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的制作方法
技術領域：
本發明屬于虛擬現實人機交互技術領域，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。
背景技術：
虛擬現實技術應用非常廣泛，在虛擬裝配、虛擬維修、虛擬戰場訓練、三維游戲等領域應用很普遍。如虛擬裝配系統，它是虛擬現實技術在制造業的典型應用，它利用虛擬現實技術建立一個具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環境，借助于虛擬現實的輸入輸出設備，設計者在虛擬環境中人機交互式地進行裝配和拆卸操作，檢驗和評價產品的裝配性能， 從而生成經濟、合理、實用的裝配方案。虛擬裝配對優化產品設計、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速度、提高裝配質量和效率具有重要意義。該設備可應用在學校的虛擬仿真實驗室、軍事虛擬訓練和全沉浸式游戲中，應用范圍很廣。但是對人在一個平面內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，市面上也沒有相關的虛擬交互設備可供使用。運用位置跟蹤器也只能在一個很有限的空間內實現對人的位置跟蹤，無法完成大場景的漫游任務。為了解決這個問題，英國Warwick大學研制了一種新型的虛擬裝配環境——Cybersphere0采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉的支架上，操作者處于球體內部，直接與球內表面接觸，完成自由行走的功能。這種設備雖然兼顧了三維場景顯示和行走跟蹤兩大功能，但這種設計存在幾個明顯弊端。1、人在球內，進出很不方便，而且操作者隨身所帶的交互設備必須是無線通信的， 無法用電纜與外部相連，而現有的數據衣、數據手套、數字頭盔基本都是有線的，所以很難使用。2、這種設計將球體同時作為球形顯示設備，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，維護成本相當高，很難得到普及。由上可知，現有技術中的虛擬現實人機交互設備還存在不完善之處，不能完全滿足用戶的需求。

發明內容
本發明所解決的技術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。實現本發明目的的技術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，
所述工作臺設置在地面上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置的下方，滾動球設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，每個萬向滾珠固定環上均設置若干萬向滾珠。優選的工作臺的側面設置梯子，所述腰部固定裝置包括腰部固定環和支撐座，所述支撐座與腰部固定環相連，其固定在工作臺的上方，所述萬向滾珠固定環的個數為3個， 該三個萬向滾珠固定環的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環分別位于滾動球的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環上設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上分別設置八個萬向滾珠，位于滾動球中部的萬向滾珠固定環上設置四個萬向滾珠。所述測速裝置的數量為偶數個，其數量大于等于2，位于套在滾動球中部或下部的萬向滾珠固定環上。所述滾動球為表面粗糙的硬質圓球。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的三等分點位置處。本發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、內張蹄式制動器、帶式制動器、盤式制動器等。一種全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統，包括全方位行走跟蹤裝置、操控計算機、虛擬交互設備、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，投影儀設置在房間的觀摩區，投影幕設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、虛擬交互設備、投影儀均與圖形工作站相連接。本發明與現有技術相比，其顯著優點為1)本發明的裝置結構簡單，造價較低廉， 便于實施，實現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備不受有線或無線傳輸方式的限制；3)本發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，如有些類似的發明人需站在球內，球材質要求很高，就會有身高體重的要求，還有的設計為了實現操作者走動，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)應用廣泛。該設備可應用在學校的虛擬仿真實驗室、 軍事虛擬訓練、全沉浸式游戲、以及房地產等的虛擬漫游體驗系統中。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。


圖I為本發明的全方位行走跟蹤裝置結構示意圖。圖2為本發明的虛擬交互系統結構示意圖。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8，
所述工作臺2設置在地面上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置1，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置I的下方，
滾動球3設置在可升降支撐架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8，每個萬向滾珠固定環8上均設置若干萬向滾珠5。
工作臺的側面設置梯子9。腰部固定裝置1包括腰部固定環和支撐座，所述支撐座與腰部固定環相連，其固定在工作臺的上方。所述萬向滾珠固定環的個數為3個，該三個萬向滾珠固定環的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環分別位于滾動球3的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環上設置三個以上萬向滾珠。使用萬向滾珠可對滾動球起到穩定支撐和減少摩擦的作用，從穩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上分別設置八個萬向滾珠5，位于滾動球3中部的萬向滾珠固定環上設置四個萬向滾珠5。所述制動裝置4用來阻止滾動球轉動?？砂惭b于上部或中部萬向滾珠固定環上， 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的三等分點位置處。所述測速裝置6的數量為偶數個，其數量大于等于2，位于套在滾動球3中部或下部的萬向滾珠固定環8上。測速裝置要求兩個或以上成對出現，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方向的旋轉的速度，經過一定運算，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，則兩組數據綜合處理，可使數據更加精確。結合圖3，本發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、發光二極管42、有孔圓盤43、光學感應器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。當球滾動時，這兩個壓力滾軸41的一個或者兩個跟著轉動。(3)每個滾軸連著一個有孔的圓盤43。當滑輪滾動時，軸和圓盤一塊跟著旋轉。(4)在圓盤的兩側有一個發光二極管42和一個光學感應器44，圓盤轉動時外圍的間隔孔阻隔了發光二極管發出的光線，因此另一側的光學感應器就接收到了光脈沖。脈沖的頻率直接和滾動球轉動的距離和速度相關。(5)處理芯片讀取光學感應器的脈沖并且把它轉換成二進制，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將光學影像轉化為矩陣電信號傳輸給DSP。當滾動球轉動時，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，然后發送一個位移距離信號到接口電路。接口電路對由DSP發來的位移信號進行整合處理，而已傳入計算機內部的位移信號再經過驅動程序的進一步處理，最終在系統中形成在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?？缮抵Ъ苡脕砉潭L動球、滾珠固定環等裝置。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狀約束設備保護操作者。結合圖2，一種全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統，包括全方位行走跟蹤裝置、 操控計算機11、虛擬交互設備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設置在房間的觀摩區，投影幕15設置在投影儀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 一起轉動，兩個光學感應器44分別測得光感頻率變化情況，將兩個光感頻率信號轉換為速度的量值，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上的虛擬仿真環境中，驅動虛擬人在場景中進行自由行走，通過傳入的0 角不斷變換虛擬環境觀察角度，從而實現了人的真實行走到虛擬人行走的運動映射。虛擬仿真環境將不斷變化的虛擬場景通過數據線從圖形工作站13輸送到操作者所佩戴的數據頭盔和投影儀14。操作者就可以根據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，可能會佩戴數據手套、位置跟蹤器、數據衣等交互設備，系統中所示虛擬交互設備 12就是這些設備的統稱，可多可少。這些虛擬交互設備通過各自的數據傳輸線與圖形工作站13相連，與虛擬仿真環境進行數據交換。操控計算機11與圖形工作站通過網卡或串口相連接，裝有虛擬操作的圖形用戶接口軟件，操作者可用來設置虛擬操作的任務和方法等，再將指令傳送給圖形工作站，完成虛擬操作任務。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設置在底座上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置1，該腰部固定裝置I包括腰部固定環和支撐座，所述支撐座與腰部固定環相連，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置I的下方；
滾動球3設置在可升降支撐架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8，該三個萬向滾珠固定環的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環分別位于滾動球3的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環上設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上分別設置八個萬向滾珠5，位于滾動球3中部的萬向滾珠固定環上設置四個萬向滾珠5 ;
所述制動裝置4的數量為3個，該三個制動裝置分別分布在上部的萬向滾珠固定環的三等分點位置；
所述測速裝置6的數量為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設置在底座上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置1，該腰部固定裝置1包括腰部固定環和支撐座，所述支撐座與腰部固定環相連，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置1的下方；
滾動球3設置在可升降支撐架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8，該兩個萬向滾珠固定環的平面相互平行，所述兩個萬向滾珠固定環分別位于滾動球3的上部和下部，每個萬向滾珠固定環上設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上分別設置八個萬向滾珠5;
所述制動裝置4的數量為3個，該三個制動裝置分別分布在上部的萬向滾珠固定環的三等分點位置；
所述測速裝置6的數量為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上。
權利要求
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[8]，所述工作臺[2]設置在地面上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置[1]，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置[1]的下方，滾動球[3]設置在可升降支撐架[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[8]，每個萬向滾珠固定環[8] 上均設置若干萬向滾珠[5]。
2.根據權利要求1所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，工作臺[2]的側面設置梯子M。
3.根據權利要求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]包括腰部固定環和支撐座，所述支撐座與腰部固定環相連，該支撐座固定在工作臺的上方。
4.根據權利要求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的個數為3個，該三個萬向滾珠固定環的平面相互平行，所述三個萬向滾珠固定環分別位于滾動球[3]的上部、中部和下部，每個萬向滾珠固定環上設置三個以上萬向滾珠。
5.根據權利要求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上分別設置八個萬向滾珠[5]，位于滾動球[3]中部的萬向滾珠固定環上設置四個萬向滾珠[5]。
6.根據權利要求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的三等分點位置處。
7.根據權利要求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]的數量為偶數個，其數量大于等于2，位于套在滾動球[3]中部或下部的萬向滾珠固定環[8]上。
8.根據權利要求1所述的全方位行走跟蹤裝置，其特征在于，所述滾動球[3]為表面粗糙的硬質圓球。
9.根據權利要求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。
10.一種基于權利要求1所述全方位行走跟蹤裝置的虛擬交互系統，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]設置在房間的觀摩區，投影幕[15]設置在投影儀[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]、虛擬交互設備[12]、投影儀[14]均與圖形工作站 [13]相連接。
全文摘要
本發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，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，所述工作臺設置在地面上，工作臺的上方固連高度可調節的腰部固定裝置，該工作臺的上方還設置通孔，通孔位于腰部固定裝置的下方，滾動球設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，每個萬向滾珠固定環上均設置若干萬向滾珠。本發明的裝置結構簡單，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 優先權日2012年1月10日
發明者于宏濤, 莊新軍, 徐建峰, 曹兆元, 楊戰軍, 郭正東 申請人:中國人民解放軍92995部隊, 楊戰軍