用于虚拟现实和模拟环境中的脚控动作和运动控制的系统、方法和装置与流程

本发明涉及虚拟现实(vr)和其他模拟环境技术领域，具体是涉及用于虚拟现实和模拟环境中的脚控动作和运动控制技术领域。

背景技术：

越来越强大的计算能力和游戏产业的发展，产生了丰富的用于探索和社交互动的虚拟世界。这些虚拟现实(vr)和其他模拟环境比如现实世界的计算机生成表示呈现出三维中的虚拟地形，其中，角色或化身或对象需要在该人造环境内通过来自用户的物理命令的转化翻转以在该模拟环境中沿三维方向运动。

vr行业使用的大多数接口都是手动控制的。然而，用户在虚拟环境中完全参与和移动的能力由于需要手来执行而受到阻碍。

实际上，控制虚拟现实中的化身或虚拟对象是vr正在进行的发展和扩展所面临的主要问题。人们普遍认为，真正的vr体验要求操作员能够自由地使用双手。然而，目前的大多数移动解决方案都需要操作者使用手持式控制器或其他昂贵的大型设备，用户体验由于人为的接口限制而变得复杂，从而限制了vr体验。

因此，目前需要一种替代和改进的系统、设备和方法，以允许vr用户更好地参与虚拟环境。

现在需要一种改进的技术，以允许在虚拟环境或模拟中进行无需双手的运动或动作，从而允许用户通过使用他们现在自由的双手来更好地控制他们的交互，这在消费者市场中目前是不存在的。

现在需要一种系统/设备，其更好地模拟用户在虚拟模拟中的本来运动，使得虚拟世界中的虚拟角色的运动是使用腿和脚而不是手的更自然的运动。

此外，目前需要一种简化的系统、装置和方法，其避免使用踏步机和其他大型的、笨重复杂且昂贵的设备和机器来模拟虚拟现实中的运动。

在本发明中满足了这些目的和许多其他目的。

技术实现要素：

在本发明的目的在于提供一种简单方便的用于虚拟现实和模拟环境中的脚控动作和运动控制的系统、方法和装置。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的：它是通过使用户能够通过脚控控制器装置在三个轴上代替控制化身或vr对象来解决手控问题。

采用这种方式的本发明具有如下优点：这种多轴控制对于在三维空间或环境比如模拟世界中控制和校正运动至关重要。另外，本发明允许用户通过按压控制器装置来在模拟环境内“跳跃”或进行其它动作，以简化人造领域内的物理运动，从而使用户完全沉浸在无需手控的vr体验中。

附图说明

尽管说明书以权利要求书作为结束，其中特别指出并清楚地要求保护认为形成本发明的主题，但相信通过以下结合附图的描述将更好地理解本发明，其中，相同的附图标记指定相同结构和其他元件，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的本发明的上脚垫壳体和基板的四分之三立体图；

图2示出了图1中所示的本发明实施例的分解图，其示出了根据一个实施例的本发明实施例的内部部件以及允许在所有所需轴上移动的机构；

图3示出了本发明的采用传感器垫的另一个实施例的正视图；

图4是示出了可以用于实现图1至图7中所示实施例中的本发明原理的电子电路结构的示例性实现的框图，包括用于观察本发明中设想运动的控制台和显示器；

图5是示出了根据本发明的教导，操作者的脚在控制器装置上的放置示意图，其中，描述了沿着表面运动操纵传感器，并且通过执行按下动作；

图6示出了类似于图2所示实施例的另一本发明实施例的分解图，示出了根据另一实施例的内部部件以及允许沿所有所需轴线移动的机构；以及

图7示出了如图2和图6所示的替代实施例的分解图，示出了其内部部件以及允许沿所有所需轴线移动的机构，并且采用了光学传感器。

具体实施方式

本发明的详细描述如下：

呈现以下详细描述以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。为了解释的目的，阐述了特定的术语以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节不是实施本发明所必需的。具体应用的描述仅作为代表性示例提供。对于本领域技术人员来说，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不背离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。本发明并不旨在限于所示的实施例，而是应被赋予与本文所公开的原理和特征一致的最广泛的可能范围。

正如所讨论的，目前还没有小型控制器允许用户在无需手控的条件下在虚拟现实环境中运动。相反，现有技术需要使用复杂的动作传感踏步机或手动控制器，或者两者皆有，这限制了用户与虚拟世界交互的能力，即用户不能使用他们的双手。

然而，本发明允许用户在虚拟现实或三维(3d)替代环境内具有六个自由度或移动以及跳跃的能力，而不需要手控装置。因此，与在三维空间中移动的任何对象一样，可以沿着三个垂直轴进行前/后、上/下和左/右平移。此外，还可以设想取向的变化，即通过围绕前述垂直轴的旋转，即如本领域已知的俯仰、偏转和滚转。通过使用一个以上的脚以及脚上的不连续脚趾，在实践本发明的原理时可以有更多的自由度或运动程度。

此外，本发明涉及采用脚控控制器的系统、方法、设备和装置，其使用简单并且能够实现免手控运动，从而增强了虚拟现实或vr或其他模拟体验。

本发明相对于现有技术的优点有很多，包括体积小、成本低、便携性好、启动时间快、使用方便，重要的是能够在三维(3d)动画或虚拟环境在无需手控的情况下移动的能力。

现在参照附图中的图1，其中示出了示例性组装的脚控装置，总体上由附图标记1表示，其实现了本发明的原理和特征，如在下文的各种实施例中更详细描述的。通过例如从用户的脚和/或脚趾运动向装置1施加力和压力，可以更好地确定特定方向上的运动。

现在参照附图的图2，以分解图示出了本发明的一个实施例比如图1中所示的装置，总体上用附图标记1表示，其示出了本实施例中的各种示例性部件。具体地，示出了总体由附图标记2表示的顶板，其例如通过连接装置连接至总体由附图标记3表示的转盘型装置的顶部部段。

应该理解的是，本发明上下文中的示例性连接装置包括螺栓、胶水或任何足够坚固的连接件，如本领域技术人员所理解的。在本发明的另一实施例中，前述的转盘型装置3可以直接包裹或模制在顶板2的底部，从而允许顶板2围绕z轴旋转。为了便于在用户移动物品之后将顶板2返回到中性旋转，转盘型装置3的侧面可以连接至总体用附图标记3a表示的弹性构件，例如通过任何简单的连接装置连接的弹簧或弹力绳，该弹性构件又连接至总体用附图标记9表示并在下文中更详细描述的中空圆盘的顶面。

进一步参照图2，转盘型装置3的底部部段通过连接件4连接至总体由附图标记6表示的连接板。应当理解的是，在本发明的该实施例中，该连接件是螺栓，但是在其它实施例中，连接件4可以是任何足够强的连接件，例如塑料、胶水、焊接等，如本领域所理解的。

在该实施例中，在前述连接板6的顶面上放置了至少一个传感器，总体由附图标记5表示，该传感器将关于顶板2旋转的信息转换为用于在总体用附图标记14表示的电子模块中分析和处理的等效电信号。在本发明的当前实施例中，传感器5可以是电位计，但是当然应该理解，在替代实施例中，前述传感器5可以是任何装置或部件，诸如红外(ir)传感器、倾斜传感器、加速度计、电容式触摸屏、压力传感器或者可收集有关顶板2的状态或用户与顶板2的相互作用数据的其它传感器，如以下更详细讨论的。

再次参照图2，连接板6连接至总体由附图标记7表示的中空管，该中空管又通过另一连接装置附接至盘8。应该理解的是，在本发明的该实施例中，这些部件可以通过胶水连接，并且在本发明的替代实施例中，如本领域的技术人员理解的那样，这些部件可以作为单件铸造、模制或3d打印。

包括前述中空管7和附接元件的部件组件位于总体上由附图标记9表示的中空盘内，并且能够在中空盘9内自由移动。移动量受到位于前述中空盘9内总体由附图标记10表示的中空盘孔的尺寸的限制。在本发明的该实施例中，前述盘8通过总体由附图标记10a表示的弹性制品比如弹簧连接至前述中空盘10的内部，使得能够从另一个或给定状态返回到中性旋转和位置状态。在本发明的另一实施例中，如本领域所理解的，前述返回可以通过另一种连接装置如沿着中空盘9内侧的橡皮绳、橡胶环或气囊来促进。

当中空管7在各个方向上移动时，其与总体由附图标记12表示的控制器相互作用，并且使其依次移动，由此产生由前述处理电子模块14处理的电信号。应理解的是，在本发明实施例中，控制器12可以是两轴的操纵杆。总体由附图标记11表示的保护外壳不仅覆盖前述控制器12，而且还用作止动器以防止控制器12在任何方向上旋转得太远。中空盘9优选地通过多个总体由附图标记13表示的弹簧悬挂在控制器12和保护外壳11上方。这些弹簧13又连接至总体由附图标记15表示的基板。

在本发明的该实施例中，弹簧13优选地位于总体用附图标记13a表示的弹簧轴的内部以防止过度弯曲。应该理解的是，弹簧13应当略微突出在前述弹簧轴13a的上方，以允许当用户的脚施加压力时整个组件向下移动。这个向下的压力将激活总体由附图标记12a表示的另一个输入传感器，其位于前述控制器12的下面或属于前述控制器12的一部分。在本发明的这个实施例中，输入传感器12a最好是标准的瞬时按钮。这个按钮12a的目的在于，当用户按下装置1时，弹簧13将压缩，并且按钮12a将被按压，以允许用户跳跃、蹲伏或执行映射到这个输入的任何其他虚拟动作。

现在参照附图的图3，图中示出了本发明的另一实施例，包括总体由附图标记16表示的传感器垫。应当理解的是，传感器垫16位于用户的脚下方，并且包括总体由附图标记17表示的多个力传感器，所述力传感器检测用户的脚在传感器垫16(和每个传感器17)上的放置、力和运动以及其各种压力等级。

其他合适的传感器包括电容式触摸传感器、红外线或表面声波触摸传感器，如本领域所理解的那样。此外，例如通过处理器或控制器(下文更详细地描述)的力阻传感器17的阵列的分析可以提供关于用户的脚或手或输入介质移动的详细信息，从而允许特定动作的压力等级的特定映射，例如精确地描述由模拟人物或对象进行的一系列复杂动作，例如步行、战斗、跳跃、互动、飞行等等。该列表意图是说明性的而不是穷尽的，即，考虑到了由用户通过脚传送的附加感官输入，诸如声音和视觉效果，并且可能更广泛地是气味、味道和其他感官或其他输入。

在本发明的该实施例中，总体由附图标记18表示的处理器从前述的阻力传感器17获取输入，并且将输出数据提供给一般指定的计算机或其他电子设备，例如计算机或计算机控制台，其由附图标记27表示并在下文中结合图4更详细地描述，其中来自用户的脚部数据转化为所述计算机或显示器的屏幕上的命令、移动或动作，如本领域技术人员所理解的。实际上，由用户脚的各个部分以及分立的脚趾通过前述力阻传感器17阵列提供的运动、放置和压力数据可以被解释并且与用于外部设备的各种不同的命令相关联。如本领域中所理解的那样，本发明设想了简单的运动转化和经由输入和映射的更精细等级的更复杂转化。

例如，脚的前部较高的阻力或压力可能与用户在虚拟世界中向前移动的愿望相关，旋转脚可指示用户希望转向虚拟世界中的给定侧。因此，用户可以向前移动他们的脚以指示他们希望在虚拟环境中向前行走，向后指示在模拟中的向后，以及在其他方向上的其他移动以及沿着六个自由度潜在移动的组合。当然，应当理解的是，通过训练，用户使用脚和脚趾的动作在vr环境(或其他虚拟或模拟领域)中导航化身或对象可能变得非常擅长，而完全不使用双手。

现在参照附图的图4，其中示出了框图，该框图示出了可以用于实践结合本文附图示出和描述的实施例的示例性电路结构。在该实施例中，总体由附图标记22表示的微控制器电路包括模数转换器或adc23以及总体由附图标记24表示的充电电路。如图所示，电路22从诸如电位计19、两轴操纵杆20和输入按钮21之类的各种输入装置提取输入，所有这些输入装置按照如图2所示的本发明的前述实施方式被定位，并且产生经由无线电模块26传送至前述控制台/计算机27或其他电子/机械装置的输出。

应该理解的是，无线模块26可以是标准蓝牙或英商飞特帝亚(ftdi)或其他无线接口。还应该理解的是，前述无线模块26是可选的，并且不是操作本发明的脚控式设备1的所必需的，事实上，在本发明的另一实施例中，无线控制器26可以被移除并且本发明可以通过usb或其他有线或有线连接器/适配器直接连接至控制台/计算机27，如本领域中所理解的那样。另外，如本领域的技术人员所理解的，电源25向系统和装置提供操作所需的电力，并且可以包括锂离子电池、经由直接usb连接递送的电力，或者任何其它合适的电源和供电方法。

现在参照附图的图5，示出了位于图1所示的装置1上的总体由附图标记28表示的用户的脚的示图，其中，通过各种脚和脚趾的运动来移动或控制3d虚拟空间中的对象。换句话说，通过真实或物理世界中用户28的脚/脚趾在装置1上的运动而生成的数据被转换或映射至虚拟或模拟世界中的一个或更多个动作或命令，特别是在该虚拟或模拟的世界内的运动。

进一步参照图5中所示的实施例，并且在结合图1至图2、图4和图6至图7所示和所述的实施例中，装置1在组装和操作时的优选构造或形状是圆形的并且类似于飞盘，即圆形的顶板2，其下方的部件也以圆形的方式布置。然而，应当理解的是，尽管圆形或椭圆形的形状是优选的，但是可以想到替代的构造或形状，并且其应当被认为是本公开的一部分，例如，图3示出了长方形或正方形的构造。

现在参照附图的图6，示出了本发明的另一个实施例的分解图，其通过使用瞬时按钮或触点来实现，而不是使用上文描述的之前实施例中的控制器12或力阻传感器17。在本实施例中，用户的脚28(和/或脚趾)移动并旋转前述顶板2，而顶板2又移动总体由附图标记32表示的中间板。如所示，当中间板32上的总体由附图标记33表示的导电叉与一个或多个总体由附图标记40表示的环形触点接触时，中间板32随后移动至由物理运动指示的适当位置，从而关闭电路并且按钮按下。这些按钮40又可以如上所述被映射至用于在前述外部控制台/显示器/计算机27中使用的特定命令，如前面所讨论的。

在本实施例中，当用户按下顶板2时，包括顶板2的上部组件、总体由附图标记29表示的弹簧减震件和中心减震件31将全部向下移动，使得中心减震件31随后触摸总体由附图标记36表示的中心触点，从而闭合电路，从而用作按钮按压，如上所述。此外，如果顶板2围绕z轴旋转，则总体用附图标记41表示的旋转叉将分别与总体由附图标记38和39表示的右触点或左触点接触，其取决于用户旋转顶板2的方向，即顺时针或逆时针。如上所述，这个动作也将关闭电路，它可能像一个按钮按压。如上所述，在这两种运动，即压力下降和旋转压力中，这种运动的量和程度被转化为相应的虚拟运动。

进一步参照图6，前述中间板32通过弹簧减震件29和中心减震件31附接至顶板2，并且当用户在给定方向上移动他们的脚时，中间板32将沿着前述基板15的表面平滑地滑动，例如在总体由附图标记34表示的滚珠轴承盘的表面，直到中间板32的侧部与总体由附图标记35表示的外防护件接触为止。外防护件35防止中间板32移动太远，并且还防止导电叉33在基板15的内壁上被挤压或损坏。外防护件35通过总体由附图标记37表示防护连接件连接至基板15，所述防护连接件将外防护件35保持在基板15的稍上方，使得导电叉33能够在外部防护件35的下方滑动并且与环形触点40接触。

如所讨论的，各种运动和旋转产生了所述装置的新位置或状态，例如，具有张紧的各种弹簧等的状态。为了便于返回到中间位置并且旋转，总体由附图标记30表示的多个连接弹簧将上组件和中间板32连接至基板15。在释放各种张紧力时，本发明可以随后弹回或重新回到中立位置，然后用户可以从该中立位置启动另一组运动以用于平移和虚拟实现，如所述。

在本发明的又一实施例中，可以使用多个传感器比如前述的磁力计、陀螺仪或加速度计或其组合来检测装置1的所有轴上的运动和旋转，并且所收集的数据可以被输出至前述的控制台/显示器/计算机27及其任何附加的显示器或与其连接的显示器。

更具体地，现在参照附图的图7，其中示出了本发明的另一个和替代性优选实施例的分解图，该实施例采用了各种前述的光学传感器，例如采用了光学传感器47来检测运动。还示出了总体由附图标记49表示的用于检测旋转运动的光学缝隙传感器。光学传感器47优选地被容纳在总体由附图标记43表示的矩形中心十字件内，使得当中心十字件43移动时，光学传感器47提供运动跟踪数据，类似于光学计算机鼠标。

进一步参照图7，中心十字件43优选具有四个突出的总体上由附图标记44表示的圆柱形臂，中心十字件43的每一侧各有一个圆柱形臂，即四个这样的臂44彼此偏移90度。如所示，圆柱形臂44穿过总体由附图标记45表示的臂保持件的圆柱形部段，该臂保持件本身位于总体由附图标记46表示的保持件滑动轴内。在中心的主矩形块与臂保持件45之间具有另一个压缩弹簧13，其直径略大于其缠绕的前述气缸臂44的直径，如所示。

当前述中心十字件43例如由于施加的力而沿着x和y轴上的任何给定方向移动时，臂保持件45通过在保持件滑动轴46内沿其各自的轴线滑动而移动。应该理解的是，气缸臂44能够自由地滑动穿过臂保持件45中的前述和对应的圆柱形开口，并且由于该移动，缠绕在气缸臂44周围的相应弹簧13被压缩，由此不仅提供了机械阻力，而且当所施加的力被减轻时，在给定状态下将前述中心十字件43重新对中。这具有总是将容纳在中心十字件43内部的光学传感器47重新居中到零件的中性状态或位置的效果。

还应该理解的是，由前述光学传感器47收集的运动信息被传送至微控制器电路22，如以上所讨论的，以进行处理和操作，如上所述。如图7所示，另一中间板32被连接至前述中心十字件43的中心和每个气缸臂44的端部。该中间板32因此与中心十字件43一起移动，并且用作一个定心机构，如本领域所理解的那样。在前述中间板32上放置两个相互连接的总体由附图标记54表示的返回臂。

因此，在操作中，当前述顶板2由于诸如前述用户的脚28或脚趾之类的外力而沿特定方向旋转时，该动作使得连接板6在该方向上旋转，这导致与该方向相关联的返回臂54也旋转。进一步参照图7，总体由附图标记48表示的中间复位弹簧使得返回臂54在施加的力被减轻时返回到静止或中性位置。该返回或自定心机构不仅使顶板2和连接部件返回至它们各自的初始位置或静止位置，而且帮助使总体由附图标记50表示的编码器盘返回至静止位置。

如图7所示，编码器盘50如图所示通过圆柱形轴连接至前述的连接板6，使得当连接板6旋转时，编码器盘50也旋转。位于编码盘50周围的不同位置的两个标准的红外或光度测量光学缝隙传感器49读取编码盘50的数据和运动，以确定旋转角度和速度。这个数据随后被送至前述的微控制器电路22进行处理和操作，如上所述。

还应该理解的是，尽管编码器盘50和光学缝隙传感器49提供了非接触式并且因此更持久的系统来确定旋转信息，但是前述编码器盘50还可以由总体由附图标记51表示的旋转编码器或者另一个电位计19替换。

为了保持连接部件的前述组装，应采用两个或多个总体由附图标记53表示的紧固件圆柱体，以通过总体由附图标记52表示并切入连接板6的表面内的盘状楔连接至前述中间板32。应该理解的是，前述盘状楔52优选地应该具有穿过盘状楔52的半圆形通道，以允许前述中间板6在不影响前述紧固件圆柱体53的位置的条件下旋转。

如图7所示，前述紧固件圆柱体53的顶部平坦部分位于前述盘状楔53的内部，并保持整个内部组件连接，同时仍允许其旋转。

最后，进一步参照图7，在前述顶板2的下方，总体上由附图标记56表示的力传感器位于前述连接板6之中或之上。因此，当力施加到顶板2，力传感器56收集关于施加的力的数据，并将该信息传递至微控制器电路22以进行处理和操纵。另外，安装在顶板2上的总体由附图标记55表示的按钮可以用于附加操作。

应该注意的是，如果建造者希望，可以采用许多其他容易获得的传感器，例如磁力计、陀螺仪或加速度计或其组合，来检测跨所有轴的运动和旋转，并且可以输出所收集的数据至控制台/显示器/计算机27或微控制器电路22，如以上所描述和讨论的。

应该理解的是，虽然本发明的实施例有助于vr头像的使用，但是本发明的技术和范例也可以用于现实生活环境或模拟中的用户，例如不能使用其双手的人员，复杂的工作场所或需要不使用双手的命令结构的家庭情况。此外，本发明采用复杂的传感器，其中个人的脚和脚趾的压力可以用来区分各种运动和动作。实际上，本发明的原理可以被描绘成各种各样的情况。

如所讨论的，本发明的优点是允许使用仅一只脚的简单用户控制，这是本发明的优选方面，尽管使用两只脚可以扩大可能的移动和控制的范围。此外，分离的脚趾也可以承担特定的运动，表明单脚或两脚之间，脚和脚趾运动的组合的控制的更精细程度。

而且，根据用户的系统和操作约束，本发明可以在有线或无线环境中操作。

此外，与现有技术在另一基板上方使用倾斜的脚控板相比，本发明优选地使用单个顶板。而且，该装置的宽度和圆形设计保持脚在适当位置中，而不需要如现有技术中所必需的那样固定脚。同样如所讨论的，在组装时，本发明是相当光滑的形状因素，其在一个实施例中类似于2.5英寸厚的飞盘，这与现有技术中最类似的要求保护的本发明不同，现有技术的发明应用多个板和踏板来完成相同的功能。采用替代配置的现有技术装置相比，用户与所示的呈圆形构型的顶板2的交互简单，直观且结构简洁。

此外，通过使用磁力计来获得运动和旋转数据(在该装置中没有使用机械手段)，本发明很容易与采用机械方式的现有技术区分。另外，尽管本发明优选地包括使系统回到中性姿态/状态的结构，例如使用弹簧，但现有技术不是，而是需要直接的用户动作来复位或重新定位部件。因此，由于本发明自动地自我居中，意味着它在没有用户需要的任何输入情况下找到中心或中性姿势，所以本发明至少在这方面不同于现有技术。此外，本发明不仅发现机械中心，而且还发现电子或虚拟中心，即，中性姿态映射至虚拟环境中的x0y0z0或(0，0，0)，这在现有技术中既没有示出也没有提出。

尽管现有技术跳过了一些使用倾斜的命令，但是本发明优选地通过仅仅按下来实现这些功能，对需要踏步机和其他复杂装置来指示坡度或倾斜的技术提供了改进。

本发明相对于现有技术的另一个优点涉及连接性。实际上，本发明的系统直接连接至前述的pc/控制台27，而不需要控制箱。实际上，已知的现有技术将脚控板连接至控制箱，控制箱又连接至pc。

此外，尽管在一些游戏技术例如驾驶模拟器中采用一些双脚装置来进行基本输入，但是如所讨论的，本发明适用于一只脚或两只脚的活动以及其中的分离脚趾。本发明目前优选的实施例针对单脚组件，但是其他场景的其他实施例在此被设想并要求保护。

尽管已经通过对本发明的实施例的描述说明了本发明，并且尽管已经详细描述了实施例，但是本申请人并不打算或者以任何方式将所附权利要求的范围限制到这样的细节。对于本领域技术人员而言，其他的优点和修改将是显而易见的。因此，本发明的更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不背离申请人概念的广度或范围的情况下，可以从这些细节中做出偏离。此外，尽管已经结合多个示例性实施例和实施方式描述了本发明，但是本发明不限于此，而是涵盖落入所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置。