技术领域
[0001] 本
发明涉及从虚拟应用(具体地，计算机游戏或其他程序应用)为用户提供物理反馈的领域。
背景技术
[0002] 在科技文献中，允许创建技术和心理现象的信息技术的发展被称为“
虚拟现实”或“VR系统”。编程技术的发展、
半导体集成
电路吞吐量的快速增加、用于将信息发送给用户并且获得反馈的特殊设施的发展为进入虚拟世界的人们提供了新的
感知质量并且不仅为人们提供观察和体验的机会，而且还赋予人们做自己的机会。
[0003] 综合的VR系统必须拥有下列性质：答复用户的动作(交互式的)，实时引进3D图形虚拟世界，并且通过感官连接系统产生沉浸效应。出于此目，系统和用户必须完全同步。
[0004] 目前，存在在虚拟环境中提供交互作者用和真实物理反馈的大量VR系统。
发明内容
[0005] 本发明的
原型是一种通过来自应用程序的反馈将物理知觉传递给用户的身体的方法及用于该方法的可佩戴附件。该方法包括：在应用程序中产生反馈
信号；将反馈信号发送给可佩戴的接收器，并且使用用户的
皮肤作为
接触面，基于接收的反馈信号将物理反馈知觉发送给用户的身体和/或头部。附件配备有从虚拟环境产生多感官反馈的各种机械和电触发器以及各种
生物计量和环境
传感器。由用户根据可佩戴附件的各层进行调节的应用
软件的主控制面板和各个监测工具控制被刺激的触觉感官的强度。
[0006] 本发明的缺点在于，从一个或另一类型的接触面接收的反馈脉冲的调整不足以精密。手动的“或多或少”设置变化在调整的范围内。整体调整设定了特定模式的脉冲行为，对于所有的接触对象，模式是相同的。脉冲的影响是选择性的并且并不因对虚拟环境中的各个对象和介质的各种类型的干扰而发送全方位的物理知觉。
[0007] 本发明的目的是：通过反馈脉冲的行为的精密调整创建
深度感知真实性；将虚拟环境中的任何变化发送给用户的感官知觉层面，且获得事件的最多体验；在用于与数字环境智能之间建立即时交互式直接连接和反馈；在游戏和模拟过程中建立最大
沉浸感；创建正确的数字替身。
[0008] 按照下列方式处理出现的问题。
[0009] 提供一种用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的方法，该方法包括：获取用户的生物特征参数和/或运动参数；将用户的生物特征参数和/或运动参数传递给应用程序；在应用程序中产生反馈信号；将反馈信号发送给计算设备；处理反馈信号并且供给反馈脉冲，反馈脉冲通过与用户的皮肤的接触激发用户的神经系统的物理知觉，其中，使用电脉冲的级联分布的原理供给反馈脉冲。
[0010] 为了执行本发明中的方法，提供一种用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的可佩戴装置，可佩戴装置的
变形之一包含至少一个模
块和至少一个插槽，该至少一个模块包含用于收集用户的生物特征参数和/或运动参数的至少一个元件和/或用于供给电反馈脉冲的至少一个元件，并且该至少一个插槽用于连接从下组中选择的至少一个工作单元：
[0011] -用于收集用户的生物特征参数和/或运动参数的设备；
[0012] -用于供给电反馈脉冲的设备；
[0013] -计算设备单元；
[0014] -电脉冲生成单元；
[0015] -电源单元；
[0016] -用于与应用程序耦接的单元；
[0017] -用于与移动设备耦接的单元，移动设备用作显示器和/或远程程序控制台；
[0018] -本地化单元(localization unit)；
[0019] 其中，模块被制成由三层构成的柔性板的形式，且用于收集生物特征参数和/或运动参数的元件和/或用于供给电反馈脉冲的元件放置在与用户的皮肤接触的层的外侧上，并且用于连接工作单元的插槽放置在外层的外侧上。
[0020] 用于执行本发明中的方法的第二选项是一种用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的可佩戴装置，该可佩戴装置包含用于收集用户的生物特征参数和/或运动参数至少一个元件和/或用于供给电反馈脉冲的至少一个元件、以及用于连接从以下组中选择的至少一个工作单元的至少一个插槽：
[0021] -用于收集用户的生物特征参数和/或运动参数的设备；
[0022] -用于供给电反馈脉冲的设备；
[0023] -计算设备单元；
[0024] -电脉冲生成单元；
[0025] -电源单元；
[0026] -用于与应用程序耦接的单元；
[0027] -用于与移动设备耦接的单元，移动设备用作显示器和/或远程程序控制台；
[0028] -本地化单元；
[0029] 其中，可佩戴装置是柔性
覆盖件(flexible cover)，其被制成使得存在调整用户的身体的合适度的方式，其中，与用户的皮肤接触的层是导电的，而且用户收集生物特征参数和/或运动参数的元件和/或用于供给电反馈脉冲的元件放置在导电层中与用户的身体接触的一侧上。
[0030] 可佩戴装置可能被制成由柔性覆盖件构成的一片布料形式或与柔性材料链接的模板形式。
[0031] 用于与应用程序耦接的优选设备是
无线通信模块或有线通信端口，具体地，USB、或COM
接口。
[0032] 优选的本地化设备是GPS模块或回声
定位模块、激光发射器的系统、或多模块3D系统。
[0033] 本发明允许提供全功能的同步并且创建深度感官真实性；将虚拟环境中的任何变化发送给用户的感官感知层面，且获得事件的最多体验；在用户与数字环境智能之间建立即时的交互式直接连接和反馈；在游戏或模拟过程中建立最大沉浸感；创建正确的数字替身(
化身)。
附图说明
[0034] 附图中示出了本发明。
[0035] 图1是用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的方法的整体示意图。
[0036] 图2示出了步骤1中的电脉冲分布的级联系统；
[0037] 图3示出了步骤2中的电脉冲分布的级联系统；
[0038] 图4示出了步骤3中的电脉冲分布的级联系统；
[0039] 图5示出了本发明中的柔性三层板形式的整体图。
[0040] 图6是与用户的皮肤接触的柔性板的第一层的示图。
[0041] 图7是柔性板的内层的示图。
[0042] 图8是柔性板的外层的示图。
[0043] 图9是柔性覆盖件形式的可佩戴装置的外侧的示图。
[0044] 图10是柔性覆盖件形式的可佩戴装置的内侧的示图。
[0045] 图11示出了模块化组件形式的可佩戴装置的正视图。
[0046] 图12示出了模块化组件形式的可佩戴装置的端视图。
[0047] 图13示出了从手掌的外侧观看的模块化手套-操纵器。
[0048] 图14示出了从手掌的内侧观看的模块化手套-操纵器。
[0049] 图15示出了柔性覆盖件组件形式的可佩戴装置的正视图。
[0050] 图16示出了柔性覆盖件组件形式的可佩戴装置的端视图。
[0051] 图17示出了柔性覆盖件手套-操纵器的俯视图。
[0052] 图18示出了从手掌的内侧观看的柔性覆盖件手套-操纵器。
[0053] 图19示出了组件与手套-操纵器之间的接合。
具体实施方式
[0054] 在图1中，示出了用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的方法的方案。
[0055] 根据本方法，用于收集生物特征参数的元件1和用于收集运动参数的元件2收集用户的生物特征参数和运动参数并且将这些参数传递给用于收集参数的设备3。用于收集参数的设备3将接收到的参数处理成信号，而信号被传递给通过共用总线5与设备3链接的共用计算设备4。计算设备4将通过耦接单元6接收的信号的脉冲发送给在远程
数据处理单元7上发起的应用程序。应用程序产生反馈信号并且通过耦接单元6将反馈信号传递给计算设备4，计算设备4处理接收到的反馈信号并且向脉冲生成器8传递产生反馈脉冲且将反馈脉冲传递给用于供给电反馈脉冲的设备的指令。用于供给电反馈脉冲的设备9将反馈脉冲供给至反馈脉冲供给元件10(以下称—
电极)和/或珀尔帖元件(Peltier element)11。
[0056] 反馈脉冲影响神经末梢，从而致使接触的肌肉或肌肉组织萎缩。当用户的虚拟身体部位与虚拟环境中的虚拟对象相遇时，应用程序产生反馈信号并且通过耦接单元6将反馈信号传递给计算设备4，计算设备4产生对应的指令，以使得脉冲生成器8通过用于供给电反馈脉冲的设备9将产生的脉冲供给至位于用户的实际身体的同一部位上的电极10和珀尔帖元件11。
[0057] 为了确保将最为真实的反馈信号提供给用户，使用脉冲的级联分布的原理向电极10和珀尔帖元件11供给各个振幅、
频率、以及应
力的脉冲。
[0058] 在图2、图3、图4中，示出了“软”电脉冲分布原理，其中，脉冲具有各个功率范围-从强到弱并且直至完全衰减。
[0059] 在图2中，示出了用户身体上的随机电极10系统区，且最强的脉冲占据接触点10-1。
[0060] 在图3中，位于电极接触点10-1处的初次电脉冲具有最大的功率并且是最强刺激的地方。脉冲的功率按
电子方式计算并且取决于虚拟环境中的冲击类型。从根据冲击类型进校分类的数值库中获取功率级。
[0061] 位于电极接触点10-2处的二次电脉冲和位于接触点10-3处的三次电脉冲功率更小并且通过取决于初次脉冲10-1的功率的软件进行计算。脉冲因所需的预编程值而被自动
软化。
[0062] 在图4中，信号分布递减，从而达到电接触点10-4处的接地电势。
[0063] 因此，级联分布提供了最为真实的感测系统。
[0064] 电脉冲的智能阵列允许在刺激剩余和二次知觉的同时传递复杂的触觉知觉。
[0065] 为了使用级联的原理提供合理的
能源消耗电极操作。例如，为了将脉冲供给是个电极，初始，将脉冲供给第一电极，然后，从第一电极移除脉冲，并且然后，将脉冲供给第二电极等。所有的这些是非常高频的操作并且建立所有电极脉冲的
印象。
[0066] 为了执行要求保护的方法，本发明提供了可佩戴装置的两种变形。
[0067] 变形之一的
实施例是由包括三个工作层(图6至图8)的柔性三层半12(图15)形式制成的模块。与用户的皮肤接触的内层12-1(图6)包含通过配线13连接的一组电极10、和/或珀尔帖元件(附图中未示出)、和/或生物特征和/或运动学传感器(附图中未示出)。内层12-2(图7)包含电极的一组接触14、共用总线的一组接触15、工作单元的一组接触16、以及
锁存件17。
[0068] 第三层12-3的内侧(图8)包含匹配锁存件18、与第二层的接触反向的接触(附图中未示出)，而第三层12-3的外侧具有用于连接工作单元的插槽。
[0069] 模块可具有一层、两层、或多层。
[0070] 本发明中的可佩戴装置的第二变形的实施例是柔性覆盖件20(图9、图10)。在覆盖件20的外侧上(图9)有凹槽21，其中，增强肋22在其端部处插入有固定杆23。增强肋22和固定杆23构成用于调整柔性覆盖件20相对用户的身体的合适度的系紧系统。
[0071] 柔性覆盖件20的内侧上(图10)
层压有导电涂覆层24(其与用户的身体接触)。导电涂覆层24上层压有电极10和/或珀尔帖元件(附图中未示出)。
[0072] 可佩戴装置的变形之一是由利用弹力布27链接的不同配置的模块12制成的衣服(suit)25(图11、图12)或手套-操纵器26(图13、图14)。其允许将电极仅仅地固定在身体上。极板12是可移除的，以允许在组件损坏和清洗组件时更换元件(根据需要)。
[0073] 组件25的内侧和承载所提供的用户的身体的手套-操纵器26是用于配线的手套(附图中未示出)，其中，共用总线、接地
电缆、脉冲配线、以及模块配线放置在手套中。
[0074] 在另一变形中，可佩戴装置是有柔性覆盖件制成的衣服29(图15、图16)或手套-操纵器30(图17、图18)。
[0075] 在组件29和手套操纵器30的外表面上，插槽31、32、33、34、35可被设置成用于安装各个单元。
[0076] 手套-操纵器26和30通过位于手套操纵器26和30的底部的插槽36以及位于衣服袖管25和29的末端处的插槽37相应地联接至衣服25和29(图19)。
[0077] 当使用该衣服时，用户将通过校准阶段(确定由生成器供给至电极和珀尔帖元件的脉冲的峰值特征)。该阶段由两个步骤构成。
[0078] 第一–通过供给最小
电压确定最大冲击力。
[0079] 第二–通过最大冲击确定不舒适的条件。
[0080] 在找出这两个参数之后，可以在最为舒适的感知范围内使用该衣服。
[0081] 使用运动参数收集元件可以确定不舒适度。如果人类肌肉的不舒适萎缩变得可见，则将导致通过圆规可检测的连接
角的变化。
[0082] 衣服中提供了安全和健康保护的措施。出于此目的，所有可调整的参数皆具有局限性并且胸腔部位中的电极是低功率。
[0083] 本发明中的可佩戴装置中的感测系统的操作基于供给电极和珀尔帖元件的信号(具有可变振幅、频率、电压、以及
应力)。信号影响神经末梢，从而导致肌肉或肌肉组件萎缩并且传递暖/冷的知觉。由脉冲生成器创建信号。用于供给电反馈脉冲的设备是一组电子
开关。电子开关负责将电脉冲供给电脉冲生成元件。计算设备管理脉冲生成器和电脉冲生成设备的参数。计算设备还执行与在远程数据处理单元上发起的应用程序的耦接。
[0084] 电脉冲供给元件的开启和关闭的各种组合能够从虚拟空间中发生的事件重新建立起各种真实的物理知觉。
[0085] 例如，为了传递重力并且调节用户手中的虚拟空间中的虚拟对象的质量，将用于发送触觉知觉的电脉冲供给至位于手套操纵器的手掌侧上的电脉冲供给元件，并且为了将对象的重量传递给可佩戴装置的二头肌-三头肌部位中的电脉冲供给元件。
[0086] 通过开启和关闭各个身体部位中的电脉冲供给元件的各个组合选项实现了初次和二次(反射)知觉的原理。这些知觉看上去是瞬时的或带有二次知觉的短暂延迟。使用了传递一些类型的冲击的原理，具体地，“渗透性”，当虚拟对象不仅触摸身体、而且还进入或刺穿身体时。
[0087] 级联脉冲分布系统并不一定必须暗示用于创造顺利冲击效应的递减信号分布。分布可能具有可重复、递升、或递降的图形。这对于正确的液体、气体、以及
流体介质刺激是重要的。
[0088] 波状分布是许多物理现象的共同特征。实现本发明中提供的级联脉冲分布原理允许模拟这些现象并且基于此创造特殊的效应。
[0089] 电脉冲供给元件的关闭设置甚至使得级联分布原理更具相关性。因此，如果虚拟环境中存在冲突，脉冲发射的准确性提高，从而使得流体和气体介质模拟的准确性以及整体质量提高。
[0090] 本发明中提供的技术可适用于娱乐行业、科技研究(模拟模型)、教育(培训项目和
模拟器)、卫生保健(
治疗、
预防、及研究)、国防工业(模拟器、辅助设备)、影视行业、911(辅助设备)、计算机图形行业、因特网(多维用户连接、社交采用接口)。
[0091] 已经开发了根据本发明的用于用户与虚拟环境的交互式生理和技术同步的组件，其商标名称为Tesla Suit。
