CN111107910A - 用于控制虚拟对象的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将数据输入到虚拟现实模拟系统中并且使得有可能通过确定用户的作用力来对真实对象的行为进行建模。所述系统包含连接元件，所述连接元件用于将身体固定在稳定平衡位置且使其有可能围绕经过其质心附近的至少一个轴线旋转。所述系统包含确定所述身体的取向以及从所述连接元件作用在所述身体处的力的量值和方向的元件。可使用一个连接元件、能够保持所述物质身体的两个连接元件，所述两个连接元件在空气或水环境中沿相反方向设置(利用浮力补偿)。在方法的框架中，确定环境的初始条件、施加到所述连接元件的力的矢量；计算所述用户所施加的力的矢量；并且使用所计算的力来模拟虚拟对象的行为。

Description

用于控制虚拟对象的系统和方法

背景技术

1.技术领域

发明组涉及虚拟现实模拟系统，具体地，涉及用于通过用户作用力来控制虚拟对象的数据输入装置。要求保护的技术解决方案可应用于计算机游戏中以及其他模拟器中，例如，在三维建模系统中用于教育、娱乐目的。本发明使得有可能在虚拟世界中，具体地在水下世界或虚构世界中利用类似于游泳的移动的物理原理来创建逼真的游戏或移动模拟器。

2.相关技术描述

虚拟现实市场在不断地发展，出现了新的任务，为了解决这些任务，首先，需要创建用于从真实环境收集用于模拟的数据的有效系统。整体上实现程序的可能性、真实对象和虚拟对象的动作的同步程度以及最终用户沉浸在虚拟环境中的程度及其舒适度取决于此类方法的质量。

根据虚拟现实中的程序场景，用户可独立地移动，或使用虚拟车辆来移动。此外，在真实世界和虚拟世界中的重力矢量的取向之间的长时间尖锐矛盾可引起恶心效果，这使得使用模拟器变得复杂。

汽车、航空、太空模拟器使用具有许多自由度的特殊舱室或运输装置，由于它们的大小和成本，它们可主要用于特殊模拟器或虚拟现实游乐设施中。

在虚拟现实中行走、奔跑可使用游戏控制器的模拟操纵杆进行控制，就像大多数普通计算机游戏中的情况一样(https://www.playstation.com/en-us/explore/accessories/playstation-vr-aim-controller/)，或者与腿部移动直接相关。感觉体验传输中最准确的是识别用户在房间中的实际移动，并将其转换成虚拟空间中的对应移动。这种方法允许处理平坦表面上的几乎任意身体活动-跳跃、下蹲、爬行等。然而，它需要足够大的房间，这个房间具有平坦的地板且没有障碍物，或者具有对应于虚拟游戏空间的地形和障碍物。因此，此类系统最经常地在虚拟游乐设施的专门场所内使用。

面向虚拟现实模拟系统设计的重要任务之一是用户在实际上空间有限的虚拟环境中在相当长距离上的移动。此类系统的主要目标是“吸收”由用户进行的真实移动。即，在虚拟环境中，用户可行进相当长的距离，同时维持移动的强度，因此维持最大程度地沉浸在虚拟环境中并维持逼真的模拟。

为了确定在受限空间中的行走，已经开发了各种固定式装置以允许现场移动。例如，设计类似于以下的装置：跑步机(US6152854A)、特殊移动平台(WO2017019884A1)、使行走的用户的腿回到其中央部分的球形和杯形表面(参见US5846134A、US2004242390A1)、脚踏平台((US5902214A)。此类解决方案间接地控制虚拟世界中的移动，并且仅限于识别平坦表面上的行走和奔跑。

因此，系统的主要目标是提供补偿、“吸收”用户移动的机会，同时通过任何另外的装置给用户带来感觉自己不受空间限制的机会。使用张紧的线缆来限制用户并补偿移动的系统在某种程度上满足了指定的要求。

具体地，已知一种用于对重力较小的介质(例如，在火星或月球上)进行三维模拟的装置(2016年9月29日的WO2016153147；2015年3月26日的KR10-2015-0042229、IPC(2006.1)F16H 7/08、F16H 7/18的优先权)，其包括形成虚拟空间的框架、连接到所述框架并在平台上方支撑用户的线缆、用于缠绕(展开)线缆的绞盘、用于每根线缆的张力测量装置、位于框架上的用户的位置测量装置(确定坐标)、张力控制控制器。利用类似于要求保护的解决方案的实现方法，所述装置解决了根本上不同的问题—通过使用户暴露于具有受控张力的张紧的钢丝绳(线缆)来产生给定的重力水平。

根据现有知识，已知用于模拟移动的系统和方法(2006年2月23日的WO2006017926A1；2004年8月20日的IUS60/602857、IPC7G09B 9/00、A61H 1/00、A63B 23/04的优先权)，其包含用于脚和手臂的两个支座、以及彼此独立地附接的钢丝绳、用于每根钢丝绳的驱动器以及安装在框架上的张力控制器，所述张力控制器控制线缆的长度并限制用户的移动。所述系统根据钢丝绳长度计算虚拟环境中的用户腿部的位置和取向，并且根据用户作用力提供反馈。所述模拟方法包括以下步骤：确定用户腿部的位置和取向；与虚拟环境匹配以确定它们之间的交互；以及根据此类交互来调整钢丝绳长度以按照用户作用力提供反馈。所述系统允许模拟有限范围的用户移动；它具有复杂的结构并且使其其应用范围变窄。一个具体的挑战是管理水环境中的虚拟对象。

已知一种解决方案(1993年12月21日的US5271106A；1992年6月10日的IPCA63B21/00、A63B69/12、E04H4/14、H04N7/18、E04H4/00的优先权)，它是一种泳池，所述泳池的壁上存在虚拟水环境的图像，所述虚拟水环境配备有用于产生水流(流动)(其强度取决于游泳者的活动)以及其他附加效果的装置。所述解决方案不允许实现需要准确地确定用户的移动和(或)作用力的模拟器。

此外，已知用于将用户在水下的移动转移到虚拟现实中的解决方案。具体地，虚拟潜水的方法和系统(2010年2月2日的US 2010/0302233 A1；IPC 2006.1G06T17/00、G06F17/30、G09G5/00、G06F3/03、G06N5/2)。所述系统包括位于水面上的至少三个电子元件，所述至少三个电子元件确定紧邻期望潜水地点的潜水区域。每个电子元件都包括微处理器控制式收发器，所述收发器从位于处在潜水区域中的潜水者身上的水下声学应答器接收关于游泳者沿着x-y-z轴的位置的数据。所述系统通过通信线路收集游泳者的水下虚拟现实数据，从而为用户提供选择。紧邻游泳者头部的许多传感器通过通信线路将潜水者头部的加速度、水平和竖直位置传输到位于水面上的电子模块中的至少一个上的信号解码器。在游泳面罩上为游泳者的每只眼睛安装一对投影仪和光学元件。图形处理器根据游泳者及其头部的位置和取向实时地再现虚拟现实的图像。因此，游泳者可处于在选定地点并且具有选定海洋居民的虚拟现实中。用于模拟在选定环境中的水下游泳的虚拟现实的方法包括以下步骤：通过位于水面上且位置靠近潜水地点的至少三个电子元件以及在这些电子元件中的每一个中的处理器控制式收发器来确定潜水区域；通过收发器从位于游泳者身上的声纳应答器接收数据，利用电子水面元件中的一个中的图形处理器通过通信信道为游泳者提供数据；通过光学元件广播视觉数据。所述系统是技术上和操作上都很复杂的产品，并且游泳者也可能离开模拟区，即，在测量装置的范围之外。

在已知的虚拟对象控制系统中，通过使用钢丝绳系统(线缆、张力线缆)实现的主要结果是对用户的影响，这种影响允许用户感觉到虚拟力(例如，WO2010130346、WO2008070584)。在虚拟空间中建模是基于用户在与钢丝绳(张力线缆)相关联的固定系统中的已知绝对坐标来执行的。因此，使用了单独的跟踪模块，或者使用了关于张力线缆长度的信息，从而允许准确地确定张力线缆附接点的坐标。但用于此类系统的关于用户所施加的力的信息还不够。这一种类的已知系统是例如基于具有大量钢丝绳(张力线缆)的框架的装置、驱动器和(或)用于控制线缆的长度和张力的其他装置，以及用于确定用户或系统其他部分的位置的装置。此外，被设计来将反馈传输到对象的系统意味着将其固定，使得可通过改变张力线缆的长度将与物质身体相关联的虚拟对象的任何容许移动(包括其容许旋转)传输到身体。因此，张力线缆附接到物质身体的不同点，从而使物质身体和系统不可能自由旋转，因此需要足够数量的张力线缆(三根或更多)。

3.技术挑战

要求保护的发明组旨在解决的技术挑战是，使用具有强大功能和发展潜力的在技术和操作上更简单的装置在虚拟空间中创建真实对象的行为的逼真模拟。通过实现技术结果来解决所述问题，所述技术结果在于提供了通过确定使系统失衡的用户作用力来创建与虚拟现实中的对象相关联的真实对象的行为的物理模型的可能性。要求保护的系统可用于模拟有限的真实空间中的各种类型的用户移动，而不需要复杂的安装系统来进行其操作。

发明内容

通过用户作用力来进行虚拟对象控制的要求保护的系统，所述用户作用力旨在移动与虚拟对象相关联的物质身体，所述物质身体利用至少一个连接元件的系统进行固定，使得至少一个连接元件的系统能够将所述身体保持在稳定平衡状态且使其有可能围绕经过其质心附近的至少一个轴线旋转，所述系统包含确定物质身体在空间中的取向以及从至少一个连接元件的系统那一侧作用在物质身体上的力的量值和方向(矢量)(例如，使用三轴传感器来确定力矢量)的元件。

另外，所述系统可包括确定物质身体的加速度的元件。

优选的是，对于不超出最大预期力的移动物质身体的任何用户作用力，应始终有系统的至少一个连接元件具有非零张力。

至少一个连接元件的系统在这种情况下可包括能够将物质身体在空气中保持在悬吊状态的单个连接元件，而预期来自用户的最大力不超出物质身体的重量。或者至少一个连接元件的系统包括能够保持物质身体的两个连接元件，所述两个连接元件沿相反方向张紧。

当在液体介质(水)中实现所述系统时，至少一个连接元件的系统可由能够利用负浮力将物质身体保持在悬吊状态的单个连接元件组成，并且最大预期力不应超出作用在物质身体上的重力和浮力的值之间的差。替代地，至少一个连接元件的系统由能够用负浮力将物质身体保持在悬吊状态而不能上浮的单个连接元件组成，并且最大预期力不超出作用在物质身体上的浮力与重力之间的差。

所述系统的至少一个连接元件可包括：实现将所述连接元件解除联接的功能的分段，或有可能围绕平行于张力轴线的轴线自由旋转的分段，或允许测量施加到所述连接元件的力的量值的分段。此外，每个连接元件优选地应配备有用于测量其张力的张力计。固定所述连接元件可使用块或配重块系统来执行。

当模拟游泳时，将游泳者视为附接有装备的物质身体，所述装备包括视觉信息显示装置(例如，与游泳面罩相结合的虚拟现实头戴式受话器)。在这种情况下，要求保护的系统可包括呼吸和空气供应系统，所述呼吸和空气供应系统的有线信道沿着所述连接元件中的一个定位。

连接元件与物质身体的联接优选地应使用中间连接单元来完成，所述中间连接单元允许物质身体围绕经过物质身体的质心附近的一个或多个轴线旋转。这种中间连接单元可由内环组成，所述内环被制作成有可能紧固到受控物质身体并且在外环内部旋转，并且这种中间连接单元还包含支架，所述支架允许围绕垂直于环的轴线的轴线旋转。

为了确定施加到连接元件的力的方向，可将磁体定位在其上，并且靠近物质身体的质心将磁力计安装在磁体附近。

用于通过用户作用力来控制虚拟对象的要求保护的方法，所述用户作用力旨在移动与虚拟对象相关联的物质身体，所述物质身体使用至少一个连接元件的系统被固定在稳定平衡位置，而改进之处在于：

-确定物质身体所处环境的初始条件，

-确定施加到至少一个连接元件的系统的每个连接元件的力的矢量，

-计算用户所施加的力的矢量，

-使用所计算的力来模拟虚拟对象的行为。

另外，可确定作用在物质身体上的显著外力的矢量以及物质身体的自我加速度矢量。

根据模拟器的目标，可为每个连接元件设定所施加力的初步水平。

如果用户充当物质身体，则优选的是确定对应于用户的眼睛的立体相机在虚拟世界的坐标系中的位置。

由发明组引起的积极效果

要求保护的发明组的主要目的是测量由用户施加在将用户保持在有限体积的限度内的连接元件系统上(例如，由游泳者施加在将用户固定在室内或室外水池中给定高度处的特定体积中的连接元件上)的力的量值和方向。

用户所施加的力的确定是通过确定作用在用户固定元件(连接元件)上的力矢量来进行，并且用于在虚拟世界的给定物理模型的框架内计算用户在虚拟空间中的移动，在所述虚拟世界中用户并不固定在一个地方。因此，用户以特定作用力并沿特定方向作用在固定在用户身上或其身体外部的连接元件上，从而控制其在虚拟空间中的移动。例如，游泳者使作用力与其沿给定方向游泳的意图一致，从而实际上可在虚拟空间中沿此方向移动。所获得的数据用于对游泳者在虚拟空间中的移动(游泳)进行逼真的模拟。

与已知的类似物(其使用诸如张紧的线缆、钢丝或绳索的连接元件作为用于影响用户或从用户接收反馈的机构)相比，要求保护的解决方案允许模拟更大范围的用户动作：从通过作用于受控物质身体来驾驶车辆，到用户自己在不同环境(空气、水)中的定向移动。无需确定用户的实际坐标；模拟是基于所计算的用于移动的用户作用力。这种机制大大简化了系统，而不会损害使用户沉浸在虚拟环境中并维持模拟逼真度的有效性。

要求保护的系统被设计成通过测量所施加的力来确定物质身体的质心的位移。在这种情况下，与已知系统不同，身体保留所有自由度，即相对于虚拟模型中虚拟身体可用的所有轴线的旋转可能性。因此，实现所述系统不需要大量的连接元件，并且在存在两个或更多个连接元件的情况下，力的施加点应基本上重合，以便不会限制对象的旋转自由度。

附图说明

通过附图示出发明组的实质，所述附图描绘：

图1-系统的实施方案，其中受控物质身体悬吊在单个连接元件上；

图2-系统的实施方案，其中受控物质身体安装在两个相反设置的连接元件之间，

图3-系统的实施方案，其中通过固定在底部的单个连接元件阻止游泳者上浮，

图4-用于将连接元件附接到游泳者腰带的系统，

图5-用于浮潜的系统的实施方案，

图6-系统的实施方案，其中通过固定在岸上的单个连接元件阻止游泳者下降，

图7-用于将两个连接元件附接到游泳者腰带的系统，

图8-包括用于确定连接元件所施加的力方向的磁体和磁力计的系统，

图9-作用在测量中心的力矢量，

图10-游泳者静止状态的力矢量，

图11-坐标系的相互关系。

具体实施方式

通过用户移动与虚拟对象相关联的物质身体来进行虚拟对象控制的要求保护的系统(以下称为CS)是至少以下元件的组合：

-确定物质身体在空间中的取向的元件，所述元件刚性固定到受控物质身体或者是受控物质身体的一部分，

-包括用于使物质身体保持平衡的至少一个连接元件的系统，前提是连接元件在一端通过中间连接单元连接到物质身体，而另一端连接到固定的支撑件或支撑件，所述支撑件的移动性是可忽略的。

-用于测量从至少一个连接元件的系统作用在物质身体上的力的量值和方向的元件。

为了构建更准确的物理模型，可确定物质身体的自我加速度，然而，对于小幅度移动，可忽略自我加速度。

至少一个连接元件的系统确保受控物质身体处于给定体积内，并且有可能使身体围绕经过其质心附近的至少一个轴线旋转。同时，稳定平衡点的存在将使身体有可能在没有用户作用力的情况下努力回到其初始位置。因此，当用户处于有限物理空间中时，可创建虚拟世界中的自由移动的模型。

CS的主要目的是确定用户施加到受控身体的力矢量，以及受控身体在空间中的取向。基于旨在克服受控身体的平衡的用户动作，这些数据允许计算物理模型并在虚拟空间中创建逼真的模拟。

受控物质身体是真实对象，其取向和作用在其上的力被测量并用于计算其对应身体在虚拟空间中的位置(行为)。受控物质身体可以是用户所持的装置壳体或附接有装备的用户本身。

受控身体由至少一个连接元件和任选的中间连接单元的系统保持。连接元件意指张力线缆、钢丝、绳索、棒、杆或用于限制受控身体的移动的其他构件，包括弹性构件。在下文中，出于简洁的目的，同义地使用张力线缆和连接元件。

张力线缆可由通过各种适配器连接的若干分段组成，其中例如：

-提供张力线缆分段围绕其轴线(围绕平行于张力线缆轴线的轴线)的旋转，以防止张力线缆扭绞，

-用于联接(解除联接)拉伸标记的弹簧钩，

-测量张力量值的适配器，

-适配器—张力方向标记。

张力方向标记是相对于张力线缆的轴线具有恒定取向的元件，用于确定张力线缆的张力矢量的方向。它可以是磁轴与张力线缆的轴线一致、安装在张力线缆上或连接张力线缆的分段的磁性元件。

为了将张力线缆与受控物质身体连接在一起，使用中间连接单元，所述中间连接单元可由可相对于彼此移动的若干元件组成，例如，允许受控身体围绕经过测量中心附近的轴线旋转的旋转接头。

受控身体的测量中心应理解为意指相对于身体大小的点或小区域，在这个点或小区域中测量施加到受控身体的力。测量中心应靠近受控身体的质心，以便确保必要的测量准确性。它对应于用于建立虚拟身体移动的物理模型的物质点—虚拟身体的质心。

根据张力线缆的数目、张力线缆的位置和受控身体所处的环境(例如，空气或水)，CS可具有各种设计版本。

在使用一根张力线缆的情况下，控制系统可以是悬吊装置(参见图1)-受控物质身体(即，测量单元2)置于固定在用户上方的张力线缆1上。此实施方案例如用于模拟在计算机游戏中驾驶车辆。出于相同的目的，张力线缆的固定点可位于受控物质身体下方作为质心。这些装置的结构简单，安装简单(仅需要一个附接点)，并且在操作中能够解决各种各样的任务。

用户可在站立在地板上的同时，通过围绕张力线缆1的附接点(围绕支撑件)进行推动、牵拉、提升、按压和转动来作用于所述身体(测量单元2)。在这种情况下，使所述身体从平衡位置移开的任何用户作用力都无法使其移动的距离大于张力线缆1的长度。在虚拟空间中，此类效果可理解为例如控制潜水艇、直升机和航天器的旋转和加速度。

为了确保模拟的高质量和稳定性，有必要将张力线缆1预张紧。它的值根据用户可施加的预期最大力的值来确定，使得张力不完全从张力线缆1释放。对于各个种类的模拟器，此最大力的量值可例如根据用户移动的预期性质而变化。因此，在娱乐模拟器中，用户的移动更加顺畅，与例如体育模拟器相比，它需要的张力线缆预张力更少。

在模拟期间，系统的至少一根张力线缆1有必要具有非零张力，使得当用户施加指定的最大预期力时，张力将不完全从张力线缆1释放。如果张力完全释放，则记录的张力方向将发生变化，并且对力的进一步增大的测量将变得不可靠，直到返回到预设的限度为止。

在悬吊实施方案中张力线缆1的预张力可由受控物质身体的重量来提供。应选择重量，当张力从张力线缆1释放时(例如，当举起10kg的重量时)，所述重量将不允许用户在模拟器时间尺度内舒适地保持物质身体达相当长的时间。

当实现张力线缆1被固定在受控身体的高度以下的CS实施方案时，由于用户施加另外的力，可产生恒定张力。即，为了使用户在虚拟环境中停留在一个地方，持续施加足以张紧张力线缆1中的至少一根的力。这种力将在模拟器中被接受为零。

另一预张紧实施方案选项允许实现涉及使用张力线缆1的系统(参见图2)的预张紧，使得张力线缆1中的至少一根能够补偿从另一根张力线缆1释放张力。例如，两根相反张紧的张力线缆1，导致从一根张力线缆1释放张力的用户作用力将导致张力在另一根张力线缆上增大。基于第二张力线缆1的张力方向来记录用户施加的力，第二张力线缆1的张力量值增大。这种实施方案可以是用于三维建模或游戏的台式装置。

出于其他目的，可使用更多张力线缆1。

用于基于用户动作进行物理建模的测量可通过使用以下来进行：

-陀螺仪，用于确定物质身体在空间中的取向，其固定成相对于物质身体静止不动，

-加速度计，用于确定受控物质身体的自我加速度，

-张力计，用于确定张力线缆1的张力的量值，

-传感器，其确定张力线缆1的张力方向(下文考虑实施方案的详细示例)。

-或者三轴传感器，用于力矢量配准。

优选的是，这些仪表位于测量单元2的单个外壳中，测量单元2被施加力并且表示质心或固定在质心中。力和张力方向的测量器械可位于外壳之外。具体地，张力计可位于测量单元2的输入处(在其与张力线缆1接触的地方)，或张力线缆1的任意位置处。

关于来自所有仪表的测量结果的信息可被传输到中央控制器，中央控制器在其中处理传入的数据并且通过有线或无线信道将结果传输到信息输出装置—模拟装置。每个仪表可独立地将信息传输到用于收集并处理信息的装置。

确定张力的方向和量值的仪表的数量取决于张力线缆1的数量。当使用不止张力线缆1时，应考虑用户对每根张力线缆的影响。同时，当使用大量张力线缆1和系统的已知几何形状时，可基于关于其他张力线缆1的张力的已知数据来计算关于一些张力线缆1的张力的数据。

基于计划最大负载并考虑必要的测量准确度来选择执行测量系统中的张力值的功能的装置(例如，张力计)。最大负载包括用户在使用系统的过程中产生的张力和先前产生的张力两者。对容许负载的大小的要求也适用于系统的张力线缆1。

运行虚拟现实模拟程序所需要的计算装备可位于用户的身体上，包括用作VR头戴式受话器内部的显示器的移动装置。

要求保护的CS可应用如下。

应初步确定实物对象所处环境的初始条件，并且优选地确定作用在实物对象上的显著外力(例如重力)。

使用张力线缆1的系统将物质身体固定在平衡状态。用户在使用模拟器的过程中对物质身体施加一些作用力，张力线缆1通过改变张力的量值和(或)方向对所述作用力作出响应。

为了确定用户所施加的力的量值，测量张力线缆1对用户作用力的响应力矢量，优选地，计算物质身体的自我加速度的矢量以及作用在所述身体上的已知显著外力的矢量。例如，通过从作用在所述身体上的所有力的合力减去所有张力线缆1的反作用力与作用在所述身体上的所有已知显著外力之和，来计算用户施加的力。作用在所述身体上的合力被计算为物质身体的已知质量与其实际加速度的测量矢量的乘积。

在这种情况下，可忽略一些力，这些力在控制虚拟对象的特定情境中不会显著影响计算的准确性。例如，这些力是介质的阻力和摩擦力。并且在实物对象小幅度移动的情况下，可忽略物质身体的真实加速度。

所计算的由用户施加的力被传输到模拟对虚拟对象的影响的程序，并且用于对作用在虚拟对象上的力进行建模。为了计算虚拟对象的移动，根据控制情境来缩放所计算的由用户施加到物质身体的力，并且将作用在虚拟对象上的其他由情境确定的力与其相加。

当模拟游泳时，CS可适于在水下使用。

游泳模拟系统(参见图3)在这种情况下优选地由以下组成：与游泳面罩3相结合的密封式VR头戴式受话器；呼吸和空气供应系统4；提供恒定的非零张力的浮力补偿器5；用于测量取向和张力的单元2，其固定在腰带上、靠近游泳者的重心；以及张力线缆1，其将游泳者保持在水池深度的期望水平处以防止其上浮或过度浸没。在这种情况下，受控物质身体是附接有装备(包括测量单元2)的用户。

解决方案使用游泳者在有限体积的水中的非刚性固定，并且可根据用于在具有足够深度的任何水池中或在开阔水域中安装张力线缆1的方法来实现。当计算系统时，有必要考虑游泳者在不与其所处体积的壁、底部和表面发生碰撞的情况下的可用移动体积。在这种情况下，可维持相对于经过质心附近的所有三个相互垂直的轴线的旋转。

为了确保游泳者的安全和游泳者容易使用，可将张力线缆1穿过位于底部(且(或)由负载7支撑)的块系统6并且固定在坚固表面上(在岸上固定在点8处)。中间连接单元应制作成使得在面罩减压或空气供应系统受损的情况下，岸上观察者可紧急释放张力线缆1的末端，从而确保游泳者上浮。游泳者自己必须有可能与张力线缆1快速紧急断开。当检测到系统故障时，也可使用自动断开系统。

张力线缆1附接到游泳者的腰带，从而允许他进行基本移动，而不允许游泳者的身体围绕其轴线转动和翻筋斗。通过在将张力线缆连接到物质身体时使用枢轴型联接，可确保更大的移动自由度。这种中间连接单元可以是包括以下的系统(参见图4)：附接到游泳者腰带的内环9、内环9在其内部自由地旋转的外环10，以及允许围绕垂直于所述环的轴线的轴线旋转的U形支架11。这允许游泳者围绕其轴线旋转，并且将物质身体相对于其旋转的点从身体表面上的点(在腰带上)转移到环的中心，所述中心更紧密地对应于其质心的实际位置。

浮力补偿器5提供张力线缆1的初步张力，从而将游泳者保持在水池中深度的预设水平处。使用具有可调整浮力的补偿器5(例如，潜水者的补偿背心)将允许调整张力。游泳者用来自压力容器的空气给背心泵气，从而使作用在他身上的阿基米德力在几千克的力之内变化。在这种情况下，张力缆线1的张力值可被设定成认为虚拟现实中的潜水者处于静止姿势。

如果使用浮力不可调整的补偿器5(塑料泡沫腰带、背心)，则与虚拟现实中的静止状态相对应的张力应与不施加任何作用力的游泳者所产生的张力一致。当使用相同装备时，此值可在特定限度内变化(根据游泳者身体的体积及其密度)。通常，人体的密度接近于水的密度，因此可假设张力线缆1的中性张力将接近于作用在游泳者装备上的阿基米德力减去装备的重量。例如，使用塑料泡沫腰带，对应于10kg重量的阿基米德力作用在其上。然后，确切的中性张力将在游泳者浸没之后在校准过程期间被确定为张力线缆1在游泳者不移动时的状态下的张力。

游泳者可由一端固定到其腰带而另一端固定在水池的底部处(例如，使用吸盘和/或负载7)的单根张力线缆1(参见图3)保持。用于产生正浮力的补偿器5必须被选择成使得游泳者在身体上无法产生完全释放附接到底部的张力线缆1的张力的下潜力。在平衡状态下，张力线缆1的张力等于作用在身体上的浮力(阿基米德)与重力之间的差。因此，利用浮力补偿器5作用在游泳者上的阿基米德力应使得其量值与作用在身体上的重力的量值的差不小于游泳者可产生的最大力。

在这种情况下，在游泳者竖直向下移动的时刻，将观察到张力线缆1的最小张力。如果假设游泳者在模拟期间产生的最大拉力为100N的力(大约对应于举起10kg的重量)，则张力线缆1在中性状态下的张力(当游泳者不施加作用力时)应不小于100N。然后，即使在剧烈向下移动的情况下，张力线缆1的张力也将不等于零。如果超出计划最大作用力，则张力线缆1将会松弛，从而暂时影响模拟逼真度。

在游泳者竖直向上移动的情况下，将观察到张力线缆1的最大张力。同时，游泳者的作用力(另外的100N)将与张力线缆1的初始张力(100N)相加，从而构成200N的最大值。因此，张力线缆1必须承受至少20kg的负载。

此外，有可能模拟浮潜，这对水池的深度要求不太高，并且不需要复杂的呼吸装备。对于实现方式(参见图5)，具有附接到底部和游泳者腰带的弹性张力线缆1的浅水池就够了。为了减小将游泳者向下拉的力的分量，可在腰带的背面上布置浮力补偿器5，从而允许游泳者沿着水面移动。在这种情况下，水位传感器可另外位于面罩的外部，以便向模拟系统提供关于水面上方的头部位置的信息。为了简化设计，可限制相对于游泳者的纵向轴线的旋转。

在另一实施方案(参见图6)中，张力线缆1可固定在游泳者上方-在岸上的固定点8处，或者在模拟的框架中可忽略其活动性的点处(例如，在质量显著超出游泳者重量的固定式潜水器上)。在这种情况下，使用提供负浮力的补偿器5，从而防止游泳者上浮并由此从张力线缆1释放张力。在这种情况下，最大预期游泳者作用力不应超出作用在物质身体上的重力和浮力的值之间的差。

如果模拟程序提供足够大的动态负载，则可能需要进行很大的预张紧，在此预张紧下，游泳者在尝试快速加速时将会经历来自其腰带的很大的反作用。这可导致顿挫感，这将对模拟的质量和游泳者的舒适度产生负面影响。为了克服这种缺点，可使用在相反方向上竖直张紧的两根张力线缆1的系统。张力线缆1可具有弹性，以确保游泳者在平衡点附近的活动性以及在加速期间不存在腰带冲击。在这种情况下，必须将两根张力线缆1固定，以便允许游泳者围绕同一点旋转。由于难以将张力线缆1固定在腰带上的一个点处，因此，为了实现这种结果，可使用上述的张力线缆1固定系统，所述系统包含具有共同旋转轴线的两个圆弧(参见图7)。

为了测量张力方向，使用三轴磁力计12以及磁体13的系统(参见图8)，所述三轴磁力计12位于测量单元2内部、靠近张力线缆1的附接点，所述磁体13位于张力线缆1上、靠近单元2，使得磁体13的南北轴与张力线缆1的方向一致。磁体13的强度以及从磁体13到磁力计12的距离可被选择成使得与磁体13在磁力计12的定位点处产生的强度相比，地球自然磁场的强度是可忽略的。然后，可基于由磁力计12测量的磁场矢量的方向来计算张力线缆1相对于磁力计12(并因此相对于块2)的张力矢量的方向。例如，直径为10mm、长度为25mm、具有5mm轴向孔、极化方向与圆柱体轴线一致、位于张力线缆1上、距磁力计的距离为50mm的永久圆柱形钕磁体在小于50μT的自然地球磁场强度下产生大于1,000μT的磁场强度。在这种情况下，张力线缆1的张力值可由位于其上的张力计14确定。所描述的装置是张力计的密封实现方式的一个示例，代替所述装置，可使用其他已知的方法和装置来确定张力的矢量。

计算装备15可位于游泳者的身体上(包括VR头戴式受话器3内部的移动装置)，或者部分地位于岸上，从而使得有可能使用固定式计算装置(参见图6)的强大计算能力。游泳者的装备与岸之间的必要通信可通过平行于张力线缆1延伸的有线信道来执行，因此在游泳者移动时不会产生另外的限制。

游泳者的空气供应系统可以是常规的水肺装置(与逼真的水肺潜水模拟器相关)。也可能的实现方式是，用于呼吸系统4的空气供应通道16也平行于张力线缆1延伸，并且储气筒(压缩机)17位于岸上。

为了使用模拟器提供更逼真的体验，系统可包括另外的仪表。例如，这些是：确定身体的各个部位(包括游泳者的背部)的弯曲。另外，可使用传感器来记录可能的紧急情况，诸如水进入面罩下方、空气供应系统受损、超出游泳者脉搏率的可接受值，以及其他允许启动自动紧急上浮系统的情况。

上述的虚拟对象控制系统可与其他已知的虚拟现实控制器结合使用。例如，与诸如LeapMotion的手部位置识别系统相结合，它允许游泳者看到虚拟手部并与虚拟对象交互。根据模拟器的性质，可使用模拟武器和其他附加装备的单独控制器。为了准确地确定身体部位在水下的位置，可使用外部相机，诸如MicrosoftKinect(适于在适当环境中工作)。

考虑当张力线缆1阻止带有提供正浮力的补偿器5的游泳者上浮时，示例上的CS的工作。

张力线缆1的预设的预张力为取决于模拟器的目标的零张力水平。当使用模拟器进行放松的游泳时，零张力可能很小(可能的最小值)，例如，5kg。在这种情况下，游泳者经历轻微的腰带压力。如果模拟器最初假设进行更剧烈的游泳，则将零张力水平设定成更大，例如，10kg。

当已经下潜时，游泳者将张力线缆1附接到腰带。此时，张力线缆1的张力小于设定的5kg，因此在虚拟现实中，游泳者被重力吸引到底部。游泳者将空气泵入背心，并且实际上处于同一位置，由张力线缆1保持。在这种情况下，张力线缆1的张力增大，游泳者在虚拟现实中的下潜减慢，然后在张力线缆1达到设定的零张力水平时停止。

在超出预期最大力以及在力测量、零点确定等方面的其他错误的情况下，对力的控制将暂时中断，这在虚拟现实中被游泳者感知为一些外来力(例如，暗流)的作用。系统的操作经验表明，在这种情况下很自然会感知到小的错误，即，它对模拟的逼真度没有关键性影响。当作用力返回到可接受的限度时，感知的逼真度将恢复。

CS仪表对以下进行测量：游泳者施加力的值和方向；位于腰带上、在重心处的受控物质身体的取向和加速度；以及游泳者的浮力。测量单元2可将原始传感器读数传输到模拟程序，或者使用它自己的资源执行一些计算。例如，当CS将游泳者的方位角和所计算的游泳者力矢量传送到模拟程序时，实现方式是可能的。

考虑可用来进行计算的物理模型，假设张力线缆1的附接点、重心和游泳者的浮力中心重合。在这种情况下(参见图9)，合力ma是重力mg、线缆张力T、阿基米德力F_a和力F_u之和，力F_u等于游泳者施加的力和水阻力之和。

可忽略低速移动固定的游泳者时水的阻力，并且可认为力F_u等于游泳者用于移动的实际作用力。游泳者为了移动而施加的力F_u可计算为合力ma与力mg、拉力T、浮力F_a之间的差

(1)

[数学公式(1)]

根据牛顿第一定律，每个时刻的力的合力ma等于佩戴好装备的游泳者的质量与其加速度的乘积。游泳者的质量是已知且恒定的，使用位于质心附近的三轴加速度计传感器来记录加速度矢量。重力mg被计算为自由落体加速度与带有装备的游泳者的质量的乘积。

阿基米德力不是恒定的，因为它与游泳者在呼吸期间的体积变化相关联，然而，其与吸气和呼气有关的部分可被视为游泳者作用力Fu的旨在进行竖直移动的分量。以相同的方式，游泳者针对竖直移动的作用力将被视为向潜水者的浮力背心充气/从潜水者的浮力背心放气。因此，力Fa被理解为意指恒定浮力，所述力等于在被接受为中性的条件下(例如在浅吸气状态下)作用在游泳者上的阿基米德力。可在静止时段(此时游泳者静止地悬停在张力线缆1的附接点上)开始时测量此力。在这种情况下，力的合力ma等于零，游泳者所施加的力Fu也等于零，这意味着恒定的阿基米德力Fa与已知力(重力ma和张力T)之和的量值相等而方向相反(参见图10)。

可使用已知力ma、mg、T、F_a来计算游泳者在每个时刻施加的力F_u减去水阻力。忽略阻力，可假设F_u反映了游泳者改变其速度的真实意图。

类似地计算使用两根张力线缆1的物理模型，不同之处在于，代替单个张力矢量T，应计算两根张力线缆T₁+T₂的总张力矢量(矢量和，参见图2)。利用张力线缆1的几何形状的已知参数和给定弹性系数，张力矢量中的一个可通过另一个来计算。已知张力线缆1中的一根的张力及其弹性系数允许确定其伸长率，所述伸长率与关于张力线缆1的附接点的位置和第一张力线缆1的偏转角度的信息一起允许确定第二张力线缆1的伸长率及其偏转角度，这允许确定第二张力线缆1的张力。由于计算错误、安装几何误差以及弹性系数可能不一致，使用第二张力测量模块似乎是优选的。

为了简化计算，可使用略有不同的模型，在所述模型中，为了计算用户所施加的力，无论作用在身体上的恒定外力的性质如何，知晓其质量、加速度以及张力线缆1的张力之和相对于它们在平衡状态下的张力之和的变化就够了。

假设所述身体由附接到其质心的N根张力线缆1的系统固定在稳定平衡状态。已知与时间无关的一些恒定力作用在所述身体上(诸如重力、阿基米德力)，并且用户也可作用在所述身体上。

然后，根据牛顿第二定律，在任何时刻，以下公式为真

(2)

[数学公式(2)]

其中m是身体的质量，a是身体的加速度(以这种方式，ma是作用在身体上的力的合力)，T是从张力线缆1那一侧作用在身体上的所有力之和，F_const是作用在身体上的所有与时间无关的力之和，F_u是用户为了移动身体所施加的力。

然后，用户为了移动身体而施加的力可被计算为

(3)

[数学公式(3)]

将T_o设为在没有用户影响的情况下在平衡状态下由张力线缆1作用在所述身体上的所有力之和。则以下等式为真

(4)

[数学公式(4)]

或

(5)

[数学公式(5)]

在这种情况下，(3)呈以下形式：

(6)

[数学公式(6)]

以某种方式估计的力矢量连同关于受控物质身体在世界坐标系中的当前取向的信息一起被传输到模拟程序，所述当前取向例如是使用位于例如测量单元2中的陀螺仪传感器来估计的。取向传感器可允许将在装置坐标系中所计算的力转换到世界坐标系中。

模拟程序计算所施加力对游泳者的身体虚拟对象的影响，并控制质心的移动和游泳者虚拟身体在虚拟空间中的取向，换句话说，确定在与虚拟世界中的固定坐标系19中的游泳者虚拟身体相关联的坐标系18中的位置和取向(参见图11)。在这种情况下，所用的对象质量估计值可能与实际值不同，游泳环境的摩擦因数可能与水的摩擦因数不同，并且可使用虚拟世界的物理模型中的其他差异。因此，例如，在虚拟空间中，游泳者可能以不同于通常水下速度的速度移动，这与游戏或模拟器的想法相对应。

为了使用户通过VR头戴式受话器正确地感知虚拟世界图片广播，有必要计算对应于游泳者的眼睛的立体相机20在虚拟世界中的坐标系19中的位置。

VR头戴式受话器3具有它自己的取向跟踪传感器，以便无论受控物质身体的取向如何都检测游泳者头部的旋转。因此，为了正确计算相机20在虚拟空间中的位置，知晓与游泳者的头部相关联并且具有在头部的转动点处的旋转中心的参考轴线21的原点在与游泳者的身体的中心相关联的坐标系18中的坐标就够了(在此系统中，立体相机20的坐标是恒定的)。

在不涉及另外的信息的情况下，可从以下假设进行：在游泳者的坐标系18中连接坐标系18和21的原点的矢量22“游泳者的质心是头部的旋转点”不变并且对应于脊椎伸直状态(即最自然的游泳方式)。

可使用来自另外的传感器(例如，用于背部弯曲的传感器)的信息来构建用于计算矢量22的更准确模型，这将使游泳者有可能更正确地看到在不同于伸直状态的脊椎状态下的移动。

使用所描述的物理模型，在沿由头部的实际位置和旋转方向确定的方向观察时，固定在有限体积的物理空间中的用户可在虚拟空间中沿由身体的游泳移动控制的方向无限地移动，这在很大程度上与他真正在水下移动的情况下将会经历的感觉是一致的。

虽然已参考本发明的优选实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将知晓在不脱离所附权利要求所限定的要求保护的发明的精神和范围的情况下可进行的各种形式上的变化。

Claims (24)

1.一种通过用户作用力来控制虚拟对象的系统，所述用户作用力旨在移动与所述虚拟对象相关联的物质身体，所述物质身体利用至少一个连接元件的系统进行固定，使得所述至少一个连接元件的系统能够将所述身体保持在稳定平衡位置且使其有可能围绕经过其质心附近的至少一个轴线旋转，所述系统包含确定所述物质身体在空间中的取向以及从所述至少一个连接元件的系统作用在所述物质身体上的至少一个力的量值和方向的元件。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包含确定所述物质身体的加速度的元件。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包含用于确定从所述至少一个连接元件的系统施加到所述物质身体的力矢量的三轴传感器。

4.如权利要求1所述的系统，其中对于不超出最大预期力的移动所述物质身体的任何用户作用力，将始终有所述系统的至少一个连接元件具有非零张力。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个连接元件的系统由能够将所述物质身体在空气中保持在悬吊状态的连接元件组成，并且预期来自所述用户的最大力不超出所述物质身体的重量。

6.如权利要求4所述的系统，其中所述至少一个连接元件的系统由能够保持所述物质身体的两个连接元件组成，所述两个连接元件沿相反方向张紧。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个连接元件的系统由能够利用负浮力将所述物质身体在液体介质中保持在悬吊状态的单个连接元件组成，并且所述最大预期力不超出作用在所述物质身体处的重力与浮力的值之间的差。

8.如权利要求4所述的系统，其中所述至少一个连接元件的系统由能够利用正浮力阻止物质身体在液体介质中上浮的单个连接元件组成，并且所述最大预期力不超出作用在所述物质身体处的浮力与重力之间的差。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述系统的所述连接元件中的至少一个包含能够将所述连接元件解除联接的分段。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述系统的所述连接元件中的至少一个包含有可能围绕平行于所述连接元件的对称轴的轴线自由旋转的分段。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述系统的所述连接元件中的至少一个包含能够测量所述连接元件的张力的量值的分段。

12.如权利要求1所述的系统，其中每个连接元件配备有用于测量其张力值的张力计。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述物质身体是身上固定有装备的游泳者，所述装备包括视觉信息显示装置。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述视觉信息输出装置以与游泳面罩相结合的VR头戴式受话器的形式制成。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述系统包括呼吸和空气供应系统，所述呼吸和空气供应系统的有线信道沿着控制器的所述连接元件中的一个定位。

16.如权利要求1所述的系统，其中所述连接元件与所述物质身体的联接是使用中间连接单元进行的，所述中间连接单元允许所述物质身体相对于经过所述物质身体的质心附近的一个或多个轴线旋转。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述中间连接单元由内环以及U形支架组成，所述内环被制作成有可能用于紧固到受控物质身体并且在外环内部旋转，所述U形支架允许围绕垂直于所述环的轴线的轴线旋转。

18.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括位于至少一个连接元件上的磁体，以通过靠近所述物质身体的质心安装在所述磁体附近的磁力计来确定所述连接元件所施加的力的方向。

19.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括用于固定所述连接元件的块或配重块系统。

20.一种通过用户作用力来控制虚拟对象的方法，所述用户作用力旨在移动与虚拟对象相关联的物质身体，所述物质身体使用至少一个连接元件的系统固定在稳定平衡位置，所述方法的特征在于：

-确定所述物质身体所处环境的初始条件，

-确定从所述至少一个连接元件的系统作用在所述物质身体上的力，

-计算所述用户所施加的力的矢量，

-使用所计算的力来模拟所述虚拟对象的行为。

21.如权利要求20所述的方法，其中确定作用在所述物质身体处的显著外力的矢量。

22.如权利要求20所述的方法，其中确定所述物质身体的加速度的矢量。

23.如权利要求20所述的方法，其中设定所述连接元件的预张力水平。

24.如权利要求20所述的方法，其中确定对应于所述用户的眼睛的立体相机在虚拟世界的坐标系中的位置。

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