一种VR全方位运动装置的制作方法

本发明涉及虚拟现实(virtualreality，vr)技术领域，具体涉及一种让使用者在有限空间内全方向行走，并在vr场景中模拟多种地形和触觉反馈的装置。

背景技术：

虚拟现实(vr)技术是现代社会重要的应用技术，可利用计算机图像仿真技术产生逼真的场景并反馈信息，其应用范围和普及程度日益提高。

在虚拟现实系统中，让使用者在虚拟场景中全方向行走是一项必要的技术，现有技术方案包括：大传送带嵌套方向正交的若干小传送带方式、圆形凹面滑动方式、滚珠阵列方式、滚柱排列方式。

现有技术方案，使用同一装置既能让使用者在限定空间内全方向自由行走，又能模拟各种地形和触觉阻力(如上下坡、上下台阶、凹凸不平的地形、泥泞地面、蹚水等)和多种使用场景(滑雪，车辆、机械、工具的踩踏阻力等)的具体模拟方式还未实现。

技术实现要素：

基于上述现有技术方案的不足之处，本发明提出了vr全方位运动装置的技术方案。

本发明所述vr全方位运动装置包括致动机构和可以连接并放置使用者双足部的连接部，所述连接部可以支撑使用者足部，也可以连接并支撑使用者所使用的行走辅助器械，如：拐杖、假肢，所以致动机构和连接部的数量不限制，可以为配合使用者双足而配备两套，也可以为辅助使用者行走的单拐或双拐配备三套或四套。为便于后续说明，在本说明书中，设致动机构和连接部的数量为两套，分别与使用者的双足连接。

本发明所述致动机构通过连接部分别与使用者双足连接，双足的动作带动致动机构运动，也带动致动机构的活动部件运动，可以是平面内的运动，也可以是立体空间内的运动。使用者双足可分别带动致动机构的某些活动部件运动，比如：伸展、收缩、折叠、旋转，使连接部始终与使用者足部进行同步运动并可随时由致动机构在任何位置对使用者足部施加动力或阻力。

本发明所述连接部包括支撑部件，可以随使用者足部的动作同步运动，并相对于和支撑部件自身的x、y轴转动。

本发明所述致动机构受控制系统的控制，可以通过连接部对使用者双足分别施加立体空间x、y、z三轴的动力，驱动使用者足部沿动力合力的方向运动。致动机构还可以对连接部施加x、y两轴的转动力，使连接部改变倾斜角度。连接部的支撑部件，可在致动机构活动部件的垂直活动范围内任意高度对使用者足部施加支撑力，当使用者单足或双足受到连接部的支撑部件支撑时，所述致动机构驱动连接部向使用者双足共同动作方向的相反方向运动，或由承载部对致动机构、连接部或使用者足部施加动力。可实现使用者在限定范围内向任意方向行走。

本发明所述的致动机构可以对所述连接部施加支撑力、阻力，让使用者的足部在动作方向上受到阻力，减慢运动速度或以某个角度停止于某个空间位置。比如：使用者抬起左足，带动左足连接部的支撑部件在比右足连接部的支撑部件高出20cm时，致动机构对左足连接部件施加阻力，让使用者左足停留在比右足高出20cm的位置。

如上所述，本发明的连接部和致动机构及其部件可以进行从动运动和主动运动，从动运动：由使用者足部动作带动；主动运动：由致动机构或承载部的动力驱动。通过在适当方向和空间位置对连接部施加适当的动力或阻力，或动力、阻力结合，可实现对使用者双足在立体空间内运动的控制，从而实现在限定空间内全方向运动，并模拟各种地形(如上下坡、上下台阶、凹凸不平的地形、泥泞地面、蹚水等)和多种使用场景(滑雪，操作车辆踏板、机械、工具的踩踏阻力等)的阻力和足部触觉模拟。

本发明依靠自身硬件和控制系统就可以实现部分不需要虚拟场景信息反馈的功能，如：散步、跑步，上下坡、上下台阶、凹凸地形、涉水、泥泞地面、雪地等场景模拟。

本发明的硬件配合传感系统、控制系统、信号处理器(计算机、智能手机、vr一体机等)可实现虚拟场景的地形等信息反馈，模拟多种场景中的双足触觉，如：踩油门、踩刹车踏板等。

本发明所述的致动机构、承载部可以有多种形式，本说明书将详细描述本发明优选实施例的具体实现方式，但并不限于本说明书中所述形式。

附图说明

图1：垂直驱动装置为电动推杆形式的致动机构基本构造示意图。

图2：垂直驱动装置为剪式折叠形式的致动机构基本构造示意图。

图3：具有垂直驱动和水平驱动功能的致动机构基本构造示意图。

图4：致动机构驱动连接部模拟上台阶动作方式示意图。

图5：致动机构驱动连接部模拟下台阶动作方式示意图。

图6：致动机构的支撑部件改变角度动作方式示意图。

图7：致动机构的活动部件与连接部铰接部件顶视图。

图8：致动机构与支撑部件配合，模拟相对于使用者纵向坡度动作方式示意图。

图9：致动机构与支撑部件配合，模拟相对于使用者横向坡度动作方式示意图。

图10：致动机构与连接部配合，模拟使用者足部在vr场景中踩向踏板动作方式示意图。

图11：致动机构与连接部配合，模拟使用者足部在vr场景中踩到踏板动作方式示意图。

图12：使用者分别使用两套设备通过计算机互联网络互动示意图。

图13：致动机构与辅助机构和承载部连接示意图。

图14：平行四杆形辅助机构配合致动机构x轴运动示意图。

图15：平行四杆形辅助机构配合致动机构运动顶视图。

图16：支撑部件配合使用者足部x轴运动示意图。

图17：承载部为正交传送带构造示意图。

图18：正交传送带形式承载部实施例示意图。

图19：凹面滑动形式承载部实施例示意图。

具体实施方式

本发明提供一种可用于vr场景交互的硬件装置，包括致动机构，致动机构通过连接部与使用者足部连接，通过传感系统将使用者双足的空间位置、速度、角度、方向等信号输入计算机等信号处理器，计算机将所述信号转换为vr场景中模拟角色的相应位置和足部动作。通过双足在vr场景中的位置等信息确定vr场景中的交互内容并反馈信号到控制系统，控制系统对致动机构和连接部进行控制，致动机构对使用者双足在不同位置施加不同方向、不同大小的动力和/或阻力，让使用者双足根据vr场景内容产生相应的触觉阻力，并感受到所模拟的多种地形。

本发明所述的致动机构和连接部的数量不限制，为便于说明，本说明书中将致动机构及连接部的数量设置为两套，分别连接于使用者双足。

以vr场景交互举例，如：使用者头戴vr显示设备，看到vr场景中有一个楼梯，使用者可以用正常的行走方式在使用本发明的vr全方位运动装置上原地行走，使用者感受到自己在vr场景中向楼梯前进。使用者以现实生活中踏上楼梯的动作在vr全方位运动装置中运动，同时感觉自己在虚拟场景中正在上楼梯，体验到一步一步踏在楼梯上的真实感觉。

本发明的vr全方位运动装置，不结合vr场景，仅依靠致动机构、连接部和控制系统即可实现原地全方位运动并模拟多种地形触觉阻力，但是使用者不会拥有vr场景的沉浸感和交互感。

本发明可使用致动机构和连接部的硬件配合传感系统、控制系统和单片机或plc实现原地全方向行走动作和上下台阶、上下斜坡、行走凹凸不平路面等阻力和触觉模拟。传感系统检测使用者双足带动连接部动作的方向、速度、加速度、角速度等信号和在空间中x、y、z三轴的位置等信号，将信号发送至单片机或plc，单片机或plc使用内置的程序向控制系统发送信号，控制系统控制致动机构和连接部各部件动作，或由单片机或plc直接向致动机构和连接部的电动机发送控制信号。所述传感系统检测的信号可包括连接部和致动机构部件的空间方向、空间位置、运动速度、加速度、角度、角速度，以及使用者足部与连接部之间的压力、阻力等，上述信号输入信号处理设备，能够精准地计算使用者双足所在空间位置和运动状态。

本发明实现使用者在装置中原地全方向行走的具体技术方案是：两套致动机构及连接部，所述连接部分别与使用者双足相连接，并由连接部所包括的支撑部件支撑使用者双足。两套致动机构可分别在活动平面(vr全方位运动装置供使用者运动的区域)内向任何方向运动并可顺时针或逆时针360度转动。当使用者抬起一只足向身体前方迈步时，带动致动机构和连接部同步向前运动；当这只足落下至支撑高度(使用者足部受到支撑部件支撑的高度)时，致动机构驱动连接部和足部向使用者迈步相反方向运动，限制使用者身体的运动举例，不会走出装置限定的范围。当使用者转向时，连接部带动致动机构随使用者的双足转向。

使用者在设备上呈立定站立姿势、双足不做任何动作，此时沿使用者腰部中心点与双足站立平面的垂足点，与使用者身体x轴相交的线为：y轴向零位线。当使用者在平面内向任意方向运动时，致动机构在自身动力或承载部的动力作用下运动，对结合部施加驱动力，保持使用者双足不离开限定的活动范围。如果使用者左足向身体前方迈步，左足连接的连接部带动致动机构a向前运动，运动的距离和速度与使用者左足的动作相同，当左足落下，踩在活动平面时，致动机构a即停止运动。如果使用者右足向身体后方迈出，右足连接的连接部带动致动机构b向后运动，运动的距离和速度与使用者右足的动作相同。两个连接部a、b随使用者双足分别处于使用者身体前后呈静止状态，使用者保持左足在前、右足在后的姿势站立。如果使用者右足向身体前方动作，右足连接部带动致动机构b向使用者身体前方运动，当致动机构b的结构中心点超过所述y轴向零位线时，传感系统向控制系统发出信号，控制系统控制使用者左足所连接的致动机构a向使用者身体后方运动或控制承载部向使用者左足或左足连接的连接部施加向使用者身体后方的驱动力。控制系统同时控制致动机构a或承载部的运动速度与使用者右足带动致动机构b向身体前方运动速度相同。

本发明中所述承载部主要负责支撑致动机构及连接部，让使用者有一个限定范围的活动平面，同时可为致动机构及连接部提供平面内的驱动力，让使用者可以在平面内全方向运动，具体实现方法将结合实施例详细说明。

附图1展示了致动机构和连接部的基本构造，本发明所述致动机构具有垂直方向驱动和制动功能，垂直驱动装置可使用的动力方式包括电动推杆、液压、蜗杆、齿条，进一步地，本说明书中为电动推杆。电动推杆102由电动机109提供动力，电动推杆的活动部件108连接有连接部101，连接部101支撑使用者足部103，绑带105将使用者足部103固定在连接部101上表面。致动机构的活动部件108上下运动时，带动与其连接的连接部101同步运动。控制系统控制活动部件108上下运动的速度和行程，可以停止在行程内任意高度，并通过连接部108对使用者足部103提供支撑力。在连接部101上安装有传感器107，传感器107监测使用者足部103运动趋势，当检测到足部103主动向上或向下运动时，控制系统控制活动部件108与足部103同方向运动，并控制活动部件108运动速度适合足部103运动速度。进一步地，如附图2所示，致动机构的垂直驱动方式为剪式折叠机构，剪式折叠机构203连接有连接部205，连接部205支撑使用者足部207，由电动推杆201提供动力。

本发明所述致动机构在具备垂直驱动功能的同时，可具有平面内任意方向驱动或制动功能。附图3展示了致动机构的一种实施例，在垂直驱动装置301下方有辅助部件302，垂直驱动装置301上方有活动部件307，活动部件307连接有连接部305。辅助部件302下表面安装有轮子321、312、313，进一步地，轮子321、312、313是全向切换轮或麦克纳姆轮，每个轮字均与电动机连接，由电动机311、322、323提供动力。所述轮子与所述电动机设置为三组，两组沿致动机构y轴布置，一组沿致动机构x轴布置。控制系统控制所述电动机对每组轮子施加不同的转速，控制致动机构在平面内的运动方向，实现致动机构在vr全方位运动装置的限定范围内任意方向运动或转向。

附图4所示，连接部407的支撑部件401锁止在水平或接近水平方向，使用者足部403踏在支撑部件401上，致动机构409的垂直驱动装置406驱动连接部407向下运动，同时致动机构409整体向使用者身体后方(附图4中b方向)运动。当支撑部件401下降到垂直驱动装置406行程的最低点时，致动机构409停止在平面内施加动力，并停止在垂直方向施加阻力，使用者足部401向前(附图4中f方向)迈步，带动致动机构409向前(附图4中f方向)运动，同时带动支撑部件401及与其连接的垂直驱动机构409的部件406向上、向前(附图4中f方向)运动。使用者双足与双足连接的两套致动机构分别循环上述动作，实现使用者体验步行上台阶的感觉。附图5所示，使用者双足和双足所连接的致动机构及部件的上述动作中，垂直驱动装置509对支撑部件501的垂直驱动方向在每次向使用者后方(附图5中b方向)动作中变为驱动支撑部件501向上运动，实现使用者体验步行下台阶的感觉。

附图6所示，连接部的支撑部件601可随使用者足部609转动而改变角度，同时可由致动机构605的动力装置602驱动旋转，旋转方向可以是支撑部件601自身x、y轴的一个或两个轴。进一步地，本发明支撑部件601的动力装置602是有自锁功能的减速电机。

附图7所示，连接部的支撑部件700与铰接部件701连接，铰接部件701与铰接部件702以轴703为铰接轴，支撑部件700能够以铰接轴703为轴，绕y轴转动。电动机708与轴703连接，电动机708动力输出轴710与轴703之间有电磁离合器711，电磁离合器711可联通或断开电动机708动力输出轴710与轴703之间的动力连接。铰接部件702与致动机构的活动部件712以轴704为轴铰接，支撑部件700能够以铰接轴704为轴，绕x轴转动。电动机705与轴704连接，电动机705动力输出轴715与轴704之间有电磁离合器707，电磁离合器707可联通或断开电动机705动力输出轴715与轴704之间的动力连接。当电磁离合器711与电磁离合器707都为断开状态时，使用者足部可带动支撑部件700绕自身x轴和y轴转动；需要将支撑部件700锁定在某个角度或需要电动机708和/或电动机705驱动支撑部件700沿x轴和/或y轴转动时，电磁离合器711、707处于联通状态。进一步地，电动机708和电动机705使用有自锁功能的减速电机，电动机708、705能驱动支撑部件700和支撑部件700支撑的使用者足部运动，使用者足部的动作不能使电动机708、705转动。

附图8所示，致动机构801驱动支撑部件803绕使用者足部805横向方向转动一定角度(附图8所示)并锁定，可以模拟相对于使用者足部805纵向方向的地面坡度。支撑部件803与致动机构801的垂直驱动装置806的活动部件807的铰接部件的电磁离合器(参考附图7)断开动力输出轴与铰接轴的动力连接，使用者足部805的角度可自由转动。当使用者足部805落下时，踏在支撑部件803，铰接部件两个轴向的电磁离合器联通电动机动力输出轴与铰接轴的动力连接(参考附图7)，支撑部件803保持一定角度，致动机构的垂直驱动装置807驱动支撑部件803向下(附图8中方向d)运动的同时，致动机构801在活动平面内向使用者后方(附图8中方向b)运动，两套致动机构和连接部配合使用者双足重复上述动作，实现使用者体验上坡的感觉。

附图9所示，致动机构901a、901b驱动支撑部件905a、905b绕自身纵向轴转动一定角度并锁定，可以模拟相对于使用者足部907a、907b横向方向的地面坡度。两套致动机构901a、901b分别驱动与其连接的支撑部件905a、905b绕支撑部件905a、905b自身纵向轴转动并锁定，实现使用者体验站在相对于自己身体横向斜坡的感觉。

本发明所述传感系统将使用者足部的空间位置、速度、角度、方向等信号传输至信号处理器，经信号处理器结合vr场景计算后，将信号传输至控制系统，控制系统控制致动机构对连接部施加的垂直动力或阻力、平面内动力或阻力相结合，并由支撑部件的转动力相配合，可实现vr场景信息交互和触觉力回馈。附图10所示，使用本发明vr全方位运动装置实现踩刹车踏板的触觉和阻力模拟。使用者足部1001带动连接部1003和致动机构1005向vr场景中刹车踏板1006所在方向运动，传感系统检测到致动机构1005及部件1003运动的空间位置、方向、角度、速度等信号并传输至信号处理器，信号处理器将上述信号转换为使用者足部1001在vr场景中相应的空间位置、方向、角度、速度信息。在vr场景中，(附图11所示)当使用者足部1101运动到vr场景中刹车踏板1106的位置时，信号处理器将信号传输至控制系统，控制系统控制致动机构1105驱动连接部的支撑部件1103，转动到符合vr场景中刹车踏板1106的角度，同时控制致动机构1105对连接部的支撑部件1103施加与使用者足部1101动作方向(附图10中方向f)相反的阻力(附图11中方向fb)，模拟vr场景中刹车踏板1106对使用者足部1101的触觉和弹性阻力。进一步地，信号处理器为计算机、平板电脑、智能手机，vr/ar/mr头戴显示设备所配备的vr一体机。

如上所述，本发明通过致动机构对使用者足部在各个方向施加动力和阻力，同时配合支撑部件转动，能够实现多种vr场景中多种地形和多种操作的触觉和力反馈模拟。本发明可实现vr场景中的多种交互内容的触觉和力反馈模拟，本说明书中无法全部列举。

本发明vr全方位运动装置所设置的信号处理设备，可将传感系统采集的信号传输至计算机互联网络，信号处理设备可接受来自计算机互联网络的信息并发送至控制系统。附图12所示，使用者1200使用vr全方位运动装置1203，信号处理设备1204将vr全方位运动装置1203的传感系统采集的信号，通过计算机互联网络1207发送至vr全方位运动装置1205所设置的信号处理设备1206，信号处理设备1206将vr全方位运动装置1203通过计算机互联网络1207发送的信息，经计算处理后发送至vr全方位运动装置1205的控制系统，使用者1202可通过所使用的vr全方位运动装置1203与使用者1200进行vr场景互动。vr全方位运动装置1203的使用者1200与vr全方位运动装置1205的使用者1202，可通过信号处理设备1204、1206以有线方式或无线方式或两种方式相结合直接相互传输信号，进行vr场景互动。

以下说明书内容将详细说明本发明的优选实施例。

本发明包括致动机构及连接部、控制系统、传感系统，还可设置承载部。承载部为致动机构和使用者提供支撑并提供限定的活动范围，也可以有驱动功能，对致动机构和使用者的足部施加活动平面内驱动力，便于简化致动机构的复杂度，与致动机构分工：致动机构本身的驱动功能用于垂直方向驱动，也可以模拟横向阻力；承载部的驱动功能为使用者在活动平面内全方向运动提供驱动力。

附图3所示的致动机构实施例中，致动机构301下部有辅助部件302，辅助部件302的顶视形状为“t”型，安装有三个全向切换轮321、312、313，每个轮子分别由所述轮子连接的电动机311、322、323驱动，对致动机构301施加水平方向驱动力，用于模拟横向阻力。

附图13所示，本实施例中，致动机构1301连接有辅助机构1302，致动机构1303连接有辅助机构1304，辅助机构1302、1304同时连接于承载部1305。辅助机构1302、1304为平行四杆结构，在致动机构1301、1303运动时能够伸缩和转动角度，由于平行四杆机构的特性，辅助机构的部件1306、1307始终与承载部1305上表面保持垂直，并始终保持致动机构1301、1303的垂直轴向与承载部一致，维持所述致动机构1301、1303的轴向稳定。

辅助机构1302、1304的一端与致动机构连接，另一端与承载部1305连接。当致动机构1301、1303由使用者足部带动，或致动机构1301、1303由自身动力驱动或由承载部1305驱动。附图14所示，致动机构1402、1404在承载部1401上表面运动时，辅助机构1403、1405的平行四杆构造部件改变折叠角度，辅助机构1403、1405的机械结构整体伸长或缩短。

附图15所示，所述辅助机构1503、1505与承载部1501连接的一端为铰接，辅助机构1503、1505各自整体以铰接点1508、1507为轴转动，能保持所连接的致动机构1502、1504在辅助机构1503、1505的机械变形范围内运动。辅助机构的部件1506、1509始终保持相对于承载部1501上表面垂直状态，利用平行四杆机构的特性，辅助机构1503、1505伸缩变形的同时保持与辅助机构1503、1505连接的致动机构1502、1504方向稳定。

附图16所示，本实施例中，当使用者足部1601高度降低到距离承载部1605上表面小于等于5cm，支撑部件1603相对于使用者足部1601的x轴移动，使用者足部1601直接踏在承载部1605上表面，实现使用者足部1601相对于踩踏在支撑部件上更加自然的踩踏感。

附图17所示，本实施例中，承载部的构造为：大传送带1701上嵌套若干小传送带1703，小传送带1703的运动方向与大传送带1701正交。大传送带1701可沿y轴双向转动，带动置于大传送带1701一周的小传送带1703同步转动。在承载部的上表面1705，小传送带1703沿x轴同步转动。控制系统控制所述大传送带与所述小传送带在x轴和y轴的运转速度和转动圈数，实现承载部上表面1705全方向运动。

附图18所示，本实施例中，使用者双足1801、1806与支撑部件1802、1803接触，并由连接部件1804、1805与支撑部件1802、1803连接。使用者双足1801、1806与致动机构1807、1808由承载部1800支撑。当使用者在承载部1800上表面向一个方向行走时，足部1801抬起，与足部1801连接的连接部1802带动致动机构1808的活动部件1809向上运动，同时带动致动机构1808随足部1806的动作在承载部1800上表面运动。传感系统检测到使用者双足1801的运动方向，控制系统控制承载部1800的正交传送带的大传送带1810与小传送带1811相互配合，承载部1800的上表面向使用者双足1801、1806带动连接部1807、1808共同动作方向的相反方向转动，保持使用者在承载部1800上表面范围内运动。致动机构1807、1808底部的轮子1815始终与承载部1800上表面接触，轮子1815连接的电动机1816带动轮子1815转动，可对致动机构1807、1808施加动力或阻力，致动机构1807、1808所连接的连接部1802、1803对使用者足部1801、1806施加动力或阻力，实现地形阻力或触觉模拟。

附图19所示，本实施例中，承载部1900为凹面结构，致动机构1905、1906的支撑部件1903、1904底部有滑动部件，滑动部件与承载部1900上表面滑动摩擦。使用者双足1901、1902与支撑部件1903、1904接触。使用者在承载部1900上表面行走，向前迈步，双足下的支撑部件1903、1904和致动机构1905、1906落在承载部1900凹面边缘时，沿凹面向中心滑动，使用者双足交替向身体前方迈步并滑动向承载部1900中心，实现使用者在限定范围内全方向步行。致动机构1905、1906底部有轮子，轮子连接电动机(详细构造参考附图3)。致动机构1905、1906及连接部1903、1904受使用者足部1901、1902带动，当使用者足部1902抬起时，带动连接部1904和致动机构1906动作，但致动机构1905、1906的底部不离开承载部1900上表面，致动机构1905、1906底部的滑动部件和轮子在承载部1900上表面运动，轮子始终与承载部1900上表面接触，轮子所连接的电动机驱动轮子，轮子与承载部1900上表面产生摩擦力，可对致动机构1905、1906施加驱动力和制动力，同时对连接于致动机构1905、1906的连接部1903、1904施加平面方向的动力和/或阻力。致动机构1905、1906的垂直驱动装置1909、1910对连接部1903、1904施加垂直方向的动力和/或阻力。垂直方向的动力和/或阻力与在承载部1900活动平面施加的驱动力相结合，实现全方向行走的同时，实现多种力回馈和地形、操作模拟。

附图19所示，使用者1905头戴vr显示设备或vr/ar/mr一体机等vr设备，在本发明的行走设备上行走，传感系统将使用者行走动作的速度、方向等信号传输至与使用者所使用vr设备连接的信号处理设备，信号处理设备将使用者的动作信息输入到vr场景中，计算使用者在vr场景中虚拟角色的运动方向、速度等信息，使用者佩戴的vr显示设备中显示相应的vr场景图像，实现使用者在vr场景中向任意方向自由漫步。