混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法

技术领域

本发明属于滑雪运动机械技术领域，特别涉及一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法。

背景技术

由于滑雪场地的要求条件苛刻，且受地域、温度等条件限制，使得滑雪场地较少，很难找到一个合适的滑雪场地去运动；而且一些滑雪场地对滑雪技术要求比较高，在滑雪过程中对技术和安全性均提出更高要求。

滑雪模拟器的出现可以在不受天气条件的影响下随时实现室内滑雪运动，目前滑雪模拟器在运动模拟上都存在一定的局限性，例如，部分滑雪模拟器进行回转训练时，只能进行简单的往复运动，无法实现回转，未能模拟出滑雪时的转向运动。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法，可以实现滑雪板三个方向的移动和转动，能够模拟真实滑雪的情况，滑雪模拟器通过滑雪板的角度控制水平滑轨的左右移动和以及旋转平台的回转动作，并由六自由度并联平台模拟滑雪场地地形变化，同时滑雪模拟器采用模型预测控制算法，能够更好地用于模拟滑雪中持续加速度的信号，完成滑雪动作的模拟。

本发明采用的技术方案是一种混联机构单板滑雪训练模拟器，其包括六自由度并联平台、运动框架、平移滑轨、旋转平台、滑雪板和控制器，所述六自由度并联平台底部设有所述控制器，且所述运动框架设于所述六自由度并联平台上，所述运动框架的四周设有防护栏，且所述防护栏的一侧设有观影屏幕，所述平移滑轨设于所述运动框架上，且所述平移滑轨中直线模组行程的中心点与所述六自由度并联平台中动平台的中心点位于同一垂线上，所述平移滑轨包括伺服电机、减速机、直线模组、辅助导轨和移动滑台，所述直线模组和辅助导轨均设于所述运动框架上，且所述辅助导轨位于所述直线模组的一侧，所述移动滑台第一端的底部设有移动滑块，且所述移动滑块与所述辅助导轨滑动连接，所述移动滑台的第二端设于所述直线模组上，且所述伺服电机通过减速机与所述直线模组连接，所述伺服电机通过驱动所述直线模组能带动所述移动滑台沿所述直线模组直线往复运动；所述旋转平台设于所述移动滑台上，且所述旋转平台上设有所述滑雪板，所述滑雪板包括支撑板、止动挡块、扭转弹簧、踏板、止动垫片、压力传感器和倾角传感器，所述支撑板底部与所述旋转平台连接，且所述支撑板的两侧对称设有支撑座，所述踏板上设有用于固定的固定器，且所述踏板底部的两端对称设有支撑杆，所述踏板设于所述支撑板上方，所述支撑杆的一端通过轴承支撑于所述支撑座上，所述支撑板上设有第一固定支架，且所述第一固定支架位于所述支撑座的外侧，所述支撑座的上端设有第二固定支架，所述扭转弹簧设于所述支撑杆上，且所述扭转弹簧的第一端与所述第一固定支架连接，所述扭转弹簧的第二端与所述第二固定支架连接，所述踏板的两侧对称设有止动垫片，且所述支撑板上设有与所述止动垫片相对应的止动挡块，所述压力传感器以及倾角传感器均设于所述踏板上，且所述倾角传感器位于所述踏板的前端。

进一步地，所述控制器包括环境控制模块、体感模拟算法模块和视觉提示控制模块，所述环境控制模块能控制所述平移滑轨以及旋转平台动作，用模拟滑雪时所述滑雪板的侧向运动、回转运动以及前进运动，且所述体感模拟算法模块能控制所述六自由度并联平台、平移滑轨以及旋转平台动作，用于模拟不同的虚拟滑雪场景的地形变化，所述视觉提示控制模块能将选定虚拟滑雪场景的地形参数和所述六自由度并联平台、平移滑轨以及旋转平台的运动参数实时传输至虚拟滑雪场景中，并控制虚拟滑雪场景中滑雪板的运动，将所述滑雪板的位姿与虚拟滑雪场景进行同步，且通过所述观影屏幕实时显示。

优选地，所述踏板的左、右倾斜角度范围为-25°～25°。

本发明的第二方面，提供一种针对前述混联机构单板滑雪训练模拟器的操作方法，其包括以下步骤：

S1、启动所述六自由度并联平台、平移滑轨以及旋转平台，依次将所述六自由度并联平台调整至初始位置，所述滑雪板调整至所述平移滑轨的中间位置，且所述滑雪板上倾角传感器以及压力传感器的数值均恢复至零位，此时穿戴好滑雪鞋并将所述滑雪鞋通过固定器固定在所述踏板上；

S2、打开所述控制器和观影屏幕，根据模拟训练需求选择合适的虚拟滑雪场景，同时对所述控制器中的各项控制参数进行校正，此时启动滑行按钮，所述滑雪板在接收指令后开始滑行，并将滑行中各项运动数据实时传输至所述控制器中；

S3、在滑行过程中，通过所述踏板上的压力传感器测得前、后脚底处的压力差值数据，并将压力差值数据实时传输至所述控制器，用于模拟所述踏板入雪一定深度时，所述踏板与滑雪场地之间的摩擦力；

S4、在滑行过程中，通过腿部控制所述踏板的倾斜角度模拟滑雪时所述踏板的立刃角度，并将通过所述倾角传感器测得的倾斜角度数据实时传输至所述控制器，且所述控制器将数据转换为运动控制信号后输送至所述伺服电机以及旋转平台电机中，进而控制所述滑雪板进行侧向运动、回转运动以及前进运动；

S5、所述控制器通过选定的虚拟滑雪场景地形数据，控制所述六自由度并联平台运动用于模拟滑雪时的地形变化，并将所述倾角传感器和压力传感器所测得的数据实时传输至所述控制器，所述控制器将数据转换为运动控制信号后，并经过体感模拟算法求解，将获得的运动控制参数反馈至所述六自由度并联平台、平移滑轨以及旋转平台的驱动控制器中，进行模拟滑雪训练；

S6、所述控制器根据选定虚拟滑雪场景的地形参数和所述六自由度并联平台、平移滑轨以及旋转平台的运动参数实时传输至虚拟滑雪场景中，并控制虚拟滑雪场景中滑雪板的运动，将所述滑雪板的位姿与虚拟滑雪场景进行同步，且通过所述观影屏幕实时显示。

进一步地，步骤S3中，所述踏板与滑雪场地之间的摩擦力具体为：

f

式中，f

优选地，步骤S4中，所述踏板做回转运动时的瞬时回转半径具体为：

r＝Rcosα

式中，r表示瞬时回转半径；R表示滑雪板的侧切半径；α为立刃角度。

进一步地，步骤S4中，对所述踏板做侧向运动时运动控制信号的求解，具体包括以下步骤：

S41、以所述滑雪板组成的系统为研究对象，建立动坐标系，对整体进行受力分析能获得：

式中，N为地面对人体的支持力；m为人体的重力；g为重力加速度；θ为地面坡度；F

S42、对上式进行联立求解，能获得所述踏板所在动坐标系在前进方向x、侧向方向y和沿踏板垂直方向z所受的分力，解得所述踏板各方向的力输入信号分别为：

所述踏板各方向的加速度输入信号为：

所述踏板各方向的角加速度输入信号为：

式中，根据踏板转动时的所受的向心力F

进一步地，步骤S5中，所述体感模拟算法采用MPC模型预测控制模拟算法，所述体感模拟算法通过给定的输入参数信号控制滑雪训练模拟器运动，且所述体感模拟算法能根据所述滑雪板不同姿态模式搭建预测模型控制体感模拟算法，具体包括以下步骤：

S51、搭建不同姿态模式下的MPC模型预测控制系统，将经过坐标转换的加速度和角速度信号经过前庭系统构建状态空间方程，进而搭建MPC控制系统，实现加速度以及角速度信号的模拟；

S52、建立前进方向的滑雪模型，将虚拟滑雪场景任务位姿信息实时输入到滑雪模型中，并分别将得到的加速度信号经位姿矩阵L

式中，其中c表示cos，s表示sin，由于滑雪过程中的倾斜角由α近似模拟，故

S53、通过所述环境控制模块传入的纵向以及侧向加速度信号a和角速度w分别经过变换矩阵L

式中，k为增益；τ

由于垂直方向的加速度信号无法用重力加速度的分量进行模拟持续加速度信号，因此垂直方向的加速度经耳石模型后构建的传递函数为：

角加速度经半规管模型后构建的传递函数为：

式中，w为前庭系统处某方向输入的惯性坐标系下的角速度信号；

S54、由于在模拟持续加速度运动感觉时产生

优选地，在滑行过程中，所述滑雪板不同姿态模式包括四种模式，所述四种模式分别为纵向模式、侧向模式、上下模式和回转模式。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法，采用六自由度并联平台与平移滑轨以及旋转平台的组合方式构建新型机构，相较以往的滑雪模拟器，能通过滑雪板主动控制旋转平台转动，更真实的模拟滑雪回转动作。

2、本发明提供的一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法，将模型预测控制算法应用于模拟滑雪的混联滑雪模拟器中，可以在模型预测算法中添加约束，充分利用滑雪模拟器的运动空间，完成滑雪动作的模拟体验。

3、本发明提供的一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法，相较于以往的算法，加入了前庭系统模型，且能够添加人体感知阈值为约束条件构建模型预测控制算法，更好地用于模拟滑雪中持续加速度的信号体验。

4、本发明提供的一种混联机构单板滑雪训练模拟器及其操作方法，能够选择初级和高级两种模式，即初级模式采用虚拟滑雪者视角左右转动，旋转平台固定不动的模式；高级模式虚拟滑雪者视角跟随滑雪者左右转动，旋转平台转动的模式，能够更好满足从低阶到高阶的训练过程。

附图说明

图1是本发明混联机构单板滑雪训练模拟器的整体结构示意图；

图2是本发明平移滑轨、旋转平台以及滑雪板的安装结构示意图；

图3是本发明平移滑轨的结构示意图；

图4是本发明滑雪板的结构示意图；

图5是本发明控制器控制系统模块示意图；

图6是本发明在滑行过程中踏板的受力分析示意图；

图7是本发明所使用的模型预测控制算法流程图；

图8是本发明所用的前庭系统控制原理图。

主要附图标记：

六自由度并联平台1；平移滑轨2；伺服电机21；减速机22；直线模组23；辅助导轨24；移动滑台25；移动滑块26；旋转平台3；滑雪板4；支撑板41；止动挡块42；扭转弹簧43；踏板44；止动垫片45；轴承46；第二固定支架47；压力传感器48；倾角传感器49；第一固定支架410；支撑座411；支撑杆412；控制器5；运动框架6；防护栏7；观影屏幕8。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种混联机构单板滑雪训练模拟器，如图1和图2所示，其包括六自由度并联平台1、运动框架6、平移滑轨2、旋转平台3、滑雪板4和控制器5，六自由度并联平台1底部设有控制器5，且运动框架6设于六自由度并联平台1上，运动框架6的四周设有防护栏7，且防护栏7的一侧设有观影屏幕8，平移滑轨2设于运动框架6上，且平移滑轨2中直线模组23行程的中心点与六自由度并联平台1中动平台的中心点位于同一垂线上，其中六自由度并联平台1通过控制器5中的体感模拟算法控制6个伸缩缸的运动，六自由度并联平台1在在模拟滑雪运动时地形条件外，通过MPC体感算法模拟坡面纵向持续的加速度，以及垂直方向由于滑雪滑雪者重心变化引起的加速度，通过伺服电机控制伸缩缸，使六自由度并联平台1实时转动到目标姿态，提升滑雪运动员的滑雪感受。

如图3所示，平移滑轨2包括伺服电机21、减速机22、直线模组23、辅助导轨24和移动滑台25，直线模组23和辅助导轨24均设于运动框架6上，且辅助导轨24位于直线模组23的一侧，移动滑台25第一端的底部设有移动滑块26，且移动滑块26与辅助导轨24滑动连接，辅助导轨24用于增加移动滑台25移动时的平稳性，减少振动，移动滑台25的第二端设于直线模组23上，且伺服电机21通过减速机22与直线模组23连接，其中直线模组23通过皮带与减速机22相连，用于增大移动滑台25移动时所需的扭矩，伺服电机21通过驱动直线模组23能带动移动滑台25沿直线模组23直线往复运动。

如图2和图3所示，旋转平台3包括伺服电机和蜗轮蜗杆旋转台，旋转平台3的底部固定在移动滑台25上，与移动滑台25初始安装在同一水平面上，可实现±90°的偏转，通过滑雪板4的立刃角度控制滑雪者转弯时的向心力，控制滑雪者的转向，再通过体感模拟算法控制蜗轮蜗杆旋转台的运动，通过滑雪虚拟场景的场地实现转向效果。

如图4所示，旋转平台3上设有滑雪板4，滑雪板4包括支撑板41、止动挡块42、扭转弹簧43、踏板44、止动垫片45、压力传感器48和倾角传感器49，支撑板41底部与旋转平台3连接，且支撑板41的两侧对称设有支撑座411，踏板44上设有用于固定的固定器，且踏板44底部的两端对称设有支撑杆412，踏板44设于支撑板41上方，支撑杆412的一端通过轴承46支撑于支撑座411上，支撑板41上设有第一固定支架410，且第一固定支架410位于支撑座411的外侧，支撑座411的上端设有第二固定支架47，扭转弹簧43设于支撑杆412上，且扭转弹簧43的第一端与第一固定支架410连接，扭转弹簧43的第二端与第二固定支架47连接，扭转弹簧43可以给踏板44一个初始阻尼，用于平稳滑雪板4，实现踏板44双向的初始扭矩，踏板44的两侧对称设有止动垫片45，且支撑板41上设有与止动垫片45相对应的止动挡块42，止动挡块42和止动垫片45可以对踏板44止动，使得踏板44的左、右倾斜角度范围为±25°，可以对滑雪者滑雪时起到一定保护作用，压力传感器48以及倾角传感器49均设于踏板44上，且倾角传感器49位于踏板44的前端，用于及时测量滑雪过程中滑雪者对踏板44板面的压力，反馈给控制系统调整前进方向的速度。

如图5所示，控制器5包括环境控制模块、体感模拟算法模块和视觉提示控制模块，环境控制模块能控制平移滑轨2以及旋转平3台动作，用模拟滑雪时滑雪板4的侧向运动、回转运动以及前进运动，且体感模拟算法模块能控制六自由度并联平台1、平移滑轨2以及旋转平台3动作，用于模拟不同的虚拟滑雪场景的地形变化，视觉提示控制模块能将选定虚拟滑雪场景的地形参数和六自由度并联平台1、平移滑轨2以及旋转平台3的运动参数实时传输至虚拟滑雪场景中，并控制虚拟滑雪场景中滑雪板4的运动，将滑雪板4的位姿与虚拟滑雪场景进行同步，且通过观影屏幕8实时显示，以增强实时训练体验感。

本发明的第二方面，提供一种混联机构单板滑雪训练模拟器的操作方法，如图6～图8所示，其包括以下步骤：

S1、启动六自由度并联平台1、平移滑轨2以及旋转平台3，依次将六自由度并联平台1调整至初始位置，滑雪板4调整至平移滑轨2的中间位置，且滑雪板4上倾角传感器49以及压力传感器48的数值均恢复至零位，此时穿戴好滑雪鞋并将滑雪鞋通过固定器固定在踏板44上，固定器前脚调整在0～30°之间，后脚固定器调整为0～18°之间，可根据需求合理调整；

S2、打开控制器5和观影屏幕8，根据模拟训练需求选择合适的虚拟滑雪场景，同时对控制器5中的各项控制参数进行校正，此时启动滑行按钮，滑雪板4在接收指令后开始滑行，并将滑行中各项运动数据实时传输至控制器5中；

S3、在滑行过程中，通过踏板44上的压力传感器48测得前、后脚底处的压力差值数据，并将压力差值数据实时传输至控制器5，用于模拟踏板44入雪一定深度时，踏板44与滑雪场地之间的摩擦力；

S4、在滑行过程中，通过腿部控制踏板44的倾斜角度模拟滑雪时踏板44的立刃角度，并将通过倾角传感器49测得的倾斜角度数据实时传输至控制器5，且控制器5将数据转换为运动控制信号后输送至伺服电机21以及旋转平台3的电机中，进而控制滑雪板44进行侧向运动、回转运动以及前进运动；

S5、控制器4通过选定的虚拟滑雪场景地形数据，控制六自由度并联平台1运动用于模拟滑雪时的地形变化，并将倾角传感器49和压力传感器48所测得的数据实时传输至控制器5，控制器5将数据转换为运动控制信号后，并经过体感模拟算法求解，将获得的运动控制参数反馈至六自由度并联平台1、平移滑轨2以及旋转平台3的驱动控制器中，进行模拟滑雪训练；

S6、控制器5根据选定虚拟滑雪场景的地形参数和六自由度并联平台1、平移滑轨2以及旋转平台3的运动参数实时传输至虚拟滑雪场景中，并控制虚拟滑雪场景中滑雪板4的运动，将滑雪板4的位姿与虚拟滑雪场景进行同步，且通过观影屏幕8实时显示。

具体的，步骤S3中，环境控制模块通过压力传感器48传入压力数据，模拟滑雪板的入雪深度，以此模拟踏板44与滑雪场地之间的摩擦力，实现滑雪者在滑雪过程中的加减速运动。滑雪过程中的摩擦力简化为：

f

式中，f

控制器4的运动参数，主要是由地形及压力传感器48和倾角传感器49得出，为控制滑雪运动员在滑雪模拟场景的运动参数，模拟其真实滑雪。

具体的，步骤S4中，踏板44在真实滑雪过程中，受到滑雪板边刃的侧切半径影响其回转，踏板44做回转运动时的瞬时回转半径具体为：

r＝Rcosα

式中，r表示瞬时回转半径；R表示滑雪板的侧切半径；α为立刃角度。

具体的，本发明通过滑雪者控制踏板44倾斜角作为主动输入，用其角度作为控制踏板44在观影屏幕8上的回转动作以及侧向运动，由于在坡面上滑行，完美立刃才能使速度方向跟板头朝向一致，根据倾角传感器49和压力传感器48的数据，控制虚拟场景中人物滑雪模型，步骤S4中，对踏板44做侧向运动时运动控制信号的求解，具体包括以下步骤：

S41、以滑雪板4组成的系统为研究对象，建立动坐标系，对整体进行受力分析能获得：

式中，N为地面对人体的支持力；m为人体的重力；g为重力加速度；θ为地面坡度；F

S42、对上式进行联立求解，能获得踏板44所在动坐标系在前进方向x、侧向方向y和沿踏板垂直方向z所受的分力，解得踏板44各方向的力输入信号分别为：

踏板44各方向的加速度输入信号为：

踏板44各方向的角加速度输入信号为：

式中，根据踏板转动时的所受的向心力F

根据求解结果，可以得出加速度信号a

具体的，步骤S5中，体感模拟算法采用MPC模型预测控制模拟算法，体感模拟算法通过给定的输入参数信号控制滑雪训练模拟器运动，且体感模拟算法能根据滑雪板4不同姿态模式搭建预测模型控制体感模拟算法，如图7和图8所示，具体包括以下步骤：

S51、搭建不同姿态模式下的MPC模型预测控制系统，由于人体运动的加速度及角速度信号是通过前庭系统的耳石和半规管模型感知的，可根据前庭系统无法分辨线性加速度是由真实的运动引起的还是有重力引起的这一特性，用来模拟滑雪模拟器的持续加速度感觉，由于前庭系统所接收的信号是在惯性坐标系下的信号，前面推导出的加速度及角速度信号是踏板动坐标系下的信号，故将经过坐标转换的加速度和角速度信号经过前庭系统构建状态空间方程，进而搭建MPC控制系统，实现加速度以及角速度信号的模拟；

S52、建立前进方向的滑雪模型，将虚拟滑雪场景任务位姿信息实时输入到滑雪模型中，并分别将得到的加速度信号经位姿矩阵L

式中，其中c表示cos，s表示sin，由于滑雪过程中的倾斜角由α近似模拟，故

S53、通过环境控制模块传入的纵向以及侧向加速度信号a和角速度w分别经过变换矩阵L

式中，k为增益；τ

由于垂直方向的加速度信号无法用重力加速度的分量进行模拟持续加速度信号，因此垂直方向的加速度经耳石模型后构建的传递函数为：

角加速度经半规管模型后构建的传递函数为：

式中，w为前庭系统处某方向输入的惯性坐标系下的角速度信号；

S54、由于在模拟持续加速度运动感觉时产生

具体的，在滑行过程中，滑雪板4不同姿态模式包括四种模式，四种模式分别为纵向模式、侧向模式、上下模式和回转模式，其运动模式为：纵向运动包括主要实现踏板44的纵向移动和前后俯仰；侧向运动是在平移滑轨2上实现左右移动，侧向运动为模拟滑雪者在回转时的左右移动，经控制器5控制电机转动实现往复运动；上下模式运动用于滑雪者在模拟滑雪时的上下坡，由六自由度并联平台1的上下运动实现；回转模式运动用于模拟回转动作，由伺服电机控制旋转平台3转动实现。其中各种不同模式时，耳石模型参数以及半规管模型参数具体如下表：

具体的，体感模拟算法可以通过添加状态约束对运动模型进行限制，本发明以六自由度并联平台杆长伸缩量、平移滑轨滑台的位移量和旋转台的旋转角度为约束，搭建MPC控制系统。

本发明通过搭建的平移滑轨和旋转台，可以更好地模拟真实滑雪的感受，在模拟滑雪过程中，还可满足立刃推坡、落叶飘等一系列高难度技术动作，对滑雪运动员的滑雪体验效果更好。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。