專利名稱：人體位移和姿態傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及虛擬現實技術中的一種人機交互裝置，具體地說，是一種將人體位移和姿態信息轉化成電信號并傳遞給計算機的傳感器裝置。
背景技術：
虛擬現實技術(virtual reality，簡稱VR)是上世紀末出現的一種人機交互技術，通過計算機圖形學、機電技術、電子技術等，構造一種仿真模擬的環境并與人交互。在VR系統中，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、觸覺仿真的真實性；要滿足“想象性”，則主要來自系統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、姿態等信號盡可能完整的獲取并傳送給計算機，通常采用的數據手套、跟蹤器等就是這類技術的產品。目前在虛擬現實中獲得人體移動和姿態改變信息通常采用電磁跟蹤器或機器視覺的方式，這兩種方式存在的共同缺點是都需要昂貴的硬件設備和配套的工作站，方能實現復雜的方位姿態算法；都需要相當大的空間，供人體自由移動。這些都限制了虛擬現實技術的應用和向更多領域的推廣。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種人體位移和姿態傳感器的新型裝置，以降低在虛擬現實系統中采集人體移動和姿態變化信息的設備成本、減少在虛擬現實中實現漫游所需要的空間面積、擴展虛擬現實技術的應用。
本實用新型是這樣實現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形支架，圓框四周裝有多個微動開關。圓框和環形支架之間呈活動連接，環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傳感裝置。
本實用新型是這樣運作的使用者與虛擬現實交互時，人體的胸部軀干被固定在圓框的中央。當人體前、后、左、右運動時，帶動圓框壓向環形支架，觸動圓框上的微動開關，產生脈沖，指示人體朝相應方向運動；與此同時，由于人體被環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，產生人體蹲下和跳起的信號；人的頭部轉動時，通過固定其頭上的頭部姿態傳感裝置，采集到頭部三個姿態角的數據。
綜上所述，由人體運動時帶動圓框壓向環形支架獲得的移動信號，由人體重心變化帶動環形支架在滑槽起伏得到人體蹲下和跳起的信號，由頭部姿態傳感裝置采集頭部姿態的變化信號。這些表示人體運動的位置和姿態的較為完整的信號，被送入計算機內的數據采集板經處理后，便可以計算出人體的動作、姿態。
本實用新型大大降低了在虛擬現實中確定人體位移和姿態的成本，且能在較小的空間范圍內模擬并產生人體在大地理范圍移動的感覺。
圖1.是本實用新型的整體結構示意圖圖2.是本實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算人體在虛擬現實環境的位移量之算法的程序流程圖。
圖5.是產生重心起伏運動信號的機械結構示意圖圖6.是頭部姿態傳感裝置示意圖圖中1.底座，2.立柱，3.圓框，4.滑槽，5.環形支架，6.微動開關(包括K1、K2、K3、K4)，7.觸發開關(K5是下限位開關，K6是上限位開關)，8.頭部姿態傳感裝置，9.低阻尼板，10.三軸電子羅盤，11.環形帶。
以下結合附圖敘述一個本實用新型的實施例。
具體實施方式
如圖1、圖5所示。立柱2垂直固定在底座1上環形支架5的端部與立柱2通過立柱上的滑槽4呈活動連接，即環形支架5可以上下滑動；觸發開關7為安裝在滑槽兩端的上限位開關K5和下限位開關K6；頭部姿態傳感裝置8主要由環形帶11和粘在該環形帶上的三軸電子羅盤10構成，該三軸電子羅盤采用美國霍尼韋爾公司的HMR3000，通過RS232串口給計算機CPU發送人體姿態信號；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和環形支架5在垂直面內起伏。當環形支架5沿立柱下降或上升到一定高度時，觸動了相應位置的上、下限位開關K6或K5，從而產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動的真實感。
圖3為圓框結構的俯視圖。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6；在圓框3的外面套裝著一個環形支架5；圓框3和環形支架5之問采用軸承連接，從而實現自由旋轉。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)，軀干受到環形支架5的限制，始終位于裝置中心。而人的腳步在底座1上滑動，從而產生人在運動的感覺。當人體在平面內移動時，圓框3被壓向環形支架5，相應的微動開關被觸發，產生了方向運動的信號。
圖2是本實用新型的電路原理圖。圖中，數據采集卡可以采用臺灣ADVANTECH公司的PCL-816產品；K1、K2、K3、K4是微動開關6，當有微小的力作用于其表面時，開關導通觸發開關7可以采用磁感應接近開關，其原理是當有磁性金屬物體靠近時，該開關導通。頭部姿態傳感裝置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算人體在虛擬現實環境的位移量之算法的程序流程圖。在運行虛擬現實軟件之后，給定一個坐標作為參與者的起始坐標(X0，Y0)，然后參與者在本實用新型內模擬運動，當K1導通時，表示人體向前運動，把縱坐標Y加上一個步長值H。同理，K2、K3、K4的導通分別表示人體向左、向后、向右的運動，每導通一次，分別把橫坐標減去H、縱坐標減H、橫坐標加H。人體的當前坐標，由起始坐標和得到的各方向步長值的累加得到。即 圖6是頭部姿態傳感裝置的示意圖。圖中方形裝置是三軸電子羅盤10，粘在環形帶11上，用以套在頭頂和頭部相連。
權利要求1.人體位移和姿態傳感器，其特征是有一個圓框(3)和套在圓框(3)外面的環形支架(5)，圓框(3)四周裝有多個微動開關(K1)，圓框(3)與環形支架(5)活動連接，環形支架(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傳感件(8)。
2.根據權利要求1所述的人體位移和姿態傳感器，其特征是圓框(3)與環形支架(5)之間采用軸承連接。
3.根據權利要求1所述的人體位移和姿態傳感器，其特征是所說環形支架(5)的一端與立柱(2)之間的活動連接，系指環形支架(5)的一端插入立柱(3)上的滑槽(4)內，滑槽(4)的兩端設有下限位開關(K6)和上限位開關(K5)。
專利摘要本實用新型涉及一種虛擬現實技術的傳感交互裝置—人體位移和姿態傳感器。主要由圓框、圓框外圍的環形支架、有滑槽的立柱、有低阻尼板的底座和圓框上方的頭部姿態傳感裝置構成，圓框上裝有多個微動開關，滑槽兩端裝有限位開關。人體運動時帶動圓框壓向環形支架獲得移動信號；人體重心變化帶動環形支架在滑槽起伏得到人體蹲下和跳起的信號；由頭部姿態傳感裝置采集頭部姿態的變化信號。這些人體各部位運動和姿態的綜合信號經計算機的數據處理后，便動態地計算出人體的動作、姿態。本實用新型結構簡單，由于人體在水平面的絕對位置不變，故節省了使用所需空間；采用簡單機械的辦法獲取人體位移，避免了采用復雜的算法和高速的計算機工作站，故大大降低了虛擬現實的實現成本。
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 優先權日2006年5月25日
發明者路堯 申請人:路堯