專利名稱：虛擬現(xiàn)實行走裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種由步行運動操縱的控制裝置，尤其涉及一種在虛擬現(xiàn)實中實現(xiàn)由現(xiàn) 實步行運動控制虛擬行走的虛擬現(xiàn)實行走裝置。
背景技術：
虛擬現(xiàn)實技術(Virtual reality簡稱VR)即通過計算機圖形學、機電技術、電子技術等技 術構造出一個模擬現(xiàn)實的模型并人機交互，產(chǎn)生和現(xiàn)實世界中相同的反饋信息，使人們得到 與真實世界中同樣的感受。這種技術的研究始于六十年代，由于該技術難度大，涉及的范圍 廣，對計算機性能要求高，因此最早用于軍用飛機飛行模擬及核反應研究。隨著顯示技術、 高速圖形加速處理技術、多媒體技術、跟蹤系統(tǒng)技術等方面的迅速發(fā)展，以及并行處理技術、 與傳統(tǒng)程序設計方法所不同的面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術己逐漸應用到 航空航天、建筑、醫(yī)療、教育、藝術、體育等領域中并開始普及化發(fā)展。
人在現(xiàn)實世界中大量的通過手、腳來完成運動、行走、操縱駕駛儀器等任務，在一個優(yōu) 秀的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，也應由現(xiàn)實生活中的方式來完成人機交互。現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實技術 己在環(huán)境生成及展示、環(huán)繞立體聲等方面取得巨大的成就，虛擬現(xiàn)實的輸入設備即人機互動 方面在操縱駕駛裝置、手及手臂的運動探測方面在實際應用中都具有突破性的進展，但是， 作為人類不可缺少的動作之一 -行走，還未有良好的解決方案。
己知的沉浸式虛擬現(xiàn)實行走輸入設備包括公告號為1271581的一種全方位自由行走機 器，其主要原理是通過兩腳踩踏兩只移動踏板完成行走檢測，這種方式機構復雜，實現(xiàn)困難， 僅能做到檢測人類前進后退轉(zhuǎn)向，而無法檢測使用者跳躍、下蹲、轉(zhuǎn)圈等動作。國際公布號 為.W02004/099966的利用壓力傳感墊的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)移動接口 ，其壓力傳感墊成本高，制 作材料要求苛刻，無法檢測使用者跳躍下蹲動作。申請?zhí)?專利號為96196308的大球體系統(tǒng) 體型龐大,-對球體的制作精度及材料要求苛刻，制作搬運困難，使用者很難掌握平衡。利用 攝相頭判斷使用者位置來移動的萬向墊設備其體積龐大，人在其上快速運動易于摔倒。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種將行走變?yōu)榛瑒?，來檢測滑動數(shù)據(jù)、 具有結(jié)構簡單，使用方便，仿真度好，使用安全等優(yōu)點的虛擬現(xiàn)實行走裝置。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案
一種虛擬現(xiàn)實行走裝置，它包括固定在地面的行走板、可固定人體背部的拘束架和穿著 在人腳的定位靴；其中定位靴與行走板接觸，拘束架與一個固定架相配合，在定位靴上設有 位置傳感裝置和剎車裝置，拘束架上安裝跳躍、下蹲傳感裝置。
所述行走板為一個板體，其四周設有預留栓口。
所述定位靴包括鞋基座，鞋基座底部設有行走裝置；所述位置傳感器裝置包括設置在鞋 基座外側(cè)的位移/轉(zhuǎn)動傳感器和鞋基座底面的踏地傳感器；在鞋基座的底部設有舵機，它通過 連桿機構與剎車裝置連接。
所述行走裝置包括前后兩對并列的萬向球輪，每個萬向球輪與相應的球輪支撐架連接。
所述行走裝置為滑塊。
所述剎車裝置為剎車碟片。
所述拘束架為一個側(cè)置的U形架，在U形架的上下?lián)醢彘g安裝有垂直滑動裝置，該裝置 與人體固定板連接，人體固定板上設有拘束帶；同時垂直滑動裝置上還安裝由拘束器重量補 償裝置，在U形架的豎板上分別安裝跳躍傳感器和下蹲傳感器，在下檔板上安裝過下蹲保護 傳感器。
所述垂直滑動裝置包括一對滑動導軌，其上安裝有垂直滑動平臺；垂直滑動平臺通過運 動緩沖管與人體固定板連接。所述運動緩沖管為一對上下排布的管狀彈簧I，它們分別通過各自的緩沖彈簧平臺與垂 直滑動平臺連接。
所述拘束器重量補償裝置為一管狀彈簧II，它的上端與上擋板連接，下端與垂直滑動平 臺連接。
本實用新型中，使用者腳穿定位靴，通過拘束架固定住。定位靴包含滑動系統(tǒng)，能讓使 用者在行走板上以較小的阻尼做原地滑動來模擬行走。拘束架的固定下，使用者行走的力將 使滑動靴與地面做滑動。每只定位靴安置兩只以上的位移傳感器，每個位移傳感器可以檢測 滑行的位移量，通過不同點的數(shù)據(jù)量可得到整體位移及轉(zhuǎn)動量。將以上所得數(shù)據(jù)直接傳送或 在裝置內(nèi)設處理器中進行簡單的處理后傳送給上位機。為了增強使用者的使用真實感和增強 安全性，滑動輪設有剎車系統(tǒng)。剎車系統(tǒng)可以立定剎車，并根據(jù)上位機傳送的地面阻尼信息 來適當?shù)脑鰷p與地面的摩擦，形成阻尼模擬系統(tǒng)，來增強仿真的真實感。當操作者失去平衡 而滑倒時，在拘束架上的檢測裝置發(fā)現(xiàn)處于過下蹲狀態(tài)，此時啟動過下蹲保護，令滑動靴處 于剎車狀態(tài)，并在操作者恢復雙腳站立后延時一定的時間再松開裝置，由此構成過下蹲即滑 到保護，增加使用者的安全系數(shù)。
拘束架主要負責固定使用者，使用者被人體固定板固定住，人體固定板與運動緩沖管相 接，使用者能通過運動緩沖管緩沖大幅度的動作，令身體小幅度的上下左右活動而不是僵硬 的固定在裝置上，增強真實感并防止大幅度的動作令裝置損傷人體?；瑒訉к壞苁惯\動緩沖 緩沖管和人體固定板上下運動一定的范圍，在垂直滑動桿上方設有拘束器重量補償簧，操作 者在正常站立狀態(tài)下，重量補償簧將托起通過滑動組件銜接的運動緩沖緩沖管和人體固定板， 減輕由裝置給操作者帶來的背負感。垂直滑動桿上還設有檢測跳躍下蹲及過下蹲的裝置，通 過檢測滑動銜接組件的位置來判斷是否為跳起、下蹲或使用者滑倒狀態(tài)。
行走板位于拘束架下方，可與地面固定，使用者可穿滑動靴站在行走板上虛擬行走，行 走板下部有與其他儀器連接的預留栓口 。
本實用新型的工作原理為人類的行走即為人與地面發(fā)生了位移，現(xiàn)實生活中，人類的 行走是通過一只腳抬起與地面做相對運動，另一只腳蹬地，通過與地的摩擦來使身體前行。 人類通過不斷重復以上方法實現(xiàn)了行走。
在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，往往需要在小面積內(nèi)模擬龐大的虛擬環(huán)境，以小運動范圍模擬出大 運動范圍是各個虛擬現(xiàn)實儀器的目標方向。本裝置獨創(chuàng)性的通過獲取滑動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)虛擬現(xiàn) 實的步行采集。使用者腳穿滑動靴，身體被拘束架拘束，當使用者在阻尼適當?shù)男凶甙迳献? 行走動作時，蹬地的腳因滑動靴的滑動組件而與行走板產(chǎn)生滑動。由于產(chǎn)生了滑動致使滑動 板提供的阻力不足以讓使用者掙脫拘束架的束縛而脫離拘束架，就會出現(xiàn)蹬地的腳在行走板 上滑動，滑動的距離與現(xiàn)實行走的距離相同，方向相反。我們可以通過光電傳感器、軌跡球 等設備組成陣列來得到滑行時腳與地面的位移量、轉(zhuǎn)角等值，例如每只滑動靴外側(cè)放置至少 兩部光電傳感器，每個傳感器都能檢測自身與地面的位移，在已知兩傳感器間距離與各自的 位移量后，能算出兩個傳感器所連成的直線的偏轉(zhuǎn)角，即腳的轉(zhuǎn)角量，來檢測使用者是否在 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中原地轉(zhuǎn)圈或邊行走邊轉(zhuǎn)向。在此系統(tǒng)中還有一個用于檢測腳是否離地的傳感 器，如果傳感器檢測一只腳是離地的，就松開剎車系統(tǒng)，記錄沒有離開地的滑動靴檢測的數(shù) 據(jù)作為行走數(shù)據(jù)，屏蔽離開地的滑動靴得到的數(shù)據(jù)。如果兩只腳都沒有離地，表示使用者在 站立狀態(tài)，此時腳與地不能有滑動，否則就與現(xiàn)實相異，并且容易在使用者失去平衡時摔倒。 本裝置會在使用者處于站立姿態(tài)后進入剎車模式。而兩腳都離地表示處于跳躍狀態(tài)，如果不 能在落地時處于剎車模式，容易使使用者滑倒受傷。同樣會在跳躍時進入剎車模式并于落地 后緩沖一段時間才松開剎車片。
拘束架固定使用者，令使用者在虛擬行走時產(chǎn)生滑動。人類行走時會產(chǎn)生小范圍晃動， 使用者能通過運動緩沖管緩沖動作，令身體小幅度的上下左右活動而不是僵硬的固定在裝置 上，增強真實感并防止大幅度的動作令裝置損傷人體。拘束架通過垂直滑動系統(tǒng)可以允許使 用者上下活動，即實現(xiàn)跳躍和下蹲，在垂直滑動系統(tǒng)的兩端放置傳感器，就可獲得跳躍和下蹲信息來傳達到上位機進行活動觸發(fā)。在垂直滑動桿下方設有拘束器重量補償簧，操作者在 正常站立狀態(tài)下，重量補償簧將托起通過滑動組件銜接的運動緩沖緩沖管和人體固定板，減 輕由裝置給操作者帶來的背負感。
行走板可以為一阻尼適當?shù)钠矫鎵|板，也可以連接其它模擬地面傾斜角度的裝置來實現(xiàn) 地面的傾斜模擬。增強對使用者的真實感。
本實用新型的有益效果是它可用于檢測行走者行走軌跡及轉(zhuǎn)角、跳躍及下蹲檢測。本 實用新型占地空間小，可儲存在一個立方米空間內(nèi)，使用時高度相對使用者高出僅幾十厘米， 一般建筑空間完全可以使用，設備構造復雜度低，絕大部分部件可使用現(xiàn)有產(chǎn)品與技術，制 造材料廉價，為大型推廣奠定了良好的基礎。本實用新型能測量使用者是否在原地轉(zhuǎn)動或邊 行走邊轉(zhuǎn)動，能檢測使用者是否在跳躍和下蹲甚至是滑倒，從而由上位機來進行相應的動作 觸發(fā)，達到仿真度更好，使用更安全的特點。

圖1為定位靴的側(cè)面結(jié)構示意圖2為圖1的剖視圖3為定位靴底面結(jié)構示意圖4為拘束架結(jié)構示意圖5為圖4的側(cè)面結(jié)構示意圖6為行走板和固定架的結(jié)構示意圖7為本實用新型的使用狀態(tài)圖。
其中，l.鞋基座，2.踏地傳感器，3.球輪支撐架，4.舵機，5.連桿機構，6.剎車碟 片，7.萬向球輪，8.位移/轉(zhuǎn)動傳感器，9.跳躍傳感器，10.拘束器重量補償裝置，11.垂 直滑動平臺，12.運動緩沖管，13.人體固定板，14.拘束帶，15.下蹲傳感器，16.過下 蹲保護傳感器，17.滑動導軌，18.管狀彈簧I, 19.緩沖彈簧平臺，20.管狀彈簧n， 21. 行走板，22.預留栓口， 23.固定架。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖l、圖2、圖3所示，本實用新型的腳部支撐部分由鞋基座l實現(xiàn)。用戶的腳直接穿入 鞋基座1上。球輪支撐架3和萬向球輪7撐著鞋基座1，最終實現(xiàn)支撐用戶并實現(xiàn)模擬行走的條 件，如圖7所示。
位移/轉(zhuǎn)動傳感器8位于鞋基座l兩側(cè)，踏地傳感器2位于鞋基座1底面。本實用新型的球輪 支撐架3頂部采用螺栓與鞋基座1固定，內(nèi)圈與萬向球輪7接觸，在固定萬向球輪7的同時，也 為球輪提供了一個自由滑動的空間，使其能夠向任意方向滑動。由外圈和內(nèi)圈組成的球輪支 撐架3起到了連接鞋基座1和萬向球輪7的作用。本實用新型的萬向球輪7安裝在球輪支撐架3 內(nèi)圈上，不僅可以承受垂直方向上的載荷，還可以在空間三自由度上任意旋轉(zhuǎn)，使定位靴與 地面之間能夠自由相對運動，從而模擬人走路時候與地面的相對運動情況。本實用新型的剎 車碟片6安裝在鞋基座1底部，由連桿機構5連接舵機4與剎車碟片6，并由舵機4進行控制剎車。 在舵機4產(chǎn)生剎車動作的時候剎車碟片6利用摩擦力抑制定位靴滑動。本實用新型的舵機4由緊 固螺釘固定在鞋基座l上，當接收到剎車信號的時候就產(chǎn)生動作，輸出轉(zhuǎn)矩，推動連桿機構5 壓緊剎車碟片6接觸萬向球輪7，利用摩擦力抑制定位靴滑動。
圖4、圖5中，拘束架是實驗者在進行虛擬行走時，為實驗者提供一個支撐，固定作用的 平臺，為U形結(jié)構，它包括人體固定板13和拘束帶14，拘束帶14將實驗者固定在人體固定板13 上，使之在模擬行走的時候能約束使用者的位移，同時人體固定板13還能在某些情況下為實 驗者提供保護。
垂直滑動平臺11與滑動導軌17相連接，能夠自由上下滑動，模擬下蹲湖fe躍等情況?；瑒?導軌17安裝在U形架的上下?lián)醢逯g。
人體固定板13通過運動緩沖管12與垂直滑動平臺11連接。運動緩沖管12為一對管狀彈簧118，它們通過各自的緩沖彈簧平臺19與垂直滑動平臺11連接。在人體拘束板與垂直滑動平臺 ll有相對運動的時候被壓縮或拉升，為人體提供一個回復力，達到模擬現(xiàn)實與緩沖保護的目 的。緩沖彈簧平臺19用螺柱固定在垂直滑動平臺11上，可以調(diào)節(jié)管狀彈簧I18的壓縮長度，用 以調(diào)節(jié)緩沖彈簧預應力，使之能夠工作在最合適情況下。
垂直滑動平臺11的頂部與管狀彈簧II20連接，管狀彈簧II20組成拘束器重量補償裝置10。 拘束器重量補償裝置10能夠為人體固定板13和垂直滑動平臺11提供一部分支撐力，減輕實驗 者在模擬行走的時候背部負載，使之更加輕松。在實驗者開始實驗前，機器處于空載狀態(tài)， 由管狀彈簧II20提供支撐力。管狀彈簧II20固定在U形架，但受到向上的推力時可伸出到U型 架外。在實驗者下蹲的時候管狀彈簧II20被拉伸，為實驗者提供向上的回復力；在實驗者跳 躍的時候管狀彈簧II20伸出到垂直滑動平臺11外，由地球引力提供回復力。
在U形架的豎板上還分別安裝跳躍傳感器9、下蹲傳感器15和過下蹲保護傳感器16，用來 檢測實驗者在實驗時跳跪下蹲和過下蹲等極限狀態(tài)，為實驗者提供相應的系統(tǒng)支持和保護。
圖6中，固定架23可固定在墻壁或支撐架上，起到支撐拘束架的其余部件的作用，可調(diào)高。 行走板21位于拘束架下方，可與地面固定，使用者可穿定位靴站在行走板21上虛擬行走，行 走板21下部有與其他儀器連接的預留栓口22。
各傳感器將產(chǎn)生的信號送入外接的計算機，計算機利用軟件產(chǎn)生模擬的動作和實時狀態(tài)
信息o
權利要求1.一種虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，它包括固定在地面的行走板(21)、可固定人體背部的拘束架和穿著在人腳的定位靴；其中定位靴與行走板(21)接觸，拘束架與一個固定架(23)相配合，在定位靴上設有位置傳感裝置和剎車裝置，拘束架上安裝跳躍、下蹲傳感裝置。
2. 如權利要求1所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述行走板(21)為一個板體， 其四周設有預留栓口 (22)。
3. 如權利要求1所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述定位靴包括鞋基座(1)，鞋 基座(1)底部設有行走裝置；所述位置傳感器裝置包括設置在鞋基座(1)外側(cè)的位移/轉(zhuǎn)動 傳感器(8)和鞋基座(1)底面的踏地傳感器(2);在鞋基座(1)的底部設有舵機(4),它 通過連桿機構(5)與剎車裝置連接。
4. 如權利要求3所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述行走裝置包括前后兩對并列 的萬向球輪(7),每個萬向球輪(7)與相應的球輪支撐架(3)連接。
5. 如權利要求3所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述行走裝置為滑塊。
6. 如權利要求3所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述剎車裝置為剎車碟片(6)。
7. 如權利要求1所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述拘束架為一個側(cè)置的U形架， 在U形架的上下?lián)醢彘g安裝有垂直滑動裝置，該裝置與人體固定板(13)連接，人體固定板(13)上設有拘束帶(14);同時垂直滑動裝置上還安裝由拘束器重量補償裝置(10)，在U 形架的豎板上分別安裝跳躍傳感器(9)和下蹲傳感器(15)，在下檔板上安裝過下蹲保護傳 感器(16)。
8. 如權利要求7所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述垂直滑動裝置包括一對滑動 導軌(17)，其上安裝有垂直滑動平臺(11);垂直滑動平臺(11)通過運動緩沖管(12)與 人體固定板(13)連接。
9. 如權利要求8所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述運動緩沖管為一對上下排布 的管狀彈簧I (18),它們分別通過各自的緩沖彈簧平臺(19)與垂直滑動平臺(11)連接。
10. 如權利要求7或8所述的虛擬現(xiàn)實行走裝置，其特征是，所述拘束器重量補償裝置為 一管狀彈簧II (20),它的上端與上擋板連接，下端與垂直滑動平臺(11)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種虛擬現(xiàn)實行走裝置。它具有制作工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、使用存放占地空間少、仿真度高，使用安全等優(yōu)點。其結(jié)構為它包括固定在地面的行走板、可固定人體背部的拘束架和穿著在人腳的定位靴；其中定位靴與行走板接觸，拘束架與一個固定架相配合，在定位靴上設有位置傳感裝置和剎車裝置，拘束架上安裝跳躍、下蹲傳感裝置。
文檔編號G06F3/01GK201311614SQ20082022686
公開日2009年9月16日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2008年12月17日
發(fā)明者邢柳溪, 高逸默 申請人:高逸默;邢柳溪