CN114733133A - 一种水平摆动式弹性运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平摆动式弹性运动装置，包括支架、弹性平台、弹簧组、摆动环和多套水平弹性摆动组件，所述水平弹性摆动组件分别固定在支架上，且多套水平弹性摆动组件的轴心线均指向弹性平台的中心；所述弹性平台通过弹簧组与摆动环连接并形成弹性摆动总成，所述弹性摆动总成通过摆动环安装在多套水平弹性摆动组件上；所述弹性平台可在360度任意方向产生有限水平位移，当弹性平台受到外力后在水平方向被动摆动并产生位移，外力消失后在水平弹性摆动组件的作用下自然复位。该装置能在使用者进行走、跑、跳等运动时使平台随之反向位移一定距离，从而让使用者有更加真实的走动感、跑动感和跳动感，同时又增强了使用者的原始运动功能。

Description

一种水平摆动式弹性运动装置

技术领域

本发明属于运动设备技术领域，具体涉及一种水平摆动式弹性运动装置，该装置主要应用于虚拟现实技术领域中。

背景技术

虚拟现实技术(VR)是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，其主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。其中，模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

通常，虚拟现实技术的实现需要如下几个步骤：

1：现实世界的物理运动产生，即使用者先动起来。安全原因，通常要求使用者在一个固定的安全区域内进行活动。

2：原始运动信号采集：采用传感器、激光扫描等各种感知设备将现实世界中使用者的运动进行捕捉形成各种物理信号。

3：信号传输：将步骤2捕捉到的信号通过线路或网络传入VR设备中。

4：模拟还原：最后由VR设备通过各种算法，将传入的信号模拟还原为使用者在虚拟世界中的动作。

由上可知，使用者的运动是虚拟现实技术的信号源头，但如何在保证使用者安全的前提下让使用者最大自由度地运动，是虚拟现实技术运用效果的第一个关键因素。目前的方案有如下两种

方案一：使用者不动，由搭乘（乘坐或站立）的设备进行运动，但该种方案由于使用者不动则限制了使用者的参与感，使用者的体验感不足。此外不能满足健身或康复为目的“人必须动起来”的活动要求。

方案二：使用者自主运动，因为使用者处于虚拟世界中，人眼看到的都是虚拟世界的东西，为了保护使用者在现实世界的人身安全，使用者必须在一个安全、固定的区域进行运动。通常的技术方案都是让使用者在一个圆形的刚性平台（硬地平台）上进行活动，同时通过束腰组件对腰部进行保护。但由于现有的平台都是“静平台”，即平台面是静止的，使用者只能在此平台面上原地走、跑。加之腰部有束腰限制，这种原地的模拟走、跑同人自然走、跑运动体感差异很大。如果平台地面摩擦力太大，则使用者走、跑会非常困难，导致使用者非常不舒服。如果平台摩擦力太小，使用者会感觉非常滑溜，仿佛行走在冰面上，尽管腰部有束腰组件保护不会摔倒，但其体感依然同正常地面行走或跑动差异很大，增加了使用者的不适感。使用者会因活动大幅度受限而感觉非常的憋屈，因身体姿态不能呈自然运动状态而感觉非常的累。而平台地面给使用者的摩擦力是因人而异的，由于使用者的体重不同以及所穿鞋子不同，受到平台地面摩擦力也不同，如果不能为每个使用者设定一个合适的摩擦力，以及解放腰部，则几乎所有使用者都会觉得运动困难，缺乏舒适感。

此外，公开号为CN109304006A的文献还公开了一种虚拟现实蹦极蹦床的技术，其包括外壳、设置在外壳内的蹦床以及设置在蹦床和外壳的天花板之间的蹦极固定装置。该技术中采用了弹性床面作为平台的技术，使终端用户可以在外壳内的蹦床上跳跃。但该技术采用弹性床面的作用是使终端用户可以参与通过蹦床和蹦极的物理感觉增强独特的虚拟现实体验，且该技术的硬件结构与普通蹦床结构类似，因而其只适用于使用者在弹性床面上蹦跳，但并不适用于使用者在弹性床面上走动或跑动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述技术问题，提供了一种水平摆动式弹性运动装置，该装置使弹性平台可在360度任意方向产生有限的水平位移，以便于使用者在进行走、跑、跳等运动时能使弹性平台随之反向位移一定距离，从而让使用者有更加真实的走动感、跑动感和跳动感；同时又增强了使用者的原始运动功能，使其出自于自然而胜于自然。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：包括支架、弹性平台、弹簧组、摆动环和多套水平弹性摆动组件，所述水平弹性摆动组件分别固定在支架上，且多套水平弹性摆动组件的轴心线均指向弹性平台的中心；所述弹性平台通过弹簧组与摆动环连接并形成弹性摆动总成，所述弹性摆动总成通过摆动环安装在多套水平弹性摆动组件上；所述弹性平台可在360度任意方向产生有限水平位移，当弹性平台受到外力后在水平方向被动摆动并产生位移，外力消失后在水平弹性摆动组件的作用下自然复位。

所述弹性平台的有限水平位移的幅度为±100mm。

所述的外力是指使用者在弹性平台上走动、跑动或跳动时产生的作用力。

所述水平弹性摆动组件包括托架、弹性件、万向支撑球轮和防跳约束件，托架固定在支架上，万向支撑球轮固定在托架的内侧，弹性件固定在托架的外侧，且弹性件的轴心线指向弹性平台的中心，防跳约束件通过支架固定在万向支撑球轮的上方；所述摆动环从万向支撑球轮与防跳约束件之间穿过并与弹性件抵接。

所述弹性件包括复位弹簧、弹簧座和连接块，弹簧座固定在托架上，复位弹簧固定在弹簧座上，且复位弹簧的轴心线指向弹性平台的中心；连接块固定在复位弹簧上，摆动环与连接块抵接。

所述防跳约束件包括固定在支架上的座体和固定在座体上的万向约束球轮，万向约束球轮位于万向支撑球轮的正上方用于约束摆动环。

所述托架和座体均焊接固定在支架上。

所述弹簧组包括多根均匀固定在摆动环与弹性平台之间的拉力弹簧。

所述支架包括多根均匀固定的支撑柱，多套水平弹性摆动组件分别固定在多根支撑柱上。

采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：

1、本发明通过弹性平台、弹簧组和摆动环形成弹性摆动总成，并通过多套水平弹性摆动组件将弹性摆动总成安装在支架上，相当于将弹性平台柔性安装在支架上，进而使弹性平台可在360度任意方向产生有限水平位移。一方面使得装置能够承受正常成人数倍体重的静负荷和运动时的动负荷，确保了使用者安全。另一方面，由于水平弹性摆动组件具备水平摆动功能，因此可以让使用者获得脚下X、Y方向的相对位移，从而给不同体重的使用者合适的摩擦力，即不同体重的使用者将获得不同的摩擦力，进而让使用者的运动体感更接近自然状态。

综合而言，本发明中的弹性平台可在360度任意方向产生有限水平位移是通过弹簧组、摆动环和多套水平弹性摆动组件的共同作用而实现的，更适合使用者在弹性平台上进行走、跑、跳等运动，能在使用者进行走、跑、跳等运动时使平台随之反向位移一定距离，从而让使用者有更加真实的走动感、跑动感和跳动感，其感觉类似跑步机上的走动、跑动等，尽管幅度没有那么大，但脚下位移是360度无死角的，并不同于跑步机仅能单向运动。同时又增强了使用者的原始运动功能，使其出自于自然而胜于自然。

2、本发明中弹性平台的有限水平位移的幅度为±100mm，其优点在于可以更好的模拟人体行走或者跑动时身体获得的体感。

3、本发明将弹性件的轴心线设置为指向弹性平台的中心，其优点是能够使弹性台面及摆动环在外力消失后自然复位。设置万向支撑球轮可对摆动环及弹性摆动总成形成有效支撑且不会影响摆动环受力时在支架上的摆动。而通过防跳约束件则能够在有使用者使用装置时约束摆动环跳动，从而让使用者在弹性平台上运动时稳定地获得脚下X、Y方向的相对位移，有利于保证使用者的安全性以及防止装置被损坏。

4、本发明采用复位弹簧、弹簧座和连接块作为弹性件，并使摆动环与连接块抵接。其优点在于最大限度地降低了摆动环和弹簧之间的互耗能量，且还简化机构，去掉了连接要求与连接工作量。

5、本发明采用座体和固定在座体上的万向约束球轮作为防跳约束件，不仅具有能够有效约束摆动环并防止其跳动的效果，还具有结构简单、约束效果好的优点。

6、本发明将托架和座体均焊接固定在支架上，其优点在于能够有效承载摆动环和弹性平台的自重及使用者运动时的动载荷。

7、本发明采用多根均匀布置的拉力弹簧将摆动环与弹性平台连接在一起，其使得弹性平台在装置中具有更佳的稳定性和弹性，不仅提升了使用者的体验，还有利于提升使用安全性。

8、本发明采用多根均匀固定的支撑柱分别固定多套水平弹性摆动组件，使得装置整体具有更佳的承载能力。

9、本发明不仅可用于运动类虚拟现实游戏，还可以用于运动康复训练，让运动康复不再枯燥无味。同时，结合针对性的康复训练虚拟现实系统，可以由计算机系统自动提供更科学的因材施教、因人而异的针对性的私教训练，从而训练使用者的大脑，协调其运动力度、方向、幅度，达成最佳训练效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A—A剖视图。

图3为图1中I处的放大结构示意图。

图中标记为：1、支架，2、弹性平台，3、弹簧组，4、摆动环，5、水平弹性摆动组件，6、托架，7、弹性件，8、万向支撑球轮，9、弹簧座，10、连接块，11、座体，12、万向约束球轮。

具体实施方式

实施例1

作为本发明的一基本实施方式，本实施例提供了一种水平摆动式弹性运动装置，该装置主体结构类似现有常规的蹦极跳床结构，可与柔性束腰组件配合并应用于虚拟现实技术领域中，但也可根据需要用于常规蹦极跳床中。如图1、2所示，其包括支架1、弹性平台2、弹簧组3、摆动环4和多套水平弹性摆动组件5，其中，各组成的结构、位置及连接关系分别如下：

所述支架1包括多根均匀固定的支撑柱，本实施例对支撑柱结构及数量等均不作限定，只要能稳定地起到载荷支撑功能均可。但因支架1要承载装置的整体质量和承受其动态冲击负荷，要求稳固，所以优选采用型钢制作。通常来说，根据该运动装置的大小采用6-8根不限于6-8根支撑柱再配备相应固定结构件即可形成结构稳定、大小适中的支架1。

所述弹性平台2满足使用者的蹦跳功能，提供弹性支撑，要求具备良好的弹性性能，既可采用65Mn优质弹性钢材和柔性材料制造，也可采用现有常规跳床的床面作为弹性平台2。本实施例对弹性平台2的形状不作限定，可根据需要将其设置为圆形或椭圆形，当为圆形时，其直径约为Φ2240mm。另外，弹性平台2的四周边缘处设有挂孔或挂接件。

所述摆动环4为平板状结构，其可采用L形角铁制成，其轮廓外形与弹性平台2的形状相适配，其内周设有同样设有挂孔或挂接件。

所述弹簧组3包括多根用于连接弹性平台2与摆动环4的拉力弹簧，即多根拉力弹簧分别通过挂孔或挂接件均匀固定在摆动环4与弹性平台2之间。连接后，弹性平台2位于摆动环4的内环侧，弹性平台2、弹簧组3和摆动环4三者相当于形成一个具备摆动功能和弹性功能的弹性摆动总成。

所述水平弹性摆动组件5的数量优选与支撑柱的数量相同，多套水平弹性摆动组件5可分别固定在支架1的多根支撑柱上，且多套水平弹性摆动组件5固定后的轴心线均指向弹性平台2的中心。弹性摆动总成通过摆动环4的外环侧安装在多套水平弹性摆动组件5上，相当于通过水平弹性摆动组件5将弹性摆动总成安装到支架1上，安装后的弹性平台可在360度任意方向产生有限水平位移。其中，水平弹性摆动组件5具有在弹性平台2受到外力后使其做有限水平摆动并在外力消失后自然复位的作用。具体来说就是，当弹性平台2受到外力后，在水平弹性摆动组件5的作用下，弹性平台2能够在水平方向被动摆动并产生一定位移；而在外力消失后，弹性平台2将水平弹性摆动组件5的作用下自然复位。需要说明的是，所述的外力是指使用者在弹性平台2上走动、跑动或跳动时产生的作用力。

本实施例对水平弹性摆动组件5的具体结构不作限定，只要是具有上述功能作用的结构均可。需要说明的是，本实施例的装置要求能够承受正常成人数倍体重的静负荷和运动时的动负荷，确保使用者安全。水平弹性摆动组件5具备水平摆动功能，让使用者可以获得脚下X、Y方向相对位移，让人的运动体感更接近自然状态。使用者在实际使用时可佩带包括弹性皮筋和柔性腰带的柔性束腰组件，从而确保使用者的安全。弹性平台2在支撑使用者体重的同时，还能在使用者用力蹬平台时获得一个反向向上的作用力（类似蹦床），而弹性皮筋通过柔性腰带会给使用者一个向上的拉力，弹性平台2和柔性束腰组件同时作用，从而让使用者可以跳跃的更高，有一种脱离重力束缚的自由感。这样一方面让使用者感觉到身轻如燕，另一方面又在弹性平台2上行走或跳跃时，获得一个合适的摩擦力。

实施例2

作为本发明的一较佳实施方式，本实施例在实施例1的基础上限定了弹性平台2的有限水平位移的幅度为±100mm，以便于能够更好的模拟人体行走或者跑动时身体获得的运动体感。

实施例3

作为本发明的最较佳实施方式，本实施例在实施例1的基础上对水平弹性摆动组件5的结构作了进一步限定。如图3所示，所述水平弹性摆动组件5包括托架6、弹性件7、万向支撑球轮8和防跳约束件。其中，托架6大致为倒L形结构，具有底板和侧板，托架6可通过底板牢固焊接固定在支架1的支撑柱上。为提升稳定性和牢固性，还可在底板与支撑柱之间焊接加强臂。而托架6固定在支撑柱上后，其侧板端设为外侧，与侧板端相对应的另一端为设为内侧。万向支撑球轮8固定在托架6的内侧，弹性件7固定在托架6的外侧，且弹性件7的轴心线指向弹性平台2的中心。防跳约束件通过支架1固定在万向支撑球轮8的上方，摆动环4从万向支撑球轮8与防跳约束件之间穿过并与弹性件7抵接，该抵接是指摆动环4与弹性件7非连接式接触。万向支撑球轮8对摆动环4起到支撑作用，多套水平弹性摆动组件5通过万向支撑球轮8承托起整个弹性摆动总成，满足其水平摆动功能。所述防跳约束件包括固定在支架1上的座体11和固定在座体11上的万向约束球轮12，该万向约束球轮12位于万向支撑球轮8的正上方，且万向约束球轮12与万向支撑球轮8上下之间的距离略大于摆动环4的厚度，当摆动环4穿过万向约束球轮12与万向支撑球轮8之间的间隙后与弹性件7抵接，在多套水平弹性摆动组件5的万向约束球轮12与万向支撑球轮8的综合作用下，可抑制并约束摆动环4和弹性摆动总成的不良跳动，从而使弹性平台2可以做有限水平平稳摆动，让使用者获得与自然状态更加接近的运动感受。

进一步的，所述弹性件7包括复位弹簧、弹簧座9和连接块10，弹簧座9固定在托架6的侧板上，复位弹簧的一端固定在弹簧座9上，另一端与连接块10固定连接，且复位弹簧固定后的轴心线指向弹性平台2的中心。摆动环4与连接块10抵接，即摆动环4的外环侧与连接块10非连接式接触，因复位弹簧材质较硬，为避免复位弹簧对摆动环4造成过度磨损，故在它们之间设置了连接块10作为缓冲介质，以求得这对运动副的良性摩擦。另外，连接块10的外径大于摆动环4的厚度，使得连接块10能够有效地抵接在摆动环4上，以便于摆动环4的有效复位。

需要说明的是，当使用者运动时给弹性平台2外力后，弹性平台2可以做有限水平摆动，外力消除后弹性平台2靠弹簧力复位，待下一次受力又进行相应摆动。此摆动可在水平面360度任意方向，具体与受力方向一致，其摆动幅度与受力程度成正比，受一个上限值约束，最终让使用者获得与自然状态更加接近的运动感受。

实施例4

本实施例对实施例3所述装置进行了摩擦力的验证，如下：

如图1所示，使用者通过主要由弹性皮筋和柔性腰带构成的柔性束腰组件站立在弹性平台上运动，设定：弹性平台对使用者向上的弹力为n1，弹性皮筋对使用者的拉力为n2，则使用者对弹性平台的正压力为：

（1）

式（1）中，N是使用者对弹性平台的正压力，G是使用者的重力。

进一步的，使用者受到的弹性平台摩擦力计算公式如下：

（2）

式（1）中，f是使用者受到的弹性平台摩擦力，μ是摩擦系数。

通过公式（1）可知，通过弹性平台和弹性皮筋让人体获得一个向上的弹力n1和拉力n2，从而大幅减小了使用者对弹性平台的正压力，最终降低了使用与弹性平台的摩擦力。由于n2的大小是可以调节的（通过调整弹性皮筋的绷紧程度），即N是可调节设置的。因此由公式（2）可知，对于不同体重的人，都能获得一个适度的摩擦力，最终让人轻松、惬意的行走、跑动或跳动，进而获得最佳运动体感。

最后需要说明的是，本发明所述运动装置申请人共设计了三种不同的结构，且经众多体验者试用，反馈效果较好。目前，该三种结构申请人已接受委托并准备实际生产，为了能够在后期防止侵权以及有效占领市场，因而申请人对该两种结构分别申请了专利予以保护。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：包括支架（1）、弹性平台（2）、弹簧组（3）、摆动环（4）和多套水平弹性摆动组件（5），所述水平弹性摆动组件（5）分别固定在支架（1）上，且多套水平弹性摆动组件（5）的轴心线均指向弹性平台（2）的中心；所述弹性平台（2）通过弹簧组（3）与摆动环（4）连接并形成弹性摆动总成，所述弹性摆动总成通过摆动环（4）安装在多套水平弹性摆动组件（5）上；所述弹性平台（2）可在360度任意方向产生有限水平位移，当弹性平台（2）受到外力后在水平方向被动摆动并产生位移，外力消失后在水平弹性摆动组件（5）的作用下自然复位。

2.根据权利要求1所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述弹性平台（2）的有限水平位移的幅度为±100mm。

3.根据权利要求1所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述的外力是指使用者在弹性平台（2）上走动、跑动或跳动时产生的作用力。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述水平弹性摆动组件（5）包括托架（6）、弹性件（7）、万向支撑球轮（8）和防跳约束件，托架（6）固定在支架（1）上，万向支撑球轮（8）固定在托架（6）的内侧，弹性件（7）固定在托架（6）的外侧，且弹性件（7）的轴心线指向弹性平台（2）的中心，防跳约束件通过支架（1）固定在万向支撑球轮（8）的上方；所述摆动环（4）从万向支撑球轮（8）与防跳约束件之间穿过并与弹性件（7）抵接。

5.根据权利要求4所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述弹性件（7）包括复位弹簧、弹簧座（9）和连接块（10），弹簧座（9）固定在托架（6）上，复位弹簧固定在弹簧座（9）上，且复位弹簧的轴心线指向弹性平台（2）的中心；连接块（10）固定在复位弹簧上，摆动环（4）与连接块（10）抵接。

6.根据权利要求4所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述防跳约束件包括固定在支架（1）上的座体（11）和固定在座体（11）上的万向约束球轮（12），万向约束球轮（12）位于万向支撑球轮（8）的正上方用于约束摆动环（4）。

7.根据权利要求6所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述托架（6）和座体（11）均焊接固定在支架（1）上。

8.根据权利要求1所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述弹簧组（3）包括多根均匀固定在摆动环（4）与弹性平台（2）之间的拉力弹簧。

9.根据权利要求1所述的一种水平摆动式弹性运动装置，其特征在于：所述支架（1）包括多根均匀固定的支撑柱，多套水平弹性摆动组件（5）分别固定在多根支撑柱上。

Images