一种模块化全向运动平台

1.本发明属于人体全向运动技术领域，涉及一种具有模块化设计的全向运动平台及其安全防护装置的技术。


背景技术：

2.虚拟现实技术通过计算机模拟人类各类感官信号，如视觉，听觉，触觉，运动等，提供以假乱真的虚拟感受。自然移动交互技术是虚拟现实技术中拓展用户在虚拟世界中探索空间的重要技术之一。基于虚拟现实(vr)技术产生的全向运动设备即是一种可以满足使用者全向行动的需求的设备，其使得使用者在有限空间里实现在虚拟现实中的无限行走，如奔跑、旋转、跳跃、下蹲、左右躲闪等动作。
3.为了实现全向运动，已有解决方案如“一种轻量化vr全向运动机(cn201920999658.6)”公开的一种轻量化vr全向运动机，其达到了轻量化的目的，轮廓为圆盘型，总体占用面积较小。然而其在解决用户全向移动问题上采用了被动式解决方案，用户移动过程实际是在原地进行滑步，克服摩擦的过程是费力的。此外该方案在实际的应用中省略了腰部的复杂动作，导致了在实际的vr体验中用户存在一定程度的束缚感，可以应用的运动种类较为单一，在倒退行走时极不自然，进而影响到了沉浸式体验。
4.一种滚轴式人体全向运动平台及其速度合成方法(201810922105.0)中给出了一种主动式的全向运动平台，能够将用户沿任意方向送回中心。然而该方案中的传动方案仅适用于规整的直线，因此整体设备结构为方形，这造成多角线上面积的浪费，使得难以小型化。此外顺次单一的驱动方案，使得靠近驱动端的具有更大的磨损。内置的电机方案难以进行不同型号和尺寸的其他电机，可维护性和拓展性差。相对转动的螺旋转轴，极易造成用户脚步卡入机器内部，此外单一平台无法保证用户在失去平衡的安全性，整体来看安全性较差。
5.已有技术中，可初步提供较为自然的用户移动体验，然而这些方案的空间浪费严重；对于用户的安全性和舒适性之间，现有方案或使得自由度缺失，或完全放开用户束缚，无法得到有效防护，使得二者之间难以达到有效的平衡。此外目前技术方案中，各功能单元属于强耦合，难以实现功能单元的快速替换和拓展，整体维护困难，可拓展性差。


技术实现要素：

6.技术问题：本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供一种具有占地面积小，用户移动体验自然，具有足够的安全性和舒适性，维护简单，可拓展性强等特点的模块化全向运动平台及安全防护装置。
7.技术方案：本发明完整的技术手段和方法。
8.为实现上述目的，本发明公开了包括驱动型全向运动底盘、安装于驱动型全向运动底盘上的驱动单元及防护支架；所述驱动型全向运动底盘包括底盘底板；所述底盘底板上安装有若干纵长形的速度分解单元；该速度分解单元分为左旋速度分解单元与右旋速度
分解单元；每个左旋速度分解单元的转动速度均相同；每个右旋速度分解单元的转动速度均相同；所有的左旋速度分解单元以及右旋速度分解单元平行且交替排列；所述左旋速度分解单元具有不同的长度；右旋速度分解单元具有不同的长度；所述速度分解单元包括承重轴、围绕固定于承重轴上的旋转轴，承重轴上还设有平行传动组件，相邻两个左旋速度分解单元通过平行传动组件连接，相邻两个右旋速度分解单元也通过平行传动组件连接；所有左旋速度分解单元中至少有一个作为主动左旋速度分解单元，该主动左旋速度分解单元转动并通过平行传动组件传动使所有左旋速度分解单元共同同向同速度转动；所有右旋速度分解单元中至少有一个作为主动右旋速度分解单元，该主动右旋速度分解单元转动并通过平行传动组件传动使所有右旋速度分解单元共同同向同速度转动。
9.进一步的，所述速度分解单元还包括轴端支撑、轴中支撑；旋转轴上设有轮轴沿螺旋线排列的若干小轮子，其中左旋速度分解单元的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向与右旋速度分解单元的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向相反。
10.进一步的，左旋速度分解单元的旋转轴按正45度搭载自由转动的小轮子；右旋速度分解单元的旋转轴按负45度搭载自由转动的小轮子，小轮子由小轮轴进行支撑；
11.旋转轴在中心轴线方向具有与承重轴适配的穿孔，在旋转轴的轴身上具有正45度或负45度的小轮子装配槽和小轮轴装配孔；所述小轮轴装配孔为单向限制结构，小轮轴仅可从单一方向穿入；
12.所述承重轴由轴承固定在轴端支撑和轴中支撑上，并由轴端支撑和轴中支撑进一步固定在底盘底板上。
13.所述承重轴分为传动区域和载重区域；所述传动区域装配有平行传动组件；所述载重区域通过穿孔装配有旋转轴。
14.进一步的，所有速度分解单元中，位于最外侧的速度分解单元的长度最小，且速度分解单元的长度设置为自外向内逐渐加长；所述驱动型全向运动底盘为圆形底盘或者为正八边形底盘。
15.进一步的，速度分解单元以纵长延伸方向分为前端和后端；所述左旋速度分解单元的平行传动组件均位于前端；右旋速度分解单元的平行传动组件均位于后端。
16.进一步的，所述驱动单元包括左旋驱动电机和右旋驱动电机；左旋驱动电机安装于最外侧左旋速度分解单元的旁边，该最外侧左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元；右旋驱动电机安装于最外侧右旋速度分解单元的旁边，该最外侧右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元；
17.所述左旋驱动电机通过平行传动组件传动方式，从一侧开始顺次带动所有左旋速度分解单元；所述右旋驱动电机通过平行传动组件传动方式，从一侧开始顺次带动所有右旋速度分解单元。
18.进一步的，所述驱动单元包括左旋驱动电机、右旋驱动电机、两个驱动联轴器；
19.两个驱动联轴器分别装配在左旋速度分解单元和右旋速度分解单元末端，其中装配有驱动联轴器的左旋速度分解单元和右旋速度分解单元靠近底盘底板对称中轴线两侧的位置；
20.安装有驱动联轴器的左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元并在左旋驱动电机的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动；安
装有驱动联轴器的右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元并在右旋驱动电机的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动。
21.进一步的，驱动型全向运动底盘内包括中部强化支撑板、防夹条；所述中部强化支撑板具有防夹条安装槽，与防夹条进行装配固定。
22.进一步的，驱动型全向运动底盘的顶盖表面边缘装配有设备拓展转盘，设备拓展转盘具有外圈和内圈，内圈、与外圈可相对转动；
23.所述外圈与内圈具有高度差，其中外圈底部低于内圈底部，内圈顶部高于外圈顶部；
24.所述外圈底部设置有一定长度的凹槽；
25.所述外圈外侧间隔设置有与驱动型全向运动底盘顶盖相适配的设备拓展转盘固定孔，并通过设备拓展转盘固定孔将外圈固定在驱动型全向运动底盘顶盖上；
26.所述内圈内侧设置有若干设备拓展固定孔。
27.进一步的，还包括防护支架，所述防护支架包括后背式腰部支撑；
28.所述后背式腰带支撑通过腰部支撑底板固定在设备拓展转盘上；
29.所述腰部支撑底板上装配有垂直直线轨道，并通过一级斜向加固件及一级横向加固件进行加固；所述垂直直线轨道上装配有垂直滑块，垂直滑块下方装配有一级弹簧；
30.所述垂直滑块上装配有纵向滑块固定板，纵向滑块固定板上装配有纵向滑块，相对的纵向滑块固定板通过二级横向加固件进行加固；
31.所述纵向滑块中由纵向直线轨道穿过，所述纵向直线轨道在背离底盘底板中心的一侧的末端由横向加固板连接；所述纵向直线轨道在朝向底盘底板中心的一侧的末端装配有横向直线轨道固定板；纵向滑块与横向加固板之间、纵向滑块与横向直线轨道固定板之间在纵向直线轨道上分别装配有二级弹簧；
32.所述横向直线轨道固定板上装配固定有横向直线轨道；所述横向直线轨道上装配有横向滑块；
33.所述横向滑块沿横向直线轨道方向滑动，并沿横向直线轨道轴线方向转动；
34.所述横向滑块两侧的横向直线轨道上分别装配有三级弹簧；
35.后背式腰带支撑包括固定于横向滑块上的腰带转盘及腰带模组，该腰部转盘包括腰带转盘内圈及腰带转盘外圈；所述横向滑块与腰带转盘内圈进行装配固定，所述腰带转盘外圈与腰带模组装配连接；所述腰带转盘的内圈与外圈可相互旋转。
36.进一步的，所述横向滑块与腰带转盘通过垂直缓冲器进行装配连接；所述垂直缓冲器包括垂直缓冲轨道、垂直缓冲滑块和缓冲弹簧；所述垂直缓冲轨道固定在横向滑块上，所述垂直缓冲滑块在垂直缓冲轨道上滑动，所述垂直缓冲滑块进一步连接固定腰带转盘。
37.进一步的，所述驱动型全向运动底盘提供有驱动单元标准接口和防护支架标准接口，所述驱动单元通过驱动单元标准接口进行装配，所述防护支架通过防护支架标准接口进行装配。
38.有益效果：
39.1.本发明通过特殊的驱动方式，实现了驱动型全向平台沿曲线进行连续传动的效果，由此构造了非方形的全向平台表面，相对于现有技术中心方形表面结构，提高了有效面积的利用率，大幅减小设备的占地面积。
40.2.通过驱动单元由中间向两侧驱动或者由两侧向中间驱动的方式，以及左旋速度分解单元以及右旋速度分解单元平行且交替排列的方式，克服了现有技术中传动结构受力不均匀的问题，减小了因单侧受力造成的磨损。
41.3.通过防护支架的设计，实现了对人体运动在垂直，纵向，横向的位移，以及航向，俯仰，横滚方向的旋转，共计六自由度的完全解耦分解。由此可以针对具体的某一自由度上设置相应的安全设置，在不不影响用户自由度的情况下，提供足够的安全防护，由此达到舒适性和安全性之间的有效平衡。
42.4.通过设置在全向平台外围的设备拓展转盘，提供通用的拓展接口，为其他各类设备的集成提供了可能，解决了现有技术中可拓展性差的问题。
附图说明
43.图1为本发明完整装配总览示意图；
44.图2为本发明驱动型全向运动底盘，驱动单元，防护支架各模块分离示意图；
45.图3为本发明驱动单元标准接口和防护支架标准接口与各模块分离示意图；
46.图4为本发明驱动型全向运动底盘视角1示意图；
47.图5为本发明驱动型全向运动底盘顶视图；
48.图6为本发明驱动型全向运动底盘去除顶盖内部细节顶视图；
49.图7为本发明驱动型全向运动底盘局部细节及防夹安全结构示意图；
50.图8为本发明左旋速度分解单元示意图；
51.图9为本发明右旋速度分解单元示意图
52.图10为本发明左旋转轴示意图；
53.图11为本发明右旋转轴示意图；
54.图12为本发明中部强化支撑板示意图；
55.图13为本发明一种可行的内置驱动装配示意图；其中图13(a)为左旋驱动电机和右旋驱动电机分别位于所有速度分解单元所在区域的相对两侧的示意图；图13(b)为左旋驱动电机和右旋驱动电机位所有速度分解单元所在区域的同一侧的示意图；
56.图14为本发明驱动单元装配前示意图；
57.图15为本发明驱动单元装配前，去除顶盖的内部细节示意图；
58.图16为本发明驱动单元内部细节示意图；
59.图17为本发明驱动单元装配时的局部细节示意图；
60.图18为本发明驱动单元完成装配后，去除顶盖的内部细节示意图；
61.图19为本发明驱动单元装配后，未装配设备拓展转盘示意图；
62.图20为本发明驱动型全向运动底盘完成设备拓展转盘装配后示意图；
63.图21为本发明设备拓展转盘顶视图；
64.图22为本发明设备拓展转盘视角2示意图；
65.图23为本发明防护支架完整示意图；
66.图24为本发明防护支架的组件之一，即后背式腰部支撑细节示意图；
67.图25为本发明防护支架六自由度演示示意图；
68.图26为本发明垂直缓冲器示意图；
69.图27为本发明采用正八边形驱动型全向运动底盘的示意图；
70.图28为本发明采用正八边形驱动型全向运动底盘内部的速度分解单元的排列示意图。
具体实施方式
71.本发明提供一种模块化全向运动平台及其安全防护装置，如图1显示了本实施例完整装配的示意图。一种模块化的设计方案为将不同功能单元进行解耦划分，并通过一定的标准接口进行装配连接，如图2中显示了本实施例中主要包括了驱动型全向运动底盘10，驱动单元20，防护支架30。如图3所示不同功能模块进行装配连接的主要部件，如驱动型全向运动底盘10与驱动单元20之间的通过驱动联轴器1008进行连接装配，驱动型全向运动底盘10与防护支架30之间通过设备拓展转盘3001进行连接装配。
72.如图4至图12，显示了驱动型全向运动底盘10的一项具体实施例。
73.如图4、图5所示，驱动型全向运动底盘10包括底盘底板1001、底盘侧边1002、底盘顶盖1003。在底盘底板1001上设置有驱动单元连接孔1009，驱动单元连接孔1009与驱动联轴器1008共同组成了本实施例中的驱动单元标准接口；在底盘顶盖1003具有设备拓展转盘固定孔1010，用于固定设备拓展转盘3001。
74.图6显示了驱动型全向运动底盘10的内部细节。包括中部强化支撑板1004、防夹条1005、左旋速度分解单元11、右旋速度分解单元12、平行传动组件15。其中左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12平行且交替的密布安装在底盘底板1001上。左旋速度分解单元11的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向与右旋速度分解单元12的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向相反，以作为左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12的区分。每个左旋速度分解单元11的转动速度均相同；每个右旋速度分解单元12的转动速度均相同。通过调整左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12的长度，可以逼近构成任意形状边界的表面，在本实施例中，一个优选的方案为所构成的驱动型全向运动底盘10的边界形状为图6中的圆形，该形状下去除了方形表面对角线方向上的冗余面积，使得整体占用面积较小，此外根据实际情况，可以构建具有特色的曲线形状边界。另一个优选的方案为图27、图28所示的构成的驱动型全向运动底盘10的边界形状为正八边形。图6中进一步显示了适配于曲线形状边界情况下的平行传动组件15的装配方式，包括交错装配和层叠装配两种方式：其中交错装配方式为相邻两个左旋速度分解单元(或者相邻两个右旋速度分解单元)的长度相同或长度变化幅度较小的曲线边界部分，故相邻的平行传动组件15大致处于同一直线上，该装配方式适用于直线或变化幅度较小的曲线边界部分，以最小化空间占用，如图6区域a所示；所述层叠装配方式为相邻两个左旋速度分解单元(或者相邻两个右旋速度分解单元)的长度变化较大，使得相邻两个平行传动组件15在速度分解单元的轴向上形成落差式的排列方式，该装配方式适用于斜线或变化幅度较大的曲线边界部分，以适应曲线轮廓下的连续传动，如图6区域b所示，通过搭配使用这两种装配方式，可以适用于任意曲线形状边界下的连续传动。
75.图7显示了图6区域c的局部细节，图8至图12显示了相应部分组件的局部结构细节。
76.图7中若干不同长度的左旋速度分解单元11、右旋速度分解单元12通过轴端支撑
1102和轴中支撑1103固定在底盘底板1001上；相邻同类型的速度分解单元通过平行传动组件15进行连接传动；若干中部强化支撑板1004为速度分解单元中部提供支撑作用；防夹条1005位于在防夹条安装槽1013上方，处于装配前状态。
77.平行传动组件15的一种优选方案是如本实施方式中的由同步轮1006和同步带1007所形成的传动结构，此外平行传动组件15可根据实际情况使用皮带与皮带轮、链条及链轮组合等。
78.速度分解单元的结构细节如图8、图9所示，包括承重轴1101、轴端支撑1102、轴中支撑1103，左旋速度分解单元11还包括有若干左旋转轴13，右旋速度分解单元12还包括有若干右旋转轴14。
79.其中左旋转轴13和右旋转轴14如图10、图11所示，分别按正45度或负45度搭载可自由转动的小轮子1304，小轮子1304由小轮轴1305进行支撑。左旋转轴13或右旋转轴14在中心轴线方向具有与承重轴1101适配的穿孔1303、1403，在轴身1301、1401上具有正45度或负45度的小轮子装配槽和小轮轴装配孔1302、1402；在本实施例中，一种优选的方案是小轮轴装配孔1302、1402为单向限制结构，小轮轴1305仅可从单一方向穿入，此外通过双向穿入结构，卡扣结构或一体化结构都是可实现的方案。图10和图11中给出了具有六层小轮子的左旋转轴13或右旋转轴14，应当注意的是左旋转轴13或右旋转轴14具有多种不同长度，相应的所搭载的小轮子层数不同，在本发明中还使用了具有二、三、四、五、六、七不同层数的左旋转轴13或右旋转轴14。
80.在图8、图9所示的速度分解单元中，承重轴1101由轴承固定在轴端支撑1102和轴中支撑1103上，可绕轴线方向旋转，并由轴端支撑1102和轴中支撑1103进一步固定在底盘底板1001上。在本实施例中，承重轴1101分为传动区域(如图8中区域d)和载重区域(如图8中区域e)。结合图7所示，传动区域d用于装配平行传动组件15，起到运动传递的作用，其中相邻的左旋速度分解单元或者相邻的右旋速度分解单元的承重轴1101的传动区域d具有重叠部分，以装配平行传动组件15。载重区域e通过穿孔1303、1403装配有若干左旋转轴13或右旋转轴14，起到支撑以及带动左或右旋转轴转动的作用，其中载重区域长度根据具体需求，以及所装配左旋转轴13或右旋转轴14的种类及个数进行调整。
81.承重轴1101及穿孔1303、1403形状可设置为具有固定作用的任意形状，如使用键槽与键进行固定。本实施例中选用正六边形作为固定方案，该方案具有良好的对称性，能够减少转动时带来的震动，此外类似的正多边形如正四边形、正六边形、正八边形等同样是可选方案。
82.在承重轴1101载重区域内，相邻的左或右旋转轴在轴线方向上具有一定的间隙1104，间隙1104内安装有加固轴承。
83.图12显示了中部强化支撑板1004的结构细节，包括有安装孔1011，加固轴承装配孔1012，防夹条安装槽1013。其中防夹条安装槽1013位于两加固轴承装配孔1012中间。根据加固轴承装配孔1012的个数不同，中部强化支撑板1004具有多种型号，本实施例中使用的中部强化支撑板1004上加固轴承装配孔1012的个数分别为16、22或26。
84.结合图7所示细节，若干中部强化支撑板1004通过安装孔1011装配固定在底盘底板1001上。加固轴承装配孔1012与安装在间隙1104内的加固轴承进行装配固定，使得中部强化支撑板1004为承重轴1101的载重区域e提供额外的支撑。防夹条安装槽1013用于装配
固定防夹条1005，以实现相邻的左旋速度分解单元和右旋分解单元之间的有效隔断，并防止平台运行时外界物体被卷入机器内部。在本实施例中，防夹条1005与防夹条安装槽1013为t型，可以有效地保证在受到外力时不易变形，此外其他如方形，梯形等同样是可行方案。
85.如图13，显示了本发明中驱动单元20的具体实施例1。其中驱动单元标准接口为底盘底板1001上设置的电机支架安装孔。驱动单元20包括左旋驱动电机2009和右旋驱动电机2013，两个电机通过电机支架2010装配在底盘底板1001上。左旋驱动电机2009安装于最外侧左旋速度分解单元的旁边，该最外侧左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元。右旋驱动电机2013安装于最外侧右旋速度分解单元的旁边，该最外侧右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元。如图13(a)所示，左旋驱动电机2009及右旋驱动电机2013分别位于所有速度分解单元所在区域的相对两侧；如图13(b)所示，左旋驱动电机2009及右旋驱动电机2013位于所有速度分解单元所在区域的同一侧；两种设置方式均能够分别带动左旋速度分解单元和右旋速度分解单元的转动。左旋驱动电机2009通过平行传动组件15从一侧开始顺次带动所装配的若干左旋速度分解单元11；右旋驱动电机2013通过平行传动组件15，从另一侧开始顺次带动所装配的若干右旋速度分解单元12，图13中实线和虚线显示了这一传动过程。在左旋驱动电机2009及右旋驱动电机2013的配合下，左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12可以选择性的以同向同速转动，或者以同向非同速、或者以反向同速、或者以反向非同速的方式转动。
86.如图14至图19，显示了本发明中驱动单元20的具体实施例2。其中驱动单元标准接口为驱动单元连接孔1009及驱动联轴器1008。驱动单元连接孔1009位于底盘底板1001中轴两侧；驱动联轴器1008分别装配在左旋速度分解单元和右旋速度分解单元末端11、12，其中装配有驱动联轴器1008的左旋速度分解单元和右旋速度分解单元靠近底盘底板1001对称中轴线两侧的位置。
87.安装有驱动联轴器1008的左旋左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元并在左旋驱动电机2009的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动。安装有驱动联轴器1008的右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元并在右旋驱动电机2013的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动。
88.在本实施例中，驱动单元20为独立的模块，包括驱动单元底板2001、驱动单元侧边2002、驱动单元顶盖2003、驱动单元连接板2004、驱动主轴2006、主轴高度适配单元、左旋驱动电机2009、右旋驱动电机2013。其中驱动单元底板2001上具有若干安装孔，用于装配固定驱动单元连接板2004，主轴高度适配单元及电机支架2010。
89.其中驱动单元连接板2004具有与底盘底板1001上驱动单元连接孔1009适配的固定槽2005，在本实施例中，一种优选的形状为u型，该形状便于在安装时插拔驱动单元20，此外其他如圆孔，自锁卡扣，磁吸等也是可行的方案。
90.主轴高度适配单元包括驱动主轴轴承2007和驱动主轴支撑板2008，驱动主轴2006穿过驱动主轴轴承2007，由驱动主轴支撑板2008固定在与驱动联轴器1008相同的预设高度上。左旋驱动电机2009和右旋驱动电机2013通过电机支架2010固定在驱动单元底板2001上，并通过一组平行传动组件15与对应的驱动主轴2006进行连接。
91.如图17、图18所示，驱动单元20进行装配时，驱动主轴2006与驱动联轴器1008装配
固定，驱动单元连接板的固定槽2005与底盘底板1001上的驱动单元连接孔1009装配固定。
92.驱动单元20在传动过程中，左旋驱动电机2009和右旋驱动电机2013首先通过同步轮2011和同步带2012带动已进行高度适配的驱动主轴2006，并由驱动联轴器1008进一步将驱动力传递给位于底盘底板1001中部的左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所装配的若干左旋速度分解单元11和右旋速度分解单元12，图18中实线和虚线显示了这一传动过程。
93.图19显示了完成驱动单元20装配后的效果。
94.在本实施例中，左旋驱动电机2009和右旋驱动电机2013可以根据实际情况进行调整，对于不同尺寸和型号的驱动电机，尽管电机轴的高度不尽相同，但在主轴高度适配单元的高度适配下，可以将转动输出统一在相同的预设高度上，并进一步带动驱动型全向运动底盘10运行，实现了驱动功能的模块化，提高了可维护性和可拓展性。
95.图20至图22显示了用于设备拓展的关键部件的一个具体实施例。主要包括设备拓展转盘3001，和其在底盘顶盖1003上的装配方式。如图21，设备拓展转盘3001具有外圈3002和内圈3005结构，内圈3005与外圈3002可相对转动。如图22，外圈3002与内圈3005具有高度差，其中外圈底部低于内圈底部，内圈顶部高于外圈顶部；在外圈底部设置有一定长度的凹槽3007，便于在设备拓展转盘3001中心设置安装有线的拓展设备，应当注意的是可根据实际情况设置为多个具有一定间隔的凹槽。此外，在外圈外侧3003间隔设置有与底盘顶盖1003相适配的设备拓展转盘固定孔3004，并由此将外圈3002固定在底盘顶盖1003上；内圈3005内侧间隔设置有若干设备拓展固定孔3006，用于连接安装需要运动的拓展设备。
96.图23至图25显示了本发明中防护支架30的具体实施例1。
97.其中防护支架标准接口为设备拓展转盘内圈3005设置的设备拓展固定孔3006。防护支架30由设备拓展转盘3001及如图24所示的后背式腰部支撑16组成。后背式腰带支撑16通过腰部支撑底板3008固定在设备拓展转盘3001上。
98.其中腰部支撑底板3008上通过法兰3010装配有垂直直线轨道3013，通过一级斜向加固件3011及一级横向加固件3012进行加固。垂直直线轨道3013上装配有垂直滑块3015，垂直滑块3015下方装配有一级弹簧3014。由此垂直滑块3015提供了垂直方向的移动，并通过一级弹簧3014抵消了其重力。
99.垂直滑块3015装配固定有纵向滑块固定板3016，纵向滑块固定板3016装配固定有纵向滑块3018，相对的纵向滑块固定板3018通过二级横向加固件3017进行加固。
100.纵向滑块3018中由纵向直线轨道3019穿过，纵向直线轨道3019在背离底盘底板1001中心的一侧的末端由横向加固板3021连接；在朝向底盘底板1001中心的一侧的末端装配有横向直线轨道固定板3022；纵向滑块3018与横向加固板3021之间，纵向滑块3018与横向直线轨道固定板3022之间，在纵向直线轨道上分别装配有二级弹簧3020。
101.横向直线轨道固定板3022上装配固定有横向直线轨道3023；横向直线轨道3023上装配有横向滑块3025。在横向滑块3025两侧的横向直线轨道3023上分别装配有三级弹簧3024。横向滑块3025可沿横向直线轨道3023方向滑动，并沿横向直线轨道轴线方向转动。在本实施例中，实现横向滑块3025沿横向直线轨道3023轴线方向转动的一个方案为使用圆形轴作为横向直线轨道3023，此外在横向直线轨道3023两侧添加轴承等也是可行方案。
102.在当前实施例中，横向滑块3025与腰带转盘3026的内圈进行装配固定，腰带转盘
3026外圈与腰带模组3027装配连接。腰带转盘3026的内圈与外圈可相互旋转。
103.本实施例给出的防护支架30将用户实现了对人体运动在垂直4004，纵向4005，横向4006的位移，以及航向4001，俯仰4002，横滚4003方向的旋转，共计六自由度的完全解耦分解。其中垂直滑块3015在垂直直线轨道3013的运动提供了垂直方向的位移自由度4004；纵向滑块3018在纵向直线轨道3019的运动提供了纵向的位移自由度4005；横向滑块3025在横向直线轨道3023的运动提供了横向的位移自由度4006；设备拓展转盘3001的转动提供了航向旋转自由度4001；横向滑块3025沿横向直线轨道3023轴线方向的转动，提供了俯仰旋转自由度4002；腰带转盘3026的转动提供了横滚旋转自由度4003。通过各自由度的完全去耦合，可已实现在不同自由度上设置不同的防护措施，如在三个位移自由度方向分别设置一级弹簧3014、二级弹簧3020、三级弹簧3024。由于人体在纵向和横向方向承受加速度的范围不同，且人在正常行走时会出现周期性的横向摆动，因此这里二级弹簧3020和三级弹簧3024使用具有不同弹性系数的弹簧，以在不不影响用户自由度的情况下，提供足够的安全防护，由此达到舒适性和安全性之间的有效平衡。此外应当指出，这里的各级弹簧也可以通过使用拉簧，或者设置其他具有力反馈的结构进行替代。
104.图26显示了本发明中防护支架30的另一具体实施例2。与具体实施例1中相比，增加了垂直缓冲器，该垂直缓冲器包括垂直缓冲轨道3028、垂直缓冲滑块3029和缓冲弹簧3030。横向滑块3025首先与垂直缓冲轨道3028固定装配，垂直缓冲滑块3029在垂直缓冲轨道3028滑动运行，垂直缓冲滑块3029进一步与腰带转盘3026的内圈连接固定，腰带转盘3026连接固定有腰带模组3027。其中腰带转盘的内圈与外圈可相互旋转。通过垂直缓冲器，用户在垂直方向的波动被缓冲过滤，由此减小用户在移动过程时垂直滑块3015所搭载结构在垂直方向的周期波动。
105.上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种模块化全向运动平台，包括驱动型全向运动底盘、安装于驱动型全向运动底盘上的驱动单元及防护支架；其特征在于：所述驱动型全向运动底盘包括底盘底板；所述底盘底板上安装有若干纵长形的速度分解单元；该速度分解单元分为左旋速度分解单元与右旋速度分解单元；每个左旋速度分解单元的转动速度均相同；每个右旋速度分解单元的转动速度均相同；所有的左旋速度分解单元以及右旋速度分解单元平行且交替排列；所述左旋速度分解单元具有不同的长度；右旋速度分解单元具有不同的长度；所述速度分解单元包括承重轴、围绕固定于承重轴上的旋转轴，承重轴上还设有平行传动组件，相邻两个左旋速度分解单元通过平行传动组件连接，相邻两个右旋速度分解单元也通过平行传动组件连接；所有左旋速度分解单元中至少有一个作为主动左旋速度分解单元，该主动左旋速度分解单元转动并通过平行传动组件传动使所有左旋速度分解单元共同同向同速度转动；所有右旋速度分解单元中至少有一个作为主动右旋速度分解单元，该主动右旋速度分解单元转动并通过平行传动组件传动使所有右旋速度分解单元共同同向同速度转动。2.根据权利要求1所述的模块化全向运动平台，其特征在于：所述速度分解单元还包括轴端支撑、轴中支撑；旋转轴上设有轮轴沿螺旋线排列的若干小轮子，其中左旋速度分解单元的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向与右旋速度分解单元的旋转轴上轮轴排列的螺旋线的旋转方向相反。3.根据权利要求2所述的模块化全向运动平台，其特征在于：左旋速度分解单元的旋转轴按正45度搭载自由转动的小轮子；右旋速度分解单元的旋转轴按负45度搭载自由转动的小轮子，小轮子由小轮轴进行支撑；旋转轴在中心轴线方向具有与承重轴适配的穿孔，在旋转轴的轴身上具有正45度或负45度的小轮子装配槽和小轮轴装配孔；所述小轮轴装配孔为单向限制结构，小轮轴仅可从单一方向穿入；所述承重轴由轴承固定在轴端支撑和轴中支撑上，并由轴端支撑和轴中支撑进一步固定在底盘底板上。所述承重轴分为传动区域和载重区域；所述传动区域装配有平行传动组件；所述载重区域通过穿孔装配有旋转轴。4.根据权利要求3所述的模块化全向运动平台，其特征在于：所有速度分解单元中，位于最外侧的速度分解单元的长度最小，且速度分解单元的长度设置为自外向内逐渐加长；所述驱动型全向运动底盘为圆形底盘或者为正八边形底盘。5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块化全向运动平台，其特征在于：速度分解单元以纵长延伸方向分为前端和后端；所述左旋速度分解单元的平行传动组件均位于前端；右旋速度分解单元的平行传动组件均位于后端。6.根据权利要求1所述的模块化全向运动平台，其特征在于：所述驱动单元包括左旋驱动电机和右旋驱动电机；左旋驱动电机安装于最外侧左旋速度分解单元的旁边，该最外侧左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元；右旋驱动电机安装于最外侧右旋速度分解单元的旁边，该最外侧右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元；
所述左旋驱动电机通过平行传动组件传动方式，从一侧开始顺次带动所有左旋速度分解单元；所述右旋驱动电机通过平行传动组件传动方式，从一侧开始顺次带动所有右旋速度分解单元。7.根据权利要求1所述的模块化全向运动平台，其特征在于：所述驱动单元包括左旋驱动电机、右旋驱动电机、两个驱动联轴器；两个驱动联轴器分别装配在左旋速度分解单元和右旋速度分解单元末端，其中装配有驱动联轴器的左旋速度分解单元和右旋速度分解单元靠近底盘底板对称中轴线两侧的位置；安装有驱动联轴器的左旋速度分解单元作为主动左旋速度分解单元并在左旋驱动电机的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动；安装有驱动联轴器的右旋速度分解单元作为主动右旋速度分解单元并在右旋驱动电机的带动下转动，并从中部同时向两侧开始，顺次带动所有左旋速度分解单元转动。8.根据权利要求1所述的模块化全向运动平台，其特征在于：驱动型全向运动底盘内包括中部强化支撑板、防夹条；所述中部强化支撑板具有防夹条安装槽，与防夹条进行装配固定。9.根据权利要求1所述的模块化全向运动平台，其特征在于：驱动型全向运动底盘的顶盖表面边缘装配有设备拓展转盘，设备拓展转盘具有外圈和内圈，内圈、与外圈可相对转动；所述外圈与内圈具有高度差，其中外圈底部低于内圈底部，内圈顶部高于外圈顶部；所述外圈底部设置有一定长度的凹槽；所述外圈外侧间隔设置有与驱动型全向运动底盘顶盖相适配的设备拓展转盘固定孔，并通过设备拓展转盘固定孔将外圈固定在驱动型全向运动底盘顶盖上；所述内圈内侧设置有若干设备拓展固定孔。10.根据权利要求9所述的模块化全向运动平台，其特征在于：还包括防护支架，所述防护支架包括后背式腰部支撑；所述后背式腰带支撑通过腰部支撑底板固定在设备拓展转盘上；所述腰部支撑底板上装配有垂直直线轨道，并通过一级斜向加固件及一级横向加固件进行加固；所述垂直直线轨道上装配有垂直滑块，垂直滑块下方装配有一级弹簧；所述垂直滑块上装配有纵向滑块固定板，纵向滑块固定板上装配有纵向滑块，相对的纵向滑块固定板通过二级横向加固件进行加固；所述纵向滑块中由纵向直线轨道穿过，所述纵向直线轨道在背离底盘底板中心的一侧的末端由横向加固板连接；所述纵向直线轨道在朝向底盘底板中心的一侧的末端装配有横向直线轨道固定板；纵向滑块与横向加固板之间、纵向滑块与横向直线轨道固定板之间在纵向直线轨道上分别装配有二级弹簧；所述横向直线轨道固定板上装配固定有横向直线轨道；所述横向直线轨道上装配有横向滑块；所述横向滑块沿横向直线轨道方向滑动，并沿横向直线轨道轴线方向转动；所述横向滑块两侧的横向直线轨道上分别装配有三级弹簧；后背式腰带支撑包括固定于横向滑块上的腰带转盘及腰带模组，该腰部转盘包括腰带
转盘内圈及腰带转盘外圈；所述横向滑块与腰带转盘内圈进行装配固定，所述腰带转盘外圈与腰带模组装配连接；所述腰带转盘的内圈与外圈可相互旋转。11.根据权利要求10所述模块化全向运动平台，其特征在于：所述横向滑块与腰带转盘通过垂直缓冲器进行装配连接；所述垂直缓冲器包括垂直缓冲轨道、垂直缓冲滑块和缓冲弹簧；所述垂直缓冲轨道固定在横向滑块上，所述垂直缓冲滑块在垂直缓冲轨道上滑动，所述垂直缓冲滑块进一步连接固定腰带转盘。12.根据权利要求10所述模块化全向运动平台，其特征在于：所述驱动型全向运动底盘提供有驱动单元标准接口和防护支架标准接口，所述驱动单元通过驱动单元标准接口进行装配，所述防护支架通过防护支架标准接口进行装配。

技术总结
本发明公开了一种模块化全向运动平台。通过模块化设计，将不同功能进行模块化划分，包括驱动型全向运动底盘，驱动单元，防护支架。本本发明通过特殊的传动方式，实现了驱动型全向平台沿曲线进行连续传动的效果，由此构造了圆形的全向平台表面，减小设备的占地面积，并提高了有效面积的利用率。通过模块化的驱动单元设计，及由中间向两端驱动的方式，克服了现有技术中传动结构受力不均匀的问题，减小了因单侧受力造成的磨损，并提高了可维护性。通过对防护支架的设计，实现了人体运动六自由度的完全解耦，在不不影响用户自由度的情况下，提供足够的安全防护，由此达到舒适性和安全性之间的有效平衡。本发明具有占地面积小，用户移动体验自然，具有足够的安全性和舒适性，维护简单，可拓展性强等特点。可拓展性强等特点。可拓展性强等特点。


技术研发人员：王子峣 魏海坤 张侃健
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25