CN112386903A - 一种操控vr第一人称视角主体的座椅及操控方法 - Google Patents

一种操控vr第一人称视角主体的座椅及操控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及VR（虚拟现实）人机交互技术，尤其涉及一种能够实现操控VR第一人称视角主体的乘坐设备，包括乘坐单元和旋转支撑单元两大部分，乘坐单元用于采集和输出人体臀部的前后左右位移信息；旋转支撑单元量用于采集和输出人体臀部的旋转信息；通过这两个信息的结合输出，实现操控VR第一人称视角主体的前后左右移动及水平面上的旋转动作，能够实现无机电、低体能消耗即可操控VR第一人称视角主体的基本运动。

Description

一种操控VR第一人称视角主体的座椅及操控方法
技术领域
本发明涉及VR（虚拟现实）人机交互技术，尤其涉及一种能够实现操控VR第一人称视角主体的乘坐设备。
背景技术
现有各类VR人机交互技术、模式、产品与方案均存在各种缺陷与不足，以下按照人机交互模式分类阐述和分析：
（1）VR被动式人机交互设备
VR被动式人机交互设备，主要指通过机电的运动与虚拟画面的配合，带动乘坐者做模拟运动；
A.延时晕动问题：以伺服电机驱动类设备为例，如VR蛋椅，由于机械结构的物理限定，机械延时远高于虚拟画面的延时，必然会出现与虚拟运动不同步的问题，尤其在旋转的三个自由度方面，如果出现延时过高，使用者会有强烈的晕动症反映；
B.持续供电问题：VR被动式人机交互设备，为确保带动乘坐者身体运动，必然离不开持续的强电供电系统；
C.成本高：机电设备结构复杂，需动力设备，电力供应，所以其制造成本和运维成本不言而喻；
（2）VR主动式人机交互设备
VR主动式人机交互设备，主要指通过使用者自身的身体运动，来控制虚拟场景中主体的运动；
A.对使用者体能要求过高：例如VR跑步机，通过对使用者几乎一比一的运动数据采集，实现虚拟场景中主体的运动控制。这样往往需要使用者需要耗费大量的体能，无法长时间游戏；
B.加速度运动时仍有眩晕感：例如VR跑步机，腿脚可以活动，但身体基本被固定，在虚拟场景出现加速度运动时，仍会有眩晕感；
C.使用者活动范围受限：例如可真实行走的VR虚拟场地，这种方式实现了使用者在空间中真实转向、行走，虚拟与现实动作完全匹配，不会眩晕，但却受空间场地限制，使虚拟空间只能与现实空间大小相匹配；
（3）VR人机交互的要点总结
所有VR人机交互的最重要点，在于解决晕动症问题；
A.在现实空间中存在6种轴向的运动，即XYZ空间中的位移和围绕XYZ三轴的旋转运动（yaw、pitch、roll）。晕动症最显著的地方，发生在虚拟景象的三轴旋转与人头部旋转不匹配的时候。在生活中最常见的旋转运动为地平面上的旋转运动，即yaw轴运动。在yaw轴运动上，使虚拟与现实统一，即可将眩晕感降至最低；
B.VR中XYZ三轴的位移，给使用者带来的眩晕感相对旋转较弱些，主要出现在位移加速度变化比较大的情况，在平滑加速、匀速或静止时，使用者的眩晕感较低。在VR场景有加速度的移动时，如果此时使用者身体（头部）的加速度能够与之匹配或接近，则眩晕感能够降至最低；
以上为发明者实际测评与总结，综上所述，实现虚拟运动体的 yaw轴旋转和加速度与现实的统一，即可大部分解决晕动症问题，实现在虚拟空间中不间断的无限移动。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种操控VR第一人称视角主体的座椅及操控方法，可以有效解决背景技术中的问题，实现在VR第一人称视角中基本无眩晕感，并在虚拟空间中不间断的、无方向限制的无限移动的目的。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括乘坐单元和旋转支撑单元，其特殊之处在于：
所述乘坐单元，能够采集乘坐者臀部的位移，转化输出为xy轴水平面位移数据信息，及压力数据信息；
所述旋转支撑单元，能够支撑乘坐单元无限旋转，并采集乘坐者臀部的yaw轴的旋转动作，输出角度或角位移信息；
进一步地，乘坐单元包含如下两种数据采集方式：
数据采集方式一：所述乘坐单元，通过乘坐者臀部围绕一个支点的扭动及压力变化，采集数据；
数据采集方式二：所述乘坐单元，通过乘坐者臀部的平移及压力变化，采集数据；
进一步地，所述乘坐单元，根据数据采集方式一进行的一种结构设计如下：
所述乘坐单元，包括座椅、压力传感器、上连接板、十字万向节、复位弹簧、下连接板、摇杆控制传感器；所述座椅与上连接板固连；所述上连接板与十字万向节上端固连；所述十字万向节下端与下连接板固连；所述摇杆控制传感器固定端与下连接板固连；所述摇杆控制传感器控制端与十字万向节上端铰接；所述上、下连接板设置有弹簧限位圈，复位弹簧设置在上连接板与下连接板之间；所述压力传感器设置在座椅和上连接板之间；
进一步地，所述乘坐单元，根据数据采集方式二进行的一种结构设计如下：
所述乘坐单元包括座椅、平面滑动架、固定支撑架、环形复位弹簧、摇杆控制传感器、压力传感器；所述平面滑动架为工字型；所述座椅与平面滑动架上端固连；所述固定支撑架包含弹簧卡位槽，其扣合平面滑动架下端；所述环形复位弹簧套住固定支撑架的卡位槽与平面滑动架下端的垂直面；所述摇杆控制传感器固定在固定支撑架上，摇杆端与平面滑动架合适位置铰接；所述压力传感器设置在座椅和平面滑动架之间；
进一步地，根据所述旋转支撑单元，进行的结构设计如下：
所述旋转支撑单元包括旋转编码器、转动轴承、可升降支撑杆、导电滑环、底座；所述转动轴承的转动部位与乘坐单元固连；所述转动轴承的固定部位与可升降支撑杆固连；所述旋转编码器的转动部位与乘坐单元固连；所述旋转编码器的固定部位与可升降支撑杆固连；所述导电滑环的转动部位与乘坐单元固连；所述导电滑环的固定部位与可升降支撑杆固连；所述可升降支撑杆下端与底座固连；
进一步地，一种操控VR第一人称视角主体的座椅还可以包含以下部分：
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括传感数据接收处理模块，无线信息发送或有线信息发送模块；
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括移动电源供电模块，或通过导电滑环有线供电模块；
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括其他附加控制器或按键模块；
所述乘坐单元，包括震动模拟、反馈模块；
所述乘坐单元，优选跨骑式座椅；
进一步地，一种操控VR第一人称视角主体的座椅，其操控方法如下：
方法一：乘坐者佩戴VR眼镜跨骑于座椅之上，脚踩底座上，移动臀部，通过乘坐单元摇杆控制传感器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的前后左右移动；
方法二：乘坐者控制坐在座椅上的压力变化，通过乘坐单元压力传感器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的上下移动或跳动；
方法三：乘坐者坐在座椅上，脚带动座椅转动，通过乘坐单元旋转编码器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的水平转动；
以上所有方法，可根据位移或重量的变化的程度，操控VR第一人称视角主体的位移加速度、移动速度、跳跃高度或转向速度，实现在虚拟空间中的无限多方向移动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.消除旋转眩晕感：乘坐者身体的水平旋转，操控VR第一人称视角主体的水平旋转，虚拟与现实同步，消除眩晕感；
2.大幅度降低位移眩晕感：控制虚拟主体位移，需要人体先进行前后左右的位移，身体停止运动后，虚拟主体则保持匀速或静止，从而减少位移加速度带来的眩晕感（加速度眩晕感，可同感参考升降电梯）；
3.由于依靠人体本身力量驱动、控制，不含任何动力设备，相对于被动式VR设备具有大幅度的成本优势、重量优势、体积优势及维护、运营优势；
4.用臀部操控VR第一人称视角主体，坐着玩，VR本该如此，相对其他主动式VR设备能够大幅度节省体力，并且更加安全，但又仍需全身动起来，非激烈运动，有益健康；
5.控制信号输出仅需少量电能，移动电源或电池即可驱动，可实现无线放置，与传统VR乘坐设备比较，十分方便；
6.可拓展性强：在本发明结构及原理的基础上，可拓展为多种VR第一人称视角控制设备，适用于多种VR第一人称视角主体的虚拟操控；
7.综上所述，本发明体积小、重量轻、成本低、功能多、结构耐用、拓展性强，又能解决大部分VR控制中的晕动问题，势必会成为VR外设的首选，为未来VR的普及，提供一种优秀的外设支持方案。
附图说明：
图1是本发明根据数据采集方式一进行的一种结构设计的整体示意图（以下简称“方案一”）
图2是方案一乘坐单元整体示意图
图3是方案一乘坐单元去掉复位弹簧的结构示意图
图4是方案一乘坐单元摇杆控制传感器的结构示意图
图5是本发明根据数据采集方式二进行的一种结构设计的整体示意图（以下简称“方案二”）
图6是方案二乘坐单元整体示意图
图7是方案二乘坐单元的炸裂结构示意图
1.乘坐单元（方案一） 2.旋转支撑单元 3.乘坐单元（方案二） 4.座椅 5.压力传感器6.上连接板 7.十字万向节 8.复位弹簧 9.下连接板 10.遥杆控制传感器 11.旋转编码器12.转动轴承 13.升降支撑杆 14.导电滑环 15.底座 16.平面滑动架 17.固定支承架
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
下面是本发明乘坐单元具体实例一的实施方式
如图1至4所示，包括座椅（4）、压力传感器（5）、上连接板（6）、十字万向节（7）、复位弹簧（8）、下连接板（9）、摇杆控制传感器（10），以上为本发明乘坐单元具体实例一的基本结构；
更具体而言，所述座椅（4）与上连接板（6）固连；所述上连接板与十字万向节（7）上端固连；所述十字万向节（7）下端与下连接板（9）固连；所述摇杆控制传感器（8）固定端与下连接板固连；所述摇杆控制传感器（8）控制端与十字万向节上端铰接；所述上、下连接板设置有弹簧限位圈，复位弹簧（8）设置在上连接板（6）与下连接板（9）之间；所述压力传感器（5）设置在座椅和上连接板之间；
以上设置的工作原理，是让人体臀部在座椅支撑的情况下，围绕一点做前后左右的摇摆动作，并将这种动作采集输出为控制信号。
下面是本发明乘坐单元具体实例二的实施方式
如图5至7所示，所述乘坐单元（3）包括座椅（4）、平面滑动架（16）、固定支撑架（17）、环形复位弹簧（18）、摇杆控制传感器（10）、压力传感器（5）；所述平面滑动架（16）为工字型，以上为本发明乘坐单元具体实例二的基本结构；
更具体而言，所述座椅（4）与平面滑动架（16）上端固连；所述固定支撑架（17）包含弹簧卡位槽，其扣合平面滑动架下端；所述环形复位弹簧（18）套住固定支撑架的卡位槽与平面滑动架下端的垂直面；所述摇杆控制传感器（10）固定在固定支撑架（17）上，摇杆端与平面滑动架（16）合适位置铰接；所述压力传感器（5）设置在座椅和平面滑动架之间；
以上设置的工作原理，是让人体臀部在座椅支撑的情况下，可以在一个平面上做前后左右的位移动作，并将这种动作采集输出为控制信号。
下面是本发明旋转支撑单元的实施方式
如图1或5所示，所述旋转支撑单元（2）包括旋转编码器（11）、转动轴承（12）、可升降支撑杆（13）、导电滑环（14）、底座（15）；以上为本发明旋转支撑单元具体的基本结构；
更具体而言，所述转动轴承（12）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述转动轴承（12）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述旋转编码器（11）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述旋转编码器（11）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述导电滑环（14）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述导电滑环（14）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述可升降支撑杆（13）下端与底座（15）固连；
以上设置的工作原理，是让人体臀部在座椅支撑的情况下，可以在一个平面上进行无限旋转，并将这种动作采集输出为控制信号；
最终通过乘坐单元与旋转支撑单元的输出数据组合，即可操控VR第一人称视角主体的前后左右移动及水平面上的旋转动作；
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括乘坐单元和旋转支撑单元，其特征在于：
所述乘坐单元，能够采集乘坐者臀部的位移，转化输出为xy轴水平面位移数据信息，及压力数据信息；
所述旋转支撑单元，能够支撑乘坐单元无限旋转，并采集乘坐者臀部的yaw轴的旋转动作，输出角度或角位移信息。
2.根据权利要求1所述，乘坐单元包含两种数据采集方式，其特征在于：
数据采集方式一：所述乘坐单元，通过乘坐者臀部围绕一个支点的扭动及压力变化，采集数据；
数据采集方式二：所述乘坐单元，通过乘坐者臀部的平移及压力变化，采集数据。
3.根据权利要求2所述乘坐单元，数据采集方式一进行的一种结构设计，其特征在于：
所述乘坐单元（1），包括座椅（4）、压力传感器（5）、上连接板（6）、十字万向节（7）、复位弹簧（8）、下连接板（9）、摇杆控制传感器（10）；所述座椅（4）与上连接板（6）固连；所述上连接板与十字万向节（7）上端固连；所述十字万向节（7）下端与下连接板（9）固连；所述摇杆控制传感器（8）固定端与下连接板固连；所述摇杆控制传感器（8）控制端与十字万向节上端铰接；所述上、下连接板设置有弹簧限位圈，复位弹簧（8）设置在上连接板（6）与下连接板（9）之间；所述压力传感器（5）设置在座椅和上连接板之间。
4.根据权利要求2所述乘坐单元，数据采集方式二进行的一种结构设计，其特征在于：
所述乘坐单元（3）包括座椅（4）、平面滑动架（16）、固定支撑架（17）、环形复位弹簧（18）、摇杆控制传感器（10）、压力传感器（5）；所述平面滑动架（16）为工字型；所述座椅（4）与平面滑动架（16）上端固连；所述固定支撑架（17）包含弹簧卡位槽，其扣合平面滑动架下端；所述环形复位弹簧（18）套住固定支撑架的卡位槽与平面滑动架下端的垂直面；所述摇杆控制传感器（10）固定在固定支撑架（17）上，摇杆端与平面滑动架（16）合适位置铰接；所述压力传感器（5）设置在座椅和平面滑动架之间。
5.根据权利要求1所述旋转支撑单元，进行的结构设计，其特征在于：
所述旋转支撑单元（2）包括旋转编码器（11）、转动轴承（12）、可升降支撑杆（13）、导电滑环（14）、底座（15）；所述转动轴承（12）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述转动轴承（12）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述旋转编码器（11）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述旋转编码器（11）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述导电滑环（14）的转动部位与乘坐单元（1或3）固连；所述导电滑环（14）的固定部位与可升降支撑杆（13）固连；所述可升降支撑杆（13）下端与底座（15）固连。
6.根据权利要求1所述，一种操控VR第一人称视角主体的座椅，其特征在于：
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括传感数据接收处理模块，无线信息发送或有线信息发送模块；
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括移动电源供电模块，或通过导电滑环有线供电模块；
所述一种操控VR第一人称视角主体的座椅，包括其他附加控制器或按键模块；
所述乘坐单元，包括震动模拟、反馈模块；
所述乘坐单元，优选跨骑式座椅。
7.根据权利要求1所述，一种操控VR第一人称视角主体的座椅，其操控方法如下：
方法一：乘坐者佩戴VR眼镜跨骑于座椅之上，脚踩底座上，移动臀部，通过乘坐单元摇杆控制传感器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的前后左右移动；
方法二：乘坐者控制坐在座椅上的压力变化，通过乘坐单元压力传感器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的上下移动或跳动；
方法三：乘坐者坐在座椅上，脚带动座椅转动，通过乘坐单元旋转编码器的数据采集及输出，操控VR第一人称视角主体的水平转动；
以上所有方法，可根据位移或重量的变化的程度，操控VR第一人称视角主体的位移加速度、移动速度、跳跃高度或转向速度，实现在虚拟空间中的无限多方向移动。
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