一种基于虚拟现实环境的模拟步行器及其模拟方法
【专利摘要】本申请提供一种基于虚拟现实的步行模拟器及其模拟方法，该步行模拟器包括传动机构和模拟面板，其中，所述模拟面板布置在所述传动机构上，所述传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；所述模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据，反馈给传动机构。
【专利说明】一种基于虚拟现实环境的模拟步行器及其模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟现实技术，更具体地，涉及一种基于虚拟现实环境的模拟步行器及其模拟方法。
【背景技术】
[0002]传统模拟步行设备大致分为跑步式和踏步式两个分类，目前二者通常只有一个行进方向，不具有全方位的步行模拟，并不适合在虚拟环境下采集步行数据信息以供使用。
[0003]近年来出现了一类360度全方向的模拟步行器，以美国Virtuix公司出品VirtuixOmni为代表。Omni是Virtuix公司开发的一款全方位跑步模拟设备，相对于普通跑步设备主要体现速率和距离这两个维度的数据，而Omni在这基础之上，加入了方位这一因素，让用户可以自由地在Omni上转向，朝任一个方向前进。
[0004]Omni不采用传统的输送带式跑步机结构，取而代之一个光滑、倾斜的表面，当玩家向前走的时候，就会滑下来。基本实现原理是用户穿着一种特制的鞋子，通过某些传感器与特定面的摩擦来模拟步行。由于是摩擦接触方式，基本没有虚拟行走的感受，所以是拟真度最低的一种设备。
[0005]另外，还有一种新型360度模拟步行设备，使用机械滚轮结构，不需要特制的鞋子，使用很方便。但此类设备由于脚与模拟地面的接触点为每个滚轮外圈的一个点，没有地面行走的感受，需要用户特别注意行走的位置和落脚的方式，不同于普通的行走方式，使得同样没有很高的拟真度。
[0006]以上两种设备在信息采集的过程中，由于是摩擦或压感识别，所以其并不具备连续性，不能识别运动过程中的脚步位置和移动速度，这就决定了这类设备开发与使用都不方便，拟真度很低。
【发明内容】
[0007]为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种基于虚拟现实环境的模拟步行器及其模拟方法。
[0008]根据本发明的一个方面，提出了种基于虚拟现实的步行模拟器，包括传动机构和模拟面板，其中，所述模拟面板布置在所述传动机构上，所述传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；所述模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据，反馈给传动机构。
[0009]根据本发明的另一方面，提出了一种虚拟现实环境的模拟步行方法，包括:步骤1，基于模拟面板上的超声波定位传感器，获取面板上用户的步行速度、位置、方向；步骤2，确定脚部的方位、速度并且基于内置姿态数据，确定脚部的运动状态和运动信息；步骤3，根据运动信息，控制皮带传动速度和传动位置，使得和脚部运动、感知神经同步；步骤4，同时，控制皮带带动面板向脚部运动做相对运动，限制人体位置的绝对移动。
[0010]本发明的步行器(VRGate-Walker)由于数据采集方面应用多个非接触式的超声定位传感器进行实时采样，保证了步行数据采集的连续性，由此应用可以拓展到医疗、健康、教学等更多的方面。
[0011]本给明的步行器(VRGate-Walker)改变了【背景技术】中所述的两类设备的接触方式，改摩擦和点接触为面接触，更加接近人行走的真实感受，大大提高了拟真度。
[0012]由于本发明的步行器采用非接触式的超声波定位传感器，用户不需要穿特殊的鞋子，穿鞋、穿袜和光脚均可识别，即可直接使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为根据本发明的模拟步行器的结构示意图；
[0014]图2为根据本发明的模拟方法的基本流程图。
[0015]为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于虚拟现实环境的模拟步行器进行详细描述。
[0017]在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
[0018]本发明提供模拟步行器(VRGate-Walker)是一种应用在虚拟现实环境下的模拟步行器，它具备模拟行走数据采集和限制人体位置移动两个功能，并且可以消除由于视神经和人体感知神经不同步所造成的眩晕。
[0019]如图1所示，其中，VRGate-Walker也是一种360度全方位的步行模拟器，使用同步皮带接触的机械结构实现方式模拟行走，代替了摩擦和滚轮接触模拟行走方式。由于采用面接触，大大提高了模拟步行的拟真度。数据采集方面，应用多个非接触式的超声定位传感器进行实时采样，保证了步行数据采集的连续性，也为未来更多的应用方向奠定了基础。
[0020]其中，本申请的步行模拟器包括传动机构和模拟面板，模拟面板布置在传动机构上，传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据。
[0021]其中，传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动。滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构可以360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转，从而保证模拟步行器在方向上的全面模拟程度。
[0022]其中，模拟面板上包括多个分区，每个分区布设多个超声定位传感器，面向面板中心，围绕整个面板，形成超声探测空间矩阵，对脚步动作数据进行连续采样。通过采用非接触式的超声定位传感器，可以不限制用户使用何种脚步穿着。
[0023]根据本发明的另一个实施例，提供一种虚拟现实环境的模拟步行方法，其中，该方法包括:步骤1，基于模拟面板上的超声波定位传感器，获取面板上用户的步行速度、位置、方向；步骤2，确定脚部的方位、速度并且基于内置姿态数据，确定脚部的运动状态和运动信息；步骤3，根据运动信息，控制皮带传动速度和传动位置，使得和脚部运动、感知神经同步；步骤4，同时，控制皮带带动面板向脚部运动做相对运动，限制人体位置的绝对移动。
[0024]其中，步骤I中，模拟面板依靠内置的运算模块，对原始采集的脚部数据进行分析和过滤，并计算出最终的脚部位置和运动速度信息，以确定脚部的位置及移动速度。
[0025]其中，模拟面板上布设多个超声定位传感器，围绕在平台边缘，面向平台中心，形成超声探测空间矩阵，对脚步动作数据进行连续采样。
[0026]其中，步骤2中，通过模拟面板传输回来的数据对照处理器中的模式数据，根据双脚的位置、运行速度和间隔时间等，通过内置的姿态识别算法，将原始数据分解为脚部的行走、慢跑、跳跃等运动状态，然后传输控制数据给VRGate-Walker。
[0027]进一步，步骤2再根据状态计算出马达的运动信息，控制皮带传动速度和传动位置，使视神经与人体运动感知神经同步，达到消除视神经和人体感知神经不同步所造成的眩晕感。
[0028]其中，步骤4中，当脚部向如运动并与皮带接触后，皮带开始向面板中;L1、传动，达到限制现实中人体位置移动的目的，但允许用户在小范围内移动，这有助于消除身体的不适。
[0029]其中，步骤4中，皮带的传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动。滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构可以360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转，从而保证模拟步行器在方向上的全面模拟程度。
[0030]最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
【权利要求】
1.一种基于虚拟现实的步行模拟器，包括传动机构和模拟面板，其中，所述模拟面板布置在所述传动机构上，所述传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；所述模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据，反馈给传动机构。
2.根据权利要求1所述的步行模拟器，其中，所述传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动。
3.根据权利要求2所述的步行模拟器，其中，所述滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转。
4.根据权利要求1所述的步行模拟器，其中，模拟面板布置多个分区，每个分区布设多个超声定位传感器，面向面板中心，围绕整个面板，形成超声探测空间矩阵，用于分别对脚步动作数据进行连续采样。
5.一种虚拟现实环境的模拟步行方法，包括: 步骤1，基于模拟面板上的超声波定位传感器，获取面板上用户的步行速度、位置、方向； 步骤2，确定脚部的方位、速度并且基于内置姿态数据，确定脚部的运动状态和运动信息; 步骤3，根据运动信息，控制皮带传动速度和传动位置，使得脚部运动和感知神经同步； 步骤4，同时，控制皮带带动面板向脚部运动做相对运动，限制人体位置的绝对移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤I中，模拟面板依靠内置的运算模块，对原始采集的脚部数据进行分析和过滤，并计算出最终的脚部位置和运动速度信息，以确定脚部的位置及移动速度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，模拟面板上布设多个超声定位传感器，围绕在平台边缘，面向平台中心，形成超声探测空间矩阵，对脚步动作数据进行连续采样。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤2中，通过模拟面板传输回来的数据对照处理器中的模式数据，根据双脚的位置、运行速度和间隔时间等，通过内置的姿态识别算法，将原始数据分解为脚部的行走、慢跑、跳跃运动状态，然后传输控制数据给皮带传动机构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤2进一步包括:根据状态计算出马达的运动信息，控制皮带传动速度和传动位置，使视神经与人体运动感知神经同步。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤4中，当脚部向前运动并与皮带接触后，皮带开始向面板中心传动，达到限制现实中人体位置移动的目的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，皮带的传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动；滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构可以360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转。
【文档编号】A63B22/02GK104474665SQ201410693329
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】田效禹, 金成博 申请人:曦煌科技(北京)有限公司