具有地形實感的虛擬實境模擬系統的製作方法

2023-06-13 22:47:01

本發明涉及一種具有地形實感的虛擬實境模擬系統，屬於虛擬實境運動領域。

背景技術：

虛擬實境，國外稱為virtualreality(vr)，是以計算機技術為核心，集仿真技術、圖形渲染技術、傳感測量技術、屏顯技術和定位於一體的綜合性技術。其運用計算機等高科技生成了一個虛擬的世界，通過作用於運動者的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等，讓運動者產生一種身臨其境的感覺。

虛擬實境具有沉浸性、交互性和構想性三個特徵。沉浸性是指虛擬環境「欺騙」人體視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等多種感官，給參與者帶來臨場感；交互性是指虛擬環境中提供參與者適合人性化的人機操作界面和自然反饋；構想性是指通過沉浸感和交互性，使參與者隨著環境狀態和交互行為的變化對未來產生構想，增強創造力。

其中，交互性包括以下基本情況：

其一，身已動而畫面未動。如果無法獲取vr眼鏡的姿態和平移信息，則無法感知到移動視差。身體移動後，觀看視點的位置和觀看角度也隨之改變，但人眼看見的3d畫面由於時延性並沒有改變而產生滯後感，導致大腦在處理視覺信息和肢體運動信息時產生衝突，從而在一定程度上導致眩暈不適，影響沉浸感和運動者體驗感。

其二，畫面已動而身未動。目前虛擬實境的應用還局限在一個非常有限的物理空間內。當畫面快速變化時，身體的運動也應該與之匹配，但受到運動範圍的限制，身體並沒有產生對應幅度的運動，從而在大腦中產生肢體運動信息和視覺信息的衝突。例如，在虛擬實境場景中運動時，觀看者的視點和角度快速發生變化，但身體保持不變而產生眩暈感，若這時在現實中有一個地形模擬系統來模擬vr世界中的運動，使運動信息和視覺信息的衝突而產生的眩暈感將會消失。

最後，通過vr可以創建一個足夠大的世界，因為在現實世界中沒有如此龐大的的空間與之匹配，而且vr定位技術也限制了運動的範圍，所以運動者很難通過自身移動來探索vr中的世界，所以一種可以實現在空間的中無限運動的機器就變得非常有必要。

針對這種情況，提出的方案有：一種是採用大傳動帶嵌套方向垂直的小傳動帶的方式，優點是控制簡單，缺點是系統慣性較大；還有一種是通過將操作者置於一個平面上進行滑動，來模擬實際行走，缺點是並不能模擬真實的跑動，只是用滑動來代替跑動。這兩種方案都不能實現空間地形起伏的模擬。

現有技術局限於模擬平行的空間而忽略了地形的起伏變換，不能更加真實的模擬vr中的世界，降低了沉浸感。

技術實現要素：

針對現有技術之不足，本發明提高了一種具有地形實感的虛擬實境模擬系統。

本發明目的是：提供一種可以完全模擬虛擬實境場景中不同的地形，運動者在體驗虛擬實境場景時可以感受到虛擬實境地形變化的知覺反饋，而不僅僅局限於所視場景，增強運動者的體驗感，增加了與虛擬實境場景的交互，降低了虛擬實境運動中的眩暈感。

本發明涉及一種具有地形實感的虛擬實境模擬系統，包括：上圍支架、電動液壓隨動杆、固定套環、連接鍵、內層支撐架、內層傳動帶、系統支架、上層支撐架、上層傳動帶、液壓支撐隨動杆、內層傳動軸、內層從動齒輪、內層主動齒輪、內層電機、內下層、內下層滾珠連接孔、內上層滾珠連接孔、帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸、外上層滾珠連接孔、外下層滾珠連接孔、內層傳動帶傳動齒輪、內層傳動帶電機、內層傳動帶從動傳動軸、過渡用轉動軸、內層支撐凸臺、內上層滾珠滑動套、內下層滾珠滑動套、起伏用電動液壓支撐杆、帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸、外層傳動帶從動軸、外層傳動帶主動齒輪、外層傳動帶電機、外下層、外層傳動軸、外層從動齒輪、外層主動齒輪、外層電機、外上層滾珠滑動套、外下層滾珠滑動套、虛擬實境場景、核心處理器、速度傳感器、位置傳感器、角度傳感器、單片機。

所述上圍支架通過所述電動液壓隨動杆與所述固定套環相連，所述電動液壓隨動杆共三根，所述電動液壓隨動杆與所述單片機相連，所述固定套環上有所述連接鍵。

所述上圍支架與所述系統支架相連，所述系統支架上有所述外上層滾珠滑動套和所述外下層滾珠滑動套，所述系統支架與所述上層支撐架相連，所述上層支撐架上有所述外上層滾珠連接孔，所述上層支撐架上還有所述內上層滾珠滑動套，所述上層支撐架上有所述內層支撐凸臺，所述上層支撐架通過所述內層支撐凸臺與所述內層支撐架相連，所述內層支撐架上有所述內上層滾珠連接孔。

所述系統支架與所述外下層相連，所述外下層上有所述外下層滾珠連接孔，所述上層支撐架通過所述起伏用電動液壓支撐杆與所述外下層相連，所述起伏用電動液壓支撐杆與所述單片機相連，所述起伏用電動液壓支撐杆共四根。

所述上層支撐架與所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸相連，所述上層支撐架與所述外層傳動帶從動軸相連，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸通過所述上層傳動帶與所述外層傳動帶從動軸相連，所述上層傳動帶共三條，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸共三根，所述外層傳動帶從動軸共三根，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸與所述外層傳動帶主動齒輪相連，所述外層傳動帶主動齒輪與所述外層傳動帶電機相連，所述外層傳動帶電機與所述單片機相連。

所述外下層上有所述外層傳動軸，所述外層傳動軸與所述外層從動齒輪相連，所述外層從動齒輪與所述外層主動齒輪相連，所述外層主動齒輪與所述外層電機相連，所述外層電機與所述單片機相連。

所述外下層與所述內下層相連，所述外下層上有所述內下層滾珠滑動套，所述內下層上有所述內下層滾珠連接孔，所述內下層通過所述液壓支撐隨動杆與所述內層支撐架相連，所述液壓支撐隨動杆共四根，所述內層支撐架上有所述過渡用轉動軸，所述內層支撐架與所述內層傳動帶從動傳動軸相連，所述內層支撐架與所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸相連，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸通過所述內層傳動帶與所述內層傳動帶從動傳動軸相連，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸與所述內層傳動帶傳動齒輪相連，所述內層傳動帶傳動齒輪與所述內層傳動帶電機相連，所述內層傳動帶電機與所述單片機相連。

所述內下層上有所述內層傳動軸，所述內層傳動軸與所述內層從動齒輪相連，所述內層從動齒輪與所述內層主動齒輪相連，所述內層主動齒輪與所述內層電機相連，所述內層電機與所述單片機相連。

所述速度傳感器與所述角度傳感器分別安裝在運動者的小腿上，所述位置傳感器安裝在運動者的腰部，所述速度傳感器、所述位置傳感器與所述角度傳感器分別與所述單片機相連。

本發明還提供了所述具有地形實感的虛擬實境模擬系統的模擬方法。

打開所述固定套環上的所述連接鍵，運動者進入所述固定套環內，合上所述連接鍵，運動者站於所述內層傳動帶上，打開具有地形實感的虛擬實境模擬系統的電源，開始工作。

安裝在運動者小腿上的所述速度傳感器將檢測到的運動者的速度信息傳回所述單片機，所述單片機根據運動者的速度信息控制所述外層傳動帶電機轉動，所述外層傳動帶電機通過所述外層傳動帶主動齒輪帶動所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸轉動，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸帶動所述上層傳動帶以與運動者相同的速度轉動，同時所述單片機根據運動者的速度信息控制所述內層傳動帶電機轉動，所述內層傳動帶電機通過所述內層傳動帶傳動齒輪帶動所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸轉動，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸帶動所述內層傳動帶以與運動者相同的速度轉動，運動者將在所述內層傳動帶和所述上層傳動帶上運動。

安裝在運動者小腿上的所述角度傳感器將檢測到的運動者的偏轉角度信息傳回所述單片機，所述單片機根據運動者的偏轉角度信息控制所述外層電機轉動，所述外層電機通過所述外層主動齒輪帶動所述外下層轉動，所述外下層通過所述起伏用電動液壓支撐杆帶動所述上層支撐架轉動，所述上層支撐架旋轉角度與運動者的偏轉角度相同，隨後，所述單片機根據運動者的偏轉角度信息控制所述內層電機轉動，所述內層電機通過所述內層主動齒輪帶動所述內下層轉動，所述內下層通過所述液壓支撐隨動杆帶動所述內層支撐架轉動，所述內層支撐架轉動角度與運動者的偏轉角度相同。

所述虛擬實境場景中的地形起伏信息通過所述核心處理器傳回所述單片機，所述單片機控制所述起伏用電動液壓支撐杆運動，所述起伏用電動液壓支撐杆帶動所述上層支撐架做起伏運動，所述上層支撐架通過所述內層支撐凸臺帶動所述內層支撐架做起伏運動。

安裝在運動者腰上的所述位置傳感器將腰部的位置信息傳回所述單片機，所述單片機控制所述電動液壓隨動杆運動，所述電動液壓隨動杆帶動所述固定套環跟隨腰部運動。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：

圖1為本發明所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的結構示意圖。

圖2、圖3為本發明所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的外層旋轉平移機構。

圖4為本發明所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的內層旋轉平移機構。

圖5為本發明所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的系統支架。

圖6為本發明所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的工作流程示意圖。

附圖標號說明：1：上圍支架；2：電動液壓隨動杆；3：固定套環；4：連接鍵；5：內層支撐架；6：內層傳動帶；7：系統支架；8：上層支撐架；9：上層傳動帶；10：液壓支撐隨動杆；11：內層傳動軸；12：內層從動齒輪；13：內層主動齒輪；14：內層電機；15：內下層；161：內下層滾珠連接孔；162：內上層滾珠連接孔；17：帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸；181：外上層滾珠連接孔；182：外下層滾珠連接孔；19：內層傳動帶傳動齒輪；20：內層傳動帶電機；21：內層傳動帶從動傳動軸；22：過渡用轉動軸；23：內層支撐凸臺；241：內上層滾珠滑動套；242：內下層滾珠滑動套；25：起伏用電動液壓支撐杆；26：帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸；27：外層傳動帶從動軸；28：外層傳動帶主動齒輪；29：外層傳動帶電機；30：外下層；301：外層傳動軸；302：外層從動齒輪；31：外層主動齒輪；32：外層電機；331：外上層滾珠滑動套；332：外下層滾珠滑動套；34：虛擬實境場景；35：核心處理器；37：速度傳感器；38：位置傳感器；39：角度傳感器；40：單片機。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供了具有地形實感的虛擬實境模擬系統。

參見圖1，示出了具有地形實感的虛擬實境模擬系統的結構示意圖；參見圖2、3，示出了具有地形實感的虛擬實境模擬系統的外層旋轉平移機構；參見圖4，示出了具有地形實感的虛擬實境模擬系統的內層旋轉平移機構。

所述具有地形實感的虛擬實境模擬系統包括：包括上圍支架1、電動液壓隨動杆2、固定套環3、連接鍵4、內層支撐架5、內層傳動帶6、系統支架7、上層支撐架8、上層傳動帶9、液壓支撐隨動杆10、內層傳動軸11、內層從動齒輪12、內層主動齒輪13、內層電機14、內下層15、內下層滾珠連接孔161、內上層滾珠連接孔162、帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17、外上層滾珠連接孔181、外下層滾珠連接孔182、內層傳動帶傳動齒輪19、內層傳動帶電機20、內層傳動帶從動傳動軸21、過渡用轉動軸22、內層支撐凸臺23、內上層滾珠滑動套241、內下層滾珠滑動套242、起伏用電動液壓支撐杆25、帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26、外層傳動帶從動軸27、外層傳動帶主動齒輪28、外層傳動帶電機29、外下層30、外層傳動軸301、外層從動齒輪302、外層主動齒輪31、外層電機32、外上層滾珠滑動套331、外下層滾珠滑動套332、虛擬實境場景34、核心處理器35、速度傳感器37、位置傳感器38、角度傳感器39、單片機40。

所述上圍支架1通過所述電動液壓隨動杆2與所述固定套環3相連，所述電動液壓隨動杆2共三根，所述電動液壓隨動杆2與所述單片機40相連，所述固定套環3用於人體保護，所述固定套環3上有所述連接鍵4。

所述上圍支架1與所述系統支架7相連，所述系統支架7上有所述外上層滾珠滑動套331和所述外下層滾珠滑動套332，所述系統支架7與所述上層支撐架8相連，所述上層支撐架8上有所述外上層滾珠連接孔181，所述上層支撐架8上還有所述內上層滾珠滑動套241，所述上層支撐架8上有所述內層支撐凸臺23，所述上層支撐架8通過所述內層支撐凸臺23與所述內層支撐架5相連，所述內層支撐架5上有所述內上層滾珠連接孔162。

所述系統支架7與所述外下層30相連，所述外下層30上有所述外下層滾珠連接孔182，所述上層支撐架8通過所述起伏用電動液壓支撐杆25與所述外下層30相連，所述起伏用電動液壓支撐杆25與所述單片機40相連，所述起伏用電動液壓支撐杆25共四根。

所述上層支撐架8與所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26相連，所述上層支撐架8與所述外層傳動帶從動軸27相連，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26通過所述上層傳動帶9與所述外層傳動帶從動軸27相連，所述上層傳動帶9共三條，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26共三根，所述外層傳動帶從動軸27共三根，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26與所述外層傳動帶主動齒輪28相連，所述外層傳動帶主動齒輪28與所述外層傳動帶電機29相連，所述外層傳動帶電機29與所述單片機40相連。

所述外下層30上有所述外層傳動軸301，所述外層傳動軸301與所述外層從動齒輪302相連，所述外層從動齒輪302與所述外層主動齒輪31相連，所述外層主動齒輪31與所述外層電機32相連，所述外層電機32與所述單片機40相連。

所述外下層30與所述內下層15相連，所述外下層30上有所述內下層滾珠滑動套242，所述內下層15上有所述內下層滾珠連接孔161，所述內下層15通過所述液壓支撐隨動杆10與所述內層支撐架5相連，所述液壓支撐隨動杆10共四根，所述內層支撐架5上有所述過渡用轉動軸22，所述內層支撐架5與所述內層傳動帶從動傳動軸21相連，所述內層支撐架5與所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17相連，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17通過所述內層傳動帶6與所述內層傳動帶從動傳動軸21相連，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17與所述內層傳動帶傳動齒輪19相連，所述內層傳動帶傳動齒輪19與所述內層傳動帶電機20相連，所述內層傳動帶電機20與所述單片機40相連。

所述內下層15上有所述內層傳動軸11，所述內層傳動軸11與所述內層從動齒輪12相連，所述內層從動齒輪12與所述內層主動齒輪13相連，所述內層主動齒輪13與所述內層電機14相連，所述內層電機14與所述單片機40相連。

所述速度傳感器37與所述角度傳感器39分別安裝在運動者的小腿上，所述位置傳感器38安裝在運動者的腰部，所述速度傳感器37、所述位置傳感器38與所述角度傳感器39分別與所述單片機40相連。

參見圖6，示出了具有地形實感的虛擬實境模擬系統的工作流程示意圖。

所述的具有地形實感的虛擬實境模擬系統的模擬方法。

打開所述固定套環3上的所述連接鍵4，運動者進入所述固定套環3合上所述連接鍵4，運動者位於所述內層傳動帶6，打開具有地形實感的虛擬實境模擬系統的電源，開始工作：

安裝在運動者小腿上的所述速度傳感器37將檢測到的運動者的速度信息傳回所述單片機40，所述單片機40根據運動者的速度信息控制所述外層傳動帶電機29轉動，所述外層傳動帶電機29通過所述外層傳動帶主動齒輪28帶動所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26轉動，所述帶從動齒輪的外層傳動帶主動軸26帶動所述上層傳動帶9以與運動者相同的速度轉動，同時所述單片機40根據運動者的速度信息控制所述內層傳動帶電機20轉動，所述內層傳動帶電機20通過所述內層傳動帶傳動齒輪19帶動所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17轉動，所述帶從動齒輪的內層傳動帶主動軸17帶動所述內層傳動帶6以與運動者相同的速度轉動，運動者將在所述內層傳動帶6和所述上層傳動帶9上運動；

安裝在運動者小腿上的所述角度傳感器39將檢測到的運動者的偏轉角度信息傳回所述單片機40，所述單片機40根據運動者的偏轉角度信息控制所述外層電機32轉動，所述外層電機32通過所述外層主動齒輪31帶動所述外下層30轉動，所述外下層30通過所述起伏用電動液壓支撐杆25帶動所述上層支撐架8轉動，所述上層支撐架8轉動角度與運動者的偏轉角度相同，隨後，所述單片機40根據運動者的偏轉角度信息控制所述內層電機14轉動，所述內層電機14通過所述內層主動齒輪13帶動所述內下層15轉動，所述內下層15通過所述液壓支撐隨動杆10帶動所述內層支撐架5轉動，所述內層支撐架5轉動角度與運動者的偏轉角度相同；

所述虛擬實境場景34中的地形起伏信息通過所述核心處理器35傳回所述單片機40，所述單片機40控制所述起伏用電動液壓支撐杆25運動，所述起伏用電動液壓支撐杆25帶動所述上層支撐架8做起伏運動，所述上層支撐架8通過所述內層支撐凸臺23帶動所述內層支撐架5做起伏運動；

安裝在運動者腰上的所述位置傳感器38將腰部的位置信息傳回所述單片機40，所述單片機40控制所述電動液壓隨動杆2運動，所述電動液壓隨動杆2帶動所述固定套環3跟隨腰部運動。