TW201732310A - 可穿戴感測器裝置以及虛擬實境系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種可穿戴感測器裝置以及虛擬實境系統，可穿戴感測器裝置包括：環帶，該環帶的形狀和尺寸被設計為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個感測器線圈，被配置為檢測磁場；處理器，被配置為基於來自該多個感測器線圈的信號計算該可穿戴感測器裝置的位置；以及通信模組，被配置為發送該可穿戴感測器裝置的位置。通過本發明，能夠有效地追蹤單個四肢或手指的運動，從而在虛擬環境中提供更精細的檢測和控制。

Description

可穿戴感測器裝置以及虛擬實境系統
本發明涉及位置追蹤設備，更具體地，涉及可穿戴在用戶四肢(limb)或者手指上來感測其位置和/方向的可穿戴位置追蹤感測器裝置。
虛擬實境(Virtual Reality，VR)系統在各種應用越來越受到歡迎，如視頻遊戲、建築設計和虛擬訓練。當前虛擬實境應用中，基於手機和非基於手機的虛擬實境應用，通常使用顯示器(例如，電腦顯示器或虛擬實境耳機和/或揚聲器)，通過視覺或視聽效果使用戶沉浸在虛擬環境中。為了能夠使用戶與虛擬環境交互，感測器可以感測諸如用戶身體位置的資訊，並提供此資訊至虛擬實境系統以基於用戶的運動來更新虛擬環境。已在虛擬實境系統中使用的感測器的示例包括運動追蹤相機和手持運動追蹤遙控器。
有鑑於此，本發明提供可穿戴感測器裝置以及虛擬實境系統，以解決已在虛擬實境系統中使用的感測器存在的問題。
根據至少一個實施方式，提供了一種可穿戴感測器裝置，包括：環帶，該環帶的形狀和尺寸被設計為可穿戴在 用戶手指或四肢上；多個感測器線圈，被配置為檢測磁場；處理器，被配置為基於來自該多個感測器線圈的信號計算該可穿戴感測器裝置的位置；以及通信模組，被配置為發送該可穿戴感測器裝置的位置。
根據至少一個實施方式，提供了一種虛擬實境系統，包括：基站，耦接到一個或多個線圈以產生磁場；以及可穿戴感測器裝置。可穿戴感測器裝置包括：環帶，該環帶的形狀和尺寸被設計為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個感測器線圈，被配置為檢測由該基站產生的該磁場；處理器，被配置為基於來自該多個感測器線圈的信號計算該可穿戴感測器裝置的位置；以及通信模組，被配置為發送該可穿戴感測器裝置的位置至該基站。
本發明的可穿戴感測器裝置以及虛擬實境系統，能夠有效地追蹤單個四肢或手指的運動，從而在虛擬環境中提供更精細的檢測和控制。
在閱讀各個附圖中例示的優選實施例的如下詳細描述之後，本發明的這些和其他目的對本領域技術人員來說無疑將變得顯而易見。
100‧‧‧VR系統
10‧‧‧基站
4‧‧‧線圈中心
6‧‧‧VR感測器裝置
1‧‧‧通信模組
3‧‧‧處理單元
5‧‧‧線圈
7‧‧‧磁場
11‧‧‧環帶
12‧‧‧人造寶石
13‧‧‧電池
14‧‧‧電子模組
15‧‧‧磁遮罩
16‧‧‧充電線圈
17‧‧‧感測器線圈
21‧‧‧處理器
24‧‧‧通信模組
23‧‧‧電池管理電路
22‧‧‧測量電路
25‧‧‧用戶存在感測器
18‧‧‧天線
17a、17b、17c、17d‧‧‧線圈
45‧‧‧空隙
第1圖示出了虛擬實境(Virtual Reality，VR)系統的實施方式。
第2圖示出了VR感測器裝置的實施方式。
第3圖示出了VR感測器裝置的電氣框圖。
第4圖示出了VR感測器裝置的另一個實施方式，其中感測器線圈設置為圍繞環帶。
第5圖示出了第4圖經過修改的一個實施方式，其中環帶的頭部具有重複的感測器線圈。
第6圖示出了具有方向檢測功能的裝置的另一個實施方式。
第7A圖示出了例示線圈位置的另一種實施方式的環帶的側視圖。
第7B圖示出了對應於第7A圖的頂視圖。
第8圖示出了第4圖經過修改的一個實施方式，其中增加了用戶存在感測器。
第9A圖至第9C圖示出了電子模組的示例性設置。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域一般技術人員應可理解，電子設備製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區別的基準。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的『包含』是開放式的用語，故應解釋成『包含但不限定於』。此外，『耦接』一詞在此是包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置電性連接於第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。
傳統的用於虛擬實境(Virtual Reality，VR)應用的運動追蹤感測器，諸如運動追蹤相機或手持運動追蹤設備，不能有效地追蹤單個四肢或手指的運動。可穿戴在用戶的四肢或手指上的感測器，可以在虛擬環境中提供更精細的檢測和控制。例如，單個手指或四肢的運動可以被追蹤到，使得通過做手勢或移動器官能夠與虛擬環境交互。例如，檢測手指運動的功能可以通過執行手在現實生活中經常執行的動作，比如按按鈕、開門、撿起物體等使得用戶能夠與環境進行交互，而在遊戲應用中通常需要如此。另一個例子是培訓應用，可以培訓醫師或技師執行例如在手術過程中或者修理機器時可以執行的精細動作。
可穿戴的VR感測器面臨的一個挑戰是如何使它們小且不引人注目。本發明公開了可解決此問題的可穿戴VR感測器裝置(也簡稱為VR感測器裝置)。在一些實施方式中，VR感測器裝置的尺寸和形狀可以設計得允許它作為戒指戴在用戶的手指上。在其他實施方式中，VR感測器裝置的尺寸和形狀可以設計得允許它作為環帶(band)或手鐲戴在用戶的四肢上。VR感測器裝置包括的元件可以測量和/或計算位置和/或方向並且把此資訊傳送給VR系統中另一元件，用於生成虛擬環境。VR感測器裝置可以包括向VR感測器裝置供電的電池，從而避免可能會干擾用戶運動的電線。
在一些實施方式中，VR系統會發射磁場，VR感測器裝置通過測量磁場檢測其三維在空間中的位置和/或其方向。VR感測器裝置可以具有至少三個感測器線圈來感測三維 空間中磁場中的組件。VR感測器裝置可以接著基於測量的場計算其位置和/或方向，並將此資訊傳送給VR系統。在描述VR感測器裝置的實施方式之前，將描述示例的VR系統。
第1圖示出了VR系統100的實施方式。VR系統100可以包括基站(base station)10、線圈中心(coil hub)4和VR感測器裝置6。基站10可以包括通過任何合適的有線或無線通訊協定與VR感測器裝置6進行通信的通信模組1。基站10可以包括處理單元3，其中處理單元3可以包括用於生成虛擬環境的一個或多個處理器。基站10可以發送虛擬環境相關的資訊至能夠生成人類可感知的(human-perceptible)輸出的一個或多個設備，例如顯示器(如，監視器、電視或頭戴式耳機)、揚聲器、振動或運動驅動器等，以便向用戶提供虛擬環境。由於這些設備可以採取許多不同的形式，因而它們在第1圖中並未示例出來，以便更清楚的例示VR系統100的其他方面。
基站10可以與至少一個線圈5通信。至少一個線圈5由電信號驅動，在三維空間中生成磁場7。在一些實施方式，至少一個線圈5包括在三維空間中生成磁場7的三個或更多個線圈。VR感測器裝置6可以感測由至少一個線圈5生成的磁場7，以檢測其位置和/或方向。至少一個線圈5可以以多種方式生成合適的磁場7。舉例而言，三個線圈可以被定向為分別在X方向、Y方向和Z方向上產生磁場。三個線圈可以是時間多工(time-multiplexed)的，如此一次只激勵三個線圈中的一個線圈。例如，X線圈可以被激勵一段時間，然後Y線圈 被激勵一段時間，接著Z線圈再被激勵一段時間。VR感測器裝置6可以與通信模組1進行通信，以同步磁場生成和檢測的時間，因此VR感測器裝置6知曉在每個時間段哪個線圈正在被激勵。VR感測器裝置可以包括被定向在三個不同方向的感測器線圈以檢測磁場。分析在每個時間段每個感測器線圈檢測的磁場強度使得能夠在三維空間中定位VR感測器裝置6。作為另外一個示例，可以同時但以不同頻率激勵三個線圈5中的每個線圈。VR感測器裝置6可以分析在每個頻率由相應感測器線圈接收的信號的強度，來確定VR感測器裝置6的方向。
該至少一個線圈5可以位於與基站10通信的線圈中心4中。將至少一個線圈5定位在單獨的線圈中心中能夠為定位該至少一個線圈5帶來靈活性。在一些實施方式中，至少一個線圈5可以定位在基站10內。
如上所述，VR感測器裝置6可以測量磁場7並處理測量資訊來計算其在磁場內7的位置和/或方向。感測的位置和/或方向資料可以通過VR感測器裝置6發送到基站10的通信模組1，因此VR系統100可以利用VR感測器裝置6的位置和/或方向相關的資訊，生成用戶的虛擬環境。
第2圖示出了VR感測器裝置6的實施方式，該VR感測器裝置6的尺寸和形狀被設計為可戴在用戶手指上的戒指或可戴在用戶手腕或四肢上的手鐲、環帶(band)或手錶。VR感測器裝置6包括環帶11和人造寶石12。在這個實施方式，人造寶石12容納(house)VR感測器裝置6的電子元件。人造寶石12容納電池13、電子模組14、磁遮罩(magnetic shield)15、充電線圈16和三個感測器線圈17，以感應VR系統100的至少一個線圈5產生的磁場。這裡描述的技術並不局限于人造寶石內的元件，一個或多個元件也可以位於人造寶石外部或者省略。各個元件在人造寶石內的位置也僅僅是示例性的，並非是限制性的。
根據這個實施方式，感測器線圈17被設置為三角錐體結構，定位為彼此間120°角(從上面看)。在其他實施方式中，線圈可以相互正交的方式佈置，或者是能夠進行三維空間感測器測量的任何方式。感測器線圈17電連接到電子模組14，電子模組14可以包括適當電路，以放大和/或數位化來自感測器線圈17的信號並且處理測量結果。
本發明實施方式的環帶11的尺寸例如可以設計為戴在用戶手指上的戒指或戴在用戶手臂、手腕或四肢上的手鐲、環帶或手錶。環帶11可以由任何合適的材料形成，例如金屬或塑膠。人造寶石12可以由不導電的、非鐵材料(nonferrous material)形成，例如塑膠。人造寶石12可以採用任何外觀，在一些實施方式中其可以看起來像寶石。
充電線圈16可以配置為利用任何適當的無線功率傳輸技術(例如包括磁感應和磁共振)來無線地接收功率。向充電線圈16無線地傳送功率可以使得能夠對電池13充電。電池13可以是任何合適的電池類型，例如可以是鋰離子電池。
磁遮罩15可以包括鐵質材料(ferrous material)，例如鐵氧體等。磁遮罩15可以為傳送到充電線圈16的磁場提供磁通量返回路徑(return flux path)，並且可以保護電池13 免遭受磁場。充電線圈16和感測器線圈17可以導電，可以是任何合適的導體，例如導線或跡線(trace)，並且可以有任何合適的匝數。
第3圖示出了VR感測器裝置6的電氣框圖。電子模組14可以包括處理器21、通信模組24、電池管理電路23和測量電路22。電子模組14可以電連接到電池13、充電線圈16、用戶存在感測器25(如下文所描的述)、感測器線圈17和天線18。電子模組可以形成在印刷電路板上或其他基底上，或者可以形成在晶片上，這僅僅是示例性的，本發明並不僅限於此。測量電路22用於測量來自感測器線圈17的信號並將這些信號數位化。測量電路22可以將測量值提供給處理器21進行分析，以基於磁場7計算VR感測器裝置6的位置和/或方向。處理器21提供計算的位置和/或方向資訊至通信模組24，通信模組24通過天線18經由有線或無線通訊將位置和/或方向資訊傳送到基站10的通信模組1。合適的無線通訊技術舉例而言可以包括藍牙、Zigbee和WIFI。然而，本發明並不僅限於這些技術。在本發明中，“傳送位置”等是指發送位置相關資訊的任何信號，該信號可以是任何類型的信號，例如類比或數位信號。電池管理電路23對電池13進行充電和維護。電池管理電路23可以包括整流器，對充電線圈16接收的充電信號進行整流。電池管理電路23還可以包括電壓調節器或直流/直流轉換器，以調節整流電壓對電池13進行充電。
第4圖示出了VR感測器裝置6的另一個實施方式，其中感測器線圈17設置為圍繞環帶11。例如，為了三維 正交，線圈17a位於頁面的平面內，線圈17b被設置為指向頁面外，線圈17c位於頁面的平面內但垂直於線圈17a。在此實施方式中不需要人造寶石，因為電池13可以位於在環帶11的頭部或在環帶的其他部分。電子模組14和/或其他電子元件可以位於環帶的頭部或環帶的其他部分中的一個或多個印刷電路板內。
在一些VR應用中，期望確定VR感測器裝置6的方向，或者可選地或附加地期望確定VR感測器裝置6的位置。為了確定其方向和/或位置，VR感測器裝置6可以被配置為使得其方向可以通過電子模組14來進行區分。
第5圖示出了第4圖經過修改的一個實施方式，環帶11的頭部可以有重複的感測器線圈17d。從相同位置(eo-placed)的線圈接收的信號基本上是相同的，這使得電子模組14能夠識別VR感測器裝置6的頂部空間。選擇環帶11的頭部具有重複的線圈並非是對本發明的限制。其他實施方式中可以在圍繞環帶11的任何其他位置具有重複的線圈。
第6圖示出了具有方向檢測功能的裝置的另一個實施方式。在這個實施方式中，環帶上的已知位置可以缺失感測器線圈。電子模組14通過分析來自感測器線圈17的資料能夠識別出一些感測器線圈17之間的空隙比其他的空隙大，因此能定指出空隙45為環11上的頭部或其他位置。選擇頭部具有線圈空隙45並非是對本發明的限制。其他實施方式中可以在圍繞環帶11的任何其他位置中具有線圈空隙45。
第7A圖示出了例示線圈位置的另一種實施方式的 環帶11的側視圖。線圈可以以交替對角方式(alternating diagonal fashion)放置，從而大致正交於(例如，在85°至95°之間)相鄰線圈。為了示例，僅示出了三個線圈和它們的相對間距和方向，但這並不是本發明的限制，可以以這種方式或者類似方式佈置更多線圈。第7B圖示出了對應於第7A圖的頂視圖。這種對角放置有助於在相同的體積下增加線圈長度直徑比(length-to-diameter ratio)。未示出環帶中的其他元件以簡化說明。
第8圖示出了第4圖經過修改的一個實施方式，其中增加了用戶存在感測器25。用戶存在感測器25可以採取電容式感測墊(capacitive sensing pads)的形式，電容式感測墊可以電耦接至電子模組14的電容式感測電子器件。當穿戴上VR感測器裝置6(例如，穿戴在用戶的手指或手腕上)，感測墊通過非接觸式感測(如電容式感測)系統檢測用戶的存在，並啟動VR感測器裝置6。在一些實施方式中，處理器21在檢測到不存在用戶一段時間後可以將VR感測器裝置6置於低功耗待機模式後。利用用戶存在感測器25使能VR感測器裝置6可以降低功耗並提高電池壽命。在此實施方式中具有兩個感測墊並不是對本發明的限制，可以實現更多或更少的感測墊。類似的，在第4圖的實施方式中添加用戶存在感測器25也並不是對本發明的限制，用戶存在感測器25也可以實現在本發明的任何其他實施方式中。
第9A圖至第9C圖示出了電子模組14的示例性設置。如第9A圖所示的前視圖，電子模組14的一側可以包括充 電線圈16和天線18。第9B圖的側視圖例示了磁遮罩可以位於充電線圈16和電子模組14之間。在這個實施方式中，如第9C圖所示的後視圖，處理器21和/或其他電路元件可以位於電子模組14的相對側，使得空間佈置更緊湊。電子模組14和相關元件的特定佈局並不是對本發明的限制。
本發明所述裝置和技術的各個方面可以單獨使用、組合使用或者以上述實施方式中未特別討論的各種方式使用，因此在本發明中並不僅限於前面所描述的或者附圖所例示的元件的細節和結構。例如，在一個實施方式描述的方面可以與其他實施方式中描述的方面以任何方式組合。
申請專利範圍中使用的序詞比如“第一”、“第二”、“第三”等本身並不意味著任何優先順序、優先或一個元件相對於另一個元件的順序或者執行方法中步驟的時間順序，而是僅僅作為標記用來區分具有某名稱的一個元件與具有相同名稱的另一元件從而區分這些元件。
並且，這裡使用的措辭和術語只是用於描述並不應當視為限制。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”等旨在包括所列舉的專案及其等同物以及附加項目。本發明中所使用的“連接”或“耦接”意指電路元件或信號彼此直接連接或者通過中間元件連接。
本領域技術人員將容易注意到，在保持本發明的教導的同時，可以對裝置和方法做出大量修改和變化。因此，上述公開內容應當被理解為本發明的舉例，本發明的保護範圍應以申請專利範圍為准。
6‧‧‧VR感測器裝置
11‧‧‧環帶
12‧‧‧人造寶石
13‧‧‧電池
14‧‧‧電子模組
15‧‧‧磁遮罩
16‧‧‧充電線圈
17‧‧‧感測器線圈

Claims (24)

  1. 一種可穿戴感測器裝置，包括：環帶，該環帶的形狀和尺寸被設計為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個感測器線圈，被配置為檢測磁場；處理器，被配置為基於來自該多個感測器線圈的信號計算該可穿戴感測器裝置的位置；以及通信模組，被配置為發送該可穿戴感測器裝置的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括電池。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該多個感測器線圈位於該環帶內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括：包括該多個感測器線圈的人造寶石。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的可穿戴感測器裝置，其中該多個感測器線圈設置為三角錐體形狀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括無線充電線圈。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的可穿戴感測器裝置，其中該無線充電線圈繞著該環帶內部纏繞。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括磁遮罩和電池，其中該磁遮罩位於該無線充電線圈和該電池之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括用戶存在感測器，該用戶存在感測器被配置為當該用戶存在感測器被穿戴時啟動該可穿戴感測器裝置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的可穿戴感測器裝置，其中該用戶存在感測器包括在該環帶內部的一個或多個感測墊。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的可穿戴感測器裝置，其中該可穿戴感測器裝置被配置為檢測該可穿戴感測器裝置的方向。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的可穿戴感測器裝置，其中在該環帶的特定位置該多個感測器線圈中一個或多個感測器線圈重複出現以表示該可穿戴感測器裝置的方向；或者在該環帶的特定位置不存在該多個感測器線圈以表示該可穿戴感測器裝置的方向。
  13. 一種虛擬實境系統，包括：基站，耦接到一個或多個線圈以產生磁場；以及可穿戴感測器裝置，包括：環帶，該環帶的形狀和尺寸被設計為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個感測器線圈，被配置為檢測由該基站產生的該磁場；處理器，被配置為基於來自該多個感測器線圈的信號計算該可穿戴傳感器裝置的位置；以及通信模組，被配置為發送該可穿戴感測器裝置的位置至該基站。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括電池。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該多個感測器線圈位於該環帶內。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括：包括該多個感測器線圈的人造寶石。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的虛擬實境系統，其中該多個感測器線圈設置為三角錐體形狀。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括無線充電線圈。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的虛擬實境系統，其中該無線充電線圈繞著該環帶內部纏繞。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括磁遮罩和電池，其中該磁遮罩位於該無線充電線圈和該電池之間。
  21. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置進一步包括用戶存在感測器，該用戶存在感測器被配置為當檢測到該用戶時啟動該可穿戴感測器裝置。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的虛擬實境系統，其中該用戶存在感測器包括在該環帶內部的一個或多個感測墊。
  23. 如申請專利範圍第13項所述的虛擬實境系統，其中該可穿戴感測器裝置被配置為檢測該可穿戴感測器裝置的方向。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的虛擬實境系統，其中在該環帶的特定位置該多個感測器線圈中一個或多個感測器線圈重複出現以表示該可穿戴感測器裝置的方向；或者在該環帶的特定位置不存在該多個感測器線圈以表示該可穿戴感測器裝置的方向。
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