[发明专利]可变重力体验和产生沉浸式VR感受的方法和装置

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2009年9月19日提交的美国临时专利申请序列号61/277,145的优先权，该临时申请的全部公开内容引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及可变低重力/零重力模拟系统，通过基本上沉浸在流体环境中(“浮力机构”)和使用助力机构/机器人移位设备(例如机械外骨骼)，实现可变低重力/零重力状况，以帮助用户的运动/重力补偿和/或减轻或改变所述“浮力机构”的重量和形状引起的在使用对象躯干和四肢上的负载，从而用户可以体验所模拟(可变)重力环境的效果，例如零重力，在该情况下，用户可以在无重力环境中不费力地运动。当与VR相关技术结合时，这可以产生用于地球外场景的生动沉浸式(immersive)模拟，且可以广泛地用于娱乐、游戏、训练、治疗等。

背景技术

常规地，在地球上进行时间上超过几秒钟的零重力或低重力模拟是困难和昂贵的。美国宇航局(NASA)使用不同模拟方法--包括使用飞机飞行抛物线路径，或使用水下的加压太空服。尽管这些方法可以有效地训练宇航员，但是它们都有一定的局限性：用户通常需要特殊的训练，以确保安全。因此，这些方法对于诸如娱乐领域的大众使用来讲仍然是昂贵的。

中性(平衡)浮力的水下训练也是已知技术，其由于能提供在地球上进行微重力环境训练而被使用。这样的训练系统与水下实验室一起用于训练宇航员。

这些年来，由于在传感器，计算机和电机/执行机构设备的技术进步，助力机构/机器人移位设备(例如，外骨骼(exoskeleton，或负重机器人))越来越普遍。正如专利申请WO2005099398、专利申请WO2008094191和专利CN101357097所显示的，还存在使用/控制助力机构/机器人移位设备(例如外骨骼)来辅助用户运动和/或重力补偿。

发明内容

美国宇航署(NASA)使用中性浮力训练进行宇航员的EVA(舱外活动)(又称太空行走)训练，这被证明是模拟低重力状况的现实和有效途径。然而，这需要把用户浸入水箱中，并使他/她穿的太空服加压。这需要特殊的训练和采取安全措施，以防止用户的潜水/溺水相关的风险。虽然在静态情况下用户的重量是由浮力补偿，但是当用户移动时流体的粘滞将造成阻力/摩擦，这使得感受与太空中不同--在太空中的真空环境中没有阻力。把用户浸入在大水箱中在提供逼真的视觉环境(这一点对于如娱乐和可视化模拟的目的来说很重要)这方面也引起一些挑战，因为水对可见光谱的吸收是猛烈的和不均衡的，因此在经过一定距离透过水看时难以提供白平衡的图像。

通过在“浮力机构/环境”(可能是类似服装形状的环境)中用流体/混合物层环绕用户身体(而不是在用户的眼睛前)，本发明可以解决上述困难。正如在中性浮力训练中一样，用户能够服在服装环境内“浮动”，但简化了过程并且消除了溺水的危险，因为用户的头部不被浸入水下。此外更多用户在许多虚拟现实/模拟/训练和游戏的情况下不需要透过水获得视觉信号，因此视觉显示(例如用于视频信号的模型和/或屏幕)可以远离用户放置，以帮助用户产生正确的空间距离感，这比在水下环境中运作更简单。

然而，服装本身的重量仍需要得到支撑。如果用户需要支撑服装的重量，例如当他站立或试图移动手臂或腿部时，会因为浮力机构(可以是服装形状)的重量而感到沉重。助力机构/机器人移位设备，例如但不仅限于外骨骼，可以用于补偿执行任务所需的重力(以及其他可能的力/惯性等)，可以用来解决这个问题。这些设备通常可以“模仿”用户姿势变化/肢体动作，以及/或者“放大”用户的力量，在一些情况下“可穿戴”。因此，可以很方便地与上述“浮力机构”(可以是服装形状)相整合，组合系统可以依然有可能装配在更大的服装内。图1显示了一个例子。一些“可穿戴”外骨骼的形状接近人形状/体型(figure)，它不会很难放进更大的“服装”(或与人体型具有相似性的生物或物种的体型)内部，使整个系统看起来像一个真正的太空服(或体型)。对于其他情况下，虚拟现实或混合现实技术可以提供帮助，在本说明书稍后讨论。

在本发明的第一个实施例中，一种用于可变重力体验和产生沉浸式VR感受的装置，包括：