[发明专利]移动系统和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求申请系列号为61/717,761、申请日为2012年10月24日、标题为“Locomotion System and Apparatus”的美国临时专利申请，其全部内容通过引用并入本文。本申请也要求申请系列号为61/757,986、申请日为2013年1月29日、标题为“Locomotion System and Apparatus”的美国临时专利申请，其全部内容通过引用并入本文。

关于联邦政府资助的研发的声明

不适用。

技术领域

本发明一般涉及可以与虚拟现实系统联合使用的移动设备。

在虚拟现实环境中，用户通常希望有自由行走的能力。特别是，在身体上行走或在现实环境中奔跑，并具有转化到虚拟环境中运动的能力显著增加用户在虚拟环境中的沉浸程度。然而，现实世界中的运动往往受限于物理空间限制（例如，用户所处的房间的尺寸）。因此，移动装置被设计成向用户提供自由行走的感觉，同时，将用户限制于特定的位置。例如，许多移动设备允许用户在具有有限尺寸的平台上360度自由行走，而不离开该平台。

常规的移动设备包括机动和非机动的设计，其可与虚拟现实环境联合用于多种应用中，包括但不限于游戏。除了游戏，应用的例子包括员工培训、作战训练、物理治疗、锻炼、虚拟工作环境、虚拟会议室（专业和个人目的）、体育运动模拟和培训，以及虚拟旅游、音乐会和活动。

机动移动设备通常使用传感器以检测用户的运动，并将反馈发送至用户在其上运动的驱动带条或辊的电动机。运行带条或辊以对抗用户的运动并在每个跨步之后使用户返回到平台的中心部分。机动移动设备也有很多缺点。例如，由于轧制和机动元件、传感器、处理单元和反馈回路，机动移动设备通常是复杂而昂贵的。另外，轧制和机动元件需要复杂算法以适当地对抗用户的动作。向电动机的不准确反馈可导致带条或辊的错误运动，这可能会导致用户失去平衡或偏离平台的中心。当用户加速时，还可以有反馈和响应延迟的问题，造成不正确的运动或响应太慢，潜在地使用户走下平台。此外，由于响应带条或辊的动作抵消了用户的动作，用户可能容易失去平衡和被绊倒。

除了机动移动设备操作问题之外，这种设备通常是庞大而笨重的，并且因此，不适合中等大小的住宅房间（例如，游戏室、客厅，或卧室），并可能难以分解成用于运输和储存的模块化的元件。该设备必然庞大，以防止用户在进行正确的系统响应之前离开平台，因此，致使该设备不适于家用消费者使用。

非机动移动设备缺乏机动部件并依靠用户的运动和/或重力使用户在每一个跨步之后返回到该平台的中心。例如，全方位球轴承平台有数以百计的球轴承使用户行走到合适位置同时围绕用户腰部的束缚使用户保持在适当位置。全方位球轴承平台的主要问题是，用户不经历脚后跟-脚趾撞击运动的自然步态而是经历类似走在冰上的不稳定步态。该不稳定性导致脚后跟或脚趾不抬离该设备时脚拖曳，产生不自然的步态，降低用户在虚拟环境中的沉浸性。此外，由于多个辊部件，这些设备通常是沉重而昂贵的。

另一非机动移动设备是具有向上的光滑凹面的茶托状设备。用户通常穿专用的鞋子，然后“走”在平滑凹面上，反复来回滑动他/她的脚，而他/她的身体首要地保持在设备的中心。虽然茶托状设备相对简单、体积小，并且可以装在住宅房间，但有几个缺点。首先，由于凹面和专用的鞋（缺乏任何稳定脚的元件）的低摩擦特性，用户不经历脚后跟-脚趾撞击运动的自然步态的自然步态，而经历类似走在冰上的不稳定步态。因此，与采用自然跨步运动相反，用户被迫拖曳他/她的脚以帮助保持稳定。此外，在使用过程中没有任何安全机构或设备以防止用户掉落。

另一非机动移动设备是直径大约10英尺的中空球形大球。用户通过可更换面板进入球中并随着球绕其中心相对于周围环境转动，在球内行走。球设备也具有几个问题。首先，其难以并且不自然地启动和停止球运动，这可能会导致用户的不稳定。另外，由于球的大小必定受限，在行走区域不是平面，这也导致了更少的自然行走经历。除了球设备太庞大不能适应住宅房间之外，对于家庭消费者，这种市售的球成本也过高。

因此，仍然需要一种移动设备，使用户能在用户的家中私下安全地访问虚拟环境并同时提供更自然的行走步态的感觉。

发明内容