CN104667488A - 在运动平台中产生全方向位移抵消的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，包括：横向和纵向的智能空间运动识别模块实时捕捉运动目标在平面上各种动作或位移，并将各自的数据提交给全方向平台控制器；全方向平台控制器混合接收到的数据后，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据；数据传递给全方向运动平台，由全方向运动平台控制电机在两个方向轴上同时产生与平台目标运动位移相反、数值相同的位移量；重复上述步骤，直到人为暂停或终止。该方法能在不改变人动作习惯或体验感受的情况下，用相对运动抵消掉人在平面中个方向的位移，让人总保持在原始的位置。

Description

在运动平台中产生全方向位移抵消的方法和系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域和运动轨迹技术领域，具体涉及一种在运动平台中产生全方向位移抵消的方法和系统。

背景技术

随着虚拟现实的显示技术和模式识别的技术发展，人们希望可以在虚拟的世界进行散步等运动，然而场地限制的同时也限制了人的活动；现有的普通跑步机，所有的带位移或者运动的应用，都必须改变人平时的使用习惯，如用键盘的前后左右，控制应用中的位移，代替人的行走等动作。

现有美国公司出品的virtual omni，是一款用于将玩家的运动同步反馈到实际游戏中的全向跑步机，该装置通过将跑步底盘设计成一个凹陷圆形曲面的带有很多细小凹槽的光滑跑道，用户需要穿上特制的鞋子在omni的跑道上运动。鞋子的底部有一个与凹槽匹配的锥状物，omni用它来稳定脚步的运动，防止位置偏移等状况的发生，依靠这种设计，用户在上面可以自然的行走。与其他跑步机的不同，其支架被调整到腰部位置，通过安全带与人体连接，以保证人不会滑倒。

但是，不论是普通的跑步机还是omni跑步机，都存在有技术问题影响人们的运动体验，其主要体现在：

1.现有跑步机都是做单向的位移抵消，在虚拟现实的应用中，无法完成全方向运动；

2.现有技术的跑步机没有对人体的运动做实时分析，一般都需要带有扶手，保持人的平衡稳定，无法完全依靠人的日常习惯使用运动平台；

3.虽然virtual omni万向跑步机完成了全方向的走动，但需要把人的腰部固定下来；该装置限制了人的运动，无法完成爬和蹲等动作，并且整个人的运动全部受到腰部的固定结构影响，无法自由活动。

因此，研制一种可实现在运动平台中全方位位移抵消的装置已成为该业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述问题，提供一种在运动平台中产生全方向位移抵消的方法及其系统，该方法能实时观察人的位移情况，控制身体下部的位移平面，在不改变人动作习惯或体验感受的情况下，用相对运动抵消掉人在平面中个方向的位移，让人总保持在原始的位置。

为解决以上技术问题，本发明采用了全方向位移抵消技术、智能运动建模技术和带运动轨迹预测同步位移抵消控制技术，其具体的实施步骤如下：

一种在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，包括：

1)横向和纵向的智能空间运动识别模块实时捕捉运动目标在平面上各种动作或位移，并将各自的数据提交给全方向位移控制器；

2)全方向位移控制器混合接收到的数据后，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据；

3)数据传递给全方向运动平台，由全方向运动平台控制电机在两个方向轴上同时产生与平台目标运动位移相反、数值相同的位移量；

4)重复步骤1)～3)，直到人为暂停或终止。

作为本发明上述全方向位移抵消的方法的进一步改进，上述方法可用于虚拟现实技术中，其中步骤1)之前还包括计算机建立虚拟的立体运动数字空间，将现实中的平台运动空间映射到虚拟空间。

另一种改进，步骤1)中的捕捉动作具体为：智能空间运动识别模块通过设置两个图像识别的摄像头来建立一个空间的目标动作。

作为本发明上述全方向位移抵消的方法的另一种改进，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)全方向位移控制器混合接收到的数据后通过建立立体空间中的人体或物体的运动模型，并预测出运动轨迹；

2.2)由全方向位移控制器的中央处理单元计算目标相对平台远点的位移，生成控制电机运动的数据交给双向伺服电机控制单元。

其中，建立运动模型的具体过程为：用两个目标空间建模的传感器，呈90度安装，并对目标用三点定位还原出目标在立体空间的一个动作和位移，并通过计算得出目标在数字立体坐标系中的位移；其中，所述计算过程的核心算法采用双眼立体成像原则。

更进一步地，传感器拥有水平57度，垂直43度的视场角，并有景深的数据可以运算处理。

为解决上述本发明另一方面提供了一种在运动平台中产生全方向位移抵消的系统，系统包括全方向运动平台、智能空间运动识别模块以及全方向位移控制器；

全方向运动平台，为运动目标位移的主平台，用于接收控制电机的数据并产生目标运动位移相反、数值相同的位移量；

智能空间运动识别模块，用于实时捕捉运动目标在平台上的各种动作和位移信息，并上传至全方向位移控制器；

全方向位移控制器与全方向运动平台连接，用于混合智能空间运动识别模块的数据，计算预测运动轨迹，生成控制电机运动的数据并上传至全方向运动平台。

优选的，全方向运动平台包括中央控制单元、连接所述中央控制单元的横轴双向运动单元以及纵轴双向运动单元；

其中，中央控制单元根据全方向位移控制器上传的数据，控制平台的横轴双向运动单元以及纵轴双向运动单元产生与平台上目标运动位移相反、数值相同的位移量；

横轴双向运动单元包括沿横轴排列的第一传动组件以及环绕所述第一传动组件的第一橡胶履带，用于依照中央控制单元的数据执行横轴双向的位移量；

纵轴双向运动单元设于第一橡胶履带表面且沿其运动方向紧密排列，其包括沿纵轴排列的第二传动组件以及环绕所述第二传动组件的第二橡胶履带，用于依照中央控制单元的数据执行纵轴双向的位移量。

优选的，全方向位移控制器包括中央处理单元和双向电机伺服控制单元；

中央处理单元连接所述智能空间运动识别模块，用于混合其上传的数据后建立立体空间中的人体或物体的运动模型，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据；

双向电机伺服控制单元用于连接中央处理单元和全方向运动平台，接收控制电机运动的数据，并将其传递至全方向运动平台。

优选的，智能空间运动识别模块包括用于识别目标横向位移的横向目标运动识别单元和识别目标纵向位移的纵向目标运动识别单元，其通过连接杆分别安装在全方向运动平台的横向边沿和纵向边沿。

本发明上述的全方向位移平台因为在位移传送方向上可以任意设置，该整体运动机为一个创新设计，如物流分拣传送领域，可以将不同类别的物品，按要求任意传输到目标方向。

再者，全方向位移抵消的方法中增加目标运动的立体空间的动作和位移的分析，反馈到全方向平台，将人在一个无限空间的运动轨迹的位移抵消，保持在一个小平面的范围内，对虚拟现实技术加以应用，如在虚拟的世界随意的散步漫游。

本发明的全方向位移抵消的方法和系统相对于现有技术，具备以下优点：

1、现有技术都是一个方向轴上运动，而本技术可以在两个方向轴上任意运动；

2，现有技术也没有对人的运动做实时分析，一般都需要带扶手，保持人的平衡稳定，无法完全依靠人的日常使用习惯使用运动平台，如omni的技术，限制了人的活动和动作；本发明的系统完全不限制人的动作，实现肢体完全自由的运动。

3、现有的omni平台需要在身上穿戴附加的装备保持人的稳定和平衡，需要穿特制的鞋来抵消位移；而本产品不附加任何的装置和穿戴附件。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为全方向位移抵消的系统的示意图；

图2为全方向位移抵消的方法的示意图；

图3为全方向位移抵消方法中建立立体空间的运动模型的方法示意图；

图4为全方向位移抵消平台的整体示意图；

图5为全方向运动平台的侧视图；

图6为全方向运动平台的俯视图；

图7为双向运动履带模块的X向侧视图；

图8为双向运动履带模块的Y向侧视图；

图9为双向运动履带模块的Y向顶视图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明实施方式再作进一步详细的说明。

实施例

图1为根据本发明实施方式的在运动平台中产生全方位位移抵消的系统的示意图。如图1所示，该系统包括三个基本的部分，即全方向运动平台M1、智能空间运动识别模块M3以及全方向位移控制器M4。

全方向运动平台M1为运动目标位移的主平台，用于接收控制电机的数据并产生目标运动位移相反、数值相同的位移量；智能空间运动识别模块M3用于实时捕捉运动目标在平台上的各种动作和位移信息，并上传至全方向位移控制器M4；全方向位移控制器M4与全方向运动平台M1连接，用于混合智能空间运动识别模块的数据，计算预测运动轨迹，生成控制电机运动的数据并上传至全方向运动平台M1。

本实施例的全方向运动平台M1至少包括包括中央控制单元、连接所述中央控制单元的横轴双向运动单元M22以及纵轴双向运动单元M21。

其中，中央控制单元根据全方向位移控制器M4上传的数据，控制平台的横轴双向运动单元M22以及纵轴双向运动单M21元产生与平台上目标运动位移相反、数值相同的位移量。

图5、图6所示，横轴双向运动单元M22包括沿横轴排列的第一传动组件U2以及环绕所述第一传动组件U2的第一橡胶履带U4，用于依照中央控制单元的数据执行横轴双向的位移量。为完善横轴双向运动单元M22的结构，第一传动组件U2四周设有起支撑作用的第一支撑件U3、

图7-9所示，纵轴双向运动单元M21设于第一橡胶履带U4表面且沿其运动方向紧密排列，其包括沿纵轴排列的第二传动组件P1以及环绕所述第二传动组件P1的第二橡胶履带P2，用于依照中央控制单元的数据执行纵轴双向的位移量。为更优化其结构，设有第二支撑件P3连接第二传动组件P 1和第一橡胶履带U4。

第一传动组件U2和第二传动组件P1均包括双向驱动电机和传动轮组；第一橡胶履带U4和第二橡胶履带P2分别环绕于对应的传动轮组的轮体表面。

全方向位移控制器M4包括中央处理单元和双向电机伺服控制单元；中央处理单元连接所述智能空间运动识别模块M3，用于混合其上传的数据后建立立体空间中的人体或物体的运动模型，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据。双向电机伺服控制单元用于连接中央处理单元和全方向运动平台M1，接收控制电机运动的数据，并将其传递至全方向运动平台M1。

智能空间运动识别模块M3包括用于识别目标横向位移的横向目标运动识别单元和识别目标纵向位移的纵向目标运动识别单元，其通过连接杆分别安装在全方向位移平台M1的横向边沿和纵向边沿。

横向目标运动识别单元和纵向目标运动识别单元通过连接杆分别安装于全方向运动平台M1横向和纵向的位置。优选的，横向目标运动识别单元安装于与全方向运动平台M1横向的中心轴线上，且距离其中心2.5m的位置；纵向目标运动识别单元安装于与全方向运动平台M1纵向的中心轴线上，且距离其中心2.5m的位置。

全方向位移控制器M4则设于横向目标运动识别单元或纵向目标运动识别单元的下方。

本发明实施方式中的系统可以采用任何适用跑步机作为系统的实时平台，而上述方案作为一种非常经济和方便的跑步机应用例子。

本实施例的另一目的是描述了上述全方向位移抵消系统的产生位移抵消的方法，该方法适用于运动平台中，如各种跑步机；而本实施例列举的方法为用于虚拟现实的跑步机中，如图2所示，该方法主要包括以下步骤：

1)系统各模块初始化，完成各模块上电、自检等准备工作。

2)计算机建立虚拟的立体运动数字空间，将现实中的平台运动空间映射到虚拟空间。

3)横向和纵向的智能空间运动识别模块M3实时捕捉运动目标在平面上各种动作或位移，并将各自的数据提交给全方向平台控制器M4。

其中，智能空间运动识别模块M3通过设置两个图像识别的摄像头来建立一个空间的目标动作，实时对运动目标的各种动作和位移捕捉，该技术为公知技术，在此不做过描述。

4)全方向平台控制器M4混合接收到的数据后，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据。

该步骤中具体的包括：

4.1)全方向平台控制器M4混合接收到的数据后通过建立立体空间中的人体或物体的运动模型，并预测出运动轨迹；

用两个目标空间建模的传感器，可采用microsoft的kinect或类似kinect功能的目标空间建模的传感器；如图3所示，两个传感器呈90度安装，并对目标用三点定位还原出目标在立体空间的一个动作和位移，并通过计算得出目标在数字立体坐标系中的位移；其中，计算过程的核心算法采用双眼立体成像原则，具体算法为现有技术，在此不做过多描述。传感器拥有水平57度，垂直43度的视场角，并有景深的数据可以运算处理。

4.2)由全方向平台控制器M4的中央处理单元计算目标相对平台远点的位移，生成控制电机运动的数据交给双向伺服电机控制单元。

5)生成的控制电机运动的数据传递给全方向运动平台M1，由全方向运动平台M1控制电机在两个方向轴上同时产生与平台目标运动位移相反、数值相同的位移量；

6)重复步骤3)～5)，直到人为暂停或终止。

根据上述方案，全方向运动平台M1中的第一橡胶履带U4和第二橡胶履带P2实现在不同方向轴上的任意运动，通过目标运动的立体空间的动作和位移的分析，反馈到全方向运动平台M1，将人在一个无限空间的运动轨迹的位移抵消，保持在一个小平面的范围内，实现任意方向的位移。

以上所述实施例仅仅是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作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，包括：

1)横向和纵向的智能空间运动识别模块实时捕捉运动目标在平面上各种动作或位移，并将各自的数据提交给全方向位移控制器；

2)全方向位移控制器混合接收到的数据后，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据；

3)数据传递给全方向运动平台，由全方向运动平台控制电机在两个方向轴上同时产生与平台目标运动位移相反、数值相同的位移量；

4)重复步骤1)～3)，直到人为暂停或终止。

2.如权利要求1所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，所述方法可用于虚拟现实技术中，其中步骤1)之前还包括计算机建立虚拟的立体运动数字空间，将现实中的平台运动空间映射到虚拟空间。

3.如权利要求1-2中任一项所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，所述步骤1)中的捕捉动作具体为：智能空间运动识别模块通过设置两个图像识别的摄像头来建立一个空间的目标动作。

4.如权利要求1-2中任一项所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)全方向位移控制器混合接收到的数据后通过建立立体空间中的人体或物体的运动模型，并预测出运动轨迹；

2.2)由全方向位移控制器的中央处理单元计算目标相对平台远点的位移，生成控制电机运动的数据交给双向伺服电机控制单元。

5.如权利要求4所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，所述建立运动模型的具体过程为：用两个目标空间建模的传感器，呈90度安装，并对目标用三点定位还原出目标在立体空间的一个动作和位移，并通过计算得出目标在数字立体坐标系中的位移；其中，所述计算过程的核心算法采用双眼立体成像原则。

6.如权利要求5所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的方法，其特征在于，所述传感器拥有水平57度，垂直43度的视场角，并有景深的数据可以运算处理。

7.一种在运动平台中产生全方向位移抵消的系统，其特征在于，所述系统包括全方向运动平台、智能空间运动识别模块以及全方向位移控制器；

全方向运动平台，为运动目标位移的主平台，用于接收控制电机的数据并产生目标运动位移相反、数值相同的位移量；

智能空间运动识别模块，用于实时捕捉运动目标在平台上的各种动作和位移信息，并上传至全方向位移控制器；

全方向位移控制器与全方向运动平台连接，用于混合智能空间运动识别模块的数据，计算预测运动轨迹，生成控制电机运动的数据并上传至全方向运动平台。

8.如权利要求7所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的系统，其特征在于，所述全方向运动平台包括中央控制单元、连接所述中央控制单元的横轴双向运动单元以及纵轴双向运动单元；

其中，中央控制单元根据全方向位移控制器上传的数据，控制平台的横轴双向运动单元以及纵轴双向运动单元产生与平台上目标运动位移相反、数值相同的位移量；

横轴双向运动单元包括沿横轴排列的第一传动组件以及环绕所述第一传动组件的第一橡胶履带，用于依照中央控制单元的数据执行横轴双向的位移量；

纵轴双向运动单元设于第一橡胶履带表面且沿其运动方向紧密排列，其包括沿纵轴排列的第二传动组件以及环绕所述第二传动组件的第二橡胶履带，用于依照中央控制单元的数据执行纵轴双向的位移量。

9.如权利要求7所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的系统，其特征在于，全方向位移控制器包括中央处理单元和双向电机伺服控制单元；

中央处理单元连接所述智能空间运动识别模块，用于混合其上传的数据后建立立体空间中的人体或物体的运动模型，预测出运动轨迹，并计算目标相对平台原点的位移，生成控制电机运动的数据；

双向电机伺服控制单元用于连接中央处理单元和全方向运动平台，接收控制电机运动的数据，并将其传递至全方向运动平台。

10.如权利要求7所述的在运动平台中产生全方向位移抵消的系统，其特征在于，所述智能空间运动识别模块包括用于识别目标横向位移的横向目标运动识别单元和识别目标纵向位移的纵向目标运动识别单元，其通过连接杆分别安装在全方向运动平台的横向边沿和纵向边沿。