[发明专利]用于虚拟现实环境中的下肢运动仿真控制设备

摘要

本发明研制了一种可以用于虚拟现实环境中的下肢运动仿真控制设备。本发明可以分析、计算并向使用者的下肢施加其在虚拟现实环境中的受力，实现自然的下肢动作仿真，为虚拟现实系统提供了带有交互式力反馈的人体下肢运动仿真控制设备。本发明不受场地限制，可以在任意面积、任意地形的虚拟场景中实现人体下肢的力反馈交互式体验，让使用者感受到完整的三维虚拟现实环境沉浸感。本发明可以提供人体下肢需要的全部运动自由度和运动幅度，为使用者提供不受限制的下肢运动仿真体验。相比目前的交互式虚拟现实设备，本发明极大地提升了使用者的下肢沉浸感体验，实现了完整的虚拟现实在人体下肢的交互式体验。

主权项

本发明用于虚拟现实环境中的下肢运动仿真控制设备包括：本发明的硬件结构包括机械结构、驱动系统和传感系统；本发明的机械结构采用多个杆和传动结构构成的力反馈外骨骼结构，杆与杆之间通过铰链相连，每个铰链上都带有相应的驱动设备，用于控制铰链的运作；本发明设备与人体下肢各关键部位绑定在一起，人体下肢活动时可以带动机械结构一起做出相同的动作：通过机械结构可以模拟人体下肢运动所具备的16个自由度，获得虚拟现实场景对于人体下肢动作的反馈力；本发明的驱动系统由与铰链传动的驱动设备组成，驱动系统可以实现的功能包括：制动、驱动：通过驱动系统的制动，可以按照虚拟现实系统的场景要求实现向人体下肢输出制动扭矩，从而模拟人体下肢运动中接触各类物体所受到的阻力；驱动系统通过主动输出驱动力矩，可以让使用者下肢感受到来自虚拟场景中的外部驱动力，进而模拟人体下肢由重力加速度或其他运动引起的各种受力；本发明的驱动系统在实际实施过程中，驱动系统可以采用包括但不限于电动机、伺服电机、步进电机、液压、气动在内的装置来实现制动和驱动；本发明的传感系统由一系列的动作捕捉传感器组成，这些传感器用于测量人体下肢的运动姿态和受力情况：通过测量人体下肢关键位置的运动情况，将数据传回至虚拟现实系统中进行人体下肢受力分析及姿态计算；本发明的传感系统在实际实施过程中，传感系统可以采用包括但不限于机械传感器、形变传感器、压力传感器、光电编码器在内的传感器来测量人体受力；本发明的控制系统与硬件结构实现数据连接，控制系统内置虚拟现实软件或与其他虚拟现实软件连接实现数据交互；本发明通过控制系统获取虚拟现实软件所渲染的场景，并将场景内可能影响到使用者下肢运动的相关数据提供给控制系统；控制系统根据硬件结构姿态计算人物运动状态和力反馈参数，分别传送给虚拟现实软件和硬件结构分别进行场景渲染和运动仿真输出。