CN108538127A - 模拟真实行走的装置及其控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种模拟行走的装置及其控制方法和系统，该装置用于模拟在虚拟世界中的行走运动，包括：原地行走器、护栏和助力器，原地行走器用于为使用者行走提供平台，且原地行走器的表面设置有包覆层；护栏，设置在原地行走器上方，用于限制使用者在原地行走器上的行走范围不超过原地行走器的安全范围；助力器，设置在原地行走器下方，用于通过感知使用者的移动意图而向包覆层施加助力以实现使用者在原地行走器上进行真实行走。该装置在使用者在原地行走器上行走过程中通过护栏对使用者行走的范围进行限制，防止发生危险，并通过助力器提供助力，从而实现使用者不仅可以在虚拟世界中行走，还能在行走过程中带来与真实世界中行走相同的感受。

Description

模拟真实行走的装置及其控制方法和系统

技术领域

本公开总体涉及虚拟现实技术领域，具体而言，涉及一种模拟真实行走的装置及其控制方法和系统。

背景技术

最近虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术借助计算机系统及传感器技术生成一个三维环境，创造出一种形式新颖的人机交互状态，通过调动用户所有的感官(视觉、听觉、触觉、嗅觉等)带来更加真实的、身临其境的体验。VR技术可以广泛应用于游戏、新闻媒体、社交、体育与比赛、电影、演唱会、教育、电商、医学、城市规划、房地产等领域。

在一些应用场景中，使用者在佩戴VR设备(例如头戴式的VR设备)进行虚拟世界行为时，往往无法在虚拟世界中模拟真实世界中的行走、移动及下肢动作，使得用户体验下降。为了在虚拟世界中模拟行走等下肢动作，可以在使用者的脚踝上佩戴感知设备，并让使用者原地踏步或通过捕捉脚踝的移动来模拟行走，但缺点是使用者并不是在做真正的行走，不能体验身体劳累感，也无法用身体真实度量虚拟世界中的距离，无法做到奔跑、以及上坡等速度上的感知，真实性较差。另外，还需要使用者利用手持控制器、键盘、触摸屏等使用户移动，或采用其他方式的VR设备来模拟行走，会占用使用者除下肢以外的其他部位，体验效果较差。

因此，需要一种新的模拟真实行走的装置及系统。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开提供一种模拟真实行走的装置及系统，以解决现有技术中在虚拟现实世界中模拟行走的真实性差、体验效果差的技术问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一方面，提供一种虚拟行走装置，用于模拟在虚拟世界中的行走运动，包括：

原地行走器，用于为使用者行走提供平台，且所述原地行走器的表面设置有包覆层；

护栏，设置在所述原地行走器上方，用于限制所述使用者在所述原地行走器上的行走范围不超过所述原地行走器的安全范围；

助力器，设置在所述原地行走器下方，用于通过感知所述使用者的移动意图而向所述包覆层施加助力以实现所述使用者在所述原地行走器上进行真实行走。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

支撑柱，所述支撑柱的下端和上端分别连接所述原地行走器和所述护栏，用以支撑所述护栏。

在本公开的一种示例性实施例中，所述原地行走器和/或所述护栏与所述支撑柱在竖直方向上的连接位置可调节。

在本公开的一种示例性实施例中，所述护栏的内侧还设置有缓冲装置，用于减轻所述使用者撞击到所述护栏的冲击。

在本公开的一种示例性实施例中，所述原地行走器具有圆盘状平台，所述包覆层覆盖在所述圆盘状平台的表面，且所述包覆层可在360度方向上进行移动。

在本公开的一种示例性实施例中，所述护栏为与所述原地行走器同圆心设置的环状结构。

在本公开的一种示例性实施例中，所述护栏的半径小于所述圆盘状平台的半径。

在本公开的一种示例性实施例中，所述助力器还设置有感测器，用于感知所述使用者下肢的移动趋势，并根据所述移动趋势来驱动所述包覆层的移动。

在本公开的一种示例性实施例中，所述助力器还具有控制单元，用于改变所述助力器对所述使用者行走过程中摩擦力的大小。

在本公开的一种示例性实施例中，在所述使用者移动过程中，原地行走器在真实世界中移动的距离与虚拟世界移动的距离保持一致。

根据本公开的一个方面，提供一种虚拟行走装置的控制方法，包括：

通过原地行走器为使用者提供行走的平台；

通过护栏限制所述使用者在所述原地行走器上的行走范围不超过所述原地行走器的安全范围；

通过助力器感知所述使用者的移动意图而向所述包覆层施加助力以实现所述使用者在所述原地行走器上进行真实行走。

根据本公开的一个方面，提供一种虚拟行走系统，包括：

以上所述的虚拟行走装置；

头戴显示设备，与所述虚拟行走装置之间通信连接，使用者佩戴所述头戴显示设备，并在所述虚拟行走装置上进行行走。

根据本公开的技术方案，能够得到以下技术效果：

通过提供原地行走器，使得使用者可以在原地行走器上进行行走，通过护栏对使用者行走的范围进行限制，防止发生危险，并通过助力器与原地行走器相结合并为其提供助力，给使用者带来真实行走的感受，从而实现使用者不仅可以在虚拟世界中行走，还能在行走过程中带来与真实世界中行走相同的感受。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1示出本公开一实施例中提供的一种虚拟行走装置的示意图。

图2示出本公开另一实施例中提供的一种虚拟行走装置的示意图。

图3示出虚拟行走装置的一种连接结构示意图。

图4示出虚拟行走装置的另一种连接结构示意图。

图5示出本公开又一实施例中提供的一种虚拟行走系统的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

图1示出本公开一实施例中提供的一种虚拟行走装置的示意图。

如图1所示，该虚拟行走装置100包括：原地行走器101、护栏102和助力器103。

其中原地行走器101用于为使用者行走提供平台，且原地行走器101的表面设置有包覆层；护栏102设置在原地行走器101上方，用于限制使用者在原地行走器101上的行走范围不超过原地行走器101的安全范围；助力器103设置在原地行走器101下方，用于通过感知使用者的移动意图而向包覆层施加助力以实现使用者在原地行走器101上进行真实行走。

该装置通过提供原地行走器，使得使用者可以在原地行走器上进行行走，通过护栏对使用者行走的范围进行限制，防止行走过程中发生危险，并通过助力器与原地行走器相整合并为其提供助力，给使用者带来真实行走的感受，从而实现使用者不仅可以在虚拟世界中行走，还能在行走过程中带来与真实世界中行走相同的感受。

图2也示出本公开一实施例中提供的一种虚拟行走装置的示意图。

如图2所示，该装置100’中不仅仅包括原地行走器101、护栏102和助力器103，还包括支撑柱104，支撑柱104的下端和上端分别连接原地行走器101和护栏102，用以支撑护栏102。

通过设置支撑柱104使得护栏102与原地行走器101在竖直方向(也就是使用者站立的方向)上具有一定的相对距离。由于护栏102的作用是对使用者除了下肢以外的身体活动范围进行限定，通常护栏102设置在使用者腰部的位置会较为舒适，也就是护栏102与原地行走器101在竖直方向上的相对距离大概等于使用者的脚底到腰部的距离，这样当使用者在行走过程中一旦将要超出原地行走器的安全范围的时候，使用者的腰部会撞击到护栏上，从而提醒使用者注意。

图3示出该虚拟行走装置的一种连接结构示意图，如图3所示，其中的原地行走器101具有圆盘状平台101a，且圆盘状平台101a的表面设置有可在360度方向上进行移动的包覆层。该包覆层的材质可以是圆盘状平台101a外层包裹无缝密封的胶皮，类似跑步机上跑带的胶皮材质，主要材质为聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，简称PVC)。使用者在原地行走器上行走时带动圆盘状平台101a的胶皮移动，来实现使用者的原地移动。原地行走器的脚感为硬度材质，当使用者行走在上面的时候，脚感为实体响应，真实的脚感和外观与游戏厅的跳舞机类似。原地行走器利用胶皮等材质的实体平台来支撑使用者的身体(具体来说一般是使用者在原地行走器上站立或行走)。

另外，圆盘状平台101a外侧还可以设置有一圈环状的防护结构101b，用于将可以移动的胶皮平台支撑起来，同时还可以对中间的可以移动的胶皮平台提供保护作用，防止外界磕碰造成圆盘状平台101a的损坏。该防护结构101b的尺寸可以根据需要设定，通常防护结构101b的宽度为10～15cm左右即可满足需求，既能对圆盘状平台101a起到保护作用，又能避免整个装置占用面积太大。

需要说明的是，图3所提供的原地行走器的结构仅为一种实施方式的示意图，在其他实施方式中，原地行走器的形状以及材质还可以进行更加多样的变化，例如形状可以是椭圆形，包覆层的材质也可以是类似胶皮的取代结构，此处不再一一列举。

如果以原地行走器为圆盘形结构为例，如图3所示，护栏102为与原地行走器101同圆心设置的环状结构，可以固定使用者的腰部围绕一周进行限制，用户在原地行走器101上行走的过程中，当下肢以上部位(主要是胯部、腰部)碰触到护栏102时，会自然而然遇到反作用力而受到阻挡。这样当使用者在原地行走器101上行走时，可以保证使用者始终保持在原地行走器上进行行走，而且是在原地行走器的安全范围内行走。因为通常使用者在使用虚拟行走装置模拟在虚拟世界进行行走的过程中会配戴一个头戴设备，在行走期间视线会受到影响，因此需要使用护栏保证使用者的安全。

更进一步的，护栏102的半径可以小于圆盘状平台101a的半径，这样可以将使用者的行走范围限定在原地行走器的安全范围以内，不会走到圆盘状平台之外的位置。虚拟行走装置类似于婴幼儿学习走路的学步车，保证使用者在视线受限的条件下不会因为行走而摔倒或影响平衡。

需要说明的是，本实施例中的“安全范围”是指使用者在原地行走器上行走时下肢不会超出圆盘状平台101a的边缘，也就是安全范围的参考值可以是距离原地行走器101最外侧边缘向内10cm的位置，也就是护栏102的半径比圆盘状平台101a的半径小10cm，也可以是圆盘状平台101a的外边缘的位置。

另外，由于护栏是一个环状结构，为方便使用者进出到该装置，该环状结构为非封闭式结构。例如，可以将护栏的某一段设置为可以活动的护栏，这一段可以活动的护栏可以手动地打开和关闭，还可以通过按钮式、开关式、感应式等电动控制的方式来打开和关闭。活动的护栏的长度可以是环状结构的四分之一、三分之一或者二分之一均可，只要宽度可以容许大部分使用者通过即可，或者将护栏打开的宽度设置为可调节的，即可以设定几个打开调节档位，每个档位对应不同的打开宽度大小，具有非常灵活的可调节性。

除了护栏打开宽度的大小，对于护栏打开的实现方式也可以是多种的.例如，护栏可以是部分套管式打开的方式，如图3所示的护栏结构示意图，管状的护栏包括固定部分和活动部分，固定部分具有中空结构，活动部分内套于固定部分的中空结构而且活动部分还可以在固定部分的中空结构中滑动。当护栏打开时(即护栏为非封闭状态)，护栏的活动部分内套于固定部分的中空结构中，在护栏的活动部分形成入口，允许使用者进入或走出护栏；当护栏关闭时(即护栏为封闭状态)，护栏的活动部分从固定部分的中空结构中抽出来，活动部分和固定部分形成一个封闭的环状结构。类似的，管状护栏包括固定部分和活动部分，还可以是活动部分具有中空结构，而将固定部分内套于活动部分的中空结构而且固定部分可以在活动部分的中空结构中滑动，同样可以通过移动活动部分实现护栏的打开和关闭，原理与上述类似，即当护栏打开时(即护栏为非封闭状态)，通过移动活动部分使得护栏的固定部分内套于活动部分的中空结构中，在护栏的活动部分移动前的位置就可以形成入口，允许使用者进入或走出护栏；当护栏关闭时(即护栏为封闭状态)，护栏的固定部分从活动部分的中空结构中抽出来，活动部分和固定部分也可以形成一个封闭的环状结构。

除了上述套管式结构，护栏的活动部分还可以是以折叠打开，或者活动部分与固定部分通过铰接方式连接，等等除此之外还可以是其他方式实现护栏的打开和关闭。在实际应用中，采用套管式结构更加节省空间，而且便于操作。

还如图3所示，护栏102和原地行走器101可通过一根曲柱体作为支撑柱进行支撑，为了不让使用者的脚碰触到支撑柱，该支撑柱的两端通过半圆形抛物线而与护栏102和原地行走器101进行连接。需要说明的是，图3所示的支撑柱的主体结构是一个连接在护栏102与原地行走器101之间的垂直柱体，在其他实施方式中，该支撑柱还可以与护栏102或原地行走器101的平面具有一定的夹角，如图4所示，示出了护栏与原地行走器之间的另一种连接结构。另外，支撑柱可以是一根或多根，为了保证护栏的稳定性，可以再护栏102的一圈上均匀设置几根支撑柱，如图4所示，设置了3根支撑柱用以支撑护栏。

更进一步的，原地行走器101和/或护栏102与支撑柱104在竖直方向上的连接位置可调节，这样可以满足不同年龄、不同身高的使用者的多样化需求。在实际应用中，可调节的连接位置可以设置在原地行走器101与支撑柱104连接的位置，还可以设置在护栏102与支撑柱104连接的位置，还可以同时设置在原地行走器101与支撑柱104连接的位置以及护栏102与支撑柱104连接的位置。

在实际应用中，可以在支撑柱上设置几个带有高度尺寸标记的卡位，通过调节卡位来调节原地行走器101与护栏102之间的相对距离，同时有高度尺寸做参考，更加方便使用者调节，例如，如果该装置为多人使用的，则可以在出厂说明中提供适合各个身高阶段的卡位，方便使用者一次性调节到位，无需多次试验。

还进一步的，护栏102的内侧还设置有缓冲装置102a，用于减轻使用者撞击到护栏的冲击。例如，可以在护栏102的最内侧围绕一圈主要材质为橡胶和泡沫的合成体的套圈，用以提高使用者身体碰触到护栏时的舒适度，防止使用者因碰撞到较硬的护栏上身体受伤，这样不仅可以提醒使用者注意不要超出行走的安全范围，同时利用更为舒适的方式给使用者身体以反馈，提高体验舒适度。

本实施例中的助力器103能为使用者提供稳定的助力，从而使使用者在原地行走器101上移动时感受更加贴近真实世界中的运动。另外，助力器103中还设置有感测器(图3中未示出)，用于感知使用者下肢的移动趋势，并根据使用者的移动趋势来驱动原地行走器上胶皮的移动。本实施例中的助力器类似于在开车时转动方向盘而驱动轮胎转向的助力器。通过助力器与原地行走器相整合或联接，以在使用者使用原地行走器101时不必使用自身的肌肉力量来实现胶皮的移动。

另外，本实施例中的助力器103还具有控制单元(图3中未示出)，用于改变助力器对使用者行走过程中摩擦力的大小。在其它相关实施例中，通过为使用者提供物理的真实感受，助力器103能够用来给使用者产生额外的触觉或反馈。通过助力器103的控制单元，通过改变例如摩擦力的因子或百分比，来为使用者提供不同摩擦力的触觉感受，例如，通过改变助力器103的输出，还能实现其它形式，例如施加“强助力”，使使用者走起来更轻松，从而可以在虚拟环境中真实地感受到下坡的体验；例如施加“阻力”，使使用者走起来更费力，从而可以在虚拟环境中真实地感受虚拟环境中上坡的体验。

在其它相关实施例中，虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统可以与“原地行走器”及“助力器”相整合，虚拟现实系统会采集用户的行走距离、速度、曲线，实时传输至VR或AR的中央管理器进行虚拟感官的投影，做到真实世界移动距离与虚拟世界移动距离保持一致，以给使用者提供同步的视觉听觉触觉体验。

综上所述，本实施例中提供的在虚拟世界中模拟行走的装置不仅能模拟与真实世界移动距离保持一致的感觉，即在真实世界中走一米，在虚拟世界中也是走一米的视觉效果，而且通过助力器给使用者带来上坡和下坡不同的感受。同时也带来与真实世界一致的触觉效果，如果使用者佩戴头盖设备，还可以听见虚拟环境中的各种声音，从而实现对真实世界中视觉听觉触觉等多方位的真实模拟。行走过程中通过护栏对使用者的安全进行保护，同时具有提示作用，提升用户体验。

图5还示出本公开又一实施例中提供的一种虚拟行走系统的示意图。

如图5所示，该系统1000中包括：上述的虚拟行走装置100和头戴显示设备200，头戴显示设备200与虚拟行走装置100之间通信连接，使用者佩戴头戴显示设备200，并在虚拟行走装置100上进行行走。

其中的头戴显示设备200可以是一个VR眼镜，也可以是增强现实技术(AugmentedReality，简称AR)眼镜，能够为佩戴的使用者在视觉以及听觉方面提供较为真实的体验。

头戴显示设备200与虚拟行走装置100之间的通信方式可以是有线通信，还可以是通过蓝牙、WIFI等无线通信。如果是有线通信方式，则可以在虚拟行走装置100的基础上增加支架，将头戴显示设备安装在支架上，并将头戴显示装置与虚拟行走装置电性连接，实现两者之间信号的有线传输。

上述系统可以用于佩戴VR设备参观酒店的场景，使用者在虚拟环境中查看酒店时，可以更真实的感受酒店的环境。使用者通过在虚拟行走装置中脚步的移动来丈量酒店房间的大小，体验酒店的风格，犹如在虚拟的酒店中真实的行走，有利于使用者真实的体验酒店，从而选择适合自己的酒店或客栈。佩戴VR眼镜或其他设备参观酒店，佩戴下肢感知器让使用者原地踏步模拟使用者行走，使用手持设备、键盘、触摸屏使得使用者移动。

本公开通过原地行走器，把在真实世界的使用者行走距离及方向1：1的投射到虚拟世界，使得使用者在虚拟世界中的移动与真实世界尽可能相同，并让使用者得到身体劳累、下肢肌肉协调的反馈体验，从而增加使用者在虚拟世界中的真实感受，做到使用者移动一米，虚拟世界移动一米的精准模拟。

综上，通过该系统使用者可以在原地行走器上模拟在虚拟世界中的行走动作，从而模拟出在真实世界行走的真实效果。

应清楚地理解，本公开描述了如何形成和使用特定示例，但本公开的原理不限于这些示例的任何细节。相反，基于本公开公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施方式。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种虚拟行走装置，用于模拟在虚拟世界中的行走运动，其特征在于，包括：

原地行走器，用于为使用者行走提供平台，且所述原地行走器的表面设置有包覆层；护栏，设置在所述原地行走器上方，用于限制所述使用者在所述原地行走器上的行走范围不超过所述原地行走器的安全范围；

助力器，设置在所述原地行走器下方，用于通过感知所述使用者的移动意图而向所述包覆层施加助力以实现所述使用者在所述原地行走器上进行真实行走。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

支撑柱，所述支撑柱的下端和上端分别连接所述原地行走器和所述护栏，用以支撑所述护栏。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述原地行走器和/或所述护栏与所述支撑柱在竖直方向上的连接位置可调节。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述护栏的内侧还设置有缓冲装置，用于减轻所述使用者撞击到所述护栏的冲击。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原地行走器具有圆盘状平台，所述包覆层覆盖在所述圆盘状平台的表面，且所述包覆层可在360度方向上进行移动。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述助力器还设置有感测器，用于感知所述使用者下肢的移动趋势，并根据所述移动趋势来驱动所述包覆层的移动。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述助力器还具有控制单元，用于改变所述助力器对所述使用者行走过程中摩擦力的大小。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述使用者移动过程中，原地行走器在真实世界中移动的距离与虚拟世界移动的距离保持一致。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的虚拟行走装置的控制方法，其特征在于，包括：

通过原地行走器为使用者提供行走的平台；

通过护栏限制所述使用者在所述原地行走器上的行走范围不超过所述原地行走器的安全范围；

通过助力器感知所述使用者的移动意图而向所述包覆层施加助力以实现所述使用者在所述原地行走器上进行真实行走。

10.一种虚拟行走系统，其特征在于，包括：

权利要求1-8中任一项所述的虚拟行走装置；

头戴显示设备，与所述虚拟行走装置之间通信连接，使用者佩戴所述头戴显示设备，并在所述虚拟行走装置上进行行走。