CN109414612A - 虚拟现实触觉系统和装置 - Google Patents

Abstract

一种虚拟现实(VR)系统包含VR显示器和VR运动装置，所述VR运动装置包含可以支撑系统用户的手和脚的手部接合部和脚部接合部。所述VR运动装置允许用户的四肢在包含竖直、横向以及前后方向运动的三维空间中运动。运行VR软件的计算机将所述VR运动装置和所述VR显示器进行协调和同步以向系统用户提供VR环境中的模拟活动。

Description

虚拟现实触觉系统和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年4月19日提交的名称为《触觉运动机器人(Haptic ExerciseRobot)》的美国临时专利申请第62/324,519号的优先权，其通过引用以其整体并入本文。

背景技术

虚拟现实(VR)系统是基于计算机的系统，为参与者提供在形成三维虚拟世界的模拟环境中的行动体验。大多数VR系统使用的是视觉头戴设备，允许用户在计算机生成的环境内查看并且虚拟地运动。一些VR系统通过添加联接到用户身体的机械设备来增强视觉体验，从而为用户身体的运动提供触力或阻力。然而，这些类型的VR套装是必须由用户佩戴的复杂机械设备。我们需要的是一种改进的系统，它允许系统用户体验物理阻力和反馈，但不要求用户佩戴机械设备。

发明内容

VR系统可包含VR运动装置，所述装置包含可以支撑系统用户的手和脚的手部接合部和脚部接合部。所述VR运动装置允许用户的四肢在三维空间中运动，而不仅仅是沿着竖直的矢量运动。由于用户的运动可能包含竖直(Y方向)、横向(X方向)和/或前后(Z方向)运动，VR运动装置可以为用户提供模拟真实的体育活动，比如像在真实世界的攀爬环境中一样攀爬。

所述VR系统可以包含在计算机上运行的VR程序，所述VR程序将VR环境中的用户的运动通过显示器并且通过VR运动装置进行可视化同步以获取触觉体验。显示器可被内置于VR头戴设备中，其可以包含音频系统。视觉信号与VR运动装置的控制信号进行协调或同步，这样视觉虚拟环境与VR运动装置的手部接合部和脚部接合部的运动限制完全匹配。更具体地，VR程序可以显示包含虚拟物体的地形VR环境，如土地、山脉、结构、车辆等。VR软件可以允许手部接合部和脚部接合部在自由空间中运动，但可以防止穿过虚拟物体运动，这样当与任何虚拟结构进行虚拟接触时，用户的运动就会停止。这些物体可以与VR视觉显示器同步，这样用户就可以看到和感觉到虚拟物体，从而保持VR错觉。

在不同的实施例中，VR系统可以用来模拟各种体育活动，如：散步、跑步、爬山、滑冰、滑雪、滑板滑雪、开车、骑自行车、游泳、划船、风帆冲浪、滑水、尾波滑水、风筝滑水等。VR机器还可以提供用于训练模拟、物理治疗、体育锻炼等的方法。VR系统可以是一种在模拟环境中进行危险活动训练的安全方式，如：攀岩、跳伞、滑翔伞运动、极限滑雪等。本发明的VR系统可以用于健身房、健身俱乐部、酒店以及其它可能找到健身设备或体验设备的地方。

附图说明

图1展示了带用户的VR运动装置的实施例的透视图。

图2展示了VR运动装置的框架的实施例的透视图。

图3展示了VR运动装置的框架和托架的实施例的透视图。

图4至图6展示了VR运动装置的框架、托架以及剪式千斤顶机构的实施例的透视图。

图7展示了带用户的VR运动装置的实施例的侧视图。

图8展示了带用户的VR运动装置的实施例的前视图。

图9展示了X、Y以及Z方向坐标力线图。

图10展示了X、Y以及Z方向加速度图。

图11和图12展示了VR运动装置的实施例的透视图，展示了框架、托架以及剪式千斤顶机构的运动。

图13至图15展示了VR运动装置的实施例上的用户运动的前视图。

图16至图18展示了带VR地形的VR运动装置的实施例上的用户运动的侧视图。

图19展示了VR运动装置的可替换实施例。

图20展示了与VR系统一起使用的计算机系统的实施例。

具体实施方式

本发明提供一种模拟与数字、三维、VR环境进行视觉和身体交互的VR系统。本发明的VR系统可以包含头戴设备和可支撑用户的机械VR设备。计算机生成的VR三维(3D)环境可以由用户通过VR头戴设备看到并且视觉VR环境可以创建一个“触觉机器人”运动装置，将用户感觉到的物理上的模拟力与VR环境中将会存在的预期体力进行协调。结果是一种既欺骗视觉又欺骗身体交互的体验，就像手和脚所感受到的那样，以及引申开来由用户的手臂、背部、腿部、核心肌肉等所感受到的那样。通过增加身体的力量，本发明的VR系统可以创造一种更完整的VR沉浸感。用户立体地“看到”并且空间地感觉到用户周围VR世界的精确复制品。当用户在VR环境内交互时，用户会“感觉到”这种交互的模拟身体反应。

例如，在实施例中，用户可以选择虚拟地攀爬一个结构，如艾菲尔铁塔。从视觉上看，他们会用头戴设备“看到”这座塔的精确复制品，以及背景中的巴黎，连同气雾、云朵等。在前景中，用户会看到他们的数字创造的手在他们的视野范围内运动，伸手去抓杆，或者在他们攀爬时向下拉。用户将与触觉VR锻炼装置进行身体接触。从身体上看，用户的手和脚会相对于彼此以及相对于虚拟环境运动，而预期物理阻力如同VR头戴设备中所看到的，就好像他们实际在向上攀爬一样。在实施例中，机器不提供向上运动的阻力。重力可在用户爬升时用于使用户重新居中，这样使得系统用户在适当位置运动。在跑步的应用程序中，VR环境可以是一个斜坡。在VR环境中，系统用户可以在跑步运动中移动双腿，并且VR运动装置可以使用重力来使用户重新居中，这样用户就真正地在适当位置在跑步。类似地，如果用户在爬山VR环境中，VR运动装置可以使用重力来使用户重新居中，那么用户就在适当位置攀爬。

在其它实施例中，用户可以使用本发明的VR系统来虚拟地体验各种其它类型的活动，包含玩耍、医疗、幻想、逃脱、娱乐、健身、训练等。此类VR模拟可以被设计用于各种用途，如：燃烧卡路里、锻炼特定肌肉群、恢复特定的焦点区域、发展肌肉记忆等。由于数字控制器驱动整个过程，所以每个运动都可以被存储和分析，以获得整个例程的有效性。这将反过来为患者提供准确的体育活动依从性监测或物理治疗进展信息，以提供给医生。在其它实施例中，本发明的VR系统可以用于其它目的，如为教练或私人教练进行客户培训监测。

参照图1，展示了VR锻炼装置100的实施例，所述装置可以包含能够存放总成的所有组件的刚性框架1。在实施例中，框架1可以包含四个相同的电枢总成2，其可以安装在能够在框架1上滑动的线性轴承3上。电枢总成2的运动可以参照XYZ坐标系来进行描述。线性轴承3可以允许电枢总成2以最小的摩擦在框架1上在X方向上横向滑动。电枢总成2可以包含联接到托架8的剪式千斤顶机构4，所述托架附接到线性轴承3上。托架8可以允许剪式千斤顶机构4在Y方向上相对于框架1运动。剪式千斤顶机构4可以各自具有一个联接到托架8的近端部分和可以具有用户接合部机构的远端。剪式千斤顶机构4在Y方向上相对于框架1扩展和收缩。用户可以与四个剪式千斤顶机构4的远端进行交互。剪式千斤顶机构4的远端可以被联接到：左手接合部、右手接合部、左脚接合部以及右脚接合部，这些接合部可以运动到框架1所限定的三维空间中的任意X、Y、Z位置。在实施例中，框架1可以限定X-Y“运动范围”，并且左手接合部、右手接合部、左脚接合部以及右脚接合部可以在X-Y运动范围内运动。在所展示的示例中，左手接合部、右手接合部、左脚接合部、右脚接合部以及用户20可以在框架1的Z范围平面外。

参照图2，展示了刚性框架1的实施例。框架1提供了触觉装置的支撑结构并且可以由可具有等截面(如正方形、长方形、圆形、或任何其它合适的横截面)的多个直管部组成。这些管道可以充当线性轴承的履带。在另一个实施例中，框架1可以被用作刚性结构，其上有线性轴承滑动并且安装了履带。在展示的实施例中，框架1是一个3D盒子，其具有在X、Y以及Z方向上延伸的平行管道，来限定装备内的运动空间。线性轴承可以在管道的外表面上滑动。在其它实施例中，管道可以有插槽，并且线性轴承可以在管道的内表面上滑动。

参照图3，左上托架8的实施例联接到线性轴承3，使得左上托架以最小的摩擦沿框架1的上外侧履带横向滑动。为清晰起见，这里只显示了一节托架8。线性轴承3允许托架8在X方向上运动。

参照图4，展示了带左上托架8和框架1的剪式千斤顶机构4的实施例。剪式千斤顶机构4联接到带附加线性轴承的托架8，所述附加线性轴承允许剪式千斤顶机构4在Z方向上相对于框架1运动。剪式千斤顶机构4可以进行扩展和收缩以调整远端的竖直位置。剪式千斤顶机构4的远端可以包含手或脚的连接。夹钳和线性轴承总成5控制前后运动，而剪式千斤顶机构4可以包含一个计算机控制的制动器，其对末端执行器11的重力驱动的下降进行调节。计算机可以监测组件运动并且确保所有的末端执行器11在重新居中运动期间以相同的速度运动。当发生“仅竖直运动”时，那么制动器4就会调节其向近端(对于手，对脚来说是相反)的运动。因此，剪式千斤顶机构4可以控制用户的竖直Y方向位置以及用户的竖直运动。触觉装置的线性轴承3、托架8以及剪式千斤顶机构4链接用户的所有三维运动。

除提供3D运动外，触觉装置可被配置成阻止或抵抗剪式千斤顶机构2的远端的运动，以便模拟触觉3D VR环境。在展示的实施例中，托架8和剪式千斤顶机构2的运动是使用联接到齿轮17的多个正时皮带6和轴7进行控制的，所述齿轮可以控制触觉装置中所有运动组件的运动。正时皮带6可以包含啮合齿轮上的齿的齿。链接的剪式千斤顶机构2的向下运动可以由用户的远端上的引力作用产生。此向下运动可以由微处理器控制的电动机或制动器来调节。正时皮带5和花键齿轮17以及轴7链接剪式千斤顶机构2的远端处的脚和手的联接的所有横向和前后运动。这就迫使所有四个末端执行器的运动矢量保持一致和同步。在实施例中，四个末端执行器可以是左手接合部、右手接合部、左脚接合部以及右脚接合部。

参照图5，剪式千斤顶机构4的前后运动和横向运动可以分别由前后控制电机19和横向控制电机18来控制。啮合时，横向控制电机18可以在相同方向上在单一同步运动中驱动连接触觉系统的所有四个托架8的第一正时皮带6。前后控制电机19可以连接到驱动花键轴7的花键齿轮17，当旋转时，花键齿轮可以同时在Z方向上向前移动所有四个剪式千斤顶机构2。当前后控制电机19向相反的方向旋转时，花键齿轮17和花键轴7的反向运动可以同时向后移动所有四个剪式千斤顶机构2。在框架1的顶部处的花键齿轮17和轴7以及在框架1的底部处的另一个轴29与正时皮带28连接，迫使上部剪式千斤顶机构2和下部剪式千斤顶机构2之间的同时运动。

图6展示了触觉装置的近景透视图。在本实施例中，前后控制电机19可以直接联接到花键轴7，其跨框架1的宽度延伸。齿轮17安装在花键轴7的另一端上，并且皮带28围绕着齿轮17并且在框架1的右侧向下延伸，以控制跨框架1的底部边缘宽度延伸的另一个花键轴29的旋转。滑动轴齿轮12可以绕花键轴7安装，可以沿长度滑动并且也可以随花键轴7旋转。滑动轴齿轮12安装在托架8上，并控制剪式千斤顶机构4在Z方向上相对于托架8的运动。花键轴17可以旋转一个控制托架8的前后运动的齿轮，并且还可以包含一个控制剪式千斤顶机构2在Z方向上相对于托架8的前后运动的皮带。

横向控制电机18联接到一个控制皮带6的运动的齿轮，所述皮带6跨框架1的上部宽度延伸，然后沿框架1的右侧和框架1的底部水平面向下延伸。托架8的皮带6可以联接到皮带，这样皮带在第一方向上的运动可以使托架8向右运动，并且皮带6在相反方向上的运动可以使托架8相对于框架1向左运动。

图7展示了本发明的VR运动装置的实施例的左侧正交视图。用户20用手握住末端执行器11上的握柄。末端执行器11可以是可被用户的左手和右手抓握的左手接合部和右手接合部。用户的脚可以被固定在脚剪式千斤顶机构的远端处的左脚接合部和右脚接合部上，跨过脚9的顶部带有与自行车绑带或打包带类似的绑带。剪式千斤顶机构在线性轴承10上在Z方向上前后滑动。

在“自由运动”状态下时，轴承10、托架和剪式千斤顶机构可以自由运动。然而，当用户通过一个或两个末端执行器11虚拟地“抓握”虚拟结构时，计算机控制的电机和制动器可以被致动以停止进一步的运动来模拟用户与VR物体的接触。在被计算机控制以模拟与VR物体的接触时，所连接的一个或多个剪式千斤顶机构4和托架2通过皮带夹钳21立即牢牢地固定到它们各自的特定正时皮带6。在此类VR接触点处，一些或全部的剪式千斤顶机构4可以将用户20保持在一个固定的位置。如果计算机上运行的VR软件指示需要重新居中，并且所有的剪式千斤顶机构4可以将用户20保持在一个固定的位置，剪式千斤顶机构4可以一起运动以将用户20在框架1的运动范围内重新居中。在重新居中的过程中，计算机可以将所有末端执行器11移动到相同的相对位置上，同时将末端执行器11在框架1所限定的空间的运动范围内居中。

每一节托架8都可以包含一个滑动轴齿轮12，其与安装在托架8上的前后正时皮带6联接。这个滑动轴齿轮12键入到一个花键轴(本视图中未示出)，允许所有的皮带同时运动。自由旋转滑轮13安装在托架8的相对端，这样使得前后正时皮带6形成一个紧密的循环。正时皮带6的运动使得剪式千斤顶机构4在Z方向上运动。

图8展示了VR装置的实施例的后正交正视图。皮带夹钳在“释放”状态时，四个电枢总成2可以随着线性轴承3在框架1上在X方向上滑动而自由地在横向运动中滑动，以减少摩擦。前后运动(Z方向)和上下(Y方向)运动同样是自由的，以允许用户20在“释放”状态下运动。用户20在手10和脚9处的末端执行器11接触本发明。由于所有向下的力都是用正时皮带和花键轴链接的，所以累积向下的压力总是可以与用户的总体重相等。当皮带夹钳啮合的时候，四个剪式千斤顶机构4中的一部分或全部可以保持在固定状态，模拟对用户手和脚的固体结构。这得到了一个静止结构的视觉确认的加强，所述静止结构由计算机生成并且在VR头戴设备或其它视觉显示器中看到。

当皮带夹钳啮合并且VR机器需要将用户重新居中时，所有四个剪式千斤顶机构4可以在同步运动中根据需要在X、Y和Z方向上运动——竖直、横向、前后，以便将用户20返回到机器的框架1的中心，防止剪式千斤顶机构4移出或接触VR机器的运动范围。

参照图9，展示了多个X方向、Y方向以及Z方向运动矢量。为了随着用户在适当位置“攀爬”而受控地特意使其身体重新居中，剪式千斤顶机构以同步的方式运动并拉长或收缩、前后运动、并且横向运动。当末端执行器被从开始位置30到最终位置36重新居中时，向下运动32和前后运动33以及横向运动34的组合决定了它的总体矢量35。微处理器控制电机和制动器，以便使末端执行器沿选定的矢量35运动。

每个笛卡尔矢量的速度都在加速和减速，以减少用户的运动感觉。这个速度可以以样条曲线的形式出现。由于存在三种运动：负Y运动32、负Z运动33和正X运动14，所以最高速度可能对于X运动、Y运动和Z运动是不同的，这样它们都在同一时间恰巧到达最终位置36。在本示例中，Y运动32大于Z运动13或X运动34。因此，Y运动32的速度将大于Z运动13或X运动34的速度。这就确保了从开始位置10到结束位置36的运动对用户感觉像是一条直线。

参照图10，展示了一个图表，展示出末端执行器在开始位置处的运动40的起点与结束位置处的运动46的终点之间的运动过程中在X、Y以及Z方向上的速度。X方向速度44、Y方向速度43以及Z方向速度42都以极低的速度开始和结束。然而，X方向速度44、Y方向速度43以及Z方向速度42都在运动过程的中间提高到最大速度，然后在到达最终位置处的运动46的终点之前减速。因为该运动有一个更长的竖直行程，所以Y速度42大于X速度44或者Z速度43。Z距离和Z速度43大于X距离或X速度44。运动40开始和运动46结束时的缓慢速度有助于将容易检测到的加速度降到最低，这样重新居中就更容易被系统用户检测到。

参照图11，展示了在非居中位置的单个电枢总成2的简化实施例。在本实施例中，电枢总成2包含：剪式千斤顶机构4、皮带6、横向运动控制电机18、前后运动控制电机19以及计算机控制的前后皮带夹钳21。正时皮带6可以将上花键轴7与下花键轴(未示出)连接，以便使所有的前后运动达到同步性。当前后运动控制电机19旋转花键轴7时，滑动齿轮17可以沿托架8旋转和移动前后皮带。剪式千斤顶机构4可以在Z方向上相对于托架8和框架1运动。当电机18旋转时，托架8和剪式千斤顶机构4可以在X方向上相对于框架1运动。剪式千斤顶机构4具有联接到前后正时皮带5的两个近端。当夹钳21被释放时，远端执行器11可以在Y方向上竖直地自由运动，然后夹钳21被致动，末端执行器11可以在适当位置被锁定以防止在Y方向上的运动。

参照图12，展示了从非居中位置到居中位置运动的单个电枢总成2的简化实施例。一旦软件“确定”了正确的运动矢量后用户的最低脚被重新居中时，横向运动控制电机18和前后运动控制电机19就会将末端执行器沿水平运动平面重新安置。同时，下降运动控制器24对末端执行器11的向下运动进行调节。在一个实施例中，下降运动控制器24是一个电动机。在另一个实施例中，下降运动控制器24是机械制动器，能够通过创建特定阻力来调节运动。所有运动都被设计成沿所选的矢量移动末端执行器11，这样不管距离远近它们的开始和停止时间都是同步的。夹钳21是可以调整的，以控制末端执行器11的竖直运动速率。在展示的示例中，末端执行器11(从图11中展示的位置)的重新居中运动包含以下运动：负X方向48、负Y方向49以及负Z方向50。这样做，这些三维矢量将遵循直线路径和可变速度模式，如上面参照图9和图10所讨论的。

图1至图12中，展示了使用皮带、齿轮以及轴的VR运动装置的实施例，以执行末端执行器11的重新居中运动。在其它实施例中，可以使用其它机构来控制和限制末端执行器11的运动。在参照图13和图14的实施例中，电机500、501以及502可与VR运动装置505一起使用。图13展示了VR运动装置505的顶部的透视图，并且图14展示了整个VR运动装置505的透视图。在本实施例中，末端执行器11的竖直运动可以由竖直控制电机500控制，末端执行器11的前后运动可以由前后电机501控制，并且末端执行器11的横向运动可以由横向电机502控制。电机500、501以及502可以由计算机处理器控制，它允许末端执行器11在虚拟自由空间中自由运动，并防止末端执行器11穿过任何虚拟的固体物运动。在实施例中，电机500、501以及502可以是步进电机，它们还可以为X、Y以及Z方向上的末端执行器11提供位置信息。当末端执行器11被确定与VR物体的表面接触时，这些电机可以被激活以抵抗末端执行器11的旋转和运动。

图15示出了操作VR装置的用户20的前视图，并且展示了用户运动周期的第一步。在这种情况下，用户的手和脚被确定在虚拟抓握点上。机器保持静止，因为用户的最低脚固定在其中立起始状态25。在展示的实施例中，左脚末端执行器确定用户身体的最低点。机器计算了右脚末端执行器与其中立起始状态30之间的运动矢量26。直到最低脚的末端执行器抬起时才会发生重新居中运动，表明正在发生上升运动。最低脚末端执行器的这种运动可以触发所描述的重新居中运动。

参照图16，用户20已经从他们的左脚和右手释放了他们的确认抓握。左脚已经从其确认抓握点抬起，启动了机器的重新居中运动。根据将新的最低脚重新安置到中立起始状态30所需的矢量27，剩余的固定末端执行器、右脚以及左手重新居中，为用户的下一个运动做准备。随着用户和末端执行器现在都居中，用户在各个方向都有了自由的运动范围。虽然本图示出了两个维度上的运动，运动将包含Z方向(前后)运动，允许用户在自动重新居中之前在所有向上的方向上运动。

参照图17，用户已为左脚选择了一个新的、固定的位置，而右脚则保持其中立起始状态30。当用户抬起他们的最低脚时，在将成为新的最低脚的脚与其中立起始状态30之间计算了一个新的重新居中矢量，并且重复此重新居中过程。

本发明的系统可以通过VR头戴设备和所描述的触觉装置来协调提供给用户的视觉数据和触觉数据。在触觉装置中，每个笛卡尔运动矢量(X、Y以及Z)是由线性轴承方向限定的。与每个方向相关联的硬件组件可以连接到一个正时皮带上。通过这些连接，正时皮带的运动可以根据需要被来自微处理器的命令激活或释放。运动水平平面(X和Z方向)可以由电动机控制。Y方向(竖直)运动可以由电子计算机控制的制动器控制。在其它实施例中，Y方向可以由电动机或者任何其它可以使用的合适控制设备控制。

因此，当触觉装置用户不受阻碍地自由移动他们的手或脚时，前提是嵌入在握柄或脚部绑带内的传感器的空间保持在3D、数字环境之外。这样，他们的运动模拟了“真实世界”环境，在这个环境中，用户可以自由地移动手和脚，前提是他们不与固体物相交。如果用户将他们的手或脚定位并且因此将那个组件内的定位传感器放置在指定为“握把”或“可抓握实体”的元素的范围内，那么一直自由运动的机械组件现在稳固地夹在他们的正时皮带上，从而将其锁定在固定状态，仿佛他们抓握着一个固体或者与固体相交。只要向那个握柄施加向下的压力，夹钳就会保持啮合到正时皮带上。如果用户将手或脚举到那个“握把”上方，那么就像在“真实世界”中一样，握柄被释放，正时皮带脱离，用户可以再次不受阻碍地自由移动他们的手或脚。

软件的作用是检测手接合部和脚接合部与用户虚拟交互的VR表面之间的关系。例如，如果用户“击打”虚拟的固体，那么正时皮带夹钳就会在虚拟冲击下立即啮合。系统可以计算手传感器与虚拟固体之间交叉的时间和物理冲击。只要手传感器保持在此类位置，手就会保持锁定状态以防止进一步的运动。如果用户在冲击后收回他们的手，那么就会检测到这个离开虚拟物体的运动，并且正时皮带夹钳脱离，将手放回自由运动。用户可以戴上VR头戴设备，其带有一个投射VR环境的视觉显示器。3D VR环境空间可以由计算机协调以便允许用户在开放世界VR环境中运动，同时身体限制在VR装置的框架内。

在一些实施例中，VR系统可以使用和说明用户的特定动作以便在与虚拟物体的模拟物理接触与非接触之间转换。例如，为了“释放”握柄，用户可以简单地抬起他们的手或脚，就像他们在真实世界的攀爬环境中一样，将相应的手接合部或脚接合部从虚拟物体移开并移动到虚拟自由空间中。用户的这个运动可以向微处理器提供用户想要脱离这个特定握柄的信号，在这个时候，机器通过VR运动装置控制件释放对此肢体运动的所有限制。

图18示出了与用户20虚拟交互的虚拟表面400的侧视图。VR软件可以将在此虚拟环境内的三维空间中的多个点指定为“固体”表面或“非固体”开放空间。当用户在“非固体”空间中移动末端执行器11时，用户的手或脚可以在所有方向上不受阻碍地移动。当用户将末端执行器11移动到“固体”表面中时，用户的手或脚可以在虚拟表面的方向上虚拟地停止。在本示例中，用户的脚末端执行器9与虚拟地形402中的突起相交。这对用户来说感觉是固体的，因为VR软件已经确定末端执行器9放于合理固体VR表面上，虚拟地形402中的虚拟突起。因此，VR软件在虚拟地形402的下行方向上限制了脚末端执行器9相对于末端执行器9的运动，以模拟虚拟地形402上的脚架。VR软件可以允许脚末端执行器9相对于虚拟地形402在向上或向后的方向上运动。然而，用户的手末端执行器11在非固体开放空间中，因此他们可以自由地在虚拟开放空间内向任何方向不受限制地运动。

参照图19，用户可以选择将他们的手和末端执行器11安置在突起401中，以便在虚拟地形400中爬得更高。用户20已经用手虚拟地抓握住虚拟地形400中的虚拟突起401。手末端执行器11已与合理虚拟突出401特性相交，并进行了抓握动作。VR软件已经确定末端执行器11的位置在虚拟突起401上。VR软件可以通过限制末端执行器11相对于末端执行器9在虚拟地形402的下行方向上的运动来响应这种虚拟接触。VR软件还可以在X和Z方向上限制手末端执行器9的运动，以模拟虚拟突起401上的手柄。然而，VR软件可能不会限制手末端执行器9在竖直Y方向上远离虚拟突起401的运动。因此，末端执行器9将不再有完整的自由运动，这可以为用户20提供一种固体触觉感受，以模拟虚拟地形402的手柄。

参照图20，展示了运动装置上用户20的侧视图。用户20在推动一个没有抓握特性的虚拟表面400。在这种情况下，VR软件已经确定用户的手末端执行器11与虚拟表面400相交，因此它将沿这个矢量在Z方向上的继续运动限制于虚拟表面400中。然而，VR软件可能不会限制手末端执行器11在X或Y方向上的运动，因为虚拟表面400不会限制手末端执行器11在这些方向上的运动。在实施例中，力传感器可以确定用户继续在Z方向上向虚拟表面400推动，并且VR软件可以继续将这种继续运动限制在虚拟固体表面400中。如果用户选择在负Z方向上从虚拟表面400撤回他们的手和手末端执行器11，那么VR软件将感觉到相反方向的运动，并将立即允许所有方向上的不受阻碍的运动，以模拟开放空间中的自由手运动。

在实施例中，VR软件可以模拟虚拟手对虚拟表面400的摩擦力。Z方向上的运动可以被虚拟表面限制，末端执行器11在X和Y方向上的运动可以被模拟的摩擦力限制，这个摩擦力可以用方程式表示：摩擦力≤(摩擦系数)x正向力。如果摩擦系数是0.5，并且正向力是20磅的Z方向力，那么摩擦力≤10磅。这意味着，如果用户在X或Y方向上施加小于10磅的力，末端执行器就不会运动，因为这个X或Y方向力小于10磅。相反，如果用户在X或Y方向上施加超过10磅的力，末端执行器11会在X或Y方向上向力的方向运动。摩擦系数可以是可变的，并且可以依赖于虚拟表面400的材料。光滑材料(比如冰)的虚拟表面400具有的摩擦系数要比像橡胶履带这样的高抓握表面更低。在实施例中，VR系统可以存储多个虚拟表面400材料和针对不同材料的不同摩擦系数。末端执行器11可以有力转导器，它测量用户20所应用的力，并且计算机可以使用摩擦系数来计算摩擦力，以应用到带虚拟表面400的末端执行器11的触点。

虽然已经参照VR运动装置对本发明进行了描述，所述VR运动装置具有的框架1限定了运动范围并在上面参照图1至图17进行了描述，在其它实施例中，其它VR运动装置可以与本发明的系统一起使用。例如，在参照图21的实施例中，VR运动装置300可以采取有四只铰接手臂303大约10英尺高的大型机器人的形式，在X、Y以及Z轴各自包括三个旋转关节。用于手的平衡环握柄307、或者握住脚的平衡环上的脚部绑带309可被安装到手臂303的远端。类似的平衡环握柄307和脚部绑带309可以与上面参照图1至图17所描述的VR运动装置一起使用。

要使用VR运动装置300，用户走进脚部绑带309，并握住手平衡环握柄307。用户还可以戴上虚拟现实头戴设备，其可以包含视觉显示器和耳机，耳机放置在耳朵之中或之上，以减少外部声音并创造出立体声、三维声来进一步增强体验。

VR运动装置300的外观可以包括中央核心311，其可以是一个大约6英尺长、直径1英尺的圆柱形轴。手臂303可以绕中央核心311旋转，向用户伸展。如果用户选择通过俯卧改进的虚拟体验(飞行、游泳等)，中央核心311可以在基底313处包含另一个枢轴325，允许中央核心311通过倾斜致动器321的运动向后倾斜进入“俯仰”位置。在这种情况下，垫323将会靠在用户的腹部/胸部(如按摩台)上来稳定身体，以便隔离四肢的运动。

脚部绑带309和手平衡环握柄307允许脚和手分别绕着他们的脚踝和手腕旋转，这样，尽管手和脚可以自然地旋转，但力会被转换回电枢和整体运动中。在实施例中，机械臂303可以包含电机，以驱动手臂303的每个关节。这四支手臂303各自可以有三个关节315，总共有十二个关节315。每一个机械臂303的总运动范围涵盖了相应人类肢体的大部分或全部运动范围，以允许用户在与VR运动装置300交互时进行全方位的运动。这些电机可以与VR运动装置300的中央核心311整合，并通过传动轴、皮带或链条驱动联接到机械臂303的远端，从而减少手臂的重量，从而减少手臂结构引起的惯性。

在实施例中，VR运动装置300还可以在每个关节315处包含位置传感器，从而向CPU提供针对每个运动和位置的位置反馈。力传感器也可以存在于每个关节315处，使得能够精确控制可以应用到每个运动路径上的力的大小。这些还会积累用户提供的力的总量的数据，以便确定他们的锻炼质量和治疗进展。

在锻炼应用程序中，这种用户运动和力数据可被发送给经过批准的护理人员，以允许遵从性监控，并提高护理质量。由于VR环境是由计算机处理器控制的，“运动环境”可以独立于“叠加”运行，以允许向具有不同VR品味的用户提供相同的锻炼(或物理治疗)。例如，髋部置换手术后，康复物理治疗运动路径可以与一个VR环境叠加，这个VR环境可以模拟例如在托斯卡纳的山城中行走、或者例如在诺曼底快走，因为可以随意叠加不同的虚拟体验。

在另一个实施例中，这款四臂、铰接式VR运动装置300可以在没有电机的情况下使用。相反，12个主关节315各自可以与电子激活的离合器一起用来啮合、脱离、或者精确地改变在手臂303和连接链接的任何矢量下的阻力大小。这样，例如当用户的手“触碰”一张桌子时他会感受到力的反馈，因为那个运动方向将会被离合器的啮合拒绝，以阻止那个特定方向的运动。离合器啮合(X、Y以及Z)的组合将导致对实体环境的模拟。

在另一个实施例中，脚部绑带309和手平衡环握柄307各自可以在各个枢轴或关节316处包含电磁离合器，能够允许VR软件控制VR运动装置300。根据模拟的VR环境，VR软件可以允许自由运动，停止所有运动，或者调整对每一个脚部绑带309和手平衡环握柄307的运动阻力。这提高了模拟的质量，例如，如果用户选择“模拟地攀爬”埃菲尔铁塔，手柄应该暗示他们抓住了一个固体的、静止的物体。在这种情况下，VR软件将会拒绝抓握住的平衡环的运动，以加强这种错觉。由于VR运动装置300的手臂303可以与用户的攀爬运动同步运动，握柄会以一种受控制的方式释放压力，这样握柄就会随着用户可能期望的运动而运动。

在实施例中，本发明的系统可以与虚拟游戏系统一起使用，在虚拟游戏系统中用户可以戴上VR头戴设备，玩家的眼睛专注于单一环境的立体投影；可以提供视觉图像，这些视觉图像在计算机生成的3D虚拟环境中提供一种换位的感觉。这些VR系统可以有效地欺骗系统用户的眼睛，让他们相信已经发生了转换。其它VR系统相反或者另外可以创建一个模拟的沉浸式环境，在此环境中用户可以向任何方向转动头部，就像在“真实”世界中一样，进一步增强了虚拟现实的感觉。然而，这种视觉VR效果可以局限于眼睛，因为VR系统只包含一个覆盖眼睛的头戴设备。与VR系统一起使用的这些头戴设备可能只提供了一种有限的整体换位感，因为眼睛所看到的现实往往与用户的手和脚所感受到的东西相矛盾。通过在VR环境中将视觉感官与触觉感官进行协调，本发明的VR系统克服了这些问题。四个电枢的协调运动可被用来产生体验内的效果。电枢可能会突然创建一个快速下降，暂时模拟用户在真实世界中自由落体时将感觉到的失重状态。

在不同实施例中，VR系统可以用于包含锻炼的其它应用程序。美国和其它地区所面临的肥胖流行病通常指向久坐不动的生活方式。保持良好的健康需要进行最少的锻炼，尽管对许多人来说恶劣天气环境中的唯一选择可能是健身房环境，但是对许多最需要锻炼的人来说可能不那么有吸引力的。正如所讨论的，VR系统可以是一种可能的锻炼装置，它可以更有趣、更私密、更能适应用户的需要。

因为VR运动装置可以根据用户的特定需要进行调整，它可能对物理治疗(PT)有用。如果进行了正确规定的PT运动量，通常会使从医疗干预中恢复的患者康复。但是这种PT治疗可能是乏味而费力的，而且经常被那些可能仅需要做PT的患者所忽略。这实际上破坏了治疗的效率。物理治疗通常必须以准确、有限和谨慎的运动(方向和范围)来完成，并且有与治疗进展相关联的特定力压。理想情况下，PT更倾向于开出一个有精确规格的治疗过程，并密切监测结果和进展情况。VR运动装置可以运行VR软件，该VR软件可以要求特定类型的锻炼和身体运动，监测力反馈以确保遵守PT锻炼计划，将患者数据存储并转发给理疗师和医生。

物理治疗和个人训练的成功都是基于依从性和进展监测上。目前，理疗师和私人教练为他们的患者和客户制定了行动方案，假设他们会从患者和客户那里收到诚实而准确的进展报告。现实情况可能会有很大的不同。为了达到最好的效果，理疗师和私人教练可以远程观察进展，并根据需要调整治疗过程。VR运动装置可以运行物理治疗软件或私人训练软件，该软件可以要求特定类型的锻炼和身体运动，监测力反馈以确保遵守PT锻炼计划，将患者数据存储并转发给理疗师和医生。

在不同实施例中，VR运动装置100、300以及505可以用于各种其它应用。例如，需要轮椅进行运动的脊髓损伤(SCI)患者必须进行专业的物理治疗，以使他们的四肢有规律地运动。这是昂贵的，而且需要依赖另一个人来简单地移动腿。在实施例中，VR运动装置300可以用来仅锻炼患者的腿。此外，对于这些人来说，逃避现实和身体自由感的源头使生活质量得到了提高。

在某些实施例中，VR运动装置100、300以及505可以用于其它健康问题。肥胖仍然是世界上一个主要的健康问题。孩子们长大的过程中长时间久坐不动玩电子游戏。这是II型糖尿病、心脏问题、消化问题以及最终导致肢体丧失的主要原因。相比体育馆、操场、田野和其它户外体育活动，孩子们通常更喜欢电子游戏。在他们看来，他们需要的锻炼源头是电子游戏。在理想情况下，这种“电子游戏”比在家里能找到的东西更有吸引力，让他们有理由沉浸在更丰富的体验中。在实施例中，VR运动装置100、300以及505可以与电子游戏VR软件一起使用，该软件可以被设计为娱乐儿童并可以模拟户外体育活动。

性格不同的人可能会被不同形式的动机激励进行体育活动。一个人可能受到竞争的激发，另一个人可能会选择逃避现实，而另一个人则选择体能训练或学习新技能。目前的健身器材对个人兴趣或灵感没有响应。能够提供用户定制锻炼环境体验的设备可能会激励新一批人享受身体健康带来的好处。

所提出的发明允许用户自由运动，同时对与虚拟环境的物理接触给予力反馈。用户可以选择他们攀爬时把他们的手架和脚架放在何处，邀请他们去探索他们的选择。因为虚拟环境是由计算机创建的，所以它可以根据每个用户的需要进行扩展或适配。

图22示出了通用计算机设备900和通用移动计算机设备950的示例，它可以用来实现本文描述的进程，包含用于从移动设备到计算机上安装计算机程序的移动端进程和服务器端进程。计算设备900旨在表示各种形式的数字计算机，如笔记本电脑、台式机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型主机以及其它适当的计算机。计算设备950旨在表示各种形式的移动设备，如个人数字助理、移动电话、智能手机以及其它类似的计算设备。这里示出的组件、它们的连接和关系以及它们的功能都是仅为示例性的，并不是为了限制本文件中描述和/或请求保护的发明的实现。

计算设备900包含处理器902、内存904、存储设备906、连接到内存904和高速扩展端口910的高速接口908以及连接到总线914和存储设备906的低速接口912。组件处理器902、内存904、存储设备906、高速接口908、高速扩展端口910以及低速接口912各自使用各种总线互连，并可安装在普通主板上或以其它适当的方式安装。处理器902可以在计算设备900内处理执行指令，包含存储在内存904中或存储设备906上的指令，以为外部输入/输出设备上的GUI显示图形信息，比如联接到高速接口908的显示器916。在其它实现方式中，可以视情况使用多个处理器和/或多个总线，连同多个内存和内存类型。另外，多个计算设备900可以连接在一起，每个设备提供一部分必要操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器或多处理器系统)。

内存904在计算设备900内存储信息。在一个实现方式中，内存904是一个或多个易失性内存单元。在另一个实现方式中，内存904是一个或多个非易失性内存单元。内存904也可以是另一种形式的计算机可读介质，如磁盘或光盘。

存储设备906能够为计算设备900提供大容量存储。在一个实现方式中，存储设备906可以是或者包含计算机可读介质，如软盘设备、硬盘设备、光盘设备、或磁带设备、闪存或其它类似固态存储器设备、或一组设备，包含存储区域网络或其它配置中的设备。计算机程序产品可以有形地体现在信息载体中。计算机程序产品也可能包含指令，当执行这些指令时，会执行一种或多种方法，如上面描述的那些方法。信息载体可以是非暂时性计算机或机器可读存储介质，如内存904、存储设备906或处理器902上的内存。

高速控制器908为计算设备900管理带宽密集的操作，而低速控制器912则管理更低带宽密集的操作。这种功能的分配仅是示例性的。在一个实现方式中，高速控制器908联接到内存904、显示器916(例如，通过图形处理器或加速器)以及高速扩展端口910，它可以接受各种扩展卡(未示出)。在所述实现方式中，低速控制器912联接到存储设备906和端口914。低速扩展端口914(其可以包含各种通信端口，例如USB、蓝牙、以太网、无线以太网)可以例如通过网络适配器联接到一个或多个输入/输出设备，如与计算机932通信的键盘936、定点设备935、扫描仪931或联网设备933，如交换机或路由器。在展示的示例中，高速控制器908可以联接到视觉显示器992，其可以显示由处理器952生成的视觉VR环境。视觉显示器992可以是所描述的VR系统的用户佩戴的VR头戴设备的一部分。外部接口962还可以联接到VR运动装置，该装置可以提供与上面描述的视觉VR环境进行协调和同步输出的触觉VR环境。

计算设备900可以以多种不同的形式实现，如图所示。例如，它可以实现为标准服务器920，或者也可以在一组此类服务器中多次实现。它也可以实现为机架服务器系统924的一部分。此外，它可以在个人计算机中实现，比如膝上型计算机922。可替代地，计算设备900的组件可以与移动设备(未示出，例如设备950)中的其它组件结合。此类设备各自都可以包含一个或多个计算设备900、950，并且整个系统可以由多个彼此通信的计算设备900、950组成。

计算设备950包含处理器952、内存964、输入/输出设备(如显示器954)、通信接口966和收发器968，以及其它组件。设备950还可以提供有存储设备，如微驱动器、固态存储器或其它设备，以提供额外的存储空间。计算设备950、处理器952、内存964、显示器954、通信接口966以及收发器968的每个组件使用各种总线互连，其中一些组件可以安装在普通主板上或以其它适当的方式安装。

处理器952可以执行计算设备950内的指令，包含存储在内存964中的指令。处理器可以实现为一组芯片，包含单个和多个模拟和数字处理器。例如，处理器可以提供设备950的其它组件的协调，比如用户接合部的控制、设备950运行的应用程序，以及设备950的无线通信。

处理器952可以通过联接到显示器954的控制接口958和显示界接口956与用户通信。例如，显示器954可以是TFT LCD(薄膜晶体管液晶显示器)或OLED(有机发光二极管)显示器，或其它适当的显示技术。显示接口956可以包括用于驱动显示器954的适当电路，以便向用户显示图形和其它信息。控制接口958可以接收来自用户的命令并将其转换以提交给处理器952。此外，可以提供与处理器952通信的外部接口962，以便使设备950能够与其它设备进行近距离通信。例如在一些实现方式中外部接口962可以提供有线通信，或者在其它实现方式中提供无线通信，并且也可以使用多个接口。内存964在计算设备950内存储信息。内存964可以实现为一个或多个计算机可读介质、一个或多个易失性内存单元或一个或多个非易失性内存单元中的一个或多个。也可以通过扩展接口972来将扩展内存974提供和连接到设备950，可以包含例如SIMM(单内联存储器模块)卡接口。此类扩展内存974可以为设备950提供额外的存储空间，或者也可以为设备950存储应用程序或其它信息。具体来说，扩展内存974可以包含执行或补充上面描述的过程的指令，并且也可以包含安全信息。因此，例如，扩展内存974可以作为设备950的安全模块来提供，并且可以编有允许安全使用设备950的指令。此外，安全应用程序可以通过SIMM卡提供，连同附加信息，比如以不可破解的方式在SIMM卡上放置标识信息。

例如，内存可以包含闪存和/或NVRAM内存，如下面所讨论的。在一个实现方式中，计算机程序产品被有形地体现在信息载体中。计算机程序产品包含指令，当执行这些指令时，会执行一种或多种方法，如上面描述的那些方法。信息载体是计算机或机器可读介质，如内存964、扩展内存974、处理器952上的内存，或者例如可以在收发器968或外部接口962上接收到的传播信号。

设备950可以通过通信接口966进行无线通信，必要时其可以包含数字信号处理电路。通信接口966可以提供各种模式或协议下的通信，如GSM语音呼叫、SMS、EMS或MMS消息、CDMA、TDMA、PDC、WCDMA、CDMA2000或GPRS以及其它。例如，这种通信可以通过射频收发器968发生。此外，可以发生短途通信，比如使用蓝牙、Wi-Fi或其它此类收发器(未示出)。此外，GPS(全球定位系统)接收器模块970可以为设备950提供额外的导航相关的和位置相关的无线数据，此数据可以视情况由设备950上运行的应用程序使用。

设备950也可以使用音频编解码器960进行音频通信，音频编解码器960可以接收来自用户的语音信息，并将其转换为可用的数字信息。音频编解码器960同样可以比如通过设备950的听筒中的扬声器为用户生成声音。这种声音可以包含语音电话的声音，可以包含录音声音(例如，语音信息、音乐文件等)，也可以包含在设备950上运行的应用程序生成的声音。

计算设备950可以以多种不同的形式实现，如图所示。例如，它可以实现为移动电话980。它也可以实现为智能手机982、个人数字助理、平板计算机983或其它类似移动计算设备的一部分。

本文描述的系统和技术的各种实现可以在数字电子电路、集成电路、专门设计的ASIC(应用程序专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现。这些不同的实现方式可以包含在一个或多个计算机程序中的实现方式，所述计算机程序在包含至少一个可编程处理器的可编程系统上是可执行的和/或可说明的，计算机程序可以是专用的或通用的，联接起来以从存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备接收数据和指令，并向其传输数据和指令。

这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)包含可编程处理器的机器指令，并且可以在高级程序和/或面向对象的编程语言中和/或在装配/机器语言中实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”、“计算机可读介质”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任意计算机程序产品、装置和/或设备(如磁盘、光盘、内存、可编程逻辑设备(PLD))，包含把机器指令接收为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。

要提供与用户的交互，本文描述的系统和技术可以实现在计算机上，所述计算机具有用来向用户显示信息的显示设备(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)、以及可以让用户向计算机提供输入的键盘和定点设备(例如，鼠标或轨迹球)。其它类型的设备同样可以用来提供与用户的交互；例如，向用户提供的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且用户的输入可以以任何形式接收，包含声音输入、语音输入或触觉输入。

本文描述的系统和技术可以在计算系统中实现，所述计算系统包含后端组件(例如，作为数据服务器)，或包含中间件组件(例如，应用程序服务器)，或包含前端组件(例如，有图形用户接合部或网络浏览器的客户端计算机，用户可以通过它们与本文描述的系统和技术的实现方式进行交互)，或此类后端组件、中间件组件或前端组件的任何组合。系统的组件可以通过任何形式或媒介的数字数据通信(例如，通信网络)进行互连。通信网络的示例包含局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)以及因特网。

计算系统可以包含客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此相隔遥远，通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器之间的关系是凭借在各自的计算机上运行的并且彼此具有客户端服务器关系的计算机程序而产生的。

Claims (29)

1.一种虚拟现实装置即VR装置，其包括：

运动装置，其用于提供触觉VR环境，所述运动装置包括：

框架，其内部容积限定运动范围；

左上总成，其联接到具有左手接合部的所述框架的上部；

右上总成，其联接到具有右手接合部的所述框架的上部；

左下总成，其联接到具有左脚接合部的所述框架的下部；

右下总成，其联接到具有右脚接合部的所述框架的下部；以及

多个致动器，其联接到所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成，以用于向所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的运动提供触觉阻力，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在所述框架的所述运动范围内运动；

视觉显示器，其用于显示视觉VR环境；

计算机处理器，其运行VR程序以提供VR环境并且将传输至所述运动装置的触觉VR环境数据与传输至所述视觉显示器的视觉VR环境数据进行协调。

2.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成各自包含剪式千斤顶机构，其使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在竖直Y方向上运动。

3.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成各自包含立式电机，其控制所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的竖直运动。

4.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成各自包含X方向电机和Z方向电机，其中，所述X方向电机和所述Z方向电机控制所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的水平运动。

5.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左脚接合部和所述右脚接合部包含被适配成用于支撑用户的脚的平台和联接机构。

6.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左手接合部和所述右手接合部包含被适配成用于支撑用户的手的平台和联接机构。

7.根据权利要求1所述的VR装置，其中，所述左手接合部和所述右手接合部包含被适配成用于支撑用户的手的手柄。

8.根据权利要求1所述的VR装置，其进一步包括：

多个电机，其控制所述多个致动器的运动，所述多个电机由所述计算机处理器控制。

9.根据权利要求1所述的VR装置，其中，用于提供所述VR环境的所述VR程序包含地形仿真数据，所述地形仿真数据包含用于显示在所述视觉显示器上的视觉地形数据和包含固体表面的触觉地形数据，所述计算机处理器控制触觉装置来防止所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部运动穿过由所述触觉地形数据定义的所述固体表面。

10.根据权利要求9所述的VR装置，其中，当所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部接触所述触觉地形数据的所述固体表面时，所述计算机处理器基于所述固体表面的重力和表面材料确定摩擦系数。

11.根据权利要求9所述的VR装置，其中，当所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部在所述触觉地形数据的所述固体表面上滑动时，所述计算机处理器确定在所述固体表面上的滑动方向。

12.一种虚拟现实装置即VR装置，其包括：

运动装置，其用于提供触觉VR环境，所述运动装置包括：

框架，其内部容积限定运动范围；

左上总成，其联接到具有左手接合部的所述框架的上部；

右上总成，其联接到具有右手接合部的所述框架的上部；

左下总成，其联接到具有左脚接合部的所述框架的下部；

右下总成，其联接到具有右脚接合部的所述框架的下部；以及

多个致动器，其联接到所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成，以用于向所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的运动提供触觉阻力，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在所述框架的所述运动范围内运动；

视觉显示器，其用于显示视觉VR环境；

计算机处理器，其运行VR程序以提供所述视觉VR环境以及传输至所述运动装置并且与视觉VR环境数据相协调的触觉VR环境数据，其中，所述VR程序使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的位置重新居中并且同步地使所述视觉VR环境重新居中。

13.根据权利要求12所述的VR装置，其中，在所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部从居中位置被移开后，所述VR程序使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的所述位置重新居中。

14.根据权利要求12所述的VR装置，其中，在所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部被移动到所述运动范围的预定义距离之内后，所述VR程序使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的所述位置重新居中。

15.根据权利要求12所述的VR装置，其中，

用户上升，通过将所述用户的所有四肢以协调、同步的方式向机器的物理中心移动，所述机器不断地使所述用户重新居中。这也保持了一种错觉，即所述用户正在相对于他们进行交互的虚拟景观运动。

16.根据权利要求12所述的VR装置，其中，使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在X、Y以及Z方向上的运动重新居中具有一种正弦波运动加速度模式，在重新居中运动开始时缓慢地从静止加速，然后在所述重新居中运动结束时减速。

17.根据权利要求12所述的VR装置，其中，所述VR程序提供的所述视觉VR环境以及所述触觉VR环境数据模拟以一个角度攀爬，而所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的中心点总体保持静止并且在所述VR装置的所述运动范围内居中。

18.根据权利要求12所述的VR装置，其中，所述VR程序提供的所述视觉VR环境以及所述触觉VR环境数据模拟可以由所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部的抓握运动所抓握的虚拟抓握结构，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部被虚拟地联接到所述虚拟抓握结构。

19.根据权利要求18所述的VR装置，其中，所述VR程序模拟可以由所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部的释放运动所释放的虚拟抓握结构，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部从所述虚拟抓握结构被虚拟地释放。

20.根据权利要求12所述的VR装置，其中，当所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部不与任何虚拟结构接触时，所述VR程序模拟虚拟下降，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部同时在重力方向上运动。

21.一种虚拟现实装置即VR装置，其包括：

运动装置，其用于提供触觉VR环境，所述运动装置包括：

左上总成，其具有左手接合部；

右上总成，其具有右手接合部；

左下总成，其具有左脚接合部；

右下总成，其具有右脚接合部；以及

多个致动器，其联接到所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成，以用于向所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部的运动提供触觉阻力，其中，所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在所述框架的运动范围中运动；

视觉显示器，其用于显示视觉VR环境；

计算机处理器，其运行VR程序以用于提供VR环境并且将传输至所述运动装置的触觉VR环境数据与传输至所述视觉显示器的视觉VR环境数据进行协调。

22.根据权利要求21所述的VR装置，其中，所述左上总成、所述右上总成、所述左下总成以及所述右下总成各自包含竖直致动器，其使所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部在竖直Y方向上运动。

23.根据权利要求21所述的VR装置，其中，所述左脚接合部和所述右脚接合部包含被适配成用于支撑用户的脚的平台和联接机构。

24.根据权利要求21所述的VR装置，其中，所述左手接合部和所述右手接合部包含被适配成用于支撑用户的手的平台和联接机构。

25.根据权利要求21所述的VR装置，其中，所述左手接合部和所述右手接合部包含被适配成用于支撑用户的手的手柄。

26.根据权利要求21所述的VR装置，其进一步包括：

多个电机，其控制所述多个致动器的运动，所述多个电机由所述计算机处理器控制。

27.根据权利要求21所述的VR装置，其中，用于提供所述VR环境的所述VR程序包含地形仿真数据，所述地形仿真数据包含用于显示在所述视觉显示器上的视觉地形数据和包含固体表面的触觉地形数据，所述计算机处理器控制触觉装置以防止所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部以及所述右脚接合部运动穿过由所述触觉地形数据定义的所述固体表面。

28.根据权利要求27所述的VR装置，其中，当所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部接触所述触觉地形数据的所述固体表面时，所述计算机处理器基于所述固体表面的重力和表面材料确定摩擦系数。

29.根据权利要求27所述的VR装置，其中，当所述左手接合部、所述右手接合部、所述左脚接合部或者所述右脚接合部在所述触觉地形数据的所述固体表面上滑动时，所述计算机处理器确定在所述固体表面上的滑动方向。