[发明专利]柱元阵列式全向跑步机

说明书

技术领域

本发明涉及一种全向跑步机，也称作ODT（Omnidirectional treadmill），可用于虚拟现实领域中为用户在有限的实际空间中提供无限的自由行走空间，尤其是涉及到一种可模拟复杂地形及上下台阶运动的立体全向跑步机。

背景技术

全向跑步机，国际上称为ODT，是指一类水平运动方向可随人的脚步变化的跑步机，它可以为室内用户提供无限的自由行走空间。

目前国际上已有多种ODT方案。

其一是“虚拟行走（Cyberwalk）”计划，该方案采用大传送带嵌套方向垂直的小传送带的方式，优点是控制简便，只需要控制两个方向传送带的运动速度从而形成任意水平方向的合速度；缺点是系统惯性较大，由于小传送带系统整体安装在大传送带上，导致大传送带转动惯性太大，因而缺乏灵活性。为了有效地对人的运动进行跟踪，必须增大整个行走平面的尺寸，这进一步增大了系统惯性。

另一种方案是“虚拟地毯（Cybercarpet）”计划，该方案采用沿垂直轴360度自由旋转的直线传送带配合其上面的滚珠阵列。此方案系统惯性小，同步性较好，但缺点是对虚拟行走路线的转弯半径有限制，当转弯半径过小时，滚珠的滚动会失调，当用户转弯半径较小或者原地转向时，传送带几乎无法实现对前进方向的有效快速跟踪。

另有其它一些ODT实现方案，如活动地板型，球形内面行走型，由于与本专利采用的技术方向完全无关，因此不加赘述。

目前现有方案还无法实现对复杂地形及上下台阶运动的有效模拟。

基于上述现有方案的不足之处，为了开发出动力系统惯性小同时对运动转弯半径无限制的全向跑步机，本发明提出了柱元阵列式全向跑步机，并在此基础上提出了如何对复杂地形及上下台阶运动进行模拟。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足之处，所要解决的技术问题是：开发出一种系统惯性小，转向灵活且可原地转向的全向跑步机，解决转向带来的速度失调问题，并实现对复杂地形及上下台阶运动的模拟。

一种柱元阵列式全向跑步机，包括行走平台和阵列式全向驱动组件。阵列式全向驱动组件由若干个可全向驱动的柱元构成，柱元沿垂直轴放置，其动力由外部的主动力轮和转向动力轮提供，主动力轮带动动力输入轮，带动同轴连接的圆锥齿轮，带动滚动齿轮，此时主动力转动轴已变为水平方向，然后工作滚轮被带动，从而驱动载荷水平运动，在需要转向时，转向动力轮转动一定角度，带动柱元壳体转动一定角度，滚动齿轮和工作滚轮的转轴都固定在柱元壳体上，因而随着柱元壳体一同绕垂直轴转动相同角度，从而完成了工作滚轮的转向运动，采用上述结构，通过外部输入的动力，即可完成工作滚轮的水平滚动和360°自由转动两种运动，实现了全向驱动功能。

作为优选，柱元阵列中两个相同的相邻柱元的动力输入轮之间通过一个动力同步轮相连，实现同步转动，同时，两个柱元壳体之间通过一个转向同步轮相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

作为优选，柱元阵列中两个相邻柱元呈绕垂直轴180°反向放置，两个动力输入轮直接相连，反向转动，从而使得最终输出的两个工作滚轮的转动方向仍然相同，同时，两个柱元壳体之间通过一个转向同步轮相连，实现同步转向，通过一定的排列方式，整个柱元阵列的动力系统合为一体，由统一的动力装置和转向装置来驱动。

作为优选，正反放置的柱元交错均匀排布在行走平面上，使得在载荷与行走平面接触的区域，始终有相同数量的正反两种柱元，因而当柱元阵列转向时，滚动齿轮在圆锥齿轮上滚动造成的工作滚轮速度失调问题可抵消。

作为优选，转向动力轮在带动柱元壳体转向的同时，也带动外部动力装置绕其自身轴整体转动，因而使得外部动力装置所带动的主动力轮也同时加速或减速，使圆锥齿轮与滚动齿轮不发生相对滚动，因而工作滚轮的转速不会偏离预定值，速度失调问题可消除。

作为优选，在行走平面上柱元阵列的间隙位置，安装有可全向转动且阻尼可调的辅助滚珠，用来增加或减少用户脚面在平台上的摩擦力。

作为优选，用户在行走平面上行走时，穿上带有特制鞋底板的鞋，鞋底板由若干梯形棱杆组合而成，梯形棱杆一端有铰链，若干梯形棱杆相互铰接成链状结构，形成特制鞋底板，该鞋底板只能向上弯曲，而无法向上凸起，因而，在遇到行走平面上的各种凸起部件时，特制鞋底板在向上凸起的过程中能将支撑力分散，从而使人脚感到较小的局部支撑力，而当人脚面自然向上弯曲时，梯形结构下端张开，对弯曲无阻碍。