專利名稱：可操作地對具有等長鍛煉系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景進行控制的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種呈如下類型的鍛煉系統(tǒng)形式的接口，該類型的鍛
煉系統(tǒng)在前述專利和專利申請公布、公開號為2006/0223634(Feldman 等人)的美國專利公開和名稱為"用于等長鍛煉裝置的測力系統(tǒng)"并于 2005年5月20日提交的申請?zhí)枮?1/133,449的美國專利申請中公開， 這些專利的公開內(nèi)容在此以參考的方式全文并入。特別地，本發(fā)明涉 及一種用作為用于仿真或虛擬環(huán)境的接口的等長鍛煉裝置，以使得用 戶能夠進行身體施力活動以與仿真環(huán)境進行交互。
背景技術(shù)：
當將生理和心理刺激施加給學生時，學生學習最佳。因素的這個 組合會導致較高水平的激勵，其中該激勵水平與最佳認知功能相關(guān)聯(lián)。 當(例如認知的、情感的、生理的等等)壓力增加時，個體有效發(fā)揮作用 的能力降低。這通常被稱作最初由Yerkes和Dodson假設(shè)的倒U理論。
就用于高壓活動(例如軍事行動等)的訓練所發(fā)展的仿真而論，利用 這些仿真以減少用戶對自動反應(yīng)的反應(yīng)。例如，零散步兵(DI)戰(zhàn)士應(yīng)決 定適于特定情形的行動，并使得戰(zhàn)士能夠反應(yīng)以執(zhí)行該行動。但是， 如果戰(zhàn)士是在不考慮活動的身體要素的環(huán)境中訓練，則戰(zhàn)士很可能進 行一連串其身體上不能進行的行動(例如在帶有重包裹的情況下沖上屋 頂，以及平靜地參加狙擊手活動等)。通過在訓練和仿真中包括身體要 素可避免這種認知失調(diào)。
但是，就在零散戰(zhàn)士類型仿真中包括物理接口而言存在一些問題。 這些問題涉及技術(shù)和成本。特別地，與人類身體進行聯(lián)系是非常有挑 戰(zhàn)性的問題。例如，車輛仿真器包括與戰(zhàn)士的接口，其被清楚地限定 并且完全是機械的，然而用于零星步兵戰(zhàn)士的仿真必須解決戰(zhàn)士與包 括樓梯、巖石、門、武器和其它人的一般環(huán)境之間的交互。相關(guān)技術(shù)試圖克服該問題，其中接口通常被分類成運動接口和手 接口的兩個領(lǐng)域。由于人可以以大量的方式運動(例如向前、先后或斜 向行走、蹲下、單腳跳、爬樓梯、爬行、走過繃索、沿柱子滑下等)， 所以該方法將人當作在平面上移動的車輛來對待。最簡單的運動型接
口(例如來自猶他州鹽湖城的Sarcos Research公司的Uniport)類似腳踏 車或單輪腳踏車，其中踩踏板使得用戶能夠在虛擬環(huán)境中前進或后退， 同時接口包括一些附加機構(gòu)以進行轉(zhuǎn)向。
相反，復雜的運動接口包括大型的全向踏車(例如來自猶他州鹽湖 城的Sarcos Research公司的Treadport)。這些踏車安裝在可傾斜或沿任 何方向取向的運動平臺上。通過使用允許正確地模擬慣性力的范圍， 戰(zhàn)士被定位在踏車的中心。該系統(tǒng)包括通常呈大屏幕形式(例如CAVE) 的顯示器或頭戴式顯示器。
接口的機械復雜性隨戰(zhàn)士能夠沿著其運動的軸線的數(shù)量而急劇地 提高。Uniport較便宜，但運轉(zhuǎn)基本如同腳踏車。另一方面，Treadport 能夠支持沿X和Y軸并達到三十度傾斜的運動，但非常不實用和不經(jīng) 濟。
手接口裝置具有更多的市場商機。例如，馬薩諸塞州的Woburn 的Sensable Technologies公司提供一種在CAD中使用的接口(稱作 phantom)和醫(yī)學仿真。加利福尼亞州的San Jose的Immersion公司提供 一種用于虛擬原型(virtual prototyping)的接口(稱作CyberForce)。這
兩個系統(tǒng)都能夠使用戶通過少量空間而移動他們的一部分身體。在仿 真檢測到用戶與仿真對象相抵觸的點處，接口施加表示接觸的反向力。
除這些系統(tǒng)的成本與復雜性之外，機器人力型反饋系統(tǒng)(robotic force type feedback system)受限制并且只能夠施加系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的反 向力中的一小部分。由于硬件和/或軟件微小的故障會導致施加最大的力，所以限制這些系統(tǒng)的機器馬達以防止對用戶的傷害。受限制的操 作防止系統(tǒng)施加足夠的力來仿真虛擬環(huán)境中堅硬的、難以貫穿的表面。 換句話說，虛擬環(huán)境內(nèi)的對象是"柔軟的"。
另外，各種接口裝置與娛樂仿真、例如視頻游戲一起應(yīng)用。通常， 視頻和計算機游戲的操作由處于就座或斜倚位置(例如在沙發(fā)、椅子、 地板上等)中的用戶進行。因此，使用視頻游戲趨向于減少用戶進行的 運動量。缺乏足夠的鍛煉會導致增加超重人群乃至肥胖人群的人口。
在試圖克服關(guān)于娛樂仿真或視頻游戲的前述問題中，相關(guān)技術(shù)提 供了利用具有虛擬環(huán)境的鍛煉系統(tǒng)的各種系統(tǒng)。通常，等動力
(isokinetic)和/或等壓(isotonic)形式的鍛煉包括通過選定的運動范 圍在阻力作用下使用戶的肌肉運動。等長鍛煉包括由用戶向?qū)ο笫┘?力，該對象極大地阻擋了由所施加力引起的運動，從而使得在施加力 的過程中用戶的肌肉基本上是最小運動或沒有運動。等長鍛煉的簡單 形式的實例包括推壓固定表面(例如門框或墻壁)、試圖拉開緊緊抓住的 手，或彎曲或折曲足夠剛硬的鋼條等。
相關(guān)技術(shù)的計算機控制鍛煉系統(tǒng)在公開號為WO 91/11221(Bond 等人)的國際公開中有所描述。計算機控制鍛煉系統(tǒng)順序地并且自動地 實現(xiàn)等動力、等壓和等長鍛煉，以在計算機與該患者進行交互以實現(xiàn) 期望的治療的同時允許對其它患者的物理治療。在一個實施例中，患 者身體的運動，例如患者肢體的提升或扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成顯示器上與其它奔 跑者競賽的奔跑者。如果患者達到或超過鍛煉目標，例如施加到鍛煉 單元的多個重復或扭矩，則表示患者的奔跑者將與表示目標的其它奔 跑者不分上下或打敗他們。
此外，交互式視頻鍛煉系統(tǒng)(IVES)在1998年6月的第20屆RESNA 年會的會議文件、Dang等人的"用于兒科腦損傷恢復的交互式視頻鍛 煉系統(tǒng)"中公開。該系統(tǒng)為兒科腦損傷患者提供儀表化的視頻游戲增強鍛煉程序，其中該系統(tǒng)包括等長試驗設(shè)備、數(shù)據(jù)處理電路盒、和帶
有適合的游戲控制器的SUPER NES系統(tǒng)。等長試驗設(shè)備包括第一負載 單元(load cell)，其剛性地安裝到加緊椅子的兩個后腿的金屬橫桿上。 高拉力的纜索和踝關(guān)節(jié)帶(ankle band)將坐在椅子中的受治療者的小 腿耦合至第一負載單元。第二負載單元安裝在擱在地板上的兩塊鋁板 之間。受治療者的腳放在抵著腳跟的頂板上，并通過兩根皮帶固定。 受治療者膝蓋的等長伸展由第一負載單元來測量，而受治療者的等長 踝關(guān)節(jié)背屈由第二負載單元來測量。來自任一負載單元的信號被發(fā)送 至數(shù)據(jù)處理盒，在那里數(shù)據(jù)被處理并與由電位計設(shè)定的可變閥值相比 較。當轉(zhuǎn)換器信號超過閥值時，電壓被傳到適當?shù)挠螒蚩刂破?，由?在游戲中執(zhí)行選定的操作(例如右移、左移、上移、下移等)。結(jié)果，受 治療者只能夠通過進行某些等長鍛煉來玩游戲。
但是，相關(guān)技術(shù)的上述鍛煉系統(tǒng)具有若干缺點。特別地，鍛煉系 統(tǒng)與計算機之間的交互局限于顯示器上的簡單表示，該表示是基于實
現(xiàn)設(shè)定目標的。因此，該鍛煉系統(tǒng)不提供完全交互式虛擬現(xiàn)實環(huán)境(例 如，控制場景中的角色或?qū)ο笠约芭c場景相關(guān)的其它特征的多種運動)。 此外，該系統(tǒng)通常不是與各種游戲或其它處理器，以及相關(guān)的"非定 制(off the shelf)"游戲或其它應(yīng)用程序普遍兼容。這限制了可利用該 系統(tǒng)的應(yīng)用。另外，該系統(tǒng)笨重并包括用于操作的各種部件，從而使 可移植性和在各種場所用于鍛煉的使用復雜化。
此外，前述IVES系統(tǒng)需要用于SUPERNES的游戲控制器，以適 于提供可操作的系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)通常不與各種游戲或其它處理器， 以及相關(guān)的"非定制"游戲或其它應(yīng)用程序普遍兼容。這限制了可利 用該系統(tǒng)的應(yīng)用。此外，該系統(tǒng)包括需要為操作而組裝的各種部件， 從而使可移植性和在各種場所用于鍛煉的使用復雜化，并阻礙即時(例 如即插即用型)操作。另外，IVES系統(tǒng)局限于等長膝蓋和踝關(guān)節(jié)鍛煉， 因此不能在需要用戶只運動上半身部分或者與下半身部分組合運動的 多種不同的環(huán)境中應(yīng)用。
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發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是根據(jù)用戶的移動或運動來對虛擬現(xiàn)實場景 進行控制。
本發(fā)明的另一目的是基于用戶施加真實的力以進行期望的動作而 與虛擬現(xiàn)實場景進行交互。
本發(fā)明的又一目的是根據(jù)用戶進行的等長鍛煉來對虛擬現(xiàn)實場景 進行控制。
本發(fā)明的又一目的是利用呈等長鍛煉系統(tǒng)形式的普遍兼容的接 口，該等長鍛煉系統(tǒng)具有能夠執(zhí)行"非定制"游戲或其它軟件程序的 多種計算機系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的兼容性使得能夠進行即時(例如即插即用 型)操作。
本發(fā)明的又一目的是利用呈等長鍛煉系統(tǒng)形式的接口以控制虛擬 現(xiàn)實場景，該等長鍛煉系統(tǒng)使得用戶能夠進行上半身部分和/或下半身 部分鍛煉。
前述目的可以以單獨和/或組合的方式實現(xiàn)，并且除非由所附權(quán)利 要求特別要求，否則本發(fā)明并不意欲被理解成需要兩個或兩個以上待 組合的對象。
根據(jù)本發(fā)明，便于用戶與主機計算機系統(tǒng)交互的呈等長鍛煉系統(tǒng)
形式的接口包括操縱裝置(effector)、耦合至該操縱裝置的至少一個 傳感器、容納用戶的平臺和包括處理器的控制電路。該平臺容納處于 站立位置的用戶，并包括連接至該平臺的操縱裝置。傳感器測量由用 戶下半身部分施加到操縱裝置的至少一個力，其中該施加的力在操縱 裝置上產(chǎn)生應(yīng)變(strain)或使該操縱裝置偏轉(zhuǎn)。操縱裝置可以呈金屬棒的形式，其中用戶施加在操縱裝置的彈性極限內(nèi)輕微地并且可測量 地使操縱裝置變形的力(例如彎曲、扭曲、拉緊、壓縮力等)。處理器接 收并處理與傳感器所測量到的施加力的信息相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，以傳送給 主機計算機系統(tǒng)。主機計算機系統(tǒng)處理該信息以更新或響應(yīng)虛擬現(xiàn)實 場景內(nèi)的事件(例如虛擬環(huán)境、游戲等)。
此外，附加的操縱裝置可連接至平臺，并包括耦合至該操縱裝置 的至少一個傳感器和游戲控制器或其它輸入裝置。傳感器測量由用戶 上半身部分施加到該附加操縱裝置的*至少一個力，其中施加的力在該 操縱裝置上產(chǎn)生應(yīng)變或使該操縱裝置偏轉(zhuǎn)。附加的操縱裝置可以呈金 屬棒的形式，其中用戶施加在操縱裝置的彈性極限內(nèi)輕微地并且可測 量地使操縱裝置變形的力(例如彎曲、扭曲、拉緊、壓縮力等)。處理器 接收和處理與傳感器所測量的施加的力的信息相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，以傳送 至主機計算機系統(tǒng)。主機計算機系統(tǒng)如上所述地處理該信息以更新或 響應(yīng)虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)的事件(例如虛擬環(huán)境、游戲等)。因此，可利用用 戶的上半身部分和/或下本身運動以與虛擬現(xiàn)實場景進行交互。
本發(fā)明具有多個優(yōu)點。特別地，等長交互(isometric interaction) 顛覆(invert) 了相關(guān)技術(shù)裝置(例如CyberForce和Treadport)所利用的 范例。與該范例(例如允許用戶自由運動并施加非真實的力)形成對比， 本發(fā)明的等長交互使得用戶能夠施加真實的力，同時對動作進行限制。 衍生物是相當多的，并且其包括在不需要運動部件，相關(guān)的高成本和 機械復雜性的情況下獲得期望的效果。此外，反應(yīng)時間是立即的，因 為不存在某些機構(gòu)對仿真世界的新狀態(tài)進行反應(yīng)所需的延遲。此外， 用戶可施加與該用戶在真實世界中施加的力相等的力，以使合成的對 象在仿真中移動。由于本發(fā)明不采用運動部件，所以等長接口非常簡 單、結(jié)實和便宜。這與接口的小尺寸一起使該接口非常適于傳統(tǒng)訓練 環(huán)境以及前位部署(forward deployment)中的群體訓練。因此，本發(fā) 明的系統(tǒng)提供了可與成本大的多的系統(tǒng)相當?shù)纳眢w和認知集成式訓練 (integrated physical and cognitive training )。另夕卜，本發(fā)明{吏f尋用戶進行上半身部分和/或下半身部分等長鍛煉以與虛擬環(huán)境或游戲進行交 互，從而在玩游戲期間便于鍛煉以及消耗增加的卡路里量。
考慮到以下本發(fā)明特定實施例的詳細描述、尤其當結(jié)合附圖時， 以上和更進一步的本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點將變得明顯，其中在不 同的附圖中利用相同的附圖標記指示相同的部件。


圖1是根據(jù)本發(fā)明耦合至仿真系統(tǒng)的接口裝置的透視圖。 圖2是圖1的接口裝置的透視圖。
圖3A是圖1的接口裝置的操縱裝置桿的側(cè)視圖。
圖3B是圖1的接口裝置的底視圖。
圖4是用于圖1的接口裝置的控制單元的平面前視圖。
圖5是用于圖1的接口裝置的示例性控制電路的示意性框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的圖1的接口裝置的可選實施例的透視圖。
圖7是用于圖6的接口裝置的示例性控制電路的示意性框圖。
圖8配置為用于連接到視頻游戲系統(tǒng)的圖6的接口裝置的透視圖。
圖9是用于圖8的接口裝置的示例性控制電路的示意性框圖。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明并耦合至仿真系統(tǒng)的接口裝置。最初，根據(jù) 本發(fā)明的接口裝置IO優(yōu)選地耦合至對來自接口裝置的信息進行處理的 裝置控制單元200。該控制單元還耦合至仿真系統(tǒng)400，該仿真系統(tǒng)400 根據(jù)用戶50下半身部分(例如腿等)對接口裝置的操縱來提供并更新仿 真或虛擬環(huán)境。仿真系統(tǒng)通常包括仿真處理器414(圖5)和監(jiān)視器或其 它顯示裝置416。例如，用戶50可將頭戴機用作顯示裝置416，以提 供虛擬環(huán)境。仿真處理器主要包括運行仿真軟件的處理裝置，以便在 顯示裝置上提供虛擬現(xiàn)實。仿真系統(tǒng)可由Silicon Graphics或Evan & Sutherland仿真系統(tǒng)實現(xiàn)、或由任何常規(guī)的或其它計算機或處理系統(tǒng)(例 如IBM兼容機、微處理機系統(tǒng)、個人計算機、視頻模擬系統(tǒng)等)實現(xiàn)。
17仿真通常包括由用戶50控制或與用戶50進行交互的角色或?qū)ο蟆?例如，用戶可根據(jù)用戶下半身部分對接口裝置IO的操縱來控制角色的 運動或動作，以通過顯示在顯示裝置上的虛擬環(huán)境而運動。此外，仿 真可基于用戶對接口裝置的操縱來提供仿真環(huán)境的不同視野或區(qū)域。 這些不同的區(qū)域可包括各種對象(例如敵方人員、陷阱等)?？刂茊卧?00 接收和處理來自接口裝置的表示用戶對該裝置的操縱的信號。仿真系 統(tǒng)從控制單元接收經(jīng)過處理的信號并更新顯示裝置，以根據(jù)用戶對接 口裝置的操縱來反應(yīng)角色或?qū)ο蟮囊曇昂?或運動和/或動作。
作為示例，接口裝置IO可與軍事仿真一起采用，并用作為"第一 人稱射手"(FPS)裝置，其中接口裝置通過用戶或戰(zhàn)士 50的腿和/或其 它下半身部分而接合(engage)。接口裝置跟蹤戰(zhàn)士 50用他們的腿施 加的力，以確定虛擬環(huán)境的往返移動。以這種方式，戰(zhàn)士50可基于戰(zhàn) 士的腿對接口裝置的操縱來操作火器或其它武器75并在虛擬環(huán)境內(nèi)運 動(例如向前、向后、側(cè)向等)。例如，戰(zhàn)士 50可利用他們的腿行走或 轉(zhuǎn)動，從而向接口裝置IO施加力，該力被測量并被處理從而如以下將 描述地表示虛擬環(huán)境內(nèi)的速度和/或方向。這提供幾乎本能的與仿真的 交互。由于用于接口裝置的阻力水平可調(diào)節(jié)，所以戰(zhàn)士50能夠使所需 力的量適于對任何類型的條件或環(huán)境(例如丘陵地形等)進行仿真。
參考圖2，接口裝置10包括基座20、操縱fe置桿IIO和接合構(gòu)件 370。接口裝置IO優(yōu)選地安裝在支撐平臺30上。平臺通常為矩形并包 括足以支撐其上的用戶50和接口裝置10的尺寸。接口裝置的基座20 通常連接至平臺30的中心位置，用戶50以通過用戶的腿或其它下半 身部分騎跨著接口裝置的方式站立在平臺上，從而如以下將描述地操 縱該裝置并且與仿真或虛擬環(huán)境進行交互。接口裝置IO可經(jīng)由任何常 規(guī)或其它固定機構(gòu)(例如螺栓、夾具等)固定至平臺任何合適的位置。
接口裝置10的基座20包括地板22和大致圓柱形的插座(receptacle) 24。地板22通常是矩形的并包括在地板的相對側(cè)邊中限 定的通常為U形的凹座25。地板22包括連接至地板底面的支撐物23 以將地板22提升至平臺30上方。支撐物呈通常的矩形塊形式并沿著 地板22的非凹陷邊緣延伸。插座24從地板22大致的中心位置向上延 伸并包括足以在其中容納操縱裝置桿110的尺寸，該操縱裝置桿110 處于大致的直立位置以用于如以下將描述地由用戶50操縱。 一系列通 常的三角形支撐件26連接至插座24和地板22以支撐該插座。支撐件 彼此成角度地移位大約90度并從插座朝地板22各自的角落延伸。特 別地，每個支撐件26呈直角三角形的形式，且支撐件側(cè)邊分別連接至 彼此成垂直關(guān)系的插座和地板。連接至地板22的側(cè)邊從插座朝相應(yīng)的 地板角落延伸，同時支撐件的斜邊從連接至插座的側(cè)邊的上部延伸到 連接至地板22的側(cè)邊靠近相應(yīng)地板角落的端部。大致圓形的凸緣
(collar) 28圍繞操縱裝置桿110設(shè)置并包括稍大于操縱裝置桿和插座 直徑的尺寸。該凸緣基本上與插座24的上部接合以將插座內(nèi)的操縱裝 置桿110固定在合適的位置。
接合構(gòu)件370圍繞操縱裝置桿110的上部設(shè)置，以使得用戶能夠 使接合構(gòu)件與用戶的腿和/或其它下半身部分接合，并施加力以操縱操 縱裝置桿從而與仿真或虛擬環(huán)境進行交互。接合構(gòu)件包括多個通常為 矩形的接觸構(gòu)件330、 332、 334和336，所述接觸構(gòu)件被布置成十字形 構(gòu)造(例如彼此成角度地移位大約90度)并連接至大致的環(huán)形圈(an皿al ring) 340，該環(huán)形圈具有開放的中心部分，其包括足以容納操縱裝置 桿110的尺寸。接合構(gòu)件與操縱裝置桿成可滑動的關(guān)系，并且可經(jīng)由 圈340沿操縱裝置桿定位在任何期望的位置。圈可由任何合適的常規(guī) 或其它固定機構(gòu)(例如O形圈、夾具等)實現(xiàn)或包括任何合適的常規(guī)或其 它固定機構(gòu)。接觸構(gòu)件330、 334被分隔開足夠的距離(例如成角度地移 位至少大約90度)，以使得用戶的腿和/或其它身體部分能夠放置在這 些構(gòu)件之間。類似地，接觸構(gòu)件332、 336被分隔開足夠的距離(例如成 角度地移位至少大約90度)，以使得用戶的腿和/或其它身體部分能夠 放置在這些構(gòu)件之間。為了用戶的舒適感，接觸構(gòu)件330、 332、 334、336優(yōu)選地被加上襯墊。
如上所述，操縱裝置桿110以大致直立的姿勢被容納在插座24中， 且接合構(gòu)件370定位于朝向操縱裝置桿的上部。操縱裝置桿由合適的 剛性材料(例如金屬合金)構(gòu)成，其能夠響應(yīng)于用戶施加到該桿的彎曲、 扭曲、拉緊和壓縮力的任何組合、在其彈性極限內(nèi)輕微地偏轉(zhuǎn)。盡管 操縱裝置桿通常為圓柱形，但要指出的是操縱裝置桿可具有任何合適 的形狀(例如彎曲或曲線、V形等)，并具有任何合適的外表面幾何形狀 (例如曲線、多面等)。f
操縱裝置桿110包括至少一個傳感器，以測量由用戶施加到該桿 的至少一種類型的應(yīng)變。該傳感器最少測量沿前/后(例如Y軸)和左/右 (例如X軸灘線的力?？刹捎酶郊觽鞲衅饕詼y量上/下的力(例如沿Z軸) 和旋轉(zhuǎn)力(例如圍繞Z軸)。優(yōu)選地，操縱裝置桿110包括應(yīng)變計傳感器
(stain gauge sensor) 150、 160(圖3A)，它們布置在桿上合適的位置， 優(yōu)選地布置在靠近插座24的操縱裝置桿下部。這些傳感器測量由于用 戶向接合構(gòu)件施加推、拉或側(cè)向力所引起的施加到桿的應(yīng)變變形的量。 僅作為示例，傳感器150可測量沿X軸施加到操縱裝置桿的力(例如側(cè) 向或左/右的力)，而傳感器160可測量沿Y軸施加到操縱裝置桿的力(例 如推/拉或向前/向后的力)。
傳感器可相對于操縱裝置桿以任何合適的方式，例如在前述專利、 專利申請和專利申請公布中所公開的方式來布置，以測量力。例如， 傳感器可直接或間接地連接至操縱裝置桿的外或內(nèi)表面以測量施加的 力。優(yōu)選地，傳感器150、 160以與申請?zhí)枮?1/133,449的前述美國專 利申請中公開的方式相類似的方式固定至在操縱裝置桿內(nèi)設(shè)置的量具 安裝結(jié)構(gòu)(gauge mounting structure)。參考圖3A，量具安裝結(jié)構(gòu)108 固定在操縱裝置桿110的中空內(nèi)部，并大致延伸操縱裝置桿的長度。
操縱裝置桿優(yōu)選地包括至少一個開口端以便于裝配期間在操縱裝置桿 內(nèi)插入量具安裝結(jié)構(gòu)。該安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)選地為細長的中空管，并且其具有的橫截面尺寸(例如內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)的外徑)小于操縱裝置桿的橫截面 尺寸(例如操縱裝置桿的內(nèi)徑)。因此，在操縱裝置桿iio與套入該操縱 裝置桿的量具安裝結(jié)構(gòu)108之間存在環(huán)形間隙111。
量具安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)選地由合適的材料構(gòu)成，其能夠響應(yīng)于由用戶施 加到操縱裝置桿并如以下將描述地傳遞到量具安裝結(jié)構(gòu)的彎曲、扭曲、 拉緊和壓縮力的任何組合，而在其彈性極限內(nèi)輕微地偏轉(zhuǎn)。與操縱裝
置桿相比該材料通常更柔順(compliant)并為安裝結(jié)構(gòu)提供更大的柔 性。具體而言，當相周的力以大致相似的位置和方向施加到操縱裝置 桿110和量具安裝結(jié)構(gòu)108中的每一個時，在不超過量具安裝結(jié)構(gòu)的 彈性極限的情況下，量具安裝結(jié)構(gòu)比操縱裝置桿更柔軟并能夠變形至 略微更大的范圍或程度(例如具有更大的變形)。在操縱裝置桿由鋼或其 它合適的金屬合金構(gòu)成的示例性實施例中，量具安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)選地由聚 氯乙烯(PVC)或任何其它合適的塑料或聚合材料構(gòu)成，所述材料比用于 構(gòu)成操縱裝置桿的金屬材料更柔順和柔軟。
經(jīng)由優(yōu)選地貼近該量具安裝結(jié)構(gòu)的縱向端設(shè)置的合適的應(yīng)變傳遞 材料，量具安裝結(jié)構(gòu)被穩(wěn)固在操縱裝置桿的內(nèi)周表面部分內(nèi)，并沿該 內(nèi)周表面部分間接地固定。如以下所述應(yīng)變傳遞材料便于將施加到操 縱裝置桿的力或應(yīng)變傳遞到量具安裝結(jié)構(gòu)。配件(fitting) 112(例如PVC 耦合)被固定在與操縱裝置桿110的第一端(例如，固定在插座24內(nèi)的 操縱裝置桿端部)相對應(yīng)的量具安裝結(jié)構(gòu)108的第一端處。可選地，配 件112可被固定在與操縱裝置桿的第二自由端(例如朝向接合構(gòu)件370 的操縱裝置桿端部)相對應(yīng)的量具安裝結(jié)構(gòu)的第二端處。
配件形成圍繞量具安裝結(jié)構(gòu)的縱向外周的護套，并且其具有的橫 截面尺寸稍小于操縱裝置桿的橫截面尺寸(例如內(nèi)徑)。另外，配件的外 表面部分與操縱裝置桿的內(nèi)表面部分摩擦地接合，以提供操縱裝置桿
與量具安裝結(jié)構(gòu)在它們相對應(yīng)的第一端之間的第一間接接觸區(qū)域或接 觸橋接(contactbridge)。該接觸橋接用作為一個應(yīng)變傳遞位置，在該位置中施加到操縱裝置桿的力或應(yīng)變被傳遞到量具安裝結(jié)構(gòu)。硬化環(huán)
氧樹脂(hardened epoxy resin)的第一插頭114被固定在環(huán)形間隙111 內(nèi)鄰近配件112的位置。該第一樹脂插頭被固定至操縱裝置桿和量具 安裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)周表面部分和外周表面部分，且被固定至配件的鄰近端 表面，以提供操縱裝置桿與量具安裝結(jié)構(gòu)之間額外的表面接觸區(qū)域， 從而便于從操縱裝置桿傳遞應(yīng)變到量具安裝結(jié)構(gòu)。
在環(huán)形間隙1H內(nèi)在操縱裝置桿110與量具安裝結(jié)構(gòu)108的相應(yīng) 第二端處設(shè)置有硬化環(huán)氧樹脂的第二插頭116。第二插頭固定至操縱裝 置桿和量具安裝結(jié)構(gòu)相應(yīng)的內(nèi)周表面部分和外周表面部分，以提供操 縱裝置桿與量具安裝結(jié)構(gòu)之間的第二間接接觸區(qū)域或接觸橋接。這提 供了另一位置，在該位置中施加到操縱裝置桿的力或應(yīng)變被傳遞到量 具安裝結(jié)構(gòu)。第二插頭116大致充滿沿著量具安裝結(jié)構(gòu)從選定位置到 該結(jié)構(gòu)第二端的環(huán)形間隙。泡沫環(huán)115設(shè)置在環(huán)形間隙中并在鄰近第 二插頭的選定位置處圍繞量具安裝結(jié)構(gòu)的外周表面部分。提供泡沫環(huán) 以便于在操縱裝置桿的裝配期間形成硬化環(huán)氧樹脂的第二插頭。
盡管上述應(yīng)變傳遞材料包括配件和硬化環(huán)氧樹脂，但要指出的是 在操縱裝置桿與量具安裝結(jié)構(gòu)之間形成的環(huán)形間隙內(nèi)可設(shè)置便于施加 的力從操縱裝置桿傳遞到量具安裝結(jié)構(gòu)的任何合適的連接或橋接材 料。例如，硬化環(huán)氧樹脂的配件和/或插頭能夠固定在量具安裝結(jié)構(gòu)兩 個相對的(例如第一和第二)端部和/或沿著量具安裝結(jié)構(gòu)的任何其它位 置，其中配件和/或插頭具有合適的尺寸以提供操縱裝置桿與量具安裝
結(jié)構(gòu)的相對應(yīng)的內(nèi)周表面部分和外周表面部分之間的接觸或連接橋 接。應(yīng)變傳遞材料優(yōu)選地具有合適的剛性，以便在操縱裝置桿與量具 安裝結(jié)構(gòu)之間基本上完全地傳遞力，而應(yīng)變傳遞材料最小限度地吸收 力或不吸收力。盡管應(yīng)變傳遞材料優(yōu)選地設(shè)置在操縱裝置桿與量具安 裝結(jié)構(gòu)相對的縱向端部或靠近該端部，但取決于特定的應(yīng)用，應(yīng)變傳 遞材料可沿操縱裝置桿的長度設(shè)置在任何一個或多個合適的位置。
22傳感器150、 160固定在在應(yīng)變傳遞材料的位置之間的量具安裝結(jié) 構(gòu)108外表面部分上合適的位置。優(yōu)選地，取決于特定的設(shè)計和/或應(yīng) 用，傳感器沿量具安裝結(jié)構(gòu)設(shè)置在操縱裝置桿和/或量具安裝結(jié)構(gòu)的變 形很可能最大或最明顯的合適的位置。在圖3A的實施例中，傳感器 150、 160固定在量具安裝結(jié)構(gòu)108上與量具安裝結(jié)構(gòu)的第二(例如自由) 端(例如朝向接合構(gòu)件370)相比更靠近量具安裝結(jié)構(gòu)的第一(例如固定) 端(例如朝向插座24)。
傳感器還沿操縱裝置桿和量具安裝結(jié)構(gòu)的縱向方向?qū)R，并在量 具安裝結(jié)構(gòu)的外周上成角度地彼此偏移大約90度。特別地，傳感器被 對齊以便沿至少兩條單獨的軸來測量量具安裝結(jié)構(gòu)108的彎曲偏轉(zhuǎn) (bending deflection)(例如，對應(yīng)于已經(jīng)通過應(yīng)變傳遞材料傳遞到量具 安裝結(jié)構(gòu)的操縱裝置桿U0的彎曲偏轉(zhuǎn))。例如，兩條單獨的軸可以是 預定義的X軸和預定義的Y軸，其中兩條軸定位在相同的平面中并彼 此成角度地偏移大約90度。但是，要指出的是可設(shè)置任何合適數(shù)量的 (例如一個或多個)傳感器并在量具安裝結(jié)構(gòu)上適當?shù)貙R，以便基于作 用在操縱裝置桿上并從該操縱裝置桿傳遞的類似的力來測量量具安裝 結(jié)構(gòu)的壓縮、延伸、和扭曲。例如，第三傳感器可沿量具安裝結(jié)構(gòu)表 面固定在合適的直線排列位置中，以測量相對于操縱裝置桿縱向尺寸 的操縱裝置桿的其它偏轉(zhuǎn)(例如扭曲、扭矩等)。這些偏轉(zhuǎn)(經(jīng)由上述應(yīng) 變傳遞材料)從操縱裝置桿傳遞到量具安裝結(jié)構(gòu)以便被傳感器測量。
接口裝置IO采用附加傳感器，以便如圖3B所示地測量由用戶50 施加到操縱裝置桿110的扭曲或旋轉(zhuǎn)力(例如側(cè)轉(zhuǎn)(yaw))。具體地， 插座24包括開口的底部部分，以使操縱裝置桿110能夠延伸稍微超出 地板22的底面。地板底面包括如上所述的支撐物23和支撐物21，以 便在平臺30與地板22之間為操縱裝置桿提供足夠的空間。支撐物21 類似于支撐物30并且大致垂直于支撐物23設(shè)置在地板底面上，且操 縱裝置桿110設(shè)置在支撐物21之間。通常的矩形止動桿29連接至操 縱裝置桿110的底面并在支撐物23之間延伸。止動桿由合適的剛性材料(例如金屬合金)構(gòu)成，其能夠響應(yīng)于用戶施加到該止動桿的彎曲、扭 曲、拉緊和壓縮力的任何組合，在其彈性極限內(nèi)輕微偏轉(zhuǎn)。盡管止動 桿通常是矩形的，但要指出的是止動桿可具有任何合適的形狀(例如彎 曲或曲線、V形等)并具有任何合適的外表面幾何形狀(例如曲線、多面 等)。
鄰近各支撐物23設(shè)置有一對止動器27，其中每對中的止動器分開 足夠的距離以在其間容納止動桿29的對應(yīng)端部。止動器阻止止動桿29 的運動，從面使得由用戶50施加到操縱裝置桿110的扭力在止動桿29 上能夠產(chǎn)生可測量的應(yīng)變變形。特別地，以使操縱裝置桿相對于插座 能夠旋轉(zhuǎn)的方式將操縱裝置桿110設(shè)置在插座24內(nèi)。當用戶50向接 合構(gòu)件370施加旋轉(zhuǎn)力時，操縱裝置桿110試圖沿對應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)(例 如側(cè)轉(zhuǎn))。由于止動桿29連接至操縱裝置桿，所以止動桿同樣試圖沿對 應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)。但是，止動器27接合止動桿29并阻止止動桿29運動， 從而為用戶施加的力提供阻力并使得該力能夠在止動桿上產(chǎn)生可測量 的應(yīng)變變形。該布置基本上通常以固定或不動的方式(例如具有最小的 運動或沒有運動)將操縱裝置桿連接至基座，并利用等長運動使得用戶 可將與真實世界中施加的力相當?shù)牧κ┘拥浇涌谘b置。
止動桿29包括至少一個傳感器，以測量由用戶施加到操縱裝置桿 的至少一種類型的應(yīng)變。優(yōu)選地，止動桿29包括應(yīng)變計傳感器(strain gauge sensor) 165、 175，它們布置在止動桿上合適的位置，優(yōu)選地布 置在止動桿的靠近一對止動器27的相對縱向側(cè)邊上。這些傳感器測量 由于用戶向操縱裝置桿施加扭力所引起的施加到止動桿的應(yīng)變變形的 量。僅作為示例，傳感器165可測量沿第一旋轉(zhuǎn)或扭曲方向(例如順時 針方向)施加到操縱裝置桿的力，而傳感器175可測量沿第二旋轉(zhuǎn)或扭 曲方向(例如逆時針方向)施加到操縱裝置桿的力。
傳感器150、 160、 165、 175經(jīng)由合適的線路連接到控制器200(圖 4)，其中控制器向仿真系統(tǒng)400提供合適的信息。處理由仿真系統(tǒng)接收的信息，以在顯示裝置416上顯示虛擬現(xiàn)實場景(圖5)。根據(jù)由用戶施 加到操縱裝置的應(yīng)變力來更新場景?？刂破鬟€可進一步被配置為控制 需要用戶施力的水平，以便在虛擬現(xiàn)實場景中實現(xiàn)特定的響應(yīng)。如以 下將描述地可經(jīng)由輸入裝置156由用戶向控制單元輸入阻力水平?？?選地，或者與用戶的輸入相結(jié)合，可由信號處理器164(圖5)基于虛擬 現(xiàn)實場景內(nèi)的條件，例如風力情況的改變、地形坡度的改變(例如走上 坡路)等等來控制阻力水平。
圖4中示出示例性控制單元200。具體地，如上所述，控制單元耦 合至接口裝置IO并從應(yīng)變計傳感器150、 160、 165、 175接收信息。 控制單元200包括具有前壁、后壁、側(cè)壁、頂壁和底壁的殼體202，以 共同限定用于容納下述控制電路210(圖5)的殼體內(nèi)部。殼體前壁呈控 制面板204的形式并包括輸入裝置156、 157、 158和顯示器124、 126。 輸入裝置156優(yōu)選地包括一對按鈕，以使得用戶能夠分別增加和減小 用戶沿X和Y軸施加的力的增益或靈敏度。輸入裝置157優(yōu)選地包括 一對按鈕，以使得用戶能夠分別增加和減小用戶施加的扭力的增益或 靈敏度。顯示器124、 126鄰近對應(yīng)的輸入裝置156、 157而設(shè)置，以 分別顯示軸向和扭轉(zhuǎn)運動的實時信息(例如軸向傳感器飽和 (saturationi)、扭曲傳感器飽和、增益設(shè)定、操作時間、近似的施力 等)。每個顯示器優(yōu)選地由液晶顯示器(LCD)實現(xiàn)，但也可由任何常規(guī) 的或其它的顯示器(例如LED、監(jiān)視器等等)實現(xiàn)。輸入裝置158包括按 鈕，并通常啟動復位(reset)操作。
圖5中示出用于控制單元200的示例性控制電路。具體地，控制 電路210包括傳感器150、 160、 165、 175和對應(yīng)的放大器152、 162、 167、 177、以及信號處理器164。常規(guī)的電源(未示出)向每個電路元件 提供合適的電力信號。電路可由電池和/或任何其它合適的電源(例如仿 真系統(tǒng))提供電力。還可包括電源開關(guān)(未示出)以激活電路元件。此夕卜， 電路可包括微調(diào)電位計(trim potentiometer) 153，以調(diào)節(jié)應(yīng)變計傳感 器的定心(centering)和范圍。傳感器150、 160、 165、 175分別連接到相應(yīng)的放大器152、 162、 167、 177。傳感器的電阻響應(yīng)于操縱裝置和止動桿的壓縮與伸展而改 變。放大器152、 162、 167、 177基本上放大傳感器信號(例如在與所采 用的仿真系統(tǒng)類型兼容的范圍中)。放大后的電壓值由各放大器發(fā)送至 信號處理器164。信號處理器164可由任何常規(guī)或其它的處理器實現(xiàn)， 并通常包括電路，并且/或者將來自放大器的模擬信號轉(zhuǎn)換成用于處理 的數(shù)字值?；旧?，放大后的傳感器值表示由用戶施加的力，其中朝 向該范圍最大值的值指示較大的施加力。在與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值中的比 特數(shù)一致的范圍(例如對于8比特帶符號的是-127至+127、對于16比 特帶符號的是-32，767至+32，767，等等)內(nèi)將放大后的模擬值數(shù)字化或 量化，以指示施加的力的大小和/或方向。因此，朝向范圍最大值的放 大后的電壓值產(chǎn)生朝向量化范圍最大值的數(shù)字值。
如上所述，信號處理器接收阻力水平并復位經(jīng)由輸入裝置156、 157、 158來自用戶的控制，并且控制放大器增益參數(shù)以根據(jù)用戶指定 的控制來調(diào)節(jié)接口裝置阻力。特別地，信號處理器調(diào)節(jié)放大器的增益 控制，以便根據(jù)用戶輸入和/或虛擬現(xiàn)實場景來促成(facilitate) (pl7 liiie32)阻力水平。增益控制參數(shù)基本上控制由放大器施加到放大器輸 入端(或傳感器測量值)的增益量。由于較大的放大值對應(yīng)于較大的力， 所以增加放大器增益可使得用戶能夠施加較小的力以獲得特定的放大 后的力量值，從而有效地降低接口裝置對于用戶的阻力。相反地，減 小放大器增益需要用戶施加較大的力以獲得特定的放大后的力量值， 從而增加接口裝置對于用戶的阻力。信號處理器還將放大器Auto Null(自動歸零)參數(shù)調(diào)節(jié)成零，或修正(tare) (pl8, line7)應(yīng)變計傳 感器。
如上所述，信號處理器還連接到顯示器124、 126，以便于某一活 動或其它相關(guān)信息的顯示。信號處理器接收放大后的傳感器值，并確 定顯示給用戶的各種信息(例如在任何給定時間施加到操縱裝置和/或
26止動桿的力的程度、在特定的一段時間由用戶所做的功的量、阻力水
平、時間或過去的時間、由用戶施加到多個軸(例如X、 Y、 Z和旋轉(zhuǎn)軸)
的力、施加的瞬時力、提升的總重量、燃燒的卡路里(例如，基于所做 功的量和用戶體重)、阻力水平設(shè)定、操縱裝置和/或止動桿移動的程度， 和/或任何其它鍛煉或其它相關(guān)的信息)。另外，信號處理器根據(jù)從輸入
裝置158接收的復位控制(例如，為了提供用于錄入信息的新會話(a new session for logging information))來復位各種參數(shù)(.例如阻力、時 間、功等等)。
信號處理器處理收到的信息并將處理后的信息傳送到仿真處理器 414，以更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的仿真?；旧?，信號處理器將收到的信 息處理和安排成合適的數(shù)據(jù)包，用于傳送到仿真系統(tǒng)400的仿真處理 器414。信號處理器可以以任何方式處理原始數(shù)字值，以解決各種校準 或在量化范圍內(nèi)適當?shù)卣{(diào)節(jié)所述值。信號處理器處理信息或數(shù)據(jù)包以 更新和/或響應(yīng)于在顯示裝置416上顯示的執(zhí)行的仿真。
參考圖1至5描述接口裝置10的操作。首先，用戶將接口裝置耦 合至控制單元200(并因此耦合至仿真系統(tǒng)400)。用戶可調(diào)節(jié)接口裝置 (例如接合構(gòu)件的高度等)以容納用戶的身體特征。在仿真系統(tǒng)上選擇和 執(zhí)行仿真，并且用戶操縱接口裝置10以與仿真進行交互。用戶通過以 用戶的腿和/或用戶的其它下半身部分操縱接合構(gòu)件370來操作接口裝 置。用戶施加線性和/或扭曲(或旋轉(zhuǎn))力以便在操縱裝置和/或止動桿上 施加可測量的應(yīng)變。
應(yīng)變計傳感器150、 160、 165、 175測量由于用戶對接合構(gòu)件的操 縱所引起的操縱裝置和/或止動桿上的應(yīng)變。來自應(yīng)變計傳感器的信號 被傳送到控制單元信號處理器以產(chǎn)生用于傳送到仿真系統(tǒng)400的數(shù)據(jù) 包。仿真系統(tǒng)處理該信息或數(shù)據(jù)包以更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的仿真。因 此，由用戶施加到操縱裝置桿的力在顯示裝置上所顯示的場景中產(chǎn)生 對應(yīng)的坐標運動或動作。換句話說，用戶的運動(例如，類似于行走、轉(zhuǎn)動等)用于向仿真系統(tǒng)表示所期望的用戶動作或運動，以根據(jù)用戶的 運動來更新仿真中的角色或?qū)ο蟮囊暯呛?或運動(例如用戶穿過仿真 環(huán)境)或其它動作。例如，用戶向前傾斜使仿真角色向前運動。此外， 用戶可施加側(cè)向力以引起仿真中的側(cè)向運動、施加垂直力以使得仿真 角色蹲下或站立、施加旋轉(zhuǎn)力以使得仿真角色轉(zhuǎn)動。仿真中的運動的 速率來源于用戶所施加的力的量(例如較大的運動速率由較大的施加力
的量產(chǎn)生)。
接口裝置使得用戶能夠以與真實世界中施加力相同的順序來施加 力(例如行走、轉(zhuǎn)動等)，以提供真實的仿真和訓練。例如，戰(zhàn)士50可 利用接口裝置以便在操作武器的同時穿過虛擬區(qū)域，從而將身體要素 告知給用于增強型訓練的仿真。
圖6中示出根據(jù)本發(fā)明的接口裝置的可選實施例。首先，接口裝 置15優(yōu)選地耦合至仿真系統(tǒng)400(圖7)，該仿真系統(tǒng)400以與上述方式 類似的方式根據(jù)用戶50對接口裝置15的操縱來提供并更新虛擬環(huán)境。 如上所述，仿真系統(tǒng)通常包括仿真處理器414(圖7)和監(jiān)視器或其它顯 示裝置416。
接口裝置15包括基座平臺301、接口裝置10和控制器組件350。 基座平臺大致是矩形的，并包括用于用戶的腳的抓取面(gripping surface)(例如橡膠或橡膠類型的材料)?？刂破鹘M件350固定或螺栓連 接到基座平臺301的前部，而接口裝置10固定至基座平臺的后部。接 口裝置IO大致類似于上述接口裝置并包括傳感器150、 160、 165、 175， 以測量施加的力。接口裝置IO的傳感器經(jīng)由合適的線路連接到控制器 組件350內(nèi)的控制電路225(圖7)，其中控制電路向仿真系統(tǒng)400提供 合適的信息。如以下所述，接口裝置10定位在距控制器組件足夠的距 離，以使得用戶50能夠同時操縱接口裝置10和控制器組件。接口裝 置10的基座20以上述大致相同的方式和布置固定至基座平臺301，以 用于將接口裝置10固定至平臺30。控制器組件350包括框架390、控制器操縱裝置610和控制器120。 框架390包括固定或螺栓連接到基座平臺301前部的安裝構(gòu)件344。安 裝構(gòu)件包括大致為圓柱形的操縱裝置插座345。控制器操縱裝置610具 有的尺寸小于操縱裝置插座345的尺寸以用于插入該插座內(nèi)。插座從 基座向上延伸并具有足以容納控制器操縱裝置610的尺寸。控制器操 縱裝置大致類似于上述操縱裝置桿110，并由合適的剛性材料(例如金 屬合金)構(gòu)成，其能夠響應(yīng)于用戶施加到該控制器操縱裝置的彎曲、扭 曲、拉緊和壓縮力的任何組合，在其彈性極限內(nèi)輕微偏轉(zhuǎn)。盡管控制 器操縱裝置為通常的圓柱形，但要指出的是控制器操縱裝置可具有任 何合適的形狀(例如彎曲或曲線、V形等)并具有任何合適的外表面幾何 形狀(例如曲線、多面等)。控制器操縱裝置以大致直立的姿勢可滑動地 容納在插座345內(nèi)，以用于如下所述地被用戶操縱?？刹捎面i定機構(gòu) 348以根據(jù)用戶特征(例如高度、到及范圍等)來調(diào)節(jié)控制器操縱裝置在 插座345內(nèi)的位置。 一旦鎖定到合適的位置中，控制器操縱裝置基本 上以固定或不動的方式(例如具有最小的運動或沒有運動)連接至基座 平臺，以使得用戶能夠施加力和進行等長鍛煉，以便如以下所述地與 仿真進行交互。
控制器操縱裝置610通常包括至少一個傳感器，以如上所述地測 量由用戶施加到操縱裝置的至少一種類型的應(yīng)變。傳感器至少測量沿 前/后(例如Y軸)和左/右(例如X軸)軸線的力?？刹捎酶郊拥膫鞲衅鱽?測量上/下的力(例如Z軸)和旋轉(zhuǎn)力(例如圍繞Z軸)。優(yōu)選地，控制器操 縱裝置包括傳感器185、 195(圖7)和如上所述用于圖3A的傳感器布置 (通常沒有圖3B的傳感器布置)，以測量由于用戶向操縱裝置施加推、 拉或側(cè)向力而施加到控制器操縱裝置的應(yīng)變變形的量。傳感器經(jīng)由合 適的線路連接到控制器120內(nèi)的控制電路225，在那里控制器向仿真系 統(tǒng)400提供合適的信息。應(yīng)變計測量被處理以在仿真系統(tǒng)上顯示虛擬 現(xiàn)實場景。如以下將描述地根據(jù)用戶施加到控制器操縱裝置610和操 縱裝置桿110的應(yīng)變力來更新場景。
29控制器120連接或固定到控制器操縱裝置上部。作為示例，控制 器可以是可用于常規(guī)視頻游戲(例如，可從Sony購得的PS2、可從 Microsoft購得的XBOX、可從Nintendo購得的GAMECUBE、被配置 為與例如Microsoft WINDOWS和Apple Mac OS X的個人計算機操作 系統(tǒng)一起使用的視頻游戲應(yīng)用程序等)的類型，例如在專利號為 6,231,444的美國專利中描述的裝置，并類似于在前述專利申請和專利 申請公布中公開的控制器?？刂破魍ǔ０ㄔO(shè)置在控制器上部的一系 列按鈕123和操縱桿121?？刂破魍ǔ０ǜ髯缘男盘栐?例如可變電 阻或電位計)，以提供指示操縱桿沿X(例如左/右運動)和Y(例如前/后運 動)軸的運動的信號。例如，操縱桿121(圖7)可與信號源125(例如可變 電阻或電位計)相聯(lián)，以提供指示操縱桿沿X和Y軸的運動的信號。但 是，控制器可包括設(shè)置在控制器上任何位置并布置成任何形式的任何 數(shù)量的任何類型的輸入裝置(例如按鈕、開關(guān)、小鍵盤、操縱桿等)和信 號源?？衫冒粹o和操縱桿以輸入任何期望的信息(例如輸入期望的用 于仿真的用戶操作等)。
此外，控制器可包括輸入裝置256(圖7)，以進入和復位阻力控制 以及復位時鐘或其它功能。裝置256可由任何常規(guī)或其它輸入裝置(例 如按鈕、滑塊、開關(guān)等)實現(xiàn)。控制器下部包括通常為"U"形的手柄 或把手122以用于用戶接合。
控制器上部還設(shè)置有顯示器127，并且該顯示器可向用戶顯示各種 信息(例如在任何給定時間施加到控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿的 力的程度、在特定的一段時間由用戶所做的功的量、阻力水平、時間 或過去的時間、施加到多個軸(例如X、 Y、 Z和/或旋轉(zhuǎn)軸)的力、施加 的瞬時力、提升的總重量、燃燒的卡路里(例如基于所做功的量和用戶 的體重)、阻力水平設(shè)定、控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿移動的程度， 和/或任何其它鍛煉或其它相關(guān)信息)。顯示器優(yōu)選地由液晶顯示器(LCD) 實現(xiàn)，但也可以是任何類型的顯示器(例如LED等)。取決于特定的仿真，控制器120可由各種裝置實現(xiàn)。例如，控制 器可由如上所述的通用控制器實現(xiàn)，以仿真各種對象(例如武器、醫(yī)療 或其它器械等)，或者由呈適用于特定仿真的物品的形式的控制器實現(xiàn)， 例如武器或醫(yī)療箱。
圖7中示出控制器120內(nèi)用于接口裝置15的示例性控制電路。具 體地，控制電路225包括接口裝置10的傳感器150、 160、 165、 175 和控制器組件350的傳感器185、 195、相對應(yīng)的放大器152、 162、 .167、 177、 187、 197、鍛練處理器154和信號處理器164。常規(guī)的電源(未示 出)向每個電路元件提供合適的電力信號。電路可由電池和/或任何其它 合適的電源(例如仿真系統(tǒng))來提供電力。還可包括電源開關(guān)(未示出)以 激活電路元件。此外，電路可包括微調(diào)電位計153,以調(diào)節(jié)應(yīng)變計傳感 器的定心和范圍。
傳感器150、 160、 165、 175、 185、 195分別連接到相應(yīng)的放大器 152、 162、 167、 177、 187、 197。傳感器的電阻響應(yīng)于控制器操縱裝 置610和操縱裝置桿110的壓縮和伸展而變化。放大器152、 162、 167、 177、 187、 197主要地放大傳感器信號(例如在與采用的控制器類型兼 容的范圍內(nèi))。放大后的電壓值由每個放大器發(fā)送到鍛煉處理器154。 鍛煉處理器可由任何常規(guī)或其它處理器實現(xiàn)，并通常包括電路，并且/ 或者將來自放大器的模擬信號轉(zhuǎn)換成用于處理的數(shù)字信號?；旧?， 放大后的傳感器值表示由用戶施加的力，其中朝向范圍最大值的值指 示較大的施加的力。在與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值內(nèi)的比特數(shù)相一致的范圍內(nèi) (例如對于8比特帶符號的是-127至+127、對于16比特帶符號的是 -32,767至+32，767等)將放大后的模擬值數(shù)字化或量化，以指示施加的 力的大小和/或方向。因此，朝向范圍最大值的放大后的電壓值產(chǎn)生朝 向量化范圍最大值的數(shù)字值。
鍛煉處理器接收阻力水平并如上所述地復位經(jīng)由輸入裝置256來自用戶的控制，并控制放大器增益參數(shù)以根據(jù)用戶指定的控制來調(diào)節(jié) 接口裝置阻力。特別地，鍛煉處理器調(diào)節(jié)放大器的增益控制，以便根
據(jù)用戶輸入和/或虛擬現(xiàn)實場景來促成(facilitate)阻力水平。增益控制 參數(shù)基本上控制由放大器施加到放大器輸入(或傳感器測量值)的增益 量。由于較大的放大值對應(yīng)于較大的力，所以增加放大器增益使得用 戶能夠施加較小的力來獲得特定的放大后的力量值，從而有效地降低 接口裝置對于用戶的阻力。相反地，減小放大器增益需要用戶施加較 大的力來獲得特定的放大后的力量值，從而增加接口裝置對于用戶的 阻力。鍛煉處理器還將放大器Auto Null(自動歸零)參數(shù)調(diào)節(jié)成零，或 修正(tare)應(yīng)變計傳感器。
鍛煉處理器還連接到顯示器127，以便于顯示鍛煉或其它相關(guān)信 息。鍛煉處理器接收放大后的傳感器值，并確定顯示給用戶的各種信 息(例如在任何給定時間施加到控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿的力 的程度、在特定的一段時間由用戶所做的功的量、阻力水平、時間或 過去的時間、施加到多個軸(例如X、 Y、 Z和/或旋轉(zhuǎn)軸)的力、施加的 瞬時力、提升的總重量、燃燒的卡路里(例如基于所做功的量和用戶體 重)、阻力水平設(shè)定、控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿的移動程度，和 /或任何其它鍛煉或其它相關(guān)的信息)。另外，鍛煉處理器根據(jù)從輸入裝 置256接收的復位控制(例如，為了提供用于錄入信息的新會話)來復位 各種參數(shù)(例如阻力、時間、功等等)，并向信號處理器164提供傳感器
倍息o
信號處理器164處理傳感器和控制器輸入裝置信息，并將該信息 傳送到仿真處理器414以更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的仿真。基本上，信號 處理器將收到的信息處理和安排成合適的數(shù)據(jù)包，以用于傳送到仿真 系統(tǒng)400的仿真處理器414。信號處理器可以任何方式處理原始的數(shù)字 值，以解決各種校準，或在量化范圍內(nèi)適當?shù)卣{(diào)節(jié)所述值。仿真處理 器處理該信息或數(shù)據(jù)包以更新和/或響應(yīng)于在顯示裝置416上顯示的執(zhí) 行的仿真。參考圖6至7描述接口裝置15相對于仿真的操作。首先，用戶利 用合適的導線或電纜將接口裝置耦合至仿真系統(tǒng)400。用戶可調(diào)節(jié)接口 裝置(例如控制器高度、接合構(gòu)件等)以便容納用戶的身體特征。接口裝 置設(shè)置在合適的表面(例如地板等)上，在那里用戶通常站立在基座平臺 301上，且用戶的腿跨騎著接合構(gòu)件370。選擇仿真并在仿真系統(tǒng)上執(zhí) 行仿真，并且用戶進行鍛煉活動以與仿真進行交互。用戶操作接口裝 置，且用戶的腿由基座平臺301所支撐并跨騎著接合構(gòu)件370，用戶的 手放置在控制器手柄122上。用戶抓緊控制器手柄并向控制器和/或接 合構(gòu)件施加力，以相應(yīng)地在控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿上施加應(yīng) 變，從而在仿真中產(chǎn)生對應(yīng)的(例如，由仿真處理器顯示的場景中的角 色或?qū)ο蟮?運動。例如，用戶向前傾斜并操縱接合構(gòu)件使角色向前運 動。此外，用戶可在接合構(gòu)件上施加側(cè)向力以引起仿真中的側(cè)向運動、 在接合構(gòu)件上施加垂直力以使得角色蹲下或站立、在接合構(gòu)件上施加 旋轉(zhuǎn)力以使得角色轉(zhuǎn)動?？衫每刂破鱽韺τ糜诜抡娴奶囟▽ο?，例 如武器進行仿真。在該情況下，用戶還可向控制器施加力，以控制仿 真中的觀察點和手的位置(例如在武器上的)。向控制器施加的XY平面 中的力可控制出射點(eye-point)和/或武器方向，而沿豎軸向控制器 施加的力可控制仿真中對象的提升和承載。向控制器施加的扭力可用 于操縱出射點和/或武器，并且還可用于其它仿真任務(wù)。仿真中運動的 速率來源于用戶施加的力的量(例如，較大的施加力的量產(chǎn)生較大的運
動速率)。另外，取決于特定的仿真，用戶可操縱用于附加動作的操縱 桿121和/或其它控制器輸入裝置。
來自應(yīng)變計傳感器150、 160、 165、 175、 185、 195和控制器輸入 裝置(例如操縱桿121、按鈕123等)的信號被傳送至信號處理器164以 產(chǎn)生用于傳送至仿真系統(tǒng)400的數(shù)據(jù)包。仿真系統(tǒng)處理該信息或數(shù)據(jù) 包以更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的仿真。因此，用戶向控制器操縱裝置和操 縱裝置桿施加的力引起在仿真系統(tǒng)所顯示的場景中的相對應(yīng)的坐標運 動或動作。換句話說，用戶活動用于向仿真系統(tǒng)指示期望的用戶動作
33或運動，以更新仿真內(nèi)的場景和/或角色或?qū)ο蟮倪\動或動作。這使得 用戶在仿真期間能夠以與用戶在真實世界中施加力相同的順序來施加 力，從而將身體要素告知給用于增強型訓練的仿真。
接口裝置15還可用作游戲控制器，該游戲控制器可與包括PS2、 XBOX和GAMECUBE系統(tǒng)的很多種的視頻游戲或其它系統(tǒng)一起操作， 以及與如圖8所示的各種個人計算機或其它計算機(例如具有Microsoft WINDOWS和Apple Mac OS X操作系統(tǒng)的個人計算機)一起操作。接口 裝置在該情況下用作鍛煉裝置，該鍛煉裝置需要用戶進4亍用于用戶上 半身部分和/或下半身部分的等長鍛煉，以與視頻游戲進行交互。
特別地，鍛煉裝置15優(yōu)選地耦合至呈游戲系統(tǒng)形式的仿真系統(tǒng) 400，并用作為游戲控制器，以使得用戶能夠進行等長鍛煉從而控制游 戲場景。游戲系統(tǒng)通常包括呈游戲處理器形式的仿真處理器414(圖9) 和監(jiān)視器或顯示器416。游戲處理器包括存儲驅(qū)動器和/或單元，以接 納包含有用于各種游戲的軟件的計算機可讀介質(zhì)(例如CD、 DVD等)， 還包括處理裝置，以執(zhí)行該軟件，從而在監(jiān)視器上提供游戲。游戲系 統(tǒng)可由任何常規(guī)或其它的處理或游戲系統(tǒng)(例如微處理器系統(tǒng)、個人計 算機、視頻游戲系統(tǒng)等)實現(xiàn)。例如，游戲系統(tǒng)可由常規(guī)的視頻游戲?qū)?現(xiàn)，例如可從Sony購得的PS2、可從Microsoft購得的XBOX或可從 Nintendo購得的GAMECUBE。
游戲通常包括經(jīng)由對接口裝置的操縱而受用戶控制的角色或?qū)?象。例如，用戶可控制角色或交通工具(例如汽車、飛機、船等)的運動 和動作，以在顯示在監(jiān)視器上的虛擬環(huán)境中運動。接口裝置包括多個 輸入裝置(例如操縱桿、按鈕等)，以使得用戶能夠與游戲進行交互。游 戲系統(tǒng)從接口裝置接收信號并更新顯示器，以便如下所述地根據(jù)用戶 對接口裝置15的操縱來反映角色或?qū)ο蟮倪\動和/或動作。
接口裝置15包括便于控制器120與多個(例如兩個或更多個)視頻游戲系統(tǒng)之間的連接與通信的電纜系統(tǒng)220。特別地，電纜系統(tǒng)220位 于控制器手柄122上方的位置，并連接到控制器120的后表面(例如與 包括操縱桿121、按鈕123和顯示器127的控制器表面相對的控制器表 面)并從該后表面延伸出來。電纜系統(tǒng)220大致類似于在前述美國專利 申請公布No.2006/0223634(Feldman等人)中描述的電纜系統(tǒng)，并且包括 經(jīng)由訪問面板或門(access panel or door)(未示出)延伸到控制器120 中的柔性中空體224，以容納和保持與控制器內(nèi)的信號處理器164(圖 9)相連的導線?？蛇x地，電纜可在任何其它合適的位置和/或以任何其 它合適的方式與控制器相連接。許多分離且獨立延伸的導線被套在電 纜體224內(nèi)并延伸電纜體224的長度。導線被配置為用于如下所述地 提供控制器120的信號處理器164與特定的視頻游戲系統(tǒng)之間的電接 觸或連接。
電纜體224從控制器120延伸出一選定的距離，并與通常為矩形 的殼體226連接。許多柔性中空的電纜227、 230、 240、 250從殼體226 延伸出來。電纜體224內(nèi)的導線在殼體226內(nèi)延伸，以用于將信號傳 送至導線組，該導線組被引導進輸出電纜227、 230、 240、 250中相應(yīng) 的一根電纜中，并通過該根電纜。因此，殼體226用作為匯合位置 (junction location)，以用于在電纜體224內(nèi)的導線與輸出電纜的相應(yīng) 導線組之間傳輸信號，其中每個輸出電纜包括被配置為用于連接到相 應(yīng)游戲系統(tǒng)的游戲控制器端口的導線組。
每根輸出電纜227、 230、 240、 250終止在相應(yīng)的連接插頭中。連 接插頭分別被配置為與相應(yīng)的視頻游戲系統(tǒng)的對應(yīng)游戲控制器端口相 連接。連接插頭與游戲控制器端口以凹凸配合(male-female mating) 關(guān)系連接。特別地，每個連接插頭包括具有相關(guān)金屬插針的凸形部件 和/或被配置為用于插入相應(yīng)控制器端口的對應(yīng)凹形部件的其它接觸結(jié) 構(gòu)。這些連接建立了與連接插頭相關(guān)聯(lián)的導線組和以合適的方式與視 頻游戲系統(tǒng)的游戲處理器相連的對應(yīng)導線之間的電接觸。僅作為示例， 連接插頭251被配置為與GAMECUBE系統(tǒng)的游戲控制器端口連接，連接插頭241被配置為與XBOX系統(tǒng)的游戲控制器端口連接，連接插 頭231被配置為與PS2系統(tǒng)的游戲控制器端口連接，而連接插頭228 被配置為與任何合適的游戲系統(tǒng)或個人計算機或其它計算機的通用串 行總線(USB)端口連接(例如，以便于控制基于Microsoft WINDOWS或 Apple Mac OS X的游戲或其它應(yīng)用程序)。但是，電纜系統(tǒng)不局限于該 示例性構(gòu)造，而是可包括任何合適數(shù)量(例如兩個或更多)的任何合適類 型和構(gòu)造的連接插頭，以便于與任何類型的視頻游戲或其它系統(tǒng)連接。
電纜系統(tǒng)220具有合適的長度(例如8英尺或更長)，以便于相對容 易地連接在接口裝置15與視頻游戲系統(tǒng)400之間。在鍛煉系統(tǒng)距視頻 游戲系統(tǒng)有相當大的距離(例如大于8英尺)的情形中，接口裝置可采用 延伸電纜裝置300。電纜裝置300基本類似于在前述美國專利申請公布 No.2006/0223634(Feldman等人)中公開的電纜裝置，并耦合至電纜系統(tǒng) 220以便使電纜系統(tǒng)與視頻游戲系統(tǒng)連接。特別地，延伸電纜裝置300 包括柔性中空電纜302，該電纜302延伸合適的長度(例如8英尺或更 長)并包括位于該電纜第一端的第一殼體316和位于該電纜第二端的第 二殼體328。電纜302在構(gòu)造和設(shè)計上基本類似于電纜系統(tǒng)220的電纜 224，其中相同或大致類似的導線延伸通過該電纜。此外，電纜302可 包括用于傳輸兩個或多個導線組的公共或共享信號的一根或多根導 線。
每個殼體316、 328在構(gòu)造和設(shè)計上基本類似于電纜系統(tǒng)220的殼 體226。每個殼體用作為匯合位置，以在電纜302內(nèi)的導線與多個導線 組中的每個導線組之間以類似于如上所述用于殼體226的方式來傳輸 信號。特別地，許多柔性中空電纜304、 306、 308、 310從殼體316延 伸出來。殼體設(shè)置在電纜302與這些電纜之間以便于連接。每根電纜 304、 306、 308、 310將在其中的相應(yīng)導線耦合至殼體316并終止在相 應(yīng)的連接插頭305、 307、 309、 311處。殼體在導線組與電纜302中合 適的導線之間傳輸信號，其中電纜302的一根或多根導線可傳送與游 戲系統(tǒng)公共的信號，以減少電纜所使用的導線的數(shù)量。連接插頭305、307、309、311與電纜系統(tǒng)220對應(yīng)的連接插頭227、 231、 241、 251互補(原文似乎有誤，從上下文來看似乎應(yīng)為 complementary),并被配置為連接到電纜系統(tǒng)220對應(yīng)的連接插頭227、 231、 241、 251。另外，設(shè)置在延伸電纜裝置300的連接插頭內(nèi)的導線 組包括與設(shè)置在電纜系統(tǒng)220對應(yīng)的連接插頭內(nèi)的導線組相同或基本 類似的導線。電纜系統(tǒng)和延伸裝置的連接插頭以凹凸配合關(guān)系彼此連 接，其中電纜系統(tǒng)220的各連接插頭的凸形部件插入延伸電纜裝置300 對應(yīng)的連接插頭的凹形部件。這實現(xiàn)了插頭的金屬元件(例如插針和相 應(yīng)的接納插座和/或其它金屬互補(問題同上)接觸結(jié)構(gòu))之間的電接觸， 該電接觸進一步促成在電纜系統(tǒng)和延伸電纜裝置內(nèi)延伸的導線組的相 應(yīng)對之間的電連接。但是，也能夠提供連接插頭之間的任何其它合適 的連接，以便于導線組的相應(yīng)對之間的電接觸。
許多柔性中空電纜320、 322、 324、 326從殼體328延伸出來。殼 體設(shè)置在電纜302與這些電纜之間以便于連接。每根電纜320、 322、 324、 326將在其中的相應(yīng)導線耦合至殼體328并終止在相應(yīng)的連接插 頭321、 323、 325、 327處。殼體在導線組與電纜302中合適的導線之 間傳輸信號，其中電纜302的一根或多根導線可傳送與游戲系統(tǒng)公共 的信號，以如上所述地減少電纜302所使用的導線的數(shù)量。連接插頭 321、 323、 325、 327在構(gòu)造和設(shè)計上與電纜系統(tǒng)220對應(yīng)的連接插頭 227、 231、 241、 251相同。因此，延伸電纜裝置的各連接插頭321、 323、 325、 327包括具有相關(guān)金屬插針的凸形部件和/或被配置為插入 相應(yīng)控制器端口的對應(yīng)凹形部件的其它接觸結(jié)構(gòu)，以建立連接插頭相 關(guān)聯(lián)的導線組和與連接插頭相連的視頻游戲系統(tǒng)的對應(yīng)導線之間的電 接觸。
被引導至延伸電纜裝置的各連接插頭321、 323、 325、 327的導線
組還與電纜系統(tǒng)220的對應(yīng)連接插頭的導線組相同或基本類似。因此， 延伸電纜裝置300保持通過電纜系統(tǒng)220導線組到各連接插頭的映射，
37以便于各導線組延伸合適的距離以提供控制器120與視頻游戲系統(tǒng)400 之間的通信。另外，要指出的是延伸電纜裝置300也能夠與任何視頻 游戲系統(tǒng)和對應(yīng)的游戲控制器一起使用，所述視頻游戲系統(tǒng)和對應(yīng)的 游戲控制器包括與設(shè)置在延伸電纜裝置上的任何連接插頭組相對應(yīng)的 連接部件。這使得延伸電纜裝置能夠用作為用于各種不同連接插頭/端 口設(shè)計的通用延伸電纜，所述各種不同的連接插頭/端口設(shè)計用于不同 的視頻游戲系統(tǒng)和游戲控制器。
圖9中示出了用于接口裝置15的示例J4控制電路，其使得能夠選 擇性地將功能分配給輸入裝置。具體地，控制電路275包括傳感器150、 160、 165、 175、 185、 195和對應(yīng)的放大器152、 162、 167、 177、 187、 197、鍛煉處理器154、切換裝置或矩陣258 (switching device or matrix) 和信號處理器164。常規(guī)的電源(未示出)向每個電路元件提供合適的電 力信號。電路可由電池和/或任何其它合適的電源(例如游戲系統(tǒng))提供 電力。還可包括電源開關(guān)(未示出)以激活電路元件。此外，電路可包括 微調(diào)電位計153，以調(diào)節(jié)應(yīng)變計傳感器的定心和范圍。切換裝置或矩陣 258如下所述地將游戲功能分配給控制器輸入裝置、控制器操縱裝置 610和操縱裝置桿110。
傳感器150、 160、 165、 175、 185、 195分別連接到相應(yīng)的放大器 152、 162、 167、 177、 187、 197。傳感器的電阻響應(yīng)于控制器操縱裝 置610和操縱裝置桿110的壓縮與伸展而改變。放大器152、 162、 167、 177、 187、 197主要地(例如在與所采用的控制器類型兼容的范圍中)放 大傳感器信號。放大后的電壓值由各放大器發(fā)送至鍛煉處理器154與 切換裝置258。鍛煉處理器154可由任何常規(guī)或其它的處理器實現(xiàn)，并 通常包括電路，并且/或者將來自放大器的模擬信號轉(zhuǎn)換成用于處理的 數(shù)字值?；旧希糯蠛蟮膫鞲衅髦当硎居捎脩羰┘拥牧?，其中朝向 該范圍最大值的值指示較大的施加的力。在與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值內(nèi)的比 特數(shù)相一致的范圍(例如對于8比特帶符號的是-127至+127、對于16 比特帶符號的是-32,767至+32,767等)內(nèi)將放大后的模擬值數(shù)字化或量化，以指示施加的力的大小和/或方向。因此，朝向范圍最大值的放大 后的電壓值產(chǎn)生朝向量化范圍最大值的數(shù)字值。
鍛煉處理器接收阻力水平并如上所述地復位經(jīng)由輸入裝置256來 自用戶的控制，并控制放大器增益參數(shù)以根據(jù)用戶指定的控制來調(diào)節(jié) 接口裝置阻力。特別地，鍛煉處理器調(diào)節(jié)放大器的增益控制，以便根 據(jù)用戶輸入和/或視頻游戲場景來促成(facilitate)阻力水平。增益控制 參數(shù)基本上控制由放大器施加到放大器輸入端(或傳感器測量值)的增 益量。由于較大的放大后的值對應(yīng)于較太的力，所以增加放大器增益 使得用戶能夠施加較小的力來獲得特定的放大后的力量值，從而有效 地降低接口裝置對于用戶的阻力。相反地，減小放大器增益需要用戶 施加較大的力來獲得特定的放大后的力量值，從而增加接口裝置對于 用戶的阻力。鍛煉處理器還將放大器Auto Null參數(shù)調(diào)節(jié)成零，或修正 (tare)應(yīng)變計傳感器。
鍛煉處理器還連接到顯示器127，以便于顯示某一鍛煉或其它相關(guān) 信息。信號處理器接收放大后的傳感器值，并確定顯示給用戶的各種 信息(例如在任何給定時間施加到特定操縱裝置的力的程度、在特定的 一段時間由用戶所做的功的量、阻力水平、時間或過去的時間、由用 戶施加到多個軸(例如X、 Y、 Z和旋轉(zhuǎn)軸)的力、施加的瞬時力、提升 的總重量、燃燒的卡路里(例如基于所做功的量和用戶體重)、阻力水平 設(shè)定、控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿移動的程度，和/或任何其它鍛 煉或其它相關(guān)的信息)。另外，鍛煉處理器根據(jù)從輸入裝置256接收的 復位控制(例如，為了提供用于錄入信息的新會話)來復位各種參數(shù)(例 如阻力、時間、功等等)。
控制電路275可使用切換裝置258，以如下所述地使用戶能夠選擇 性地配置用于游戲功能的控制器120、控制器操縱裝置610和操縱裝置 桿110。切換裝置258從放大器152、 162、 167、 177、 187、 197接收 信號，并被耦合至輸入裝置、切換控制單元257、操縱桿121和信號處理器164。僅作為示例，操縱裝置桿110可用作為右控制器操縱桿，而 控制器操縱裝置610可用作為左控制器操縱桿，如下所述，用戶可選 擇性地分配操縱桿相對于游戲的功能。但是，控制器操縱裝置和操縱 裝置桿也可用作為任何操縱桿或其它輸入裝置。
切換裝置258從放大器152、 162、 167、 177、 187、 197接收信息， 并被耦合至信號處理器164的輸入。信號處理器164的輸入端通常被 以固定的方式耦合至特定的控制器信號源(例如對應(yīng)控制器輸入裝置的
測量操作)。因此，信號處理器或游^y b理器知道與各輸入端相關(guān)的控
制器輸入裝置，并根據(jù)游戲軟件內(nèi)的分配將游戲功能映射至這些輸入 端(或控制器輸入裝置)。切換裝置基本上使用于控制器輸入裝置、控制 器操縱裝置610和操縱裝置桿110的信息能夠被選擇性地設(shè)置在與期 望的游戲功能相對應(yīng)的信號處理器輸入端上。例如，游戲軟件可將汽 車加速功能分配至控制器左操縱桿，并將該功能映射至特定的信號處 理器輸入端，該信號處理器輸入端期待來自左操縱桿的信息。但是， 切換裝置可將控制器操縱裝置耦合至信號處理器輸入端，游戲處理器 處理用于加速功能的控制器操縱裝置信息，從而使得控制器操縱裝置 能夠執(zhí)行該功能。因此，各種輸入裝置(例如控制器輸入裝置、控制器 操縱裝置、操縱裝置桿等)可被游戲軟件選擇性地分配給缺乏認識的游 戲功能(p31 last line)。
切換裝置從鍛煉處理器接收信息，并被耦合至信號處理器164的 輸入端。切換裝置可由能夠切換信號的任何常規(guī)或其它裝置(例如開關(guān)、 多路開關(guān)、處理器、橫梁開關(guān)、開關(guān)矩陣、門陣列、邏輯電路、繼電 器等)以軟件或硬件的形式實現(xiàn)。所利用的特定的切換裝置實施例可取 決于輸入裝置的數(shù)量和期望的功能分配或混合的水平。例如，為了在 每個都具有沿軸線的運動的操縱桿之間交換功能(例如，交換與轉(zhuǎn)向功 能對應(yīng)的左右操縱桿移動或與加速功能對應(yīng)的前后操縱桿移動)，可利 用雙刀雙擲開關(guān)。開關(guān)主要將操縱桿的信號源125(例如測量沿軸線的 運動的電位計)耦合至與期望的功能相對應(yīng)的信號處理器輸入端。因此，各操縱桿的功能可由其它(例如交換后的)操縱桿執(zhí)行，或者一個操縱桿
可根據(jù)連接執(zhí)行兩種功能(例如轉(zhuǎn)向和加速)。關(guān)于混合(blending)功 能的較高復雜性的應(yīng)用可能需要附加的選擇開關(guān)和選擇開關(guān)裝置的不 同組合。
切換裝置可由能夠在模擬或數(shù)字域中切換信號的裝置實現(xiàn)。例如， 切換裝置可由從鍛煉處理器接收信號并將信號引導至與期望功能相對 應(yīng)的信號處理器輸入端的處理器或路由器來實現(xiàn)。這些任務(wù)可以以軟 件實現(xiàn)。切換裝置根據(jù)來自切換控^U單元257的控制來切換信號。切 換控制單元可包括設(shè)置在控制器120上的一個或多個控制，其中該控 制可由用戶操作以便直接對切換裝置進行配置。可選地，切換控制單 元可包括控制處理器，以根據(jù)該控制來對切換裝置進行控制，從而實 現(xiàn)期望的功能分配?？刂瓶捎扇魏纬Ｒ?guī)或其它輸入裝置(例如按鈕、按 鍵、滑塊等)實現(xiàn)，以向切換裝置或控制處理器提供控制信號。
切換裝置或切換控制單元可選地提供用戶接口，以使得用戶能夠 輸入信息，從而以期望的方式對控制器進行配置。接口可為控制器顯 示器上的屏幕或控制器光線或其它指示器的形式。此外，接口可在顯 示器416上示出并由游戲處理器414實現(xiàn)。切換控制單元接收由用戶 輸入的配置信息并對切換裝置258進行控制，以向信號處理器164提 供合適的信號，從而獲得期望的配置或功能分配。
來自切換裝置輸出端和控制器輸入裝置(例如按鈕123等)的信號 被傳送至信號處理器164內(nèi)相應(yīng)預定的存儲位置。信號處理器可由任 何常規(guī)或其它的處理器實現(xiàn)，并通常包括電路，并且/或者將模擬信號
轉(zhuǎn)換成用于處理的數(shù)字值。信號處理器以預定的時間間隔(例如，優(yōu)選 地大約十毫秒或更短)對存儲位置進行采樣，以連續(xù)地處理信息并向游 戲處理器發(fā)送信息，從而更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的游戲應(yīng)用程序。
基本上，信號處理器將取樣后的信息處理和安排成合適的數(shù)據(jù)包，以傳送到游戲系統(tǒng)400的游戲處理器414。信號處理器可以以任何方式 來處理原始的數(shù)字值，以解決各種校準或在量化范圍內(nèi)適當?shù)卣{(diào)節(jié)所 述值。數(shù)據(jù)包具有與從標準外圍設(shè)備(例如游戲控制器等)輸入的數(shù)據(jù)相 似的格式。例如，處理器可構(gòu)造數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括所有控制器輸 入裝置(例如操縱桿121、按鈕123等)的狀態(tài)和每個傳感器的值。僅作 為示例，數(shù)據(jù)包可包括報頭信息、指示相應(yīng)傳感器的力和沿著該軸的 操縱桿測量值的X軸信息、指示相應(yīng)傳感器的力和沿著該軸的操縱桿 測量值的Y軸信息、方向舵(rudder)或轉(zhuǎn)向信息、節(jié)流(throttle)或 速率信息以及與輸入裝置(例如拔鈕等)相關(guān)的附加信息。附加的分組位 置可與從耦合至信號處理器的控制器或其它輸入端和/或鍛煉裝置所接 收的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，輸入裝置可表示用于場景的附加操作標準(additional operational criteria )(例如當用戶壓下輸入按鈕、節(jié)流閥(throttle)等 時場景中武器的開火)。信號處理器以與從常規(guī)外圍設(shè)備(例如游戲控制 器等)接收的信息大致相同的方式處理信息或數(shù)據(jù)包，以更新和/或響應(yīng) 在游戲系統(tǒng)的顯示器416上顯示的正執(zhí)行的游戲應(yīng)用程序(例如游戲 等)。
為了有效的通信和可操作性，接口裝置控制器的控制電路275(圖 9)被配置作為游戲控制器，每個視頻游戲系統(tǒng)與電纜系統(tǒng)的導線組和電 纜連接器相關(guān)聯(lián)。特別地，當電纜系統(tǒng)220(可選地包括延伸電纜裝置 300)以上述方式與視頻游戲系統(tǒng)連接時，控制器信號處理器164在從該 視頻游戲系統(tǒng)接收一個或多個啟動(initial)電信號(例如一個或多個"喚 醒"信號)時識別與控制單元120連接的特定的視頻游戲系統(tǒng)。當識別 出特定的視頻游戲系統(tǒng)時，控制器信號處理器將信號處理和安排成合 適的數(shù)據(jù)分組，用于在如上所述的游戲應(yīng)用期間傳送到視頻游戲系統(tǒng) 并由該視頻游戲系統(tǒng)識別。
參考圖8至9描述接口裝置15相對于游戲應(yīng)用的操作。首先，用 戶利用合適的連接插頭或電纜系統(tǒng)220和/或延伸電纜裝置300的插頭 (例如特定的連接插頭或與游戲系統(tǒng)兼容的插頭)將接口裝置耦合至視頻游戲系統(tǒng)400。基于所利用的視頻游戲系統(tǒng)和/或要執(zhí)行的特定的游 戲應(yīng)用，用戶可如上所述選擇性地將游戲功能分配給操縱桿、控制器 操縱裝置、操縱裝置桿和/或其它輸入裝置。用戶可調(diào)節(jié)接口裝置(例如 控制器高度、接合構(gòu)件等)，以適應(yīng)用戶的身體特征。接口裝置設(shè)置在 合適的表面(例如地面等)上，用戶通常站立基座平臺301上，用戶的腿 跨騎接合構(gòu)件370并且用戶的手抓緊控制器手柄122。
在啟動配置時序(initial set-up sequence)期間(例如當視頻游戲系 統(tǒng)通上電時)，控制器120 6tt信號處理器164(圖9)從視頻游戲系統(tǒng)400 接收一個或多個啟動信號。信號處理器基于這些啟動信號來識別特定 的視頻游戲系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)安排成合適的數(shù)據(jù)分組以用于被已識別的 系統(tǒng)識別。選擇游戲并在游戲系統(tǒng)上執(zhí)行該游戲，并且用戶參加鍛煉 以與該游戲進行交互。用戶操作接口裝置，且用戶的腿由基座平臺301 所支撐并跨騎接合構(gòu)件370，用戶的手放置在控制器手柄122上。用戶 抓緊控制器手柄并分別在控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿上施加應(yīng) 變，以產(chǎn)生相應(yīng)的(例如由游戲處理器顯示在場景中的角色或?qū)ο蟮? 游戲運動。例如，用戶向前傾斜并操縱接合構(gòu)件使得角色向前運動。 此外，用戶可在接合構(gòu)件上施加側(cè)向力以在游戲中引起側(cè)向運動，在 接合構(gòu)件上施加垂直力以使角色蹲下或站立，在接合構(gòu)件上施加旋轉(zhuǎn) 力以使角色轉(zhuǎn)動。用戶還可向控制器施加力以控制游戲中的視點 (viewpoint)。在XY平面中向控制器施加的力可控制視野和/或方向， 而向控制器施加的垂直軸力可控制游戲中對象的提升和承載。向控制 器施加的扭力可用于其它任務(wù)。游戲內(nèi)運動的速率來源于用戶施加的 力的量(例如較大的運動速率由較大的施加力的量產(chǎn)生)。另外，用戶可 根據(jù)特定的游戲和用戶功能分配來操縱操縱桿121和/或用于其它動作 的其它控制器輸入裝置。
來自應(yīng)變計傳感器150、 160、 165、 175、 185、 195和控制器輸入 裝置(例如操縱桿、按鈕等)的信號被傳送至控制器信號處理器，以產(chǎn)生 用于傳送至視頻游戲系統(tǒng)400的數(shù)據(jù)分組。游戲系統(tǒng)以大致與用于從常規(guī)外圍設(shè)備(例如游戲控制器等)接收的信息相同的方式來處理信息 或數(shù)據(jù)分組，以更新和/或響應(yīng)于執(zhí)行的游戲應(yīng)用。因此，根據(jù)由用戶 分配給這些項目的功能，用戶向控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿所施 加的力引起了視頻游戲顯示器上顯示的場景中對應(yīng)的坐標運動或動 作。換句話說，根據(jù)分配給控制器操縱裝置和操縱裝置桿的功能，用 戶的鍛煉用于向游戲系統(tǒng)指示期望的用戶動作或運動，以更新游戲內(nèi) 角色或?qū)ο蟮倪\動或動作。例如，當用戶分配給控制器操縱裝置以加 速功能，分配給操縱裝置桿以轉(zhuǎn)向功能時，對控制器施加的向前的力 可用作加速器，而向接合^構(gòu)件施加的扭力可用作轉(zhuǎn)向功能。
如上所述，單一信號處理器由接口裝置15的控制電路275實現(xiàn)， 其中信號處理器能夠以上述方式與許多不同的視頻游戲系統(tǒng)通信。但 是，本發(fā)明不局限于使用單一處理器。相反地，接口裝置15可包括多 個處理器(例如兩個或更多)，其中每個處理器被配置為使得接口裝置和 至少一個對應(yīng)的視頻游戲系統(tǒng)之間能夠如前述專利申請和專利申請公 布中所公開地進行信號通信。
另外，接口裝置10、 15的一個或多個處理器與傳感器和/或仿真 或游戲系統(tǒng)之間的電連接和/或通信不局限于如上所述的電纜或布線系 統(tǒng)和/或電纜延伸裝置。相反地，能夠提供任何合適的有線和/或無線通 信線路以便于通信(例如接口裝置的一個或多個處理器與游戲或仿真系 統(tǒng)之間，傳感器與控制電路之間等)。
要意識到的是上述并在附圖中示出的實施例僅表示實現(xiàn)用于可操 作地對具有等長鍛煉系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景進行控制的方法和設(shè)備的許
多方式中的一些方式。
接口裝置10和對應(yīng)部件(例如操縱裝置桿、基座、支撐平臺、接 合構(gòu)件、凸緣(collar)、接觸構(gòu)件、止動桿、止動器、支撐物等)可具 有任何數(shù)量、尺寸、或形狀、可布置成任何形式并且可由任何合適的
44材料構(gòu)成。基座可具有任何尺寸或形狀。凹座(recess)可具有任何數(shù) 量、尺寸或形狀，并且可限定在基座中任何合適的位置處。基座可由 任何合適的材料構(gòu)成，并且可經(jīng)由任何常規(guī)或其它固定機構(gòu)(例如螺栓、 螺釘、銷、夾具等)而固定至平臺。插座可具有任何數(shù)量、形狀或尺寸， 并且可設(shè)置在基座上任何合適的位置處以容納操縱裝置桿。鎖定機構(gòu) 可包括任何類型的鎖定裝置(例如摩擦裝置、夾具、釘孔裝置(peg and hole arrangement)等)以便可拆卸地將接口裝置部件保持在期望的位置 或方向以適應(yīng)用戶。
支撐構(gòu)件可具有任何數(shù)量、形狀、尺寸或合適的材料，并且可以 以任何期望的布置而設(shè)置在基座上任何合適的位置。接觸構(gòu)件可具有 任何數(shù)量、形狀或尺寸，可由任何合適的材料構(gòu)成并且可布置成任何 形式(例如"T" 、 "X" 、 "Y"結(jié)構(gòu)、十字或加號結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、 任何角度的偏移等)。接觸構(gòu)件為用戶舒適起見可包括任何期望的泡沫 或襯墊。圈可具有任何數(shù)量、形狀或尺寸，可由任何合適的材料構(gòu)成， 并且可由任何合適的裝置實現(xiàn)，所述合適的裝置具有足以容納操縱裝 置桿的任何形狀或尺寸的開口。圈可經(jīng)由任何常規(guī)或其它固定機構(gòu)(例 如夾具、o形圈等)固定至操縱裝置桿。接合構(gòu)件和平臺可容納任何期 望的用戶的身體部分(例如腿、臂、軀干等)，用戶可以以任何合適的姿 勢(例如坐下、站立、躺下等)來利用裝置。
止動桿可具有任何數(shù)量、形狀或尺寸并且可以以任何方式固定至 操縱裝置桿或其它接口裝置部件，以阻止操縱裝置桿的旋轉(zhuǎn)或其它運 動。止動器可具有任何數(shù)量、形狀或尺寸，可由任何合適的材料構(gòu)成， 并且可設(shè)置在任何合適的位置以限制止動桿。止動器可設(shè)置在距止動 桿任何合適的距離處以提供任何期望的運動范圍(例如從止動桿不運動 或靜止到任一程度的運動)。支撐物和凸緣(collar)可具有任何數(shù)量、 形狀或尺寸，可由任何合適的材料構(gòu)成，并且可設(shè)置在任何合適的位 置。支撐物可被省略，或者被布置成任何形式并且被利用以將基座提 高至支撐平臺以上任何合適的距離。支撐平臺可具有任何數(shù)量、尺寸或形狀，并且可由任何合適的材料構(gòu)成?；稍O(shè)置在平臺上任何合 適的位置。
接口裝置15和對應(yīng)部件(例如控制器操縱裝置、框架、基座、平 臺、控制器等)可具有任何數(shù)量、尺寸或形狀，可布置成任何形式并且 可由任何合適的材料構(gòu)成?；删哂腥魏纬叽缁蛐螤畈⑶铱捎扇魏?合適的材料構(gòu)成。接口裝置IO的基座可經(jīng)由常規(guī)或其它固定機構(gòu)(例如 螺栓、螺釘、銷、夾具等)而固定至平臺任何合適的位置?？蚣芎桶惭b
構(gòu)件可具有任何數(shù),J:、形狀或尺寸，可由任何合適的材料構(gòu)成，并且 可設(shè)置在基座平臺上任何合適的位置。插座可具有任何數(shù)量、形狀或 尺寸以容納控制器操縱裝置。鎖定機構(gòu)可包括任何類型的鎖定裝置(例 如摩擦裝置、夾具、釘孔裝置等)，以便可拆卸地將接口裝置部件保持 在期望的位置或方向以適應(yīng)用戶。控制器組件和接口裝置io可設(shè)置在 基座平臺上任何位置，以使得能夠被用戶同時使用。
接口裝置的操縱裝置桿、控制器操縱裝置和止動桿可由任何合適 的材料構(gòu)成，它們優(yōu)選地在受到用戶的一個或多個應(yīng)變或其它力時在 材料的彈性極限內(nèi)產(chǎn)生可測量的偏轉(zhuǎn)。操縱裝置桿、控制器操縱裝置 和止動桿可具有任何合適的幾何結(jié)構(gòu)，可以以任何方式結(jié)合兩個或更 多的操縱裝置(例如控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿)，以便得到為特 定應(yīng)用與用戶期望的設(shè)計相符合的裝置。操縱裝置桿和控制器操縱裝 置可定位在任何期望的方向或角度(例如插座可成一角度，操縱裝置桿 和/或控制器操縱裝置可以以某一角度設(shè)置在插座內(nèi)，操縱裝置桿和/或 控制器操縱裝置可由用戶調(diào)節(jié)至任何期望的角度)。接口裝置還可包括 各種鍛煉機構(gòu)，以對仿真或視頻游戲進行控制，以及為用戶提供進一 步的鍛煉(例如腳踏車，樓梯機構(gòu)等)。
任何合適數(shù)量的任何類型的傳感器(例如應(yīng)變計等)可被應(yīng)用于控 制器操縱裝置、操縱裝置桿、止動桿和/或量具安裝結(jié)構(gòu)，以便于對用 戶所施加的任何一種或多種類型的應(yīng)變或其它力(例如彎曲力、扭力、壓縮力和/或拉力)的測量?？稍谌魏魏线m的表面(例如地板、平臺、地 面等)上利用接口裝置，并且接口裝置可通過任何類型的部件布置(例如 伸縮式布置、重疊布置、延伸部件等)以任何方式(例如任何尺寸、控制 器和/或接合構(gòu)件高度等)而被調(diào)節(jié)，以適應(yīng)用戶的身體特征。
傳感器可由任何合適的材料構(gòu)成，可設(shè)置在操縱裝置桿、控制器 操縱裝置、止動桿和/或量具安裝結(jié)構(gòu)上任何位置，并且可具有任何合 適的類型(例如應(yīng)變計等)。此外，傳感器可包括響應(yīng)于所施加的力而以 可測量的方式發(fā)e生改變的任何電氣、機械或化學特性，以測量施加到 對象的力。傳感器可包括任何期望的布置。接口裝置可包括任何合適 數(shù)量的控制器操縱裝置、操縱裝置桿和固定在相應(yīng)控制器操縱裝置和 操縱裝置桿內(nèi)的量具安裝結(jié)構(gòu)。量具安裝結(jié)構(gòu)可由任何合適的材料構(gòu) 成，該材料優(yōu)選地允許作為施加到相應(yīng)控制器操縱裝置和操縱裝置桿 的彎曲、扭曲、壓縮和/或扭力所引起結(jié)果而在彈性極限內(nèi)發(fā)生變形。 優(yōu)選地，當量具安裝結(jié)構(gòu)和它們被固定到的控制器操縱裝置和操縱裝 置桿分別經(jīng)受相同量和/或類型的力時，構(gòu)成量具安裝結(jié)構(gòu)的材料比它 們被固定到的控制器操縱裝置和操縱裝置桿更柔順并且具有更大的柔 性。量具安裝結(jié)構(gòu)可具有任何合適的幾何結(jié)構(gòu)，其優(yōu)選地有助于將一 個或多個量具安裝結(jié)構(gòu)固定在對應(yīng)的控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿 內(nèi)。
量具安裝結(jié)構(gòu)可以是中空或?qū)嵭牡摹＠?，在量具安裝結(jié)構(gòu)是中 空的實施例中，應(yīng)變計傳感器被固定至量具安裝結(jié)構(gòu)上的外表面部分 的合適位置，且相關(guān)聯(lián)的線路在量具安裝結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的控制器操縱裝 置或操縱裝置桿之間的環(huán)形間隙內(nèi)延伸?？蛇x擇地，量具安裝結(jié)構(gòu)可 以是實心結(jié)構(gòu)，應(yīng)變計和線路都被固定至量具安裝結(jié)構(gòu)的外表面部分 和/或從那里延伸出來。
應(yīng)變傳遞材料可具有任何合適的類型、尺寸和結(jié)構(gòu)，以便于將施 加的力從控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿傳遞到設(shè)置在其中的一個或多個量具安裝結(jié)構(gòu)。應(yīng)變傳遞材料能夠由任何合適的材料形成，該材 料使得至少一部分施加的力被從控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿傳遞 到量具安裝結(jié)構(gòu)。應(yīng)變傳遞材料可設(shè)置在對應(yīng)的控制器操縱裝置和/或 操縱裝置桿內(nèi)任何一個或多個合適的位置，以提供在這些物品與量具 安裝結(jié)構(gòu)之間的選定表面位置處的連接?？蛇x地，量具安裝結(jié)構(gòu)可設(shè) 計成包括一個或多個具有合適尺寸和結(jié)構(gòu)的外周部分，所述外周部分 與對應(yīng)的控制器操縱裝置和/或操縱裝置桿的內(nèi)周表面部分摩擦地接 合，以助于量具安裝結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的操縱裝置之間的一個或多個應(yīng)變傳 遞接觸表面-
用于接口裝置15的控制器可具有任何形狀或尺寸，可由任何合適 的材料構(gòu)成，并且可以是市場上可買到的任何類型或其它的游戲控制
器(例如用于與PS2、 XBOX、 GAMECUBE等一起使用的控制器)。控 制器可包括設(shè)置在任何位置并以任何形式布置的任何數(shù)量的任何類型 的輸入裝置(例如按鈕、滑塊、操縱桿、跟蹤型球(track type ball)等)。 控制器可包括任何數(shù)量的任何類型的信號源裝置(例如可變電阻或電位 計、開關(guān)、接觸器(contact)、繼電器、傳感器、應(yīng)變計等)，以根據(jù) 輸入裝置的操縱來產(chǎn)生信號。信號源可對應(yīng)于用于輸入裝置的任何數(shù) 量的軸線。任何控制器輸入裝置可實現(xiàn)為力感覺或等長裝置(force sensing or isometric device)，同時控制器輸入裝置可被分配給任何合 適的游戲或仿真功能。控制器可包括任何數(shù)量或組合的力感覺輸入裝 置和運動輸入裝置?？刂破魇直删哂腥魏螖?shù)量、形狀或尺寸并且可 設(shè)置在任何位置，以接收由用戶施加的力?？蛇x地，用戶可直接向控 制器操縱裝置和/或操縱裝置桿施加力。控制器可根據(jù)特定的仿真(例如 武器、醫(yī)學或其它器械等)而可選地具有任何對象的形狀。
控制器操縱裝置、操縱裝置桿和/或其它輸入裝置可被分配給任何 期望的輸入裝置的游戲或仿真功能。切換裝置可由能夠切換信號的任 何數(shù)量的任何常規(guī)或其它裝置來實現(xiàn)(例如開關(guān)、復用器、橫桿開關(guān) (cross bar switch)、模擬開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、路由器、邏輯電路、門陣列、邏輯陣列、處理器等)。切換控制(switch controls)可包括控制處 理器，以根據(jù)控制來對切換裝置進行控制，從而實現(xiàn)期望的功能分配。 切換控制可由任何常規(guī)或其它控制或輸入裝置(例如處理器、滑塊、開 關(guān)、按鈕等)實現(xiàn)，以向切換裝置或控制處理器提供控制信號。切換裝 置或切換控制可選地提供用戶接口，以使得用戶能夠輸入信息以便以 期望的方式對控制器進行配置。接口可以是控制器顯示器上的屏幕的 形式、或是控制器光線(controller lights)的形式或其它指示器形式。 此外，接口可在游戲或仿真系統(tǒng)顯示器上示出，并且可由仿真系統(tǒng)的 仿真或游,戲處理器實現(xiàn)?？刂铺幚砥骺捎扇魏纬Ｒ?guī)或其它處理器或電 路(例如微處理器、控制器等)實現(xiàn)。切換裝置可根據(jù)用戶指定的或其它 控制將來自任何數(shù)量的輸入端的信號引導至任何數(shù)量的輸出端，并可 將任何輸入裝置和/或鍛煉機構(gòu)映射至任何合適的仿真或游戲功能。切 換裝置可設(shè)置在控制器或控制單元的內(nèi)部或外部。
仿真系統(tǒng)可由任何數(shù)量的任何個人或其它類型的計算機或處理系 統(tǒng)實現(xiàn)(例如IBM兼容機、Apple、 Macintosh、膝上型計算機、掌上電 腦(palm pilot)、微處理器、例如來自微軟公司的XBOX系統(tǒng)的游戲 控制臺、來自Sony公司的PLAY STATION 2系統(tǒng)、來自美國任天堂公 司的GAMECUBE系統(tǒng)等)。仿真系統(tǒng)可以是具有任何可商用操作系統(tǒng) (例如Windows、 OS/2、 Unix、 Linux等)和/或可商用軟件和/或定制軟 件(例如通信軟件、應(yīng)用軟件等)以及任何類型的輸入裝置(例如鍵盤、 鼠標、麥克風等)的專用處理器或通用計算機系統(tǒng)(例如個人計算機等)。 仿真或游戲系統(tǒng)可執(zhí)行來自可記錄介質(zhì)的(例如硬盤、存儲裝置、CD、 DVD或其它磁盤等)或來自網(wǎng)絡(luò)或其它連接(例如，來自因特網(wǎng)或其它 網(wǎng)絡(luò))的軟件。
控制器或控制單元可將表示傳感器所做的力的測量值和其它信息 安排成任何合適的數(shù)據(jù)分組形式，所述數(shù)據(jù)分組可被從控制器或控制 單元接收數(shù)據(jù)分組的游戲系統(tǒng)或主機計算機系統(tǒng)所識別。數(shù)據(jù)分組可 具有任何期望的長度，包括任何期望的信息并且布置成任何期望的形
49式。任何合適數(shù)量的任何合適類型的常規(guī)或其它顯示器可連接到控制 器、控制單元和仿真或游戲系統(tǒng)，以提供與特定會話相關(guān)的任何類型 的信息。顯示器可位于控制單元、控制器和仿真或游戲系統(tǒng)上任何合 適的位置或遠離控制單元、控制器和仿真或游戲系統(tǒng)的任何合適的位 置。
可通過任何類型的部件布置(例如伸縮式布置、重疊布置、延伸部 件等)以任何方式(例如任何尺寸、控制器和/或接合構(gòu)件的高度、控制 器和/或接合構(gòu)件的方向或距用戶的距離等)來調(diào)節(jié)每個接口裝置，以適 應(yīng)用戶的身體特征。
處理器(例如控制、鍛煉、信號、游戲或仿真、切換裝置等)可由任 何數(shù)量的任何類型的微處理器、處理系統(tǒng)或其它電路實現(xiàn)，而控制器 或控制單元內(nèi)的控制電路可設(shè)置在接口裝置上任何合適的位置、或可 選地在遠離接口裝置的任何合適的位置?？刂齐娐泛?或信號處理器可 經(jīng)由任何合適的周邊設(shè)備、通信介質(zhì)或那些系統(tǒng)的其它端口連接到一 個或多個游戲處理器或主機計算機系統(tǒng)。信號處理器還可將數(shù)字數(shù)據(jù) (例如傳感器所做的力或其它的測量值、控制器信息等)安排成可被從信 號處理器接收數(shù)據(jù)分組的游戲處理器或主機計算機系統(tǒng)所識別的任何 合適的數(shù)據(jù)分組形式。數(shù)據(jù)分組可具有任何期望的長度，包括任何期 望的信息并且被安排成任何期望的形式。另外，通過將來自選定輸入 裝置的數(shù)據(jù)放置在與用于這些裝置的期望功能相關(guān)聯(lián)的分組位置中， 信號處理器可安排用于游戲或仿真功能的選擇性分配的分組。
信號處理器可以以任何期望的采樣率(例如秒、毫秒、微秒等)對信 息進行采樣，或者可響應(yīng)于中斷(interrupt)而接收測量值或其它信息。 模擬值可轉(zhuǎn)換成具有任何期望的比特數(shù)或分辨率的數(shù)字值。處理器(例 如控制、信號、鍛煉等)可以以任何期望的形式處理原始數(shù)字值，以產(chǎn) 生用于傳遞到顯示器、游戲處理器或者或主機計算機系統(tǒng)的信息。該 信息通常取決于特定的應(yīng)用?？梢砸匀魏纹谕男问酱_定所測量的力或鍛煉運動與為該力或運動而提供的值之間的相關(guān)性。作為示例，放
大后的測量范圍可分成與數(shù)字值的分辨率相對應(yīng)的單元。對于8比特 無符號數(shù)字值(例如其中數(shù)值指示力的大小)，每個增量表示電壓范圍的 1/256。相對于5伏的范圍，每個增量為5/256伏，大約為0.02伏。因 此，對于3伏的放大后的力的測量值，數(shù)字值可對應(yīng)于大約150(例如 3.0/0.2)。
可利用任何合適數(shù)量的任何類型的常規(guī)或其它電路，以實現(xiàn)控制 電路、放大器、傳感器、微調(diào)電位計、切換裝置和處理器(例如鍛煉、 控制、信號等)。放大器可產(chǎn)生任何期望電壓范圍中的放大值，而A/D 轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生具有任何期望的分辨率或比特數(shù)的數(shù)字化值(例如有符號的 或者無符號的)?？刂齐娐房砂ㄒ匀魏涡问讲贾玫娜魏螖?shù)量的上述或 其它部件?？赏ㄟ^任何合適的常規(guī)或其它電路以任何方式確定傳感器 的電阻變化。放大器和處理器(例如鍛煉、信號等)可在電路內(nèi)相隔開或 集成為單一單元。任何合適數(shù)量的任何合適類型的常規(guī)或其它顯示器 可連接到處理器(例如鍛煉、信號、控制、仿真或游戲等)，處理器可提 供與特定會話(例如，包括力和功的來自等長鍛煉的結(jié)果、包括速度和 所經(jīng)過距離的來自運動鍛煉的結(jié)果、燃燒的卡路里、提升的重量等)相 關(guān)的任何類型的信息。
控制單元可具有任何數(shù)量、形狀或尺寸?？刂泼姘蹇砂ㄔO(shè)置在 任何合適的位置的任何數(shù)量的任何類型的輸入裝置(例如按鈕、小鍵盤 等)。顯示器可具有任何數(shù)量并設(shè)置在控制面板上任何合適的位置。顯 示器可由任何常規(guī)或其它顯示器(例如LCD、 LED、監(jiān)視器等)實現(xiàn)，并 且可顯示任何希望的信息，同時可利用輸入裝置以輸入和修改任何期 望的信息或參數(shù)(例如增益等)。控制單元可以以任何期望的方式(例如 有線的、無線的等)與接口裝置和仿真系統(tǒng)通信，并且以任何期望的格 式或協(xié)議傳遞任何合適的信息。
控制器和/或控制單元的控制電路和/或信號處理器可經(jīng)由任何合適的外圍設(shè)備、通信介質(zhì)或那些系統(tǒng)的其它端口而連接到視頻游戲或 主機計算機系統(tǒng)的一個或多個游戲或仿真處理器?？商峁┤魏魏线m數(shù) 量和類型的有線和/或無線裝置，以便于接口裝置與控制單元之間以及 接口裝置(或控制單元)與視頻游戲或仿真系統(tǒng)之間的通信。例如，能夠 提供任何合適數(shù)量的電纜并將其配置成彼此連接，且各電纜包括具有 一根或多根導線的一個或多個合適的導線組，以便于與兩個或多個視
頻游戲系統(tǒng)的連接。電纜系統(tǒng)和延伸電纜裝置的電纜接合點(cable junction)可以以任何方式(例如導線的直接連接、到終端的連接等)在 .鬼纜和導線組內(nèi)的導線之間傳送信號。電纜的導線可連接到任何數(shù)量 的導線組，電纜導線可利用一根或多根導線以傳送與任何數(shù)量的導線 組導線共有的游戲信號，從而減少電纜中所使用的導線的數(shù)量?？蛇x 地，電纜可包括用于每個導線組導線的專用導線。任何合適數(shù)量和類 型的殼體或其它結(jié)構(gòu)可與一根或多根電纜連接，以便于在電纜中的導 線延伸(wiring extending)和用于向分離電纜進行傳輸?shù)膶Ь€組之間傳 送信號?？商峁┤魏魏线m數(shù)量和類型的連接器(例如凸形和/或凹形連接 插頭)，以便于游戲控制器與一個或多個不同的視頻游戲系統(tǒng)之間的連 接和通信線路。電纜系統(tǒng)和延伸電纜裝置可包括任何合適長度的電纜。 喚醒信號可包括任何信號或期望的信息(例如電壓或電流水平、游戲系 統(tǒng)標識符等)，以識別游戲系統(tǒng)。
可提供發(fā)送和/或接收任何合適類型的信號(例如RF(射頻)和/或 IR(紅外線))的任何合適數(shù)量和類型的無線通信連接設(shè)備(例如發(fā)射器、 接收器和/或收發(fā)器)，以用于與控制器或控制單元和/或一個或多個視頻 游戲或仿真系統(tǒng)連接，以及與接口裝置和控制單元連接。 一個或多個 信號處理器可與一個或多個無線通信連接設(shè)備相連，以便于控制器或 控制單元與一個或多個視頻游戲或仿真系統(tǒng)之間通信。另外，可在與
一個或多個視頻游戲或仿真系統(tǒng)連接的通信裝置(例如收發(fā)器)、連接插 頭和/或其它連接結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置一個或多個信號處理器，其中信號處理器 被配置為識別與它們連接的視頻游戲或仿真系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸， 以用于被彼此連接的控制器和/或視頻游戲或仿真系統(tǒng)所識別。此外，可提供普通的并被配置為與任何選定類型的控制器和視頻 游戲或仿真系統(tǒng)相連接的通用適配器，其中通用適配器包括一個或多 個合適的信號處理器，以識別特定的視頻游戲或仿真系統(tǒng)，并有效地 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸，以用于被每個控制器和經(jīng)由該通用適配器而連接到控 制器的特定視頻游戲或仿真系統(tǒng)所識別。通用適配器可包括一根或多
根電纜以包覆(sheath) —組或多組導線和/或一個或多個無線通信裝置 (例如發(fā)射器、接收器和/或收發(fā)器等)，從而便于無線通信。
可為接口裝置提供任何合適數(shù)量的附加輸入裝置，以增強視頻游 戲或仿真場景。輸入裝置可設(shè)置在任何合適數(shù)量的控制面板上，在系 統(tǒng)操作期間用戶可訪問該控制面板，并且該控制面板具有任何合適的 構(gòu)造(例如按鈕、開關(guān)、小鍵盤等)。除了由控制器操縱裝置和操縱裝置 桿所提供的等長鍛煉特征或替代于該等長鍛煉特征，鍛煉機構(gòu)(例如腳 踏板、樓梯、滑雪型鍛煉器、踏車等)可提供任何等動力和/或等壓鍛煉 特征。鍛煉機構(gòu)可以被以上述方式分配到任何期望的游戲或仿真功能， 并且還可以是受鍛煉處理器所控制的阻力(resistance)，其中控制信 號可被傳送至阻力或制動裝置，或者可更改所需的用戶作用力的量。
用于控制器操縱裝置、操縱裝置桿和/或鍛煉機構(gòu)的阻力水平可通 過調(diào)節(jié)放大器或其它參數(shù)來控制?？蛇x地，可基于由用戶輸入的閥值 來控制阻力水平。例如，在將合適的數(shù)據(jù)值分配給待發(fā)送至游戲處理 器或主機計算機的數(shù)據(jù)分組之前，處理器(例如鍛煉和/或信號處理器) 可被配置為需要獲得的閥值阻力水平，該閥值阻力水平與用戶向一個 或多個操縱裝置施加的應(yīng)變力的量成比例，或者與施加到鍛煉機構(gòu)的 運動或力的量(例如爬樓梯或踏車的速度等)成比例。用于阻力改變的闊 值可經(jīng)由合適的輸入裝置(例如小鍵盤)由用戶輸入處理器。
要理解的是接口裝置和/或處理器(例如控制、鍛煉、游戲或仿真、 信號、切換裝置等)的軟件可以任何期望的計算機語言實現(xiàn)，并且可基于在此包含的功能描述由計算機和/或編程領(lǐng)域的普通技術(shù)人員開發(fā)。 此外，在此提及的執(zhí)行各種功能的軟件通常涉及在軟件控制下執(zhí)行這 些功能的計算機系統(tǒng)或處理器。處理器(例如控制、鍛煉、信號、切換 裝置等)可選地由硬件或其它處理電路實現(xiàn)，或者可在游戲處理器或主 系統(tǒng)上作為接收傳感器和/或輸入裝置信息或信號的軟件和/或硬件模 塊實現(xiàn)。處理器(例如控制、鍛煉、信號、游戲或仿真、切換裝置等) 的各種功能可以以任何方式分布在任何數(shù)量(例如一個或多個)的硬件 和/或軟件模塊或單元、處理器、計算機或處理系統(tǒng)或電路之中，其中 該處理器、計算機或處理系統(tǒng)或電路可被設(shè)置為彼此在一處或彼此遠
離，并經(jīng)由任何合適的通信介質(zhì)(例如LAN、 WAN、 Intranet、 Internet、 硬連線(hardwire)、調(diào)制解調(diào)器連接、無線等)通信?？梢砸阅軌?qū)崿F(xiàn) 在此所述功能的任何方式來修改上述軟件和/或算法。
在此的術(shù)語"向上"、"向下"、"頂"、"底"、"側(cè)面"、 "前"、"后"、"上"、"下"、"垂直"、"水平"、"高度"、 "寬度"、"長度"、"向前"、"向后"、"左"、"右"等僅用 于描述參考點，并且不會將本發(fā)明局限于任何特殊的方向或構(gòu)造。
本發(fā)明的接口裝置不局限于上述游戲或仿真應(yīng)用，而是可用作為 用于任何處理系統(tǒng)、軟件或應(yīng)用的外圍設(shè)備。可以單獨地、以任何組 合的形式(例如在接口裝置中可利用任何數(shù)量的操縱裝置桿和控制器操 縱裝置)、或者以與任何其它鍛煉或輸入裝置相組合的形式來利用控制 器操縱裝置和操縱裝置桿，并且這些操縱裝置和/或鍛煉裝置可被分配 給任何期望的仿真或游戲功能(例如通過使用切換裝置等)。此外，接口 裝置IO可包括控制器以使得能夠輸入任何期望的信息，從而通過接口 直接與仿真或游戲系統(tǒng)連接。此外，接口裝置IO和控制器組件可分別 安裝至用于仿真或游戲的任何合適的表面(例如平臺、地面、地板、墻 壁等)。另外，多個接口裝置IO、 15可被本地地或遠程地用于仿真或游 戲(例如經(jīng)由接口裝置，或通過本地網(wǎng)或廣域網(wǎng)而本地地或遠程地進行 通信的對應(yīng)仿真或游戲系統(tǒng))，以提供集體參與(group participation)。通過前述說明，要意識到的是本發(fā)明提供了用于可操作地對具有 等長鍛煉系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景進行控制的新穎的方法和設(shè)備，其中等 長鍛煉系統(tǒng)用作為用于仿真或視頻游戲的控制器，以將身體要素告知 給身體訓練仿真或視頻游戲玩耍。
盡管已描述了用于可操作地對具有等長鍛煉系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景 進行控制的新穎且改進的方法和設(shè)備的優(yōu)選實施例，但考慮到在此所 闡明的技術(shù)教導，也向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提出其它的修改、變化和改 變。因此，要理解的是認為所有這些修改、變化和改變都屬于由所附 權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種等長鍛煉系統(tǒng)，其用作為根據(jù)用戶身體活動來操縱主機處理系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景的外圍設(shè)備，該等長鍛煉系統(tǒng)包括基座；第一操縱裝置，該第一操縱裝置用于與用戶的下半身部分接觸并為該用戶的下半身部分提供等長阻力，其中所述第一操縱裝置被固定至所述基座并接收由所述用戶的下半身部分施加的力；至少一個傳感器，該至少一個傳感器耦合至所述系統(tǒng)的選定的位置，以便測量由所述用戶施加到所述系統(tǒng)的至少一個力，其中施加到所述第一操縱裝置的所述力產(chǎn)生由至少一個傳感器測量的可測量變形；以及控制單元，該控制單元便于操縱所述虛擬現(xiàn)實場景，其中所述控制單元耦合至所述至少一個傳感器并且包括處理器，該處理器接收并處理與所述至少一個傳感器所測量的施加力的信息相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將信息傳送至所述主機處理系統(tǒng)，以根據(jù)所述用戶對所述系統(tǒng)的操縱來對所述虛擬現(xiàn)實場景進行控制。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述第一操縱裝置包括 多個接觸構(gòu)件，所述多個接觸構(gòu)件接合所述用戶的下半身部分，其中所述接觸構(gòu)件彼此成角度地移位，并被設(shè)置為形成開放的中心部 分以容納所述第一操縱裝置。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元還包括 至少一個顯示器，用以顯示與用戶對所述第一操縱裝置的操縱相關(guān)的信息。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還基于所述測量的 施加力來確定與所述用戶所做的功的量和所述用戶所燃燒的卡路里的 量中至少一個相關(guān)的信息，并控制至少一個顯示器以顯示所述確定后的信息。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還選擇性地調(diào)節(jié)必 須由所述用戶施加到所述第一操縱裝置的所述至少一個力的量，以便 于用戶與所述虛擬現(xiàn)實場景進行交互。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元還包括 阻力輸入裝置，用以輸入必須由所述用戶施加到所述第一操縱裝置/l勺所述至少一個力的量。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述主機處理系統(tǒng)包括游戲系統(tǒng)。
8. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述主機處理系統(tǒng)包括仿真系統(tǒng)。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述仿真系統(tǒng)提供軍事訓練仿真。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括顯示器以顯示所述虛擬現(xiàn) 實場景，其中所述用戶操縱所述第一操縱裝置并操作武器，以便與所 述虛擬現(xiàn)實場景進行交互并進行所述軍事訓練。
11. 如權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中所述顯示器包括頭戴式顯示器。
12. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括第二操縱裝置，該第二操縱裝置用于與用戶的上半身部分接觸并 為該用戶的上半身部分提供等長阻力，其中所述第二操縱裝置被固定 至所述基座，并接收由所述用戶的上半身部分施加的力；其中施加到所述第二操縱裝置的所述力產(chǎn)生由至少一個傳感器測 量的可測量變形。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元安裝在所述第 二操縱裝置上并且包括至少一個輸入裝置，以操縱所述虛擬現(xiàn)實場景， 并且其中所述處理器將信息傳送至所述主機處理系統(tǒng)，以根據(jù)所述用 戶對所述至少一個輸入裝置的操縱來對所述虛擬現(xiàn)實場景進行控制。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元包括手柄，以 直接接收由所述用戶施加到所述第二操縱裝置的所述至少一個力。
15. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元還包括顯示器，以顯示與用戶對所述第一和第二操縱裝置中的至少一個 的操縱相關(guān)的信息。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還基于所述測量 到的施加力來確定與所述用戶所做的功的量、所述用戶所提升的重量 和所述用戶所燃燒的卡路里的量中至少一個相關(guān)的信息，并控制所述 顯示器以顯示所述確定后的信息。
17. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還選擇性地調(diào)節(jié) 必須由所述用戶施加到所述第一和第二操縱裝置中的至少一個的所述 至少一個力的量，以便于所述用戶與所述虛擬現(xiàn)實進行交互。
18. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元還包括-阻力輸入裝置，用以輸入必須由所述用戶施加到所述第一和第二操縱裝置中的至少一個的所述至少一個力的量。
19. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述主機處理系統(tǒng)包括仿真 系統(tǒng)，并且所述控制單元對用于所述仿真的對象的操作進行仿真。
20. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述仿真系統(tǒng)提供軍事訓練 仿真，并且所述控制單元對武器的操作進行仿真。
21. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述虛擬現(xiàn)實場景包括使得 能夠操縱該場景的多個功能，并且所述控制單元還包括分配模塊，以 選擇性地將所述第一操縱裝置、所述第二操縱裝置和至少一個輸入裝 置中的至少一個分配給所述操縱功能，以相應(yīng)地控制這些功能。
22. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述主機處理系統(tǒng)包括游戲 系統(tǒng)。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元包括游戲控制器。
24. —種利用鍛煉系統(tǒng)進行身體活動的方法，該鍛煉系統(tǒng)用作為 操縱主機處理系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景的外圍設(shè)備，所述鍛煉系統(tǒng)包括基 座、固定至所述基座的第一操縱裝置、耦合至所述鍛煉系統(tǒng)的選定位 置的至少一個傳感器、以及便于對所述虛擬現(xiàn)實場景的操縱并包括處 理器的控制單元，所述方法包括(a) 測量由用戶施加到所述鍛煉系統(tǒng)的至少一個力，其中所述第一 操縱裝置為用戶的下半身部分提供等長阻力并接收由所述用戶的下半 身部分施加的力，并且其中由所述用戶施加到所述第一操縱裝置的所 述力產(chǎn)生由至少一個傳感器測量的可測量變形；(b) 所述處理器處理與所述至少一個傳感器所測量的施加力的信息 相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；以及(c) 將信息從所述控制單元傳送至所述主機處理系統(tǒng)，以根據(jù)所述 用戶對所述鍛煉系統(tǒng)的操縱來對所述虛擬現(xiàn)實場景進行控制。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第一操縱裝置包括多個接觸構(gòu)件，所述多個接觸構(gòu)件彼此成角度地移位，并被設(shè)置以形成開 放的中心部分，并且步驟(a)還包括(a丄l)使用戶的下半身部分與所述接觸構(gòu)件接合。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述控制單元還包括至少一 個顯示器，并且步驟(b)還包括(b.l)顯示與用戶對所述第一操縱裝置的操縱相關(guān)的信息。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中步驟(b.l)還包括 (b.l.l)基于所述測量到的施加力來確定與所述用戶所做的功的量和所述用戶所燃燒的卡路里的量中至少一個相關(guān)的信息，并控制至少 一個顯示器以顯示所述確定后的信息。
28. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中步驟(a)還包括 (a.l)選擇性地調(diào)節(jié)必須由所述用戶施加到所述第一操縱裝置的至少一個力的量，以便于用戶與所述虛擬現(xiàn)實場景進行交互。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述控制單元還包括阻力輸 入裝置，并且步驟(a.l)還包括(a丄l)經(jīng)由所述阻力輸入裝置來接收必須由所述用戶施加到所述 第一操縱裝置的所述至少一個力的量。
30. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述主機處理系統(tǒng)包括游戲 系統(tǒng)。
31. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述主機處理系統(tǒng)包括仿真 系統(tǒng)。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述仿真系統(tǒng)提供軍事訓練 仿真。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述仿真系統(tǒng)還包括顯示器， 以顯示所述虛擬現(xiàn)實場景，并且步驟(a)還包括(a.l)接收由操作武器的所述用戶施加到所述第一操縱裝置的力， 以與所述顯示的虛擬現(xiàn)實場景進行交互，并進行所述軍事訓練。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述顯示器包括頭戴式顯示器o
35. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述鍛煉系統(tǒng)還包括固定至 所述基座的第二操縱裝置，并且步驟(a)還包括(a.l)測量由所述用戶施加到所述第一和第二操縱裝置中的至少一 個的至少一個力，其中所述第二操縱裝置為用戶的上半身部分提供等 長阻力，并接收由所述用戶的上半身部分施加的力，并且其中所述用 戶施加到所述第二操縱裝置的所述力產(chǎn)生可由至少一個傳感器測量的 可測量變形。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述控制單元安裝在所述第 二操縱裝置上并且還包括至少一個輸入裝置，以操縱所述虛擬現(xiàn)實場 景，并且步驟(c)還包括(c.l)將信息傳送至所述主機處理系統(tǒng)，以根據(jù)所述用戶對所述至 少一個輸入裝置的操縱來對所述虛擬現(xiàn)實場景進行控制。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述控制單元包括手柄，以 直接接收由所述用戶施加到所述第二操縱裝置的至少一個力，并且步 驟(a.l)還包括(a丄l)測量由所述用戶施加到所述手柄的至少一個力所引起的所 述第二操縱裝置的所述變形。
38. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述控制單元還包括顯示器，并且步驟(b)還包括(b.l)顯示與用戶對所述第一和第二操縱裝置中的至少一個的操縱 相關(guān)的信息。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中步驟(b.l)還包括 (b丄l)基于所述測量到的施加力來確定與所述用戶所做的功的量、所述用戶所提升的重量和所述用戶所燃燒的卡路里的量中至少一個相 關(guān)的信息，并控制所述顯示器以顯示所述確定后的信息。
40. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中步驟(a.l)還包括 (a丄l)選擇性地調(diào)節(jié)必須由所述用戶施加到所述第一和第二操縱裝置中的至少一個的所述至少一個力的量，以便于用戶與所述虛擬現(xiàn) 實場景進行交互。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其中所述控制單元還包括阻力輸 入裝置，并且步驟(a丄l)還包括(a丄l.l)經(jīng)由所述阻力輸入裝置來接收必須由所述用戶施加到所 述第一和第二操縱裝置中的至少一個的所述至少一個力的量。
42. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述主機處理系統(tǒng)包括仿真 系統(tǒng)，并且所述控制單元對用于所述仿真的對象的操作進行仿真。
43. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述仿真系統(tǒng)提供軍事訓練 仿真，并且所述控制單元對武器進行仿真。
44. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述虛擬現(xiàn)實場景包括使得 能夠操縱該場景的多個功能，并且步驟(b)還包括(b.l)選擇性地將所述第一操縱裝置、所述第二操縱裝置和至少一 個輸入裝置中的至少一個分配給所述操縱功能，以分別地控制這些功
45. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述主機處理系統(tǒng)包括游戲 系統(tǒng)。
46. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述控制單元包括游戲控制器。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明呈等長鍛煉系統(tǒng)形式的接口(10)包括具有至少一個傳感器(115)的操縱裝置(110)、平臺(30)和包括處理器(414)的控制電路。該平臺(30)容納處于站立姿勢的用戶，并包括連接至該平臺的操縱裝置(110)。傳感器(115)測量由用戶的下半身部分施加到該操縱裝置并在該操縱裝置上產(chǎn)生可測量的應(yīng)變的至少一個力。平臺(30)還可連接有具有至少一個傳感器的附加操縱裝置，以及游戲控制器或其它輸入裝置。該傳感器(115)測量由用戶的上半身部分施加到該附加操縱裝置并在該操縱裝置上產(chǎn)生可測量的應(yīng)變的至少一個力。處理器(414)接收并處理與所施加力的信息相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，以傳送至主機計算機系統(tǒng)從而更新虛擬現(xiàn)實場景。
文檔編號A63B22/00GK101553860SQ200680051812
公開日2009年10月7日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月28日
發(fā)明者彼得·蔡, 格雷格·梅里爾, 菲利普·費爾德曼 申請人:鮑爾格力德健身器材公司