RU173655U1 - Имитатор космических условий на основе виртуальной реальности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к имитации космических условий, а именно к имитаторам космических условий на основе виртуальной реальности, включающий в себя шлем виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем, который соединен с датчиками движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся, и может использоваться для тренировки работы космонавтов в условиях космоса. Согласно полезной модели шлем виртуальной реальности, вычислительный модуль и датчики движения рук тренирующегося закреплены в скафандре, выполняющего функцию единого корпуса, на котором также размещены соединенные с вычислительным модулем источник питания и датчики положения конечностей. Достигаемый технический результат – расширение функциональных возможностей имитатора при обеспечении большей глубины имитации.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к имитации космических условий, а именно к имитаторам космических условий на основе виртуальной реальности, включающий в себя шлем виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем, который соединен с датчиками движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся, и может использоваться для тренировки работы космонавтов в условиях космоса.

Уровень техники.

С появлением техники погружения в виртуальную реальность стало возможным не только применять ее для развлечения, но и для обучения. В частности очень эффективно применять виртуальную реальность для воссоздания условий, отсутствующих на Земле.

Так известен из уровня техники имитатор космических условий на основе виртуальной реальности, включающий в себя шлем виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем, который соединен с датчиками движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся, см описание перчаток MANUS, которые вместе со шлем виртуальной реальности используются для тренировки космонавтов, см, например:

https://vrgeek.ru/2016/09/09/3781_nasa-use-manus-vr/

В данном уровне техники описан имитатор, который позволяет передавать изображение космических условий и модулировать различную деятельность руками человека.

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной модели.

Недостатком данного устройства является недостаточные функциональные возможности имитатора, связанные с тем, что он никак не учитывает положение ног, самого тренирующегося в пространстве, что приводит к невысокому качеству имитации. Нет возможности полностью погрузить тренирующегося в космические условия, например, моделировать нахождение его на чужой планете, следить полностью за положением его тела, в том числе ног, адаптировать изображение под все его действия.

То есть решаемой проблемой для настоящей полезной модели является невысокое качество имитации, отсутствие реакции на все действия и положение тела тренирующегося.

Раскрытие полезной модели.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить имитатор космических условий на основе виртуальной реальности, включающий в себя шлем виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем, который соединен с датчиками движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся, позволяющую как минимум сгладить, указанный выше недостаток, а именно обеспечить повышение функциональных возможностей имитатора при обеспечении большей глубины имитации, что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели.

Для достижения этой цели шлем виртуальной реальности, вычислительный модуль и датчики движения рук тренирующегося закреплены в скафандре, выполняющим функцию единого корпуса, на котором также размещены соединенные с вычислительным модулем источник питания и датчики положения конечностей.

Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность полностью создать имитацию космических условий, когда тренирующийся будет чувствовать сопротивление и ограничения для движений скафандра, и когда изображение, которое он будет видеть будет реагировать на положение всех его частей тела. Таким образом, он может двигаться по учебной поверхности, воссоздающей поверхность космического корабля, поверхность чужой планеты совершенно автономно, и при этом ощущать эффект полного погружения в космические условия.

Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором датчики положения выполнены инверсными.

Существует кроме того и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором инверсные датчики положения конечностей включают в себя инверсные датчики положения бедра, голени, плеча, предплечья. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность получить координаты каждой части конечности, чтобы можно было точно моделировать положение тела тренирующегося в пространстве и еще точнее подстраивать визуализацию в виртуальной реальности.

Существует также возможный вариант исполнения полезной модели, в котором скафандр включает в себя разъемную кирасу. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность одевать и снимать скафандр через разбор кирасы.

Существует и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором кираса состоит из двух половин, разделяемых по вертикали в плоскости плечей. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность разбирать кирасу таким образом, чтобы одевать или снимать ее было максимально просто.

Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором кираса имеет быстроразъемные замки на плечах. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность быстро фиксировать кирасу скафандра в собранном положении.

Кроме того существует и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором кираса имеет эластичные элементы в районе пояса. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность фиксации кирасы на теле тренирующегося.

Также существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором вычислительный модуль соединен со встроенной камерой, расположенной на скафандре. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность получить информацию о направлении взгляда тренирующегося, если расположить такую камеру на шлеме скафандра и ориентировать по направлению взгляда тренирующегося. Но в общем можно ее ориентировать в любом направлении и использовать изображение для более точной подстройки виртуальной реальности для увеличения глубины имитации.

Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором вычислительный модуль соединен с источниками света. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность освещать пространство перед тренирующимся, улучшать качество изображения видеокамеры.

Существует еще один возможный вариант исполнения полезной модели, в котором вычислительный модуль соединен с модулем беспроводной передачи данных. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность передавать сигналы, информацию как от предлагаемого устройства, например, изображение с камеры, так и к нему, например, это звук с микрофона от другого тренирующегося, причем все это передавать без проводов. Могут быть использованы любые каналы беспроводной связи.

В качестве беспроводной связи могут быть использованы разные протоколы, например, WIFI.

Существует при этом возможный вариант исполнения полезной модели, в котором вычислительный модуль соединен с модулем инерциальной системы позиционирования. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность определять положение пользователя посредством определения нахождения в пространстве отдельных модулей.

Существует дополнительно еще один возможный вариант исполнения полезной модели, в котором скафандр имеет расположенные на его внешней поверхности светодиодные маркеры. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность просто светом обозначать места расположения отдельных элементов скафандра, маркировать тренирующихся в случае, когда их несколько.

Существует также возможный вариант исполнения полезной модели, в котором скафандр имеет амортизирующий слой на подошвах обуви. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность увеличить глубину имитации для тренирующегося за счет передачи дополнительного ощущения на его ноги.

Существует, наконец, и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором вычислительный модуль соединен с электромагнитным или гироскопическим датчиком положения, расположенном на скафандре. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность определять положение тела пользователя с помощью электромагнитного или гироскопического датчика положения.

Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.

Краткое описание чертежей.

Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- фигура 1 изображает внешний вид имитатора космических условий на основе виртуальной реальности, согласно полезной модели,

- фигура 2 изображает функциональную схему имитатора космических условий на основе виртуальной реальности, согласно полезной модели,

- фигура 3 изображает функциональную схему кирасы скафандра, согласно полезной модели,

- фигура 4 изображает вид площадки для тренировки космонавтов, согласно полезной модели,

- фигура 5 схематично изображает этапы функционирования имитатора космических условий на основе виртуальной реальности, согласно полезной модели.

Согласно фигурам 1-4 имитатор космических условий на основе виртуальной реальности включает в себя шлем 1 виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем 2, который соединен с датчиками 3 движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся.

В качестве датчиков движения рук 3 преимущественно предполагается использовать перчатки, снабженные датчиками движения пальцев, например такие, как описаны https://www.immersion.com/

Шлем 1 виртуальной реальности, вычислительный модуль 2 и датчики 3 движения рук тренирующегося закреплены в скафандре 4, выполняющего функцию единого корпуса. На скафандре 4 также размещены соединенные с вычислительным модулем 2 источник питания 5 и датчики положения конечностей 6. Источником питания может быть литий-ионная батарея.

Датчики положения 6 могут быть выполнены инверсными. В свою очередь инверсные датчики положения конечностей могут включать в себя инверсные датчики положения бедра 61, голени 62, плеча 63, предплечья 64.

Преимущественно скафандр 4 включает в себя разъемную кирасу 41, которая состоит из двух половин 411 и 412, разделяемых по вертикали в плоскости плеч. Кираса 41 преимущественно имеет быстроразъемные замки 42 на плечах, и/или эластичные элементы 43 в районе пояса (для обеспечения безразмерности).

Вычислительный модуль 2 преимущественно располагается на спине, может быть выполнен в виде бескорпусного компьютера, обеспечивающего визуализацию виртуальной сцены в реальном времени.

Преимущественно скафандр 4 выполнен комфортным, травмобезопасным, гипоаллергенным, износо- и удароустойчивым, легким (вместе с оборудованием, но без батарей) – вес составляет не более 5-7 кг, может быть выполнен двух типоразмеров – для усредненного взрослого и усредненного подростка 12+.

Материал скафандра 4 - негорючий формующийся пластик (или противопожарное покрытие), гладкая матовая поверхность. Также скафандр 4 может иметь разъемную оболочечную конструкцию с внутренним амортизирующим слоем.

Вычислительный модуль 2 может быть соединен со встроенной камерой 11, расположенной на скафандре 4.

Вычислительный модуль 2 может быть соединен с источниками света 12, также расположенными на скафандре.

Шлем 1 выполнен опускающимся на лицо в момент работы на иммерсионной площадке, а также может в сложенном состоянии закрепляться на оголовье скафандра. В районе ушей предусмотрены элементы для крепления динамиков, встроенной камеры 11 для фиксации персонального профиля, источников света 12.

Вычислительный модуль 2 может быть соединен с модулем 21 беспроводной передачи данных. Таким образом, данные с различных модулей могут передаваться по кабелю (например, Micro USB) или беспроводному каналу.

Вычислительный модуль 2 может быть соединен с модулем 22 инерциальной системы позиционирования.

Скафандр 4 может иметь расположенные на его внешней поверхности светодиодные маркеры 44.

Дополнительно сама площадка для размещения тренирующихся обозначена как 7, (см. фиг. 4) может иметь излучатели 71. Рабочий диапазон расстояний между стационарными излучателями 71 и маркерами 44 на теле человека – от 10 см до 2 м. Количество маркеров на одного пользователя может составлять, например, восемнадцать (восемь на тело, десять на пальцы рук) или восемь на тело без трекинга пальцев (зависит от точности, которую получим).

Излучатели 71 (источники поля, в объект патентования не входят) преимущественно представляют собой спиралевидные катушки индуктивности, монтируемые в полу помещения (см. фиг. 4). Источники поля соединяются последовательными группами и подключаются к специальным генераторам тока, размещаемым на стене возле рабочей области. Размещенные в напольном покрытии излучатели не будут создавать помех передвижению пользователей.

Скафандр может иметь амортизирующий слой 8 на подошвах обуви.

Осуществление полезной модели.

Имитатор космических условий на основе виртуальной реальности работает следующим образом. (Приводится не ограничивающий применения полезной модели пример использования).  Согласно фиг. 5:

Этап А1. Подготовка. На пользователе застегивают элементы 42 и 43, соединяя половины 411 и 412 кирасы 41. Пользователь одевает шлем 1, присоединяет его к кирасе. Подключают все электронные модули к вычислительному модулю 42.

Работа.

Этап А2. За счет скафандра 4 формируют полное погружение в космические условия, целостность и взаимосвязь всех модулей устройства.

Этап А3. Определяют положение в пространстве отдельных частей тела пользователя посредством или позиционирования в пространстве каждого модуля, или привязкой каждого модуля к излучателям 71, расположенным в помещении для тренировки.

Этап А4. В зависимости от рассчитанного положения в пространстве формируют изображение в шлеме виртуальной реальности, соответствующее местоположению на площадке 7 как самого пользователя, так и его отдельных частей тела, рук, ног.

Этап А5. При тренировке нескольких пользователей обеспечивают передачу звуковой и видео информации между ними для возможности выполнения совместных задач.

Приведенные варианты осуществления полезной модели являются примерными и позволяют добавлять новые варианты или модифицировать описанные.   

Промышленная применимость.

Имитатор космических условий на основе виртуальной реальности может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу полезной модели на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели и критерию «полнота раскрытия» для полезной модели.

В соответствии с предложенной полезной моделью заявителем был изготовлен опытный образец имитатора космических условий на основе виртуальной реальности.

Опытная эксплуатация имитатора показала, что он позволяет:

- определять положения пользователя в пространстве, как всего целиком, так и отдельных его частей, рук, ног, головы,

- в зависимости от положения пользователя в пространстве формировать изображение в шлеме виртуальной реальности,

- обеспечивать позиционирование пользователя на общей площадке, на которой также могут находиться другие пользователи,

- обеспечивать им видео и аудио связь между собой,

- за счет единого общего корпуса в виде скафандра удерживать все элементы во взаимосвязи,

- за счет единого общего корпуса в виде скафандра обеспечивать увеличение эффекта имитации.

Все это, в конечном счете, обеспечивает выполнение достигаемого технического результата – расширение функциональных возможностей имитатора при обеспечении большей глубины имитации.

Данный имитатор позволяет включить человека в пространственную, полностью интерактивную виртуальную среду. Пользователь может видеть полностью не только свое тело в виртуальной сцене, но также и своих коллег, выполняющих индивидуальную или групповую задачу, заданную тем или иным сценарием конкретной ситуации. Все расчеты, связанные с персональной визуализацией, выполняются в реальном времени, без малейших задержек в отклике на любое действие в пределах специальной площадки 7. Именно это и создает непередаваемое ощущение причастности к происходящему и дает возможность получить уникальный опыт деятельности в условиях, пока еще недостижимых другими средствами.

Предлагаемое устройство может использоваться как имитатор космических условий на основе виртуальной реальности и применяться в образовательных целях для моделирования различных ситуаций в космических условиях, например, выход в космос, посещение и исследование другой планеты.

Claims (14)

1. Имитатор космических условий на основе виртуальной реальности, включающий в себя шлем виртуальной реальности, соединенный с вычислительным модулем, который соединен с датчиками движения рук тренирующегося, размещаемых на тренирующемся, отличающийся тем, что шлем виртуальной реальности, вычислительный модуль и датчики движения рук тренирующегося закреплены в скафандре, выполняющим функцию единого корпуса, на котором также размещены соединенные с вычислительным модулем источник питания и датчики положения конечностей.

2. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что датчики положения выполнены инверсными.

3. Имитатор космических условий по п. 2, отличающийся тем, что инверсные датчики положения конечностей включают в себя инверсные датчики положения бедра, голени, плеч, предплечья.

4. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что скафандр включает в себя разъемную кирасу.

5. Имитатор космических условий по п. 4, отличающийся тем, что кираса состоит из двух половин, разделяемых по вертикали в плоскости плеч.

6. Имитатор космических условий по п. 5, отличающийся тем, что кираса имеет быстроразъемные замки на плечах.

7. Имитатор космических условий по п. 5, отличающийся тем, что кираса имеет эластичные элементы в районе пояса.

8. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный модуль соединен со встроенной камерой, расположенной на скафандре.

9. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный модуль соединен с источниками света.

10. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный модуль соединен с модулем беспроводной передачи данных.

11. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный модуль соединен с модулем инерциальной системы позиционирования.

12. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что скафандр имеет расположенные на его внешней поверхности светодиодные маркеры.

13. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что скафандр имеет амортизирующий слой на подошвах обуви.

14. Имитатор космических условий по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный модуль соединен с электромагнитным или гироскопическим датчиком положения, расположенном на скафандре.

Images