CN201311614Y - 虚拟现实行走装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种虚拟现实行走装置。它具有制作工艺简单、生产成本低廉、使用存放占地空间少、仿真度高，使用安全等优点。其结构为：它包括固定在地面的行走板、可固定人体背部的拘束架和穿着在人脚的定位靴；其中定位靴与行走板接触，拘束架与一个固定架相配合，在定位靴上设有位置传感装置和刹车装置，拘束架上安装跳跃、下蹲传感装置。

Description

虚拟现实行走装置

技术领域

本实用新型涉及一种由步行运动操纵的控制装置，尤其涉及一种在虚拟现实中实现由现实步行运动控制虚拟行走的虚拟现实行走装置。

背景技术

虚拟现实技术(Virtual reality简称VR)即通过计算机图形学、机电技术、电子技术等技术构造出一个模拟现实的模型并人机交互，产生和现实世界中相同的反馈信息，使人们得到与真实世界中同样的感受。这种技术的研究始于六十年代，由于该技术难度大，涉及的范围广，对计算机性能要求高，因此最早用于军用飞机飞行模拟及核反应研究。随着显示技术、高速图形加速处理技术、多媒体技术、跟踪系统技术等方面的迅速发展，以及并行处理技术、与传统程序设计方法所不同的面向对象的程序设计方法的发展，虚拟现实技术已逐渐应用到航空航天、建筑、医疗、教育、艺术、体育等领域中并开始普及化发展。

人在现实世界中大量的通过手、脚来完成运动、行走、操纵驾驶仪器等任务，在一个优秀的沉浸式虚拟现实系统中，也应由现实生活中的方式来完成人机交互。现有虚拟现实技术已在环境生成及展示、环绕立体声等方面取得巨大的成就，虚拟现实的输入设备即人机互动方面在操纵驾驶装置、手及手臂的运动探测方面在实际应用中都具有突破性的进展，但是，作为人类不可缺少的动作之一-行走，还未有良好的解决方案。

已知的沉浸式虚拟现实行走输入设备包括公告号为1271581的一种全方位自由行走机器，其主要原理是通过两脚踩踏两只移动踏板完成行走检测，这种方式机构复杂，实现困难，仅能做到检测人类前进后退转向，而无法检测使用者跳跃、下蹲、转圈等动作。国际公布号为WO2004/099966的利用压力传感垫的虚拟现实系统移动接口，其压力传感垫成本高，制作材料要求苛刻，无法检测使用者跳跃下蹲动作。申请号/专利号为96196308的大球体系统体型庞大，对球体的制作精度及材料要求苛刻，制作搬运困难，使用者很难掌握平衡。利用摄相头判断使用者位置来移动的万向垫设备其体积庞大，人在其上快速运动易于摔倒。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种将行走变为滑动，来检测滑动数据、具有结构简单，使用方便，仿真度好，使用安全等优点的虚拟现实行走装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种虚拟现实行走装置，它包括固定在地面的行走板、可固定人体背部的拘束架和穿着在人脚的定位靴；其中定位靴与行走板接触，拘束架与一个固定架相配合，在定位靴上设有位置传感装置和刹车装置，拘束架上安装跳跃、下蹲传感装置。

所述行走板为一个板体，其四周设有预留栓口。

所述定位靴包括鞋基座，鞋基座底部设有行走装置；所述位置传感器装置包括设置在鞋基座外侧的位移/转动传感器和鞋基座底面的踏地传感器；在鞋基座的底部设有舵机，它通过连杆机构与刹车装置连接。

所述行走装置包括前后两对并列的万向球轮，每个万向球轮与相应的球轮支撑架连接。

所述行走装置为滑块。

所述刹车装置为刹车碟片。

所述拘束架为一个侧置的U形架，在U形架的上下挡板间安装有垂直滑动装置，该装置与人体固定板连接，人体固定板上设有拘束带；同时垂直滑动装置上还安装由拘束器重量补偿装置，在U形架的竖板上分别安装跳跃传感器和下蹲传感器，在下档板上安装过下蹲保护传感器。

所述垂直滑动装置包括一对滑动导轨，其上安装有垂直滑动平台；垂直滑动平台通过运动缓冲管与人体固定板连接。

所述运动缓冲管为一对上下排布的管状弹簧I，它们分别通过各自的缓冲弹簧平台与垂直滑动平台连接。

所述拘束器重量补偿装置为一管状弹簧II，它的上端与上挡板连接，下端与垂直滑动平台连接。

本实用新型中，使用者脚穿定位靴，通过拘束架固定住。定位靴包含滑动系统，能让使用者在行走板上以较小的阻尼做原地滑动来模拟行走。拘束架的固定下，使用者行走的力将使滑动靴与地面做滑动。每只定位靴安置两只以上的位移传感器，每个位移传感器可以检测滑行的位移量，通过不同点的数据量可得到整体位移及转动量。将以上所得数据直接传送或在装置内设处理器中进行简单的处理后传送给上位机。为了增强使用者的使用真实感和增强安全性，滑动轮设有刹车系统。刹车系统可以立定刹车，并根据上位机传送的地面阻尼信息来适当的增减与地面的摩擦，形成阻尼模拟系统，来增强仿真的真实感。当操作者失去平衡而滑倒时，在拘束架上的检测装置发现处于过下蹲状态，此时启动过下蹲保护，令滑动靴处于刹车状态，并在操作者恢复双脚站立后延时一定的时间再松开装置，由此构成过下蹲即滑到保护，增加使用者的安全系数。

拘束架主要负责固定使用者，使用者被人体固定板固定住，人体固定板与运动缓冲管相接，使用者能通过运动缓冲管缓冲大幅度的动作，令身体小幅度的上下左右活动而不是僵硬的固定在装置上，增强真实感并防止大幅度的动作令装置损伤人体。滑动导轨能使运动缓冲缓冲管和人体固定板上下运动一定的范围，在垂直滑动杆上方设有拘束器重量补偿簧，操作者在正常站立状态下，重量补偿簧将托起通过滑动组件衔接的运动缓冲缓冲管和人体固定板，减轻由装置给操作者带来的背负感。垂直滑动杆上还设有检测跳跃下蹲及过下蹲的装置，通过检测滑动衔接组件的位置来判断是否为跳起、下蹲或使用者滑倒状态。

行走板位于拘束架下方，可与地面固定，使用者可穿滑动靴站在行走板上虚拟行走，行走板下部有与其他仪器连接的预留栓口。

本实用新型的工作原理为：人类的行走即为人与地面发生了位移，现实生活中，人类的行走是通过一只脚抬起与地面做相对运动，另一只脚蹬地，通过与地的摩擦来使身体前行。人类通过不断重复以上方法实现了行走。

在虚拟现实环境中，往往需要在小面积内模拟庞大的虚拟环境，以小运动范围模拟出大运动范围是各个虚拟现实仪器的目标方向。本装置独创性的通过获取滑动数据来实现虚拟现实的步行采集。使用者脚穿滑动靴，身体被拘束架拘束，当使用者在阻尼适当的行走板上做行走动作时，蹬地的脚因滑动靴的滑动组件而与行走板产生滑动。由于产生了滑动致使滑动板提供的阻力不足以让使用者挣脱拘束架的束缚而脱离拘束架，就会出现蹬地的脚在行走板上滑动，滑动的距离与现实行走的距离相同，方向相反。我们可以通过光电传感器、轨迹球等设备组成阵列来得到滑行时脚与地面的位移量、转角等值，例如每只滑动靴外侧放置至少两部光电传感器，每个传感器都能检测自身与地面的位移，在已知两传感器间距离与各自的位移量后，能算出两个传感器所连成的直线的偏转角，即脚的转角量，来检测使用者是否在虚拟现实系统中原地转圈或边行走边转向。在此系统中还有一个用于检测脚是否离地的传感器，如果传感器检测一只脚是离地的，就松开刹车系统，记录没有离开地的滑动靴检测的数据作为行走数据，屏蔽离开地的滑动靴得到的数据。如果两只脚都没有离地，表示使用者在站立状态，此时脚与地不能有滑动，否则就与现实相异，并且容易在使用者失去平衡时摔倒。本装置会在使用者处于站立姿态后进入刹车模式。而两脚都离地表示处于跳跃状态，如果不能在落地时处于刹车模式，容易使使用者滑倒受伤。同样会在跳跃时进入刹车模式并于落地后缓冲一段时间才松开刹车片。

拘束架固定使用者，令使用者在虚拟行走时产生滑动。人类行走时会产生小范围晃动，使用者能通过运动缓冲管缓冲动作，令身体小幅度的上下左右活动而不是僵硬的固定在装置上，增强真实感并防止大幅度的动作令装置损伤人体。拘束架通过垂直滑动系统可以允许使用者上下活动，即实现跳跃和下蹲，在垂直滑动系统的两端放置传感器，就可获得跳跃和下蹲信息来传达到上位机进行活动触发。在垂直滑动杆下方设有拘束器重量补偿簧，操作者在正常站立状态下，重量补偿簧将托起通过滑动组件衔接的运动缓冲缓冲管和人体固定板，减轻由装置给操作者带来的背负感。

行走板可以为一阻尼适当的平面垫板，也可以连接其它模拟地面倾斜角度的装置来实现地面的倾斜模拟。增强对使用者的真实感。

本实用新型的有益效果是：它可用于检测行走者行走轨迹及转角、跳跃及下蹲检测。本实用新型占地空间小，可储存在一个立方米空间内，使用时高度相对使用者高出仅几十厘米，一般建筑空间完全可以使用，设备构造复杂度低，绝大部分部件可使用现有产品与技术，制造材料廉价，为大型推广奠定了良好的基础。本实用新型能测量使用者是否在原地转动或边行走边转动，能检测使用者是否在跳跃和下蹲甚至是滑倒，从而由上位机来进行相应的动作触发，达到仿真度更好，使用更安全的特点。

附图说明

图1为定位靴的侧面结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为定位靴底面结构示意图；

图4为拘束架结构示意图；

图5为图4的侧面结构示意图；

图6为行走板和固定架的结构示意图；

图7为本实用新型的使用状态图。

其中，1.鞋基座，2.踏地传感器，3.球轮支撑架，4.舵机，5.连杆机构，6.刹车碟片，7.万向球轮，8.位移/转动传感器，9.跳跃传感器，10.拘束器重量补偿装置，11.垂直滑动平台，12.运动缓冲管，13.人体固定板，14.拘束带，15.下蹲传感器，16.过下蹲保护传感器，17.滑动导轨，18.管状弹簧I，19.缓冲弹簧平台，20.管状弹簧II，21.行走板，22.预留栓口，23.固定架。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本实用新型的脚部支撑部分由鞋基座1实现。用户的脚直接穿入鞋基座1上。球轮支撑架3和万向球轮7撑着鞋基座1，最终实现支撑用户并实现模拟行走的条件，如图7所示。

位移/转动传感器8位于鞋基座1两侧，踏地传感器2位于鞋基座1底面。本实用新型的球轮支撑架3顶部采用螺栓与鞋基座1固定，内圈与万向球轮7接触，在固定万向球轮7的同时，也为球轮提供了一个自由滑动的空间，使其能够向任意方向滑动。由外圈和内圈组成的球轮支撑架3起到了连接鞋基座1和万向球轮7的作用。本实用新型的万向球轮7安装在球轮支撑架3内圈上，不仅可以承受垂直方向上的载荷，还可以在空间三自由度上任意旋转，使定位靴与地面之间能够自由相对运动，从而模拟人走路时候与地面的相对运动情况。本实用新型的刹车碟片6安装在鞋基座1底部，由连杆机构5连接舵机4与刹车碟片6，并由舵机4进行控制刹车。在舵机4产生刹车动作的时候刹车碟片6利用摩擦力抑制定位靴滑动。本实用新型的舵机4由紧固螺钉固定在鞋基座1上，当接收到刹车信号的时候就产生动作，输出转矩，推动连杆机构5压紧刹车碟片6接触万向球轮7，利用摩擦力抑制定位靴滑动。

图4、图5中，拘束架是实验者在进行虚拟行走时，为实验者提供一个支撑，固定作用的平台，为U形结构，它包括人体固定板13和拘束带14，拘束带14将实验者固定在人体固定板13上，使之在模拟行走的时候能约束使用者的位移，同时人体固定板13还能在某些情况下为实验者提供保护。

垂直滑动平台11与滑动导轨17相连接，能够自由上下滑动，模拟下蹲/跳跃等情况。滑动导轨17安装在U形架的上下挡板之间。

人体固定板13通过运动缓冲管12与垂直滑动平台11连接。运动缓冲管12为一对管状弹簧I18，它们通过各自的缓冲弹簧平台19与垂直滑动平台11连接。在人体拘束板与垂直滑动平台11有相对运动的时候被压缩或拉升，为人体提供一个回复力，达到模拟现实与缓冲保护的目的。缓冲弹簧平台19用螺柱固定在垂直滑动平台11上，可以调节管状弹簧I18的压缩长度，用以调节缓冲弹簧预应力，使之能够工作在最合适情况下。

垂直滑动平台11的顶部与管状弹簧II20连接，管状弹簧II20组成拘束器重量补偿装置10。拘束器重量补偿装置10能够为人体固定板13和垂直滑动平台11提供一部分支撑力，减轻实验者在模拟行走的时候背部负载，使之更加轻松。在实验者开始实验前，机器处于空载状态，由管状弹簧II20提供支撑力。管状弹簧II20固定在U形架，但受到向上的推力时可伸出到U型架外。在实验者下蹲的时候管状弹簧II20被拉伸，为实验者提供向上的回复力；在实验者跳跃的时候管状弹簧II20伸出到垂直滑动平台11外，由地球引力提供回复力。

在U形架的竖板上还分别安装跳跃传感器9、下蹲传感器15和过下蹲保护传感器16，用来检测实验者在实验时跳跃/下蹲和过下蹲等极限状态，为实验者提供相应的系统支持和保护。

图6中，固定架23可固定在墙壁或支撑架上，起到支撑拘束架的其余部件的作用，可调高。行走板21位于拘束架下方，可与地面固定，使用者可穿定位靴站在行走板21上虚拟行走，行走板21下部有与其他仪器连接的预留栓口22。

各传感器将产生的信号送入外接的计算机，计算机利用软件产生模拟的动作和实时状态信息。

Claims (10)

1.一种虚拟现实行走装置，其特征是，它包括固定在地面的行走板(21)、可固定人体背部的拘束架和穿着在人脚的定位靴；其中定位靴与行走板(21)接触，拘束架与一个固定架(23)相配合，在定位靴上设有位置传感装置和刹车装置，拘束架上安装跳跃、下蹲传感装置。

2.如权利要求1所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述行走板(21)为一个板体，其四周设有预留栓口(22)。

3.如权利要求1所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述定位靴包括鞋基座(1)，鞋基座(1)底部设有行走装置；所述位置传感器装置包括设置在鞋基座(1)外侧的位移/转动传感器(8)和鞋基座(1)底面的踏地传感器(2)；在鞋基座(1)的底部设有舵机(4)，它通过连杆机构(5)与刹车装置连接。

4.如权利要求3所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述行走装置包括前后两对并列的万向球轮(7)，每个万向球轮(7)与相应的球轮支撑架(3)连接。

5.如权利要求3所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述行走装置为滑块。

6.如权利要求3所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述刹车装置为刹车碟片(6)。

7.如权利要求1所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述拘束架为一个侧置的U形架，在U形架的上下挡板间安装有垂直滑动装置，该装置与人体固定板(13)连接，人体固定板(13)上设有拘束带(14)；同时垂直滑动装置上还安装由拘束器重量补偿装置(10)，在U形架的竖板上分别安装跳跃传感器(9)和下蹲传感器(15)，在下档板上安装过下蹲保护传感器(16)。

8.如权利要求7所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述垂直滑动装置包括一对滑动导轨(17)，其上安装有垂直滑动平台(11)；垂直滑动平台(11)通过运动缓冲管(12)与人体固定板(13)连接。

9.如权利要求8所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述运动缓冲管为一对上下排布的管状弹簧I(18)，它们分别通过各自的缓冲弹簧平台(19)与垂直滑动平台(11)连接。

10.如权利要求7或8所述的虚拟现实行走装置，其特征是，所述拘束器重量补偿装置为一管状弹簧II(20)，它的上端与上挡板连接，下端与垂直滑动平台(11)连接。

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