一种随动头显装置和方法与流程

文档序号:11152651
一种随动头显装置和方法与制造工艺

本申请属于虚拟现实头戴式显示设备领域。具体的,本申请是公开一种随动头显装置和方法。



背景技术:

虚拟现实显示设备是一种头戴式的3D影像显示器,分为自带屏幕的完整的头盔和利用手机屏幕的手机3D立体眼镜。可参照本人已经申请的专利201420529370.X等相关专利的记载。以上专利有些有可调节的功能,有的没有。现有技术存在的问题是:在虚拟现实头显上,对各项参数都要进行调节,包括但不限于瞳距、眼距、视距、相机距离、等。现有技术也分别设置了相应的瞳距和眼距调节装置等。需要调节的参数很多,无法一一调节,消费者哪里记得住这么多参数。而且无论如何调节,都无法达到最佳的效果,手动调,用户也不知道什么是最佳效果。虚拟现实不管怎么调,都还是会有晕动症现象。另外,每个人都要调,也很麻烦,朋友使用也学不会调节。有的人也不知道自己的瞳距眼距是多少。现有技术认为瞳距、视距、眼距为一个固定值,所以才采用手动调节,调节过后就以为解决了问题。

可是每个人的瞳距在看远处和看近处是不一样的,晶状体的收缩在看远和看近处也是不一样的。而且,透镜和眼睛之间的角度差也会造成图像扭曲,进而加剧眩晕感。看到的画面是倾斜的。而且透镜边缘不可避免的都具有畸变。现有技术中吹嘘的270°广视角,实则大部分并不是完整的3d画面,只有中间60°左右是3d的。现有技术均不知道真正的广视角如何实现,而且现有技术中的画面并不是真正的3d。而且现有技术陷入了一个误区,那就是需要追求非常高的分辨率,非常大的透镜,和非常高的计算性能。很多大透镜产品的宣传亮点为不需调节任何距离。这个误区困扰着我们行业长达两年之久,将我行业带向错误的方向,耽误了我们的技术发展。陷入了对透镜曲线无尽的追求,如多曲面拼接等大视角透镜,使得透镜成本非常高。可即使再变态的透镜设计,甜点(视觉舒适区)依然很小。

还有一个问题是,现有技术没有意识到眼睛的非自主跳动对视觉得影响,因而所提供的画面也都是大脑感觉不真实的。如何提供画面,如何实现真正大视角3d,取消调节环节,本专利就是解决这个问题。



技术实现要素:

本发明解决上述问题。本发明需要眼球追踪装置。眼球追踪技术和设备,分为用摄像机对眼睛的瞳孔位置进行图像识别,进而又有使用红外led对眼睛进行照明,让摄像头更加容易拍摄图像;还有利用眼球与电容式装置之间的电容感应来确定眼球位置的。眼球追踪,主要是注视点追踪。注视点,其实就是眼球的主轴,瞳孔的位置。瞳孔往哪看,视野的中心就在那。

眼睛空间位置和角度,包括瞳孔位置的xy坐标,眼球深度的z坐标,以及绕x轴转动的俯仰角坐标,绕y轴转动的倾斜角坐标。本案中,x轴为水平轴,y轴为重锤轴,z轴为眼距轴。x轴对应上下看俯仰角,y轴对应左右和远近的倾斜角。一般人眼不可以绕z轴转动。

传统vr眼镜中,往往使用大直径(大概45mm以上)来实现大视野,有的透镜已经达到了50mm以上的恐怖级别。这样大的透镜,不光是带来大的畸变,更为不好的是让中间部分视野和周围部分变成了2d的了。比如眼球向左转,向左看,受屏幕排布的影响右眼已经看不到画面了,只有左眼能看到画面。

现有专利中,有一种注视点渲染技术。通过眼球追踪装置找出注视点,对注视点处的画面高分辨率渲染,对边缘画面,低分辨率渲染。以此来降低对渲染也就是对显卡的性能要求。但是透镜依然是不动的,屏幕也是不动的。只是屏幕上的画面的清晰中心随着眼球移动而移动。也就是,往哪看,哪就渲染清晰,其他地方都不清晰渲染。清晰与否和晶状体收缩无关,不解决问题。

传统vr眼镜中,往往调节瞳距和视距之后,透镜和屏幕就相对于眼睛固定了。此时转动眼球,透镜和屏幕均不移动。所以才要大透镜提升视场角。

本专利提出使用小透镜(相对的,透镜直径小于30mm)甚至是微透镜(透镜直径小于20mm),来实现大视野。这乍看似乎不可能。这也是行业偏见所在。一味的追求大透镜,堵住了探索其他道路的可能性。我行业对透镜追求已经变态到多组同心多透镜自由曲面拼接。

与小透镜和\或微透镜相对应的,本案使用的,也是小屏幕(3.5寸以下)或者微屏幕(2.5寸以下),因为本方案的特殊性,还可以使用特种屏幕(1寸以内的高分辨率屏幕,经常用于军工)。所谓特种屏幕,其实是另一个成熟的屏幕技术领域。本案申请之前的VR领域,惯用思路是采用手机屏幕或者mp4的屏幕,都比较大。现有技术堵住了使用特种小屏幕的可能性。本方案使本领域的技术人员能够开拓眼界,而在这之前是绝不可能考虑的。

相应的,透镜的焦距也小于传统vr领域所使用的透镜焦距(小透镜小于30mm,微透镜小于20mm)。

除此以外,本案的透镜到眼睛的距离较目前所有头显都要小得多。既透镜需要贴近瞳孔,这样图像会更好。这就要求,当眼球追踪装置检测到眨眼时,伺服装置要及时将镜片后移,防止妨碍眼皮眨眼动作,不能碰到眼皮。当眼皮重新睁开时,伺服装置要及时将透镜复位。传统技术中,眼球到透镜距离至少2cm以上,本案可以达到1-5mm。

本案所选的透镜视场角大于80度。这是透镜自身曲线与小眼距共同作用的结果。

优选的,透镜的直径小于10mm,焦距小于10mm,屏幕对角线尺寸小于1英寸的组合为最优。

优选的,采用液体变焦透镜,则透镜可以相对屏幕固定,既结合体中少一个视距调节的自由度伺服装置。

使用以上的小微透镜和屏幕,使得透镜与屏幕的结合体体积变得很小,从而也能更好地运动。体积变小,vr眼镜的厚度也变小,不像现在这么大,这么笨重。

眼球追踪技术,能够告诉我们每只眼睛的瞳孔的空间位置,包括xyz坐标以及xyz轴转向。除了眼球相对于眼睛主轴的转动以外,正好剩下五个自由度,5个坐标参数。也就是说,我们需要眼球追踪装置给我们眼球瞳孔的5个坐标,告诉我们它的相对位置和方向。其中至少要给出xy坐标,然后要给出x转、y转动坐标,然后还要给出z坐标。z轴转动为眼球绕眼轴转动。

所述的眼球追踪装置的响应时间应当小于20ms。

然后我们需要伺服装置。伺服装置一端安装在机架上,一端连接于透镜和\或屏幕。伺服装置根据左右眼独立设置,两套伺服装置分别属于左右两个单独的调节系统中。也就是说,至少有两套伺服装置。当透镜和屏幕不做成一个整体的结合体时,可能有四套伺服装置分别连接左右眼的透镜和屏幕。所述的机架可以为一个整体,也可以对应两个视觉单元变为两个部分,并且不需要互相连接。所述的机架本身既可以是固定的,也可以是移动的头显部件。所述的机架既可以是左右视觉单元共用的整体,也可以是左右视觉单元单独连接的互不连接的机架结构。

本案所指的伺服装置为,能够按照实时位置指令进行实时运动的装置。比如伺服电机,机械手臂,关节机器人,3D打印机的龙门架伺服装置等。伺服装置本身包含了位置反馈装置,如编码器、电位器、光栅等。如不高阔位置反馈装置,则需要另加位置反馈装置。

结合体为“逻辑”部件。既,即使使用四套伺服装置分别连接左右眼的屏幕和透镜,每一组视觉单元的屏幕和透镜之间仍是逻辑上连接在一起的。即使物理上没有装置相连,没有结合体,逻辑上和程序算法中,透镜和屏幕之间的距离,角度,都是对应着视距和俯仰角、倾斜角的,都是逻辑连接的。

结合体类似单反相机,同样有透镜,后端同样有一个屏幕(对于相机来说是ccd),同样的,透镜或者透镜组相对于屏幕可以进行多种调节。一个结合体单元,把屏幕看做ccd,就像是一个小型的相机。

本案包括眼球追踪装置,两组透镜、两组屏幕,左右眼分别对应一组透镜和一组屏幕,一只眼睛、一组透镜、一组屏幕组成一个视觉单元,其中一组透镜和这一组的屏幕可以组成结合体,包括伺服装置连接透镜于机架,或者连接透镜与屏幕的结合体于机架,或者包括四组伺服装置分别连接两组透镜和两组屏幕于机架,所述透镜与屏幕的结合体中还可单独设有伺服装置。这里包括3个方案,也就是方案1:包括伺服装置连接透镜于机架,此时的屏幕可以设有伺服装置,也可以不设置,此时的两组屏幕亦可以指代一块屏幕上的两个局部显示区域。所述屏幕区域亦应当随着透镜和眼球在屏幕上改变位置,也就是运动。这种屏幕区域运动亦属于屏幕运动范畴。方案2:包括伺服装置连接结合体于支架。方案3:包括分别的伺服装置连接各自的透镜和屏幕。

所述屏幕和\或透镜为机动部件。所谓机动,是指它们不是固定,不是静止,而是受伺服装置驱动,可以机械运动的部件。传统vr中,经常设置屏幕为固定静止,甚至更有甚者设置透镜为固定和静止,并且还大言不惭宣称人眼可以自适应。

所述的机架,为固定屏幕和投影的相对不动的上一级结构。比如传统vr眼镜的外壳,现有技术中所述的固定架等。特别的,相对于一个机架,本案所述的可以为两个单独的分开的机架,每个机架对应安装一个视觉单元,并且分别连接于头戴式显示装置的上一级固定接口上。

所述的机架与头戴式显示器的上一级固定接口亦可设有伺服运动装置,这个伺服装置的功能是使机架相对于头戴式显示器的上一级运动,从而改变设置在机架中的透镜和屏幕相对于眼球的位置,实现追踪。这个伺服装置包括在机架与透镜或者结合体之间的伺服装置中,等效为驱动透镜或结合体的伺服装置。既,设置在机架与头戴式显示器之间的伺服装置,等效于设置在机架与透镜或屏幕之间的伺服装置。两者对透镜或屏幕的位置驱动功能等同。本案申请后文所述,包括在与透镜和\或屏幕相连接的伺服装置中。

所述的眼球追踪装置为独立的两组,每组视觉单元中设有一个,所谓独立,是指两组眼球追踪装置并不连接,或者即使机械连接,逻辑上也不连接。这是因为每个视觉单元要独立的跟踪各自的眼睛。使用一个眼球追踪装置追踪两个眼球,为次选,不放弃,包括在逻辑独立的两套眼球追踪装置中。

所述的与透镜和\或屏幕相连接的伺服装置,至少具有x轴移动的自由度,优选的具有y轴方向的自由度,优选的具有绕x轴旋转的俯仰角自由度,优选的具有绕y轴旋转的倾斜角自由度,优选的具有z轴眼球深度的自由度,最优选的具有上述5个自由度或者完全的6自由度。改劣发明,符合上述递进式描述的,不在放弃保护之列。

当透镜和屏幕单独做成一个结合体时,透镜和屏幕之间设有单独的伺服装置。此伺服装置连接透镜和屏幕,调节屏幕相对于透镜的距离-视力距离,和\或,调节屏幕相对于透镜的俯仰角、倾斜角。所述倾斜角是指绕重垂线旋转的角度。屏幕绕垂直于屏幕的轴线旋转的转动自由度,一般不需要调节,特殊情况下也可以另外再加。也就是说,此伺服装置至少具有1个移动自由度,还可以再设有2个转动自由度的装置。其中y轴旋转的自由度对应倾斜角,x轴旋转的自由度对应俯仰角。所述的结合体内的伺服装置,具有至少一个z轴移动的视距调节自由度,优选的还可以有绕y轴转动的倾斜角自由度,优选的还应当有绕x轴转动的俯仰角自由度,最优选的具有以上三个自由度。

所述伺服装置可以是关节式机器人、机械臂、伺服直线电缸,螺杆螺母传动,齿轮齿条传动等等可满足要求的电控机械调节装置。比如透镜所安装的透镜架具有外螺纹,而屏幕的安装架上具有内螺纹,两者螺纹连接,然后设置电机于屏幕的安装架,并设有齿轮咬合透镜架上的齿轮,推动透镜相对于屏幕转动,两者的螺纹在转动驱动下旋进或者旋出,从而调节透镜到屏幕的距离。再比如,透镜架和屏幕的安装架相互套合,在安装架上设置电机和齿轮,啮合透镜架上垂线布置的齿条,这样电机转动就可以变化为透镜架和安装架套合之间的滑动。再比如,在透镜和屏幕的三个点上分别设置三根对应伺服电缸,改变电缸的长度即可改变透镜相对于屏幕的距离、角度。再比如,利用机械臂或者关节机器人连接屏幕和透镜,改变两者相对的角度和\或距离。在具体实施方式中会分别有实施例讲解。各种实施例之间不存在分割,可以相互组合使用。实施例只是示例,不代表限制。

包括控制器,用以电性连接眼球追踪装置,从其中获取坐标,并对这个坐标进行运算,并且根据运算结果给伺服装置下指令。所述控制器并非一定是单独的电路板,不一定是单独的零件。控制器可以集成于眼球追踪装置内,也就是没有物理上的控制器。所述控制器可以为某电路板上的一段程序,一段算法,这个程序和算法起到的就是控制器的作用。所以控制器是一个逻辑部件,可不是物理部件。

所述的控制器和头戴式显示器的主机有数据总线连接,传输眼球位置角度、景物深度、视力信息等。所述视力信息为从云端账户获得的,或者手动或者自动测量的视力信息。

所述眼球追踪装置与各个伺服电机连接或者通过控制器与各个伺服电机连接,控制器接收眼球追踪装置的坐标,并进行运算和分发控制指令,控制电机的转动。

所述的眼球追踪装置可设置在机架上。这样它给出的就是眼球相对于机架的绝对坐标。伺服系统也需要运动至相应的绝对坐标,以达到调整的目的。

所述的眼球追踪装置设置在透镜上,或者设置在透镜与屏幕的结合体上。这样它给出的就是眼球相对于透镜或者结合体的相对坐标。这样做的好处是,如果设置理想位置是坐标0点,则眼球转动后,伺服装置只需要再次向坐标0点靠拢即可。在此基础上,还可在透镜或者结合体上设置位置反馈装置。也就是说,所述的伺服装置不需要伺服系统了,只需要运动装置加上位置反馈装置即可。此时,控制器给出的指令就是向上、向下、顺时针、逆时针,当回到0点时,停止运动即可。相对于安装在机架上,绝对位置控制变成了相对位置控制。

这种情况的简化版是,眼球追踪装置直接给出相应电机的正转、反转、停止命令。眼球追踪装置始终处于0点,如果不处于0点就会给出相应的偏差坐标对应的电机的运转指令从而再次回到0点。在此基础上,还可以加上相应的控制算法,比如偏差大,回正的速度就快一些,偏差小,回正的力度就慢一些,甚至是应用PID控制算法以实现更好的跟踪。所述眼球追踪装置与各个伺服电机连接或者通过控制器与各个伺服电机连接,控制器接收眼球追踪装置的坐标,并进行运算和分发控制指令,控制电机的转动。

所述的眼球追踪装置为独立的两组,分别追踪左右眼。虽然因为本案左右视觉单元不一定呈对称,但是两组眼球追踪装置的设置,还是对称的,因为在假设中,我们假设用户眼睛呈定值,目光直视前方。两组眼球追踪装置的间距应当取某一群人类的远视瞳距平均值,比如对于中国人来说,62mm左右,对于外国人来说65mm左右。当然,这个距离跟特定用户的眼睛的瞳距是没有任何关系,也没有任何影响的。

本案所指的所有追踪,都是实时的,不间断的追踪。目的就是跟踪眼球实时的运动,并且呈现最优的画面。

本发明明确取消了瞳距调节的概念,这是本行业一直以来的一个误区。认为一定要调节瞳距。然而实际上,即使调节了瞳距,当用户聚焦在远近不同距离的位置时,当用户向左看或者向右看时,当用户的大脑控制眼球不自主的跳动来确认图像深度信息以及避免视觉盲区时,即使是同一个用户的瞳距也是动态变化的。本发明取而代之的是,将瞳孔的位置直接进行标定,并用伺服系统直接进行跟踪。相当于变相的达到了一个动态调节瞳距的效果,但是需要明确这不是瞳距调节,而是瞳孔跟踪。

上一段所述的,可以叫做动态瞳距。但是请注意其实是没有瞳距这个概念的,虽然可以这样讲,但是含义是不一样的。

也就是说,本案所述的左右透镜或透镜组之间不设有互相连接的瞳距调节装置。左右透镜之间并不直接连接,也不间接连接,不存在瞳距调节装置,不存在瞳距调节概念。瞳距的含义,在传统vr中,似乎就是眼睛的一个固定值,是左右眼对称的值。然而在本案明确提出不是这样。

这个不存在同距调节,还可以从另外一个方面理解,也就是左右透镜之间并不呈中心对称。传统的虚拟现实设备中左右透镜一定是对称的。这算是技术障碍。本案明确表示跨越这个障碍。也就是说左右透镜可以同时向左移动,或者同时向右移动,并不成中心对称。左透镜甚至可以跨越中线到右边,对应的,右透镜也可以跨越中线到左边。应该说绝大部分时间左右透镜都是不对称的。这个和传统概念是完完全全颠覆了。

本发明明确引入一个动态视距的概念。本概念的定义如下:在通过透镜看物体时,不同视力情况的人能看得清物体的区间,即为动态视距的范围。也就是说,比如正常视力的人能看清眼前15cm-∞,经过透镜的折射后,能看清眼前5-10cm;近视500°的人本来能看清眼前10-30cm的范围,经过透镜的折射后,能看清眼前4-6cm。这就是动态视距。以前的视距的概念,是某一个固定的值,比如近视眼,就是调节到6cm之后,就固定不动了。可是当虚拟影像为近处影像时,影像给人的感觉是近,可6cm给眼睛和大脑丘体的视觉聚焦为远,晶状体为平坦,所以就会晕;同样的对于正常视力的人来说,如果设置视距为5cm不变,则眼睛和大脑丘体都会告诉用户这是近处的物体,晶状体收缩为球,可是虚拟影像有时候显示远处物体,两者产生冲突,大脑产生晕动症。要解决晕动症,必须动态调节视距。让虚拟影像的距离与视距的距离相应的对应起来,让晶状体的收缩与图像的远近对应起来。

注意,无论是动态瞳距、还是动态视距的概念,本行业的技术人员均从来没有意识到!而且我们都已经觉得瞳距是个错误的概念。

眼球追踪装置,能够告诉我们眼球的相关位置信息,但是不能够告诉晶状体的屈光度信息。也就无法确定动态视距的范围。要想获得这个范围,可以手动测试或者自动测量。自动测量屈光度,在现有技术中有很多方案。比如利用图像在视网膜上的成像,通过摄像机拍摄视网膜上的像来测量视力。当视网膜上的像是清晰的,用户看到的图案就是清晰地。视距范围还可以是用户输入的,或者是从云端的账号内查找的。这些都是视力信息。

测量视距调节范围的方法如下:在屏幕上显示特征图像,由远及近调节屏幕,一开始用户是看不清图像的,当用户能看清时记下第一个距离,屏幕继续运动,当用户又看不清时记下第二个距离,第一个距离和第二个距离之间,既是当前用户的视距调节范围。

上一段,结合自动屈光度测试的摄像机,那么也可以用视网膜的成像是否清晰来自动确定用户的视距调节范围。设置一个摄像机用于拍摄视网膜上的画面,当视网膜上的画面是清晰的,用户看到的内容就是清晰地。当画面变得不清晰时,说明太近了,无法聚焦了。那么这个第一次清晰到第一次不清晰之间的范围,就是动态视距范围。

视距调节范围一旦确定,便可以记录到用户的账号里。以后可以从这个账号调用数据。

调节透镜和\或屏幕的俯仰角是对应用户俯视和仰视;调节透镜和\或屏幕的倾斜角是对应用户的看近看远、左看右看。

所述的透镜为电控变焦透镜。比如液体变焦透镜,或者单反相机的变焦透镜等。现有技术中的可电控变焦透镜均可。

眼球追踪装置如果安装在机架上,眼球追踪装置实时识别眼球的位置和角度坐标,将坐标实时传递给控制器,控制器经过计算,将对应的运动指令发送至伺服系统,伺服系统按照指令动作至眼球对应位置,同时将眼球坐标传送至主机,主机根据眼球坐标给出当前目光注视方向的对应画面,以上整个过程持续不间断发生。

在以上方法基础上,主机将当前景物深度发送给控制器,控制器按照当前景物深度控制伺服系统改变透镜与屏幕间的距离。

眼球追踪装置安装在透镜或者结合体上,眼球追踪装置识别眼球的相对位置和角度坐标,与0点坐标进行比较,找出具有偏差的位移和转动坐标,根据这些对应的偏差坐标,控制对应的伺服装置进行运动,同时将眼球坐标传送至主机,主机根据眼球坐标给出当前目光注视方向的对应画面,以上整个过程持续不间断发生。此时透镜或者结合体上还需要设置姿态反馈装置。此姿态反馈装置用于检测当前主机中的相机所应给出的图像。所述的姿态反馈装置可以为陀螺仪、电位器、编码器、磁场传感器、光学位置检测等位置反馈装置。

优选的,主机将当前景物的深度递送至控制器,控制器根据景物深度计算动态视距范围的具体数值,以此数值定义透镜和屏幕间的距离,并且将运动指令传送至伺服装置,伺服装置改变透镜与屏幕之间的距离,以上过程实时不间断发生。

不间断是指永不结束。也就是始终跟随,始终检测眼球位置,伺服系统始终实时动作。

以上方法的分解子方法为,s1,眼球追踪装置不间断的检测眼球的位置坐标;

s2,眼球追踪装置将检测到的坐标通过总线分别发送给控制器和主机;

s3,控制器按照眼球坐标控制伺服系统进行跟随动作;

s4,主机按照眼球坐标调节当前的两个摄像机的位置,使得虚拟的摄像机和眼球的位置恰好重叠,并且将此时两摄像机的景物输出至屏幕;

s5,在以上方法的基础上,主机还可将当前相机的景物深度传送给控制器;

s6,控制器按照景物深度信息控制伺服系统调节视距既透镜和屏幕之间的距离。

透镜与屏幕之间的距离改变,既可以靠透镜与屏幕的结合体中的伺服装置的运动,也可以靠分别连接透镜和屏幕的伺服装置的相对运动配合来完成。既,在逻辑上,透镜和屏幕是一个逻辑整体,但是物理上,可以分开,也可以结合成一个结合体。

包括与主机接驳的数据连接,通过有线或者无线的连接传输数据,所传输的数据是眼球的位置和角度,优选的还可传输当前区域景物的深度信息。所述的主机是虚拟现实头显的处理单元,比如对于pc头显来说就是电脑,对于手机来说就是手机的cpu、gpu,对于一体机来说就是一体机上的图像处理器等。所述的主机就是产生图像的装置。所述的数据连接指的是各种有线的或者无线的数据传输连接方式。与主机连接的数据连接的另一端,可以是眼球追踪装置,也可以是控制器。所述的眼球的位置和角度,就应该是主机内虚拟现实内容中相机的位置和角度。

所述的透镜的主光轴与晶状体光轴重合。所述的屏幕中心在透镜主光轴上。

所述的透镜的主光轴与晶状体光轴重合,并且通过伺服装置永远保持重合,进一步的,所述的屏幕中心在透镜主光轴上,再进一步的,所述的透镜和屏幕始终平行或呈固定角度。

次选的,所述的屏幕和透镜平面平行,只改变视距,不改变俯仰角和倾斜角。

本发明让头显真正实现了我们一直要追求的沉浸感、真实感。上手既用,任何人均无需调节任何参数。所有人观感一致。

附图说明:

图1是实施例1的立体图;

图2是实施例1的立体图;

图3是实施例2的立体图;

图4是实施例2的立体图;

图5是实施例3的立体图;

附图中的名称和标号:机架1、透镜2、屏幕3、结合体4、透镜座21、结合体框架41、部分螺杆211、调焦圈41、调焦皮带42、调焦电机43、伺服电缸11、眼球识别装置5,视力摄像机51,眼睛6,关节机器手臂12,控制板13,屏幕连接架44,上级连接伺服装置14,z轴移动的龙门架15,三根伺服电缸16。

具体实施方式

下面结合附图对本申请进行进一步的说明。对于机架部分,不是重点,现有技术中有很多的形式,简单带过。所谓机架就是能够固定透镜和屏幕等设备的上一级载体。机架的宽度跟传统的vr眼镜的外壳差不多大,因为虽然透镜和屏幕变小了,但是动作范围变大了。但是机架的厚度和高度要小了,变薄了。

机架上的伺服方案1,机架内部每个结合体连接了6根连杆。这6根连杆是伺服直线电机,俗称电缸。6个伺服电机基本上就确定了结合体6个方向的自由度,对于本案富余了一个自由度。6根连杆的每一根连杆一端连接机架,另一端连接结合体。布置方式为每两根连杆共用一个节点,每个单元的6根连杆分别连接于透镜和屏幕部分的3个节点。每个视觉单元有6个节点。透镜或屏幕部分的3个节点等间距。共同连接于一个节点的两根连杆,和节点另外一侧的结构组成一个三角形。左右两组视觉单元一共是12根连杆。

机架上的伺服方案2,机架内部每个视觉单元设置了5个伺服电机连接结合体,使结合体具有5个方向的自由度。这5个伺服电机,就像是机械臂。而结合体,就是这个机械臂的输出端。所述的5轴机械臂各个关节可以为转动或者移动、滑动。所述的5轴机械臂的关节运动算法参考现有5轴机器人。伺服系统只要接受机械臂工作端的位置指令进行动作即可。特别的由于眼距每个人都差不多,所以两个视距单元可以共用一组眼距方向的伺服电机。

机架上的伺服方案3,和机械臂不同的,可以是每个伺服电机对应一个自由度的伺服机构,类似3d打印机,移动龙门架,起重架。包括x轴和y轴直线位移的伺服装置,包括z轴的伺服装置,包括绕x转动的伺服装置,包括绕y转动的伺服装置。既,包括3自由度的移动装置和2自由度的转动装置,与5轴铣床或者车床结构类似。特别的于眼距每个人都差不多,所以两个视距单元可以共用一组眼距方向的伺服电机,也就是共用一组某轴的伺服装置。

除以上伺服装置外,也可以利用气动、液压、油动,等直线或者转动机械动作伺服装置,如直线气缸,液压缸,油缸。

以上伺服方案中的结合体也可以为透镜和\或屏幕。故以上3个伺服方案的伺服装置可以连接结合体(上述方案本身),也可以单独连接透镜(机架上的伺服方案A),也可以单独连接屏幕(机架上的伺服方案B),也可以分别连接透镜和屏幕(机架上的伺服方案C)。ABC方案与123方案组合,共同形成9个机架上的伺服连接方案。特别的C方案中分别连接透镜和屏幕的伺服装置又可以分别有很多种不同的方案。

结合体内设有透镜和屏幕。透镜连接于透镜架,屏幕连接于结合体框架。机架伺服装置既可以连接于结合体的前端,也就是透镜的部位,也可以连接于后端,也就是屏幕的部位。相应的,既可以是透镜架安装在结合体框架,框架连接屏幕(结合体方案1),也可以是屏幕安装在屏幕支架,然后屏幕支架安装在结合体框架,结合体框架再连接透镜(结合体方案2)。

除以上方案外,当透镜和屏幕直接通过伺服装置连接起来,也可以没有各种连接架。

其实都是一样的,就是透镜和屏幕两者之间的嵌套结构关系。

除此之外,结合体内还可以设计多级中间连接架,让连接更可靠,运动更顺畅。

结合体内伺服方案1,结合体上的透镜和屏幕是滑动套合连接,类似单反相机的透镜与ccd的关系。结合体上设有一个视距伺服电机,这个电机一端连接结合体框架,一端连接透镜架。视距伺服电机内部是丝杆和螺母或者齿轮齿条,使得此伺服电机带动透镜架相对于结合体框架前后移动调节视距。本例中屏幕不可以相对于透镜转动,只能直线移动。如果要转动,可以另加转动的伺服电机连接两者。

结合体内伺服方案2,视距调节还可以是电机的齿轮啮合一个视距调焦圈,视距调焦圈与透镜架为螺杆驱动连接,透镜架套合在结合体框架内,并且设置沟槽限制透镜架相对于框架的转动,则当电机驱动调焦圈转动时,调焦圈啮合透镜架上的螺杆并相对于其转动,因为透镜架不能转动,透镜架就会相对于结合体框架直线位移,伸出缩进,这个装置就像是单反相机的调焦装置一样。这个位移就是视距调节。

当电机随着景物深度不断的调节视距时,就形成了本案的视距调节范围。机架上还设有眼球追踪装置。这个眼球追踪装置就是一个红外的led和一个摄像机。

机架上还设有一个单独的视网膜摄像机,用以摄取视网膜上的图像。我们把眼球追踪装置和控制器做成一个模块,一个整体,眼球追踪装置内设有控制器,对眼球的坐标进行运算,并且转化为伺服装置所要运动的坐标。眼球追踪装置与控制器电性连接,控制器与伺服装置电性连接。

结合体内伺服方案3,结合体中的伺服装置还可以是多个自由度的,需要适当的增加伺服装置。比如设置3个伺服直线电机,这样就可以调节视距、俯仰角、倾斜角这3个自由度了。此时透镜和屏幕之间可以不设置各自的连接架。因为他们直接被这3个伺服直线电机连起来了。3个连杆如果要控制3个自由度,还需要一些固定约束,否则无法正常定位。本例设置3个连杆的转动自由度被约束,也就是连杆固定在某连接架,比如结合体框架上,连杆方向垂直于屏幕。此时,3个点确定一个平面的距离和两个轴的角度。

以上所有方案之间的组合,构成本案至少3x2x3=18个显性公开实施例。下面举例做示范,

实施例1,如图1所示,是6连杆的机架伺服方案组合结合体伺服方案2。图1所示的是一半,比如说左眼视觉单元。右眼视觉单元和这个一模一样,就是相反的镜像。之所以显示一半,是因为这样更清楚,更简洁。而且,本例机架既可以是左右两边的视觉单元共同设置在一个机架内,也可以是分别设置在各自不相连的机架内。既,左右机架既可以对成相连,也可以对称但不相连。

图1中的结合体是透镜和屏幕机械连接的实打实的结合体。也就是前文所述的不仅逻辑上连接,物理上也连接的结合体。结合体中有透镜,有透镜座,有结合体框架,还有屏幕。透镜安装在透镜座上,透镜座和结合体框架之间是直线约束,仅能作直线运动,有缺口限制住透镜座相对于结合体框架同轴的转动。结合体中的伺服只有一个自由度。结合体中的透镜始终平行于屏幕或者始终呈固定角度。透镜座上还有部分螺杆。结合体框架上还转动连接了一个调焦圈,调焦圈内部有与透镜座相配合的螺纹,两者形成螺杆传动。调焦圈经过调焦皮带连接到调焦电机的出轴。调焦电机设置在结合体框架上。调焦电机转动通过皮带传动带动调焦圈转动,啮合透镜上的螺杆传动,从而实现透镜相对于结合体框架的直线位移。所述的调焦电机为伺服电机。还可以在透镜座和结合体框架之间设置电位器、光栅或者其他位置反馈装置,此时调焦电机还可为普通电机。屏幕安装在结合体框架上。这个结合体的方案,只能调节视距,不能够调节透镜相对于屏幕旋转倾斜的角度。

如图1所示,整个结合体,通过六根伺服电缸连接于机架。六根伺服电缸分别连接于结合体上的三个点和机架上的三个点。六根伺服电缸根据伺服指令驱动结合体在机架内做6自由度的运动。但是因为我们不需要绕z轴的转动,所以可以在控制逻辑中限制z轴转动。

如图1所示,眼球识别装置为一个摄像机,或还可设有ir led等照明设备。眼球识别装置固定安装在机架上。

图1所示只是头戴式显示装置的一半,另一半于此呈镜像。特别的,另一半的机架既可以连接这边的机架,也可以不连接。

图1中,结合体上还可以设置一个视力摄像机,用来识别视网膜上的图像从而测得视力,或者用此相机当做眼球识别的相机。

图1还可以看出眼球识别装置的摄像机稍向下倾斜,更容易对准眼睛。

图1中数字4包括的部分,都叫结合体。

图2显示的是另一个角度的立体图。可以看到6根伺服电缸的连接方式,以及屏幕的位置。结合体,很像是一个小相机。

图2也显示了结合体框架是可以在6根伺服电缸的驱动下呈任何角度和位置的。

在本实施例中,还应当包括相关的连接线。包括设置在结合体上的调焦电机的连接线,还有6根伺服电缸整体的伺服控制器的连接线,他们都连接于控制器。控制器再和眼球识别装置相连。相关线缆未画出,但应知晓。控制器所设置的位置在机架上也很自由。

图1中,故意将结合体偏移,结合体呈对应看远近的倾斜状态,是结合体绕y轴的转动;图2中故意将结合体偏移,结合体呈对应看高低的俯仰状态,是结合体绕x轴的转动。至于结合体在x、y、z轴的移动,应当很容易理解。

实施例2,如图3所示,是机械手的机架伺服方案组合不设置结合体的方案。本例的机架为了给大家启示,变成了一片平板。机架本身并不带有什么限制的含义,一块平板也可以是机架。只要是能安装各种伺服装置和透镜、屏幕等,都可以叫做机架。而且,这个机架还可以相对于其上一级与头显连接的装置再设置伺服装置。所以,机架是很灵活的结构。一根悬臂梁也可以成为机架。

本例设有关节机器手臂安装在机架上。具体是机械结合与上面,也可以安装于侧面、后面、背面,取决于机架平板的设置。

本例的透镜和屏幕在控制逻辑上是一个整体,但在机械结构上并不相连。本图可以看出,其实并没有一个实体的结合体,只是透镜与屏幕的相互位置关系相当于一个结合体。图3画出了实体控制器,控制器亦可以集成到摄像头或者关节机器手臂中。

本例的关节机器手臂具有6个轴,其中第1、4、6为旋转,其余为摆动,更具体的配置不再赘述。其配置与工业关节机器人类似。本例设置了两个关节机器手臂,分别连接透镜和屏幕。透镜与屏幕分别和这两个关节机械手臂之间设有对应的透镜架和屏幕连接架相连接。连个关节手臂的伺服控制系统连接于控制器。除了关节机器人外,每个透镜6根连杆,每个屏幕6根连杆,一共24根连杆的实施例亦可,这是本例的合理变形,在之前所述的所有方案的启发下。

本例画出了眼睛的位置,方便理解。眼睛通过透镜观察屏幕上的图像。

本例亦有眼球识别装置与视力摄像机,且视力摄像机的位置也可以设置为眼球识别装置。

图4是从后面看得立体图,可以看到眼球的瞳孔与透镜,屏幕,眼球识别装置之间的位置关系。亦可以看到关节机械手臂的结构与透镜和屏幕之间的连接装置。

实施例3,如图5所示,是龙门架的方案。本例可以看到机架成为一个左右联合的整体了。其实实施例1和实施例2都可以这样,当然机架也可以不连接。龙门架,就是类似3d打印机之类的xyz轴加上旋转。图5的机架中间有条缝,这是启示各位,这个机架可以“掰开”分成左右两个独立的。

图5中可以看到两个结合体,但是不存在结合体框架。机架伺服装置直接安装在屏幕连接架上,然后屏幕连接架和透镜座之间设有三根伺服电缸-连杆,这三根伺服电缸的配置是被限定了万向转动自由度的,只有直线位移自由度,既,这三根电缸始终垂直于屏幕连接架。

虽然机架内设有伺服装置,但是机架与上一级结合的部位,依然设置了上级连接伺服装置。这个上级连接伺服装置让机架变为可动的。本例是将机架变为垂直方向,也就是前文所述的y轴直线位移方向,可以移动。也就是说,本例结合体中的透镜与屏幕相对于眼睛的位置要靠这个上级连接伺服装置来定位了。

机架内设有z轴移动的龙门架。这个龙门架与机架之间设有伺服装置使之能前后z轴位移。结合体安装在这个龙门架上。每个结合体上设有伺服装置,使每个结合体可以单独相对于这个龙门架左右移动,也就是x轴直线位移。因为每个结合体上的伺服装置是独立的,所以左右视觉单元,左右结合体之间并不存在传统vr眼镜的瞳距调节装置,也不存在这个概念。

在机架的上盖上设有眼球追踪装置。两者之间相距约60-70mm。

在侵权判定中,上级连接伺服装置可以算作是机架上的伺服装置中去。或者,将上一级结构作为机架。

本例中,如果将上一级结构作为机架,那么现在所称的机架,就可以看成y轴龙门架。

所述的伺服装置可以是任意直线位移装置。

本例中没有屏幕的倾斜和俯仰的伺服装置,但是屏幕可以做倾斜和俯仰的伺服运动。这就是一种改劣发明的举例。

以上显示和描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解,本申请不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本申请的原理,在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。

再多了解一些
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