[发明专利]一种全向虚拟现实跑步机控制方法

说明书

本专利是360度全向虚拟现实跑步机的控制方法，如图1所示，全向是前后直线运动和左右转向运动的组合，既需要对前后直线运动进行精确控制，又需要对包括使用者在内的整个前后直线运动组件的左右转向运动进行精确控制，进一步的，就是对前后直线运动伺服电机和左右转向运动伺服电机进行精确控制，更进一步的，是对两个伺服电机的输出扭矩进行精确控制，即控制两个伺服电机输出与使用者的体重和运动趋势相匹配的扭矩大小和方向，更进一步的，是通过传感器获得信号并对信号进行加工处理，以获得两个伺服电机控制模块的输出扭矩控制信号的大小和方向。

技术领域

本专利涉及一种跑步机控制方法，理论上能够实现与现实无差别的原地行走、奔跑、起跑、停止、前进、后退、转向、加速、匀速和减速，这一过程完全由使用者自主控制，而“全向”则意味着使用者可以在360度方向上前进和后退，这种技术可以应用于健身、娱乐、虚拟现实和智能穿戴等相关领域。

背景技术

在传统的健身跑步机领域，主要分为动力跑步机和无动力跑步机，这两种跑步机都与使用者之间没有任何交互。动力跑步机只是单纯的输出动力，使用者只是被动的按照跑步机的转速跑动。无动力跑步机是依靠飞轮旋转的惯性迫使使用者跑动，这种跑步机的跑步带是前高后低的，使用者既对飞轮输出动力维持其转动，又在飞轮的惯性驱动下跑动，但是飞轮的惯性与人体的惯性是不一致的，与现实中的跑动体验差别很大，这种技术只是作为动力跑步机的廉价替代品。这两种跑步机的安全性和舒适性都欠佳。

在新兴的虚拟现实和智能穿戴领域，有一种所谓的虚拟现实跑步机，虽然有各种不同的结构形式，但是其基本原理都是把使用者固定在原地，并且把地面做的非常光滑，使摩擦力尽量接近于零，使用者能够穿着特制的鞋子在原地跑动，事实上，这是原地滑动，没有现实中跑动的阻力和惯性，使用体验仍然很差，远远达不到虚拟现实的水平。这种跑步机没有传统跑步机的跑步带，可以实现360度的全向跑动，但是仍然解决不了本质问题。

发明内容

本专利是360度全向虚拟现实跑步机的控制方法，如图1所示，全向是前后直线运动和左右转向运动的组合，既需要对前后直线运动进行精确控制，又需要对包括使用者在内的整个前后直线运动组件的左右转向运动进行精确控制，进一步的，就是对前后直线运动伺服电机和左右转向运动伺服电机进行精确控制，更进一步的，是对两个伺服电机的输出扭矩进行精确控制，即控制两个伺服电机输出与使用者的体重和运动趋势相匹配的扭矩大小和方向，更进一步的，是通过传感器获得信号并对信号进行加工处理，以获得两个伺服电机控制模块的输出扭矩控制信号的大小和方向。

实现前后直线运动的虚拟现实控制目的，需要解决的第一个问题是，使前后直线运动组件的传动系统的摩擦力归零，进一步的讲，是使伺服电机输出一个扭矩，这个扭矩正好可以抵消上述摩擦力形成的扭矩，这个扭矩是由前后直线运动组件的传动系统本身决定的，是固定不变的定量，是可以精确测量的，在此设定为t1。

 实现前后直线运动的虚拟现实控制目的，需要解决的第二个问题是，使前后直线运动组件的跑步带与承重底板之间的摩擦力归零，进一步的讲，是使伺服电机输出一个扭矩，这个扭矩正好可以抵消上述摩擦力产生的扭矩。这个扭矩是跑步带滚轴与伺服电机之间的传动比s、跑步带滚轴半径r、摩擦系数k、重力加速度g和使用者的体重m四个参数的乘积，把这个扭矩设定为t2，即t2=srkgm。如图2所示，在前后直线运动组件内部安装有重力传感器，可以即时的测量使用者对跑步机施加的向下的体重m。需要进一步指出的是，使用者的体重 m是变量，因为虽然使用者本身的体重是固定不变的，但是体重传感器测得的体重m是随着使用者的跑动姿态而即时变化的，所以这部分扭矩是与使用者对跑步机施加的向下的体重m成正比的。