CN112083803B - 一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备和方法 - Google Patents
一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请实施例公开了一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备和方法，设备包括：设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器；其中，设备本体与虚拟现实设备的手持控制器连接；至少两个流体容器分布在设备本体内部的不同位置，且各流体容器均与流体传统系统连接，用于盛放流体传动系统传输的流体；处理器用于根据接收到的虚拟对象的重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器，并控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。本申请实施例通过将指定重量的流体传输到目标容器中，实现将设备的重量变化变化映射到相应的虚拟对象上，达到准确模拟虚拟对象的重量和重心的目的。
Description
技术领域
本申请实施例虚拟现实技术领域，尤其涉及一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备和方法。
背景技术
感知物体的重量以及重量如何分布仍然是沉浸式虚拟现实(VR)的一大挑战，尽管这是人们在现实生活中理解物体的一种方式。在VR中，使用控制器拾取虚拟对象(VO)的用户会下意识地期待控制器权重属性的变化。如果一个应用程序要允许一个更全面的沉浸式体验，这方面一定不能被忽视。
目前，大多数应用和许多研究只使用振动或纹理作为触觉反馈。然而，振动本身并不能很好地反映触觉反馈的所有特性，因为它不能真正映射其他类型的信息，如重量和惯性，由此使得现有技术无法准确的模拟虚拟对象的重量和重心。
发明内容
本申请实施例提供一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备和方法，以达到准确模拟虚拟对象的重量和重心的目的。
第一方面，本申请实施例提供了一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备该设备包括：设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器；
其中，所述设备本体通过连接器与虚拟现实设备的手持控制器连接；
所述至少两个流体容器分布在所述设备本体内部的不同位置，且各流体容器均与所述流体传统系统连接，用于盛放流体传动系统传输的流体；
所述处理器与虚拟现实设备通信，用于接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息；
所述处理器还用于根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器；
所述处理器还与流体传动系统通信，用于控制所述流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。
第二方面，本申请实施例提供了一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的方法，应用于虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，所述设备包括设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器，所述方法包括：
通过所述处理器接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息；
通过处理器根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器；
通过处理器控制所述流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。
本申请实施例中，模拟重量和重心的设备中的处理器在得到虚拟对象的重量和重心位置后，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器，进而处理器控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。由于流体容器分布在设备本体内不同的位置，使得向不同流体容器输送流体后，会改变设备的重心位置以及设备的重量，由此确保用户感受到设备的重量和中心变化，并将变化映射到相应的虚拟对象上，达到准确模拟虚拟对象的重量和重心的目的。
附图说明
图1a是根据本申请第一实施例中的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备的结构示意图；
图1b是根据本申请第一实施例中的连接器的结构示意图；
图2a是根据本申请第二实施例的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备结构示意图；
图2b是根据本申请第二实施例的泵传动系统的结构示意图；
图3是根据本申请第三实施例的虚拟现实环境下模拟重量和重心的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。
图1a是根据本申请第一实施例的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备的结构示意图，本实施例可适用于结合虚拟显示设备精准模拟虚拟对象重量和中心的情况。本申请实施例中，模拟重量和重心的设备是一种动态被动触觉反馈设备，其中，被动触觉反馈设备是指不使用任何计算机控制的执行器，而是将在虚拟环境中产生的力与来自真实世界的力相关联；动态被动触觉反馈设备是指通过移动中心改变被动触觉特性的设备，本申请实施例中是通过流体的输入与输出改变控制重量的变化以及重心的移动。
如图1a所示，虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，包括：设备本体1、至少两个流体容器2、流体传动系统3和处理器4。
本申请实施例中，设备本体1通过连接器与虚拟现实设备的手持控制器连接；其中，连接器的结构图参见附图1b，在一种可选的实施方式中，采用3D打印技术打印该连接器；虚拟现实设备可选的为头戴显示器设备，例如Oculus Rift设备，该虚拟现实设备包括手持控制器，用户可通过手持控制器拾取虚拟对象，其中虚拟对象示例性的为虚拟环境中的物体。
至少两个流体容器2分布在设备本体1内部的不同位置，且各流体容器均与流体传统系统连接，用于盛放流体传动系统传输的流体，本申请实施例中传输的流体示例性的为液体水。其中，流体容器示例性的分布在设备本体的两端与中间位置；流体容器可以为任何更够存储流体的容器；进一步的，为了降低设备本体的体积，流体容器可选的为体积可变的容器，示例性的，流体容器为气球，由此使得在没有向流体容器传输流体时，流体容器的体积较小，流体容器接收到流体后体积变大。各流体容器均与流体传统系统的输出端连接，用于存储流体传动系统传输的流体。
需要说明的是，将至少两个流体容器2分布在设备本体内部的不同位置，可以保证在向不同流体容器传输流体时，可以改变设备的重量的同时，改变设备的重心位置，以便将变化映射到相应的虚拟对象上，以实现虚拟对象重量和重心的模拟。
处理器4与虚拟现实设备通信，用于接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息。本申请实施例中，处理器4可通过数据传输协议与虚拟现实设备进行通信，虚拟现实设备实时检测用户手持控制器拾取的虚拟对象，获取预先存储的该虚拟对象的重量和重心位置信息，并将其发送给处理器4。需要说明的是，虚拟现实设备在检测到虚拟对象的重量改变时，也会将此时拾取的虚拟对象中重量和重心位置发送给处理器4。
处理器4还用于根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器。本申请实施例中，为了准确的模拟虚拟对象的重量和重心位置，处理器可选的根据重量转换矩阵将接收到的重量信息计算流体传动系统需要传输的流体重量，同时可通过位置转换矩阵和接收到的重心位置信息，确定接收流体的目标流体容器。在此需要说明的是，确定的目标流体容器的数量为至少一个，如果目标流体容器为多个，则需要计算每个流体容器需要传输的流体重量。
处理器4还与流体传动系统3通信，用于控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。本申请实施例中，处理器4可通过预设通信协议与流体传动系统3进行通信，以控制流体传动系统3向目标流体容器传输所需重量的流体。
除此之外，模拟重量和重心的设备还包括电源模块，用于为整个设备供电。而且由于通过流体的输出模拟重心移动和重量，使得设备的噪声较小。
本申请实施例中，模拟重量和重心的设备中的处理器在得到虚拟对象的重量和重心位置后，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器，进而处理器控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。由于流体容器分布在设备本体内不同的位置，使得向不同流体容器输送流体后，会改变设备的重心位置以及设备的重量，由此确保用户感受到设备的重量和中心变化，并将变化映射到相应的虚拟对象上，达到准确模拟虚拟对象的重量和重心的目的。
图2a是根据本申请第二实施例的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备的结构示意图，本实施例是在上述实施例的基础上进行优化，参见图2a,该设备的流体传动系统3为螺旋杆传动系统3-1和/或泵传动系统3-2。
在此需要说明的是，模拟重量和重心的设备中的流体传动系统3可以是螺旋杆传动系统3-1和泵传动系统3-2中的任意一个。而为了满足用户不同需求，也可以同时包括螺旋杆传动系统3-1和泵传动系统3-2，用户在使用时可根据自身需要选择其中一个流体传动系统进行使用。如下针对两种流体传动系统分别进行介绍。
螺旋杆传动系统3-1包括：带有刻度的储存流体的储液容器、输液管、螺旋杆、驱动器、电机。其中，带有刻度的储存流体的储液容器示例性的为带有刻度的注射器；输液管用于连接流体容器和储液容器；驱动器用于控制电机带动螺旋杆进行伸缩运动，其中，伸缩运动包括伸展运动和收缩运动；螺旋杆用于通过伸缩运动，将储液容器内的流体输出或从收回已输出的流体，具体的，螺旋杆进行伸展运动时，将储液容器内的流体输出到流体容器，螺旋杆进行收缩运动时，将已输送到流体容器内的流体抽取回到流体容器。
进一步的，由于利用螺旋杆运动传输流体的速度较慢，为了提升流体传输的速度，本申请实施例中，带有刻度的储存有流体的储液容器的数量为至少两个；相应的，螺旋杆伸缩运动运动时，将至少两个储液容器内的流体同步的输出或者同步的收回已输出的流体。需要说明的是，由于螺旋杆传动系统中的储液容器带有刻度，因此可以精准的向流体容器输送流体，因此在精度要求较高的情况下，可以选用螺旋杆传动系统。
泵传动系统3-2包括储液容器、两个泵、输液管；其中，两个泵的输入端通过输液管分别与储液容器连接，输出端通过输液管与流体容器连接。泵传动系统中的一个泵用于将储液容器里的流体通过输液管传输到流体容器中，另一个泵用于从流体容器中回收流体到储液容器。
进一步的，储液容器与两个泵之间的输液管上设置有电磁阀，用于防止流体倒流。储液容器与输液管通过连接器连接；流体容器与输液管通过连接器连接。
示例性的，参见图2b，其示出了泵传动系统的结构示意图。其中，部件a和d是连接器，连接器a用于连接输液管f和储液容器e，连接器d用于连接流体容器与输液管f。c是泵，一个用于将储液容器e中的流体传输到流体容器，另一个用于将流体容器内的流体抽回。b是电磁阀，用于放置流体倒流。
需要说明的是，泵传动系统由于通过泵传输流体，使得传输流体的速度快，使得设备响应速度也较快。因此在需要设备快速响应的情况下，可选用泵传动系统。
本申请实施例中，提供了两种流体传动系统，使得用户可以根据自身需求选择其中一个传输流体，以保证重量和重心模拟的准确性。
图3是根据本申请第三实施例的虚拟现实环境下模拟重量和重心的方法的流程示意图，本实施例可适用于结合虚拟显示设备精准模拟虚拟对象重量和中心的情况，该方法由虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备执行，该设备包括设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器，参见图3，该方法包括：
S301、通过处理器接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息。
本申请实施例中，虚拟现实设备可选的为头戴显示器设备，例如Oculus Rift设备，该虚拟现实设备包括手持控制器，用户可通过手持控制器拾取虚拟对象，其中，虚拟对象示例性的为虚拟环境中的物体。拟现实设备用于实时检测虚拟对象的重量是否改变，并在确定重量改变时，将虚拟对象的重量信息和重心位置信息发送给模拟重量和重心的设备的处理器。
S302、通过处理器根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器。
本申请实施例中，为了准确的模拟虚拟对象的重量和重心位置，处理器可选的根据重量转换矩阵将接收到的重量信息计算流体传动系统需要传输的流体重量，同时可通过位置转换矩阵和接收到的重心位置信息，确定接收流体的目标流体容器。在此需要说明的是，确定的目标流体容器的数量为至少一个，如果目标流体容器为多个，则需要计算每个流体容器需要传输的流体重量。
S303、通过处理器控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。
在确定目标流体容器以及需要传输的流体重量后，控制流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体。示例性的，用户选择的流体传动系统为螺旋杆传动系统，在确定流体重量后，通过驱动器控制电机运动，进而带动螺旋杆伸展运动，以将储液容器内的输出液体，并保证螺旋杆停止运动时，总输出流体的重量等于预先确定的流体重量。
在将流体传输到目标流体容器后，改变了设备的重心位置和重量，并将变化映射到相应的虚拟对象上，达到准确模拟虚拟对象的重量和重心的目的。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，所述设备包括：设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器；
其中，所述设备本体通过连接器与虚拟现实设备的手持控制器连接；
所述至少两个流体容器分布在所述设备本体内部的不同位置，且各流体容器均与所述流体传统系统连接，用于盛放流体传动系统传输的流体；
所述处理器与虚拟现实设备通信，用于接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息；
所述处理器还用于根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器；
所述处理器还与流体传动系统通信，用于控制所述流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体；
其中，所述流体传动系统为螺旋杆传动系统和/或泵传动系统；
其中，在精度要求高的情况下，选用所述螺旋杆传动系统；在需要设备快速响应的情况下，选用所述泵传动系统；
其中，所述处理器根据重量转换矩阵将接收到的所述重量信息计算所述流体传动系统需要传输的流体重量，同时通过位置转换矩阵和接收到的所述重心位置信息，确定所述接收流体的目标流体容器。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，所述螺旋杆传动系统包括：带有刻度的储存有流体的储液容器、输液管、螺旋杆、驱动器、电机；
其中，所述储液容器的输出端通过所述输液管与流体容器连接，所述储液容器的输入端与螺旋杆连接；
所述驱动器用于控制电机带动所述螺旋杆进行伸缩运动；
所述螺旋杆用于通过伸缩运动，将所述储液容器内的流体输出或收回已输出的流体。
3.根据权利要求2所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，带有刻度的储存有流体的储液容器的数量为至少两个；相应的，所述螺旋杆伸缩运动时，将至少两个储液容器内的流体同步的输出或者同步的收回已输出的流体。
4.根据权利要求1所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，所述泵传动系统包括储液容器、两个泵、输液管；
其中，所述两个泵的输入端通过输液管分别与储液容器连接，输出端通过输液管分别与流体容器连接。
5.根据权利要求4所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，泵传动系统中的一个泵用于将储液容器里的流体通过输液管传输到所述流体容器中，另一个泵用于从流体容器中回收流体到储液容器。
6.根据权利要求4所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，储液容器与两个泵之间的输液管上分别设置有电磁阀，用于防止流体倒流。
7.根据权利要求4所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，其特征在于，所述储液容器与所述输液管通过连接器连接；所述流体容器与所述输液管通过连接器连接。
8.一种虚拟现实环境下模拟重量和重心的方法，其特征在于，应用于虚拟现实环境下模拟重量和重心的设备，所述设备包括设备本体、至少两个流体容器、流体传动系统和处理器，所述方法包括：
通过所述处理器接收虚拟现实设备发送的虚拟对象的重量信息和重心位置信息；
通过处理器根据重量信息和重心位置信息，计算流体传动系统需要传输的流体重量，以及确定接收流体的目标流体容器；
通过处理器控制所述流体传动系统向目标流体容器传输所需重量的流体；
其中，所述流体传动系统为螺旋杆传动系统和/或泵传动系统；
其中，在精度要求高的情况下，选用所述螺旋杆传动系统；在需要设备快速响应的情况下，选用所述泵传动系统；
其中，所述处理器根据重量转换矩阵将接收到的所述重量信息计算所述流体传动系统需要传输的流体重量，同时通过位置转换矩阵和接收到的所述重心位置信息，确定所述接收流体的目标流体容器。
9.根据权利要求8所述的虚拟现实环境下模拟重量和重心的方法，其特征在于，所述虚拟现实设备用于实时检测虚拟对象的重量是否改变，并在确定重量改变时，将虚拟对象的重量信息和重心位置信息发送给模拟重量和重心的设备的处理器。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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