基于VR的滑雪姿態訓練模擬器設計

李艷龍，陳 雪，徐朝陽，楊 虎，陳楊楊，夏儒銳，王名揚

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

滑雪是很受歡迎的冬季運動項目[1]，傳統的滑雪運動基于戶外滑雪場中進行，極易受到場地、氣候、環境等因素影響，滑雪運動對運動員身體素質與運動技巧要求較高，為擺脫場地對滑雪運動的約束、實現初學者的快速入門和對滑雪過程的模擬，設計了一種基于VR系統的室內滑雪姿態訓練模擬器，訓練器體積小巧、功能多樣，可用于初學者快速入門及運動員水平提升訓練.

目前市場上出現了相關的滑雪訓練模擬裝置[2]，但大多數裝置僅由機械結構組成，運動員只能單純訓練肢體動作，在使用時無法與場景結合，需要憑空想象訓練畫面，訓練效果也不理想.VR又稱虛擬傳感技術，能夠將現實與虛擬場景結合，是一個充滿活力、具有巨大應用前景的高新技術領域[3]，將此技術運用到滑雪訓練器上，運動員在訓練時能夠將訓練動作與虛擬場景進行結合，對運動員運動水平的提升、肢體動作的完善具有重大意義，同時也能夠解決目前訓練器單方面訓練肢體動作的弊端.

1 基于VR的滑雪姿態訓練模擬器方案設計

基于VR的滑雪姿態訓練模擬器主要包括虛擬模擬系統、運動訓練系統和安全防護系統3部分，虛擬模擬系統相當于裝置的“大腦”，用于控制運動訓練系統中各個機構的工作以及調節VR系統的虛擬現實情景交融；運動訓練系統由轉向停止機構、循環往復機構、多維腳踏板機構和滑雪手杖機構共同組成；安全防護系統包括穿戴式吊護裝置和防護欄，用于保證訓練者的安全.滑雪訓練器在工作時，訓練者雙腳踩在多維腳踏板機構的滑雪鞋固定裝置上，頭上戴有VR頭顯設備，雙手握著滑雪手杖，在訓練器上訓練滑雪肢體動作，虛擬模擬系統中的傳感器將采集信號反饋給VR頭顯設備，訓練者在頭顯設備里觀察運動場景變化以實時了解運動狀態[4].

2 虛擬模擬系統設計

虛擬模擬系統包括VR頭顯設備、虛擬主機、傳感器及控制模塊4部分，訓練器在工作時，由頭顯設備傳出滑雪影像資料，訓練器的虛擬主機來識別滑雪影像中涉及的運動場景，并計算出一套訓練器運動指令來控制運動訓練系統開始運動，與此同時，訓練者控制滑雪手杖做出相應的肢體動作來保持平衡，訓練器上的傳感器采集訓練者肢體的位置姿態數據并將數據通過藍牙傳輸到虛擬主機，虛擬主機與模擬場景中的模擬人體模型進行關聯，之后虛擬主機立即進行復雜的運算，根據訓練者肢體位置的變化，將變化之后相應的精確滑雪場景信息反向傳給VR頭顯設備，使訓練者產生臨場感[5].

圖1 虛擬模擬系統工作流程圖

3 運動訓練系統設計

運動訓練系統包括用于模擬滑雪運動急停動作的轉向停止機構、模擬滑雪運動行進動作的循環往復機構、模擬滑雪靴作用的多維腳踏板機構以及滑雪手杖機構組成，4種機構相輔相成，在虛擬主機作用下共同實現滑雪運動的模擬.

3.1 轉向停止機構設計

轉向停止機構如圖2(a)所示，包括圓形底盤、皮帶、步進電機、基座以及防撞裝置，訓練器在工作時由步進電機進行驅動，以帶傳動的形式傳動，使圓形底盤及以上部件與基座發生相對轉動.當訓練者頭戴的VR頭顯設備出現急停畫面時，訓練器在虛擬主機的控制下啟動電動機，電動機帶動上層機構繞基座轉動，轉動至一定的度數，基座與上層機構中圓形底盤間的防撞裝置碰觸，此處的傳感器接收信號并反饋給虛擬主機，控制訓練器停止工作，完成訓練者滑雪姿態的迅速調整，實現急停運動模擬訓練[6].為減少碰撞和轉向的停止，基座和圓形底盤間加入了彈簧進行緩沖，并設立防撞裝置進行安全保護.

步進電機所需功率計算公式如下：

P=Fvη1η2/1000，

(1)

式中：P為電機功率(kW)；F為訓練器工作負載(N)；v為訓練器轉向速度(m/s)；η1為帶傳動的工作效率(%),η2為工作裝置的傳動效率(%).

步進電機所需轉速計算公式如下：

n=60×1000vi/πD，

(2)

式中：n為步進電機轉速(r/min)；v為訓練器轉向速度；i為帶傳動傳動比；D為訓練器轉軸直徑；

步進電機是本機構動力來源，可根據所求得功率及轉速對步進電機型號進行選擇.

3.2 循環往復機構設計

循環往復機構設計見圖2.

(a)轉向停止機構示意圖

(b) 循環往復機構示意圖圖2 轉向停止機構、循環往復機構示意圖

循環往復機構如圖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現支撐底板的循環擺動，為訓練者的左右運動提供動力，讓上層的踏板沿滑道運動，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，當訓練器在工作時，訓練者根據VR頭顯設備出現的畫面來控制身體的左右擺動，拉伸高柔性帶使其不斷伸縮來保證踏板及訓練者沿著滑道左右擺動[7]，以此來模擬滑雪者行進時轉彎的動作，提升訓練者對身體平衡的掌控能力.

3.3 多維腳踏板機構設計

多維腳踏板機構如圖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，此機構模擬雪板裝卡和滑雪過程中腳下的各種動作，支撐軸上設置有角度傳感器，滑雪鞋固定裝置發生角度變化時傳給虛擬主機，再由虛擬主機計算好的畫面傳遞給VR頭顯設備，使訓練者觀察出腳踏板角度變化[8].腳踏板的前后移動和角度的變化由支撐軸和彈簧實現，雪板的整體擺動靠頂層底板的軸轉動完成，緩沖彈簧起到限位和緩沖作用.

3.4 滑雪手杖機構設計

滑雪手杖機構如圖3(b)所示，包括角度傳感器、滑雪桿、滑雪軌道及彈簧，用于模擬實地運動時的滑桿姿態，當進行輔助滑雪訓練時，訓練者自身帶動踏板沿著導軌做有規律的往復循環運動，同時兩側設有兩根滑雪手杖采用球連接豎直放置，具有較高的靈活度，可多角度應對身體保持的各種運動姿勢，在一定程度上也起到了支撐的作用[9].

(a)多維腳踏板機構示意圖

(b)滑雪手杖機構示意圖圖3 多維腳踏板機構、滑雪手杖機構示意圖

4 安全防護系統設計

安全防護系統主要包括周圍式護欄如圖4(a)所示，和背心穿戴式結構吊護[10]如圖4(b)所示，兩部分，周圍式護欄有效地防止了訓練者與地面的碰撞，使人免受傷害；吊護采用背心式穿戴設計，吊護底端連接在防護背心上，另一端與屋頂相連，吊護的設計有效地防止了訓練者與地面的碰撞.

(a)周圍式護欄示意圖

(b)背心穿戴式吊護示意圖圖4 安全防護系統示意圖

5 基于VR的滑雪姿態訓練模擬器整體結構設計

基于VR的滑雪姿態訓練模擬器整體結構如圖5所示，主要包括虛擬模擬系統、運動訓練系統和安全防護系統3部分，訓練器在工作時訓練者頭戴VR頭顯設備，身穿背心穿戴式吊護，雙腳踩在多維腳踏板機構的滑雪鞋固定裝置上，雙手把持滑雪手杖機構，虛擬主機會根據VR頭顯設備的畫面來匹配出與之對應的各個訓練機構的運動，訓練者根據VR頭顯設備出現的場景畫面來控制身體進行姿態模擬訓練，以此來提高訓練者的滑雪技巧，訓練器外側設有周圍式護欄，與背心穿戴式吊護配合保證訓練者使用過程中的安全.

圖5 基于VR的滑雪姿態訓練模擬器整體結構圖

6 結 論

設計了一種室內滑雪姿態訓練模擬器，將VR技術與機械結構有機結合，設有多種滑雪訓練機構，與現有的滑雪訓練裝置相比，主要優點在于：

(1)采用多組彈簧和球連接設計的滑雪手杖，能夠最大程度模擬滑雪過程；

(2)獨立的多維腳踏板設計，能夠模擬滑雪運動過程中的各種運動姿態；

(3)結合VR技術，將虛擬場景與姿態模擬結合，增加滑雪運動真實感.

(4)建立VR與多維踏板之間的通信，提升訓練者對俯沖、避障等技巧的體驗.