一种全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统

摘要

本发明公开了一种全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统，所述跟踪装置包括腰部固定装置、工作台、滚动球、制动装置、万向滚珠、测速装置、可升降支撑架和万向滚珠固定环，所述工作台设置在地面上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置的下方，滚动球设置在可升降支撑架上并可在该支架上滚动，该滚动球的上端位于工作台的通孔处，滚动球上套有两个以上万向滚珠固定环，每个万向滚珠固定环上均设置若干万向滚珠。本发明的装置结构简单，造价较低廉。

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实人机交互技术领域，特别是一种全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统。

背景技术

虚拟现实技术应用非常广泛，在虚拟装配、虚拟维修、虚拟战场训练、三维游戏等领域应用很普遍。如虚拟装配系统，它是虚拟现实技术在制造业的典型应用，它利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，检验和评价产品的装配性能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。该设备可应用在学校的虚拟仿真实验室、军事虚拟训练和全沉浸式游戏中，应用范围很广。

但是对人在一个平面内全方位行走的方向和速度的捕捉问题一直是个难点，长久以来没有一个好的解决办法，市面上也没有相关的虚拟交互设备可供使用。运用位置跟踪器也只能在一个很有限的空间内实现对人的位置跟踪，无法完成大场景的漫游任务。为了解决这个问题，英国Warwick 大学研制了一种新型的虚拟装配环境——Cybersphere。采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，直接与球内表面接触，完成自由行走的功能。这种设备虽然兼顾了三维场景显示和行走跟踪两大功能，但这种设计存在几个明显弊端。

1、人在球内，进出很不方便，而且操作者随身所带的交互设备必须是无线通信的，无法用电缆与外部相连，而现有的数据衣、数据手套、数字头盔基本都是有线的，所以很难使用。

2、这种设计将球体同时作为球形显示设备，采用特殊材料的半透明球体，造价极其昂贵，而且显示效果还很难保证，维护成本相当高，很难得到普及。

由上可知，现有技术中的虚拟现实人机交互设备还存在不完善之处，不能完全满足用户的需求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种简单实用的全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置、工作台、滚动球、制动装置、万向滚珠、测速装置、可升降支撑架和万向滚珠固定环，

所述工作台设置在地面上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置的下方，滚动球设置在可升降支撑架上并可在该支架上滚动，该滚动球的上端位于工作台的通孔处，滚动球上套有两个以上万向滚珠固定环，每个万向滚珠固定环上均设置若干万向滚珠。 

优选的工作台的侧面设置梯子，所述腰部固定装置包括腰部固定环和支撑座，所述支撑座与腰部固定环相连，其固定在工作台的上方，所述万向滚珠固定环的个数为3个，该三个万向滚珠固定环的平面相互平行，所述三个万向滚珠固定环分别位于滚动球的上部、中部和下部，每个万向滚珠固定环上设置三个以上万向滚珠。位于滚动球上部和下部的万向滚珠固定环上分别设置八个万向滚珠，位于滚动球中部的万向滚珠固定环上设置四个万向滚珠。所述测速装置的数量为偶数个，其数量大于等于2，位于套在滚动球中部或下部的万向滚珠固定环上。所述滚动球为表面粗糙的硬质圆球。所述滚动球为表面成磨砂状的塑料球，所述制动装置的数量为3，该3个制动装置均匀分布在上部的万向滚珠固定环的三等分点位置处。本发明中所述的制动装置为摩擦式制动器，靠制动件与滚动球之间的摩擦力制动，其中制动件可以为外抱块式制动器、内张蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器等。

一种全方位行走跟踪装置的虚拟交互系统，包括全方位行走跟踪装置、操控计算机、虚拟交互设备、图形工作站、投影仪和投影幕，所述操控计算机、虚拟交互设备均位于全方位行走跟踪装置的工作台上，图形工作站位于全方位行走跟踪装置的工作台下地面上或者地面上合适位置，投影仪设置在房间的观摩区，投影幕设置在投影仪的投影方向前端，所述全方位行走跟踪装置、操控计算机、虚拟交互设备、投影仪均与图形工作站相连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的装置结构简单，造价较低廉，便于实施，实现了对人自由行走的方向与速度的测定；2）操作者身上所佩戴的其他虚拟交互设备不受有线或无线传输方式的限制；3）本发明对操作者本身的要求较低，接近人的正常行走，无需受到身高体重等其他限制，如有些类似的发明人需站在球内，球材质要求很高，就会有身高体重的要求，还有的设计为了实现操作者走动，需要操作者穿带滑轮的鞋，操作者会有不适感；4）维护成本低；5）应用广泛。该设备可应用在学校的虚拟仿真实验室、军事虚拟训练、全沉浸式游戏、以及房地产等的虚拟漫游体验系统中。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的全方位行走跟踪装置结构示意图。

图2为本发明的虚拟交互系统结构示意图。

图3为机械测速装置原理示意图。

图4为速度合成示意图。

具体实施方式

结合图1，一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置1、工作台 2、滚动球3、制动装置4、万向滚珠5、测速装置6、可升降支撑架7和万向滚珠固定环8，

所述工作台 2设置在地面上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置1，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置1的下方，

滚动球3设置在可升降支撑架7上并可在该支架上滚动，该滚动球的上端位于工作台的通孔处，滚动球3上套有两个以上万向滚珠固定环8，每个万向滚珠固定环8上均设置若干万向滚珠5。

工作台的侧面设置梯子9。

腰部固定装置1包括腰部固定环和支撑座，所述支撑座与腰部固定环相连，其固定在工作台的上方。

所述万向滚珠固定环的个数为3个，该三个万向滚珠固定环的平面相互平行，所述三个万向滚珠固定环分别位于滚动球3的上部、中部和下部，每个万向滚珠固定环上设置三个以上万向滚珠。使用万向滚珠可对滚动球起到稳定支撑和减少摩擦的作用，从稳固性和可维护性上考虑，位于滚动球3上部和下部的万向滚珠固定环上分别设置八个万向滚珠5，位于滚动球3中部的万向滚珠固定环上设置四个万向滚珠5。

所述制动装置4用来阻止滚动球转动。可安装于上部或中部万向滚珠固定环上，控制按钮放置在操作者附近，方便控制。制动点的多少不定，但从稳定性和简易性上考虑，制动点以三个点为宜。该三个制动装置均匀分布在上部的万向滚珠固定环的三等分点位置处。

所述测速装置6的数量为偶数个，其数量大于等于2，位于套在滚动球3中部或下部的万向滚珠固定环8上。测速装置要求两个或以上成对出现，但通常使用一对或两对为宜。在滚动球的赤道处x，y垂直的两个方向分别放置一个，用来测定滚动球x、y方向的旋转的速度，经过一定运算，即可得出操作者的运行方向和速度。测速装置有机械式和光电式等多种样式。如果是两对测速装置，则两组数据综合处理，可使数据更加精确。

结合图3，本发明的测速装置可采用机械测速装置，该装置包括滚动球3、压力滚轴41、发光二极管42、有孔圆盘43、光学感应器44；测速过程如下：

（1）操作者在滚动球上任意方向走动，滚动球跟着一起滚动。

  （2）滚动球在垂直的两个方向上分别装一个压力滚轴41，一个用来探测x、y方向运动。当球滚动时，这两个压力滚轴41的一个或者两个跟着转动。

  （3）每个滚轴连着一个有孔的圆盘43。当滑轮滚动时，轴和圆盘一块跟着旋转。

  （4）在圆盘的两侧有一个发光二极管42和一个光学感应器44，圆盘转动时外围的间隔孔阻隔了发光二极管发出的光线，因此另一侧的光学感应器就接收到了光脉冲。脉冲的频率直接和滚动球转动的距离和速度相关。

（5）处理芯片读取光学感应器的脉冲并且把它转换成二进制，传送至计算机进行处理。

测速装置也可以采用光电式测速装置进行，光电测速装置的原理类似于光电鼠标测速原理，光电式测速装置定位的工作流程大致为：发光二极管照亮采样表面，对比度强烈的待采样影像通过透镜在CMOS上成像，CMOS将光学影像转化为矩阵电信号传输给DSP。当滚动球转动时，DSP则将此影像信号与存储的上一采样周期的影像进行比较分析，然后发送一个位移距离信号到接口电路。接口电路对由DSP发来的位移信号进行整合处理，而已传入计算机内部的位移信号再经过驱动程序的进一步处理，最终在系统中形成在x、y轴方向的位移。

所述滚动球3为表面粗糙的硬质圆球。所述滚动球3为表面成磨砂状的塑料球。

滚动球需用具有一定磨砂防滑材料，滚动时不宜噪音太大，且不宜太重，强度可以支撑一个人重量即可。

可升降支架用来固定滚动球、滚珠固定环等装置。为了方便维护，支架可以升降。腰部固定装置，由于滚动球本身会有一定阻力，人运动时需要有一定的支撑，同时也为防止操作者偏离操作位置，可在操作者腰部制作一个环状约束设备保护操作者。

结合图2，一种全方位行走跟踪装置的虚拟交互系统，包括全方位行走跟踪装置、操控计算机11、虚拟交互设备12、图形工作站13、投影仪14和投影幕15，所述操控计算机11、虚拟交互设备12均位于全方位行走跟踪装置的工作台 2上，图形工作站13位于全方位行走跟踪装置的工作台下地面上或者地面上合适位置，投影仪14设置在房间的观摩区，投影幕15设置在投影仪14的投影方向前端，所述全方位行走跟踪装置、操控计算机、虚拟交互设备、投影仪均与图形工作站13相连接。

工作时，全方位行走跟踪器滚动球3滚动，带动与滚动球3贴合的两个测速装置的压力滚轴41一起转动，两个光学感应器44分别测得光感频率变化情况，将两个光感频率信号转换为速度的量值，传送给图形工作站13进行计算，通过两个相互垂直方向的速度大小，如图4所示通过Vx、Vy求出合速度V，即可得出真实的行走方向θ和速度V。行走速度V可通过乘一个比例因子，转换为屏幕上像素上的速度。将行走速度V和方向θ传入安装在图形工作站13上的虚拟仿真环境中，驱动虚拟人在场景中进行自由行走，通过传入的θ角不断变换虚拟环境观察角度，从而实现了人的真实行走到虚拟人行走的运动映射。虚拟仿真环境将不断变化的虚拟场景通过数据线从图形工作站13输送到操作者所佩戴的数据头盔和投影仪14。操作者就可以根据看到的实时场景完成下一步的虚拟操作，同时将虚拟场景通过投影仪展示给观摩者进行鉴定。在虚拟操作过程中，操作者为了更逼真的完成虚拟操作，可能会佩戴数据手套、位置跟踪器、数据衣等交互设备，系统中所示虚拟交互设备12就是这些设备的统称，可多可少。这些虚拟交互设备通过各自的数据传输线与图形工作站13相连，与虚拟仿真环境进行数据交换。

操控计算机11与图形工作站通过网卡或串口相连接，装有虚拟操作的图形用户接口软件，操作者可用来设置虚拟操作的任务和方法等，再将指令传送给图形工作站，完成虚拟操作任务。

实施例1

一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置1、工作台 2、滚动球3、制动装置4、万向滚珠5、测速装置6、可升降支撑架7和万向滚珠固定环8，

所述滚动球3为表面成磨砂状的塑料球，为了搬运方便，滚动球3为可拆卸的；

所述工作台 2设置在底座上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置1，该腰部固定装置1包括腰部固定环和支撑座，所述支撑座与腰部固定环相连，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置1的下方；

滚动球3设置在可升降支撑架7上并可在该支架上滚动，该滚动球3的上端位于工作台的通孔处，滚动球3上套有三个万向滚珠固定环8，该三个万向滚珠固定环的平面相互平行，所述三个万向滚珠固定环分别位于滚动球3的上部、中部和下部，每个万向滚珠固定环上设置三个以上万向滚珠，位于滚动球3上部和下部的万向滚珠固定环上分别设置八个万向滚珠5，位于滚动球3中部的万向滚珠固定环上设置四个万向滚珠5；

所述制动装置4的数量为3个，该三个制动装置分别分布在上部的万向滚珠固定环的三等分点位置；

所述测速装置6的数量为4个，该四个测速装置位于套在滚动球3中部或下部的万向滚珠固定环上。

实施例2

一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置1、工作台 2、滚动球3、制动装置4、万向滚珠5、测速装置6、可升降支撑架7和万向滚珠固定环8，

所述滚动球3为表面成磨砂状的塑料球，为了搬运方便，滚动球3为可拆卸的；

所述工作台 2设置在底座上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置1，该腰部固定装置1包括腰部固定环和支撑座，所述支撑座与腰部固定环相连，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置1的下方；

滚动球3设置在可升降支撑架7上并可在该支架上滚动，该滚动球3的上端位于工作台的通孔处，滚动球3上套有两个万向滚珠固定环8，该两个万向滚珠固定环的平面相互平行，所述两个万向滚珠固定环分别位于滚动球3的上部和下部，每个万向滚珠固定环上设置三个以上万向滚珠，位于滚动球3上部和下部的万向滚珠固定环上分别设置八个万向滚珠5；

所述制动装置4的数量为3个，该三个制动装置分别分布在上部的万向滚珠固定环的三等分点位置；

所述测速装置6的数量为4个，该四个测速装置位于套在滚动球3下部的万向滚珠固定环上。