一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行器及其模擬方法
【專利摘要】本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于虛擬現(xiàn)實(shí)的步行模擬器及其模擬方法，該步行模擬器包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和模擬面板，其中，所述模擬面板布置在所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于同步模擬面板上的運(yùn)動(dòng)軌跡，和模擬面板的行進(jìn)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述模擬面板用于采樣面板上腳步的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)，反饋給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行器及其模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，更具體地，涉及一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行器及其模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)模擬步行設(shè)備大致分為跑步式和踏步式兩個(gè)分類，目前二者通常只有一個(gè)行進(jìn)方向，不具有全方位的步行模擬，并不適合在虛擬環(huán)境下采集步行數(shù)據(jù)信息以供使用。
[0003]近年來(lái)出現(xiàn)了一類360度全方向的模擬步行器，以美國(guó)Virtuix公司出品VirtuixOmni為代表。Omni是Virtuix公司開(kāi)發(fā)的一款全方位跑步模擬設(shè)備，相對(duì)于普通跑步設(shè)備主要體現(xiàn)速率和距離這兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)，而Omni在這基礎(chǔ)之上，加入了方位這一因素，讓用戶可以自由地在Omni上轉(zhuǎn)向，朝任一個(gè)方向前進(jìn)。
[0004]Omni不采用傳統(tǒng)的輸送帶式跑步機(jī)結(jié)構(gòu)，取而代之一個(gè)光滑、傾斜的表面，當(dāng)玩家向前走的時(shí)候，就會(huì)滑下來(lái)。基本實(shí)現(xiàn)原理是用戶穿著一種特制的鞋子，通過(guò)某些傳感器與特定面的摩擦來(lái)模擬步行。由于是摩擦接觸方式，基本沒(méi)有虛擬行走的感受，所以是擬真度最低的一種設(shè)備。
[0005]另外，還有一種新型360度模擬步行設(shè)備，使用機(jī)械滾輪結(jié)構(gòu)，不需要特制的鞋子，使用很方便。但此類設(shè)備由于腳與模擬地面的接觸點(diǎn)為每個(gè)滾輪外圈的一個(gè)點(diǎn)，沒(méi)有地面行走的感受，需要用戶特別注意行走的位置和落腳的方式，不同于普通的行走方式，使得同樣沒(méi)有很高的擬真度。
[0006]以上兩種設(shè)備在信息采集的過(guò)程中，由于是摩擦或壓感識(shí)別，所以其并不具備連續(xù)性，不能識(shí)別運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的腳步位置和移動(dòng)速度，這就決定了這類設(shè)備開(kāi)發(fā)與使用都不方便，擬真度很低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行器及其模擬方法。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的步行模擬器，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和模擬面板，其中，所述模擬面板布置在所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于同步模擬面板上的運(yùn)動(dòng)軌跡，和模擬面板的行進(jìn)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述模擬面板用于采樣面板上腳步的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)，反饋給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行方法，包括:步驟1，基于模擬面板上的超聲波定位傳感器，獲取面板上用戶的步行速度、位置、方向；步驟2，確定腳部的方位、速度并且基于內(nèi)置姿態(tài)數(shù)據(jù)，確定腳部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息；步驟3，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息，控制皮帶傳動(dòng)速度和傳動(dòng)位置，使得和腳部運(yùn)動(dòng)、感知神經(jīng)同步；步驟4，同時(shí)，控制皮帶帶動(dòng)面板向腳部運(yùn)動(dòng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，限制人體位置的絕對(duì)移動(dòng)。
[0010]本發(fā)明的步行器(VRGate-Walker)由于數(shù)據(jù)采集方面應(yīng)用多個(gè)非接觸式的超聲定位傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，保證了步行數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，由此應(yīng)用可以拓展到醫(yī)療、健康、教學(xué)等更多的方面。
[0011]本給明的步行器(VRGate-Walker)改變了【背景技術(shù)】中所述的兩類設(shè)備的接觸方式，改摩擦和點(diǎn)接觸為面接觸，更加接近人行走的真實(shí)感受，大大提高了擬真度。
[0012]由于本發(fā)明的步行器采用非接觸式的超聲波定位傳感器，用戶不需要穿特殊的鞋子，穿鞋、穿襪和光腳均可識(shí)別，即可直接使用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為根據(jù)本發(fā)明的模擬步行器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為根據(jù)本發(fā)明的模擬方法的基本流程圖。
[0015]為了能明確實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在圖中標(biāo)注了特定的尺寸、結(jié)構(gòu)和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定尺寸、結(jié)構(gòu)、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將這些器件和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整或者修改，所進(jìn)行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權(quán)利要求的范圍中。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行器進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0017]在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個(gè)不同的方面，然而，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結(jié)構(gòu)或者流程來(lái)實(shí)施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對(duì)于一些眾所周知的特征將不再進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0018]本發(fā)明提供模擬步行器(VRGate-Walker)是一種應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的模擬步行器，它具備模擬行走數(shù)據(jù)采集和限制人體位置移動(dòng)兩個(gè)功能，并且可以消除由于視神經(jīng)和人體感知神經(jīng)不同步所造成的眩暈。
[0019]如圖1所示，其中，VRGate-Walker也是一種360度全方位的步行模擬器，使用同步皮帶接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式模擬行走，代替了摩擦和滾輪接觸模擬行走方式。由于采用面接觸，大大提高了模擬步行的擬真度。數(shù)據(jù)采集方面，應(yīng)用多個(gè)非接觸式的超聲定位傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，保證了步行數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，也為未來(lái)更多的應(yīng)用方向奠定了基礎(chǔ)。
[0020]其中，本申請(qǐng)的步行模擬器包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和模擬面板，模擬面板布置在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于同步模擬面板上的運(yùn)動(dòng)軌跡，和模擬面板的行進(jìn)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)；模擬面板用于采樣面板上腳步的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0021]其中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括同步皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，同步皮帶布置在滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上，皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)包括沿皮帶方向的滾軸和垂直于皮帶方向的豎向旋轉(zhuǎn)軸，以使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以360度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)模擬面板進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)，從而保證模擬步行器在方向上的全面模擬程度。
[0022]其中，模擬面板上包括多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)布設(shè)多個(gè)超聲定位傳感器，面向面板中心，圍繞整個(gè)面板，形成超聲探測(cè)空間矩陣，對(duì)腳步動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣。通過(guò)采用非接觸式的超聲定位傳感器，可以不限制用戶使用何種腳步穿著。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行方法，其中，該方法包括:步驟1，基于模擬面板上的超聲波定位傳感器，獲取面板上用戶的步行速度、位置、方向；步驟2，確定腳部的方位、速度并且基于內(nèi)置姿態(tài)數(shù)據(jù)，確定腳部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息；步驟3，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息，控制皮帶傳動(dòng)速度和傳動(dòng)位置，使得和腳部運(yùn)動(dòng)、感知神經(jīng)同步；步驟4，同時(shí)，控制皮帶帶動(dòng)面板向腳部運(yùn)動(dòng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，限制人體位置的絕對(duì)移動(dòng)。
[0024]其中，步驟I中，模擬面板依靠?jī)?nèi)置的運(yùn)算模塊，對(duì)原始采集的腳部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和過(guò)濾，并計(jì)算出最終的腳部位置和運(yùn)動(dòng)速度信息，以確定腳部的位置及移動(dòng)速度。
[0025]其中，模擬面板上布設(shè)多個(gè)超聲定位傳感器，圍繞在平臺(tái)邊緣，面向平臺(tái)中心，形成超聲探測(cè)空間矩陣，對(duì)腳步動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣。
[0026]其中，步驟2中，通過(guò)模擬面板傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)照處理器中的模式數(shù)據(jù)，根據(jù)雙腳的位置、運(yùn)行速度和間隔時(shí)間等，通過(guò)內(nèi)置的姿態(tài)識(shí)別算法，將原始數(shù)據(jù)分解為腳部的行走、慢跑、跳躍等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后傳輸控制數(shù)據(jù)給VRGate-Walker。
[0027]進(jìn)一步，步驟2再根據(jù)狀態(tài)計(jì)算出馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)信息，控制皮帶傳動(dòng)速度和傳動(dòng)位置，使視神經(jīng)與人體運(yùn)動(dòng)感知神經(jīng)同步，達(dá)到消除視神經(jīng)和人體感知神經(jīng)不同步所造成的眩暈感。
[0028]其中，步驟4中，當(dāng)腳部向如運(yùn)動(dòng)并與皮帶接觸后，皮帶開(kāi)始向面板中;L1、傳動(dòng)，達(dá)到限制現(xiàn)實(shí)中人體位置移動(dòng)的目的，但允許用戶在小范圍內(nèi)移動(dòng)，這有助于消除身體的不適。
[0029]其中，步驟4中，皮帶的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括同步皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，同步皮帶布置在滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上，皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)包括沿皮帶方向的滾軸和垂直于皮帶方向的豎向旋轉(zhuǎn)軸，以使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以360度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)模擬面板進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)，從而保證模擬步行器在方向上的全面模擬程度。
[0030]最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的步行模擬器，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和模擬面板，其中，所述模擬面板布置在所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于同步模擬面板上的運(yùn)動(dòng)軌跡，和模擬面板的行進(jìn)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述模擬面板用于采樣面板上腳步的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)，反饋給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步行模擬器，其中，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括同步皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，同步皮帶布置在滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上，皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的步行模擬器，其中，所述滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)包括沿皮帶方向的滾軸和垂直于皮帶方向的豎向旋轉(zhuǎn)軸，以使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)360度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)模擬面板進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步行模擬器，其中，模擬面板布置多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)布設(shè)多個(gè)超聲定位傳感器，面向面板中心，圍繞整個(gè)面板，形成超聲探測(cè)空間矩陣，用于分別對(duì)腳步動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣。
5.一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬步行方法，包括: 步驟1，基于模擬面板上的超聲波定位傳感器，獲取面板上用戶的步行速度、位置、方向； 步驟2，確定腳部的方位、速度并且基于內(nèi)置姿態(tài)數(shù)據(jù)，確定腳部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息; 步驟3，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息，控制皮帶傳動(dòng)速度和傳動(dòng)位置，使得腳部運(yùn)動(dòng)和感知神經(jīng)同步； 步驟4，同時(shí)，控制皮帶帶動(dòng)面板向腳部運(yùn)動(dòng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，限制人體位置的絕對(duì)移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟I中，模擬面板依靠?jī)?nèi)置的運(yùn)算模塊，對(duì)原始采集的腳部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和過(guò)濾，并計(jì)算出最終的腳部位置和運(yùn)動(dòng)速度信息，以確定腳部的位置及移動(dòng)速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，模擬面板上布設(shè)多個(gè)超聲定位傳感器，圍繞在平臺(tái)邊緣，面向平臺(tái)中心，形成超聲探測(cè)空間矩陣，對(duì)腳步動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟2中，通過(guò)模擬面板傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)照處理器中的模式數(shù)據(jù)，根據(jù)雙腳的位置、運(yùn)行速度和間隔時(shí)間等，通過(guò)內(nèi)置的姿態(tài)識(shí)別算法，將原始數(shù)據(jù)分解為腳部的行走、慢跑、跳躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后傳輸控制數(shù)據(jù)給皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，步驟2進(jìn)一步包括:根據(jù)狀態(tài)計(jì)算出馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)信息，控制皮帶傳動(dòng)速度和傳動(dòng)位置，使視神經(jīng)與人體運(yùn)動(dòng)感知神經(jīng)同步。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟4中，當(dāng)腳部向前運(yùn)動(dòng)并與皮帶接觸后，皮帶開(kāi)始向面板中心傳動(dòng)，達(dá)到限制現(xiàn)實(shí)中人體位置移動(dòng)的目的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，皮帶的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括同步皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，同步皮帶布置在滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上，皮帶和滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；滾軸機(jī)械結(jié)構(gòu)包括沿皮帶方向的滾軸和垂直于皮帶方向的豎向旋轉(zhuǎn)軸，以使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以360度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)模擬面板進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】A63B22/02GK104474665SQ201410693329
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】田效禹, 金成博 申請(qǐng)人:曦煌科技(北京)有限公司