CN104267833A - 一种人机接口系统 - Google Patents

Abstract

一种人机接口系统：一种人机接口系统，通过手部设备和头部设备同时检测的振动来完成手部设备与用户佩戴的头部设备对应虚拟人的逻辑关系匹配，而不需要任何其他额外的操作。基于手部设备及其集成的拇指部按键和可以感知掌握力大小的掌握部按键配合头部设备发明了以下使用方法：（1）选择手部默认技能、道具的使用方法；（2）发出技能和释放道具的使用方法；（3）控制虚拟人物冲刺的使用方法；（4）控制虚拟人物跳跃的使用方法等；这些使用方法符合人们的使用习惯，整套设备兼容于现有的PC机、智能手机、平板等平台，本身成本低廉、便于推广。

Description

一种人机接口系统

技术领域

本发明涉及一种人机接口系统，尤其涉及一种基于三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴电子罗盘的一种人机接口系统，该人机接口系统提供了灵活的头部设备与手部设备的逻辑匹配的方式，以及符合用户使用习惯的使用方式。

背景技术

MEMS惯性传感器（线加速度计，角速度计）、电子罗盘传感器（陀螺仪）在越来越多领域使用，尤其是在人机交互领域使用越来越广泛。对于这些传感器在人机交互领域的使用我们统称为体感技术。

本发明基于现有的MEMS传感器、电子罗盘提出了一套人机接口系统，该人机接口系统明确手部设备与头部设备匹配到虚拟环境人物上的逻辑匹配方式，以及基于MEMS惯性传感器、电子罗盘的而挖掘出的一些新的使用方式方法的技术方案，据发明者所知现有已公开的专利、文献尚未有采用或者暗示与本发明类似的使用方式方法的技术方案。

关于采用的技术方案，发明者对以下已公开的专利做出驳斥，以证明发明者的技术方案是具备创造性的：

(1)“一种基于MEMS的体感游戏手柄”，如张东坤等公开的“一种基于MEMS的体感游戏手柄”(CN 202620680) 中的[0008]所述：“为了解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于MEMS的体感游戏手柄，包括微型传感器装置、数据处理装置和无线通信装置；所述微型传感器装置包括设在人体脚部且用于采集二维方向信息的三轴微加速度计、设在人体头部且用于采集视角信息的三轴陀螺仪和设在人体手部且用于采集动作信息的三轴微角速度计；所述设在脚部的三轴微加速度计、设在手部的三轴微加速度计和三轴陀螺仪的输出依次经数据处理装置和无线通讯装置接上位机的输入端。”其中虽然该专利对其游戏手柄的功能作用以及其各个功能模块之间的连接方式做出详细地描述，但是该实用新型没有对其各个功能模块功能的实现的具体技术方案做出阐述。纵观全文，本实用新型仅仅对每个功能模块的功能做了总结性的描述，而没有涉及具体的实现方式及其实现的技术方案。所以该实用新型的相关描述不能作为限制来限制其他人基于MEMS惯性传感器、陀螺仪挖掘新的使用方法的技术方案来申请专利的权利。正如第一个申请具备触摸屏手机专利的公司一定不是苹果电子公司，但是其申请的专利不能作为限制来限制苹果电子公司基于触摸屏手机的操作手势来申请触摸屏手势功能专利的权利一样。

(2)“动作感应手柄”，如韩建国等公开的“动作感应手柄”(CN 201247446Y)，是公开的一种具备感知用户动作、按按键的手柄装置，类似于实用新型“一种基于MEMS的体感游戏手柄”(CN 202620680)一样，这些专利并不能限制其他发明人基于类似硬件挖掘出的新的使用方式的技术方案来申请专利。

由(1)“一种基于MEMS的体感游戏手柄”(CN 202620680) 、“动作感应手柄”(CN 201247446Y)及其类似的专利可知，虽然这些专利与本发明可能采用了类似的硬件的集成方案，但是这并不意味着这可以作为限制来限制本发明的发明者基于类似的硬件方案挖掘的新的逻辑匹配方式以及新的使用方式方法来申请专利。

美国最大的移动消费电子产品微型显示器生产商Kopin公布了其最新出品的虚拟现实游戏头盔Trimersion以及美国Oculus公司开发的虚拟现实眼镜Rift，这些公司提供的头部“360度跟踪”的方案虽然能对佩戴者头部朝向进行360度的全方位跟踪，但是其对于头部角度跟踪的技术方案都是依赖虚拟现实游戏头盔或者虚拟现实眼镜来实现的。基于虚拟现实头盔、虚拟现实眼镜实现的头部视角跟踪技术方案虽然能够根据用户头部实际的朝向实现360度全角度跟踪，为用户带来良好的使用体验。由于现有的基于PC、智能手机、平板平台3D游戏，因为其用于显示的屏幕大小有限，只能提供视角上受到限制的显示界面，不能像虚拟现实游戏头盔或者虚拟现实眼镜一样提供随用户头部运动的全方位的视野来与360度全角度跟踪相匹配，所以前述公司所采用的360度全方位跟踪的技术方案并不适用于现有的PC机、智能手机、平板平台的3D游戏。本发明的技术方案针对现有PC机、智能手机、平板平台提供了一种用户在开始游戏前根据其观察的结果的选择其认为相对显示频幕合适位置，并在该位置标定其望向显示频幕中心点的朝向为视觉零点朝向，再通过检测用户头部后续运动过程中产生的与该视觉零点朝向的夹角，并通过对该夹角进行适当放大以后来控制虚拟环境中3D人物视觉的朝向的转换。这样用户就可以通过适当小范围角度的头部运动来控制显示界面中3D人物视觉朝向的360度的全方向改变，而在整个过程中PC、智能手机、平板的显示界面不至于超出用户的观看视野。

发明内容

一种人机接口系统，所述系统包括：

(a)头部设备，所述头部设备佩戴于用户头部；所述头部设备集成了三轴电子罗盘、三轴加速度传感器、三轴加速度传感器；所述三轴电子罗盘传感器用于识别用户的头部朝向的水平面方向分量；所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器用于识别用户头部朝向的垂直面方向分量，同时用于检测发生在头部设备上的敲击振动；

(b)至少一个手部设备，所述手部设备主体呈棍状形，通过固定带佩戴于用户手掌使用；所述手部设备集成了三轴电子罗盘传感器、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、掌握部按键、拇指部按键；所述手部设备用于识别用户的手部动作、手掌的紧握程度以及拇指的按下状态；所述掌握部按键处于手部设备的棍状形侧面用于感知用户手掌的握紧程度；所述拇指部按键位于手部设备的棍状形的顶端用于感知用户手部大拇指是否按下；

(c)处理系统及其显示设备，所述处理系统及其显示设备用于向用户提供视觉反馈；所述头部设备、各手部设备以及处理系统通过无线网络进行数据耦合。

一种人机接口系统，其中用户在佩戴头部设备之后根据其观察并在其认为合适的位置望向屏幕中心的朝向标定为视觉零点朝向，所述视觉零点朝向的水平面分量方向由三轴电子罗盘传感器识别检测标定，所述视觉零点朝向的垂直面分量方向由三轴加速度传感器和三轴加速度传感器识别检测标定，以所述视觉零点朝向为正前方参考方向，所述头部设备以检测到用户头部当前朝向偏离视觉零点朝向的空间夹角来实时地按照预先设置的放大比例来改变显示界面的3D环境中的视觉朝向；所述放大比例由横向放大比例和纵向放大比例组成，用户可以根据自己的需求和使用习惯来分别设置以及调整所述横向放大比例的系数和纵向放大比例的系数。

一种人机接口系统，其中在用户使用尚未完成逻辑关系匹配的手部设备敲击其佩戴的头部设备的瞬间，所述头部设备和手部设备会根据其集成的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器同时检测到的敲击振动信号将该手部设备匹配到与该头部设备对应的虚拟人物上，其中所述人机接口系统会根据头部设备检测到的敲击振动的初始敲击方向、手部设备识别到的重力方向、头部设备和手部设备识别到的敲击振动幅度对比的一种来确定所匹配的手部设备对应的手的左右，并在实现所述逻辑关系匹配的时候使其与虚拟人物对应的手匹配，从而实现所述逻辑关系的匹配。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在其所有按键均被释放的情况下，所述手部设备通过三轴电子罗盘识别检测到的水平面分量方向以及三轴加速度传感器和三轴角速度传感器识别检测到的垂直面分量方向综合而成的空间朝向，并以视觉零点朝向为正前方参考方向，来判断用户佩戴该手部设备的手的掌心朝向前下方预设角度范围内，并保持相对静止超过预设时间后，会在显示界面弹出默认道具、默认技能选择菜单，所述手部设备通过后继检测到的用户佩戴该手部设备的手在垂直于视觉零点朝向的平面内的二维运动分量来切换菜单中被突出显示的道具、技能的图标，并在检测到用户握紧掌握部按键超过预设下限力度的情况下选中当前图标被突出显示的道具、技能为该手对应虚拟人物的手在下次默认道具、技能重选前的后续使用过程中的默认道具、技能，所述预设下限力度可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配并已选中默认道具、技能的手部设备，在其检测到用户握紧掌握部按键超过预设下限力度的情况下会祭出、释放该手的默认道具、默认技能，所述默认道具的使用效果、默认技能的释放程度与用户握紧手部设备掌握部按键的力度成比例且不超过设置的上限，所述预设下限力度可以由用户根据其需要以及习惯进行设置。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户按下拇指部按键后进入时钟样式选中表工作模式，各个时钟样式选中表中的各个技能、消耗物品按照用户事先设置的钟点方位以及弧度范围呈现在时钟样式选择表中；在显示界面的视觉反馈下，用户通过佩戴所述手部设备的手以前臂为轴旋转变化的水平角度来旋转地切换选中与当前水平角度对应的钟点方位的技能、消耗物品为预选中的技能、消耗物品；用户通过使手部设备沿所述视觉零点朝向方向的前后运动分量来在多个预设的时钟样式选择表之间切换；用户通过使所述手部设备向远离时钟样式选中表圆心的方向挥动手部设备来最终选中释放、使用当前被预选中的技能、消耗物品。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备利用其集成的三轴电子罗盘识别检测到用户手部的水平面方向分量、利用三轴加速度传感器和三轴角速度传感器识别检测的垂直面方向分量的空间朝向相对于所述由用户标定的视觉零点朝向的空间夹角来控制显示界面的3D环境中的虚拟人物对应手部相对于虚拟人物躯干的方位的变化，从而实现精确控制虚拟人物挥舞手臂以及附带装备的道具、释放的技能以及使用的消耗物品的一种。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备利用其集成的三轴电子罗盘检测用户手部的水平面分量方向，三轴加速度传感器和三轴角速度传感器识别检测的垂直面分量方向综合而成的空间朝向相对于所述由用户标定的视觉零点朝向的空间夹角经过动作放大比例放大后来控制显示界面的3D环境中的虚拟人物的与该手部设备有逻辑关系匹配的对应的手相对于其控制的虚拟人物躯干的方位的变化，从而实现精确地控制虚拟人物挥舞手臂及其附带装备的道具、释放的技能以及使用的消耗物品的一种，所述动作放大比例可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户的手向下敲击时触发3D虚拟环境中的虚拟人物进入预备跳跃状态，并在检测到用户的手抬升时触发虚拟人物跳跃，其跳跃的方向与检测到的用户的手的抬升方向相同，其跳跃的力度与检测到的用户的手的抬升的加速度成跳跃放大比例且不超过参数设置的上限，所述跳跃放大比例可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户手部在设定时间内向任意方向直线突进两次则控制3D虚拟环境中的虚拟人物向该方向突进，突进的速度与检测到用户手部突进的加速度成比例且不超过参数设置的上限。

一种人机接口系统，其中在释放需要准备的技能时，所述显示界面会向用户反馈与所述技能相关的需要用户随后通过其持有的手部设备来完成的运动操作，所述人机接口系统会根据用户完成运动操作的准确性来判定所述技能是否能够成功释放，在判定可以成功释放的基础上则根据其完成运动操作的准确性来进一步确定技能释放的效果的增幅。

本发明提供了一种头部设备、手部设备以及3D环境中虚拟人物之间的先进的逻辑关系匹配系统，从而使得采用本发明原理的头部设备、手部设备的销售、使用都不需要成套捆绑。

本发明提供了一种通过检测相互之间敲击产生的振动来完成手部设备与头部设备、手部设备与虚拟人物对应的手完成逻辑关系匹配的人机接口系统，从而使得用户只需要用其能找到的任意手部设备与其佩戴的头部设备敲击即可完成手部设备与其佩戴的头部设备、与其控制的虚拟人物对应的手完成逻辑关系匹配，而不依赖于其他的额外的操作，不依赖于其他更多用户需要关心的设置。

本发明提供了一种人机接口系统，用户可以根据其观察适合的位置标定其视觉零点方向，并以该视觉零点方向为水平正前方朝向的参考，以头部设备后续检测到的用户头部偏离视觉零点方向的空间夹角经过放大比例放大以后来控制3D环境中的视觉朝向的改变，经过用户适当地调整为其认为合适的放大比例，从而使得用户只需要做出小动作量的头部转动就能实现360度全角度的视觉朝向改变，而不影响用户对显示界面的观看，这更适用于现有显示器大小有限的3D交互界面，可以使得用户脱离昂贵的3D头盔在通用的PC机、智能平板、智能手机等屏幕有限的平台体验虚拟现实的3D游戏，且由于头部设备可以设计为耳机的一种，手部设备体积也很小，使得本人机接口具有更广阔的运用场景和范围。 

本发明提供了一种人机接口系统，使得用户在显示界面的反馈下通过控制手部设备的空间运动、旋转并辅助以掌握部按键按下力度状态、拇指部按键的按下状态来选中道具、技能、物品，具有操作简单、使用明确和符合人们的使用习惯的优点。

由下面的说明书和权力要求书，并结合图示本发明的优选实施例的附图，本发明的进一步目的和特征将是清楚的，在附图中，在各图中使用类似的标号标注类似的元件。

发明附图

       图1是一种人机接口系统的示意图。

       图2是一种人机接口系统的标定视觉零点朝向的示意图。

       图3示出是一种人机接口系统的改变3D环境中视觉朝向的示意图。

       图4示出了一种人机接口系统的手部设备与虚拟人物的手之间的逻辑关系匹配。

       图5示出了一种人机接口系统的手部设备。

       图6示出了一种人机接口系统的默认道具、技能选择工作模式。

       图7示出的是一种人机接口系统的时钟样式选中表工作模式。

       图8示出的是一种人机接口系统以用户挥动手部设备相对于视觉零点朝向的空间角经过动作放大比例来控制虚拟人物的手部的挥舞。

具体实施方式

       发明概览

       现在将参考附图更完整详细地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明不应该被认为局限于这里提出的实施例，相反提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿始终，类似的标号指类似的元件。

       一种人机接口系统

       图1是一种人机接口系统的示意图，图1中图示了一种用于人机交互的人机接口系统100，该系统是通过以用户根据其位置望向屏幕中心点标定的视觉零点朝向为参考方向，并配合手部按键操作来识别用户头部、手部的各种操作的。头部设备110包含头部三轴加速度传感器111、头部三轴加速度传感器112和头部三轴电子罗盘113，其中头部三轴加速度传感器111和头部三轴加速度传感器112用于识别用户头部姿态的垂直面方向。其中头部三轴电子罗盘113在头部三轴加速度传感器111和头部三轴角速度传感器112的辅助下识别用户头部姿态的水平面方向（地理方向）。

       举例作为说明而不作为限制，图1中示出了两套手部设备和一套头部设备，但并不意味着本发明仅仅保护两套手部设备和一套头部设备的组合，本发明还保护一套手部设备和一套头部设备的组合，这种组合适用于那些对操作要求相对简单的系统。

       第一手部设备120包括：第一手部设备三轴加速度传感器121、第一手部设备三轴角速度传感器122、第一手部设备三轴电子罗盘123、第一手部设备拇指部按键125、第一手部设备掌握部按键126以及第一手部设备固定带127。其中第一手部设备三轴加速度传感器121和第一手部设备三轴角速度传感器用于识别用户手部的垂直面方向。其中第一手部设备三轴电子罗盘123在第一手部设备三轴加速度传感器121和第一手部设备三轴角速度传感器122的辅助下识别用户手部的水平面方向（地理方向）。其中第一手部设备120拇指部按键125用于识别用户大拇指是否按下。其中第一手部设备120掌握部按键126用于识别用户手掌是否握紧以及握紧的力度。通过调整第一手部设备固定带127的松紧并以第一手部设备120掌握部按键126面朝掌心的方式来佩戴第一手部设备120。

       第二手部设备130包括：第二手部设备三轴加速度拍传感器131、第二手部设备三轴角速度传感器132、第二手部设备三轴电子罗盘133、第二手部设备拇指部按键135、第二手部设备掌握部按键136以及第二手部固定带137。其中第二手部设备三轴加速度传感器131和第二手部设备三轴角速度传感器用于识别用户手部的垂直面方向。其中第二手部设备三轴电子罗盘133在第二手部设备三轴加速度传感器131和第二手部设备三轴角速度传感器132的辅助下识别用户手部的水平面方向（地理方向）。其中第二手部设备130拇指部按键135用于识别用户大拇指是否按下。其中第二手部设备130掌握部按键136用于识别用户手掌是否握紧以及握紧的力度。通过调整第二手部设备固定带137的松紧并以第二手部设备130掌握部按键136面朝掌心的方式来佩戴第二手部设备130。

       其中各手部设备（120、130）可以任意对应的组合方式一对一地分别佩戴在用户的左手右手。

       处理系统的显示界面140为用户提供视觉反馈。其中头部设备110、第一手部设备120、第二手部设备130以及处理系统通过无线网络进行数据耦合。

       图2是一种人机接口系统的标定视觉零点朝向的示意图，其中标定视觉零点朝向的顶视图210、标定视觉零点朝向的侧视图220分别从不同视角展示了视觉零点朝向的标定。其中处理系统的显示界面202的位置为用户提供了视觉零点标定的视觉参考。用户佩戴了头部设备的头部201处于显示界面202前方并在其认为合适的观察位置自然地望向显示界面202的中心，标定该朝向为视觉零点朝向203。其中视觉零点朝向水平面分量方向211由头部设备110上集成的头部设备三轴电子罗盘113在头部设备三轴加速度传感器111和头部设备三轴角速度传感器112的辅助下识别。其中视觉零点朝向的垂直面分量221由头部设备110集成的头部设备三轴加速度传感器111和头部设备三轴角速度传感器112识别。

       图3示出是一种人机接口系统的改变3D环境中视觉朝向的示意图，其中已经标定的视觉零点朝向303作为空间参考朝向（在用户没有大尺度改变其佩戴头部设备110的头部所处位置的高度、水平面位置情况下有效，在用户大尺度改变其头部位置以后需要重新标定视觉零点朝向303），通过头部设备110实时检测到的用户头部301的当前朝向304偏离视觉零点朝向303的空间夹角305经过比例放大后来控制3D环境中的视觉朝向的改变。其中比例放大由横向比例方向和纵向比例放大组成。顶视图310中用户头部301当前朝向水平面分量312与视觉零点朝向水平面分量311之间的水平面偏离角313经过横向放大比例放大后来控制3D环境中的视觉朝向水平面方向的改变。侧视图320中用户头部301当前朝向垂直面分量322与视觉零点朝向垂直面分量321之间的垂直面偏离角323经过纵向放大比例放大后来控制3D环境中的视觉朝向垂直面方向的改变。其中横向放大比例系数、纵向放大比例系数可以根据用户自身的需求和习惯来进行设置。举例作为说明而不作为限制，如果用户采用较大的尺寸的屏幕可以适当的增大横向放大比例系数、纵向放大比例系数。举例作为说明而不作为限制，如果用户采用的是宽屏显示器（16：9或者16：10），可以设置纵向放大比例系数略大于横向放大比例系数，与屏幕尺寸相匹配，提高用户的操作体验。通过用户头部301的当前朝向304相对于已标定视觉零点朝向303的空间夹角305，经过适当的横向比例放大系数、纵向比例放大系数放大后来控制3D环境中的视觉朝向的改变从而使得用户只需要做出小动作量的头部转动就能实现360度全角度的视觉朝向改变，而不影响用户对显示界面310的观看，这更适用于现有显示器大小有限的3D交互界面，可以使得用户脱离昂贵的3D头盔在通用的PC机、智能平板、智能手机等屏幕有限的平台上体验虚拟现实的3D游戏，且由于头部设备110可以设计为耳机的一种，手部设备体积也很小，使得本人机接口系统具有更广阔的运用场景和范围。举例作为说明而不作为限制，可以适用于包括地铁、公交车在内的等场所。

       图4示出了一种人机接口系统的手部设备与虚拟人物的手之间的逻辑关系匹配，其中头部设备410包括：头部设备三轴加速度传感器411、头部设备三轴角速度传感412和头部设备三轴电子罗盘413。手部设备420包括：手部设备三轴加速度传感器421、手部设备三轴角速度传感器422、手部设备三轴电子罗盘423。其中用户在佩戴好头部设备410之后，其手部佩戴任意一个未进行逻辑关系匹配的手部设备420（一个刚打开电源或者刚复位的手部设备420可以认为是未进行逻辑关系匹配的手部设备420），并用该手部设备420敲击头部设备410的一侧，在系统检测头部设备410的加速度输出431和手部设备420的加速度输出432同时存在振动时进行逻辑关系匹配，并将手部设备420匹配到头部设备410对应的虚拟人物身上。

       系统可以根据头部设备410检测到的初始敲击方向来确定佩戴该手部设备420的手的左右（初始敲击方向向右则认为应该匹配左手、初始敲击方向向左则认为应该匹配右手）。

       系统还可以根据头部设备410与手部设备420检测到的敲击信号的强弱并经过对比来判断佩戴该手部设备420的手左右，因为仅在头部设备410的一侧集成有头部设备三轴加速度传感器411，由于每次逻辑关系匹配碰撞仅仅发生在头部设备410的一侧，所以当手部设备420检测到的振动幅度与头部设备410检测到振动幅度相差不多时认为敲击是发生在头部设备410集成了头部设备三轴加速度传感器这一侧的。而在另一侧发生的敲击由于经过用户头部以及中间的连接结构传输振动会造成振动幅度的衰减，在头部设备410检测到振动信号幅度明显小于手部设备420检测到的振动信号幅度时，认为振动发生在远离集成了头部设备三轴加速度传感器这一侧，又由于头部设备410有固定的前后佩戴区别，则可以识别出敲击发生在用户头部佩戴的头部设备410的右侧或者左侧并间接地推出佩戴该手部设备420的手的左右。根据识别到手的左右将本次敲击的手部设备420逻辑关系匹配到虚拟人物对应的手。（用户实际的左手匹配到虚拟人物的左手，又或者用户实际的右手匹配到虚拟人物的右手。不排除用户用佩戴了手部设备420的左手去敲击其佩戴的头部设备410的右侧等情况，这会发生系统无法发现的逻辑关系匹配错误，并且在后续使用的过程中用户直觉上也会感到不适，所以这样相对复杂的违规使用方式是采用本发明原理的产品的使用说明书中敬告用户不宜采用的。）举例作为说明而不作为限制，虽然头部设备410集成的头部设备三轴加速度传感器411和手部设备420集成的手部设备三轴加速度传感器421都具备三轴加速度数据的输出，但是为了便于绘图和说明，在加速度传输波形图430只挑选了输出最显著轴（三轴加速度传感器三轴输出的一轴）的波形输出进行示出。其中头部设备加速度传感器411的加速度输出431在没有发生振动时候仍然有轻微的低频的振动是因为佩戴头部设备410的用户头部肯定无法保持绝对的静止。其中手部设备420的加速度输出432先增大并在碰撞后减小描述的物理过程是：用户佩戴手部设备420的手加速靠近头部设备410，并在发生敲击后减速离开。

       图5示出了一种人机接口系统的手部设备，其中手部设备501正视图510，手部设备501侧视图520。手部设备501包括：三轴加速度传感器512、三轴角速度传感器513、三轴电子罗盘515、拇指按键511、掌握部按键522以及固定带521。其中拇指部按键511所处方向作为手部设备501的顶部方向516，在佩戴手部设备501时该方向朝上并保证佩戴该手部设备501手部的大拇指可顺畅的点击拇指部按键511。该手部设备501并不具有左右极性，用户的左手右手均可佩戴。用户的左手通过左佩戴方向517佩戴手部设备501，用户的右手通过右佩戴方向佩戴手部设备501，在佩戴的过程中调整521固定带的松紧使得掌握部按键522与用户掌心紧密接触。当用户任意手佩戴未进行逻辑关系匹配的手部设备501并以之自然地敲击头部设备410进行逻辑关系匹配时，由于人体肘部生理结构的限制：在用户右手佩戴手部设备501敲击头部设备410时会如图530所示，三轴加速度传感器512的朝右方向5122向下并被检测到；在用户左手佩戴手部设备501敲击头部设备410时会如图540所示，三轴加速度传感器512的朝左方向5121向下并被检测到；人机接口系统可以在敲击进行逻辑关系匹配时根据手部设备501检测到的向下的方向（朝右方向5122、朝左方向5121）来确定佩戴该手部设备501手的左右，并将其佩戴到虚拟人物的对应手。（用户现实的左手匹配到虚拟人物的左手，用户现实的右手匹配到虚拟人物的右手。）这样，通过这种逻辑关系匹配的方式，使得用户不需要按照头部设备410和手部设备501内在的成套的逻辑关联关系佩戴头部设备410、手部设备501。用户只需要在佩戴头部设备410之后，任意选取一个或者两个能够正常工作的手部设备501（未进行逻辑关系匹配）一对一地佩戴在任意手，并用（没有强制顺序）左右手分别敲击头部设备410，即可完成手部设备501（以及用户佩戴改手部设备501的手）与虚拟人物的逻辑关系匹配，并将用户现实的右手匹配到其控制虚拟人物的右手，将用户现实的左手匹配到其控制的虚拟人物的左手，而不需要进行任何复杂的非人性化的设置、不依赖于任何其他复杂的操作。

       图6示出了一种人机接口系统的默认道具、技能选择工作模式，在用户佩戴已经完成逻辑关系匹配的手部设备601的手完全释放拇指部按键602和掌握部按键603的情况下，以用户标定的视觉零点朝向的垂直面分量方向611为垂直面正前方参考方向，通过手部设备601检测到用户掌心垂直朝向垂直面分量方向613位于预设前下角612范围内，以用户标定的视觉零点朝向的水平面分量方向621为水平面正前方参考方向，通过手部设备601检测到用户掌心垂直朝向水平面分量方向623位于预设正前角622范围内，并检测到用户手部保持相对静止超过预设时间后，显示界面会弹出默认道具、技能选择菜单，进入默认道具、技能选择工作模式。在显示界面的视觉反馈下，用户通过控制佩戴手部设备601的手在垂直于视觉零点朝向的平面内的二维运动分量来切换菜单中被突出显示的道具、技能的图标。并在检测到用户握紧手部设备601掌握部按键603超过预设下限力度的情况下选中当前图标被突出显示的道具、技能为该手对应虚拟人物的手在下次默认道具、技能重选前的后续使用过程中的默认道具、技能。

       在用户佩戴手部设备601的手匹配的虚拟人物的手已经选定默认道具、技能并且不处于任何菜单弹出的情况下，用户用手握紧手部设备601掌握部按键603超过预设下限力度值时，用户控制的虚拟人物对应的手会祭出该手已经选定的默认道具、释放已经选定的默认技能。并且默认道具的使用效果、默认技能的释放程度与用户握紧手部设备601掌握部按键603的力度成比例且不超过参数设置的上限。触发掌握部按键603的预设下限力度值可以根据用户的需要以及使用习惯进行设置。

       图7示出的是一种人机接口系统的时钟样式选中表工作模式，在用户佩戴已经完成逻辑关系匹配的手部设备701并按下拇指部按键702的情况下，显示界面会弹出时钟样式选中表710进入时钟样式选中表工作模式，举例作为说明而不作为限制，其中技能或消耗物品A、技能或消耗物品B、技能或消耗物品C、技能或消耗物品D以用户事先设置的钟点方向位置（左上角、左下角、右下角、右上角）并以用户预先设置的角度间隔（90度）进行排布，用户也可以给某个技能或消耗物品分配任意的钟点方向位置以及其认为恰当的角度区间。用户在保持按住拇指部按键702不释放而继续处于时钟样式选中表工作模式的情况下以前臂为轴旋转手部设备701，通过识别到的手部设备701的顶部方向703与水平面形成的角度代表的钟点方向来旋转地切换与该钟点方向对应的技能、消耗物品为预选中技能、预选中消耗物品。

       用户在保持按住拇指部按键702不释放而继续处于时钟样式选中表工作模式的情况下，通过控制其佩戴的手部设备701在视觉零点方向向前方向704和视觉零点方向向后方向705上前后运动的分量来在多个预设的时钟样式选中表之间切换，举例作为说明而不作为限制，在时钟样式选中表L1 721、L2 722、L3 723、L4 724之间进行切换。

       用户在保持按住拇指部按键702不释放而继续处于时钟样式选中表工作模式的情况下，用户通过控制其佩戴的手部设备701以其当前时刻顶部方向703的方向并以远离时钟样式选中表圆心的方向挥动手部设备来最终选中释放、使用当前被预选中的技能、消耗物品，并自动退出时钟样式选中表工作模式。

       用户在未完成最终选中释放、使用当前被预选中的技能、消耗物品的情况下释放手部设备701的拇指部按键702，从而退出时钟样式选中表工作模式。

       图8示出的是一种人机接口系统以用户挥动手部设备相对于视觉零点朝向的空间角经过动作放大比例来控制虚拟人物的手部的挥舞。以视觉零点朝向802为正前方参考方向，用户挥动其佩戴的已经完成逻辑关系匹配的手部设备801的挥动朝向803的挥动朝向垂直面分量方向822与视觉零点朝向垂直面分量方向821的夹角垂直偏离角823，挥动朝向803的挥动朝向水平面分量方向812与视觉零点朝向水平面分量方向813的夹角为水平偏离角。

       设定X轴正向831平行于视觉零点方向并且同向的情况下在3D虚拟环境中构建空间直角坐标系830，设定虚拟人物躯干主体的正面、背面均平行于空间直角坐标系830的ZOY平面，并设定构建空间直角坐标830的原点O位于虚拟人物躯干的胸口与手背齐平的位置。其中向量OH 832为虚拟人物手部当前挥舞朝向832，其在平面ZOY内的投影为ZOY投射角833，其在平面XOY内的投射角XOY投射角834分别以预先设定的纵向动作放大比例、横向动作放大比例与垂直偏离角823、水平偏离角813成比例，从而实现用户对虚拟人物的手部的挥舞的实时控制。纵向动作放大比例、横向动作放大比例可以根据用户的需求以及使用习惯来进行设置。

       只是为了说明的目的，提供了具体应用的几个，以帮助读者理解其中本发明将证明有用的多种场景。还应该理解：虽然给出了的详细的附图和具体示例描述了本发明的优选实施例，但是它们只是为了说明的目的，本发明的装置和方法并不限于所公开的精确细节和情况，并且其中可以进行各种改变而不悖离由所附的权利要求书定义的本发明的精神。。

Claims (10)

1.一种人机接口系统，所述系统包括：

头部设备，所述头部设备佩戴于用户头部；所述头部设备集成了三轴电子罗盘传感器、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器；所述三轴电子罗盘用于识别用户的头部朝向的水平面方向分量；所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器用于识别用户头部朝向的垂直面方向分量，同时用于检测发生在头部设备上的敲击振动；

至少一个手部设备，所述手部设备主体呈棍状形，通过固定带佩戴于用户手掌使用；所述手部设备集成了三轴电子罗盘传感器、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、掌握部按键、拇指部按键；所述手部设备用于识别用户的手部动作、手掌的紧握程度以及拇指的按下状态；所述掌握部按键处于手部设备的棍状形侧面用于感知用户手掌的握紧程度；所述拇指部按键位于手部设备的棍状形的顶端用于感知用户手部大拇指是否按下；

处理系统及其显示设备，所述处理系统及其显示设备用于向用户提供视觉反馈；所述头部设备、各手部设备以及处理系统通过无线网络进行数据耦合。

2.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中用户在佩戴头部设备之后根据其观察并在其认为合适的位置望向屏幕中心的朝向标定为视觉零点朝向，所述视觉零点朝向的水平面分量方向由三轴电子罗盘传感器识别检测标定，所述视觉零点朝向的垂直面分量方向由三轴加速度传感器和三轴加速度传感器识别检测标定，以所述视觉零点朝向为正前方参考方向，所述头部设备以检测到用户头部当前朝向偏离视觉零点朝向的空间夹角来实时地按照预先设置的放大比例来改变显示界面的3D环境中的视觉朝向；所述放大比例由横向放大比例和纵向放大比例组成，用户可以根据自己的需求和使用习惯来分别设置以及调整所述横向放大比例的系数和纵向放大比例的系数。

3.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中在用户使用尚未完成逻辑关系匹配的手部设备敲击其佩戴的头部设备的瞬间，所述头部设备和手部设备会根据其集成的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器同时检测到的敲击振动信号将该手部设备匹配到与该头部设备对应的虚拟人物上，其中所述人机接口系统会根据头部设备检测到的敲击振动的初始敲击方向、手部设备识别到的重力方向、头部设备和手部设备识别到的敲击振动幅度对比的一种来确定所匹配的手部设备对应的手的左右，并在实现所述逻辑关系匹配的时候使其与虚拟人物对应的手匹配，从而实现所述逻辑关系的匹配。

4.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在其所有按键均被释放的情况下，所述手部设备通过三轴电子罗盘识别检测到的水平面分量方向以及三轴加速度传感器和三轴角速度传感器识别检测到的垂直面分量方向综合而成的空间朝向，并以视觉零点朝向为正前方参考方向，来判断用户佩戴该手部设备的手的掌心朝向前下方预设角度范围内，并保持相对静止超过预设时间后，会在显示界面弹出默认道具、默认技能选择菜单，所述手部设备通过后继检测到的用户佩戴该手部设备的手在垂直于视觉零点朝向的平面内的二维运动分量来切换菜单中被突出显示的道具、技能的图标，并在检测到用户握紧掌握部按键超过预设下限力度的情况下选中当前图标被突出显示的道具、技能为该手对应虚拟人物的手在下次默认道具、技能重选前的后续使用过程中的默认道具、技能，所述预设下限力度可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

5.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配并已选中默认道具、技能的手部设备，在其检测到用户握紧掌握部按键超过预设下限力度的情况下会祭出、释放该手的默认道具、默认技能，所述默认道具的使用效果、默认技能的释放程度与用户握紧手部设备掌握部按键的力度成比例且不超过设置的上限，所述预设下限力度可以由用户根据其需要以及习惯进行设置。

6.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户按下拇指部按键后进入时钟样式选中表工作模式，各个时钟样式选中表中的各个技能、消耗物品按照用户事先设置的钟点方位以及弧度范围呈现在时钟样式选择表中；在显示界面的视觉反馈下，用户通过佩戴所述手部设备的手以前臂为轴旋转变化的水平角度来旋转地切换选中与当前水平角度对应的钟点方位的技能、消耗物品为预选中的技能、消耗物品；用户通过使手部设备沿所述视觉零点朝向方向的前后运动分量来在多个预设的时钟样式选择表之间切换；用户通过使所述手部设备向远离时钟样式选中表圆心的方向挥动手部设备来最终选中释放、使用当前被预选中的技能、消耗物品。

7.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备利用其集成的三轴电子罗盘检测用户手部的水平面分量方向，三轴加速度传感器和三轴角速度传感器识别检测的垂直面分量方向综合而成的空间朝向相对于所述由用户标定的视觉零点朝向的空间夹角经过动作放大比例放大后来控制显示界面的3D环境中的虚拟人物的与该手部设备有逻辑关系匹配的对应的手相对于其控制的虚拟人物躯干的方位的变化，从而实现精确地控制虚拟人物挥舞手臂及其附带装备的道具、释放的技能以及使用的消耗物品的一种，所述动作放大比例可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

8.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户的手向下敲击时触发3D虚拟环境中的虚拟人物进入预备跳跃状态，并在检测到用户的手抬升时触发虚拟人物跳跃，其跳跃的方向与检测到的用户的手的抬升方向相同，其跳跃的力度与检测到的用户的手的抬升的加速度成跳跃放大比例且不超过参数设置的上限，所述跳跃放大比例可以由用户根据其需要以及使用习惯来进行设置。

9.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中已完成逻辑关系匹配的手部设备在检测到用户手部在设定时间内向任意方向直线突进两次则控制3D虚拟环境中的虚拟人物向该方向突进，突进的速度与检测到用户手部突进的加速度成比例且不超过参数设置的上限。

10.根据权利要求1所述的一种人机接口系统，其中在释放需要准备的技能时，所述显示界面会向用户反馈与所述技能相关的需要用户随后通过其持有的手部设备来完成的运动操作，所述人机接口系统会根据用户完成运动操作的准确性来判定所述技能是否能够成功释放，在判定可以成功释放的基础上则根据其完成运动操作的准确性来进一步确定技能释放的效果的增幅。