多功能人机交互式运动器材 【技术领域】
本发明涉及一种多功能人机交互式运动器材，特别是指用具有单芯片的可分离式操纵器结合一般的运动器材和个人计算机接口，使一般的运动器材根据该构成而具有因特网3D虚拟实境的人机交互式运动器材。
背景技术
目前，由于工商业、社会不断的进步，人们在工作繁忙的余，很少有时间与空间能很好地做高效率的运动。然而，跑步、骑脚踏车...等运动需要大型场地，因此各种室内运动器材就因应而生，如跑步机、健身脚踏车、健身划船机...等。
以跑步机为例，近年来发展最为快速，如台湾专利公告第547101号「跑步机之摆臂结构改良」是于跑步机基部旋杆与框架底部间加设有一索状弹性件，以提供握持摆臂适当的运动阻滞力，对增加与改善跑者手臂的运动应有良好效果；如台湾专利公告第547094号「运动装置感应握把之结构改良」是以提供运动过程中所需的手部握持与心跳感应为目的；如台湾专利公告第552963号「跑步机之可调式避震缓冲装置」是以减少或消除来自跑步机的振动为目的；如台湾专利公告第566172号「超音波侦测控制跑步机之运动状态」是提出一种以超音波侦测跑者位置的方法，进而估计跑者速度，以控制跑步机的电动机转速；如台湾专利公告第551194号「光学感应式虚拟实境跑步机」、第551195号「压力感应式虚拟实境跑步机」与第551196号「具路面仿真功能之跑步机」等，都提出不同侦测跑者位置的方法，进而估计跑者速度，以控制跑步机的电动机转速，再结合虚拟实境场景，使跑者有如身历其境地运动。
上述各项专利对于运动器材的改良虽然确实有很大的贡献，但造价显然比一般功能的跑步机昂贵许多，且只能自己独自运动；此外，基于人类的基本惰性，若有伴一起跑步、一起骑脚踏车，甚至一起划船，则应该可以激起人们的运动欲望。
【发明内容】
本发明的主要目地是提供一种多功能人机交互式运动器材，尤其是用一可分离式操纵器来结合一般运动器材和个人计算机的网际网络3D虚拟实境人机交互式运动器材。
本发明的另一主要目的是提供一种多功能人机交互式运动器材，其中，所使用的可分离式操纵器会自动侦测个人计算机的程序信息，若信息正确，则会自动关闭运动器材的一般操作功能，并促成该运动器材成为一种网际网络3D虚拟实境人机交互式运动器材，使得运动者可通过显示装置所显示的指示，直接在可分离式操纵器上选择状态或需求，例如，可选择透过网际网络与他人竞赛，也可选择自己运动；若可分离式操纵器没有侦测到个人计算机对应的软件程序信息时，则该运动器材仍当作一般运动器材使用。
本发明的又一主要目的是提供一种多功能人机交互式运动器材，所使用的可分离式操纵器采用以单芯片为控制核心，以USB传输协议与个人计算机通讯；其中个人计算机为一般家用PC，显示装置可为计算机屏幕、电视屏幕、投影装置等现有的显示装置，当本发明的运动器材不连接到个人计算机时，该运动器材仍当作一般运动器材使用；当本发明的运动器材连接到个人计算机后，该运动器材即成为网际网络3D虚拟实境的人机交互式运动器材，具有3D虚拟实境人机互动兼具网络联机竞赛的功能。
本发明提供一种多功能人机交互式运动器材，包含一可分离式操纵器，与一可结合该可分离式操纵器的运动器材，其特征在于：
该可分离式操纵器是一种个人计算机输出入装置，包括：一信号传输线，可连接至个人计算机；一接插槽，具有复数个模拟输入接点与复数个模拟输出接点；一单芯片控制器，将信号传输线所传送的数字信息转换为模拟信号传送至上述模拟输出接点，并将上述模拟输入接点连接器传送的模拟信号转换为数字信息传送至个人计算机；复数个输入按键。
其中，可结合该可分离式操纵器的运动器材，包括：一插槽，提供与该可分离式操纵器构成耦合，具有复数个对应于运动器材连接器插槽的模拟输出接点与复数个对应于运动器材连接插槽的模拟输入接点；一位置感测装置，连接到该插槽的模拟输出接点。
本发明的多功能人机交互式运动器材，还包括一扭力感测装置，并连接到该插槽的模拟输出接点。
本发明的多功能人机交互式运动器材，其中，上述位置感测装置是一电位计或位置编码器。
本发明的多功能人机交互式运动器材，其中，上述单芯片控制器的机能，包括可辨识输可分离式操纵器与运动器材间的结合是否正确。该单芯片控制器的机能，还设有与个人计算机软件程序相互辨识的密码，若密码正确，该单芯片控制器则接收个人计算机执行3D虚拟实境软件的信息。
本发明的多功能人机交互式运动器材，其特征在于，上述可分离式操纵器以USB接口连接至个人计算机，且该可分离式操纵器可连接至具有网际网络联机功能的个人计算机。
本发明还提供一种多功能人机交互式运动器材，包含一可分离式操纵器，与一可结合该可分离式操纵器的运动器材，其特征在于：
该可分离式操纵器是一种个人计算机输出入装置，包括：一信号传输线，可连接至个人计算机；一接插槽，具有复数个模拟输入接点与复数个模拟输出接点；一单芯片控制器，将信号传输线所传送的数字信息转换为模拟信号传送至上述模拟输出接点，并将上述模拟输入接点连接器传送的模拟信号转换为数字信息传送至个人计算机；复数个输入按键。
可结合该可分离式操纵器的运动器材，包括： 一插槽，提供与该可分离式操纵器构成耦合，具有复数个对应于运动器材连接器插槽的模拟输出接点与复数个对应于运动器材连接插槽的模拟输入接点； 一扭力感测装置，连接到该插槽的模拟输出接点。
本发明的多功能人机交互式运动器材，其特征在于，上述扭力感测装置是一组差动式应变感测计，且该组差动式应变感测计具有两个应变感测计分置于运动器材的手握杆的两侧。该扭力感测装置可以是扭力计。
本发明的优点在于，造价比一般功能的跑步机便宜很多，且可以自己独自运动或者联网与其他使用者互动；此外，基于人类的基本惰性，本发明提供的互动性运动可使使用者一起跑步、一起骑脚踏车，甚至一起划船，则可以激起人们的运动欲望。
【附图说明】
图1是本发明的多功能人机交互式运动器材结合网际网络虚拟实境的健身脚踏车具体实施例示意图，具有健身脚踏车本体与个人计算机，并由一USB接口的可分离式操纵器连结，且个人计算机通过远程的网络服务器与其它运动器材联机；
图2是本发明的多功能人机交互式运动器材结合网际网络虚拟实境的运动划船机具体实施例示意图；
图3是本发明的多功能人机交互式运动器材结合网际网络虚拟实境的跑步机具体实施例示意图；
图4是本发明的多功能人机交互式运动器材所使用的差动式应变感测计结构图；
图5是本发明的多功能人机交互式运动器材所使用的另一种差动式应变感测计结构图；
图6是本发明所示的可分离式操纵器的正面图；
图7是本发明所示的可分离式操纵器的背面图；
图8是本发明的可分离式操纵器所使用的ST72651芯片的脚位示意图；
图9是本发明的多功能人机交互式运动器材的可分离式操纵器与PC、运动器材间的使用方式原理流程图；
图10是本发明的可分离式操纵器所使用的单芯片的功能流程图；
图11是本发明可应用于多人联机客户端PC与服务器端的通信与作业流程图；
图12是本发明使用具有电压增益的速度控制驱动电路的电路图；
图13是本发明的正逆转驱动的电流限制电路的电路图。
主要组件符号说明
10、多功能人机交互式运动器材
20、运动器材 21、可分离式操纵器
22、插槽 23、扭力感测装置
24、位置感测装置 25、手握杆
26、控制面板 30、个人计算机
31、计算机主机 32、显示装置
40、远程网络服务器 211、USB传输线
212、输入按键 213、插接槽
214、ST72651芯片
215、控制电路模块
216、速度控制驱动电路
217、正逆转驱动的电流限制电路
231、差动式应变感测计的应变材料
232、差动式应变感测计的放大器
【具体实施方式】
如图1、2和3所示，本发明的主要发明重点是使用一可分离式操纵器21作为多功能人机交互式运动器材10的控制核心，即，该可分离式操纵器21使用ST726x系列的单芯片，因为其在使用功能上作为个人计算机30与运动器材20之间的通讯与控制接口，且使用者操作该可分离式操纵器21上的输入按键212就可使用本发明的多功能人机交互式运动器材10。
以如图3所示的多功能人机交互式运动器材10的运动器材20以跑步机为例，跑者根据个人计算机的显示装置32的使用者接口指示，需直接通过可分离式操纵器21选择运动状态或需求，例如，需要选择单人运动或多人联机竞赛，若选择单人运动时，此时计算机主机31获得由USB传输线211传来的信息后，立即激活3D虚拟实境的道路画面，预备时间终止后，跑者即依照显示装置32的动态画面及音效开始做跑步运动，而显示装置32的3D虚拟实境会随着跑者的方向与速度而改变道路画面，使运动者、跑步机、运动器材、及显示装置32的虚拟实境场景间产生真正的互动。
由于本发明的可分离式操纵器21是采用ST726x系列单芯片，例如采用如图8所示的ST72651芯片214，所以该可分离式操纵器21的使用功能具有USB1.1(12Mbps的传输速率)通讯功能，16组数字输入、16组数字输出、8个模拟转数字输入信道、和2个数字转模拟输出信道。
此外，如图10所示，该ST72651芯片214需要配合本发明所设计的控制电路模块215与植入该ST72651芯片214的软件程序，再根据数字转成模拟输出，使得本发明的可分离式操纵器21可以执行马达或电动机的扭力控制或速度控制。
以速度控制为例，只要改变模拟输出的电压大小，通过图12所示的具有电压增益的速度控制驱动电路216，就可以控制马达或电动机的速度。如果马达或电动机的额定电流较大时，该速度控制驱动电路216中的Tr3和Tr4则可以改接成达灵顿(Darlington)接法。
以扭力控制为例，只要改变模拟输出的电压大小，通过扭力型驱动电路，如图13所示的正逆转驱动的电流限制电路217，以低值电阻RS与马达串接做为电流检测用，由运算放大器的理论可得
VSR2=VinR1]]>
又因马达电流等于流经RS的电流，即Iα＝VS/RS，所以
Iα=-R2R1·RSVin]]>
由此可知，只要对Vin做限制，那么马达电流便受到限制作用，则其扭力输出也得控制。
而且，该ST72651芯片214的9组数字输入可提供该可分离式操纵器21建置输入按键212使用，通过个人计算机的显示装置32上的使用者接口指示，使用者可操纵该可分离式操纵器21面板上的输入按键212。
如图1、2、3和10所示，该输入按键212的输入信号通过控制电路模块215解译后，再经由USB传输线211传送给个人计算机30的计算机主机31，此时计算机主机31的软件程序接收到此操纵信息后，立即执行必要的程序，一方面通过显示装置32指示跑步者目前的状态以及下一步应如何操作，一方面经由USB传输线211传送必要的信息或命令给可分离式操纵器21的ST72651芯片214的控制软件(以下简称为韧体)，此时韧体会根据个人计算机30的信息或命令而对硬件做出必要的输出，而这里指的硬件包含由模拟信号控制的电动机，及由数组数字输出信号控制的开关或各种指示灯号等。
而该可分离式操纵器21的ST72651芯片214的模拟转数字输入信道，是连接到多功能人机交互式运动器材10的模拟感测组件的信道，将模拟感测组件感测到的值(一般为电位值)，经由此信道转换为计算机所认知的数字信号，再将此数字信号经由USB传输线211传送给个人计算机30，此时计算机主机31中的软件程序接收到此数字信号值后，立即辨识该数值的意义，并执行必要的程序，一方面透过个人计算机的显示装置32显示跑步者目前的状态(包括地理位置、速度、方向、心跳、卡路里消耗量、名次等)，一方面经由USB传输线211传送必要的信息或命令给韧体，此时韧体会根据计算机主机31的信息或命令而对本发明的多功能人机交互式运动器材10的运动器材20做出必要的输出。
如图1至5所示，设置于本发明的多功能人机交互式运动器材10的运动器材20上的模拟感测组件，包括有扭力感测装置23及位置感测装置24。其中，扭力感测装置23可为一组差动式应变感测计，且该组差动式应变感测计是具有两个应变感测计，并分置于运动器材20的手握杆25的两侧；而且，该扭力感测装置23也可为扭力计(TorqueMeter)。另外，该位置感测装置24可为电位计或位置编码器。
本发明所使用的模拟感测组件有二种具体实施例，第一种模拟感测组件的结构如图4所示，经由运动者左右手施予手握杆25不同的扭力，会促成左右差动式应变感测计的应变材料231产生不同的变形量，所以，材料的电阻值也会随着改变，如下所示
ΔR=R(1+k(L+ΔL)2L2)]]>
其中，R为未受拉伸时的材料电阻值，L为材料原来的长度，ΔR与ΔL分别为材料拉伸后的电阻与长度变化量，k为应力应变感测计比例修正常数。
由上式得知，电阻变化取决于应变材料的长度变化，而材料的长度变化取决于应变材料所受轴向拉力的大小，轴向拉力的大小则由使用者的手对手握杆25的扭力决定，因此，左右手扭力的大小将决定左右扭力感测装置23的应变感测计的电阻值，进而产生左右的电位差，而此电位差值在一定的比例换算后，即可代表此时运动者在场景中应该向左转或向右转多少角度。
该差动式应变感测计所感测到的电位差值，经由可分离式操纵器21的模拟转数字信道转换为计算机所认知的数字信号，再将此数字信号经由USB传输线211传送给计算机主机31正在执行的软件程序，此时，软件程序会立即辨识该数值是向左转或向右转多少角度，并调整场景应有的视角，然后显示在显示装置32上。
第二种模拟感测组件的结构如图5所示，其原理与第一种模拟感测组件的原理类似，经由运动者左右手施予手握杆25不同的扭力，使得左右差动式应变感测计的应变材料231产生不同的变形量，进而产生一左右电位差，而此电位差经由差动式应变感测计的放大器232放大其电压信号值，且经一定比例换算之后，即代表此时跑步者在场景中应该向左转或向右转多少角度，而其电压模拟信号的传输转换原理与与第一种模拟感测组件相同。
如图1所示，本发明所示的多功能人机交互式运动器材10应用于网际网络虚拟实境健身脚踏车这种运动器材20，脚踏车在3D虚拟实境场景中的方向可由使用者对健身脚踏车左右手握杆25的施力比较来决定，而脚踏车在3D虚拟实境场景中的位移量，则可由安装在脚踏车的踏板一侧的位置感测装置24的电位计或位置编码器而得。以电位计为例，脚踏车的踏板在同一转圈内转至不同角度，则电位计会输出大小不同的电位差，根据大小不同的电位差与脚板的回转圈数来判断脚踏车20所跑的距离。
如图2所示，本发明所示的多功能人机交互式运动器材10应用于网际网络虚拟实境运动划船机这种运动器材20，划船机在3D虚拟实境场景中的相对位移量与方向，可由安装在划船机的船桨轴上位置感测装置24的电位计的模拟信号输出，经由本发明的可分离式操纵器21的模拟转数字信道转换为计算机所认知的数字信号，再将此数字信号经由USB传输线211传送给计算机主机31正在执行的3D虚拟实境划船软件程序，则程序会立即辨识这两个数值，经过运算后，即可决定船的位置与方向。
如图3所示，本发明所示的多功能人机交互式运动器材10应用于网际网络虚拟实境跑步机这种运动器材20，跑步者的方向可由跑步者对跑步机左右手握杆25的施力比较来决定。
另外，本发明的可分离式操纵器21可结合其它运动器材中现有的位置侦测装置，例如专利公告号551194所提供的光学感应式虚拟实境跑步机，其中的数组光学感测装置，可通过可分离式操纵器21的数字输入来与3D虚拟实境软件沟通，并由软件判读跑步者在3D虚拟实境场景中的相对位移量，此位移量经过微分即可算得跑步者速率，再依照此速率决定跑步机的电动机应有的速率，然后通过数字转模拟信号实时地控制电动机真正的输出速率。再如专利公告号566172的超音波侦测控制跑步机的运动状态，其中的超音波收发感应器也可通过本发明的可分离式操纵器21的数字输入来与3D虚拟实境软件沟通，并由软件判读跑步者在3D虚拟实境场景中的相对位移量，此位移量经过微分即可算得跑步者速率，再依照此速率决定跑步机的电动机应有的速率。再如专利公告号551195的压力感应式虚拟实境跑步机，其中位置感测装置-数组式压力感应器，也可通过本发明的可分离式操纵器21的数个数字输入来与3D虚拟实境软件沟通，并由软件判读此数个数字信号所呈现跑步者在3D虚拟实境场景中的相对位移量，此位移量经过微分即可算得跑步者速率，再依此速率实时决定跑步机的电动机速率。
如上所述的实施例可知，通过本发明所提供的可分离式操纵器21的输出入装置，经结合家用个人计算机30后，便可有效地将多数现有的运动器材升级，成为结合3D虚拟实境运动场景与网际网络竞赛游戏的多功能人机交互式运动器材10。
如图6及图7所示，本发明所提供的可分离式操纵器21其内部嵌入ST726x系列单芯片及其控制电路模块215。本发明的可分离式操纵器21与个人计算机30、运动器材20之间的使用方式及动作原理，如图9所示的流程图，该可分离式操纵器21与个人计算机30之间是以USB传输线211连接，与运动者之间是以该可分离式操纵器21面板上的输入按键212沟通，其与运动器材20之间则以背面具有二十个接脚的插接槽213与运动器材20上的插槽22接合。当可分离式操纵器21以插接槽213嵌入运动器材20上的插槽22后，该可分离式操纵器21的ST726x单芯片就具备图10所示的功能。
该可分离式操纵器21的背面设有具有二十个接脚的插接槽213与运动器材20上的插槽22耦合时，该可分离式操纵器21的每支按脚(pin)的定义如下：
pin 0.24伏特电源供应。
pin 1.模拟信号输入1，模拟感应装置输出。
pin 2.模拟信号输入2，模拟感应装置输出。
pin 3.模拟信号输入3，模拟感应装置输出。
pin 4.模拟信号输出1。
pin 5.模拟信号输出2。
pin 6.模拟信号共地接点。
pin 7.数字信号输出1，转换模式接脚(High：虚拟实境跑步机，Low：一般跑步机)。
pin 8.数字信号输出2，数字感应组件输入。
pin 9.数字信号输出3，数字感应组件输入。
pin 10.数字信号输出4，数字感应组件输入。
pin 11.数字信号输出5，数字感应组件输入。
pin 12.数字信号输入1，数字感应装置输出。
pin 13.数字信号输入2，数字感应装置输出。
pin 14.数字信号输入3，数字感应装置输出。
pin 15.数字信号输入4，数字感应装置输出。
pin 16.数字信号输入5，数字感应装置输出。
pin 17.数字信号输入6，数字感应装置输出。
pin 18.数字信号输入7，数字感应装置输出。
pin 19.数字信号共地接点。
如图9所示，在以上的各个实施例中，本发明所示的可分离式操纵器21与个人计算机30连接后，即会通过USB传输线211与个人计算机30的计算机主机31正在执行的软件做沟通，以确认其许可码正确与否，若正确，则计算机主机31中的软件与可分离式操纵器21中的韧体可正常操作，否则，计算机主机31中的软件会退出程序，并指示该可分离式操纵器21的许可码错误，且致使运动器材20无法与3D虚拟实境软件做互动的动作。
若本发明所示的可分离式操纵器21与个人计算机30没有构成连结，或者，个人计算机30的3D虚拟实境软件未激活，则该可分离式操纵器21与运动器材20接合后，该可分离式操纵器21会自动切换操纵模式至一般模式，此时运动器材20是具有一般功能的运动器材，使用者可使用控制面板26上的所有功能来操控此运动器材20。
若可分离式操纵器21的许可码正确，则个人计算机30的3D虚拟实境软件可以完全通过可分离式操纵器21的韧体与运动器材20做沟通。当可分离式操纵器21与个人计算机30的3D虚拟实境软件结合时，则该可分离式操纵器21会自动切换至3D虚拟实境模式，而且，此时运动器材20则兼具有一般功能、3D虚拟实境人机交互式功能、与网际网络联机竞赛功能。其中，执行网际网络联机竞赛功能时，多人联机客户端的个人计算机30与远程网络服务器40的通信与作业流程图如图11所示。
如图1、2和3所示，本发明所提供的多功能人机交互式运动器材10，具备网际网络3D虚拟实境，除了可独自运动外，也可通过网际网络与他人竞赛。而执行网际网络联机竞赛时，其方式如图11所示，使用者依照自己的意愿在可分离式操纵器21上按输入按键212选择单人运动或多人联机竞赛等运动方式，若选择多人联机竞赛，则远程网络服务器40会经由网际网络随时更新与传送目前有多少参赛者、开始倒数时间等资料，至所有参赛者所属的个人计算机30上，个人计算机30会将资料显示在显示装置32上，此时，参赛者可根据显示装置32上所显示的时间做预备，开始比赛后，每个参赛者所属的可分离式操纵器21会及时地接收扭力感测装置23与位置感测装置24等模拟或数字信号，经转为数字信号后，再经由USB传输线211传给计算机主机31，而个人计算机上正在执行的3D虚拟实境软件会判读接收到的数据，以决定参赛者目前在3D虚拟实境中的相对位置、速度与方向，并将此相对位置传送至远程网络服务器40，远程网络服务器40则会根据此相对位置计算每位参赛者的名次，并将个人名次与其它目前领先自己的参赛者5～10名的相对位置，回传给参赛者的个人计算机30，参赛者的个人计算机30的显示装置32则会显示目前自己的名次，并实时地在3D虚拟实境的相对位置显示出领先自己的参赛者5～10名的动态虚拟影像。此外，个人计算机30的显示装置32上也会显示目前位置、速度、方向、心跳、卡路里消耗量等。而个人的成绩也会在远程网络服务器40中留下历史纪录。
使用者若选择单人运动，则个人计算机30的显示装置32上除了无其它参赛者与名次外，其它功能皆和选择多人联机竞赛者同。
通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。
因此，本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利范围来确定其技术性范围。