CN114733183A - 一种水平摆动及垂直震动的vr运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，包括支撑架、横向弹性摆动平台和纵向弹性支撑机构，纵向弹性支撑机构固定在支撑架上，横向弹性摆动平台固定在纵向弹性支撑机构上，横向弹性摆动平台受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。该VR运动平台具有有限的水平摆动功能和垂直震动功能，且水平摆动可在平台的360度任意方向，其摆动方向与受力方向一致，从而在平台上模拟出不同地面对于运动者的弹性感觉，进而更好的配合虚拟世界中不同场景对地面的要求。

Description

一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台。

背景技术

VR技术 (虚拟现实技术)是将虚拟和现实相互结合的技术，从理论上来讲，VR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，使用户沉浸在该环境中。VR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景象，这些景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。因为这些景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。

VR技术近几年开始和运动设备相结合并应用于游戏、康复等领域。通常的，这些运动设备都具有平台，两者相结合后，使用者可在平台上运动，进而达到较好的体验感觉。

如公开号为CN113476786A的文献就公开了一种具有模拟地形环境功能的VR万向运动机，该VR万向运动机包括：防护环、防护环支撑杆、防护环支柱、运动平台、控制机、VR用头戴式显示器，所述防护环设置于运动平台的上方，所述防护环通过防护支撑杆与防护环支柱连接，所述防护环支柱的底部与运动平台的外侧固定连接，所述运动平台的内部设有运动立杆模块点阵，所述运动立杆模块点阵、VR用头戴式显示器均与控制机连接，控制机根据VR用头戴式显示器中显示的地形环境来协调控制运动立杆模块点阵的运动。虽然该技术可以实现360度行走、奔跑、跳跃、下蹲等一系列运动方式，但由于平台均为刚性平台（硬地平台），属于“静平台”，即平台面是静止不动的，使用者只能在该静平台上运动。加之使用者在使用时受防护环的束腰限制，将导致这种原地的模拟走、跑等运动同人自然走、跑等运动的体感差异很大。

另外，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，尽管腰部有防护环保护不会摔倒，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。

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及垂直震动的VR运动平台，该VR运动平台具有有限的水平摆动功能和垂直震动功能，且水平摆动可在平台的360度任意方向，其摆动方向与受力方向一致，从而在平台上模拟出不同地面对于运动者的弹性感觉，进而更好的配合虚拟世界中不同场景对地面的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：包括支撑架、横向弹性摆动平台和纵向弹性支撑机构，纵向弹性支撑机构固定在支撑架上，横向弹性摆动平台固定在纵向弹性支撑机构上，横向弹性摆动平台受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。

所述横向弹性摆动平台包括弹性床面、拉力弹簧和摆动环，弹性床面通过拉力弹簧固定在摆动环内，摆动环固定在纵向弹性支撑机构上，弹性床面受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。

所述弹性床面和摆动环均为圆形或椭圆形。

所述拉力弹簧均匀固定在弹性床面与摆动环之间。

所述弹性床面受力后产生的有限水平摆动是指弹性床面可在360度任意方向产生有限水平位移，且弹性床面的水平位移方向与受力方向一致。

所述弹性床面的有限水平摆动的幅度为±100mm。

所述纵向弹性支撑机构包括托架、弹性件和万向连接件，弹性件通过托架纵向固定在支撑架上，横向弹性摆动平台通过万向连接件固定在弹性件上。

所述万向连接件包括连接块、球头万向节和哈夫压盘，连接块与横向弹性摆动平台固定连接，连接块内设有内凹球面，球头万向节的下端固定在弹性件上，球头万向节的上端球头与内凹球面作间隙活络动配合，哈夫压盘固定在连接块的下方用于挡护球头。

所述弹性件包括弹簧座和摆动弹簧，弹簧座固定在托架上，摆动弹簧的一端固定在弹簧座上，另一端与球头万向节固定连接。

所述支撑架包括多根均匀固定的支柱，纵向弹性支撑机构分别固定在多根支柱上。

采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：

1、本发明通过支撑架、横向弹性摆动平台和纵向弹性支撑机构组成的VR运动平台具有有限的水平摆动功能和有限的垂直震动功能，其中，垂直震动功能通过纵向弹性支撑机构实现，水平摆动功能通过横向弹性摆动平台和纵向弹性支撑机构的共同作用实现的。另外，横向弹性摆动平台的水平摆动可在360度任意方向摆动，且摆动方向与受力方向一致。这样就能够在平台上模拟出不同地面对于运动者的弹性感觉，进而更好的配合虚拟世界中不同场景对地面的要求。

2、本发明通过拉力弹簧将弹性床面柔性挂连在摆动环内，并将摆动环固定在纵向弹性支撑机构上，采用该结构后，当弹性床面受力后，其通过拉力弹簧和纵向弹性支撑机构的共同作用实现弹性床面的有限水平摆动，其通过纵向弹性支撑机构实现弹性床面的垂直震动。这不仅使得整个运动平台能够承受正常成人数倍体重的静负荷和运动时的动负荷，还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，进而让使用者有更加真实的走动感、跑动感和跳动感。

3、本发明可将弹性床面和摆动环均设置为圆形或椭圆形，其有利于制备出不同形状的产品，以满足不同的实际需要。

4、本发明将拉力弹簧分布挂连在弹性床面与摆动环之间，形成新的组合体。其优点是既充分发挥了弹性床面原有的弹性性能，又维持了摆动环在摆动环境中的独立稳定性，还保证了新的组合体的整体性。

5、本发明中的弹性床面可在360度任意方向产生有限水平位移，且弹性床面的水平位移方向与受力方向一致。其优点是让使用者可以获得更加真实的运动感。

6、本发明将弹性床面的有限水平摆动的幅度设置为±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。

7、本发明通过托架、弹性件和万向连接件构成纵向弹性支撑机构，其既能够对横向弹性摆动平台进行稳定支撑，又能够在横向弹性摆动平台受力后使横向弹性摆动平台产生有限垂直震动和有限水平摆动，进而有效地提高了运动平台的安全性和使用效果。

8、本发明球头万向节和哈夫压盘的连接形式，保证了运动平台具备受力时能够自由稳定水平摆动和稳定垂直震动功能。

9、本发明采用多根均匀固定的支柱分别固定多套纵向弹性支撑机构，使得运动整体具有更佳的承载能力。

10、本发明不仅可用于VR行业中，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为本发明的整体结构示意图。

图2为图1的A—A剖视图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图4为图2中I处的放大结构示意图。

图中标记为：1、支撑架，2、横向弹性摆动平台，3、纵向弹性支撑机构，4、弹性床面，5、拉力弹簧，6、摆动环，7、托架，8、连接块，9、球头万向节，10、哈夫压盘，11、弹簧座，12、摆动弹簧。

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及垂直震动的VR运动平台，该VR运动平台主体结构类似现有常规的蹦极跳床和传统的秋千运动器械结构有机的组合，可与柔性束腰组件配合使用，主要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1-3所示，其包括支撑架1、横向弹性摆动平台2和纵向弹性支撑机构3，纵向弹性支撑机构3固定在支撑架1上，横向弹性摆动平台2固定在纵向弹性支撑机构3上，横向弹性摆动平台2受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动，而在受力消失后横向弹性摆动平台2自然复位。所谓的受力是指使用者在横向弹性摆动平台2上走动、跑动或跳动时产生的作用力。

进一步的，各组成的结构、位置及连接关系分别如下：

所述支撑架1包括多根按整体周边均匀固定的支柱，本实施例对支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。但因支柱要承载运动平台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根但不限于6-8根支柱，再配备相应固定结构件即可形成结构稳定、大小适中的支撑架1。

所述横向弹性摆动平台2包括弹性床面4、拉力弹簧5和摆动环6，弹性床面4通过拉力弹簧5固定在摆动环6内，摆动环6固定在纵向弹性支撑机构3上，弹性床面4受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。其中，本实施例对弹性床面4的形状不作限定，可根据需要将其设置为圆形或椭圆形。当为弹性床面4为圆形时，其直径约为Φ2240mm。另外，弹性床面4的四周边缘处设有挂孔或挂接件。摆动环6的横截面可为长方形，其外形形状与弹性床面4的形状相适配，其内周同样设有挂孔或挂接件。拉力弹簧5的数量为多根，多根拉力弹簧5分别通过挂孔或挂接件均匀挂连在摆动环6与弹性床面4之间。连接后，弹性床面4位于摆动环6的内环侧，弹性床面4、拉力弹簧5和摆动环6三者即形成具有摆动功能和弹性功能的横向弹性摆动平台2。

需要说明的是，弹性床面4受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动，其有限水平摆动的幅度为±100mm，其有限垂直震动的幅度较小，并不作限定。弹性床面4受力后产生的有限水平摆动是指弹性床面4可在360度任意方向产生有限水平位移，且弹性床面4的水平位移方向与受力方向一致。

所述纵向弹性支撑机构3的数量优选与支柱的数量相同，多套纵向弹性支撑机构3可分别纵向固定在多根支柱上，即纵向弹性支撑机构3的轴心线均为竖向直线。多套纵向弹性支撑机构3同时与摆动环6的外环侧固定连接，相当于通过纵向弹性支撑机构3将横向弹性摆动平台2安装到支柱上，安装后的弹性床面4可在360度任意方向产生有限水平位移。其中，纵向弹性支撑机构3具有在弹性床面4受到外力时使其做有限水平摆动和垂直震动并在外力消失后自然复位的作用。具体来说就是，当弹性床面4受到外力时，在纵向弹性支撑机构3的作用下，弹性床面4能够在水平方向被动摆动及相应垂直震动；而在外力消失后，弹性床面4将在纵向弹性支撑机构3的作用下自然复位。

本实施例对纵向弹性支撑机构3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，本实施例的运动平台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。纵向弹性支撑机构3具备水平摆动功能和垂直震动功能，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。弹性床面4在支撑使用者体重的同时，还能在使用者用力蹬床面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，弹性床面4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，另一方面又在弹性床面4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的基础上对纵向弹性支撑机构3的结构作了进一步限定。如图4所示，

所述纵向弹性支撑机构3包括托架7、弹性件和万向连接件，托架7为板状结构，焊接固定在支撑架1的支柱上，弹性件通过托架7纵向固定在支撑架1上，横向弹性摆动平台2通过万向连接件固定在弹性件上。

进一步的，所述万向连接件包括连接块8、球头万向节9和哈夫压盘10，所述弹性件包括弹簧座11和摆动弹簧12，连接块8可采用焊接或螺栓与横向弹性摆动平台2中的摆动环6固定连接，连接块8内设有光滑的内凹球面，球头万向节9的下端固定在弹性件上，球头万向节9的上端具有光滑球头，该球头安装在连接块8的内凹球面内，并与内凹球面作间隙活络动配合，两者具备相对万向偏摆功能，为防止球头运动时脱出，哈夫压盘10固定在连接块8的下方用于挡护球头，保证弹性床面4受力产生水平摆动和垂直震动时不脱出凹位。弹簧座11固定在托架7上，摆动弹簧12的下端固定在弹簧座11上，上端与球头万向节9固定连接。

本实施例采用该上述结构的纵向弹性支撑机构3，除了满足弹性床面4作水平摆动外，还兼具上下弹性震动功能。当使用者运动时给弹性床面4外力，使弹性床面4可以做有限水平摆动和有限垂直震动，从而让使用者获得与自然状态更加接近的运动感受。外力消除后弹性床面4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。此外，该运动平台还具有垂直震动功能，以此来模拟不同地面对于使用者的弹性感觉，从而更好的配合虚拟世界中不同场景对地面的要求。

实施例3

本实施例对实施例2所述运动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床面上运动，设定：弹性床面对使用者向上的弹力为n1，弹性皮筋对使用者的拉力为n2，则使用者对弹性床面的正压力为：

（1）

式（1）中，N是使用者对弹性床面的正压力，G是使用者的重力。

进一步的，使用者受到的弹性床面摩擦力计算公式如下：

（2）

式（1）中，f是使用者受到的弹性床面摩擦力，μ是摩擦系数。

通过公式（1）可知，通过弹性床面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床面的正压力，最终降低了使用与弹性床面的摩擦力。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，本发明所述运动平台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 (10)

1.一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：包括支撑架（1）、横向弹性摆动平台（2）和纵向弹性支撑机构（3），纵向弹性支撑机构（3）固定在支撑架（1）上，横向弹性摆动平台（2）固定在纵向弹性支撑机构（3）上，横向弹性摆动平台（2）受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。

2.根据权利要求1所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述横向弹性摆动平台（2）包括弹性床面（4）、拉力弹簧（5）和摆动环（6），弹性床面（4）通过拉力弹簧（5）固定在摆动环（6）内，摆动环（6）固定在纵向弹性支撑机构（3）上，弹性床面（4）受力后产生有限垂直震动和有限水平摆动。

3.根据权利要求2所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述弹性床面（4）和摆动环（6）均为圆形或椭圆形。

4.根据权利要求2所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述拉力弹簧（5）均匀固定在弹性床面（4）与摆动环（6）之间。

5.根据权利要求2所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述弹性床面（4）受力后产生的有限水平摆动是指弹性床面（4）可在360度任意方向产生有限水平位移，且弹性床面（4）的水平位移方向与受力方向一致。

6.根据权利要求2所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述弹性床面（4）的有限水平摆动的幅度为±100mm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述纵向弹性支撑机构（3）包括托架（7）、弹性件和万向连接件，弹性件通过托架（7）纵向固定在支撑架（1）上，横向弹性摆动平台（2）通过万向连接件固定在弹性件上。

8.根据权利要求7所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述万向连接件包括连接块（8）、球头万向节（9）和哈夫压盘（10），连接块（8）与横向弹性摆动平台（2）固定连接，连接块（8）内设有内凹球面，球头万向节（9）的下端固定在弹性件上，球头万向节（9）的上端球头与内凹球面作间隙活络动配合，哈夫压盘（10）固定在连接块（8）的下方用于挡护球头。

9.根据权利要求8所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述弹性件包括弹簧座（11）和摆动弹簧（12），弹簧座（11）固定在托架（7）上，摆动弹簧（12）的一端固定在弹簧座（11）上，另一端与球头万向节（9）固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种水平摆动及垂直震动的VR运动平台，其特征在于：所述支撑架（1）包括多根均匀固定的支柱，纵向弹性支撑机构（3）分别固定在多根支柱上。

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