專利名稱：一種全方位行走跟蹤裝置及基于該裝置的虛擬交互系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實人機交互技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種全方位行走跟蹤裝置及基于該裝置的虛擬交互系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，在虛擬裝配、虛擬維修、虛擬戰(zhàn)場訓(xùn)練、三維游戲等領(lǐng)域應(yīng)用很普遍。如虛擬裝配系統(tǒng)，它是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，它利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立一個具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環(huán)境，借助于虛擬現(xiàn)實的輸入輸出設(shè)備，設(shè)計者在虛擬環(huán)境中人機交互式地進行裝配和拆卸操作，檢驗和評價產(chǎn)品的裝配性能， 從而生成經(jīng)濟、合理、實用的裝配方案。虛擬裝配對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、避免或減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本，提高裝配操作人員的培訓(xùn)速度、提高裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。該設(shè)備可應(yīng)用在學(xué)校的虛擬仿真實驗室、軍事虛擬訓(xùn)練和全沉浸式游戲中，應(yīng)用范圍很廣。但是對人在一個平面內(nèi)全方位行走的方向和速度的捕捉問題一直是個難點，長久以來沒有一個好的解決辦法，市面上也沒有相關(guān)的虛擬交互設(shè)備可供使用。運用位置跟蹤器也只能在一個很有限的空間內(nèi)實現(xiàn)對人的位置跟蹤，無法完成大場景的漫游任務(wù)。為了解決這個問題，英國Warwick大學(xué)研制了一種新型的虛擬裝配環(huán)境——Cybersphere0采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉(zhuǎn)的支架上，操作者處于球體內(nèi)部，直接與球內(nèi)表面接觸，完成自由行走的功能。這種設(shè)備雖然兼顧了三維場景顯示和行走跟蹤兩大功能，但這種設(shè)計存在幾個明顯弊端。1、人在球內(nèi)，進出很不方便，而且操作者隨身所帶的交互設(shè)備必須是無線通信的， 無法用電纜與外部相連，而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字頭盔基本都是有線的，所以很難使用。2、這種設(shè)計將球體同時作為球形顯示設(shè)備，采用特殊材料的半透明球體，造價極其昂貴，而且顯示效果還很難保證，維護成本相當(dāng)高，很難得到普及。由上可知，現(xiàn)有技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)備還存在不完善之處，不能完全滿足用戶的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種簡單實用的全方位行走跟蹤裝置及基于該裝置的虛擬交互系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種全方位行走跟蹤裝置，包括腰部固定裝置、工作臺、滾動球、制動裝置、萬向滾珠、測速裝置、可升降支撐架和萬向滾珠固定環(huán)，
所述工作臺設(shè)置在地面上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置的下方，滾動球設(shè)置在可升降支撐架上并可在該支架上滾動，該滾動球的上端位于工作臺的通孔處，滾動球上套有兩個以上萬向滾珠固定環(huán)，每個萬向滾珠固定環(huán)上均設(shè)置若干萬向滾珠。優(yōu)選的工作臺的側(cè)面設(shè)置梯子，所述腰部固定裝置包括腰部固定環(huán)和支撐座，所述支撐座與腰部固定環(huán)相連，其固定在工作臺的上方，所述萬向滾珠固定環(huán)的個數(shù)為3個， 該三個萬向滾珠固定環(huán)的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環(huán)分別位于滾動球的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置三個以上萬向滾珠。位于滾動球上部和下部的萬向滾珠固定環(huán)上分別設(shè)置八個萬向滾珠，位于滾動球中部的萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置四個萬向滾珠。所述測速裝置的數(shù)量為偶數(shù)個，其數(shù)量大于等于2，位于套在滾動球中部或下部的萬向滾珠固定環(huán)上。所述滾動球為表面粗糙的硬質(zhì)圓球。所述滾動球為表面成磨砂狀的塑料球，所述制動裝置的數(shù)量為3，該3個制動裝置均勻分布在上部的萬向滾珠固定環(huán)的三等分點位置處。本發(fā)明中所述的制動裝置為摩擦式制動器，靠制動件與滾動球之間的摩擦力制動，其中制動件可以為外抱塊式制動器、內(nèi)張?zhí)闶街苿悠鳌街苿悠?、盤式制動器等。一種全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統(tǒng)，包括全方位行走跟蹤裝置、操控計算機、虛擬交互設(shè)備、圖形工作站、投影儀和投影幕，所述操控計算機、虛擬交互設(shè)備均位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺上，圖形工作站位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺下地面上或者地面上合適位置，投影儀設(shè)置在房間的觀摩區(qū)，投影幕設(shè)置在投影儀的投影方向前端，所述全方位行走跟蹤裝置、操控計算機、虛擬交互設(shè)備、投影儀均與圖形工作站相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為1)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價較低廉， 便于實施，實現(xiàn)了對人自由行走的方向與速度的測定；2)操作者身上所佩戴的其他虛擬交互設(shè)備不受有線或無線傳輸方式的限制；3)本發(fā)明對操作者本身的要求較低，接近人的正常行走，無需受到身高體重等其他限制，如有些類似的發(fā)明人需站在球內(nèi)，球材質(zhì)要求很高，就會有身高體重的要求，還有的設(shè)計為了實現(xiàn)操作者走動，需要操作者穿帶滑輪的鞋， 操作者會有不適感；4)維護成本低；5)應(yīng)用廣泛。該設(shè)備可應(yīng)用在學(xué)校的虛擬仿真實驗室、 軍事虛擬訓(xùn)練、全沉浸式游戲、以及房地產(chǎn)等的虛擬漫游體驗系統(tǒng)中。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖I為本發(fā)明的全方位行走跟蹤裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的虛擬交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為機械測速裝置原理示意圖。圖4為速度合成示意圖。
具體實施例方式結(jié)合圖I，一種全方位行走跟蹤裝置，包括腰部固定裝置I、工作臺2、滾動球3、制動裝置4、萬向滾珠5、測速裝置6、可升降支撐架7和萬向滾珠固定環(huán)8，
所述工作臺2設(shè)置在地面上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置1，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置I的下方，
滾動球3設(shè)置在可升降支撐架7上并可在該支架上滾動，該滾動球的上端位于工作臺的通孔處，滾動球3上套有兩個以上萬向滾珠固定環(huán)8，每個萬向滾珠固定環(huán)8上均設(shè)置若干萬向滾珠5。
工作臺的側(cè)面設(shè)置梯子9。腰部固定裝置1包括腰部固定環(huán)和支撐座，所述支撐座與腰部固定環(huán)相連，其固定在工作臺的上方。所述萬向滾珠固定環(huán)的個數(shù)為3個，該三個萬向滾珠固定環(huán)的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環(huán)分別位于滾動球3的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置三個以上萬向滾珠。使用萬向滾珠可對滾動球起到穩(wěn)定支撐和減少摩擦的作用，從穩(wěn)固性和可維護性上考慮，位于滾動球3上部和下部的萬向滾珠固定環(huán)上分別設(shè)置八個萬向滾珠5，位于滾動球3中部的萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置四個萬向滾珠5。所述制動裝置4用來阻止?jié)L動球轉(zhuǎn)動。可安裝于上部或中部萬向滾珠固定環(huán)上， 控制按鈕放置在操作者附近，方便控制。制動點的多少不定，但從穩(wěn)定性和簡易性上考慮， 制動點以三個點為宜。該三個制動裝置均勻分布在上部的萬向滾珠固定環(huán)的三等分點位置處。所述測速裝置6的數(shù)量為偶數(shù)個，其數(shù)量大于等于2，位于套在滾動球3中部或下部的萬向滾珠固定環(huán)8上。測速裝置要求兩個或以上成對出現(xiàn)，但通常使用一對或兩對為宜。在滾動球的赤道處χ，y垂直的兩個方向分別放置一個，用來測定滾動球χ、y方向的旋轉(zhuǎn)的速度，經(jīng)過一定運算，即可得出操作者的運行方向和速度。測速裝置有機械式和光電式等多種樣式。如果是兩對測速裝置，則兩組數(shù)據(jù)綜合處理，可使數(shù)據(jù)更加精確。結(jié)合圖3，本發(fā)明的測速裝置可采用機械測速裝置，該裝置包括滾動球3、壓力滾軸41、發(fā)光二極管42、有孔圓盤43、光學(xué)感應(yīng)器44 ；測速過程如下
(1)操作者在滾動球上任意方向走動，滾動球跟著一起滾動。(2)滾動球在垂直的兩個方向上分別裝一個壓力滾軸41，一個用來探測χ、y方向運動。當(dāng)球滾動時，這兩個壓力滾軸41的一個或者兩個跟著轉(zhuǎn)動。(3)每個滾軸連著一個有孔的圓盤43。當(dāng)滑輪滾動時，軸和圓盤一塊跟著旋轉(zhuǎn)。(4)在圓盤的兩側(cè)有一個發(fā)光二極管42和一個光學(xué)感應(yīng)器44，圓盤轉(zhuǎn)動時外圍的間隔孔阻隔了發(fā)光二極管發(fā)出的光線，因此另一側(cè)的光學(xué)感應(yīng)器就接收到了光脈沖。脈沖的頻率直接和滾動球轉(zhuǎn)動的距離和速度相關(guān)。(5)處理芯片讀取光學(xué)感應(yīng)器的脈沖并且把它轉(zhuǎn)換成二進制，傳送至計算機進行處理。測速裝置也可以采用光電式測速裝置進行，光電測速裝置的原理類似于光電鼠標測速原理，光電式測速裝置定位的工作流程大致為發(fā)光二極管照亮采樣表面，對比度強烈的待采樣影像通過透鏡在CMOS上成像，CMOS將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為矩陣電信號傳輸給DSP。當(dāng)滾動球轉(zhuǎn)動時，DSP則將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進行比較分析，然后發(fā)送一個位移距離信號到接口電路。接口電路對由DSP發(fā)來的位移信號進行整合處理，而已傳入計算機內(nèi)部的位移信號再經(jīng)過驅(qū)動程序的進一步處理，最終在系統(tǒng)中形成在X、y軸方向的位移。所述滾動球3為表面粗糙的硬質(zhì)圓球。所述滾動球3為表面成磨砂狀的塑料球。滾動球需用具有一定磨砂防滑材料，滾動時不宜噪音太大，且不宜太重，強度可以支撐一個人重量即可。可升降支架用來固定滾動球、滾珠固定環(huán)等裝置。為了方便維護，支架可以升降。腰部固定裝置，由于滾動球本身會有一定阻力，人運動時需要有一定的支撐，同時也為防止操作者偏離操作位置，可在操作者腰部制作一個環(huán)狀約束設(shè)備保護操作者。結(jié)合圖2，一種全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統(tǒng)，包括全方位行走跟蹤裝置、 操控計算機11、虛擬交互設(shè)備12、圖形工作站13、投影儀14和投影幕15，所述操控計算機
11、虛擬交互設(shè)備12均位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺2上，圖形工作站13位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺下地面上或者地面上合適位置，投影儀14設(shè)置在房間的觀摩區(qū)，投影幕15設(shè)置在投影儀14的投影方向前端，所述全方位行走跟蹤裝置、操控計算機、虛擬交互設(shè)備、投影儀均與圖形工作站13相連接。工作時，全方位行走跟蹤器滾動球3滾動，帶動與滾動球3貼合的兩個測速裝置的壓力滾軸41 一起轉(zhuǎn)動，兩個光學(xué)感應(yīng)器44分別測得光感頻率變化情況，將兩個光感頻率信號轉(zhuǎn)換為速度的量值，傳送給圖形工作站13進行計算，通過兩個相互垂直方向的速度大小，如圖4所示通過Vx、Vy求出合速度V，即可得出真實的行走方向0和速度V。行走速度 V可通過乘一個比例因子，轉(zhuǎn)換為屏幕上像素上的速度。將行走速度V和方向0傳入安裝在圖形工作站13上的虛擬仿真環(huán)境中，驅(qū)動虛擬人在場景中進行自由行走，通過傳入的0 角不斷變換虛擬環(huán)境觀察角度，從而實現(xiàn)了人的真實行走到虛擬人行走的運動映射。虛擬仿真環(huán)境將不斷變化的虛擬場景通過數(shù)據(jù)線從圖形工作站13輸送到操作者所佩戴的數(shù)據(jù)頭盔和投影儀14。操作者就可以根據(jù)看到的實時場景完成下一步的虛擬操作，同時將虛擬場景通過投影儀展示給觀摩者進行鑒定。在虛擬操作過程中，操作者為了更逼真的完成虛擬操作，可能會佩戴數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備，系統(tǒng)中所示虛擬交互設(shè)備 12就是這些設(shè)備的統(tǒng)稱，可多可少。這些虛擬交互設(shè)備通過各自的數(shù)據(jù)傳輸線與圖形工作站13相連，與虛擬仿真環(huán)境進行數(shù)據(jù)交換。操控計算機11與圖形工作站通過網(wǎng)卡或串口相連接，裝有虛擬操作的圖形用戶接口軟件，操作者可用來設(shè)置虛擬操作的任務(wù)和方法等，再將指令傳送給圖形工作站，完成虛擬操作任務(wù)。實施例I
一種全方位行走跟蹤裝置，包括腰部固定裝置I、工作臺2、滾動球3、制動裝置4、萬向滾珠5、測速裝置6、可升降支撐架7和萬向滾珠固定環(huán)8，
所述滾動球3為表面成磨砂狀的塑料球，為了搬運方便，滾動球3為可拆卸的；
所述工作臺2設(shè)置在底座上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置1，該腰部固定裝置I包括腰部固定環(huán)和支撐座，所述支撐座與腰部固定環(huán)相連，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置I的下方；
滾動球3設(shè)置在可升降支撐架7上并可在該支架上滾動，該滾動球3的上端位于工作臺的通孔處，滾動球3上套有三個萬向滾珠固定環(huán)8，該三個萬向滾珠固定環(huán)的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環(huán)分別位于滾動球3的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置三個以上萬向滾珠，位于滾動球3上部和下部的萬向滾珠固定環(huán)上分別設(shè)置八個萬向滾珠5，位于滾動球3中部的萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置四個萬向滾珠5 ;
所述制動裝置4的數(shù)量為3個，該三個制動裝置分別分布在上部的萬向滾珠固定環(huán)的三等分點位置；
所述測速裝置6的數(shù)量為4個，該四個測速裝置位于套在滾動球3中部或下部的萬向滾珠固定環(huán)上。
實施例2
一種全方位行走跟蹤裝置，包括腰部固定裝置1、工作臺2、滾動球3、制動裝置4、萬向滾珠5、測速裝置6、可升降支撐架7和萬向滾珠固定環(huán)8，
所述滾動球3為表面成磨砂狀的塑料球，為了搬運方便，滾動球3為可拆卸的； 所述工作臺2設(shè)置在底座上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置1，該腰部固定裝置1包括腰部固定環(huán)和支撐座，所述支撐座與腰部固定環(huán)相連，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置1的下方；
滾動球3設(shè)置在可升降支撐架7上并可在該支架上滾動，該滾動球3的上端位于工作臺的通孔處，滾動球3上套有兩個萬向滾珠固定環(huán)8，該兩個萬向滾珠固定環(huán)的平面相互平行，所述兩個萬向滾珠固定環(huán)分別位于滾動球3的上部和下部，每個萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置三個以上萬向滾珠，位于滾動球3上部和下部的萬向滾珠固定環(huán)上分別設(shè)置八個萬向滾珠5;
所述制動裝置4的數(shù)量為3個，該三個制動裝置分別分布在上部的萬向滾珠固定環(huán)的三等分點位置；
所述測速裝置6的數(shù)量為4個，該四個測速裝置位于套在滾動球3下部的萬向滾珠固定環(huán)上。
權(quán)利要求
1.一種全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，包括腰部固定裝置[1]、工作臺[2]、滾動球 [3]、制動裝置[4]、萬向滾珠[5]、測速裝置[6]、可升降支撐架[7]和萬向滾珠固定環(huán)[8]，所述工作臺[2]設(shè)置在地面上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置[1]，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置[1]的下方，滾動球[3]設(shè)置在可升降支撐架[7]上并可在該支架上滾動，該滾動球的上端位于工作臺的通孔處，滾動球[3]上套有兩個以上萬向滾珠固定環(huán)[8]，每個萬向滾珠固定環(huán)[8] 上均設(shè)置若干萬向滾珠[5]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，工作臺[2]的側(cè)面設(shè)置梯子M。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述腰部固定裝置[1]包括腰部固定環(huán)和支撐座，所述支撐座與腰部固定環(huán)相連，該支撐座固定在工作臺的上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述萬向滾珠固定環(huán)的個數(shù)為3個，該三個萬向滾珠固定環(huán)的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環(huán)分別位于滾動球[3]的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置三個以上萬向滾珠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，位于滾動球[3]上部和下部的萬向滾珠固定環(huán)上分別設(shè)置八個萬向滾珠[5]，位于滾動球[3]中部的萬向滾珠固定環(huán)上設(shè)置四個萬向滾珠[5]。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述制動裝置[4]的數(shù)量為3，所述3個制動裝置[4]分別分布在上部的萬向滾珠固定環(huán)的三等分點位置處。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述測速裝置[6]的數(shù)量為偶數(shù)個，其數(shù)量大于等于2，位于套在滾動球[3]中部或下部的萬向滾珠固定環(huán)[8]上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述滾動球[3]為表面粗糙的硬質(zhì)圓球。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述滾動球[3]為表面成磨砂狀的塑料球。
10.一種基于權(quán)利要求1所述全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統(tǒng)，其特征在于，包括全方位行走跟蹤裝置、操控計算機[11]、虛擬交互設(shè)備[12]、圖形工作站[13]、投影儀[14] 和投影幕[15]，所述操控計算機[11]、虛擬交互設(shè)備[12]均位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺[2]上，圖形工作站[13]位于全方位行走跟蹤裝置的工作臺下地面上或者地面上， 投影儀[14]設(shè)置在房間的觀摩區(qū)，投影幕[15]設(shè)置在投影儀[14]的投影方向前端，所述全方位行走跟蹤裝置、操控計算機[11]、虛擬交互設(shè)備[12]、投影儀[14]均與圖形工作站 [13]相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全方位行走跟蹤裝置及基于該裝置的虛擬交互系統(tǒng)，所述跟蹤裝置包括腰部固定裝置、工作臺、滾動球、制動裝置、萬向滾珠、測速裝置、可升降支撐架和萬向滾珠固定環(huán)，所述工作臺設(shè)置在地面上，工作臺的上方固連高度可調(diào)節(jié)的腰部固定裝置，該工作臺的上方還設(shè)置通孔，通孔位于腰部固定裝置的下方，滾動球設(shè)置在可升降支撐架上并可在該支架上滾動，該滾動球的上端位于工作臺的通孔處，滾動球上套有兩個以上萬向滾珠固定環(huán)，每個萬向滾珠固定環(huán)上均設(shè)置若干萬向滾珠。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價較低廉。
文檔編號G09B19/00GK102542873SQ20121000512
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者于宏濤, 莊新軍, 徐建峰, 曹兆元, 楊戰(zhàn)軍, 郭正東 申請人:中國人民解放軍92995部隊, 楊戰(zhàn)軍