适于虚拟现实中的移动的带 【技术领域】
本发明涉及适于在虚拟现实中移动而不会遇到物理现实的障碍的风险的装置。背景技术 当人戴着虚拟现实的头盔时， 此人就不再会看到其所处地点的物理现实。 另外， 向 其建议的在虚拟现实中的移动并不总是与该物理地点的形廓和尺寸兼容的。
现有技术提供多个复杂的解决方法， 这些解决方法趋向于通过使人在一装置上移 动而使人保持在有限的物理空间中， 其中所述装置在实际空间中补偿人在虚拟空间中进行 的移动。
这些装置中的第一种包括多个在循环圈中被纵向驱动的横向传送带。 循环圈允许 使传送带朝循环圈前或后移动， 每个传送带可以独立地、 在人的脚步下和在与该人在虚拟 现实中移动方向相反的方向中， 朝循环圈的右边或朝左边移动。因此， 在物理现实中， 人基 本保持在相同位置， 在装置中间。 这样的装置是特别笨重和复杂的， 且尤其不适于休闲型使 用。
这些装置中的第二种包括多个板， 这些板在现实地点的地面上移动， 来到人的脚 步之前并将人朝与人移动相反的方向带回。 因此， 在物理现实中， 人在有限和受控制的空间 中移动。这样的装置不如第一个笨重。但是其难于实施。另外， 其不是响应非常迅速的， 尤 其人在虚拟现实中快速移动的情况下。
发明内容 本发明的目标是提出用于人在虚拟现实中的移动的装置， 该装置允许该人在物理 现实的有限空间内移动， 该装置制造和实现简单， 并能适于休闲娱乐使用。
为达到该目的， 本发明提出实现一种装置， 其特征在于， 该装置包括基本刚性的中 心件和布置为能围绕中心件在所有方向上移动的壳罩， 壳罩与中心件一起形成用于人移动 的表面， 中心件和其壳罩形成的组合体搁靠在适当的支撑部件上。 壳罩能够靠于中心件、 靠 于中心件的至少一部分上滑动地安装。
有利地设置有用于保持中心件在空间中基本不动的部件。 用于保持中心件不动的 部件能包括具有球珠的侧向止挡部件或相互嵌合部件， 例如与中心件的互补的凹陷形部相 接合的凸起形部， 优选支撑部件的凸起形部。
有利地， 装置将包括与壳罩接触的球珠阵列。 球珠有利地是机动球珠， 以使得球珠 参与壳罩围绕中心件的移动。阵列可以包括在支撑部件中或包括在中心件中。尤其当中心 件包括机动球珠时， 装置有利地包括中心件的感应供电件， 尤其用于球珠的动力设备的感 应供电件。
根据本发明的装置有利地包括使壳罩的移动从动于使用者在虚拟现实中的移动 的部件。
移动表面优选是基本平面的。 壳罩优选使得 ： 若壳罩以均匀的方式被伸张， 该壳罩
能得到球体的形状。支撑部件有利地包括用于倾斜移动表面的部件。
中心件的上表面能包括压力传感器， 压力传感器优选是规律地分布在上表面上， 尤其用以了解使用该装置的人的脚的位置。
壳罩可以是基本半透明或透明的， 以及中心件的上表面包括发光显示件， 显示件 用于向使用该装置的人进行显示。 附图说明
本发明的多个实施方式将在下文以非限制性实例方式参照附图加以描述， 附图 —图 1 示出对于根据本发明的装置的第一实施方式 ； —图 2 示出对于根据本发明的装置的第二实施方式 ； —图 3 示出对于根据本发明的装置的优选第三实施方式的轴向示意剖面图 ； —图 4 示出在图 3 的实施方式中， 带的驱动部件的平面示意视图 ； —图 5 示出尤其用在图 3 和 4、 且尤其是图 4 所示的实施方式中的驱动方式的原 —图 6 示出图 3 和 4 的装置的使用。中：
理； 和
具体实施方式
图 1 至 3 中的每一个均示出适于使用者 2 在虚拟现实中的移动的装置 1。每个装 置均形成一多向带 4、 5， 即： 该多向带提供移动表面 3， 移动表面允许使用者沿所有方向、 平 行于该表面 3 地移动。在所示实例中， 移动表面 3 是基本平面的和水平的。
移动表面 3 由中心件 4 和壳罩 5 结合而形成。在图 1 至图 3 上， 中心件以剖面示 出。中心件 4 是基本刚性的， 其可以采用实心的或空心的材料制成。
壳罩围绕中心件滑动活动安装。壳罩由柔性的和稍有弹性或没有弹性的材料实 现。壳罩具有的形状使得 ： 在任何点， 在从该点出发的壳罩的每个方向上， 壳罩都是基本相 同的， 即基本各向同性的。因此， 壳罩优选被设置成 ： 若除任何其它应力外在该壳罩内部施 加均匀压力， 则壳罩基本呈球体的形状。 壳罩可以用与网球相同的方式， 通过相同的和互补 的两个元件的安装和缝合而形成。
由壳罩围绕中心件形成的组合体搁靠在由底座 6 形成的支撑部件 6 上。底座 6 是 基本刚性的， 并且其被设置成搁靠在物理现实的场所的地面上。
底座 6 和带 4、 5 形成的组合体基本具有围绕竖直轴线的回转形状。
在图 1 所示的实例中， 底座 6 具有通常凸起的并与中心件的凹陷形部 8 互补的上 形部 7。因此， 如图 1 所示， 中心件 4 具有基本呈豆形的轴向剖面。带 4、 5 通过其凹陷形部 8 在底座 6 的互补的凸起形部 7 上的嵌合， 而简单地搁靠在底座 6 上。
底座 6 的上部区域 10 承载球珠 12。该区域 10 基本占据凸起形部 7， 在凸起形部 上搁靠有带 4、 5。每个球珠 12 围绕相对于底座 6 固定的一相应的点转动地安装。每个球珠 安装成使得其能基本无摩擦地进行围绕其相应固定点的任意转动。球珠 12 规律地分布在 底座 6 的区域 10 上。带 4、 5 被设置用于通过球珠在壳罩 5 的外表面上的接触， 仅仅搁靠在 球珠 12 上。由于底座 6 与中心件 4 的互补形部 7、 8， 因而中心件 4 相对于底座 6 基本保持不动。 壳罩 5 和其中心件之间的接触被设置成使得 ： 当人 2 在表面 3 上移动时， 由人在壳 罩上施加的摩擦和由所有球珠在它们与壳罩接触的部位所施加的摩擦每个均明显大于壳 罩在其中心件上的摩擦。 优选地， 在壳罩和中心件之间使用润滑剂， 以限制在它们之间施加 的摩擦。本发明所特有的壳罩 5 完全围绕中心件的这种布置， 允许保证良好的密封性， 以使 得润滑剂保持被封限。另外， 壳罩围绕中心件的循环允许润滑剂的良好分布以及允许回收 通过重力作用将被驱动向下的润滑剂。
壳罩优选地被选择由极少弹性或没有弹性的材料制成， 以使得与人 2 或与球珠 12 的接触不会引起壳罩的局部变形。壳罩可以例如是布。
优选地， 球珠 12 是机动球珠且它们的转动优选从动于人在虚拟现实中的移动。因 此， 当人在虚拟现实中移动一步时， 壳罩在移动表面 3 处， 沿相反的方向基本移动相同的距 离。因此， 在物理现实中， 人在移动表面 3 中不断地返回或保持在这样的位置 ： 该位置为人 提供在一方向上的几步行进， 所述方向能由所述装置根据人的瞬间移动和人头部的瞬间取 向统计确定。这样的位置通常位于装置 1 的边缘附近， 以使得在人的前面展开最大可能的 移动场。因此， 带可以在人的脚步下逐渐地移动， 使人首先在其移动方向上稍微前进， 这使 得可以得到使用者稍微感觉得到或感觉不到的带的非常渐进的加速。
所述从动可以基于当人在带上移动时对由其人在带上施加的作用力的检测进行计算。 所述从动还可以基于人 2 的躯体携带的陀螺仪传感器的测量进行计算， 如将参照 图 2 描述的那样。
因此， 不管人 2 在虚拟现实中经过的距离如何， 人都会保持局限在物理现实中的 有限空间内而不会离开带 4、 5， 其中所述有限空间是由移动表面 3 确定的空间。
现将描述图 2 的实施方式， 其不同于前面描述的实施方式。在图 2 的实施方式中， 中心件 4 具有基本椭圆形的轴向剖面且底座 6 具有盆的形状。带 4、 5 安放在底座形成的盆 内。
支撑球珠 12 被布置在盆的底部。形成侧向止挡件的其它球珠 13 被布置在底座 6 的内周边处， 以基本没有摩擦地保持带 4、 5 在底座 6 内部不动。 止挡球珠 13 能够松散安装， 或者机动化和从动地安装， 以使得止挡球珠与支撑球珠一起参与壳罩 4 的移动。
在图 2 的实例中， 装置还包括 ： 头盔 21， 用于在使用该装置的人 2 的眼前显示虚拟 现实 ； 控制台 22， 用于产生虚拟现实 ； 以及承载陀螺仪传感器 23 的绕带。
由传感器 23 收集的数据被传送到控制台 22， 如图上由箭头 T1 所示。 自这些数据， 控制台 22 实时计算应由头盔 21 显示的图像并向头盔传送必要信息， 如图上由箭头 T2 所 示。同样， 并基本同时地， 控制台 22 实时计算壳罩围绕中心件应进行的移动， 并沿箭头 T3 传送球珠 12、 13 的相应从动所必要的信息。在该构形中， 人在虚拟现实中的移动被予以考 虑， 即使人不是恒定接触带， 例如当跑步或跳跃时。
图 3 和 4 描述根据本发明的优选的第三实施方式的装置 1。首先将参照图 3 描述 该装置的中心件 4 和底座 6。为了更清晰易辨， 壳罩 5 未在图 3 和 4 中示出。另外， 在图 3 中， 底座和中心件彼此竖直地远离示出。然而， 在该第三实施方式中， 如同在前述的那些实
施方式中， 壳罩被设置用于覆罩中心件并且在其下部分， 壳罩被紧夹在中心件和底座之间， 由中心件和其壳罩形成的带搁靠在底座上。
底座 6 是呈围绕竖直轴线 Z 基本回转的形状。底座包括基本平面的下表面 41， 下 表面搁靠于在靠近所述下表面 41 的周边规律分布的三个基脚 40 上。底座 6 还包括具有复 杂形状的上表面 42。该表面 42 包括基本平坦的环形凹部 43。该凹部 43 在外部由环形的 外堤部 44 限定以及在内部由环形的内堤部 45 限定。上表面 42 还包括中央井体 46， 中央 井体 46 朝上开放并且在外部在其上部分由内堤部 45 限定。在图示实例中， 井体朝下由底 部 47 闭合， 底部的高度低于凹部 43 的高度。底座 6 的下表面 41 与上表面 42 的外边缘在 它们之间通过基本柱形的区段 48 连接。
在该第三实施方式中， 中心件 6 是空心的。中心件包括基本平面的和水平的上表 面 51。中心件还包括具有与底座 6 的上表面 42 形状互补的复杂形状的下表面 52。中心件 的下表面 52 包括被设置用于竖直插入井体 46 中的延伸部分 53。延伸部分 53 被与内堤部 45 互补的环形内凹槽 54 围绕。下表面 52 另外形成裙部 55， 裙部被设置用于沿底座的柱形 区段 48 围绕底座 6 延伸。裙部 55 在内部由与外堤部 44 互补的环形外凹槽 56 限定。凹槽 54、 56 在它们之间限定基本水平的、 与凹盆部 43 互补的环形盘 57。
中心件的形状， 和与底座互补的形状， 被设置用于吸收壳罩 5 的至少一部分变形， 壳罩被设计成球体状， 但在中心件的上表面 51 上， 至少在使用者移动区域中， 以扁平的形 状使用。
底座 6 包括布置成四个水平冠体 61 至 64 的球珠 60。每个球珠 60 穿过底座 6 的 上表面 42 松散安装在相应的槽座内。 球珠 60 的第一冠体 61 基本布置在井体 46 的半高处， 其尤其允许保持壳罩 5 离开井体 46 的壁伸张。球珠 60 的第二冠体 62 布置在内堤部 45 的 顶端， 以及球珠 60 的第三冠体 63 基本布置在内堤部 45 与凹部 43 的接合处。冠体 61、 62、 63 尤其配合以便使壳罩 5 保持离开内堤部 45 的壁伸张。球珠 60 的第四冠体 64 沿突出在 凹部 43 之上的外堤部边缘布置在外堤部 44 的顶端。
装置 1 被设置成 ： 球珠冠体 65 用于带在底座上的支靠， 即使得仅该冠体承受带 4、 5 的负荷以及带所承载的负荷、 尤其是使用该装置的人的重量。
底座还包括另一球珠冠体 65， 其沿与裙部 55 相对的外堤部边缘布置在外堤部 44 的顶端处。中心件和底座还包括角传感器 71， 角传感器的一部分布置在井体 46 的底部 47 处以及另一部分对着第一部分布置在延伸部分 53 的端部。角传感器设置用于确定底座 6 和中心件 4 的相对角位置。球珠 65 中的至少一个是机动化的球珠， 以使得该球珠允许中心 件相对于底座围绕竖直轴线 Z 角向定位。该球珠还允许使带 4、 5 相对底座 6 基本保持在给 定角位置。带被设置用于能够围绕其轴线自由转动 360°。装置 1 被设置成使球珠冠体 65 用作带在底座上的支靠， 即使得仅该冠体接收带 4、 5 的负荷以及其所支承的负荷、 尤其是 使用该装置的人的重量。
底座包括布置在延伸部分 53 的端部的周边处的球珠冠体， 以使这些球珠避免壳 罩 5 靠在延伸部分 53 上的摩擦。
延伸部分 53 还包括竖直延伸部件 67， 竖直延伸部件在图 3 中由多层折叠部示意性 示出。竖直延伸部件 67 允许保持壳罩 5 伸张， 尤其以便给使用者脚部提供平坦的和规律移 动的表面。 这还可以补偿壳罩的膨胀， 壳罩的膨胀例如由于壳罩在其使用时的受热造成， 或者这还可以补偿变形， 这些变形例如与壳罩的老化有关。井体 46 因此被设置成允许在设定 界限内所述延伸部分 53 在井体内自由延伸。
盘 57 承载驱动球珠 72 的阵列， 该阵列尤其在图 4 示出。所述球珠安装在盘中， 每 个球珠在一相应的槽座内， 以使得这些球珠能相对所述槽座沿任意轴线转动地运动， 同时 相对所述槽座保持不平动。驱动球珠 72 被设置成相对于它们相应的槽座同时具有相同的 运动。根据将参照图 5 解释的原理， 由两个仅有的发动机 M1 和 M2 驱动所述驱动球珠。
在图 4 上， 由盘 57 承载的所有球珠 72 被设置成是机动球珠。但是， 这些球珠中的 在图 3 用影线表示的一个球珠 73、 或多个球珠， 能够被设置为松散安装在其相应槽座中， 以 使得所述球珠仅通过其与移动中的壳罩的接触被带动运动。球珠 73 不传递任何力。因此， 通过传感 (captage) 部件， 能够比较该球珠的瞬间速度和瞬间转动轴线并将所述瞬间速度 和瞬间转动轴线与驱动球珠 72 的瞬间速度和瞬间转动轴线进行比较。差异将是对应于球 珠 72 在壳罩上滑动的偏移。装置 1 被设置成校正壳罩的移动以补偿该偏移。
在图示的实例中， 对带的电供给通过感应部件 75、 76 无接触地进行。 感应部件 75、 76 包括围绕井体 46 布置在底座中的第一线圈 75 和布置在延伸部分 53 中的第二线圈 76， 以使这些线圈共轴。 传感器 78， 例如磁传感器， 有利地设置在底座周边处， 用于与使用者佩戴的头盔配 合， 以相对于带确定使用者头部位置和其头部的运动。
中心件 4 的上表面包括规律分布在其面上的压力传感器 81。 这些压力传感器在图 3 上由一排白色矩形示出。压力传感器允许确定使用者脚的位置， 测量压力的变化， 以及例 如有助于预计移动或跳跃。
中心件 4 的上表面还包括形成像素的发光元件， 它们在图 3 由一排黑白交替的矩 形表示出。像素一起形成屏幕并允许发光显示。壳罩有利地设置为半透明的或透明的， 以 使得穿过壳罩可看见所述显示。
在一浸入使用方式中， 即虚拟现实例如被投射在装置 1 所位于的房间的墙上， 所 述显示适于重现虚拟现实的场所的地面。 与压力传感器 81 结合的显示件 82 能构成触摸屏， 其能被用于利用脚控制所述装置， 例如通过显示如重启、 暂停或停止的命令来进行控制。
如图 6 特别示出的， 显示件 82 可以展示游戏， 如跳房子游戏。 叉号 83， 当其用脚触 碰时， 允许停止装置的运行。虽然装置 1 趋向于将使用者 2 总是再引向一最佳位置， 但叉号 能在显示件上移动以便保持总是易于触及的， 其中所述最佳位置在使用者面前留有更大的 移动可能性。
在一优选实施方式中， 显示件借助发光二极管 (LED) 实现。
裙部 55 允许限制物件可进入底座 6 和带 4、 5 之间的可能性。尤其地， 裙部限制易 扰乱装置 1 运行的灰尘或小物件的进入。
基脚 40 包括压力传感器。由这些传感器给出的信息能以多种方式被使用。第一， 压力之和应基本保持恒定。在给定值之外的压力变化被解释为第二人在带上的出现， 这是 潜在危险的， 会引起装置 1 的立即自动停止。第二， 这些信息允许通过三角测量确定带的使 用者的重心的位置和移动， 和因而操控壳罩的移动。 第三， 这些信息用于确定待提供的用于 移动壳罩的力。
基脚在高度上是可调节的， 以使得可补偿其上放有所述装置的地面的某些不平
整。而且， 基脚能包括抬升部件， 以使得装置能被倾斜， 用以为使用者模拟坡度。抬升部件 可被设置为例如用于模拟能从 0％至 6％变化的坡度。
尽管前面示出的两个方式是制造相对简单的， 但球珠 12 的布置易使球珠沾上污 渍， 尤其是通过灰尘因重力聚集在每个连杆的槽座中， 或通过灰尘被挟带到球珠表面。 在第 三实施方式中， 驱动球珠 72 由中心件 4 承载并布置在中心件下方。因此， 壳罩 5( 未在图 3 和 4 中示出 ) 被设置用于覆罩中心件， 球珠由壳罩防御外面的灰尘。而且， 球珠的槽座是朝 下取向的， 以使得没有任何灰尘或小物体能通过重力进入槽座中。
另外， 驱动球珠的束封和它们的机动性使得能够限制球珠发出的噪音。事实上， 尤其当加速时， 该噪音是将使用者与现实世界联系的指示且能干扰使用者对虚拟世界的视 觉， 尤其干扰其平衡。
在本发明优选的该第三实施方式中， 如示出的装置具有如下特征 ：
—带的外直径 D4 ： 1.80 米
—装置的厚度 H1 ： 16 厘米
—驱动球珠 72 的数目 ： 约 300 个
—每个驱动球珠的直径约 ： 30 毫米至 40 毫米， 优选 35 毫米 球珠的大数量和它们的小直径允许力的更好分配。
当然， 这些尺寸并非限制性的。
可能有利的是， 装置集成在地板中， 以致所述装置与地板不存在高差。例如， 装置 能被布置在凹坑的底部， 或在假地板的内部。
现将参照图 5 示出的简化的动力设备 90 的实例描述球珠 12、 72 的动力设备 (motorisation) 的运行。 每列两个球珠 92 的三个球珠列 91A、 91B、 91C 被示出， 球珠代表上 面实例中的球珠 12 或 72。这些列平行于轴线 Y， 每列 91 被布置在彼此间平行并平行于轴 线 Y 的两轴杆 93、 93A 至 93D 之间。每个球珠被安装成用以能够围绕保持固定的相应点进 行任意转动。同一列的球珠沿轴线 Y 隔开间距 P。垂直于轴线 Y 的轴线 X 与轴线 Y 一起确 定一平面， 该平面经过球珠的中心并包括轴杆 93 的轴线。轴线 Z 被定义为垂直于平面 (X， Y)。
动力设备包括两个发动机 M1、 M2。第一轴杆 93A 直接与发动机 M1 接合， 以及第二 轴杆 93B 直接与发动机 M2 接合。借助通过滑轮及传动皮带 94 式的传动机构 (renvoi)， 第 三轴杆 93C 由发动机 M1 间接驱动。借助通过滑轮及传动皮带 94 式的另一传动机构， 第四 轴杆 93D 由发动机 M2 间接驱动。每个轴杆 93 承载三个盘 95， 这些盘彼此间尺寸相同、 共轴 于轴杆 93， 并且彼此之间沿轴线 Y 分开与球珠相同的间距 P。
球珠和盘被布置为使得 ： 每个球珠与球珠处于其之间的所述轴杆中的每一个的相 应盘无滑动地接触。对于每个球珠 92， 所述接触在垂直于轴线 Y 的赤道平面 PE 的一侧或 另一侧偏离距离 D95。无论球珠 92 如何， 距离 D95 都是相同的。对于第一列 91A 和第三列 91C 的球珠， 偏离是正的， 即沿轴线 Y 的方向。 相反， 对于第二列的球珠， 偏离是负的， 即沿与 轴线 Y 相反的方向。因此， 对于更大数量的列， 交替地具有正的偏离然后负的偏离。
发动机 M1 和 M2 在速度和转动方向上受到控制， 以便以相同方式同时对所有球珠 进行驱动。当两发动机在相同方向上以相同速度转动时， 所有的球珠 92 一起围绕平行于轴 线 X 的相应轴线在相同方向上转动。当两发动机以相同速度、 但在相反方向上转动时， 球珠
92 一起围绕平行于轴线 X 的相应轴线在相同方向中转动。因此， 根据发动机的速度和转动 方向， 可使球珠在相同方向上围绕平面 (X， Y) 的选定的相应轴线一起转动。
当然， 本发明不受刚描述过的实例的限制。
尤其参照第三实施方式描述的部件不是其固有的， 因为它们可与被考虑的实施方 式相兼容。 因此， 可以在一实施方式例如第一实施方式或第二实施方式设置这样的部件 ： 所 述部件用于倾斜底座以使得移动表面向使用者提供经历上升、 下降或倾斜的感觉。
相对的磁体或电磁体能被放置在底座中和中心件中， 以便其趋向于使中心件抬 起， 和因此限制壳罩在底座和中心件之间的夹持， 以便限制施加给壳罩的用于围绕中心件 移动壳罩的力。相对的磁体或电磁体还能被布置为使得 ： 相对的磁体或电磁体趋向于使中 心件相对底座重新定中心， 因而补偿带在使用者脚的作用下的移动。这两种行动可以结合 或不结合。
一个或若干个传感器能被布置在底座和中心件之间， 以便检测中心件相对底座的 意外的实际抬起， 其可能是被装置卡住的衣服进入的迹象。 因此， 装置有利地被设置为在该 信号时作为安全措施而停止。
底座可包括确定虚拟现实的控制台。底座还可包括调节部件或配置部件， 尤其是 存储媒体阅读器， 其尤其用以能与一种或多种商业控制台相结合。 陀螺仪部件可以集成于头盔而不是集成于绕带。因此， 可以考虑当使用者沿一方 向转动头部时预测使用者沿相同方向的移动并因此触发带的移动。
在第三实施方式中， 井体可以不包括底部和被设置成朝下开放， 即竖直地穿过底 座。
在第三实施方式中， 可设置传导传输， 而不是具有带 4、 5 运行所必需的能量的感 应传输。对于每个极， 例如相极和中性极， 可设置相对的端子， 其中一个端子由底座 6 承载， 而另一个端子由带承载。 可考虑 ： 壳罩包括穿过壳罩厚度并规律地分布的接触片， 以使得在 任何时刻， 无论壳罩围绕中心件的位置如何， 对于每个极， 至少一个接触片同时与该极的两 个端子接触。因此， 底座保证了对带的连续供给。
为避免物体或灰尘进入底座和带之间， 可设置扫刷系统， 该系统布置在底座周边 上并轻触壳罩的表面。
根据本发明的装置可与游戏控制台相关联。 其还可以用在健身房中或用于肌肉机 能训练， 例如行走机能训练。