Изобретение относится к области разработки аттракционов и тренажеров как для игр и развлечений, так и для занятий спортсменов и профессионального тренинга в различных областях, а именно к технологиям виртуальной реальности, обеспечивающим помимо передачи человеку зрительного контента еще и возможность его движения, тождественного соответствующему перемещению в имитируемой реальности.The invention relates to the development of attractions and simulators for both games and entertainment, and for athletes and professional training in various fields, namely, virtual reality technologies, which, in addition to transmitting visual content to a person, also provide the possibility of its movement identical to the corresponding movement in a simulated reality.
Известны различные способы имитации перемещений в виртуальной реальности. Так, целый ряд решений позволяют человеку, находящемуся на ограниченной площадке, бесконечно долго перемещаться в любом направлении и произвольно менять это направление (см., например, патенты US 6152854, US 8276701, RU 2109336). Общим недостатком этих способов является то, что они способны имитировать лишь перемещение по плоской поверхности. Свободным от этого недостатка и наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, связанный с фиксацией ног человека на специальных платформах, приводимых в движение системой приводов, позволяющих в широких пределах менять пространственное положение этих платформ (US 5902214). Недостатком этого изобретения является жесткая фиксация всей поверхности каждой стопы на плоской поверхности, что существенно ограничивает возможность передачи впечатлений, возникающих при движении в реальном мире: при беге, прыжках, подъеме на крутой склон и т.п. Даже при обычной ходьбе, как можно видеть из Фиг. 1, в реальных условиях лишь в отдельных фазах шага подошва обуви оказывается практически плоской, в то время как в других она заметно изгибается, в связи с чем каблук и передняя часть подошвы оказываются лежащими в плоскостях, пересекающихся под значительным углом. Из этого следует, что человек, погруженный в виртуальную реальность по описываемому способу, неизбежно будет чувствовать заметное отличие своих ощущений от тех, что имеют место в настоящей реальности.There are various ways to simulate movements in virtual reality. So, a number of solutions allow a person located on a limited site to move in any direction for an infinitely long time and arbitrarily change this direction (see, for example, US Patents 6152854, US 8276701, RU 2109336). A common disadvantage of these methods is that they can only simulate movement on a flat surface. Free from this drawback and closest to the proposed invention is a method associated with the fixation of a person’s legs on special platforms, driven by a drive system that allows a wide range to change the spatial position of these platforms (US 5902214). The disadvantage of this invention is the rigid fixation of the entire surface of each foot on a flat surface, which significantly limits the possibility of transmitting the impressions that arise when moving in the real world: when running, jumping, climbing a steep slope, etc. Even with ordinary walking, as can be seen from FIG. 1, in real conditions, only in certain phases of the step the sole of the shoe turns out to be almost flat, while in others it is noticeably bent, and therefore the heel and the front of the sole appear to be lying in planes intersecting at a considerable angle. It follows from this that a person immersed in virtual reality by the described method will inevitably feel a noticeable difference in his sensations from those that take place in real reality.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение при имитации перемещений в виртуальной реальности таких ощущений, которые наиболее полно будут соответствовать ощущениям, имеющим место в реальном мире.The objective of the invention is to provide, when simulating movements in virtual reality, such sensations that will most fully correspond to the sensations taking place in the real world.
Указанная задача решается тем, что стопы человека располагают на подвижных опорных поверхностях так, чтобы обеспечить не менее семи степеней свободы для каждой стопы. В самом деле, обувь человека в процессе своего совершенствования получила свойства, наилучшим образом соответствующие его анатомическим и биомеханическим особенностям. При этом подошве в обязательном порядке всегда придается возможность изгибаться в поперечном направлении. Другие особенности (скажем, способность подошвы скручиваться, возможность перемещения пальцев ног друг относительно друга и пр.) не имеют столь критического значения и не слишком характерны для современной обуви. Таким образом, для достаточного соответствия реальным условиям при имитации перемещений в виртуальной реальности для каждой стопы необходимо обеспечить не менее семи степеней свободы, включающих в себя помимо обычных шести степеней свободы твердого тела (три линейных перемещения и три соответствующих поворота) еще и степень свободы, связанную с возможностью поворота опорной поверхности пятки относительно опорной поверхности передней части стопы (Фиг. 2). Это обеспечивается тем, что вместо сплошных опорных платформ используются отдельные опоры для пятки и передней части стопы с возможностью поворота этих опор друг относительно друга, и для каждой стопы вводится дополнительный привод, обеспечивающий управление этим поворотом.This problem is solved in that the human feet are placed on movable supporting surfaces so as to provide at least seven degrees of freedom for each foot. In fact, human shoes in the process of their perfection received properties that best fit its anatomical and biomechanical features. With this sole necessarily always given the opportunity to bend in the transverse direction. Other features (say, the ability of the sole to curl, the ability to move toes relative to each other, etc.) are not so critical and are not too typical for modern shoes. Thus, for sufficient compliance with real conditions when simulating movements in virtual reality for each foot, it is necessary to provide at least seven degrees of freedom, including, in addition to the usual six degrees of freedom of a solid (three linear movements and three corresponding rotations), a degree of freedom related to with the possibility of rotation of the supporting surface of the heel relative to the supporting surface of the forefoot (Fig. 2). This is ensured by the fact that instead of continuous supporting platforms, separate supports for the heel and forefoot are used with the possibility of rotation of these supports relative to each other, and an additional drive is introduced for each foot to control this rotation.
Фиг. 1 иллюстрирует изгиб подошвы и, соответственно, изменение относительного положения пятки и передней части стопы при обычной ходьбе. На Фиг. 2 показаны степени свободы, которые необходимо реализовать в предлагаемом изобретении. На Фиг. 3 изображен возможный вариант конструкции устройства, реализующего предлагаемый способ, а на Фиг. 4 укрупненно дан фрагмент этого устройства в непосредственной близости от места фиксации стоп. Фиг. 5 показывает еще один из множества возможных вариантов конструктивного исполнения устройства для реализации предлагаемого способа.FIG. 1 illustrates a bend of the sole and, accordingly, a change in the relative position of the heel and forefoot during normal walking. In FIG. 2 shows the degrees of freedom that must be implemented in the present invention. In FIG. 3 shows a possible embodiment of a device that implements the proposed method, and FIG. 4, a fragment of this device is given in close proximity to the place of fixation of the feet. FIG. 5 shows another one of the many possible variants of the design of the device for implementing the proposed method.
Изобретение может быть осуществлено путем использования многозвенной шарнирно-рычажной системы и набора перемещающихся по специальным направляющим ползунов, а также приводов, обеспечивающих необходимые линейные и поворотные движения по всем минимально необходимым 14-ти степеням свободы (по 7 для каждой ступни) и представленных, например, шаговыми двигателями с редукторами и линейными актуаторами (Фиг. 3). На данном рисунке линейные актуаторы обеспечивают перемещение каждой ступни в требуемое для нее местоположение в пространстве путем смещения вдоль трех пространственных осей, а сопряженные с приспособлениями для фиксации ступни шарнирно-рычажные механизмы с соответствующими приводами обеспечивают требуемую пространственную ориентацию ступни и необходимый изгиб подошвы (Фиг. 4). Параметры приводов выбираются так, чтобы обеспечить скорости перемещения по каждой степени свободы, соответствующие физическим возможностям человека, и при этом реализовывать соответствующие усилия и моменты с учетом динамических эффектов. Целесообразно оснастить приспособления для крепления ступней датчиками сил и моментов, соответствующих называвшимся степеням свободы. Снимая показания этих датчиков через достаточно короткие временные промежутки, можно в реальном времени фиксировать текущую моторику находящегося на тренажере человека и, таким образом, определять перемещения, которые он намеревается совершить. Сопоставляя эти перемещения с ограничениями, диктуемыми текущим ландшафтом виртуальной реальности, можно вычислить необходимые управляющие воздействия на все приводы (линейные и вращательные). Например, если нога в виртуальной реальности находится на твердой поверхности, то до тех пор, пока соответствующий датчик фиксирует наличие силы, направленной от человека вниз, вертикальное положение соответствующего актуатора должно оставаться неизменным. Если же направление этой силы изменится на противоположное, то актуатор должен начать движение вверх по закону движения, обеспечивающему минимально возможное значение этой силы. При достаточной точности датчиков, а также точности и быстродействии исполнительного механизма, человеком это будет восприниматься как его добровольное и естественное движение по подниманию ноги, не стесненное никакими факторами, включая вес и инерцию самого исполнительного механизма. То есть человек просто не должен чувствовать, что его нога в действительности чем-то скована. Перемещения вниз, вычисленные как пропорциональные направленной от человека вниз силе, позволяют имитировать упругую поверхность; то же, сделанное с учетом скорости перемещения, - вязкую, и т.п.The invention can be carried out by using a multi-link hinged-lever system and a set of sliders moving along special guides, as well as drives that provide the necessary linear and rotary movements in all the minimum 14 degrees of freedom (7 for each foot) and are presented, for example, stepper motors with gears and linear actuators (Fig. 3). In this figure, linear actuators provide the movement of each foot to the desired location in space by displacement along three spatial axes, and the articulated link mechanisms coupled with devices for fixing the foot with the appropriate actuators provide the required spatial orientation of the foot and the necessary bend of the sole (Fig. 4 ) The parameters of the drives are selected so as to ensure the speed of movement for each degree of freedom, corresponding to the physical capabilities of a person, and at the same time to realize the corresponding efforts and moments taking into account dynamic effects. It is advisable to equip the devices for attaching the feet with sensors of forces and moments corresponding to the called degrees of freedom. Taking readings of these sensors at fairly short time intervals, it is possible to record in real time the current motility of a person on the simulator and, thus, determine the movements that he intends to make. Comparing these movements with the constraints dictated by the current landscape of virtual reality, it is possible to calculate the necessary control actions on all drives (linear and rotational). For example, if the leg in virtual reality is on a solid surface, then as long as the corresponding sensor detects the presence of a force directed downward from the person, the vertical position of the corresponding actuator should remain unchanged. If the direction of this force changes to the opposite, then the actuator must begin to move upward according to the law of motion, which ensures the lowest possible value of this force. With sufficient accuracy of the sensors, as well as the accuracy and speed of the actuator, this will be perceived by a person as his voluntary and natural movement to raise the leg, not constrained by any factors, including the weight and inertia of the actuator itself. That is, a person simply does not have to feel that his leg is in fact shackled by something. Downward movements, calculated as proportional to the force directed downward from the person, allow simulating an elastic surface; the same done taking into account the speed of movement - viscous, etc.
В итоге появляется возможность адекватно воспроизводить в виртуальной реальности практически любые движения, возможные на практике: человек может ходить или бегать в произвольном направлении по любой, в том числе сильно неровной поверхности с разными свойствами (жесткая, мягкая, скользкая и т.п.), он может садиться на корточки, вставать на цыпочки, прыгать, подниматься или спускаться по крутым склонам или по лестницам, вообще не ощущая наличие какого-то механизма, сопряженного с его ногами.As a result, it becomes possible to adequately reproduce virtually any movements possible in practice in virtual reality: a person can walk or run in any direction along any, including a very uneven surface with different properties (hard, soft, slippery, etc.), he can squat, stand on tiptoe, jump, climb or go down steep slopes or stairs, without feeling at all the presence of some kind of mechanism coupled with his legs.
Математически выработка управляющих воздействий на приводы сводится к последовательности типовых операций с матрицами 14-го порядка, по числу учитываемых в расчете степеней свободы. При типичной производительности современных персональных компьютеров затраты времени на эти процедуры исчисляются долями миллисекунды. Это позволяет сделать шаг по времени между последовательными управляющими воздействиями на приводы достаточно коротким, чтобы он не ощущался органами чувств человека, и подтверждает практическую реализуемость описываемого способа.Mathematically, the development of control actions on the drives is reduced to a sequence of typical operations with 14th-order matrices, according to the number of degrees of freedom taken into account in the calculation. With the typical performance of modern personal computers, the time spent on these procedures is calculated in fractions of a millisecond. This allows you to take a time step between successive control actions on the drives short enough so that it is not felt by the human senses, and confirms the practical feasibility of the described method.
На Фиг. 5 в качестве примера изображен альтернативный вариант исполнения описанного устройства, основанный на опирании стоп человека на специальные выдвижные поворотные штанги, шарнирно связанные с приспособлениями для крепления к подошве в ее передней части и в области пятки. Это показывает, что конструктивно предлагаемый способ может быть реализован по-разному, что не меняет его сути. Главное - чтобы не изменялось число независимых степеней свободы (не менее семи на каждую ногу). А соответствующие преобразования координат опять же сведутся к простейшим операциям с матрицами 14-го порядка.In FIG. 5, an example of an alternative embodiment of the described device is depicted, based on the support of a person’s feet on special retractable swing rods pivotally connected to devices for attaching to the sole in its front part and in the heel region. This shows that the constructively proposed method can be implemented in different ways, which does not change its essence. The main thing is that the number of independent degrees of freedom (at least seven on each leg) does not change. And the corresponding coordinate transformations again come down to the simplest operations with 14th-order matrices.
Следует заметить, что в любом из показанных вариантов присутствует недостаток, связанный с ограниченностью возможности поворота человека относительно вертикальной оси. При величине такого поворота, превышающего определенное критическое значение, происходит конфликт, выражающийся в столкновении подвижных элементов конструкции друг с другом. Эта проблема разрешается просто: достаточно разместить исполнительные механизмы на единой поворотной платформе, которую следует поворачивать в направлении, определяемом средним от ориентации обеих стоп в горизонтальной плоскости.It should be noted that in any of the options shown there is a disadvantage associated with the limited ability of a person to rotate about the vertical axis. When the value of such a rotation exceeds a certain critical value, a conflict occurs, which is expressed in the collision of the moving structural elements with each other. This problem is solved simply: it is enough to place the actuators on a single rotary platform, which should be rotated in the direction determined by the average of the orientation of both feet in the horizontal plane.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение технического результата, заключающегося в получении нового качества - обеспечении необходимого минимума условий для создания при имитации перемещений в виртуальной реальности комплекса ощущений, практически неотличимых от тех, которые человек испытывает в настоящей реальности.Thus, the proposed method provides a technical result, which consists in obtaining a new quality - providing the necessary minimum conditions for creating, when simulating movements in virtual reality, a complex of sensations that are practically indistinguishable from those that a person experiences in real reality.
