[发明专利]一种全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实人机交互技术领域，特别是一种全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统。

背景技术

虚拟现实技术应用非常广泛，在虚拟装配、虚拟维修、虚拟战场训练、三维游戏等领域应用很普遍。如虚拟装配系统，它是虚拟现实技术在制造业的典型应用，它利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，检验和评价产品的装配性能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。该设备可应用在学校的虚拟仿真实验室、军事虚拟训练和全沉浸式游戏中，应用范围很广。

但是对人在一个平面内全方位行走的方向和速度的捕捉问题一直是个难点，长久以来没有一个好的解决办法，市面上也没有相关的虚拟交互设备可供使用。运用位置跟踪器也只能在一个很有限的空间内实现对人的位置跟踪，无法完成大场景的漫游任务。为了解决这个问题，英国Warwick 大学研制了一种新型的虚拟装配环境——Cybersphere。采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，直接与球内表面接触，完成自由行走的功能。这种设备虽然兼顾了三维场景显示和行走跟踪两大功能，但这种设计存在几个明显弊端。

1、人在球内，进出很不方便，而且操作者随身所带的交互设备必须是无线通信的，无法用电缆与外部相连，而现有的数据衣、数据手套、数字头盔基本都是有线的，所以很难使用。

2、这种设计将球体同时作为球形显示设备，采用特殊材料的半透明球体，造价极其昂贵，而且显示效果还很难保证，维护成本相当高，很难得到普及。

由上可知，现有技术中的虚拟现实人机交互设备还存在不完善之处，不能完全满足用户的需求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种简单实用的全方位行走跟踪装置及基于该装置的虚拟交互系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置、工作台、滚动球、制动装置、万向滚珠、测速装置、可升降支撑架和万向滚珠固定环，

所述工作台设置在地面上，工作台的上方固连高度可调节的腰部固定装置，该工作台的上方还设置通孔，通孔位于腰部固定装置的下方，滚动球设置在可升降支撑架上并可在该支架上滚动，该滚动球的上端位于工作台的通孔处，滚动球上套有两个以上万向滚珠固定环，每个万向滚珠固定环上均设置若干万向滚珠。 

优选的工作台的侧面设置梯子，所述腰部固定装置包括腰部固定环和支撑座，所述支撑座与腰部固定环相连，其固定在工作台的上方，所述万向滚珠固定环的个数为3个，该三个万向滚珠固定环的平面相互平行，所述三个万向滚珠固定环分别位于滚动球的上部、中部和下部，每个万向滚珠固定环上设置三个以上万向滚珠。位于滚动球上部和下部的万向滚珠固定环上分别设置八个万向滚珠，位于滚动球中部的万向滚珠固定环上设置四个万向滚珠。所述测速装置的数量为偶数个，其数量大于等于2，位于套在滚动球中部或下部的万向滚珠固定环上。所述滚动球为表面粗糙的硬质圆球。所述滚动球为表面成磨砂状的塑料球，所述制动装置的数量为3，该3个制动装置均匀分布在上部的万向滚珠固定环的三等分点位置处。本发明中所述的制动装置为摩擦式制动器，靠制动件与滚动球之间的摩擦力制动，其中制动件可以为外抱块式制动器、内张蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器等。

一种全方位行走跟踪装置的虚拟交互系统，包括全方位行走跟踪装置、操控计算机、虚拟交互设备、图形工作站、投影仪和投影幕，所述操控计算机、虚拟交互设备均位于全方位行走跟踪装置的工作台上，图形工作站位于全方位行走跟踪装置的工作台下地面上或者地面上合适位置，投影仪设置在房间的观摩区，投影幕设置在投影仪的投影方向前端，所述全方位行走跟踪装置、操控计算机、虚拟交互设备、投影仪均与图形工作站相连接。