基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)

李艷龍，陳 雪，徐朝陽，楊 虎，陳楊楊，夏儒銳，王名揚(yáng)

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

滑雪是很受歡迎的冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目[1]，傳統(tǒng)的滑雪運(yùn)動(dòng)基于戶外滑雪場(chǎng)中進(jìn)行，極易受到場(chǎng)地、氣候、環(huán)境等因素影響，滑雪運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)與運(yùn)動(dòng)技巧要求較高，為擺脫場(chǎng)地對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)的約束、實(shí)現(xiàn)初學(xué)者的快速入門和對(duì)滑雪過程的模擬，設(shè)計(jì)了一種基于VR系統(tǒng)的室內(nèi)滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器，訓(xùn)練器體積小巧、功能多樣，可用于初學(xué)者快速入門及運(yùn)動(dòng)員水平提升訓(xùn)練.

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了相關(guān)的滑雪訓(xùn)練模擬裝置[2]，但大多數(shù)裝置僅由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，運(yùn)動(dòng)員只能單純訓(xùn)練肢體動(dòng)作，在使用時(shí)無法與場(chǎng)景結(jié)合，需要憑空想象訓(xùn)練畫面，訓(xùn)練效果也不理想.VR又稱虛擬傳感技術(shù)，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)與虛擬場(chǎng)景結(jié)合，是一個(gè)充滿活力、具有巨大應(yīng)用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域[3]，將此技術(shù)運(yùn)用到滑雪訓(xùn)練器上，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)能夠?qū)⒂?xùn)練動(dòng)作與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合，對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)水平的提升、肢體動(dòng)作的完善具有重大意義，同時(shí)也能夠解決目前訓(xùn)練器單方面訓(xùn)練肢體動(dòng)作的弊端.

1 基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器方案設(shè)計(jì)

基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器主要包括虛擬模擬系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)3部分，虛擬模擬系統(tǒng)相當(dāng)于裝置的“大腦”，用于控制運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作以及調(diào)節(jié)VR系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)情景交融；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)、循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)、多維腳踏板機(jī)構(gòu)和滑雪手杖機(jī)構(gòu)共同組成；安全防護(hù)系統(tǒng)包括穿戴式吊護(hù)裝置和防護(hù)欄，用于保證訓(xùn)練者的安全.滑雪訓(xùn)練器在工作時(shí)，訓(xùn)練者雙腳踩在多維腳踏板機(jī)構(gòu)的滑雪鞋固定裝置上，頭上戴有VR頭顯設(shè)備，雙手握著滑雪手杖，在訓(xùn)練器上訓(xùn)練滑雪肢體動(dòng)作，虛擬模擬系統(tǒng)中的傳感器將采集信號(hào)反饋給VR頭顯設(shè)備，訓(xùn)練者在頭顯設(shè)備里觀察運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景變化以實(shí)時(shí)了解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4].

2 虛擬模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬模擬系統(tǒng)包括VR頭顯設(shè)備、虛擬主機(jī)、傳感器及控制模塊4部分，訓(xùn)練器在工作時(shí)，由頭顯設(shè)備傳出滑雪影像資料，訓(xùn)練器的虛擬主機(jī)來識(shí)別滑雪影像中涉及的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，并計(jì)算出一套訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)指令來控制運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)開始運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，訓(xùn)練者控制滑雪手杖做出相應(yīng)的肢體動(dòng)作來保持平衡，訓(xùn)練器上的傳感器采集訓(xùn)練者肢體的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)教摂M主機(jī)，虛擬主機(jī)與模擬場(chǎng)景中的模擬人體模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，之后虛擬主機(jī)立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，根據(jù)訓(xùn)練者肢體位置的變化，將變化之后相應(yīng)的精確滑雪場(chǎng)景信息反向傳給VR頭顯設(shè)備，使訓(xùn)練者產(chǎn)生臨場(chǎng)感[5].

圖1 虛擬模擬系統(tǒng)工作流程圖

3 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)包括用于模擬滑雪運(yùn)動(dòng)急停動(dòng)作的轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)、模擬滑雪運(yùn)動(dòng)行進(jìn)動(dòng)作的循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)、模擬滑雪靴作用的多維腳踏板機(jī)構(gòu)以及滑雪手杖機(jī)構(gòu)組成，4種機(jī)構(gòu)相輔相成，在虛擬主機(jī)作用下共同實(shí)現(xiàn)滑雪運(yùn)動(dòng)的模擬.

3.1 轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)如圖2(a)所示，包括圓形底盤、皮帶、步進(jìn)電機(jī)、基座以及防撞裝置，訓(xùn)練器在工作時(shí)由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以帶傳動(dòng)的形式傳動(dòng)，使圓形底盤及以上部件與基座發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)訓(xùn)練者頭戴的VR頭顯設(shè)備出現(xiàn)急停畫面時(shí)，訓(xùn)練器在虛擬主機(jī)的控制下啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上層機(jī)構(gòu)繞基座轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至一定的度數(shù)，基座與上層機(jī)構(gòu)中圓形底盤間的防撞裝置碰觸，此處的傳感器接收信號(hào)并反饋給虛擬主機(jī)，控制訓(xùn)練器停止工作，完成訓(xùn)練者滑雪姿態(tài)的迅速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)急停運(yùn)動(dòng)模擬訓(xùn)練[6].為減少碰撞和轉(zhuǎn)向的停止，基座和圓形底盤間加入了彈簧進(jìn)行緩沖，并設(shè)立防撞裝置進(jìn)行安全保護(hù).

步進(jìn)電機(jī)所需功率計(jì)算公式如下：

P=Fvη1η2/1000，

(1)

式中：P為電機(jī)功率(kW)；F為訓(xùn)練器工作負(fù)載(N)；v為訓(xùn)練器轉(zhuǎn)向速度(m/s)；η1為帶傳動(dòng)的工作效率(%),η2為工作裝置的傳動(dòng)效率(%).

步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

n=60×1000vi/πD，

(2)

式中：n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；v為訓(xùn)練器轉(zhuǎn)向速度；i為帶傳動(dòng)傳動(dòng)比；D為訓(xùn)練器轉(zhuǎn)軸直徑；

步進(jìn)電機(jī)是本機(jī)構(gòu)動(dòng)力來源，可根據(jù)所求得功率及轉(zhuǎn)速對(duì)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇.

3.2 循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2.

(a)轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)示意圖

(b) 循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)示意圖圖2 轉(zhuǎn)向停止機(jī)構(gòu)、循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)示意圖

循環(huán)往復(fù)機(jī)構(gòu)如圖2(b)所示，主要包括位移傳感器、支撐滑板、高柔性帶、滾輪及滾輪軸，利用4根高柔性帶不斷收縮來實(shí)現(xiàn)支撐底板的循環(huán)擺動(dòng)，為訓(xùn)練者的左右運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，讓上層的踏板沿滑道運(yùn)動(dòng)，高柔性帶一端固定在踏板上，另一端固定在圓形底盤的中心附近，當(dāng)訓(xùn)練器在工作時(shí)，訓(xùn)練者根據(jù)VR頭顯設(shè)備出現(xiàn)的畫面來控制身體的左右擺動(dòng)，拉伸高柔性帶使其不斷伸縮來保證踏板及訓(xùn)練者沿著滑道左右擺動(dòng)[7]，以此來模擬滑雪者行進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作，提升訓(xùn)練者對(duì)身體平衡的掌控能力.

3.3 多維腳踏板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

多維腳踏板機(jī)構(gòu)如圖3(a)所示，主要包括角度傳感器、支撐軸、滑雪鞋固定裝置、支撐滑板及各彈簧，此機(jī)構(gòu)模擬雪板裝卡和滑雪過程中腳下的各種動(dòng)作，支撐軸上設(shè)置有角度傳感器，滑雪鞋固定裝置發(fā)生角度變化時(shí)傳給虛擬主機(jī)，再由虛擬主機(jī)計(jì)算好的畫面?zhèn)鬟f給VR頭顯設(shè)備，使訓(xùn)練者觀察出腳踏板角度變化[8].腳踏板的前后移動(dòng)和角度的變化由支撐軸和彈簧實(shí)現(xiàn)，雪板的整體擺動(dòng)靠頂層底板的軸轉(zhuǎn)動(dòng)完成，緩沖彈簧起到限位和緩沖作用.

3.4 滑雪手杖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑雪手杖機(jī)構(gòu)如圖3(b)所示，包括角度傳感器、滑雪桿、滑雪軌道及彈簧，用于模擬實(shí)地運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑桿姿態(tài)，當(dāng)進(jìn)行輔助滑雪訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練者自身帶動(dòng)踏板沿著導(dǎo)軌做有規(guī)律的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兩側(cè)設(shè)有兩根滑雪手杖采用球連接豎直放置，具有較高的靈活度，可多角度應(yīng)對(duì)身體保持的各種運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，在一定程度上也起到了支撐的作用[9].

(a)多維腳踏板機(jī)構(gòu)示意圖

(b)滑雪手杖機(jī)構(gòu)示意圖圖3 多維腳踏板機(jī)構(gòu)、滑雪手杖機(jī)構(gòu)示意圖

4 安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全防護(hù)系統(tǒng)主要包括周圍式護(hù)欄如圖4(a)所示，和背心穿戴式結(jié)構(gòu)吊護(hù)[10]如圖4(b)所示，兩部分，周圍式護(hù)欄有效地防止了訓(xùn)練者與地面的碰撞，使人免受傷害；吊護(hù)采用背心式穿戴設(shè)計(jì)，吊護(hù)底端連接在防護(hù)背心上，另一端與屋頂相連，吊護(hù)的設(shè)計(jì)有效地防止了訓(xùn)練者與地面的碰撞.

(a)周圍式護(hù)欄示意圖

(b)背心穿戴式吊護(hù)示意圖圖4 安全防護(hù)系統(tǒng)示意圖

5 基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括虛擬模擬系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)3部分，訓(xùn)練器在工作時(shí)訓(xùn)練者頭戴VR頭顯設(shè)備，身穿背心穿戴式吊護(hù)，雙腳踩在多維腳踏板機(jī)構(gòu)的滑雪鞋固定裝置上，雙手把持滑雪手杖機(jī)構(gòu)，虛擬主機(jī)會(huì)根據(jù)VR頭顯設(shè)備的畫面來匹配出與之對(duì)應(yīng)的各個(gè)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，訓(xùn)練者根據(jù)VR頭顯設(shè)備出現(xiàn)的場(chǎng)景畫面來控制身體進(jìn)行姿態(tài)模擬訓(xùn)練，以此來提高訓(xùn)練者的滑雪技巧，訓(xùn)練器外側(cè)設(shè)有周圍式護(hù)欄，與背心穿戴式吊護(hù)配合保證訓(xùn)練者使用過程中的安全.

圖5 基于VR的滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器整體結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)滑雪姿態(tài)訓(xùn)練模擬器，將VR技術(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，設(shè)有多種滑雪訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，與現(xiàn)有的滑雪訓(xùn)練裝置相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)采用多組彈簧和球連接設(shè)計(jì)的滑雪手杖，能夠最大程度模擬滑雪過程；

(2)獨(dú)立的多維腳踏板設(shè)計(jì)，能夠模擬滑雪運(yùn)動(dòng)過程中的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；

(3)結(jié)合VR技術(shù)，將虛擬場(chǎng)景與姿態(tài)模擬結(jié)合，增加滑雪運(yùn)動(dòng)真實(shí)感.

(4)建立VR與多維踏板之間的通信，提升訓(xùn)練者對(duì)俯沖、避障等技巧的體驗(yàn).