CN109478093A - 虚拟现实装置 - Google Patents

Abstract

一种用于虚拟现实仿真的装置，包括第一基部和第二基部，所述第一基部和第二基部设置为绕公共轴线相对于彼此旋转。该装置还包括用于确定第一基部和第二基部之间的角度的机构。第二基部可以设置有椅子，在该装置的使用期间，该装置的用户可以坐在该椅子上。用于确定第一基部和第二基部之间的角度的机构使得该装置能够在第一基部和第二基部的相对移动之后确定用户相对于第一基部所面向的方向。

Description

虚拟现实装置

技术领域

本发明涉及一种用于虚拟现实仿真的装置。特别地，本发明涉及一种用于分别跟踪用户头部移动和用户身体移动的装置。

背景技术

虚拟现实装置通常包括用户在使用虚拟现实装置期间所佩戴的耳机。耳机可以连接到控制器(例如个人计算机或游戏控制台)，该控制器能够将图像和/或音频输出到耳机以便再现给用户。图像和/或音频可以对应于由控制器创建的虚拟现实环境。

虚拟现实装置可以允许用户“探索”或“导航”虚拟现实环境。用户可以通过使用用户输入设备向控制器提供输入来探索虚拟现实环境。输入可以允许用户在控制器创建的虚拟现实环境内“移动”。例如，用户可以通过按下按钮或移动手持式用户输入设备的一个或多个操纵杆来操纵手持式用户输入设备，以向控制器提供输入。控制器响应于手持式用户输入设备的操纵，从而可能引起在耳机上播放给用户的内容发生变化，从而向用户提供他或她在虚拟现实环境中移动的感觉。

一些虚拟现实装置配备有摄像机。例如，在游戏控制台的情形下，摄像机可以连接到控制台并安装在房间的架子或墙壁上，用户可以监视用户在房间内的移动。使用这种系统的用户代替或除了操纵手持式用户输入装置之外，还在现实世界中移动他或她的身体的一个或多个部分以在虚拟现实环境中引起相应的移动。摄像机可以跟踪用户在现实世界中的移动并向控制器提供输入，以使控制器再现图像和/或音频，就好像用户已经在虚拟现实环境中以相应的方式移动一样。

以这种方式使用摄像机的虚拟现实装置通常限于仅用摄像机确定一个用户移动参数。例如，摄像机可以通过监视用户头部在真实空间中的旋转来确定用户观看的方向。然而，摄像机可能无法可靠地确定用户观看的方向和用户的身体(例如躯干)指向整个用户移动范围的方向。此外，当用户在真实空间中相对于摄像机旋转超过一定角度且他或她自己的身体遮挡他或她的手部从摄像机的视野时，监视用户身体在真实空间中的旋转的摄像机也不能监视用户的手部的移动(例如，以确定手势输入)。

因此，这样的虚拟现实装置可能无法可靠地确定以下方向中的一个以上：即，用户观看的方向(即，用户的头部指向的方向)；用户面向的方向(即用户身体指向的方向)；以及用户手指的指向或移动的方向。

虚拟现实装置的一些用户发现，在没有其他传感器(例如前庭系统)检测到相同或相应的物理移动的情况下，由耳机提供的“移动”的视觉再现会引起迷失方向、恶心和其他不愉快的反应。

例如，如果虚拟现实装置的用户期望(例如，在游戏过程中或在观看电影的过程中)在给定时间于虚拟现实环境中观看或面向特定方向时(例如，以便用户见证特定事件)，虚拟现实装置可以简单地向用户再现图像，就好像用户已经转向在观看或面向该特定方向，而不管用户在真实空间中的移动。在没有相应的前庭转动感觉的情况下，转动的视觉感觉可能使用户不稳定并且可能导致用户翻倒甚至伤害到自己。

或者，虚拟现实装置可以确定(例如，使用摄像机)用户当前在真实空间中观看/面向的方向不对应于虚拟现实环境中的特定方向，但是允许用户在真实空间中观看/面向的方向否决从而不再需要在虚拟现实环境中观看/面向特定的方向。因此，用户可能继续在虚拟现实环境中观看/面向错误的方向并且错过用户将目睹的特定事件。

另外，一些虚拟现实装置需要用于将耳机连接到固定在真实空间中的控制器(例如，个人计算机，游戏控制台)的电缆。因为电缆具有有限的长度并且可能绕着用户缠绕，所以，将耳机连接到控制器的电缆可能会限制用户移动的多少-特别是旋转的多少，从而分散用户对虚拟现实体验的注意力。这种限制会令这种虚拟现实装置的用户感到失望。

发明内容

本发明旨在在某种程度上克服或至少改善一个或多个上述问题。

因此，本发明提供了一种用于虚拟现实仿真的装置，包括围绕公共轴线相对于彼此旋转的第一基部和第二基部；以及，用于确定第一基部和第二基部之间的角度的机构。

优选地，该装置设置成供用户坐或站在其上。

优选地，该装置包括用户输入，该用户输入可以设置为允许该装置的用户控制第一基部和第二基部绕公共轴线相对于彼此旋转。

在一些实施例中，被设置为允许用户控制第一和第二基部的旋转的用户输入是脚动操作式用户输入。脚动操作式用户输入可以包括输入部分，该输入部分设置为使得其可绕轴线旋转。输入部分可以设置为根据输入部分绕其轴线远离初始位置的旋转来控制第一和第二基部的相对旋转。

脚动操作式用户输入可以包括脚踏板，其用作另外的用户输入。脚踏板可能优于其他用户输入设备，因为它们可以模仿游戏中的“脚”，允许诸如步行移动之类的动作。这是一种自然的感觉，并且使得用户能够经由手动跟踪摄像机而通过其他自然/适当的界面(例如手动控制)专注于他们的其他游戏内动作上。

在其他实施例中，被设置为允许用户控制第一和第二基部的旋转的用户输入是由用户穿戴的用户输入。用户输入可以穿戴在用户的头上，并且可以感测用户头部的移动。用户输入可以确定用户正观看的方向(即，用户头部指向的方向)，和/或用户头部在第一位置和第二位置之间的移动(例如，旋转)。用户输入使得可以根据用户观看的方向和/或根据用户头部的移动来控制第一和第二基部相对于彼此的旋转。

用于确定第一基部和第二基部之间的角度的机构可以用于确定用户面向的方向(即，用户的胸部或躯干指向的方向)。该确定可以与确定的用户观看的方向结合使用，以控制第一和第二基部相对于彼此的旋转。

例如，可以比较用户观看的方向和用户面向的方向。如果观看的方向和面向的方向之间的差异大于某个角度，则可以使第一和第二基部相对于彼此旋转。

附图说明

现在将通过非限制性实施例来对本发明的具体实施方案进行描述，其中：

图1以立体图示意性地示出了根据本发明实施例的用于虚拟现实仿真的装置；和

图2以立体图示意性地示出了根据本发明实施例的使用用于虚拟现实仿真的装置的用户。

具体实施方式

本实施例代表了申请人目前已知的将本发明付诸实践的最佳方式，但它们不是实现这一目标的唯一方式。它们被示出，并且现在仅通过示例的方式来对其进行描述。

图1示出了用于虚拟现实仿真的装置11。装置11包括第一基部13和第二基部15。在所示的示例中，第一基部13和第二基部15的横截面大致为圆形，并且整体形状为圆柱形。基部13、15中的一个可以(但不是必须)至少部分地配合在基部13、15中的另一个的内部。

第一基部13布置成安装在诸如地板、舞台或高台的表面上。在所示的示例中，第一基部13在一侧设置有支脚19，第一基部13可以通过支脚19安装在表面上。在其他示例中，第一基部13可以不包括支脚19。而第一基部13的下侧可以基本上是平坦的，从而第一基部13可以通过其下侧基本上齐平于并平抵于表面而安装在表面上。

第二基部15设置成安装在第一基部13上。具体地，第二基部15设置成安装在第一基部13上，使得第一基部13和第二基部15可以绕公共轴线17相对于彼此旋转。第一和第二基部13、15可以设置成使得第二基部15能够绕公共轴线17相对于第一基部13在任一方向上旋转(顺时针或逆时针方向)。基部13、15中的一个可以配备有轴或主轴，而基部15、13中的另一个可以与轴或主轴接合，并且基部13、15可以绕着该轴或主轴相对于彼此旋转。

在所示的示例中，第一基部13可以设置成在装置11的使用期间在装置所处的房间的参考系中保持基本静止(例如，相对于安装第一基部13的表面)。第二基部15可以设置成在装置11的使用期间在该房间的参考系中旋转(例如，相对于安装第一基部13的表面并且相对于第一基部13本身)。

装置11包括用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构。用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构可以确定第一基部13的给定径向线与第二基部15的给定径向线之间的角度。第一基部13的给定径向线与第二基部15的给定径向线之间的角度可以在基本平行于第一基部13的平面中或在基本平行于第二基部15的平面中测量。在某些情况下(例如，如果第二基部15的平面不是基本上平行于第一基部13的平面)，第一基部13和第二基部15之间的角度可以在第一基部13的径向线和第二基部15的径向线在基本平行于第一基部13的平面上的投影之间测量(或反之亦然)。

作为示例，用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构可以包括机械设备、电阻电子设备、电容电子设备、光机械设备或任何其他合适类型的设备，用于确定能够绕公共轴线相对于彼此旋转的两个基部之间的角度。

在图示的装置11中，用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构采用电位计的形式。包括在这种装置11中的电位计可以安装在轴线17上或轴线17周围，其中基部13、15围绕轴线17旋转。电位计可以例如包括第一部分和第二部分，第一部分固定到第一基部13，使得第一部分与第一基部13一起相对于第二基部15旋转，第二部分固定到第二基部15，使得第二部分与第二基部15一起相对于第一基部13旋转。

在该装置的其他示例中，用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构采用旋转(或“轴”)编码器的形式。根据装置11的特定应用和配置，旋转编码器可以是绝对旋转编码器或增量旋转编码器。旋转编码器可以有利地能够在任一方向上无限转动并仍然提供输出。

用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构，可以使用第二基部15相对于第一基部13的当前位置与第二基部15相对于第一基部13的原先位置之间的差别来确定第一基部13和第二基部15之间的角度，其中第二基部15相对于第一基部13的原先位置是在装置11的一次使用工作段的开始或接近开始时所确定的。例如，用于确定基部13、15之间的角度的机构可以在当装置11在该使用工作段被接通时基于基部13、15之间的角度来确定基部13、15之间的角度变化。这有利地意味着，在装置11的使用时间段结束时装置11的第一和第二基部13、15没有必须返回的“原位”位置。在这样的实施例中，每次接通装置11或每次开始使用装置11时，可以确定(或有效地限定)第二基部15相对于第一基部13的新的“零”或“原位”位置。

在电位计作为用于确定基部13、15之间的角度的机构的情况下，可以在装置11接通或设备的使用开始时获取初始电位读数。这提供了第二基部15相对于第一基部13的初始角位置的指示。可以在稍后的时间获取进一步的潜在读数，并且可以使用读数之间的差异的大小和符号(正或负)来确定自装置11接通时第二基部15相对于第一基部13移动了多少以及在哪个方向上进行了移动。

或者，用于确定基部13、15之间的角度的机构可以确定基部13、15之间相对于基部13、15的预定设置的角度(即，相对于预定的第二基部15相对于第一基部13的“零”或“原位”位置，预定的“零”或“原位”位置对于装置11的每个使用时间段是相同的)。在一些这样的实施例中，基部13、15可能需要以相对于彼此的相同角度(例如，第一基部13和第二基部15的特定特征彼此对齐)开始和结束每个使用时间段，以便使得确定基部13、15之间的角度的机构能够正确地确定第一基部13和第二基部15之间的角度。用于确定基部13、15之间的角度的机构可以确定基部13、15相对于预定的“零”或“原位”位置的角位移。

如图1所示，装置11包括电动机18。电动机18可以设置成使第二基部15相对于第一基部13旋转。图示的电动机18安装在第二基部15上，使得电动机18可以围绕轴线17与第二基部15一起旋转。电动机18包括局部旋转部件(即，绕着电动机18的轴线对于电动机18局部进行旋转的部件)，例如盘、齿轮、或臂，其设置成与第一基部13的部件相接合(直接或间接地，例如通过另一个盘或齿轮)，以便在旋转部件旋转时可以使得第二基部15绕着电动机18的轴线相对于第一基部13旋转。

电动机18的局部旋转部件可以例如是盘，其设置成接触第一基部13的外圆周处或附近的表面。当盘旋转时，盘与第一基部13的表面之间的摩擦导致第二基部15相对于第一基部13旋转。可选地，电动机18的局部旋转部件可以是齿轮33(参见图2)。齿轮33的齿可以与第一基部13的齿部件35(例如齿环)中的相应齿相啮合。

在其他示例中，电动机可以替代地安装在第一基部13上。在这样的示例中，电动机的局部旋转部件可以类似地设置成(直接地或间接地)与第二基部15的部件接合，以使得第二基部15相对于第一基部13旋转。

在其中用于确定基部13、15之间的角度的机构确定基部13、15相对于预定的对于装置11的每个使用时间段的“零”或“原位”位置的角位移的示例中，电动机可以设置成使基部13,15在每个使用时间段结束和/或开始时返回到“零”或“原位”位置。

如图2所示，椅子31可以安装在第二基部15上。椅子31安装在第二基部15上，使得椅子31设置成与第二基部15一起相对于第一基部13(绕轴线17)移动(特别是旋转)。装置11的用户37可以坐在椅子31中，使得当第二基部15和椅子31绕轴线17相对于第一基部13旋转时，用户37相对于第一基部13移动(特别是旋转)。

椅子31相对于第二基部15固定。从而，椅子31与第二基部15相对于第一基部13旋转。椅子相对于第二基部15的定向不会改变。椅子相对于第一基部13的定向与第二基部15相对于第一基部13的定向以相同的方式改变。因此，当装置11知晓椅子31相对于第二基部15的定向(其不随时间变化)时，则装置11可以使用用以确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构，通过确定第二基部15和第一基部13之间的角度并调节椅子31相对于第二基部15的(固定)定向，来确定坐在椅子31中的用户37面向的方向(即用户身体指向的方向)。

尽管在所示实施例中椅子31安装在第二基部15上，但在其他实施例中，第二基部15也可以包括安装在第二基部15上的或者本身就是其一部分的凳子或平台，使得凳子或平台与第二基部15一起相对于第一基部13旋转。该装置的用户可以坐在或站在凳子或平台上，使得用户与第二基部15和凳子或平台一起相对于第一基部13旋转。

第二基部15、凳子或平台可包括一个或多个指示器(例如箭头、脚印或其他指示器)以向用户指示当用户坐或站在凳子或平台上时用户的身体应该面向哪个方向。这确保了装置11可以确定用户面向的方向(即，用户身体指向的方向)。与第一基部13的径向线相比较的第二基部15的径向线可以与指示器重合，或者以与指示器相同的角度定向，或者以已知的角度偏离于指示器的方向。

第二基部15可以附加地或替代地包括把手，装置11的用户可以在装置11的使用期间握着把手。把手可以伸缩以便改变其长度，从而它可以由坐在第二基部15上(例如，在第二基部15的上表面上，在椅子上，或者在凳子上)的用户使用，或者由站在第二基部15上(例如，在第二基部15的上表面上，或者在安装于或者本身就是第二基部15的一部分的平台上)的用户使用，无需考虑用户的身高。

在所示实施例中，装置11还包括用户输入21，用户输入21被设置为向控制器(未示出)提供输入。用户输入21包括旋转板25，旋转板25在旋转板25的上表面上具有脚踏板28。旋转板25(并且因此间接地，脚踏板28)可以由用户输入21的部件30(例如环)支撑。部件30设置成使得部件30(以及被支撑的旋转板25和脚踏板28)可以绕轴线32相对于第二基部15旋转。

如下面将要更详细进行描述的，用户输入21的旋转板25可以设置成控制第一和第二基部绕其公共轴线相对于彼此的旋转。另外，旋转板25可以包括脚踏板28，脚踏板28铰接成使得它们可以提供额外的输入，例如，模仿游戏中的“脚”，允许诸如步行移动之类的动作。这是一种自然的感觉，并且使得用户能够经由手动跟踪摄像机而通过其他自然/适当的界面(例如手动控制)专注于他们的其他游戏内动作上。

在所示的示例中，部件30设置成在电动机27的作用下绕轴线32旋转(利用旋转板25，脚踏板28)。在其他示例中，装置11可以不包括这样的电动机27。在这样的示例中，通过用户施加推力或拉力以使部件30(和旋转板25，脚踏板28)相对于第二基部15移动，使得部件30(和旋转板25，脚踏板28)可以绕轴线32相对于第二基部15旋转

部件30、旋转板25和脚踏板28可以设置成放置在第二基部15的凹部中。电动机27可以设置成使得部件30(并且因此旋转板25和脚踏板28)绕轴线32旋转以离开或进入第二基部15的凹部。部件30(与旋转板25和脚踏板28一起)可以由电动机27约束，使得部件30仅能够在电动机27的作用下绕轴线32旋转。这样可以防止用户在使用装置11期间无意中使得部件30、旋转板25和脚踏板28绕轴线32旋转。在其他实施例中，装置11的其他特征可以约束部件30及其支撑的部件绕轴线32的移动，以防止装置11的用户无意中使得部件30绕轴线32移动。

电动机27可以设置成使得部件30(并且因此旋转板25和脚踏板28)从“放置”位置(在该位置处部件30和旋转板25以及脚踏板28放置在第二基部15的凹部中)绕轴线32相对于第二基部15旋转预定的角度。例如，这可以在装置11接通时发生，或者响应于来自装置11的用户的输入而发生。当部件30、旋转板25和脚踏板28从“放置”位置绕轴线32相对于第二基部15旋转预定角度之后，部件30、旋转板25和脚踏板28可以定位在便于装置11的用户致动和/或控制的最佳位置。

例如，在最佳位置处，部件30、旋转板25和脚踏板28可以直接定位在装置11的椅子31(或凳子或平台)的前方，使得坐在椅子31或凳子上(或站在平台上)的用户37可以将一只脚或两只脚放在旋转板25和/或脚踏板28上。部件30、旋转板25和脚踏板28相对于第二基部15的该最佳位置可以被称为部件30、旋转板25和脚踏板28的“使用”位置。这些示例中的预定角度可以是大约180°。

在部件30、旋转板25和脚踏板28处于最佳(“使用”)位置的情况下，旋转板25和脚踏板28可以由坐在椅子31或凳子中或站在装置11的平台上的用户37的单脚或双脚来致动。

旋转板25设置成使得它可以绕轴线26相对于部件30旋转。轴线26可以大致位于旋转板25的中心并且大致垂直于旋转板25的平面，从而旋转板25能够绕着旋转板25的大致中心点旋转。在其他示例中，轴线26可以不与旋转板25的中心重合，而是偏离于旋转板25的中心。轴线26不一定必须与旋转板25的平面正交。

旋转板25可以具有绕轴线26相对于部件30的旋转的“零”或“原位”位置。在“零”或“原位”位置，旋转板25的给定径向线基本上指向与部件30的给定径向线相同的径向方向。例如，在部件30(绕轴线32)相对于第二壳体部15旋转到最佳(“使用”)位置的情况下，部件30的特定径向线远离壳体部13、15向前指向与椅子31(或凳子或平台)面向的方向基本相同的径向方向。在旋转板25的(绕轴线26)相对于部件30的旋转的“零”或“原位”位置处，在脚踏板28的纵向轴线之间穿过并且基本上平行于脚踏板28的纵向轴线延伸的旋转板25的径向线，可以指向与上述部件30的特定的向前指向的径向线基本相同的径向方向。

在一些示例中，旋转板25可以被偏置(例如，利用弹簧或其他偏置机构)以回到相对于部件30的“零”/“原位”位置。在一些示例中，旋转板25可以被约束成使得它不能从“零”/“原位”位置逆时针或顺时针旋转超过给定角度。例如，旋转板25可以被约束成使得它不能从“零”/“原位”位置逆时针或顺时针旋转超过半圈或四分之一圈。在其他示例中，可以不对旋转板25施加这样的偏置和/或约束。

坐在椅子31或凳子上(或站在平台上)的用户37可以使旋转板25绕轴线26顺时针或逆时针旋转。旋转板25绕轴线26旋转可以造成用户输入21将输入提供到控制器。响应于来自用户输入21的输入，控制器可以控制装置11的一个或多个部分。例如，用户37可以通过相对于轴线26移动单脚或双脚来使旋转板25绕轴线26逆时针旋转。用户输入21可以响应于旋转板25的移动而向未示出的控制器提供输入。响应于来自用户输入21的输入，控制器可以控制发动机18以使第二基部15相对于第一基部13逆时针旋转。

因此，装置11的用户37可以使用用户输入21来控制装置11以使用户37面向真实空间中的特定方向。因为装置11包括用于确定第二基部15(包括椅子31，因此也包括用户37)和第一基部13之间的角度的机构，所以装置11可以通过确定第二基部15相对于第一基部13的角位置来确定用户37在任何给定时间在真实空间中面向的方向。使用关于用户37在真实空间中所面向的方向的信息，装置11可以确定用户37在虚拟现实环境中面向(或应该面向或期望面向)的方向。

用户输入21、控制器和电动机18可以设置成使得第二基部15相对于第一基部13继续绕轴线17旋转，同时旋转板25从其“零”/“原位”位置偏移。因此，用户37可以通过将旋转板25返回到相对于部件30的“零”/“原位”位置来阻止第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转。通过使旋转板25相对于部件30以与之前相反的方向旋转，用户37可以将第二基部15返回到相对于第一基部13的先前角位置。在这样的示例中，用户37使旋转板25相对于部件30旋转的角度可以影响第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转的速度。

或者，用户输入21、控制器和电动机18可以设置成使第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转一个角度，该角度对应于用户37将旋转板25相对于部件30旋转的角度。例如，如果装置11的用户37将旋转板25逆时针旋转30°的角度，则用户输入21、控制器和发动机18可以将第二基部15相对于第一基部13逆时针旋转30°的角度。

在其他示例中，可以使第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转一个角度，该角度取决于用户37将旋转板25从“零”/“原位”位置绕轴线26旋转的角度。例如，在一些情况下，可以采用缩放因数2，从而旋转板25绕轴线26旋转30°的角度会造成第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转60°的角度。在其他示例中，可以使用不同的缩放，包括非线性缩放(例如，对数缩放)和/或反向缩放(即，例如，旋转板25绕轴线26相对于部件30的顺时针方向的旋转会造成第二基部15绕轴线17相对于第一基部13逆时针方向的旋转)。

在一些示例中，旋转板25除了被设置成绕着基本竖直的轴线26相对于部件30(参见图1)旋转之外，还可以设置成绕着基本上水平的轴线34相对于部件30旋转，其中轴线34延伸穿过或者平行于旋转板25的平面。旋转板25设置成绕着该附加的、基本水平的轴线34旋转，从而可以使装置11的用户37能够调节旋转板25的角度，使用户37能够操纵旋转板25和脚踏板28，或者用户37可以更舒适地操纵旋转板25和脚踏板28。在这种情况下，当旋转板25处于“零”/“原位”位置时，旋转板25的向前指向的径向线在水平轴线上的投影可以与第二基部15的向前指向的径向线处于大致相同的方向。

脚踏板28的操纵会造成用户输入21向控制器提供输入。响应于来自用户输入21的输入，控制器可以控制装置11的一个或多个部分。脚踏板28的致动例如会造成用户在虚拟现实环境中步行几步，这可能会造成将在装置的耳机上显示新的或不同的视觉图像，或者，如果合适的话，可能会造成第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转。

在一些示例中，可以使用可穿戴式用户输入，而不是使用如图1-2中所示的脚控式用户输入21，来控制第一基部13和第二基部15绕轴线17的相对旋转。

现在将对可穿戴式用户输入的示例进行描述。用户输入可穿戴在用户头上并且其包括陀螺仪、加速度计和磁力计(但是，在其他示例中，它可以仅包括这些组件中的一个或仅两个)。陀螺仪、加速度计和磁力计一起或单独地通过监视用户头部的位置和/或移动来提供用户观看的方向的指示。例如，其中一个组件可以提供用户头部在用户头部移动期间和之后指向的方向的大概但快速的指示，其中另一个组件可以提供用户头部在较长时间后指向的更准确的方向的指示。各个组件可以在三个维度上提供关于用户头部移动的信息。因此，三个组件一起可以提供9个维度(或“自由度”)的信息。在一些示例中，组件中的第一个可以提供用户头部的方向的第一指示。用户头部在不同平面或传感器中的移动可能破坏或干扰该第一组件的第一指示。在这种情况下，来自第二组件的第二指示可用于校正第一组件的第一指示。

可以相对于用户头部的初始位置(例如，在装置11和/或可穿戴式用户输入被接通或校准时)，或者相对于例如地磁场等外部参考系来跟踪用户头部的移动。对于装置的校准，在装置的校准阶段期间，可能要求用户同时在相同方向上观看和面向，或者在特定时间观看特定方向并且在不同的特定时间面向特定方向。该校准阶段可以在装置已经接通之后不久(或者在稍后的时间，由用户或控制器触发)发生，并且可以使控制器能够确定用户的观看和面向的初始角度。在校准阶段，用户可能需要例如通过按下按钮来确认他或她观看的方向与他或她面向的方向是相同的(即，他或她的头部指向的方向与他或她的躯干指向的方向相同)，或者用户可能需要确认他在一个时间观看特定方向，并在另一个时间面向特定方向。校准过程还可以有其他步骤，例如执行一个或多个预定运动。

校准后，用户观看的方向(即用户头部指向的方向，其通过使用可穿戴式用户输入来确定)和用户面向的方向(即用户躯干指向的方向，其通过使用用于确定第一和第二基部13、15之间的角度的机构来确定)可以被提供给控制器并且被比较，以便确定观看方向和面向方向之间的角度。

类似于图1和图2中所示的如上所述的用户输入21的操作，如果用户观看的方向与用户面向的方向之间的角度大于阈值角度，则可能导致第二基部15绕公共轴线17相对于第一基部13旋转。观看方向和面向方向之间的角度的大小可以确定第一和第二基部13、15相对于彼此的旋转的程度和/或速度。

可穿戴式用户输入可以是形成装置11的一部分的耳机(诸如音频耳机、视频耳机或视听耳机)的一部分。或者，可穿戴式用户输入可以是能够直接或间接地固定在用户身上的单独的设备。可穿戴式用户输入例如可以通过夹在用户的头发中或耳朵上而固定到用户的头部上，可以固定到形成装置11的一部分的耳机上，可以固定到用户穿戴的一副眼镜或帽子上，或者可以作为可穿戴的头带或其他头饰而被穿戴上。

在一些实施例中，装置11可以包括至少一个摄像机23。示出的摄像机23安装在轴线17的径向外侧。摄像机23安装成使得它基本上径向向内指向并基本上指向轴线17。摄像机23通过具有铰链36的伸缩杆24安装在部件30上。伸缩杆24安装在部件30上，其在部件30上的安装位置使得当部件30处于其相对于第二基部15的最佳(“使用”)位置时，摄像机23和伸缩杆24直接相对于装置11的用户37，并且摄像机23面向装置11的用户37。

在部件30处于其最佳(“使用”)位置的情况下，摄像机23和伸缩杆24可以位于从轴线17延伸的径向线上(其中第一和第二基部13、15绕着轴线17相对于旋转)，并且大致通过旋转板25绕其进行旋转的轴线26。

图1和图2中所示的伸缩杆24处于部分伸展的构型。在对于给定用户37的最佳延伸的配置中，当用户37正在使用装置11时(例如，当用户37正坐在装置11的椅子31中或凳子上，或正站在装置11的平台上时)，摄像机23可以大致处于用户37的胃、胸部和/或手部的高度。在对于用户37的伸缩杆24的最佳延伸的配置中，摄像机23可以设置成使得其视野包括用户37的头部和手部。以这种方式设置，摄像机23可以能够跟踪用户头部的移动和/或用户手部的移动。装置11的伸缩杆24允许调节摄像机23的高度以确保摄像机24的视野包括用户37的头部和/或手部。这样，装置11可以由不同高度的用户来使用。

当不使用装置11时，伸缩杆24可以完全缩回。当伸缩杆24处于完全缩回的配置时，摄像机23的顶部与铰链36之间的伸缩杆24的总长度大致等于或小于部件30的直径。铰链36允许伸缩杆24向下折叠以抵靠在部件30上。第二基部15中的凹部设置得足够高，以使得在伸缩杆24向下折叠抵靠在部件30上时其能够接收部件30和伸缩杆24的组合高度，同时该凹部设置得足够宽从而能够接收部件30的全直径。这样，当不使用装置11时，通过绕轴线32旋转用户输入21，用户输入21(包括摄像机23和延伸杆24)可以放置在第二基部15的凹部中，直到用户输入21完全处于凹部内。

在一些示例中，用户输入21可以绕轴线32沿任一方向(顺时针或逆时针)旋转以放置在凹部中。在其他示例中，用户输入21只能从一侧进入凹部。如上所述，装置11可以包括发动机27，其能够使得用户输入21绕轴线32旋转，或者，也可以设置成用手部来绕轴线32旋转。在包括发动机27的示例中，发动机27可以约束用户输入21，使得其一旦放置于凹部中便不能移出凹部，直到发动机27被控制器控制。这样，可以防止例如当装置11移动时用户输入21无意中从凹部中出来。

当装置11接通时，或者响应于来自装置11的用户输入时，部件30可以绕着轴线32而从第二基部15的凹部中旋转出来(在发动机27的作用下，如果存在的话)，而到达相对于第二基部15的最佳(“使用”)位置。然后，另一个发动机(未示出)可以使伸缩杆24绕铰链36枢转，使得伸缩杆24呈现为近似竖直的定向。当伸缩杆24绕铰链枢转时，或者在伸缩杆24完成枢转到大致竖直的定向之后，另一个发动机(未示出)可以使伸缩杆24延伸。伸缩杆24的延伸可以将摄像机23的高度提高到预定高度。通过使用用户输入可以对预定高度进行调整。

在其他实施例中，铰链36和伸缩杆24可以不配备发动机，而是装置11的用户可以使伸缩杆24绕铰链36枢转并通过适当拉动/推动伸缩杆24而使其延伸到所需的高度。

因为用户输入21附接到第二基部15上并且可以通过发动机27(或者如果不存在发动机的话，也可以使装置11的另一个部件)相对于第二基部15绕轴线32固定在角位置，所以每当第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转时，摄像机23都与第二基部15一起旋转。因此，摄像机23在整个的用户使用时间段都面向用户37，从而无论用户在房间的参考系中旋转多少(即，无论第二基部15相对于第一基部13旋转多少)，摄像机23都能跟踪用户37的头部和/或手部移动。

在另外的实施例中，类似的摄像机可以替代地或另外地设置为远离装置11的主体，即不安装在装置11上。远程摄像机可以例如位于装置11所在的房间中的墙壁上、天花板上、地板上、支架或架子上，并且其可以执行与上述的安装于装置上的摄像机23类似的作用(或相同的作用)。

在一些示例中，安装于装置上的摄像机23或远程摄像机可以监视用户头部的移动以确定用户的观看方向(即，用户的头部指向的方向)。为了帮助摄像机这样做，用户穿戴的耳机可以设置有可视指示器(例如标记、反射器或发光二极管(LED))，这些指示器以已知的模式布置，该模式围绕耳机的外周围变化(因此当用户穿戴耳机时围绕用户的头部变化)。该模式可以使控制器能够区分用户头部的哪个部分处于摄像机的视野中，并因此确定用户观看的方向。

摄像机可以附加地或替代地监视用户的手部的移动和/或手持式用户输入的移动。为了帮助摄像机监视该移动，用户可以戴上手套，其中手套包括如之前关于耳机的描述中所述的诸如标记、反射器或LED之类的视觉指示器，或者手持式用户输入可以包括这样的视觉指示器。

第一基部13和/或第二基部15可以包括用于接收控制器的单个或多个凹部。控制器可以例如采用个人计算机、游戏控制台、移动电话、平板电脑或包括处理器的其他电子设备的形式。控制器可以接收用户输入并生成输出。

这样的控制器可以插入凹部中并且连接(例如使用电线或无线地)到装置11的部件上，例如：连接到能够使得第一基部13和第二基部15绕轴线17相对于彼此旋转的发动机18上；连接到能够使得用户输入21绕轴线32相对于第二基部15旋转的发动机27(如果存在的话)上；连接到能够使得伸缩杆24绕铰链36枢转和/或伸长/缩短的发动机(如果有的话)上；连接到能够使得装置11的用户37向控制器提供输入并控制例如第一和第二基部13、15的相对移动的用户输入21；连接到能够使得装置11的用户37提供输入到控制器(或如果装置11上没有安装摄像机23的话，到远程摄像机)的摄像机23；以及连接到能够为装置11的用户37提供输入/输出功能的任何其他外围设备。

凹部可以包括用于将控制器连接到装置11的任何或所有上述部件以及将控制器连接到电源的机构。可以通过单根电缆或多根电缆将动力从外源(即装置11外部的源)传送到装置11的第一基部13。可以将动力传递到第一基部13而不是第二基部15，因为第一基部13在装置11的使用期间可以保持静止(相对于例如安装有装置11的表面)，而第二基部15可能旋转(相对于例如安装有装置11的表面)。

在所示的示例中，用于接收控制器的凹部设置在第二基部15中。如果使第二基部15旋转，插入第二基部15的凹部中的控制器将与第二基部15一起相对于第一基部13旋转。这种设置有利地意味着，控制器、部件(例如摄像机23和发动机18、27)以及连接控制器和部件的任何电缆设置成绕着轴线17一起旋转。这意味着，当第二基部15相对于第一基部13旋转时，电缆不会绕轴线17缠绕。

为了使电力能够在第一基部13和第二基部15之间传递，装置11可以包括一个或多个滑环。

如图2所示，装置11的用户37可以在使用装置11期间在用户的头上穿戴耳机29。耳机29可以向用户37提供视觉和/或音频信息，诸如虚拟现实环境的视觉或音频再现。视觉和/或音频信息可以由装置11的凹部中的控制器产生，其中耳机29可以通过未示出的电缆连接到该凹部中。电缆例如可以从椅子31的顶部或后部的孔中露出，从而电缆可以设置在大致正确的高度以连接到耳机29(或者，在没有椅子的示例中，其可以从第二基部15中的合适的孔中露出)。有利地，因为耳机29、电缆和控制器都与第二基部15一起相对于第一基部13旋转，所以当用户37引起第二基部15相对于第一基部13旋转时，用户37不会缠绕在电缆中。在一些示例中，耳机可以无线连接到控制器。

在一些示例中，用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构可以是步进发动机。步进发动机还能够使第二基部15相对于第一基部13旋转。

尽管在所示的示例中，基部13、15的横截面基本上是圆形的并且在整体形状上基本上是圆柱形，但在其他示例中，第一和第二基部13、15也可以具有其他横截面轮廓和其他整体形状。

尽管在所示的实施例中，仅提供了一个发动机18，用于使第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转，但是在其他示例中，也可以提供多个发动机用于使第二基部15相对于第一基部13旋转。

在上述实施例中，用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构可以使装置11能够确定装置11的用户37面向的方向(即，用户身体指向的方向)。这可以有效地定义用户的参考系。当第二基部15相对于第一基部13旋转时，参考系相对于第一基部13旋转。

在使用中，无论用户的参考系是否相对于第一基部13旋转，伸缩杆24上的摄像机23在用户37的参考系中都是静止的。每当第二基部15相对于第一基部13旋转时，摄像机23都与第二基部15一起旋转。因此，在装置11的使用期间，摄像机23与装置11的用户37一起旋转。即使参考系相对于第一基部13旋转，摄像机23也能够监视用户的头部和/或手部在用户的参考系中的移动，因为摄像机也与参考系同意义且同程度地旋转。

因此，装置11可以至少监视以下用户输入参数：用户面向的方向(通过使用用于确定第一基部13和第二基部15之间的角度的机构)；用户观看的方向(通过使用摄像机23监视用户的参考系中的用户头部的移动，或者在其他实施例中，用户输入)；用户指向或手势的方向(通过使用摄像机23监视用户的参考系中的用户的手部的移动)；用户希望转动的方向(通过监视用户37如何相对于部件30移动旋转板25，或者用户37如何相对于他/她的身体移动他/她的头部)；来自用户的其他输入(通过监视其他用户输入，例如脚踏板28和装置11中包括的任何其他用户输入设备)。

当用户37向控制器提供输入使得用户在虚拟现实环境中移动时，会使得装置11的用户37在真实空间中旋转(当第二基部15绕轴线17相对于第一基部13旋转时，其绕轴线17旋转)这样，可以帮助减少或防止由虚拟现实装置引起的恶心和其他不适的感觉。

此外，控制器可以控制发动机18以改变装置11的第一基部13和第二基部15之间的角度，这意味着控制器可以同时改变装置11的用户37在虚拟现实环境和现实世界中面向的方向。因此，控制器可以能够控制装置11的用户37在虚拟现实环境中观看的方向，以防止用户37错过虚拟现实环境中的事件，且用户不会感到恶心，仿佛在没有在现实世界中的相应移动的情况下便仿真了虚拟现实环境中的移动一样。

上述装置包括用户输入21，其由用户的单脚或双脚来操作。这种脚动操作式的用户输入21可以是有利的，因为用脚控制虚拟现实环境中的移动的至少一些方面可以是直观的。此外，使用脚来控制虚拟现实环境中的移动的那些方面使得手部和手臂可以自由地执行其他操作，诸如做出手势或操纵进一步的用户输入(例如枪或其他手持式控制器)。

在其他示例中，可以另外提供诸如操纵杆等手动操作式用户输入，或提供提供诸如操纵杆等手动操作式用户输入来代替脚动操作式用户输入。手动操作式用户输入可以执行由上述脚动操作式用户输入21执行的一些或所有与移动相关的用户输入功能，在这种情况下，可能不再需要脚动操作式用户输入21的一些或全部组件。

在其他示例中，可以存在补充的手动和脚动操作式用户输入，两者都可以允许用户向控制器提供与移动相关的输入。例如，可以提供脚踏板(例如，对应于制动器和加速器)用以在一定意义上(例如，向前和向后)控制移动，并且可以提供手持式控制器(例如，方向盘)用以在另一种意义上(例如，左右、一边到另一边)控制移动。在这样的示例中，当脚踏板可能不会引起第二基部15相对于第一基部13的移动时，手持式方向盘可以结合控制器和发动机(例如发动机18)，一起使第二基部15相对于第一基部13旋转。

在上述一些示例中，通过比较装置的用户观看的方向(通过使用可穿戴式用户输入来确定)和用户面向的方向(通过用于确定第一基部和第二基部之间的角度的机构来确定)，可穿戴式用户输入用于控制用于虚拟现实仿真的装置的第一和第二基部的旋转。可以根据用户观看的方向和用户面向的方向之间的角度来控制第一和第二基部的相对旋转的速度和方向。

类似的设置可用于控制诸如移动踏板车等车辆的移动方向。移动踏板车的用户可以如上所述在他或她的头上某处穿戴可穿戴式用户输入(例如，夹在眼镜框架上)以确定用户的观看方向。移动踏板车可以配备有一个或多个传感器(例如加速度计、磁力计、陀螺仪或导航系统接收器)，其被设置成确定移动踏板车的定向(类似于上面讨论的用于虚拟现实仿真的装置的示例中的用户面向的方向)。用户观看的方向与移动踏板车的定向(例如，当前移动方向)之间的差异可用于控制移动踏板车的移动方向。

例如，移动踏板车的用户最初可能在移动踏板车上正北行进，其头部指向行进方向(北)。用户可能希望改变移动踏板车的行进方向，使得行进方向是东北方向。为了改变行进方向，用户向东北方向看。可穿戴式用户输入检测用户观看的方向的变化的幅度和方向，并向移动踏板车的控制器发送信号。控制器使移动踏板车的车轮旋转适当的角度，以使移动踏板车从北朝向东北改变其行进方向。

如果移动踏板车的用户随后希望向西北方向行进，则用户可以移动她的头部以使其面向西北方向。可穿戴式用户输入将检测用户观看的方向的变化并向移动踏板车的控制器发送信号。控制器使移动踏板车的车轮旋转适当的角度，以使移动踏板车从东北朝向西北改变其行进方向。

这种设置对于控制转向装置(例如把手或方向盘)能力有限的个人可能特别有利。

Claims (23)

1.一种用于虚拟现实仿真的装置，包括：

第一基部和第二基部，设置为能够绕公共轴线相对于彼此旋转；

处理器输入，设置为用于接收驱动旋转信号；

发动机驱动，响应于所述驱动旋转信号而引起所述第一基部和所述第二基部相对于彼此的驱动旋转；

用于确定所述第一基部和所述第二基部之间的角度的机构；和

可穿戴式用户输入，其中所述用户输入被设置为用于确定所述装置的用户观看的方向。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，用于确定所述第一基部和所述第二基部之间的角度的所述机构包括电位计或旋转编码器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括：安装在所述公共轴线径向外侧的摄像机。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述摄像机安装成使得所述摄像机基本上径向向内指向所述公共轴线。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述摄像机被安装成使得在用户使用所述装置期间，所述摄像机指向所述装置的所述用户。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述摄像机被安装成使得当所述第二基部相对于所述第一基部旋转时，所述摄像机与所述第二基部一起旋转。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其中，所述摄像机安装在伸缩杆上。

8.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述摄像机被安装成使得在所述装置的使用期间，所述摄像机相对于所述第一基部保持静止。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述用户输入设置为允许所述装置的用户控制所述第一基部和所述第二基部绕所述公共轴线相对于彼此的旋转。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述用户输入是脚动操作式用户输入。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述用户输入包括旋转板。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中，所述用户输入包括至少一个踏板。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的装置，其中，所述用户输入设置为绕着位于放置位置和使用位置之间的另一轴线旋转。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述可穿戴式用户输入包括以下中的一个或多个：陀螺仪、加速度计、磁力计。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：安装在所述第二基部上的椅子，所述椅子设置为与所述第二基部一起相对于所述第一基部旋转。

16.一种用于虚拟现实仿真的装置，包括：

第一基部和第二基部，设置为能够绕公共轴线相对于彼此旋转；

基部驱动机构，能够操作以驱动所述第一基部和所述第二基部相对于彼此旋转；

用户输入机构，设置为用于感测哺乳动物头部的移动；和

驱动控制机构，设置为根据感测到的所述哺乳动物头部的移动来控制所述基部驱动机构，使得所述第一基部和所述第二基部的相对角位置能够通过所述哺乳动物头部的移动来控制。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述用户输入机构包括以下中的一个或多个：磁力计、陀螺仪、加速度计。

18.根据权利要求16或17所述的装置，还包括：轴编码器，所述轴编码器设置为用于确定所述第一基部和所述第二基部相对于彼此的角位置。

19.一种用于连接到处理器的虚拟现实仿真的装置，包括：

第一基部和第二基部，设置为能够绕公共轴线相对于彼此旋转；

基部驱动机构，能够操作以驱动所述第一基部和所述第二基部相对于彼此旋转；

用户输入机构，设置为用于感测哺乳动物头部的移动；

驱动控制机构，设置为根据来自所述处理器的命令和感测到的所述哺乳动物头部的移动来控制所述基部驱动机构，使得所述第一基部和所述第二基部的相对角位置能够通过所述哺乳动物头部的移动来控制并且也独立于所述哺乳动物头部的移动。

20.一种用于连接到处理器的虚拟现实仿真的装置，包括：

第一基部和第二基部，设置为能够绕公共轴线相对于彼此旋转；

基部驱动机构，能够操作以驱动所述第一基部和所述第二基部相对于彼此旋转；

用户输入机构，设置为用于感测哺乳动物头部的移动；

驱动控制机构，设置成根据来自所述处理器的命令控制所述基部驱动机构，使得所述第一基部和所述第二基部的相对角位能够由所述处理器独立于所述哺乳动物头部的移动来控制。

21.一种用于连接到处理器的虚拟现实仿真的装置，所述处理器能够操作以将显示信号传递到设置为穿戴在哺乳动物头部上的可穿戴式虚拟现实装置，并且由此感测到的所述哺乳动物头部的移动使得所述处理器改变传递到所述虚拟现实装置的显示信号，以使得所述虚拟现实装置显示改变的视图。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述可穿戴式虚拟现实装置设置为用于确定所述装置的用户观看的方向。

23.根据权利要求21或22中任一项所述的装置，其中，所述可穿戴式虚拟现实装置包括以下中的一个或多个：陀螺仪、加速度计、磁力计。