УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ С ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТЬЮ
DEVICE FOR INTERACTION OF USER WITH VIRTUAL REALITY

Изобретение относится к области компьютерных технологий и представляет собой универсальную всенаправленную беговую дорожку, которая при использовании ее вместе со шлемом виртуальной реальности позволяет пользователю максимально погрузиться и взаимодействовать с миром виртуальной реальности.
Устройство имеет очень широкий спектр применения: в развлекательных целях - компьютерные игры, прогулки по виртуальным мирам; в обучающих целях - например, для тренировки военных или полицейских; в оздоровительных целях - в качестве спортивного тренажера.
Из предшествующего из уровня техники на территории Российской Федерации известна система для погружения пользователя в виртуальную реальность, содержащая замкнутую оболочку в виде сферы, ограничивающую реальное пространство, размещенную на опорах с возможностью вращения вокруг своего центра и имеющую по меньшей мере один люк, снабженный крышкой, для входа и выхода пользователя, средство для формирования виртуального пространства, средство для отображения пользователю виртуального пространства, подключенное к средству для формирования виртуального пространства, отличающееся тем, что содержит блок преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями пользователя, совершаемыми им внутри оболочки, средство определения величины и направления перемещения пользователя относительно оболочки, подключенное к блоку преобразования виртуального пространства, по меньшей мере три колесные опоры, при этом поворотные оси колесных опор направлены к центру сферы и смещены относительно оси вращения колеса. RU 97107572 A, G09B 9/00, 20.02.1999.
Также известен следующий способ погружения пользователя в виртуальную реальность и устройство для его реализации. Способ погружения пользователя в виртуальную реальность, заключающийся в том, что формируют виртуальное пространство, объекты которого возникают, перемещаются и исчезают заданным и случайным образом, отображают сформированное виртуальное пространство пользователю, осуществляют преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве, отличающийся тем, что до формирования виртуального пространства помещают пользователя на площадку в начальную точку отсчета так, чтобы он мог при взаимодействии с объектами виртуального пространства совершать требуемое количество шагов по этой площадке в любую сторону, определяют количество, величину и направление шагов, совершенных пользователем по площадке относительно начальной точки отсчета, и компенсируют передвижения ног пользователя так, чтобы пользователь оставался на площадке во время взаимодействия с виртуальным пространством, в соответствии с количеством, величиной и направлением шагов, совершенных пользователем, дополнительно осуществляют преобразование виртуального пространства и отображение его пользователю. RU 961019689 A, G08F 19/00, 27.08.1998.
Из предшествующего из уровня техники за рубежом известна беговая дорожка, представляющая собой систему дорожек, которые позволяют пользователю идти или бежать в любом произвольном направлении, содержащая подвижную систему поддержки пользователя со множеством поворотных элементов, которые вращаются вокруг осей, перпендикулярных направлению движения дорожки, отдельный механизм для одновременного перемещения систем поддержки пользователя, позволяющий пользователю двигаться во всех направлениях, механизм, определяющий направление движений пользователя в пространстве. PCTUS 6914016, 28.11.2000.
Известны также аналогичные устройства, такие как: Virtuix Omni (официальный сайт: www.virtuix.com), Cyberith Virtualizer (официальный сайт: www.cyberith.com), WalkMouse (официальный сайт: www.walkmouse.com). Kat Walk (официальный сайт: www.katvr.com).
Все вышеперечисленные устройства имеют очень сложную конструкцию, что усложняет их сборку и, следовательно, повышает их себестоимость. К тому же половина из них имеет довольно крупные габариты, что усложняет их транспортировку и вызывает трудности по их установке в жилых комнатах, имеющих небольшую площадь.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании компактного бюджетного варианта устройства для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью с простой и недорогой конструкцией, но при этом позволяющего пользователю двигаться (бегать и ходить) во всех направлениях, свободно вращаться вокруг своей оси на 360 градусов, а также прыгать и приседать, что обеспечит максимальное погружение пользователя в виртуальную реальность.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью содержит плоскую круглую платформу с вогнутой поверхностью, в середине которой находится круглая ровная небольшого диаметра площадка, покрытая роликами, направленными и вращающимися только по направлению к центру, а на наклонной плоскости размещены узкие беговые дорожки, направленные и вращающиеся только по направлению к центру, одну телескопическую штангу, нижний конец которой прикреплен к обручу, вращающемуся вокруг платформы, а к верхнему концу прикреплен страховочный ремень, помогающий пользователю сохранять равновесие, датчики, размещенные внутри платформы, непосредственно под каждой узкой беговой дорожкой, подающие сигнал о поступательных движениях пользователя на принимающее устройство (например, ПК), которое с помощью них определяет направление и скорость его перемещений, датчик, размещенный внутри обруча, вращающегося вокруг платформы, с помощью которого принимающее устройство определяет направление вращательных движений тела пользователя, датчик, размещенный на верхнем конце телескопической штанги в месте крепления страховочного ремня, с помощью которого принимающее устройство определяет положение тела пользователя по вертикали, по направлениям вверх и вниз.
Узкие беговые дорожки, размещенные на наклонной плоскости платформы, направленные и вращающиеся только по направлению к центру, размещены по всему периметру наклонной плоскости платформы, параллельно друг к другу и расходятся от круглой ровной небольшого диаметра площадки, размещенной в центре платформы, к внешнему краю платформы.
Узкие беговые дорожки, размещенные на наклонной плоскости платформы, направленные и вращающиеся только по направлению к центру, не связаны между собой и вращаются независимо друг от друга.
Каждая узкая беговая дорожка представляет собой ленту, натянутую на расположенные в ряд валики и покрытую по всему периметру поперечными, расположенными параллельно друг к другу полосами.
Валики, на которые натянуты ленты узких беговых дорожек, имеют различную длину и расположены на наклонной плоскости платформы по убыванию, при этом самый длинный валик расположен у верхнего края наклонной плоскости платформы, а самый узкий валик расположен у нижнего края наклонной плоскости платформы.
С помощью датчиков, расположенных под каждой узкой беговой дорожкой, принимающее устройство определяет направление перемещений пользователя в зависимости от того, какая узкая беговая дорожка приведена в движение в настоящий момент, а также определяет скорость перемещения пользователя, рассчитывая скорость вращения узкой беговой дорожки, считывая данные с поперечных полос.
Телескопическая штанга состоит из двух трубок разного диаметра, причем одна трубка меньшего диаметра вставлена внутрь другой трубки большего диаметра.
Трубки соединены между собой специальным креплением, с помощью которого можно передвигать трубки внутри друг друга и таким образом регулировать длину телескопической штанги.
Нижний конец телескопической штанги прикреплен к обручу, вращающемуся вокруг платформы, а верхний конец прикреплен к страховочному ремню специальными петлями, с помощью которых можно регулировать угол наклона телескопической штанги.
Обруч, к которому прикреплена телескопическая штанга, вращается вокруг платформы независимо от нее, при этом сама платформа находится в неподвижном состоянии.
На верхнем конце телескопической штанги имеется хомут, в который вставлен горизонтально расположенный стержень, движущийся внутри него по направлениям вперед и назад.
На переднем конце горизонтально расположенного стержня имеется кольцо, в которое вставлен вертикально расположенный стержень, прикрепленный к задней спинке страховочного ремня и движущийся внутри этого кольца по направлениям вверх и вниз.
Страховочный ремень перемещается в направлениях вверх, вниз, вперед и назад посредством вертикально расположенного и горизонтально расположенного стержней.
Датчик, расположенный на верхнем конце телескопической штанги, направлен в заднюю спинку страховочного ремня, прикреплен к горизонтально расположенному стержню и двигается вместе с ним по направлениям вперед и назад.
С помощью датчика, расположенного на верхнем конце телескопической штанги, принимающее устройство считывает данные при перемещениях страховочного ремня по направлениям вверх и вниз и определяет таким образом положение тела пользователя по вертикали.
С помощью датчика, расположенного внутри обруча, вращающегося вокруг платформы и направленного на стенку платформы с торца, принимающее устройство определяет направление вращательных движений пользователя, считывая данные при вращении обруча вокруг платформы.
Достигаемый технический результат заключается в том, что работа устройства основана на обычной механике без использования дорогой и сложной электроники за исключением простых датчиков, подобных тем, что используются в обыкновенных компьютерных мышах (это могут быть, например, лазерные или оптические датчики), что делает устройство относительно недорогим и более доступным для пользователей, а благодаря своей компактности устройство не будет занимать много места и пользоваться им будет максимально удобно.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг. 1 представлено устройство, общий вид;
На фиг. 2 – платформа, вид сверху;
На фиг. 3 - схема крепления верхнего конца телескопической штанги к задней части страховочного ремня;
На фиг. 4 - платформа и вращающийся обруч, вид изнутри сбоку;
На фиг. 5 - узкая беговая дорожка и валики, вид изнутри сбоку.
Устройство для взаимодействия пользователя 1 с виртуальной реальностью содержит плоскую круглую платформу 2 с вогнутой поверхностью, в середине которой находится круглая ровная небольшого диаметра площадка 3, покрытая роликами 4, направленными и вращающимися только по направлению к центру, а на наклонной плоскости 5 размещены узкие беговые дорожки 6, направленные и вращающиеся только по направлению к центру, одну телескопическую штангу 7, нижний конец которой прикреплен к обручу 8, вращающемуся вокруг платформы 2, а к верхнему концу прикреплен страховочный ремень 9, помогающий пользователю 1 сохранять равновесие, датчики 10, размещенные внутри платформы 2, непосредственно под каждой узкой беговой дорожкой 6, подающие сигнал о поступательных движениях пользователя 1 на принимающее устройство 11 (например, ПК), которое с помощью них определяет направление и скорость его перемещений, датчик 10, размещенный внутри обруча 8, вращающегося вокруг платформы 2, с помощью которого принимающее устройство 11 определяет направление вращательных движений тела пользователя 1, датчик 10, размещенный на верхнем конце телескопической штанги 7 в месте крепления страховочного ремня 9, с помощью которого принимающее устройство 11 определяет положение тела пользователя 1 по вертикали, по направлениям вверх и вниз.
Узкие беговые дорожки 6, размещенные на наклонной плоскости 5 платформы 2, направленные и вращающиеся только по направлению к центру, размещены по всему периметру наклонной плоскости 5 платформы 2, параллельно друг к другу и расходятся от круглой ровной небольшого диаметра площадки 3, размещенной в центре платформы 2, к внешнему краю платформы 2, при этом они не связаны между собой и вращаются независимо друг от друга.
Каждая узкая беговая дорожка 6 представляет собой ленту 12, натянутую на расположенные в ряд валики 13, которые имеют различную длину и расположены на наклонной плоскости платформы по убыванию, и покрытую по всему периметру поперечными расположенными параллельно друг к другу полосами 16.
Под каждой узкой беговой дорожкой 6 внутри обруча 8, вращающегося вокруг платформы 2, и на верхнем конце телескопической штанги 7 расположены датчики 10, с помощью которых принимающее устройство 11 определяет, в каком направлении движется пользователь 1, а также положение его тела по вертикали.
Телескопическая штанга 7 состоит из двух трубок разного диаметра, причем одна трубка меньшего диаметра 14 вставлена внутрь другой трубки большего диаметра 15, трубки можно передвигать внутри друг друга и таким образом регулировать длину телескопической штанги 7.
Нижний конец телескопической штанги 7 прикреплен к обручу 8, вращающемуся вокруг платформы 2, а верхний конец прикреплен к страховочному ремню 9 специальными петлями 17, с помощью которых можно регулировать угол наклона телескопической штанги 7.
К задней части страховочного ремня 9 прикреплены горизонтально расположенный стержень 18 и вертикально расположенный стержень 19, с помощью которых страховочный ремень 9 может перемещаться вперед, назад, вверх и вниз.
Как вариант, над всем устройством может быть установлена тонкая арка 20, которая может выполнять несколько функций: во-первых, для отвода проводов и кабелей 21 от устройства; во-вторых, по обеим сторонам арки можно прикрепить камеры отслеживания датчиков движения 22, которые будут необходимы при применении пользователем иных дополнительных контроллеров с датчиками движения.
На фиг. 5 указан вариант механизма 23, предотвращающего вращение валиков 13 узких беговых дорожек 6, а также роликов 4, расположенных на поверхности круглой ровной небольшого диаметра площадки 3, по направлению от центра платформы 2 в стороны. Данный механизм состоит из крючка 24, оболочки 25 и пружины 26. Крючок 24 передвигается внутри оболочки 25 в обоих направлениях. Внутри оболочки 25 имеется пружина 26, возвращающая крючок 24 в исходное положение. Крючок 24 имеет с одной стороны скошенный угол, а с другой - прямой угол. Когда шестерни 27, прикрепленные к валикам 13 и к роликам 4, упираются в сторону крючка 24 с прямым углом, то шестерни 27 стопорятся и перестают вращаться, когда же они упираются в сторону крючка 24 со скошенным углом, то они скользят по ее поверхности и вращаются без препятствий, а сам крючок 24 немного сдвигается в сторону.
На стыке двух трубок телескопической штанги 7 имеется специальное крепление 28, которое запирается после установки нужной высоты телескопической штанги 7 и не позволяет трубкам двигаться внутри друг друга.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство подключается к персональному компьютеру либо к иному принимающему устройству, на котором должна быть установлена и запущена необходимая программа (будь то компьютерная игра либо обучающая программа), а также должно быть установлено программное обеспечение, необходимое для работы устройства для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью. Пользователю необходимо встать в центр платформы, надеть страховочный ремень, отрегулировать под себя и зафиксировать высоту и угол наклона телескопической штанги. Для полного погружения также необходимо использовать шлем виртуальной реальности и контроллер либо контроллеры для взаимодействия с виртуальным миром, которые также необходимо подключить к принимающему устройству.
Для управления персонажем виртуальной реальности необходимо совершать обыкновенные поступательные движения, наступая на узкие беговые дорожки и валики, расположенные на наклонной плоскости. Так как узкие беговые дорожки и валики расположены на наклонной плоскости, то нога пользователя будет соскальзывать вдоль дорожки или дорожек вниз и по инерции продолжать движение уже по поверхности роликов, вращающихся по направлению к центру платформы и размещенных на ровной круглой небольшого диаметра площадке, расположенной по середине платформы, пока не достигнет центра платформы либо противоположно направленных роликов. А так как ролики, размещенные на круглой ровной небольшого диаметра площадке, расположенной в середине платформы, а также узкие беговые дорожки и валики, размещенные на наклонной плоскости платформы, движутся лишь по направлению к центру платформы, то ноги пользователя не будут разъезжаться в разные стороны и при завершении полной амплитуды шага будут создавать для ноги точку опоры.
С помощью датчиков, расположенных под каждой узкой беговой дорожкой, принимающее устройство определяют направление перемещений пользователя в зависимости от того, какая узкая беговая дорожка приведена в движение в настоящий момент, а также определяют скорость перемещения пользователя, рассчитывая скорость вращения узкой беговой дорожки, считывая данные с поперечных полос, расположенных на поверхности узких беговых дорожек.
С помощью датчика, расположенного внутри обруча, вращающегося вокруг платформы, принимающее устройство определяет направление вращательных движений пользователя и в какую сторону повернуто туловище пользователя в настоящий момент и, таким образом, определяет направления вперед, назад, вправо и влево относительно пользователя и перекладывает эти данные на персонажа виртуального мира в режиме реального времени.
С помощью датчика, размещенного на верхнем конце телескопической штанги, принимающее устройство определяет положение туловища пользователя по вертикали по направлениям вверх и вниз относительно первоначального положения датчика и определяет таким образом, какое действие производит пользователь в настоящий момент: приседает либо прыгает.