本發(fā)明涉及運動設(shè)備，尤其是一種基于速度分解與合成的虛擬現(xiàn)實人體全向移動輸入平臺。

背景技術(shù)：

在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代社會，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅帶來科技經(jīng)濟的發(fā)展，也帶了休閑娛樂功能的革新，由此虛擬現(xiàn)實環(huán)境的終端模擬器類型多樣，但大多的終端模擬器中，都需要大面積的場地進行運動，靈敏度不夠，對于跳躍下蹲轉(zhuǎn)向等運動無法自如實現(xiàn)，感受逼真度低，且由于人體移動時，沒有防護措施容易造成傷害，這些都極大地制約了現(xiàn)有人體萬向移動平臺的發(fā)展。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，人們進行了長期的探索，提出了各式各樣的解決方案。例如“一種萬向跑步踩踏裝置(201320425296.2)”，包括殼體、跑步機本體、主控制系統(tǒng)和傳感器，所述傳感器和跑步機本體均與主控制系統(tǒng)電連接所述殼體包括上蓋，所述上蓋上設(shè)置有一洞口，所述跑步機本體設(shè)置于殼體內(nèi)、洞口所在位置的下方所述傳感器傳遞其感應(yīng)到的人跑步的受力信息到主控制系統(tǒng)，所述主控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)跑步機本體運行方向。

又如“虛擬現(xiàn)實人體全向移動輸入平臺(201510333880.9)”解決了防護效果差，人體運動時安全性低的問題。但其仍屬于被動式的跑步機，造成人體需要受到來自腰部的束縛，在倒退行走時極不自然。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種體驗效果更佳，更加輕薄，主動式，基于速度分解與合成的全向運動輸入平臺。

技術(shù)方案：一種基于速度分解與合成的全向運動輸入平臺，包括殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的多個同軸環(huán)形鏈條，所述環(huán)形鏈條包括左鏈條和右鏈條，多個左鏈條和右鏈條互相平行間隔設(shè)置，左鏈條和右鏈條分別由左電機和右電機驅(qū)動，所述左鏈條上設(shè)有多個與左鏈條夾角為a的左輪軸，所述右鏈條上設(shè)有多個與右鏈條夾角為b的右輪軸，其中以逆時針為角度正方向，-180°＜a＜0°，0°＜b＜180°，左輪軸和右輪軸上均穿設(shè)有可繞輪軸轉(zhuǎn)動的輪子。

進一步的，所述環(huán)形鏈條嚙合有主動齒輪和從動齒輪，從動齒輪的中心安裝有從動齒輪軸承，左電機傳動連接有左傳動軸，右電機傳動連接有右傳動軸，左鏈條的主動齒輪與左傳動軸傳動連接，左鏈條的從動齒輪軸承安裝在右傳動軸上，右鏈條的主動齒輪與右傳動軸傳動連接，右鏈條的從動齒輪軸承安裝在左傳動軸上。

進一步的，還包括主控電路板，所述主控電路板控制左電機和右電機分別驅(qū)動左傳動軸和右傳動軸轉(zhuǎn)動。

進一步的，所述左傳動軸的一端設(shè)有左傳動軸齒輪，左傳動軸齒輪與左電機驅(qū)動的左電機傳動齒輪嚙合，右傳動軸的一端設(shè)有右傳動軸齒輪，右傳動軸齒輪與右電機驅(qū)動的右電機傳動齒輪嚙合；左傳動軸與右傳動軸上均間隔分布有多個槽口，所述槽口與主動齒輪鍵連接。

進一步的，所述殼體由機頂和機底安裝而成，機頂包括位于兩側(cè)的機頂支撐部、機頂支撐部之間的機頂平面和設(shè)置在機頂平面上的機頂隔板，所述兩側(cè)的機頂支撐部分別用于容納左傳動軸和右傳動軸上安裝的齒輪，機頂隔板將機頂平面上相鄰的環(huán)形鏈條隔開。

進一步的，所述機底包括位于兩側(cè)的機底支撐部和機底支撐部之間的機底平面。

進一步的，機頂支撐部與機底支撐部裝配，左傳動軸與右傳動軸上均設(shè)有傳動軸軸承，所述機頂支撐部與機底支撐部均并排設(shè)有多個通孔，所述通孔用于容納左傳動軸和右傳動軸上安裝的齒輪，相鄰的通孔之間設(shè)有用于嵌入傳動軸軸承的支撐弧形板。

進一步的，所述左鏈條和右鏈條均由多個鏈節(jié)首尾相接組成，所述輪軸固定在鏈節(jié)上。

進一步的，所述左輪軸與左鏈條的夾角a為-45°，所述右輪軸與右鏈條的夾角b為45°。

一種使用基于速度分解與合成的全向運動輸入平臺的速度合成方法，根據(jù)需要的輸出合速度分別調(diào)節(jié)電機驅(qū)動左鏈條和右鏈條上的分速度進行合成，具體為：

以左鏈條主動輪到從動輪的方向作為0°，在機體平面上，以逆時針作為角度正方向，當(dāng)平臺需要大小為V_DE、角度為w的輸出合速度時，左鏈條上的分速度大小V₁＝-(V_DE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0；右鏈條上的分速度大小V₂＝(V_DE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0。

有益效果：本發(fā)明基于速度分解與合成，采用主動式的全向運動平臺，與被動式的全向運動平臺相比，人體不需要被束縛，可提供更加真實的移動感受。結(jié)構(gòu)簡單，機身輕薄，該運動平臺從機械結(jié)構(gòu)簡潔，能夠解決了虛擬空間移動受現(xiàn)實空間限制的問題；本發(fā)明也可以應(yīng)用于貨物運輸和傳送，能夠?qū)崿F(xiàn)在運動平臺上的萬向移動。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的左鏈條單節(jié)示意圖；

圖2是本發(fā)明的右鏈條單節(jié)示意圖；

圖3是本發(fā)明的左鏈條與主動及從動齒輪配合示意圖；

圖4是本發(fā)明的右鏈條與主動及從動齒輪配合示意圖；

圖5是本發(fā)明的左傳動軸示意圖；

圖6是本發(fā)明的機頂視角一示意圖。

圖7是本發(fā)明的機頂視角二左鏈條單節(jié)示意圖；

圖8是本發(fā)明的機底示意圖；

圖9是本發(fā)明的鏈條與傳動軸局部配合示意圖；

圖10是本發(fā)明的平臺局部配合示意圖；

圖11是本發(fā)明的鏈條與左傳動軸完整配合示意圖；

圖12是本發(fā)明的無機頂平臺局部配合示意圖。

圖13是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是本發(fā)明的速度分解與合成示意圖。

具體實施方式

下面通過一個最佳實施例并結(jié)合附圖對本技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。

如圖1所示的左鏈條單節(jié)，包括由輪子1、輪軸2、銷釘3、鏈節(jié)5，輪子1穿設(shè)在左輪軸2上，輪子1可繞輪軸2轉(zhuǎn)動，輪軸固定在鏈節(jié)5上，銷釘4用于固定鏈節(jié)5。由鏈節(jié)5提供沿鏈節(jié)5徑向的主速度(力)，可分解為沿輪軸2徑向和橫向兩方向的分速度(力)。通過輪子1繞輪軸2的轉(zhuǎn)動，可抵消沿輪軸2橫向的分速度(力)，從而僅保留沿輪軸2徑向的分速度(力)。

如圖2所示的右鏈條單節(jié)，包括由輪子1、輪軸2、銷釘3、鏈節(jié)5，輪子1穿設(shè)在右輪軸3上，輪子1可繞輪軸2轉(zhuǎn)動，輪軸固定在鏈節(jié)5上，銷釘4用于固定鏈節(jié)5。由鏈節(jié)5提供沿鏈節(jié)5徑向的主速度(力)，可分解為沿輪軸2徑向和橫向兩方向的分速度(力)。通過輪子1繞輪軸2的轉(zhuǎn)動，可抵消沿輪軸2橫向的分速度(力)，從而僅保留沿輪軸2徑向的分速度(力)。

如圖3所示，環(huán)形鏈條包括左鏈條9和右鏈條10，左鏈條9由多個鏈節(jié)5首尾相接組成，左鏈條9上設(shè)有多個與左鏈條9夾角為a的左輪軸2，其中以逆時針為角度正方向，-180°＜a＜0°，本實施例中左輪軸2與左鏈條9的夾角a為-45°。所述環(huán)形鏈條嚙合有主動齒輪6和從動齒輪7，從動齒輪7的中心安裝有從動齒輪軸承8，使從動齒輪7可自由轉(zhuǎn)動。

如圖4所示，右鏈條10由多個鏈節(jié)5首尾相接組成，所述右鏈條10上設(shè)有多個與右鏈條10夾角為b的右輪軸3，其中以逆時針為角度正方向，0°＜b＜180°，本實施例中右輪軸3與右鏈條10的夾角b為45°。

如圖5所示，所述左傳動軸13的一端設(shè)有左傳動軸齒輪11，左傳動軸13上間隔分布有多個槽口12，所述槽口12與主動齒輪6鍵連接，使得左傳動軸13可驅(qū)動主動齒輪6。槽口12間的空位將與從動齒輪7進行配合，通過從動齒輪軸承8使得從動齒輪7在左傳動軸13上自由轉(zhuǎn)動；

右傳動軸與左傳動軸結(jié)構(gòu)一致，其一端設(shè)有右傳動軸齒輪，右傳動軸上間隔分布有多個槽口12，所述槽口12與主動齒輪6鍵連接，使得右傳動軸可驅(qū)動主動齒輪6。槽口12間的空位將與從動齒輪7進行配合，通過從動齒輪軸承8使得從動齒輪7在右傳動軸上自由轉(zhuǎn)動。

如圖6、圖7為殼體的機頂14部分不同視角示意圖，如圖8為機底19，機頂14包括位于兩側(cè)的機頂支撐部17、機頂支撐部17之間的機頂平面16和設(shè)置在機頂平面16上的機頂隔板15，所述兩側(cè)的機頂支撐部17分別用于容納左傳動軸13和右傳動軸上安裝的齒輪，機頂隔板15將機頂平面16上相鄰的環(huán)形鏈條隔開，避免其在運動過程中發(fā)成碰撞。

機頂平面16為左鏈條9、右鏈條10提供支撐，同時也承載著平臺上的物體或人體。

所述機底19包括位于兩側(cè)的機底支撐部21和機底支撐部21之間的機底平面20。機底平面20為電機26、主控電路板27提供放置平臺。

機頂支撐部17將與機底支撐部21裝配，從而支撐左傳動軸13和右傳動軸。左傳動軸13與右傳動軸上均設(shè)有傳動軸軸承22，所述機頂支撐部17與機底支撐部21均并排設(shè)有多個通孔18，所述通孔18用于容納左傳動軸13和右傳動軸上安裝的齒輪，為左鏈條9、右鏈條10運動提供通道。相鄰的通孔18之間設(shè)有用于嵌入傳動軸軸承22的支撐弧形板。

傳動軸軸承22外圍與機底支撐部21接觸，起到機體對傳動軸的支撐作用，從動齒輪軸承8外圍與從動齒輪7接觸，起到傳動軸對從動齒輪的支撐作用。傳動軸軸承22和從動齒輪軸承8交替陣列排布。

如圖9、圖10為鏈條與傳動軸局部配合示意圖和平臺局部配合示意圖，其擁有兩個中心對稱放置的左傳動軸13和右傳動軸。

左傳動軸13上主動齒輪安裝處23與主動齒輪6進行鍵配合固定，使得左傳動軸13可驅(qū)動主動齒輪6，從動齒輪安裝處24與中心裝有從動齒輪軸承8的從動齒輪7配合，使得從動齒輪7可自由轉(zhuǎn)動，右傳動軸的結(jié)構(gòu)相同。

左電機26與左傳動軸13傳動連接，右電機與右傳動軸傳動連接，左鏈條9的主動齒輪6與左傳動軸13傳動連接，左鏈條9的從動齒輪軸承8安裝在右傳動軸上，右鏈條10的主動齒輪6與右傳動軸傳動連接，右鏈條10的從動齒輪軸承8安裝在左傳動軸13上。

工作時，一根左傳動軸13與左鏈條9的主動齒輪6及右鏈條10的從動齒輪7配合，實現(xiàn)左傳動軸13驅(qū)動機體上所有左鏈條9；右傳動軸13與左鏈條9的從動齒輪7及右鏈條10主動齒輪6的配合，實現(xiàn)該傳動軸13驅(qū)動機體上所有右鏈條10。

左電機26和右電機26及主控電路板27放置在機底平面20上。還包括主控電路板27，左傳動軸齒輪11與左電機26驅(qū)動的左電機傳動齒輪25嚙合，右傳動軸齒輪與右電機驅(qū)動的右電機傳動齒輪嚙合；所述主控電路板27控制左電機26和右電機分別驅(qū)動左電機傳動齒輪25和右電機傳動齒輪轉(zhuǎn)動，帶動左傳動軸13和右傳動軸轉(zhuǎn)動，進而控制左鏈條9與右鏈條10轉(zhuǎn)動。

如圖11為鏈條與傳動軸完整配合示意圖，完成了所有鏈條與左傳動軸13和右傳動軸的裝配，包括多個同軸環(huán)形鏈條，多個左鏈條9和右鏈條10互相平行間隔設(shè)置，所有的左鏈條9和所有的右鏈條10分別由左電機26和右電機驅(qū)動。

如圖12為無機頂平臺局部配合示意圖；在未安裝機頂?shù)那闆r下示意圖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)同圖10。

如圖13為本發(fā)明基于速度分解與合成的全向運動輸入平臺示意圖，包括殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的多個同軸環(huán)形鏈條，其中，鏈條的個數(shù)可根據(jù)實際需要設(shè)置，不受附圖限定，殼體由機頂14和機底19安裝而成，人體或者貨物可在該示意圖上鏈條上移動。若應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，可通過其他裝置檢測人體位置，驅(qū)動電機提供反方向的合速度(力)，使得人體回到機體中心。本發(fā)明也可應(yīng)用于運輸貨物等需要履帶傳輸?shù)念I(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的萬向移動。

如圖14所示，一種使用上述基于速度分解與合成的全向運動輸入平臺的速度合成方法，根據(jù)需要的輸出合速度分別調(diào)節(jié)電機驅(qū)動左鏈條9和右鏈條10上的分速度進行合成，具體為：

以左鏈條主動輪到從動輪的方向作為平臺合成合速度為0°的方向，即整個平臺作為參考的0度方向，以在機體平面上，以逆時針作為角度正方向，當(dāng)平臺需要大小為V_DE、角度為w的輸出合速度時，左鏈條9上的分速度大小V₁＝-(V_DE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0；右鏈條10上的分速度大小V₂＝(V_DE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0。

其原理如下：

圖中MN方向表示為左/右鏈節(jié)也即左/右鏈條10運動方向，AB為左鏈條9輪軸徑向方向，AC為右鏈條10輪軸徑向方向。

其中AB與MN夾角為a，AC與MN夾角為b。以AN方向為0度角，逆時針為角度正方向，則有-180度<a<0度，0度<b<180度。

設(shè)左鏈條9沿MN方向速度大小為V₁，角度為0，左鏈條9沿MN方向速度大小為V₂，角度為0。

左鏈條9分解在AB方向上分速度大小V_AB＝cos(a)*V₁，角度為a，垂直于AB方向分速度由輪子轉(zhuǎn)動抵消為0。

右鏈條10分解在AC方向上分速度大小V_AC＝cos(b)*V₂，角度為b，垂直于AC方向分速度由輪子轉(zhuǎn)動抵消為0。

設(shè)由V_AB和V_AC合成的合速度即平臺可提供的合速度大小為V_DE，角度為w

由向量的分解與合成可有

則若平臺需要合成速度大小為V_DE，角度為w的合速度時，則需有

左鏈條9速度大小V₁＝-(V_DE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0。

右鏈條10速度大小V₂＝(V_DE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度為0。

可根據(jù)需要選擇不同的a、b角度，計算左鏈條9、右鏈條10上的分速度，如：

當(dāng)a＝-45度，b＝45度時，合成速度大小為V_DE＝1，角度為w＝0度的合速度時，需要左鏈條9速度大小V₁＝1，角度為0，右鏈條10速度大小V₂＝1，角度為0。

當(dāng)a＝-45度，b＝45度時，合成速度大小為V_DE＝1，角度為w＝135度的合速度時，需要左鏈條9速度大小V₁＝-1.4142，角度為0，右鏈條10速度大小V₂＝0，角度為0。

當(dāng)a＝-60度，b＝30度時，合成速度大小為V_DE＝1，角度為w＝90度的合速度時，需要左鏈條9速度大小V₁＝-1.7321，角度為0，右鏈條10速度大小V₂＝0.5774，角度為0。

當(dāng)a＝-60度，b＝30度時，合成速度大小為V_DE＝1，角度為w＝-15度的合速度時，需要左鏈條9速度大小V₁＝1.4142，角度為0，右鏈條10速度大小V₂＝0.8165，角度為0。

當(dāng)a＝-30度，b＝0度時，合成速度大小為V_DE＝1，角度為w＝-135度的合速度時，需要左鏈條9速度大小V₁＝1.6330，角度為0，右鏈條10速度大小V₂＝-1.9319，角度為0。

由于左右鏈條速度大小V₁和V₂通過總傳動軸由電機直接決定，所以只需要控制兩電機轉(zhuǎn)速的大小，即可合成任意方向合速度。

在上述公式中，當(dāng)取a＝-45度，b＝45度時，V₁＝V_DE*(cos(w)-sin(w))V₂＝V_DE*(cos(w)+sin(w))時，由于其結(jié)構(gòu)對稱，且計算簡便，為最佳參數(shù)選擇。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。