基于虚拟现实技术的沉浸式运动交互教育装置

1.本发明属于教育设备的技术领域，尤其涉及基于虚拟现实技术的沉浸式运动交互教育装置。


背景技术：

2.虚拟现实技术是指利用计算机生产一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作的虚拟世界的技术；
3.虚拟现实技术在教育领域有着不错的应用，其能够营造一种虚拟场景增强对所教授知识的认识，能够更好的帮助学生对教师所设想的场景的理解，目前利用将此项技术应用于实际教学的设备有很多，随着不断的更新迭代，目前现有的设备均在如何增强学生沉浸体验上做出创新，其中关于如何提升运动反馈，使得用户获得更好的交互体验是主要的改进点；
4.例如中国发明专利cn11122872 a，其提供了一种基于虚拟现实的全向运动装置，其在踏板上设置有多个球体，通过在球体上设置偏置磁体，对人体作用在球体上后使得球体发生的转动进行检测，从而检测出人体在平台上所要进行的移动方向，但其没有考虑到球体被人体带动后所产生的惯性力作用，且人体行走时带动的球体较多，球体的偏移量在计算时也会产生误差，此种检测方式仍存在缺点。


技术实现要素：

5.针对上述情况，本发明的目的是提供了基于虚拟现实技术的沉浸式运动交互教育装置，解决了现有的此类装置忽略了作为检测装置的球体自身惯性力所差生的误差，使得检测数据仍不够准确的问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.发明内容部分：基于虚拟现实技术的沉浸式运动交互教育装置，包括基座，其特征在于，所述基座上竖向滑动连接有活动架，所述活动架上同轴转动连接有支撑板，所述支撑板上设置有支托人体的支托机构，所述支撑板侧边置有用于检测支撑板转向和转动角度的转动检测机构，所述基座上固定连接有圆柱形踏筒，所述踏筒上端面上滑动连接有多个滚球，所述踏板内同轴转动连接有底座，所述底座与转动检测机构配合被一安装在底座上的第一电机驱动转动，所述底座上设置有与滚球摩擦配合的两组行进皮带，两个所述行进皮带之间置有纵向滑动连接在底座上的滑动架，所述滑动架与一转动连接在底座上的第一丝杠螺纹连接，所述滑动架上设置有与两个行进皮带配合的行进检测机构
8.本发明的有益效果：
9.1、本发明包括基座，基座上竖向滑动设置有活动架，活动架上转动连接有支撑板，用户通过支托机构被支撑在支撑板上，并通过设置的转向检测机构检测支撑板转动的方向和角度，从而确定人体的转动方向和角度，能够快速且准确的测定人体的实际朝向，方便确定人体的行进方向；
10.2、本发明还包括设置在基座上的踏筒，踏筒上设置有滚球，滚球下方设置有转动连接在踏筒内的底座，底座上设置有两个行进皮带，在人体行进时，将通过滚球作用在行进皮带上，两个行进皮带通过换向传动机构与一驱动皮带连接，能够使得驱动皮带与行进皮带同步行进，在人体行进时落下的脚将会对行进皮带的惯性进行制动，从而消除了行进皮带惯性力带来的测量误差，且本装置中人体做行走动作时更加贴合实际的行走，模拟度高，沉浸性好。
附图说明
11.图1是本发明的主视图。
12.图2是本发明的立体视图一。
13.图3是本发明的立体视图二。
14.图4是本发明的立体视图二的局部视图a。
15.图5是本发明的部分结构视图一。
16.图6是本发明的部分结构视图二。
17.图7是本发明的部分结构视图三。
18.图8是本发明的部分结构视图四。
19.图9是本发明的部分结构视图五。
20.图10是本发明的部分结构视图六。
21.图中，1、基座；2、活动架；3、支撑板；4、踏筒；5、滚球；6、底座；7、第一电机；8、行进皮带；9、滑动架；10、第一连杆；11、第二连杆；12、第一套筒；13、通槽；14、翻板；15、布带；16、单向齿轮；17、环形磁铁；18、线圈；19、第一角度编码器；20、驱动皮带；21、从动轮；22、第二角度编码器；23、第一锥齿轮；24、第二锥齿轮；25、第三锥齿轮；26、第四锥齿轮；27、第一顶板；28、第二顶板；29、气筒；30、活塞；31、第二套筒；32、第二电机。
具体实施方式
22.以下结合附图1-10对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
23.实施例一，结合附图1-10，基于虚拟现实技术的沉浸式运动交互教育装置，包括基座1，所述基座1上竖向滑动连接有环形的活动架2，预设的，所述活动架2采用复合材质制成，活动架2主体为塑料材质用于减轻活动架2的重量，活动架2与基座1滑动连接的部分为金属材质保证强度，所述活动架2上同轴转动连接有支撑板3，预设的，所述支撑板3将作为支撑人体的部件，所述支撑板3上开设有通槽13，在使用时，人体位于通槽13内，支撑板3被卡在人体的腰部，因此为满足上述结构，所述活动架2不应为密封完整的环形结构，即活动架2应设置有用于用户进入环形活动架2内的开口，预设的，为使得活动架2能够更好的适应不同用户的身高，所述活动架2被设置在基座1上的驱动机构驱动进行竖向的滑动，所述驱动机构包括一对铰接在活动架2上的第一连杆10，还包括一对铰接在基座1上的第二连杆11，两个所述第二连杆11分别与两个第一连杆10铰接组成菱形结构，预设的，所述第一连杆10和第二连杆11组成的菱形结构共两组，从而保证驱动活动架2移动时的稳定性，预设的，所述活动架2上转动连接有竖向设置的第二丝杠，所述第二丝杠与竖向铰接在基座1上的第一套筒12螺纹配合，通过转动第一套筒12能够带动第二丝杠进行，从而带动活动架2进行上
下的滑动，所述第一套筒12外固定连接有蜗轮，所述蜗轮与横向铰接在基座1上的蜗杆配合，满足在调节活动架2的高度时只需转动蜗杆，通过蜗杆蜗轮的配合作用带动活动架2进行上下的调节，且利用蜗轮蜗杆的自锁性保持活动架2的调节高度，预设的，本装置在使用时，需要人体被限制在支撑板3上，支撑板3将对人体具有一定的支撑作用，从而利用人体被限制在一处的同时进行行走模拟，因此所述支撑板3上设置有支托人体的支托机构，所述支托机构包括置于通槽13侧边的两个纵向铰接在支撑板3上的翻板14，预设的，两个所述翻板14相互配合，且两个翻板14只被允许向上被打开，即当两个翻板14处于水平状态时，两个翻板14将会被限制向下翻转，且此时通槽13将会被闭合，将用户的腰部限制在通槽13内，在需要打开通槽13时，两个翻板14只能够向上翻起，两个翻板14下端面上设置有布带15，所述布带15上设置有卡扣结构，布带15另一部分设置在支撑板3上，预设的，本实施例中所采用的布带15为常见的尼龙材质支撑的布带15，其易变形但不易拉伸，能够起到很好的支托作用，在使用时，在用户进入通槽13内后，向下翻动翻板14将两个翻板14合上，随后将连接在活动架2上的布带15从用户裆部拉出，随后与连接在翻板14上的布带15通过常见的卡扣结构进行连接，随后再调整活动架2至合适的高度，此高度应满足布带15对人体有一定的支托作用，同时人体的脚仍能够对基座1施力，本结构与现有的学步车上的支托结构类似，活动架2的设置只为保证对用户的支托作用，方便人体做出行走动作；
24.预设的，在本实施例中，人体在转动时应是腰部进行的扭动，基于此，在检测人体转动方向以及转动角度时，需要检测腰部的转动方向和转动角度，故所述支撑板3侧边置有用于检测支撑板3转向和转动角度的转动检测机构，所述转动检测机构包括多个铰接在活动架2上的单向齿轮16，在本实施例中，单向齿轮16用于检测支撑板3的转动方向，所述单向齿轮16的总数目为四个，实际单向齿轮16应设数目应大于等于四个，避免翻板14上没有齿轮齿无法与单向齿轮16啮合而造成检测漏洞，预设的，多个所述单向齿轮16与开设在支撑板3上的齿轮齿啮合配合，满足支撑板3转动时能够带动单向齿轮16进行转动，多个所述单向齿轮16分为两组，两组单向齿轮16的设置方向相反，即在本实施例中，四个单向齿轮16中每两个为一组，同组内单向齿轮16设置的转动方向相同，不同组之间的单向齿轮16设置的转动方向相反，这样就能够保证支撑板3在进行顺时针或逆时针两种转动方向转动时，至少会有一个单向齿轮16在支撑板3的转动作用下转动，并使得此单向齿轮16的铰接轴一同发生转动，相对应的，与此单向齿轮16设置的方向相反的单向齿轮16的铰接轴不会发生转动，预设的，多个所述单向齿轮16的铰接轴上固定连接有环形磁铁17，所述环形磁铁17之间置有安装在活动架2上的线圈18，在某单向齿轮16因为支撑板3作用使得其铰接轴发生转动时，其铰接轴上固定连接的环形磁铁17将会绕着线圈18进行转动，此时就相当于线圈18对环形磁铁17的磁感线进行了切割，因此线圈18内将会产生电流，预设的，所述线圈18与设置在活动架2上的电流传感器连接，电流传感器将会检测线圈18中是否有产生的电流，进而利用电流传感器就能够确定是哪个单向齿轮16的铰接轴被作用发生了转动，从而就能够利用此单向齿轮16所对应的支撑板3的转动方向进行确定支撑板3的实际转动方向，还包括设置在活动架2上与支撑板3侧壁配合的第一角度编码器19，预设的，两个所述翻板14在处于水平状态时，其侧壁将会支撑板3的侧边配合，满足翻板14也能够进入活动架2内且，翻板14的侧壁能够与支撑板3的侧边重合，在支撑板3进行转动时，其侧边能够通过摩擦作用带动第一角度编码器19的作用轴发生转动，从而检测支撑板3的实际转动角度；
25.所述基座1上固定连接有圆柱形的踏筒4，预设的，人体在被布带15支托后，其双脚将会放置在踏筒4上，故所述踏筒4采用金属材质制成使得其具有较高的强度，所述踏筒4上端面上滑动连接有多个滚球5，预设的，所述滚球5均匀间隔分布在踏筒4上，具体数目应根据踏筒4的实际尺寸设计，滚球5尺寸范围在3-5cm之间，便于用户踩踏，所述踏板内同轴转动连接有底座6，所述底座6上设置有与滚球5摩擦配合的两组行进皮带8，预设的，两组所述行进皮带8采用跑步机皮带类似的材质，其表面具有较大的粗糙度，能够保证其与滚球5贴合时能够产生足够的摩擦力，在本实施例中，两组行进皮带8被驱动的方向将会被底座6所在方向限定，即行进皮带8被滚球5带动进行行进时，其行进方向应为人体的行进方向，因此底座6需要跟随支撑板3一同进行转动，以使得行进皮带8的行进方向与人体行进方向一致，预设的，所述底座6一安装在底座6上的第一电机7驱动转动，所述第一电机7为带自锁功能的伺服电机，控制器将根据接收到的支撑板3转动信号控制第一电机7的转向以及转动角度，两个所述行进皮带8之间置有纵向滑动连接在底座6上的滑动架9，所述滑动架9与一转动连接在底座6上的第一丝杠螺纹连接，预设的，所述第一丝杠被一带自锁功能的伺服电机驱动转动，通过此伺服电机能够带动控制滑动架9在底座6上的滑动，所述滑动架9上设置有与两个行进皮带8配合的行进检测机构，所述行进检测机构包括设置在滑动架9上的驱动皮带20，所述驱动皮带20下方置有横向铰接在滑动架9上的从动轮21，所述从动轮21上开设有与设置在驱动皮带20上的摩擦块相互配合的摩擦槽，满足驱动皮带20被带动进行转动时，将通过摩擦块与摩擦槽的配合作用带动从动轮21一同发生转动，预设的，所述驱动皮带20的带轮与行进皮带8的带轮直径相等，所述从动轮21的铰接轴与固定连接在滑动架9上的第二角度编码器22的转动轴连接，满足通过第二角度编码器22测定从动轮21的转动角度，进而计算出从动轮21的周长，从动轮21的周长就是驱动皮带20行进的长度，也就能够反映出用户行进的长度，再设定第二角度编码器22采集数据的频率，就可利用周长和时间计算出用户在设定的时间频率内行进的速度，预设的，为保证驱动皮带20与从动轮21之间配合关系的稳定性，所述滑动架9上竖向滑动连接有用于张紧驱动皮带20的第一顶板27，所述第一顶板27与滑动架9之间置有第一弹簧；
26.在本实施例中，两组行进皮带8与驱动皮带20之间具有两种传动模式，其中一种为驱动皮带20与行进皮带8同步进行行进，此种模式设定在人体进行行进时使用，预设的，在人体被布带15和活动架2支托后，若用户需要行走，只需和正常行走时进行一样的动作即可，行走过程中，人体将会首先抬起一只腿，另一腿将会对踏筒4上的滚球5进行作用，即另一条腿会相对于踏筒4做滑动，此时此条腿的滑动将会带动其踩踏的滚球5一同发生滚动，滚球5的滚动将会通过摩擦力作用在行进皮带8上，从而带动此脚下方的行进皮带8一同行进，而在两组行进皮带8与驱动皮带20之间同步连接后，任意一组行进皮带8的行进均会带动另一组行进皮带8和驱动皮带20一同进行同步的行进，且行进皮带8的行进距离与人体腿滑动的距离相等，在人体做行走动作的后半段时，人体最先抬起的那条腿将会放下，两条腿将会在短暂的共同接触地面后，原先用于滑动的腿将会被抬起，随后再次进行上述的重复行走动作，因此，在本实施例中，在人体完成单一行走动作的末段，两条腿均会接触踏筒4时，另一组行进皮带8将会被放下的那条腿作用，从而能够保证在最先进行滑动的那条腿离开踏筒4的时候，另一条腿是与踏筒4接触的，此时将能够对行进皮带8进行限位作用，限制因为惯性力作用而导致行进皮带8溜滑，从而造成测得的行进距离与实际距离不符的问题，
且本结构中人体做行走动作时更加贴合实际的行走，模拟度高，沉浸性好；
27.预设的，两组行进皮带8与驱动皮带20的传动方式发生在底座6进行转动时，因行进皮带8设定的结构原因，底座6在人体转动时也将会在略延迟后进行相应的转动，直至行进皮带8朝向与人体朝向相同，在此过程中，因为两个行进皮带8设置在底座6的两端，且底座6在转动时是绕其轴心进行转动的原因，两个行进皮带8被滚球5作用发生行进的方向应是相反的，那么若仍将两个行进皮带8同步连接，在行进皮带8与滚球5的贴合的作用下将很可能导致行进皮带8的磨损，为实现上述功能，本实施例中提供了一种换向传动机构用于对两个行进皮带8之间的传动方式进行切换，所述换向传动机构包括一对铰接在驱动皮带20铰接轴上的第一锥齿轮23，两个所述第一锥齿轮23分别与铰接在两个行进皮带8铰接轴上的第二锥齿轮24啮合配合，通过此结构，在第一锥齿轮23与第二锥齿轮24啮合时，两个行进皮带8将带动驱动皮带20进行同向转动，预设的，此种状态为滑动架9处于初始状态位时的状态，在人体转动时，控制器将会收到电流传感器发送的信号，一旦控制器收到电流传感器发送的信号，第一电机7将会带动第二丝杠转动，从而驱动滑动架9滑动到动态位，预设的，所述两个第二锥齿轮24侧边置有固定连接在行进皮带8的驱动轮铰接轴上的第三锥齿轮25，所述两个第三锥齿轮25与纵向铰接在滑动架9上的第四锥齿轮26啮合配合，在滑动架9处于动态位时，第四锥齿轮26与两个第三锥齿轮25将会啮合，此时两个行进皮带8的转动方向将会相反，需要注意的是，在滑动架9处于动态位时，两个行进皮带8也没有额外的主驱动进行作用，此种设置使得行进皮带8能够在于滚球5摩擦作用时发生顺应摩擦力方向的行进，从而缓解行进皮带8与滚球5之间的摩擦作用力；
28.预设的，在本装置中，滚球5与行进皮带8之间的摩擦力很重要，因此需要确保滚球5与行进皮带8在人体进行行进动作时能够很好贴合，但在底座6进行转动时，又需要减少滚球5与行进皮带8之间的摩擦作用，故本实施例中提供一种控制滚球5与行进皮带8之间摩擦力大小的结构，包括竖向滑动连接在底座6上与两个行进皮带8配合的第二顶板28，两个所述第二顶板28与底座6之间置有驱使第二顶板28远离行进皮带8的第二弹簧，两个所述第二顶板28与底座6之间置有设置在底座6上的气囊，所述气囊与固定连接在底座6上的气筒29连通，所述气筒29内滑动配合有竖向滑动连接在底座6上的活塞30，所述活塞30与转动连接在底座6上的第二套筒31螺纹连接，所述第二套筒31被第二电机32驱动转动，预设的，在初始状态时，第二电机32将驱动第二套筒31转动，使得活塞30向上移动挤压气囊，并使得气囊能够克服第二弹簧使得行进皮带8能够很好的与滚球5贴合，此状态也为第二电机32的初始状态位，在控制器检测到电流传感器传送的信号时，第二电机32将跟随第一电机7一同动作进入到动态位，此状态下，第二电机32将带动第二套筒31反转，使得活塞30向下运动，使得气囊内的气压减小，进而第二顶板28将会在第二弹簧的作用下稍微松开与第二滚球5的挤压，在控制器检测不到电流传感器的信号后，第一电机7和第二电机32将会在底座6转动够所需的角度后，即在驱动电机停止转动后，恢复至初始状态位。
29.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。