專利名稱：人體位移和姿態(tài)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一種人機(jī)交互裝置，具體地說，是一種將人體位移和姿態(tài)信息轉(zhuǎn)化成電信號并傳遞給計(jì)算機(jī)的傳感器裝置。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality，簡稱VR)是上世紀(jì)末出現(xiàn)的一種人機(jī)交互技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)電技術(shù)、電子技術(shù)等，構(gòu)造一種仿真模擬的環(huán)境并與人交互。在VR系統(tǒng)中，需要滿足沉浸、交互和想象這三大特征，即常說的3“I”(Immersion沉浸、Interaction交互、Imagination想象)。要滿足“沉浸性”，就要努力提高視覺、聽覺、觸覺仿真的真實(shí)性；要滿足“想象性”，則主要來自系統(tǒng)給予人的豐富的想象空間；而要滿足“交互性”，就需要把人體的動作、姿態(tài)等信號盡可能完整的獲取并傳送給計(jì)算機(jī)，通常采用的數(shù)據(jù)手套、跟蹤器等就是這類技術(shù)的產(chǎn)品。目前在虛擬現(xiàn)實(shí)中獲得人體移動和姿態(tài)改變信息通常采用電磁跟蹤器或機(jī)器視覺的方式，這兩種方式存在的共同缺點(diǎn)是都需要昂貴的硬件設(shè)備和配套的工作站，方能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的方位姿態(tài)算法；都需要相當(dāng)大的空間，供人體自由移動。這些都限制了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用和向更多領(lǐng)域的推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種人體位移和姿態(tài)傳感器的新型裝置，以降低在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中采集人體移動和姿態(tài)變化信息的設(shè)備成本、減少在虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)漫游所需要的空間面積、擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的在高于人體重心的胸腹位置，有一個圓框和一個套在圓框外面的環(huán)形支架，圓框四周裝有多個微動開關(guān)。圓框和環(huán)形支架之間呈活動連接，環(huán)形支架的端部與立柱活動連接。立柱固定在下方的底座上，底座的上表面是打磨光滑的底板——低阻尼板。圓框的上方有頭部姿態(tài)傳感裝置。
本實(shí)用新型是這樣運(yùn)作的使用者與虛擬現(xiàn)實(shí)交互時，人體的胸部軀干被固定在圓框的中央。當(dāng)人體前、后、左、右運(yùn)動時，帶動圓框壓向環(huán)形支架，觸動圓框上的微動開關(guān)，產(chǎn)生脈沖，指示人體朝相應(yīng)方向運(yùn)動；與此同時，由于人體被環(huán)形支架限制在阻尼地板中央部位，腳步在低阻尼板上滑動，從而產(chǎn)生了模擬行走動作的感覺；人體蹲下和跳起時，帶動圓框和環(huán)形支架，在立柱的滑槽中起伏，指示人體重心的上下變化，觸動滑槽上下兩處的限位開關(guān)，產(chǎn)生人體蹲下和跳起的信號；人的頭部轉(zhuǎn)動時，通過固定其頭上的頭部姿態(tài)傳感裝置，采集到頭部三個姿態(tài)角的數(shù)據(jù)。
綜上所述，由人體運(yùn)動時帶動圓框壓向環(huán)形支架獲得的移動信號，由人體重心變化帶動環(huán)形支架在滑槽起伏得到人體蹲下和跳起的信號，由頭部姿態(tài)傳感裝置采集頭部姿態(tài)的變化信號。這些表示人體運(yùn)動的位置和姿態(tài)的較為完整的信號，被送入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板經(jīng)處理后，便可以計(jì)算出人體的動作、姿態(tài)。
本實(shí)用新型大大降低了在虛擬現(xiàn)實(shí)中確定人體位移和姿態(tài)的成本，且能在較小的空間范圍內(nèi)模擬并產(chǎn)生人體在大地理范圍移動的感覺。


圖1.是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2.是本實(shí)用新型的電路原理圖圖3.是圓框的俯視示意圖圖4.是采集方向移動信號并計(jì)算人體在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的位移量之算法的程序流程圖。
圖5.是產(chǎn)生重心起伏運(yùn)動信號的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖圖6.是頭部姿態(tài)傳感裝置示意圖圖中1.底座，2.立柱，3.圓框，4.滑槽，5.環(huán)形支架，6.微動開關(guān)(包括K1、K2、K3、K4)，7.觸發(fā)開關(guān)(K5是下限位開關(guān)，K6是上限位開關(guān))，8.頭部姿態(tài)傳感裝置，9.低阻尼板，10.三軸電子羅盤，11.環(huán)形帶。
以下結(jié)合附圖敘述一個本實(shí)用新型的實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖5所示。立柱2垂直固定在底座1上環(huán)形支架5的端部與立柱2通過立柱上的滑槽4呈活動連接，即環(huán)形支架5可以上下滑動；觸發(fā)開關(guān)7為安裝在滑槽兩端的上限位開關(guān)K5和下限位開關(guān)K6；頭部姿態(tài)傳感裝置8主要由環(huán)形帶11和粘在該環(huán)形帶上的三軸電子羅盤10構(gòu)成，該三軸電子羅盤采用美國霍尼韋爾公司的HMR3000，通過RS232串口給計(jì)算機(jī)CPU發(fā)送人體姿態(tài)信號；低阻尼板整體粘接在底座上，人體蹲下和跳起時，帶動圓框3和環(huán)形支架5在垂直面內(nèi)起伏。當(dāng)環(huán)形支架5沿立柱下降或上升到一定高度時，觸動了相應(yīng)位置的上、下限位開關(guān)K6或K5，從而產(chǎn)生蹲下和跳起的信號。同時腳步在低阻尼板9上滑動使人體獲得運(yùn)動的真實(shí)感。
圖3為圓框結(jié)構(gòu)的俯視圖。圓框3的外圓周之四個不同方向上，均勻排列有K1、K2、K3、K4四個微動開關(guān)6；在圓框3的外面套裝著一個環(huán)形支架5；圓框3和環(huán)形支架5之問采用軸承連接，從而實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)。使用時，人體的胸腹部固定在圓框3上，人體移動時(不含旋轉(zhuǎn))，軀干受到環(huán)形支架5的限制，始終位于裝置中心。而人的腳步在底座1上滑動，從而產(chǎn)生人在運(yùn)動的感覺。當(dāng)人體在平面內(nèi)移動時，圓框3被壓向環(huán)形支架5，相應(yīng)的微動開關(guān)被觸發(fā)，產(chǎn)生了方向運(yùn)動的信號。
圖2是本實(shí)用新型的電路原理圖。圖中，數(shù)據(jù)采集卡可以采用臺灣ADVANTECH公司的PCL-816產(chǎn)品；K1、K2、K3、K4是微動開關(guān)6，當(dāng)有微小的力作用于其表面時，開關(guān)導(dǎo)通觸發(fā)開關(guān)7可以采用磁感應(yīng)接近開關(guān)，其原理是當(dāng)有磁性金屬物體靠近時，該開關(guān)導(dǎo)通。頭部姿態(tài)傳感裝置8上帶有具體羅盤連接方式見圖6。
圖4是采集方向移動信號并計(jì)算人體在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的位移量之算法的程序流程圖。在運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)軟件之后，給定一個坐標(biāo)作為參與者的起始坐標(biāo)(X0，Y0)，然后參與者在本實(shí)用新型內(nèi)模擬運(yùn)動，當(dāng)K1導(dǎo)通時，表示人體向前運(yùn)動，把縱坐標(biāo)Y加上一個步長值H。同理，K2、K3、K4的導(dǎo)通分別表示人體向左、向后、向右的運(yùn)動，每導(dǎo)通一次，分別把橫坐標(biāo)減去H、縱坐標(biāo)減H、橫坐標(biāo)加H。人體的當(dāng)前坐標(biāo)，由起始坐標(biāo)和得到的各方向步長值的累加得到。即 圖6是頭部姿態(tài)傳感裝置的示意圖。圖中方形裝置是三軸電子羅盤10，粘在環(huán)形帶11上，用以套在頭頂和頭部相連。
權(quán)利要求1.人體位移和姿態(tài)傳感器，其特征是有一個圓框(3)和套在圓框(3)外面的環(huán)形支架(5)，圓框(3)四周裝有多個微動開關(guān)(K1)，圓框(3)與環(huán)形支架(5)活動連接，環(huán)形支架(5)的端部與立柱(2)活動連接，立柱(2)固定在底座(1)上，底座的上表面為低阻尼板(9)，圓框(3)的上方有一個頭部姿態(tài)傳感件(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體位移和姿態(tài)傳感器，其特征是圓框(3)與環(huán)形支架(5)之間采用軸承連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體位移和姿態(tài)傳感器，其特征是所說環(huán)形支架(5)的一端與立柱(2)之間的活動連接，系指環(huán)形支架(5)的一端插入立柱(3)上的滑槽(4)內(nèi)，滑槽(4)的兩端設(shè)有下限位開關(guān)(K6)和上限位開關(guān)(K5)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的傳感交互裝置—人體位移和姿態(tài)傳感器。主要由圓框、圓框外圍的環(huán)形支架、有滑槽的立柱、有低阻尼板的底座和圓框上方的頭部姿態(tài)傳感裝置構(gòu)成，圓框上裝有多個微動開關(guān)，滑槽兩端裝有限位開關(guān)。人體運(yùn)動時帶動圓框壓向環(huán)形支架獲得移動信號；人體重心變化帶動環(huán)形支架在滑槽起伏得到人體蹲下和跳起的信號；由頭部姿態(tài)傳感裝置采集頭部姿態(tài)的變化信號。這些人體各部位運(yùn)動和姿態(tài)的綜合信號經(jīng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理后，便動態(tài)地計(jì)算出人體的動作、姿態(tài)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，由于人體在水平面的絕對位置不變，故節(jié)省了使用所需空間；采用簡單機(jī)械的辦法獲取人體位移，避免了采用復(fù)雜的算法和高速的計(jì)算機(jī)工作站，故大大降低了虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)成本。
文檔編號G06F3/00GK2929817SQ200620079040
公開日2007年8月1日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者路堯 申請人:路堯