CN107803026B - 用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法 - Google Patents

用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法。该方法包括：由虚拟现实定位系统通过跟踪两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点投影在行走地面上的投影位置相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V，以及两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线相对于初始朝向所具有的转动方向F2及转动角速度W；支撑脚以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，直到当使用者回到位置原点并保持初始朝向时停止运动。本发明实质性的解决了现有虚拟现实环境下实现无限空间移动需借助万向行动平台的技术问题，简化了使用环境，提升了用户体验度。

Description

用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术，尤其是涉及一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供视觉、听觉、触觉等多种感官的模拟，从而创造出身临其境的感觉。
现有的虚拟现实技术在实现中，使用者佩戴模拟VR眼镜进入虚拟环境后，需要借助手柄控制来实现在虚拟环境中的移动，容易出现头晕、恶心等模拟晕动症状，用户体验较差！随之出现了万向行动平台(Omni-directional treadmill,俗称VR跑步机)以实现VR环境下的无限空间移动，万向行动平台只需要一平方米左右的空间，就能实现虚拟世界中无限的、360度的自由移动，用户用自己的真实行动操控游戏角色的移动，从而跳过模拟晕动症产生的成因。然而，万向行动平台需要占用一定的空间，重量较重不便于移动，使其往往需要专门的房间安置，不利于推广及普及使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋及其控制方法，在虚拟现实的使用环境下使智能万向轮滑鞋能回到初始位置及保持初始朝向，从而简化使用环境并提升用户体验度。
本发明公开一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其包括：
底座；
安装于底座的多个全向轮，每个全向轮分别通过一个带自锁功能的减速器与一个电机相连；
安装于底座上的感测部，该感测部用于虚拟现实系统的跟踪定位装置对使用者所穿的两只智能万向轮滑鞋进行定位与跟踪检测；
间隔设置在底座的上侧面且位于底座的中轴线的2个压力传感器，该压力传感器用于测量使用者作用于底座上的压力；
固定在底座上的无线通讯单元，该无线通讯单元用于将2个压力传感器输出的压力数据发送给虚拟现实系统，并接收由虚拟现实系统在确定使用者所穿两只智能万向轮滑鞋分别为抬起脚或支撑脚所穿智能万向轮滑鞋基础上通过跟踪检测所获得使用者的抬起脚所穿智能万向轮滑鞋的运动参数，该运动参数包括：两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点投影在行走地面上的投影位置相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V，两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W；
固定在底座上的控制单元，该控制单元用于根据所述运动参数控制使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮转动，使支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，让使用者回到位置原点及保持初始朝向时支撑脚所穿智能万向轮滑鞋停止运动。
优选的，感测部为红外标记或光学传感器。
优选的，全向轮为麦克纳姆轮或连续切换轮。
优选的，底座侧面设有用于防止对使用者发生钩挂的挡板。
优选的，底座上设有便于使用者穿戴的鞋体。
本发明公开一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其包括步骤：在使用者穿着两只智能万向轮滑鞋以自然姿态站在行走地面保持不动的初始状态下，记录两只智能万向轮滑鞋各自的初始位置，将两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点确定为位置原点，将两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线确定为初始朝向；
由虚拟现实系统的跟踪定位装置持续检测两只智能万向轮滑鞋，当使用者穿着两只智能万向轮滑鞋开始在虚拟现实环境中动作时，由虚拟现实系统根据每只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据，确定使用者所穿两只智能万向轮滑鞋其中之一为抬起脚所穿智能万向轮滑鞋而另一只为支撑脚所穿智能万向轮滑鞋；
虚拟现实系统计算出当前两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点投影在行走地面上的投影位置相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V，以及计算出当前两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W；
虚拟现实系统将平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W发送给支撑脚所穿智能万向轮滑鞋，支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，当使用者回到位置原点并保持初始朝向时支撑脚所穿智能万向轮滑鞋停止运动。
其中，若其中一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据减小为0，则判断此只智能万向轮滑鞋为使用者当前的抬起脚所穿智能万向轮滑鞋，相应的另一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据增大从而确定为使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋。
其中，所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法还包括：虚拟现实系统控制使用者在虚拟环境下所操控游戏角色跟随使用者双脚的实际行动在游戏中移动，达到以使用者实际动作操控游戏角色在游戏环境中的移动。
其中，两只智能万向轮滑鞋各自重心是指在初始状态时使用者分别作用于每只智能万向轮滑鞋的两个压力传感器之间的重心。
其中，位置原点是初始状态时使用者所穿两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点。
其中，初始朝向是初始状态时使用者所穿两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线，该初始状态是指使用者穿着两只智能万向轮滑鞋以自然姿态站在行走地面保持不动的状态。
本发明通过虚拟现实系统定位并跟踪确定智能万向轮滑鞋的位置和姿态，不管使用者无论如何行走都能通过全向轮的转动把使用者带位置原点并让使用者保持初始朝向不变，从而实质性的解决了现有虚拟现实环境下实现无限空间移动需借助万向行动平台的技术问题，并由此具有如下有益效果：
1.本发明技术方案解决了虚拟环境大范围的移动问题。如上所述，本发明摆脱了现有技术需要使用万向行动平台的限制，由于智能万向轮滑鞋在使用过程中均能把使用者带位置原点并让使用者保持初始朝向不变，所需要的使用空间较小，且对使用场地无特殊要求，在较为平整的地面即可使用，从而简化使用环境。
2.根据使用者抬起脚的动作，虚拟现实系统根据使用者抬起脚的实际动作对应控制使用者在虚拟显示环境下所操控游戏角色移动，达到使用者以自己的真实行动操控游戏角色移动的游戏目的，可以使虚拟现实的使用者在虚拟现实环境中获得更加逼真的体验，使虚拟现实技术能实现更为逼真的效果，且可以在游戏过程中让使用者避免诱发模拟晕动症，提升了用户体验度。
3.智能万向轮滑鞋具有结构简单、实现成本较低及使用方便等优点。
附图说明
图1是本发明提出的智能万向轮滑鞋的结构示意图。
图2是本发明提出的智能万向轮滑鞋不含鞋体时的部分结构示意图。
图3是在一个实施例中智能万向轮滑鞋控制方法的实现流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
为了清楚的描述，先对虚拟现实系统(Virtual Reality System，简称VR)以及全向轮做简单介绍。
全向轮(Omni Wheel)是一种能够实现全向移动的行走机构，普遍应用于机器人和叉车等需要向任意方向平移和转动的平台之上。全向轮可以在平面内做出任意方向的平移并同时完成自转动作，依靠多个轮子不同的转动方向和速度，可在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证装备了全向轮在最终的合力矢量的方向上能自由地移动和转动，甚至可以实现原地转向，不用设置专门的转向系统。
虚拟现实系统又称虚拟现实平台(Virtual Reality Platform，简称VR-Platform或VRP)，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。一般来说，虚拟现实系统至少包括以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、虚拟现实头显及对使用者的身体方位姿态跟踪的跟踪定位装置。
本发明中所指的跟踪定位装置，是采用外而内(Outside-In)虚拟现实跟踪方式。
本发明提出一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，与虚拟现实系统搭配使用，在虚拟现实的使用环境下，使用者穿上智能万向轮滑鞋行走时均能回到初始位置并保持初始朝向，摒弃现有技术需要使用万向行动平台的缺陷，达到简化使用环境并提升用户体验度的目的。
如图1和图2所示，该智能万向轮滑鞋包括：底座1；固定于底座1之上的鞋体；安装于底座1四角处的四个全向轮3，该全向轮3采用麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)或连续切换轮；每个全向轮3分别与一个驱动装置搭配使用，该驱动装置包括电机4和减速器5，该电机4通过减速器5连接全向轮3，电机4优选采用编码电机以精确控制全向轮3的转速，而减速器5带自锁功能以防止全向轮3在无动力时滑动导致使用者跌倒；安装于底座1之上的感测部6，该感测部6用于虚拟现实系统的跟踪定位装置获取底座1的位置和姿态(即方位角)；间隔设置在底座1上侧面且位于底座1的轴线中线101上的2个压力传感器7，该压力传感器7用于测量使用者作用于底座1上的压力；固定在底座1上的控制单元8、无线通讯单元9及供电电源10，控制单元8用于计算四个全向轮3的转速和转动方向，无线通讯单元9用于在万向轮滑鞋和虚拟现实系统之间实现数据通讯的功能，供电电源10优选使用锂电池，供电电源10用于向电机4、感测部6、压力传感器7以及控制单元8提供各自工作所需电源。
其中，感测部6为红外标记或光学传感器。比如，如果与智能万向轮滑鞋搭配使用的是HTC Vive虚拟现实设备(HTC Vive是HTC公司和VALVE公司合作推出了一款VR头显)，此时感测部6须使用光学传感器。
另外，还可以在底座1侧面设置挡板11，挡板11位于使用者双脚内侧，防止两脚内侧的全向轮3发生钩挂而出现导致使用者失去平衡等潜在风险。
在一个典型的应用实例中，本发明提出的智能万向轮滑鞋成对使用，使用者每只脚穿戴一只智能万向轮滑鞋，头戴虚拟现实头显，提供使用者在虚拟现实环境下的行走体验。具体来说，如图3所示，该实施例中实现智能万向轮滑鞋的控制方法包括如下步骤：
步骤S1、使用者双脚穿上智能万向轮滑鞋，戴上虚拟现实头显(VR头显)。此时因减速器5带自锁功能，全向轮3的转动被减速器5锁定而不能自由转动，让使用者保持平衡。
步骤S2、使用者以自然姿态站在行走地面保持不动，头部保持在平视前方，由虚拟现实系统的跟踪定位装置(或称之为“虚拟现实定位系统”)定位并跟踪设于底座1上的感测部6，记录两只智能万向轮滑鞋各自的初始位置和初始方位角，从而确定使用者的位置原点以及使用者的初始朝向。
以支撑智能万向轮滑鞋的地面作为水平面，虚拟现实的跟踪定位装置定位并跟踪设于底座1上的感测部6，可建立一个以水平面作为参考面的空间坐标系，在空间坐标系中标定出初始状态下两只智能万向轮滑鞋各自的初始位置，并以每只智能万向轮滑鞋各自底座1的轴线中线101在该空间坐标系中的方位作为该只智能万向轮滑鞋的初始方位角。另外，由于每个底座1上的2个压力传感器7相对位置是固定的，故由此确定每个压力传感器7在空间坐标系的具体位置。
对于每只智能万向轮滑鞋而言，由该只万向轮滑鞋的控制单元8获取两个压力传感器7的压力数据，根据这2个压力传感器7的压力数值进行加权平均计算，确定使用者作用于两个压力传感器7之间的重心12，初始状态下使用者所穿两只智能万向轮滑鞋各自重心12的连线中点确定为使用者的位置原点，以两只智能万向轮滑鞋的初始朝向(即2个底座1各自的中轴线101)之间的角平分线确定为使用者的初始朝向。
步骤S3、自动接通电机4和供电电源10之间的连接，使用者开始自由在虚拟现实环境中动作。
步骤S4、由虚拟现实系统的跟踪定位装置持续跟踪每只智能万向轮滑鞋的底座1上的感测部6，检测使用者左右两只脚穿戴的智能万向轮滑鞋各自底座1的当前位置及当前方向信息，且两只智能万向轮滑鞋通过各自的无线通讯单元9将压力传感器7输出的当前压力数据发送给虚拟现实系统。
步骤S5、虚拟现实系统根据对每只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据进行判断，若其中一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据减小为0，则判断此只智能万向轮滑鞋为使用者当前的抬起脚所穿智能万向轮滑鞋(或简称为“抬起脚”)，相应的另一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据增大从而确定为使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋(或简称为“支撑脚”)。
步骤S6、由于支撑脚作为使用者的受力职称而保持不动，而抬起脚以出现包含速度、方向的动作，故虚拟现实系统通过持续跟踪抬起脚的位置变化从而感知抬起脚所作出的动作。只要当智能万向轮滑鞋其中之一被判断为抬起脚时，表明使用者一定产生了某种动作。此时，由虚拟现实系统通过跟踪确定抬起脚所穿智能万向轮滑鞋相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V，以及相对初始朝向产生转向所具有的转动方向F2及转动角速度W，即可以此为依据控制支撑脚同步反向同速运动。
具体来说，虚拟现实系统计算出两只智能万向轮滑鞋各自重心12的连线中点投影在水平面(行走地面)上的投影位置相对于位置原点产生平移过程中所具有的平移方向F1及平移速率V，以及两只智能万向轮滑鞋各自底座1的中轴线101之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W，虚拟现实系统将平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W发送给支撑脚所穿智能万向轮滑鞋。
同时，虚拟现实系统控制使用者在虚拟环境下所操控游戏角色跟随使用者使用者双脚的实际动作在游戏中移动，达到使用者以自己的真实行动操控游戏角色移动的游戏目的。
步骤S7、使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋通过无线通讯单元9接收平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W，由控制单元8根据平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W产生转动控制信号，该转动控制信号控制支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的电机4驱动支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮3转动，使支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，当抬起脚着地时通过支撑脚的平移动作及转向动作，将使用者带回初始状态下，保持位置原点及初始朝向不变。
需要重点说明的是：抬起脚和支撑脚是相对概念，在使用者穿戴智能万向轮滑鞋动作过程中，抬起脚与支撑脚是不断切换的；并且，使用者穿戴智能万向轮滑鞋动作过程中，通过跟踪抬起脚所确定的平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W，每一个参数都是动态变化的，因此，通过控制支撑脚与抬起脚保持同步的反向动作，确保无论使用者怎么动作均能通过智能万向轮滑鞋将使用者带回初始状态下的位置原点并使使用者保持初始朝向不变。
比如，当使用者保持初始朝向不变的朝前行走或向后后退时，此时，转动方向F2＝0，转动角速度W＝0，抬起脚向前/后移动一步时，在抬起脚的过程中虚拟现实系统通过持续跟踪每只智能万向轮滑鞋的底座1上的感测部6，获知了抬起脚的移动位置及相应的动作所具有的速度，从而计算出抬起脚此时平移方向F1及平移速率V，让支撑脚同时以平移速率V朝平移方向F1相反方向(即向后/前)运动，当支撑脚落地时，使用者回到了初始状态下的位置原点并保持了初始朝向不变。
又如，当使用者以位置原点做向左/右/后转向时，此时，平移方向F1＝0，平移速率V＝0，虚拟现实系统计算出两只智能万向轮滑鞋各自底座1的中轴线101之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W，使支撑脚所穿智能万向轮滑鞋以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向运动，确保支撑脚落地时使用者回到了初始状态下的位置原点并保持了初始朝向不变。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其特征在于，包括：
底座；
安装于底座的多个全向轮，每个全向轮分别通过一个带自锁功能的减速器与一个电机相连；
安装于底座上的感测部，该感测部用于虚拟现实系统的跟踪定位装置对使用者所穿的两只智能万向轮滑鞋进行定位与跟踪检测；
间隔设置在底座的上侧面且位于底座的中轴线的2个压力传感器，该压力传感器用于测量使用者作用于底座上的压力；
固定在底座上的无线通讯单元，该无线通讯单元用于将2个压力传感器输出的压力数据发送给虚拟现实系统，并接收由虚拟现实系统在确定使用者所穿两只智能万向轮滑鞋分别为抬起脚或支撑脚所穿智能万向轮滑鞋基础上通过跟踪检测所获得使用者的抬起脚所穿智能万向轮滑鞋的运动参数，该运动参数包括两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点投影在行走地面上的投影位置相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V、两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W；
固定在底座上的控制单元，该控制单元用于根据所述运动参数控制使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮转动，使支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，让使用者回到位置原点及保持初始朝向时支撑脚所穿智能万向轮滑鞋停止运动；
其中，在初始状态下以两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点确定为位置原点，两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线确定为初始朝向；
其中，根据对每只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据进行判断，将压力数据减小的智能万向轮滑鞋确定为抬起脚所穿智能万向轮滑鞋，而将压力数据增大的智能万向轮滑鞋确定为支撑脚所穿智能万向轮滑鞋。
2.根据权利要求1所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其特征在于，感测部为红外标记或光学传感器。
3.根据权利要求1所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其特征在于，全向轮为麦克纳姆轮或连续切换轮。
4.根据权利要求1所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其特征在于，底座侧面设有用于防止对使用者发生钩挂的挡板。
5.根据权利要求1所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋，其特征在于，底座上设有便于使用者穿戴的鞋体。
6.一种用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其特征在于，包括步骤：
在使用者穿着两只智能万向轮滑鞋以自然姿态站在行走地面保持不动的初始状态下，记录两只智能万向轮滑鞋各自的初始位置，将两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点确定为位置原点，将两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线确定为初始朝向；
由虚拟现实系统的跟踪定位装置持续检测两只智能万向轮滑鞋，当使用者穿着两只智能万向轮滑鞋开始在虚拟现实环境中动作时，由虚拟现实系统根据每只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据，将压力数据减小的智能万向轮滑鞋确定为抬起脚所穿智能万向轮滑鞋，而将压力数据增大的智能万向轮滑鞋确定为支撑脚所穿智能万向轮滑鞋；
虚拟现实系统计算出当前两只智能万向轮滑鞋各自重心的连线中点投影在行走地面上的投影位置相对于位置原点产生平移时所具有的平移方向F1及平移速率V，以及计算出当前两只智能万向轮滑鞋各自底座的中轴线之间的角平分线相对于初始朝向的转动方向F2及转动角速度W；
虚拟现实系统将平移方向F1、平移速率V、转动方向F2及转动角速度W发送给支撑脚所穿智能万向轮滑鞋，支撑脚所穿智能万向轮滑鞋的全向轮以平移速率V朝平移方向F1相反的方向产生平移转动并同时以转动角速度W朝转动方向F2相反的方向转向转动，直到当使用者回到位置原点并保持初始朝向时支撑脚所穿智能万向轮滑鞋停止运动。
7.根据权利要求6所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其特征在于，若其中一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据减小为0，则判断此只智能万向轮滑鞋为使用者当前的抬起脚所穿智能万向轮滑鞋，相应的另一只智能万向轮滑鞋的压力传感器所输出压力数据增大从而确定为使用者当前的支撑脚所穿智能万向轮滑鞋。
8.根据权利要求6所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其特征在于，还包括：虚拟现实系统控制使用者在虚拟环境下所操控游戏角色跟随使用者双脚的实际行动在游戏中移动。
9.根据权利要求6所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其特征在于，感测部为红外标记或光学传感器。
10.根据权利要求6所述用于虚拟现实的智能万向轮滑鞋的控制方法，其特征在于，全向轮为麦克纳姆轮或连续切换轮。
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