自由度并联机构设计双脚同步滑雪动作模拟平台，基于并联机构刚度大和多自由度耦合运动的特性，使滑雪模拟平台相对于传统滑雪模拟装置，实现更多技巧性滑雪动作的模拟，如小弯滑行、猫跳滑雪、变节奏滑行等技术动作，而且可模拟滑雪者下降时高度变化伴随的超重感或失重感。同时结合模拟雪板、上下滑台与动平台之间构成的串联机构，可实现双雪板瞬时差别滑雪运动的自由度。本发明采用串并混联机构设计的双雪板滑雪模拟平台，可真实模拟滑雪运动，同时采用双板同步滑雪动作模拟跟随平台运动，与人体主动输入实现双板差别动作相结合的方式，既可实现高逼真度双板滑雪动作模拟，又增强了体验者滑雪模拟的主动性，获得良好的体验效果。

附图说明

图1是该发明的混联机构滑雪模拟平台实施例的三维结构图，图2是滑雪模拟平台中串联机构实施例的三维结构图，图3是下滑台与动平台连接的转动关节结构图，图4为滑块与上滑台连接结构图。

图中：1.定平台，2.下连杆，3.下转轴，4.推杆马达，5.转轴，6.上连杆，7.移动副，8.动平台，9.导轮，10.外挡板，11.上滑台，12.下滑台，13.螺栓，14.带座轴承， 15.旋转轴，16.扭转弹簧，17.滑块，18.踏板，19.销轴，20.弧形弹簧，21.直线弹簧， 22.直线滑轨。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明实施例包括定平台(1)、动平台(8)，分支机构，以及结构相同的两个串联机构，其中串联机构安装在动平台(8)上。定平台(1)与动平台(8)之间由4个结构相同的分支机构连接，分支机构均匀分布。每个分支包含一个平面闭环结构支链，闭环结构支链包含两个分支，每个分支一端通过转动副与下连杆(2)连接，另一端通过转动副与上连杆(6)连接，两转动副之间由移动副(7)或推杆马达(4)连接，两分支上下四个转动副轴线平行。闭环支链的下连杆(2)与定平台(1)转动连接，转动轴线与定平台(1)平行；上连杆(6)与转轴(5)转动连接，轴线沿上连杆(6)方向，转轴(5) 与动平台(8)垂直转动连接。相对分支的闭环支链中分别布置1个和2个推杆马达(4)，即相邻分支分别布置1个和2个推杆马达，机构共有6个推杆马达。

串联机构安装在动平台(8)上，每个串联机构均包括上滑台(11)、下滑台(12)、滑块 (17)、踏板(18)。下滑台(12)与动平台(8)之间由转动轴(15)与带座轴承(14)连接形成的转动副连接，转动轴(15)上安装扭转弹簧(16)；下滑台(12)上分布两组双滑道直线滑轨(22)，上滑台(11)与下滑台(12)通过直线滑轨(22)连接，直线滑轨(22)与上滑台(11)两侧分别安装直线弹簧(21)。上滑台(11)分布两组单滑道弧形滑轨；弧形滑轨与滑块(17)两端各分布的两个导轮(9)相配合；弧形滑轨上安装弧形弹簧(20)，其一侧固定在弧形滑轨一端，另一侧与导轮(9)的外挡板(10)相连；踏板(18)通过两端销轴(19) 与滑块(17)相连。

使用过程中，由控制系统根据不同滑雪动作，结合视觉运动场景，基于运动体感模拟算法，控制推杆马达(4)直线位移，分支中的下连杆(2)与定平台(1)连接的转动连接，以及与动平台(8)连接的转轴(5)、上连杆(6)与转轴(5)的转动连接、闭环支链中的转动副、移动副(7)均随动，从而改变动平台(8)姿态角，实现对双脚同步滑雪动作的模拟(如平滑滑行、猫跳滑雪等)；同时动平台(8)加速度变化可以模拟人体滑雪中的加速度感知。当人体站到踏板(18)上沿人体左右方向主动施力时，可带动滑块(17)克服弧形弹簧(20) 的约束，从而改变滑块(17)在弧形滑轨上的位置；同理，当人体沿前后方向主动施力，可带动上滑台(11)克服直线弹簧(21)的约束，从而改变上滑台(11)位置；当人体施加绕人体轴线的转动力时，可克服扭簧弹簧(16)的约束，使上滑台(11)与下滑台(12)绕转动轴(15)转动，从而改变滑块(17)的姿态。因此，通过人体主动施力，串联机构可实现双脚异步动作，如双脚一前一后(J型转弯)，或双脚形成内八字、外八字形状(踏步式转弯)。同时，串联机构跟随并联机构的动平台运动，实现双脚异步滑雪动作模拟。

Claims (3)

1.一种串并混联机构滑雪模拟平台，其特征在于：由定平台（1）、动平台（8），分支机构，以及结构相同的两个串联机构组成，其中串联机构安装在动平台（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种串并混联机构滑雪模拟平台，其特征在于：定平台（1）与动平台（8）之间由4个结构相同的分支机构连接，分支机构均匀分布，每个分支包含一个平面闭环结构支链，闭环结构支链包含两个分支，每个分支一端通过转动副与下连杆（2）连接，另一端通过转动副与上连杆（6）连接，两转动副之间由移动副（7）或推杆马达（4）连接，两分支上下四个转动副轴线平行，闭环支链的下连杆（2）与定平台（1）转动连接，转动轴线与定平台（1）平行；上连杆（6）与转轴（5）转动连接，轴线沿上连杆（6）方向，转轴（5）与动平台（8）垂直转动连接，相对分支的闭环支链中分别布置1个和2个推杆马达（4），即相邻分支分别布置1个和2个推杆马达，机构共有6个推杆马达。

3.根据权利要求1所述的一种串并混联机构滑雪模拟平台，其特征在于：串联机构安装在动平台（8）上，每个串联机构均包括上滑台（11）、下滑台（12）、滑块（17）、踏板（18），下滑台（12）与动平台（8）之间由转动轴（15）与带座轴承（14）连接形成的转动副连接，转动轴（15）上安装扭转弹簧（16）；下滑台（12）上分布两组双滑道直线滑轨（22），上滑台（11）与下滑台（12）通过直线滑轨（22）连接，直线滑轨（22）与上滑台（11）两侧分别安装直线弹簧（21），上滑台（11）分布两组单滑道弧形滑轨；弧形滑轨与滑块（17）两端各分布的两个导轮（9）相配合；弧形滑轨上安装弧形弹簧（20），其一侧固定在弧形滑轨一端，另一侧与导轮（9）的外挡板（10）相连；踏板（18）通过两端销轴（19）与滑块（17）相连。

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