CN210776583U - 一种沉浸式虚拟现实交互设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种提供多向拉力实时反馈的虚拟现实交互设备。一种沉浸式虚拟现实交互设备，其特征在于，包括滑轨组件、手柄组件、中枢组件。通过遥控器上下按键、拉绳伸缩按键，将设置的位置数据、拉绳数据传输给单片机传感器，初始设置滑台基座在横向轨道、升降轨道(12)之上的位置以及适应于用户个体化操控的拉绳操作长短数据。能提供多向拉力实时反馈的虚拟现实交互设备，占有空间小。以本实用新型公开的技术方案为基础，将来可进一步开发适用于虚拟现实上肢康复训练、娱乐休闲等应用系统。

Description

一种沉浸式虚拟现实交互设备

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种提供多向拉力实时反馈的虚拟现实交互设备。

背景技术

虚拟现实技术广泛的应用于娱乐、影视、教学、康复、培训、训练、演练、工程设计、规划设计、医学、军事、航空航天，在虚拟现实环境中引入多感官交互技术,可实现深层次的交互和沉浸感，获得更接近自然的交互体验。

一方面，基于多感官交互的虚拟现实系统已成为目前虚拟现实领域研究的热点。然而目前虚拟现实系统中的交互存在过分依赖高端设备、复杂交互实现困难等问题。

另一方面，近年来，我国虚拟现实产业快速发展，相关关键技术进一步成熟，在画面质量、图像处理、眼球捕捉、3D声场、机器视觉等技术领域不断取得突破。然而当前的大量技术研发都主要围绕虚拟现实体验中的视觉反馈(视觉图像的扭曲或者滞后、立体空间感、像素分辨率、视野、速率及帧频等方面优化)及听觉反馈(用户自己的声音、他人的声音以及物体或者环境的声音等方面优化)，在虚拟现实体验触觉环境反馈方面的技术突破和市场应用相对较少。虚拟现实临场感及沉浸感因用户缺乏互动过程中相适应的触觉反馈，其综合感官感受得不到匹配视觉、听觉及大脑预期认知的刺激，容易导致前庭平衡感觉不协调及相应的眩晕感。研究表明，长期的综合感官感受不平衡，甚至可能导致个体化的前庭平衡紊乱及感官能力退行。

再一方面，将虚拟现实技术引入康复，尤其上肢运动的康复训练(最为典型，例如改善脑卒中患者运动功能障碍的一种替代方案)，有着显著的优势。

经对现有技术的检索：

于2015-07-08公开的中国发明《一种拉力模拟方法及系统》(CN201510105394.1)。在人机交互时，某些模拟训练场景下如果使用者需要推或拉动虚拟世界中的一个物体，如一个虚拟的木箱，常用的方法是通过操作鼠标，键盘，触摸屏或游戏操作杆等输入信号，然后由程序产生一个虚拟的力作用于物体，这样的操作无法让使用者感受移动物理说需要的力的大小，并且无法实时模拟在力的作用下物体的受外力大小的改变，降低了使用者的真实体验效果。因此，《一种拉力模拟方法及系统》(CN201510105394.1)提供的方法可以让使用者在操作虚拟场景中的物体时能够真实的感觉到自己提供了多大的力量作用在虚拟物体上，从而达到人机交互的效果来弥补技术缺陷。该方法及系统通过把使用者作用在推拉力计上的作用力输入到虚拟现实软件中，使这个真实的力变量作用于虚拟现实中的虚拟物体，以改变物体的受力状态，从而能够在特定的虚拟应用场景下，给用户带来真实作用力的体验，在3D模拟训练中，提高训练质量，效果更逼真。交互设备方面，该发明系统只提及了“拉力计”。

于2011-02-16公开的中国发明《一种柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法》(CN201010299286.X)。该发明涉及一种力触觉再现的建模方法，尤其涉及一种用于虚拟手术仿真过程中，人机交互的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法。为了使虚拟手术仿真过程中力触觉人机交互过程更加符合人们自身的习惯，提高交互的沉浸感和真实感，提出了柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法，在交互设备方面，该发明系统公开了“对称式板弹簧”。

于2011-02-16公开的中国实用新型《一种电子弹弓游戏系统》(CN201621285362.0)。其包括有电子弹弓装置和电子弹弓控制电路，其中：所述电子弹弓装置包括有底座及设置于底座上部的弹弓结构，该弹弓结构包括有形成一体的U形框部分和竖杆部分、及连接U形框的拉力皮筋和球兜，U形框部分设置有水平仰角电位器和水平偏角电位器，竖杆部分设置有拉力传感器；所述电子弹弓控制电路包括有微控制器电路模块及分别与微控制器电路连接的水平仰角偏角信号采集电路模块、拉力信号采集电路模块、通信电路模块和电源电路模块。本实用新型模拟仿真了弹弓装置，且通过手动操作弹弓装置实现游戏输入，使得游戏玩家在进行游戏时，更能够通过真实的手部动作进行游戏内容交互，给VR虚拟现实游戏带来全新的舒适自然感，提高了游戏的持续可玩性，也就是说可以有效延续手部输入游戏的存在。

最接近现有技术：于2016-09-07公开的中国实用新型《一种下肢康复训练机》(CN201620239656.3)。实用新型包括一主体框架、悬吊机构、走步台；主体框架包括转动臂、立柱和转动底座，转动臂旋转安装在立柱顶部；走步台安装在转动底座上，所述走步台上设置有走步带。悬吊机构包括悬吊绳、导向轮、定滑轮、动滑轮，悬吊绳跨过导向轮、动滑轮、定滑轮，一端连接安全挂钩，另一端连接拉力传感器，拉力传感器固定在立柱上。该实用新型使得训练者可在旋转的走步台上进行下肢训练，训练者能够在一个虚拟现实环境中，通过视觉、听觉、本体感觉等刺激，下肢进行生物反馈式的步行训练。

综上，现有技术中未曾公开过有关支持多向拉力的交互设备，以及现有技术交互设备在触觉反馈体验方面表现往往不足，占有空间大。

实用新型内容

本实用新型首次公开了一种沉浸式虚拟现实交互设备，是一种能提供多向拉力实时反馈的虚拟现实交互设备，占有空间小。

以本实用新型公开的技术方案为基础，将来可进一步开发适用于虚拟现实上肢康复训练、娱乐休闲等应用系统。

需要保护的技术方案：

一种沉浸式虚拟现实交互设备，其特征在于，包括滑轨组件、手柄组件、中枢组件；

所述滑轨组件包括滑台基座(14)、横向轨道(11)、升降轨道(12)、数控滑台(13)，所述升降轨道(12)固定于墙体或者支架等；所述数控滑台(13) 活动连接于横向轨道(11)上，数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机，通过滑块与横向轨道(11)咬合，通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13) 在横向轨道(11)上的横向活动方向和位移；所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上，滑台基座(14)包括基座和基座步进电机，通过基座与升降轨道(12)咬合，通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向和位移；

所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43)，所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上，弹力拉绳的固定端连接于滑台，其另一端是自由端用于连接手柄，所述舵机输出轴连接退线器转轴，退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳，调节弹力拉绳(41)长度。

所述中枢组件包括电源模块(31)、单片机控制器(32)、拉力传感器、通信模块(10)和遥控器(20)，所述电源模块(31)为中枢组件供电；所述拉力传感器设置于手柄组件上，用于采集弹力拉绳的拉力状态数据并提供给单片机控制器(32)；滑块步进电机、基座步进电机、舵机，它们的驱动器连接受控于单片机控制器(32)。所述通信模块(10)用于实现单片机控制器(32)与遥控器(20) 之间的通信连接。

所述遥控器(20)用于控制设备电源开关，也通过遥控器上下按键、拉绳伸缩按键，将设置的位置数据、拉绳数据传输给单片机传感器，初始设置滑台基座 (14)在横向轨道(11)、升降轨道(12)之上的位置以及适应于用户个体化操控的拉绳操作长短数据。

所述弹力拉绳(41)具有弹性。

拉力传感将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给单片机控制器(32)；并由单片机控制器(32)通过蓝牙模块控制滑轨组件、手柄组件以顺应拉力方向，带动滑轨组件、手柄组件在横向/升降滑轨移动以适应交互场景需要，实时完成横向(向左、向右)位置移动、竖向(向上、向下)位置移动、双向拉力(向前、退后)位置移动，以适应虚拟现实环境系统开发需要。

以上技术方案，与现有技术其它虚拟现实种的交互设备相比，显著区别在于：

1、本实用新型交互设备占空小，可布置在小居室内。

2、本交互设备首次公开了一种专用多向拉力交互新模式。

3、本交互设备中舵机顺应控制器可以适应拉力绳的收拉，首次公开了一种专用双向拉力交互新模式。

本申请占地面积小，为虚拟现实产品提供专用多向拉力交互新模式，融合虚拟现实技术后将在医疗、保健、教育、娱乐等虚拟现实细分应用领域有广阔发展前景。

附图说明

图1为本交互设备原理示意图

图2为交互设备结构示意图

图3为本交互设备中拉力传感构成示意图

图4为本交互设备中枢组件构成示意图

图5为本设备在其应用时配合虚拟现实后的场景示意图

数字标记：

滑轨组件1、横向滑轨11、升降轨道12、数控滑台13、滑台基座14、罩15；

中枢组件3、电源模块31、电源线插头311、单片机32、蓝牙模块33、升降遥控器34；

弹力拉绳41、数控退线器42、数控退线器转轴421、手柄43、拉力传感器 44。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1至图5所示，一种沉浸式虚拟现实交互设备，包括滑轨组件、手柄组件、中枢组件；

所述滑轨组件包括滑台基座(14)、横向轨道(11)、升降轨道(12)、数控滑台(13)，所述升降轨道(12)固定于墙体或者支架等；所述数控滑台(13) 活动连接于横向轨道(11)上，数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机(图中未示意)，通过滑块与横向轨道(11)咬合，通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向和位移；所述横向轨道 (11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上，滑台基座 (14)包括基座和基座步进电机(图中未示意)，通过基座与升降轨道(12)咬合，通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向和位移；

所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机(图中未示意)、手柄(43)，所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上，弹力拉绳的固定端连接于滑台，其另一端是自由端用于连接手柄，所述舵机输出轴连接退线器转轴，退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳，调节弹力拉绳(41)长度。

所述中枢组件包括电源模块(31)、单片机控制器(32)、拉力传感器、通信模块(10)和遥控器(20)，所述电源模块(31)为中枢组件供电；所述拉力传感器设置于手柄组件上，用于采集弹力拉绳的拉力状态数据并提供给单片机控制器(32)；滑块步进电机、基座步进电机、舵机，它们的驱动器连接受控于单片机控制器(32)。所述通信模块(10)用于实现单片机控制器(32)与遥控器(20) 之间的通信连接；所述遥控器(20)用于控制设备电源开关，也通过遥控器上下按键、拉绳伸缩按键，将设置的位置数据、拉绳数据传输给单片机传感器，初始设置滑台基座(14)在横向轨道(11)、升降轨道(12)之上的位置以及适合于用户个体的拉绳操作长短数据。

拉力传感将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给单片机控制器(32)；并由单片机控制器(32)通过蓝牙模块控制滑轨组件、手柄组件以顺应拉力方向，带动滑轨组件、手柄组件在横向/升降滑轨移动以适应交互场景需要，实时完成横向(向左、向右)位置移动、竖向(向上、向下)位置移动、双向拉力(向前、退后)位置移动，以适应虚拟现实环境系统开发需要。

具体实现技术方案时，实施例的电源模块(8)还可以包括适配器、电源线插头(11)，通过电源线插头(11)连接外部市电，通过适配器将外部市电转化成符合实际中枢组件的供电电压。

具体实现技术方案时，实施例的通信模块(10)可以选择蓝牙模块实现。

以本实用新型公开的技术方案为基础，将来可进一步开发适用于上肢康复训练虚拟现实应用系统，开发游艇、风筝、钓鱼等娱乐休闲的虚拟现实等应用系统。

本申请与现有技术相比，占地面积小，为虚拟现实产品提供专用多向拉力交互新模式，融合虚拟现实技术后将在医疗、保健、教育、娱乐等虚拟现实细分应用领域有广阔发展前景。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (2)

1.一种沉浸式虚拟现实交互设备，其特征在于，包括滑轨组件、手柄组件、中枢组件；

所述滑轨组件包括滑台基座(14)、横向轨道(11)、升降轨道(12)、数控滑台(13)，所述升降轨道(12)固定于墙体或者支架等；所述数控滑台(13)活动连接于横向轨道(11)上，数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机，通过滑块与横向轨道(11)咬合，通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向和位移；所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上，滑台基座(14)包括基座和基座步进电机，通过基座与升降轨道(12)咬合，通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向和位移；

所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43)，所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上，弹力拉绳的固定端连接于滑台，其另一端是自由端用于连接手柄，所述舵机输出轴连接退线器转轴，退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳，调节弹力拉绳(41)长度；

所述中枢组件包括电源模块(31)、单片机控制器(32)、拉力传感器、通信模块(10)和遥控器(20)，所述电源模块(31)为中枢组件供电；所述拉力传感器设置于手柄组件上，用于采集弹力拉绳的拉力状态数据并提供给单片机控制器(32)；滑块步进电机、基座步进电机、舵机，它们的驱动器连接受控于单片机控制器(32)；所述通信模块(10)用于实现单片机控制器(32)与遥控器(20)之间的通信连接。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述遥控器(20)用于控制设备电源开关，也通过遥控器上下按键、拉绳伸缩按键，将设置的位置数据、拉绳数据传输给单片机传感器，初始设置滑台基座(14)在横向轨道(11)、升降轨道(12)之上的位置以及适应于用户个体化操控的拉绳操作长短数据。

Images