一种主动式多功能全向跑步机
技术领域
本发明涉及虚拟现实及人机交互技术领域，特别涉及一种主动式多功能全向跑步机。
背景技术
单兵作战模拟旨在利用有限的资源模拟出各种复杂且真实的作战环境，通过模拟多种模拟环境的作战训练，使士兵身处虚拟环境中，提前熟悉各种作战环境，并进行交互式模拟训练及作战训练，进而提高士兵战斗技能和战术水平。现有模拟系统中，通过大型电子显示屏对作战环境进行模拟，但存在的问题是训练成本较高且通过电子显示屏模拟的训练环境效果一般，导致最终对于士兵的训练效果一般。如何更好的进行单兵作战模拟，提高士兵战斗技能及战术水平是本技术领域急需解决的一大问题。
虚拟现实(Virtual Reality：VR)是近年来出现的高新技术，利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。随着虚拟现实技术近年来的发展及应用，运动空间的限制成为了该领域发展的关键制约瓶颈，现有虚拟现实设备使用过程中，用户多为坐在椅子上按着某个按键，来推动游戏中的主角运动，多为视觉感知方面的体验，操作者难以获得真实的运动体验，无法满足虚拟现实技术现阶段发展要求，全向跑步机的出现，能够很好解决这一瓶颈问题。
现有跑步机多为由电机连接传送带进行前后单向运动，电机启动后，人体在该跑步机上行走即可实现零距离行走的目的。但该种跑步机存在局限性，即只能够实现前后方向的运动，无法加入左右方向的运动从而实现全向移动的目的。随着虚拟现实技术的兴起，带来了全向跑步机的需求，全向跑步机是指为用户提供水平任意方向的运动，且运动速度及方向可随用户脚步变化实时改变的跑步机，它可以为用户提供无限的自由行走空间。在现有技术中，全向跑步机可划分为两大类：被动式全向跑步机以及主动式全向跑步机。被动式全向跑步机实现的方案有凹面原地滑行型、平面原地滑行型、滚动球内行走型，被动式全向跑步机与本发明相关性小，在此不佳赘述。主动式全向跑步机实现的方案有：采用若干个马达驱动螺旋装置，此方案直线运动同步性较好，但缺点是不能及时匹配用户运动方向及运动速度；滚筒阵列式，缺点是需要穿戴专用的鞋具；活动地板型，球形内面行走型；目前现有方案还无法实现对复杂地面进行有效模拟，体验不够真实；并且多数需要穿戴专用鞋具，使用复杂且不方便。
发明内容
为了克服现有跑步机运动自由度不足，以及解决虚拟现实技术所存在的运动空间制约问题，提供一种主动式多功能全向跑步机，能够实现士兵在有限空间内实现全方向无限制移动，同时可通过垂直升降机构实现多地形模拟，结合虚拟现实技术进行单兵作战模拟，用以提高士兵战术动作及战术水平。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种主动式多功能全向跑步机，包括全向跑步机主体，全向跑步机主体包括全向移动机构、纵向驱动机构、横向驱动机构、垂直升降机构，全向跑步机主体用以实现全向移动功能及复杂地形模拟功能；纵向驱动机构设置在全向移动机构内部，并通过同步带结构与纵移传动轴9连接；横向驱动机构对称分布于全向移动机构两侧，通过横移伺服电机25带动全向轮27为横向移动提供动力；垂直升降机构连接固定于全向移动机构内部，通过升降推杆35实现垂直升降；所述全向跑步机主体外侧设置有人体保护装置。
所述全向移动机构包括纵向移动模块和横向移动模块，通过两模块矢量运动叠加；
所述纵向移动模块左右对称设置，每部分包括前后设置的链轮1，链轮1之间通过链条2连接，前端的两链轮1和后端的两链轮1之间均通过一根纵向传动轴9相连，两纵向传动轴9之间设置有可调节连板4，左右对称的纵向移动模块之间设置有若干横向移动模块3，通过若干横向移动模块3与链条2的连接，形成类传送带结构。
所述横向移动模块3包括横移支架14，横移支架14两端分别连接滚轮16，横移支架14上包覆传送带15，所述的传送带15通过全向轮27转动摩擦，位于横移支架14下方的左右两侧设置有链条连接块13，所述链条连接块13连接链条2。
所述可调节连板4外侧设置横移支撑块5通过螺栓与可调节连板4进行连接，可调节连板4前端设置有连轴板7，连轴板7上方设置有升降支撑板6，所述升降支撑板6为弯曲结构，支撑板6侧面弯曲结构通过螺栓分别与连轴版7连接，连轴板7与纵向传动轴9同轴连接，纵向传动轴9两端设置有用于支撑全向跑步机主体结构的三角支撑架8，三角支撑架8上部设置有圆孔，圆孔与纵向传动轴9同轴连接，下部为三角结构。
所述全向移动机构下方布置有两排滚轮装置，滚轮装置包括滚轮固定底板10，滚轮固定底板10上表面等间距设置有滚轮支架11，滚轮支架11上设置有滚轮12，滚轮12用以辅助支撑全向移动机构，所述的滚轮固定底板10通过螺栓连接在底部框架38上。
所述纵向驱动机构包括纵移伺服电机21，纵移伺服电机21输出端连接纵移小同步带轮20，纵移小同步带轮20通过纵移同步带18连接纵移大同步带轮17，纵移大同步带轮17设置在纵移传动轴9上，传动轴9两端分别通过键连接链轮1。
所述横向驱动机构包括横移伺服电机25，横移伺服电机25输出端连接横移小同步带轮22，横移小同步带轮22通过横移同步带29连接横移大同步带轮28，横移大同步带轮28设置在横移传动轴26上，横移传动轴26上布置若干全向轮27，全向轮27与横向移动模块中的传送带15相接触。
所述纵向移动模块包括纵向传动轴9，纵向传动轴9与纵向伸缩装置中的纵移传动轴支座33同轴心连接，纵移传动轴支座33设置在滚珠丝杆31上，滚珠丝杆31下方设置在滚珠丝杆支撑架32。
所述垂直升降机构包括升降推杆支座34、升降推杆35、电动推杆固定板36，升降推杆支座34与升降推杆35伸缩轴同轴心连接，电动推杆固定板36与升降支撑板6通过螺栓连接。
所述人体保护装置包括底部框架38及悬吊机构，所述全向跑步机主体放置于底部框架38中，悬吊机构通过螺栓连接固定于底部框架38一角，底部框架38侧面覆盖不锈钢板，悬吊机构包括设置在底部框架38上的悬吊架37，悬吊架37顶部垂直设置有滑轮支架39，滑轮支架39端部设置有滑轮40。
本发明的有益效果：
本发明的一种面向单兵作战模拟的主动式多功能全向跑步机，能够实现让士兵在有限空间内实现全方向无限制移动，通过与虚拟现实技术领域的结合，能够提供单兵作战模拟功能，为士兵提供真实模拟作战及训练环境，提高士兵战术水平。具有如下优点：
(1)结构新颖可靠：采用传送带嵌套设计，通过运动的矢量合成即可实现全向移动功能，解决了现有跑步机仅具有单一运动方向这一问题。
(2)控制简便：只需要控制横向、纵向的运动速度从而形成任意水平方向的合速度，从而实现全向移动功能。
(3)多地形模拟，体验真实：通过垂直升降机构，可实现各个横向移动模块的单独升降功能，从而达到模拟不同地形：如台阶、坡道等，结合虚拟现实技术，能够为使用者提供更加真实的体验。
(4)安全性强：通过底部框架，实现跑步机内部结构封闭，减少本发明与外界物体接触产生损坏的可能性；同时避免机械结构外露，使用者受到机械挤压等不必要伤害；通过悬吊结构，确保使用者在本发明安全活动范围内活动，防止使用者摔倒受到伤害。
(5)解决了虚拟现实技术空间限制这一瓶颈，使用者可在有限空间内实现无限制运动，结合虚拟现实技术，为使用者带来更加真实使用体验。
(6)结合虚拟现实技术，能够模拟多种作战训练环境，使士兵身处虚拟环境中，提前熟悉各种作战环境，并进行交互式模拟训练及作战训练，进而提高士兵战斗技能和战术水平。
附图说明
图1是本发明专利整体轴测图。
图2是本发明专利全向移动机构图。
图3是本发明专利滚轮机构图。
图4是本发明专利横向移动模块图。
图5是本发明专利纵向移动模块图。
图6是本发明专利纵向驱动机构图。
图7是本发明专利横向驱动机构图。
图8是本发明专利纵向伸缩机构图。
图9是本发明专利垂直升降机构图。
图10是本发明专利人体保护装置图。
图中：
1.链轮 2.链条 3.横向移动模块 4.连接板 5.横移支撑块 6.升降支撑板 7.连轴板 8.三角支撑座 9.纵移传动轴 10.滚轮固定板 11.滚轮支架 12.滚轮 13.链条连接块 14.横移支架 15.传动带 16.滚轮 17.纵移大同步轮 18.纵移同步带 19.纵移伺服电机支架 20.纵移小同步轮 21.纵移伺服电机 22.横移小同步轮 23.横移伺服电机座 24.横移伺服电机支架 25.横移伺服电机 26.全向轮传动轴 27.全向轮 28.横移大同步轮29.横移同步带 30.传动轴支架 31.滚珠丝杆 32.滚珠丝杆支架 33.纵移传动轴支座 34.升降推杆支座 35.升降推杆 36.升降推杆连接板 37.悬吊架 38.底部框架 39.滑轮支架40.滑轮
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的目的是克服现有跑步机运动自由度不足，以及解决虚拟现实技术所存在的运动空间制约问题，所设计的一种主动式多功能全向跑步机，能够实现使用者在有限空间内实现全方向无限制移动，同时可通过垂直升降机构实现多地形模拟，结合虚拟现实技术为使用者提供真实运动体验。
一种主动式多功能全向跑步机，包括：全向跑步机主体，其主要由图2所示全向移动机构，图3所示滚轮机构，图6所示纵向驱动机构、图7所示横向驱动机构，图8所示纵向伸缩机构，图9所示垂直升降机构共同组成，用以实现全向移动功能及复杂地形模拟功能。
图10所示人体保护装置，其主要由主要由悬吊架37、铝型材框架38、滑轮支架39、滑轮40组成，用以确保使用者在使用本发明过程中的安全问题。
所述全向移动机构又可分为图4所示纵向移动模块及图3所示横向移动模块，通过两部分模块矢量运动叠加，即可实现全向移动功能。所述纵向移动模块包括链轮1、链条2、可调节连板4和若干横向移动模块3，通过若干横向移动模块3与链轮1链条2的连接，形成类传送带结构，通过链轮链条传动实现跑步机纵向移动功能；所述横向移动模块包括横移支架14、滚轮16和传动带15，横移支架14两端分别连接滚轮16，通过包覆传送带15，全向轮27转动摩擦传送带15，实现跑步机横向移动功能。
所述全向移动机构下方布置有两排滚轮装置，包括滚轮固定底板10，滚轮支架11，滚轮12，通过螺栓连接在底部框架上，用以辅助支撑全向移动机构，减小摩擦阻力，增加本发明运动执行顺滑度。
所述纵向驱动机构包括纵移伺服电机21、纵移电机支架19、纵移大同步带轮17、纵移同步带18、纵移小同步带轮20和纵移传动轴9。纵移伺服电机21通过同步带机构将纵向动力输送至传动轴9，传动轴9两端分别通过键连接连接链轮1，实现动力输出至纵向移动模块，实现纵向移动功能。
所述横向驱动机构包括横移伺服电机25、横移大同步带轮28、横移小同步带轮22、横移同步带29、横移传动轴26和全向轮27。横移伺服电机25通过同步带机构将纵向动力输送至横移传动轴26，横移传动轴26上布置若干全向轮27，全向轮27与图3所示横向移动模块中的传送带15相接触，横移伺服电机25转动带动横移传动轴26及全向轮27转动，全向轮27与传送带15通过摩擦进行传动，实现横向移动模块中传送带15的运动，最终实现横向移动功能。
所述纵向伸缩装置包括滚珠丝杆31、滚珠丝杆支撑架32、纵向传动轴连接座33。纵向传动轴9与纵向传动轴连接座33同轴心连接，两个滚珠丝杆支撑架分别通过螺栓连接在滚珠丝杆31下方，起支撑固定作用。通过滚珠丝杆31前后运动，可调节纵向传动轴9前后位置，达到链条张紧功能及配合垂直升降机构实现升降功能。
所述垂直升降机构包括升降推杆支座34、升降推杆35、电动推杆固定板36。升降推杆支座34与升降推杆35伸缩轴同轴心连接，电动推杆固定板36与升降支撑板6通过螺栓连接。所述升降过程由包含两个步骤，首先滚珠丝杆31进行运动，带动纵向驱动机构的纵向传动轴9运动，减小两传动轴距离；随后连接在升降推杆支座34上垂直布置的升降推杆35运动，推动横向移动模块进行升降运动，多个垂直升降机构协同运动，从而实现复杂地形模拟功能。
所述人体保护装置如图10所示，主要由悬吊架37、底部框架38、滑轮支架39、滑轮40组成，底部框架38侧面覆盖不锈钢板，底部框架38内部用于放置图2所示全向跑步机主体结构，避免跑步机内部结构与外部物体直接接触造成损坏，同时防止使用者因跑步机受到伤害。所述人体保护装置中的悬吊机构由悬吊架37，滑轮支架39，滑轮40组成，滑轮支架39通过螺栓固定在悬吊架37上，吊索绕过滑轮40，与人体所穿戴的安全服相连接，用于防止使用者倾倒跌伤，进一步增强使用安全性。
本发明的工作原理：
所述全向移动工作原理主要由全向移动机构中图4所示纵向移动模块及图3所示横向移动模块共同实现，其中跑步机纵向移动通过链轮1与链条2传动实现，跑步机横向移动通过包覆传送带15与全向轮27转动摩擦实现，最终通过两部分模块矢量运动叠加，实现全向移动功能。
所述复杂地形模拟功能工作原理主要由图8所示纵向伸缩机构及图9所示垂直升降机构共同实现。其中升降过程包含两个步骤，首先滚珠丝杆31进行运动，带动纵向驱动机构的纵向传动轴9运动，减小两传动轴距离，预留升降空间；随后连接在升降推杆支座34上垂直布置的升降推杆35运动，推动横向移动模块进行升降运动，多个垂直升降机构协同运动，从而实现复杂地形模拟功能。
所述人体保护功能主要由图10所示人体悬吊机构及底部框架38共同实现，其中底部框架38内部用于放置图2所示全向跑步机主体结构，避免跑步机内部结构与外部物体直接接触造成损坏，同时防止使用者因跑步机受到伤害；悬吊机构通过悬吊绳绕过滑轮40与人体所穿戴的安全服相连接，实现防止使用者倾倒跌伤功能，进一步增强使用安全性。
