本實用新型涉及一種運動裝置，具體的講，涉及一種可以應(yīng)用在自由跑步機或其他設(shè)備上，能夠讓運動者在原地完成自由行進、轉(zhuǎn)向等動作的腳步追隨機械裝置。

背景技術(shù)：

經(jīng)分析，目前市場上的傳統(tǒng)跑步機存在兩個明顯局限：用戶跑步時只能單方向進行；跑步機履帶速度固定，強制跑步者必須按履帶速度跟隨跑步。針對目前興起的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在運動方面?zhèn)鹘y(tǒng)的跑步機就更加難以勝任，因為要求使用者除了在原地運動，并且能夠按需求進行步伐移動，而不是固定的速度，除此之外，安全方面也需要進行考慮。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決傳統(tǒng)跑步機中存在的兩個上述局限，以及為了適應(yīng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)中對于步伐的要求，本實用新型提出一種腳步追隨機械裝置及其控制方法，可以讓使用者原地自由行進、轉(zhuǎn)向，而不受約束。其技術(shù)方案如下所述：

一種腳步追隨機械裝置，包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，還包括分別安裝在使用者兩腳上并與腳同步運動的位置參照點裝置，所述平面移動裝置與托接裝置相連接，所述托接裝置包括用于承載使用者雙腳的一對腳托，所述位置檢測裝置用于檢測位置參照點裝置的位置及方向信息，所述主控系統(tǒng)控制平面移動裝置進行移動，使得腳托在確定的平面內(nèi)接住使用者的雙腳并進行運動重心歸中。

所述平面移動裝置包括固定架、旋轉(zhuǎn)控制裝置、擺動裝置、距離控制裝置；

所述固定架確立一個“旋轉(zhuǎn)軸a1”，a1在空間中固定不動；

所述旋轉(zhuǎn)控制裝置與固定架軸連接，繞a1軸旋轉(zhuǎn)；

所述旋轉(zhuǎn)控制裝置確立一個“旋轉(zhuǎn)軸a2”，a2相對于旋轉(zhuǎn)控制裝置固定不動，隨旋轉(zhuǎn)控制裝置一起繞a1轉(zhuǎn)動；

所述擺動裝置與所述旋轉(zhuǎn)控制裝置軸連于一點，稱為A點，繞a2旋轉(zhuǎn)；

所述距離控制裝置與所述擺動裝置滑動連接或軸連接，滑動連接時距離控制裝置沿擺動裝置確定的方向滑動，軸連接時距離控制裝置繞連接軸轉(zhuǎn)動；

所述距離控制裝置與腳托相連，并能夠根據(jù)主控系統(tǒng)命令調(diào)整腳托與A點之間的距離。

所述腳托上安裝有感應(yīng)裝置，從而判斷使用者的腳是否與腳托接觸，所述感應(yīng)裝置包括壓力感應(yīng)裝置、光敏感應(yīng)裝置、距離感應(yīng)裝置、觸點開關(guān)。

所述位置檢測裝置包括設(shè)置在位置參照點裝置上的慣性測量單元及無線發(fā)射器，以及與主控系統(tǒng)相連接的和無線發(fā)射器對應(yīng)的無線接收器，所述無線發(fā)射器能夠?qū)T性測量單元的信息通過無線接收器告知給主控系統(tǒng)。

每個無線接收器對應(yīng)一個或多個無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器能夠通過同一個載波頻率的不同調(diào)制信息或采用不同的載波頻率來進行區(qū)分。

對于不同的位置參照點裝置，每個發(fā)射器都有相對應(yīng)的接收器。但接收部件并不一定和發(fā)送部件一一對應(yīng)。只要接收器能夠接收和處理不同的反射或應(yīng)答信息即可。通常系統(tǒng)會采用高頻信號，使用相同的載波頻率，通過調(diào)制不同的信息來區(qū)分不同的發(fā)射端或被探測物，因此實際情況可以只需要一個接收和處理部件。有沒有成本需求的情況下，也可以為每個發(fā)射部件對應(yīng)一個單獨的接收裝置，這些部件使用不同的載波頻率，從而避免數(shù)據(jù)沖突引起的精度損失。

所述腳托設(shè)置有方向控制裝置和平衡裝置，所述方向控制裝置與主控系統(tǒng)相連接，用于控制腳托的方向朝向，所述腳托的上表面設(shè)置有平板，所述 平衡裝置設(shè)置有陀螺儀傳感器，用于控制平板在確定的平面上保持水平。

本實用新型中的腳步追隨機械裝置及其控制方法，旨在實現(xiàn)讓裝置跟隨使用者的步伐移動，而使得使用者在行進中不受單一方向約束，可以任意方向行走、跑步；使用者不受履帶固定速度限制被強制跑步跟隨，而是裝置自動適應(yīng)使用者的跑步速度。

附圖說明

圖1是實施例1所述腳步追隨機械裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實施例1腳托、連接控制裝置、線性導(dǎo)軌的連接示意圖；

圖3是實施例1位置檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是實施例1腳托工作流程示意圖；

圖5是實施例1使用者走路重心調(diào)整示意圖；

圖6是實施例1使用者雙腳跳起的重心調(diào)整示意圖；

圖7是實施例2的腳步追隨機械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是實施例3的腳步追隨機械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是實施例4的腳步追隨機械裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本實用新型提供了一種腳步追隨機械裝置，在實施例1中，如圖1所示，包括主控系統(tǒng)和分別與其相連接的位置檢測裝置、平面移動裝置，以及安裝在使用者兩腳上的一對位置參照點裝置4，所述平面移動裝置包括固定架1、設(shè)置在固定架1上的連接控制裝置2和連接控制裝置3，所述固定架1和連接控制裝置2通過旋轉(zhuǎn)控制裝置5相連接，所述固定架1和連接控制裝置3通過旋轉(zhuǎn)控制裝置6相連接，在連接控制裝置2和連接控制裝置3設(shè)置有用于承載使用者雙腳的一對腳托7。

所述腳托7設(shè)置為一對，分別安裝在兩個不同的連接控制裝置上，在腳托7上安裝有重力感應(yīng)器，從而判斷使用者是否踩在腳托7上。

如圖2所示，所述固定架1設(shè)置有軌道，所述軌道的凹槽設(shè)置在內(nèi)外兩側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5下端設(shè)置有卡輪，沿固定架1繞a1軸旋轉(zhuǎn)滑動。所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5中部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)裝置，所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置有步進電機，用于控制連接控制裝置2繞a2軸的轉(zhuǎn)動。所述旋轉(zhuǎn)控制裝置5上部設(shè)置有卡槽，所述卡槽的上下端設(shè)置有滾輪，所述連接控制裝置2位于卡槽內(nèi)，能夠通過滾輪沿著自身軸向滑動。

腳托7的一端分別鉸接于兩個連接控制裝置的末端，圖中可見腳托7安裝在連接控制裝置2的末端，所述腳托還設(shè)置有方向控制裝置、平衡裝置，所述方向控制裝置與主控系統(tǒng)相連接，用于控制腳托的方向朝向，主要是通過連接軸8的旋轉(zhuǎn)控制方向，使得腳托7可以繞與連接控制裝置2的連接軸8做任意角度旋轉(zhuǎn)。

所述腳托的上表面設(shè)置有平板，所述平衡裝置設(shè)置有陀螺儀傳感器，用于控制平板在確定的平面上保持水平。

腳托能夠在確定的平面上進行運動，確定的平面是設(shè)定一個用于模擬平整地面的平面，根據(jù)需要進行高度和大小的設(shè)定，使用者的各種運動都是以此平面作為參考，為了保證腳托只在該平面進行移動，可以采用以下設(shè)置，如在特定的平面上設(shè)置網(wǎng)狀裝置，所述腳托上部設(shè)置有距離感應(yīng)器或壓力感應(yīng)器，控制腳托和網(wǎng)狀裝置的距離；也可以在特定的平面或在其上下平行的平面上設(shè)置激光，所述腳托上設(shè)置有光線感應(yīng)器，從而保持在同一平面運動。

所述固定架1設(shè)置的軌道為圓形，也可以采用橢圓、兩個半圓、兩個直線的軌道形式，圓形的使用能夠在計算和控制上具有優(yōu)勢。

所述連接控制裝置2是一條直線導(dǎo)軌，因此對于旋轉(zhuǎn)控制裝置和腳托的距離調(diào)整，只能夠通過控制連接控制裝置2和旋轉(zhuǎn)控制裝置的相對距離進行操作。如果連接控制裝置2設(shè)置有距離控制裝置，則只需要調(diào)整伸縮度即可。

連接控制裝置2能夠以旋轉(zhuǎn)控制裝置5為基點擺動，同時可以沿自身軸向滑動；旋轉(zhuǎn)控制裝置5可以沿固定架1滑動。在此裝置中，基于這些構(gòu)件及連接關(guān)系，腳托在固定架1平面內(nèi)可以實現(xiàn)任意位置和角度定位。

在固定架1上也能夠設(shè)置更多的旋轉(zhuǎn)控制裝置和與其相連接的連接控制裝置，在連接控制裝置上設(shè)置除了腳托之外的托接裝置，根據(jù)需求設(shè)定即可。從而通過在固定架上加上新的連接控制裝置及托接裝置，實現(xiàn)對更多使用者身體參照點的跟蹤。

圖3是位置檢測裝置的構(gòu)成示意圖，首先建立立體的xyz坐標軸，所述位置參考點裝置包含一個慣性測量單元(IMU)及無線發(fā)射器，主控系統(tǒng)(如圖，用標號C先代表)連接一個對應(yīng)的無線接收器；如圖3所示，假設(shè)以運動平面上點o(0，0，0)為三軸原點，位置參考裝置從A點離開腳托時的對應(yīng)坐標位置為(X1,Y1,Z1)，并運動到空間A’點。

運動過程中，主控系統(tǒng)實時監(jiān)測并接受位置參考點裝置發(fā)射的電磁波，從中獲取位置參考裝置——基于IMU，得到的對應(yīng)三軸姿態(tài)角以及加速度信息；

主控系統(tǒng)通過接受到的z軸姿態(tài)角即得到位置參考點裝置的方向信息，假設(shè)其為相對于平面x軸夾角；

主控系統(tǒng)通過接受到的單軸角加速度與時間積分可以獲得位置參考裝置的相對于三軸的相對位置信息，將其與初始位置坐標點(X1,Y1,Z1)相加，即得到位置參考裝置在A’點的空間位置(X2,Y2,Z2)；

主控系統(tǒng)根據(jù)位置參考裝置在A’點的空間位置及對應(yīng)水平面相對于x軸的夾角,實時驅(qū)動平面移動裝置移動腳托至對應(yīng)水平面位置(X2,Y2)及調(diào)整腳托相對于x軸夾角的方向；從而實現(xiàn)腳托持續(xù)跟蹤位置參考裝置直至托接。

每個無線接收器對應(yīng)一個或多個無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器能夠通過同一個載波頻率的不同調(diào)制信息或采用不同的載波頻率來進行區(qū)分。

為了減少積分累計誤差，計算中的積分時間每次以位置參考點裝置離開腳托開始，直到腳托接到位置參考點裝置為止。

使用本裝置時，在用戶左右兩腳上各固定一個位置參照點裝置4，因為位置參照點裝置4與腳部固定在一起，所以運行期間以位置參照點裝置4的 運動規(guī)律完全替代腳的運動規(guī)律。

位置檢測裝置持續(xù)檢測、收集兩個位置參照點裝置4的特征及位置信息，并將此信息傳遞給主控系統(tǒng)；根據(jù)特征及位置信息，主控系統(tǒng)經(jīng)過分析計算可以區(qū)分出位置參照點裝置4在運動平面的具體位置及方向，進而通過指令驅(qū)動平面移動裝置移動腳托7，來消除腳托7與位置參照點裝置4在平面坐標位置的距離，從而實現(xiàn)腳托7實時跟隨參照點的水平位置，直到接住運動中的參照點。

所述位置參照點裝置采用主動式的信號發(fā)射，而位置檢測裝置采用被動式的信號接收，也能夠采用其他形式，比如所述位置檢測裝置采用主動式的信號發(fā)射，所述位置參照點裝置采用被動式的信號接收和反射，或者所述位置參照點裝置和位置檢測裝置都采用主動式的信號發(fā)射，而位置檢測裝置同時采用信號接收。

因為腳托在運動中，難以保證各無線接收器在同一時間發(fā)現(xiàn)位置參照點裝置，因此采用多組位置檢測裝置，能夠有效的計算出信號接收時的腳的位置的離散點，從而根據(jù)進一步的計算，判斷出腳的位置，能夠有效的提高位置計算的準確度。

在控制平面移動裝置的方法方面，腳托的跟蹤位置參考點裝置的調(diào)配方法可以選擇不同的算法，只要保證最終有一個腳托能接住落地的位置參照點裝置即可。在實施例中，提出的平面移動裝置可以實現(xiàn)腳托在運動平面任意位置及角度定位，并避免兩個腳托在運動期間出現(xiàn)交叉沖突情況(沖突是當前位置和目標位置點之間有遮擋，避免的方式是先縮短直軌，然后移動旋轉(zhuǎn)控制裝置直到當前位置和目標位置之間無障礙，再伸長直軌直到目標點)。

使用此平面移動裝置，腳托跟蹤位置參照點裝置的調(diào)配方式可以采用開機綁定原則：運動開始，腳托接住的第一個位置參照點裝置即是它的追蹤對象，并在整個運動期間保持跟蹤直到運動結(jié)束。

為了使操作更加簡單，也可以采用非全程綁定方法，但是還需要獲取使用者的特征及位置信息，所述特征包括使用者腳部和腳托的接觸狀態(tài)、根據(jù) 位置參照點裝置方向信息和使用者方向朝向信息。所述主控系統(tǒng)在判斷使用者兩個位置參照點裝置同時發(fā)生移動并產(chǎn)生交叉時，所述主控系統(tǒng)將控制兩個腳托的托接功能互易，并根據(jù)位置參照點裝置的方向信息判斷使用者的方向朝向，進而判斷腳托的托接功能是否需要進行交換。

也就是說，如果左腳和右腳交叉時，則原右腳的腳托接住左腳，原左腳的腳托接住右腳，在判斷位置參考點裝置方向也改變時，可以判斷出使用者交叉后進行轉(zhuǎn)身，此時，使用者朝向改變，比如由朝前變成了朝后，此時，將腳托的托接功能進行交換，原右腳的腳托改成左腳腳托，原左腳的腳托改成右腳腳托。但是如果發(fā)現(xiàn)位置參考點裝置的朝向沒有改變時，則因為使用者交叉后沒有改變朝向的方向，只需在下一次發(fā)生交叉時恢復(fù)原腳托的托接功能即可。

本實用新型的控制方法如圖4所示的基于實施例中的平面移動裝置及開機綁定方法，即確定了腳托與位置追蹤點的唯一對應(yīng)關(guān)系，并在整個運動期間保持追蹤。

在運動開始，使用者兩腳分別站在兩個腳托上，在兩個腳上分別設(shè)置有一個位置參照點裝置，所述的兩個腳托在運行期間是與所述的兩個位置參照點裝置分別配對并綁定在一起的；所述的腳托持續(xù)判斷與其配對的位置參照點裝置是否為被腳接觸的狀態(tài)，并將此狀態(tài)發(fā)送給所述主控系統(tǒng)；

位置檢測裝置持續(xù)檢測位置參照點裝置的位置以及方向的信息，并將此信息發(fā)送到主控系統(tǒng)，所述主控系統(tǒng)根據(jù)每個腳托的接觸狀態(tài)，持續(xù)的向平面移動裝置發(fā)送腳托定位指令；

當被定位腳托未被接觸時，主控系統(tǒng)直接發(fā)送位置參照點的方向和位置信息，作為跟蹤定位指令；

當被定位腳托被接觸時，主控系統(tǒng)發(fā)送計算得來的重心歸中位置信息，作為重心歸中定位指令；

運動期間，當位置參照點裝置落在腳托上時，主控系統(tǒng)將根據(jù)用戶重心變化移動腳托來達到重心歸中；當位置參照點裝置離開腳托時，主控系統(tǒng)將 根據(jù)位置參照點裝置在運動平面的水平位置實時驅(qū)動水平移動裝置移動腳托跟蹤運動的位置參照點裝置直至落腳。

而平面移動裝置只要接到來自主控系統(tǒng)的定位指令就將被定位腳托移動到目標位置。

運動重心判斷及重心歸中實現(xiàn)如圖5所示，運動靜止時，重心在兩個腳托連線的中心位置；運動期間，如圖6中，右腳托已接住位置參照點裝置，其在水平面的坐標位置為B1，左腳位置參照點裝置在運動中，左腳托跟蹤到A2位置，A1為左腳最后抬起的位置點。連線B1與A1，取中點G1為原重心點；連線B1與A2，取中點G2為當前重心點。從G1點到G2點的方向即模擬為用戶重心的移動方向，兩點的距離為重心的移動距離。圖中B1-B2虛線平行G1-G2，方向相反，主控系統(tǒng)將實時驅(qū)動右腳托從B1向B2移動，最終右腳托與左腳托同時移動的合效果是將當前重心G2移動到原重心G1點，從而消除重心點的位移，達到重心點歸中，實現(xiàn)跑步者原地運動。

假設(shè)一個用戶雙腳起跳時的情形，如圖6所示，A1和B1分別是左右腳最后抬起位置，A1`和B1`是重心歸中時左右腳托的目標位置；A2和B2分別是兩腳托的當前位置，此時左腳正在運動中，右腳托在B2位置接住參照點；連線A1-B1為原重心線，取中點G1為原重心點，連線A2-B2為現(xiàn)重心線，取中點G2為現(xiàn)重心點；從G1點到G2點的方向即模擬為用戶重心的移動方向，兩點的距離為重心的移動距離。圖中虛線B2-B1`平行G1-G2，方向相反,虛線A2-A1`平行G1-G2，方向相反。主控系統(tǒng)將驅(qū)動右腳托從B2向B1`移動，如果右腳托移動過程中，左腳托也接到左腳位置參照點裝置，主控系統(tǒng)也將驅(qū)動左腳托從A2向A1`移動。最終右腳托與左腳托同時移動的合效果是將當前重心G2移動到原重心G1點，從而消除重心點的位移，達到重心點歸中，實現(xiàn)跑步者原地運動。

在使用該機械裝置的自由跑步機中，用戶可以實現(xiàn)任意方向自由行進，轉(zhuǎn)向等動作。

基本上來說，其原理描述如下：

所述平面移動裝置包括固定架、設(shè)置在固定架上的至少兩個旋轉(zhuǎn)控制裝置，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置連接有連接控制裝置，使得連接控制裝置能夠以旋轉(zhuǎn)控制裝置為基點擺動，所述連接控制裝置與腳托相連接，并能夠自行調(diào)整旋轉(zhuǎn)控制裝置到腳托的距離。所述固定架上設(shè)置有軌道，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置能夠沿軌道運行，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置設(shè)置有滑動裝置，能夠調(diào)整其與連接控制裝置的相對位置。所述連接控制裝置設(shè)置有距離控制裝置，所述距離控制裝置采用液壓缸、絲杠或活動臂。

下述第2-第4三個實施例的示意圖中都給出了一只腳托，及支撐移動該腳托的相關(guān)裝置及連接關(guān)系。具體實施時，用同樣方法引入另外一只腳托及相關(guān)裝置即可實現(xiàn)兩只腳托在水平面內(nèi)以任意角度及方向移動。

附圖7中，該實施例2中包括三個基本裝置：一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個距離控制裝置。如圖所示：A點是桿AB與底座的軸連接處，B點是距離控制裝置與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處，C點是距離控制裝置與十字萬向節(jié)的連接處，C’是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。

旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度：在軸連接A處，B點以a1為軸做旋轉(zhuǎn)運動；在軸連接B處，距離控制裝置以a2為軸做旋轉(zhuǎn)運動。距離控制裝置可以沿直線BC做伸縮運動；腳托通過十字萬向節(jié)與距離控制裝置連接，并可以分別繞十字萬向節(jié)的軸a3、a4及a5做旋轉(zhuǎn)運動，使得腳托在水平面可以任意角度旋轉(zhuǎn)并保持水平。

為了處理兩個距離控制裝置的運動交叉情況，A、B兩點的直線距離要求不小于距離控制裝置的半徑(假設(shè)距離控制裝置BC段為一圓柱體形狀，如果不是圓柱形狀時，取其外接圓的半徑)。

附圖8的實施例3是附圖7中實施例2的一個變形方式，它包括一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個距離控制裝置。圖中，A點是距離控制裝置與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處；A’點是距離控制裝置上的一個點；B點是距離控制裝置與十字萬向節(jié)連接處；C點是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度：距離控制裝置可以分別繞a1、a2軸做旋轉(zhuǎn)運動。

距離控制裝置A、B兩點連線不是一條直線，A’是偏離AB連線的一個點，線段AA’與A’B剛性連接于A’點，且A’點到AB連線的垂直距離不小于距離控制裝置的半徑(假設(shè)距離控制裝置A’B段為一圓柱體形狀，如果不是圓柱形狀時，取其外接圓的半徑)；距離控制裝置沿A’B連線方向做伸縮運動。距離控制裝置與腳托的連接方式同附圖7中實施例2。

附圖9的實施例包括一只腳托、一個旋轉(zhuǎn)控制裝置和一個活動臂。A點是活動臂與旋轉(zhuǎn)控制裝置的軸連接處；B是活動臂上下兩節(jié)軸連接處；C點是活動臂與十字萬向節(jié)的連接處；D是腳托與十字萬向節(jié)的連接處。

如圖9，旋轉(zhuǎn)控制裝置有兩個旋轉(zhuǎn)自由度：活動臂可以分別圍繞軸a1、a2做旋轉(zhuǎn)運動。在軸連接B處，活動臂的上下兩節(jié)(具體實施時，可以考慮多節(jié)情況)AB與BC可以繞軸a3做旋轉(zhuǎn)運動；活動臂與腳托的連接關(guān)系同附圖7中實施例。

在考慮到雙腳交叉時，所述距離控制裝置可以采用弧形設(shè)計，從而在雙腳交叉時能夠繞過另一端的距離控制裝置，或者只對其中一只腳所在的距離控制裝置進行弧形設(shè)計；另外，在距離控制裝置和旋轉(zhuǎn)控制裝置之間設(shè)計一個延伸部分，如同實施例3中的AA’，也能夠使得距離控制裝置有更大的活動空間。

本實用新型中的腳步追隨機械裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)讓裝置跟隨使用者的步伐移動，而使得使用者在行進中不受單一方向約束，可以任意方向行走、跑步；使用者不受履帶固定速度限制被強制跑步跟隨，而是裝置自動適應(yīng)使用者的跑步速度。