虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统

摘要

本发明公开了一种虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，包括中央处理器、力反馈单元、头戴式显示单元以及操作单元；力反馈单元，包括能够在现实坐标系的空间内移动和定位的球体以及连接于所述球体的机械手臂单元。采用上述技术方案，本发明的虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，能够在专利申请代理与审查过程中对申请的技术方案通过VR技术进行模型的展示以及运动的模拟，从而能够直观地使专利代理机构和审查机构的工作人员对技术方案进行模拟观察，准确地理解技术方案，避免理解偏差所造成的撰写失误或反复的沟通，节约专利申请的时间成本和审查机构的审查成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，属于虚拟现实应用技术领域。

背景技术

天津城建大学是一所天津市市属普通高等学校，始建于1978年，前身是天津大学建筑分校，目前已经构建了城市规划与建筑、城市建设、城市生态与环境、城市经济与管理、数字城市、城市文化等6个学科群，涉及建筑电气智能化、建筑学、土木工程、建筑环境与设备工程、给水排水工程、工程管理、材料科学与工程等学科专业，以及材料力学、数据结构、结构力学、外国建筑历史与理论、系统工程与运筹学、传热学、 工程结构设计原理、 工程招投标与合同管理、 应用统计学、大学体育、大学计算机基础、桥梁工程等精品课程，同时还具有材料科学与工程实验教学中心、环境与市政工程实验中心、计算机与信息技术实验中心、建筑电气与智能化实验中心、能源与安全工程实验中心等诸多实验教学示范中心。近年来城建大学开始着重在虚拟现实（VR）技术向城市建设、规划以及教学应用方向投入研发精力。

作为城市建设方面的专业化的工科院校，天津城建大学的专利申请量也有逐年显著上升的趋势，截止目前，从已公开的专利数据来看，2017、2016、2015这三年的专利申请数量最多，分别为379件、297件、158件，占所有专利申请的33.719%、26.423%、14.057%，主要专利申请涉及的领域在G01N（借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料）、C02F（水、废水、污水或污泥的处理）、C04B（石灰；氧化镁；矿渣；水泥；其组合物，例如：砂浆、混凝土或类似的建筑材料；人造石；陶瓷）领域居多，分别为108件、91件、77件，占所分析专利的9.609%、8.096%、6.851%。在专利申请过程中，由于涉及到的技术方案均较为复杂，需要申请人与专利代理机构进行反复的现场沟通，对于结构类的申请，传统的三维建模软件在复杂内部结构、场景模拟以及动作模拟中不能较好地予以展示，有时会造成专利代理人理解上的偏差。同样，这样困扰也会在专利审查过程中产生，对于有能力制作VR影像的专利申请机构，如果能将专利申请技术方案的VR数据发送至专利审查机构，则能够使审查员较快地理解技术方案，避免反复的额外沟通，提高审查效率。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，通过VR技术将申请人所申请的结构类技术方案能够直观地在虚拟场景中予以显示，从而有助于专利代理机构以及审查机构快速、准确理解技术方案，减少沟通成本，提高专利的申请与审查效率。

为了实现上述目的，本发明的一种虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，包括中央处理器、力反馈单元、头戴式显示单元以及操作单元；

所述操作单元，用于手持并在空间进行移动，包括手持部、端部以及第一空间定位跟踪模块，所述第一空间定位跟踪模块与所述中央处理器相连，用于实时采集所述端部在现实坐标系的空间点的坐标并将采集到的坐标数据发送至中央处理器；

力反馈单元，包括能够在现实坐标系的空间内移动和定位的球体以及连接于所述球体的机械手臂单元，所述机械手臂单元与所述中央处理器相连；所述球体内设置有第二空间定位跟踪模块，所述第二空间定位跟踪模块与中央处理器相连，用于实时采集球体中心位置在现实坐标系的空间点的坐标并将采集到的坐标数据发送至中央处理器；

所述中央处理器，用于构建虚拟场景，专利申请技术方案的结构模型体现在虚拟场景中；用于接收所述第一空间定位跟踪模块发送的所述端部所在现实坐标系的空间点的坐标数据，并在虚拟坐标系中建立端部虚拟点，在端部虚拟点位置建立指针模型；用于接收所述第二空间定位跟踪模块发送的所述球体中心所在现实坐标系的空间点的坐标数据，并计算出球体外壁各点在现实坐标系中的坐标数据；用于控制所述机械手臂单元驱动球体移动，并在虚拟场景中当所述指针模型靠近并触碰所述结构模型时，使球体触碰所述操作单元的端部；用于将结构模型中的单一零部件模型或多个零部件模型与指针模型进行锁定形成锁定模型体，从而当所述端部在现实坐标系中的空间位置变化时，所述锁定模型体能够随指针模型一并在虚拟坐标系的空间中移动；

头戴式显示单元，与所述中央处理器相连，用于对虚拟场景、结构模型以及指针模型予以显示。

所述中央处理器，用于将结构模型中的单一零部件模型或多个零部件模型进行锁死，使其固定不动形成固定模型体，并在虚拟场景中当所述指针或所述锁定模型体靠近并触碰所述固定模型体时，使球体触碰所述操作单元的端部。

所述中央处理器，用于在虚拟场景中当所述锁定模型移动时，具有与该锁定模型联动的其他零部件模型进行联动。

所述中央处理器，用于在虚拟场景中对所述结构模型或结构模型的零部件模型进行剖切、分解、放大、缩小、旋转、复制、渲染、移除和/或复位的操作。

所述机械手臂单元包括旋转电机、设置于所述旋转电机的动力输出端的至少一个旋转板、设置于所述旋转板上的滑动座、安装于所述滑动座上的机械手臂，所述旋转板上设置有直线滑槽，所述滑动座安装在所述滑槽内，在所述滑动座上设置有滑动电机以及连接于所述滑动电机动力输出端的滑动齿轮，在所述滑槽内侧设置有齿条，所述滑动齿轮与所述齿条相啮合；在所述滑动座上设置有进给电机，所述进给电机的动力输出端连接有螺母，所述机械手臂的底座上设置有穿过所述螺母的丝杠，所述丝杠垂直与所述旋转电机的转轴相平行设置。

所述滑动座包括上夹板、下夹板以及连接固定于所述上夹板和下夹板之间的多个导向筒，所述机械手臂的底座上设置有多个导向杆，所述导向杆穿过所述上夹板、导向筒以及下夹板。

所述滑槽的两侧壁上均设置有齿条；所述滑动齿轮包括主动齿轮与从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮被夹持安装在所述上夹板与下夹板之间并且相互啮合，所述主动齿轮与所述滑动电机相连，所述主动齿轮与从动齿轮各自与所述滑槽两侧壁上的齿条之一相啮合。

所述进给电机的动力输出端连接于一主动齿带轮，所述主动齿带轮通过齿带与一从动齿带轮相连，所述主动齿带轮与从动齿带轮被夹持安装在所述上夹板与下夹板之间，所述从动齿带轮的轴线位置开设有螺纹孔，从而使所述从动齿带轮形成了所述螺母。

所述机械手臂的底座为由下横杆和下纵杆垂直交叉形成的下十字架，在下十字架的上方设置有由上横杆和上纵杆垂直交叉形成的上十字架，四个包括第一连杆、第二连杆和第三连杆的连杆组件连接于所述下十字架的四个端部和上十字架的四个端部之间，从而使四个连杆组件在周向上均匀布置；其中一个连杆组件的第一连杆的下端铰接于下横杆的前端部并且铰接轴与下横杆同轴线设置从而使第一连杆仅能够绕下横杆的轴线转动，第一连杆的上端向上螺旋状延伸至下纵杆的上方并铰接于第二连杆的下端且铰接轴与下纵杆平行设置，第三连杆的上端铰接于上横杆的后端部并且铰接轴与上横杆同轴线设置，第三连杆的下端向下螺旋状延伸至上纵杆的下方并铰接于第二连杆的上端且铰接轴与上纵杆平行设置；两个相邻的第一连杆分别连接于一个摆动电机的动力输出端。

两个所述摆动电机分别安装于所述下横杆和下纵杆的内部。

采用上述技术方案，本发明的虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，能够在专利申请代理与审查过程中对申请的技术方案通过VR技术进行模型的展示以及运动的模拟，从而能够直观地使专利代理机构和审查机构的工作人员对技术方案进行模拟观察，准确地理解技术方案，避免理解偏差所造成的撰写失误或反复的沟通，节约专利申请的时间成本和审查机构的审查成本。

附图说明

图1为本发明中的力反馈单元的结构示意图。

图2为图1中的A部放大的局部剖视图。

图3为机械手臂单元以及滑动座的安装示意图。

图4为滑动座的局部剖视图。

图5为机械手臂单元的结构示意图。

图6为机械手臂单元处于摆动状态的结构示意图。

图7为支杆长度较短时球体摆动的区域示意图。

图8为支杆长度较长时球体摆动的区域示意图。

图9为虚拟场景的状态一示意图。

图10为虚拟场景的状态二示意图。

图11为虚拟场景的状态三示意图。

图12为虚拟场景的状态四示意图。

图13为为虚拟场景的状态五示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种虚拟现实在专利申请代理与审查过程中的应用系统，包括中央处理器、力反馈单元、头戴式显示单元以及操作单元。

所述操作单元，用于手持并在空间进行移动，包括手持部、端部以及第一空间定位跟踪模块，所述第一空间定位跟踪模块与所述中央处理器相连，用于实时采集所述端部在现实坐标系的空间点的坐标并将采集到的坐标数据发送至中央处理器。所述操作单元可以为VR手套或VR手柄。

所述力反馈单元，包括能够在现实坐标系的空间内移动和定位的球体以及连接于所述球体的机械手臂单元，所述机械手臂单元与所述中央处理器相连；所述球体内设置有第二空间定位跟踪模块，所述第二空间定位跟踪模块与中央处理器相连，用于实时采集球体中心位置在现实坐标系的空间点的坐标并将采集到的坐标数据发送至中央处理器。

所述中央处理器，用于构建虚拟场景，专利申请技术方案的结构模型体现在虚拟场景中；用于接收所述第一空间定位跟踪模块发送的所述端部所在现实坐标系的空间点的坐标数据，并在虚拟坐标系中建立端部虚拟点，在端部虚拟点位置建立指针模型；用于接收所述第二空间定位跟踪模块发送的所述球体中心所在现实坐标系的空间点的坐标数据，并计算出球体外壁各点在现实坐标系中的坐标数据；用于控制所述机械手臂单元驱动球体移动，并在虚拟场景中当所述指针模型靠近并触碰所述结构模型时，使球体触碰所述操作单元的端部；用于将结构模型中的单一零部件模型或多个零部件模型与指针模型进行锁定形成锁定模型体，从而当所述端部在现实坐标系中的空间位置变化时，所述锁定模型体能够随指针模型一并在虚拟坐标系的空间中移动；用于将结构模型中的单一零部件模型或多个零部件模型进行锁死，使其固定不动形成固定模型体，并在虚拟场景中当所述指针或所述锁定模型体靠近并触碰所述固定模型体时，使球体触碰所述操作单元的端部；用于在虚拟场景中当所述锁定模型移动时，具有与该锁定模型联动的其他零部件模型进行联动；用于在虚拟场景中对所述结构模型或结构模型的零部件模型进行剖切、分解、放大、缩小、旋转、复制、渲染、移除和/或复位的操作。

所述头戴式显示单元，与所述中央处理器相连，用于对虚拟场景、结构模型以及指针模型予以显示。

如图7所示，以齿轮模型100、齿轮轴模型200以及齿条模型300作为所述结构模型为例，图中以箭头400的尖端作为本发明所述表述的指针模型。当系统初始化完成后，结构模型在虚拟场景中予以显示，使用者手持操作单元，操作单元中的第一空间定位跟踪模块采集所述端部在现实坐标系的空间点的坐标并发送至中央处理器，中央处理器将该现实坐标系的空间点的坐标关联至虚拟场景的虚拟坐标系中，从而建立对应的端部虚拟点，在端部虚拟点位置建立指针模型，使用者通过头戴式显示单元能够观察虚拟场景、结构模型以及指针模型，通过移动操作单元的位置能够控制虚拟场景中的指针模型移动。

当移动操作单元的位置从而控制虚拟场景中的指针模型向所述结构模型靠近时，中央处理器能够实时追踪所述端部在现实坐标系中的位置，并计算出所述端部虚拟点到结构模型表面最近距离的最近虚拟点，同时将该最近虚拟点关联至现实坐标系中从而在现实坐标系中建立对应的最近现实点，进而控制力反馈单元运动，使所述球体移动至其外侧壁距离所述操作单元的端部的最近点与该最近现实点重合的位置。

当在虚拟场景中指针模型触碰结构模型时，也就是所述端部虚拟点移动至结构模型的表面时，在现实坐标系中的操作单元的端部触碰所述球体，从而所述球体给使用者一个明显的力反馈。同时，在虚拟场景中，被指针模型触碰到的零部件模型改变渲染模式以表示其被选定，待进一步操作，如图8所示，其中的齿轮模型100被选定；当该零部件模型被再一次触碰时渲染模式恢复，以表示其选定已经取消。

当在虚拟场景中某一零部件被选定后，可以选择对其进行各种操作，例如将其与指针模型进行锁定形成锁定模型体，如图9所示，齿轮轴模型200与指针模型形成锁定模型体，二者的渲染模型一同改变，此时当所述端部在现实坐标系中的空间位置变化时，在虚拟场景中所述锁定模型体能够随指针模型一并在虚拟坐标系的空间中移动，同时与齿轮轴模型200能够联动的齿轮模型100也一并移动，如图10所示。当齿轮轴模型200相对于齿轮模型100进行轴向移动时，则齿轮模型100不发生联动，如图11所示。

本实施例中，如图1-4所示，所述机械手臂单元安装在基座10上，包括旋转电机1、设置于所述旋转电机1的动力输出端的三个旋转板2、设置于所述旋转板2上的滑动座3、安装于所述滑动座3上的机械手臂4，所述旋转板2上设置有直线滑槽21，所述滑动座3安装在所述滑槽21内，在所述滑动座3上设置有滑动电机5以及连接于所述滑动电机5动力输出端的滑动齿轮，在所述滑槽21内侧设置有齿条211，所述滑动齿轮与所述齿条211相啮合；在所述滑动座3上设置有进给电机6，所述进给电机6的动力输出端连接有螺母，所述机械手臂4的底座上设置有穿过所述螺母的丝杠7，所述丝杠7垂直与所述旋转电机1的转轴相平行设置。

所述滑动座3包括上夹板31、下夹板32以及连接固定于所述上夹板31和下夹板32之间的多个导向筒33，所述机械手臂4的底座上设置有多个导向杆41，所述导向杆41穿过所述上夹板31、导向筒33以及下夹板32。所述滑槽21的两侧壁上均设置有齿条211；所述滑动齿轮包括主动齿轮51与从动齿轮52，所述主动齿轮51与从动齿轮52被夹持安装在所述上夹板31与下夹板32之间并且相互啮合，所述主动齿轮51与所述滑动电机5相连，所述主动齿轮51与从动齿轮52各自与所述滑槽21两侧壁上的齿条211之一相啮合。当主动齿轮51正转时，从动齿轮52反转，由于主动齿轮51与从动齿轮52与两侧的两个齿条211分别相啮合，因此带动滑动块3在滑槽21内整体滑动，滑动块3受力较为平衡，使滑动运行比较平稳。所述进给电机6的动力输出端连接于一主动齿带轮61，所述主动齿带轮61通过齿带62与一从动齿带轮63相连，所述主动齿带轮61与从动齿带轮63被夹持安装在所述上夹板31与下夹板32之间，所述从动齿带轮63的轴线位置开设有螺纹孔，从而使所述从动齿带轮63形成了与所述丝杠相配合的所述螺母，当主动齿带轮61带动从动齿带轮63转动时，所述丝杠相对于螺母（从动齿带轮63）移动，从而使机械手臂4进给或后退。上夹板31与下夹板32分别搭在滑槽21边缘位置的凹陷区212上，起到限位的作用，使滑动块3不会再滑槽内脱落，同时凹陷区212对上夹板31与下夹板32还具有导向作用，使其在移动中不会倾斜摆动。

上述结构中，将主动齿轮51与从动齿轮52，主动齿带轮61、齿带62与从动齿带轮63全部夹持安装在上夹板31与下夹板32之间，同时上夹板31与下夹板32之间通过多个导向筒33固定，使导向杆41穿过导向筒，使得整体结构较为紧凑。

如图5、6所示，所述机械手臂4的底座为由下横杆421和下纵杆422垂直交叉形成的下十字架42，在下十字架42的上方设置有由上横杆431和上纵杆432垂直交叉形成的上十字架43，四个包括第一连杆441、第二连杆442和第三连杆443的连杆组件44连接于所述下十字架42的四个端部和上十字架43的四个端部之间，从而使四个连杆组件44在周向上均匀布置。

其中一个连杆组件44的第一连杆441的下端铰接于下横杆421的前端部并且铰接轴与下横杆421同轴线设置从而使第一连杆441仅能够绕下横杆421的轴线转动，第一连杆441的上端向上螺旋状延伸至下纵杆422的上方并铰接于第二连杆442的下端且铰接轴与下纵杆422平行设置，第三连杆443的上端铰接于上横杆431的后端部并且铰接轴与上横杆431同轴线设置，第三连杆443的下端向下螺旋状延伸至上纵杆432的下方并铰接于第二连杆442的上端且铰接轴与上纵杆432平行设置；两个相邻的第一连杆441分别连接于一个摆动电机45的动力输出端，通过两个摆动电机45分别控制相邻的两个第一连杆441的转动角度，从而能够使四个连杆组件44形成联动，控制上十字架43摆动。

在本实施例中，两个所述摆动电机45分别安装于所述下横杆421和下纵杆422的内部。

在上十字架43上可分离地设置有支杆46，所述球体8固定在所述支杆46的端部，通过改变支杆的长度可以改变球体在摆动过程中划过的路径的长度，当安装的支杆46较短时，球体摆动时划过的路径S1则较短，当安装的支杆46较长时，划过的路径S2较长，如图6所示，图中虚线形式的支杆表示将较短的支杆更换为较长的支杆。因此，通过摆动的驱动方式以及增长支杆46的长度，在摆角α不增大的情况下，能够增大球体可到达的空间范围。如图7所示，当支杆46具有较短的长度l时，在摆角α的范围内，球体能够到达的空间范围为m，如图8所示，当支杆46具有较长的长度L时，在摆角α的范围内，球体能够到达的空间范围为M，其中K是进给电机驱动丝杠的进给量。

所述球体8包括位于外侧的缓冲层。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。