本發(fā)明涉及位置追蹤設(shè)備，更具體地，涉及可穿戴在用戶四肢(limb)或者手指上來感測其位置和/方向的可穿戴位置追蹤傳感器裝置

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality，vr)系統(tǒng)在各種應(yīng)用越來越受到歡迎，如視頻游戲、建筑設(shè)計(jì)和虛擬訓(xùn)練。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，基于手機(jī)和非基于手機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，通常使用顯示器(例如，電腦顯示器或虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)和/或揚(yáng)聲器)，通過視覺或視聽效果使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中。為了能夠使用戶與虛擬環(huán)境交互，傳感器可以感測諸如用戶身體位置的信息，并提供此信息至虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以基于用戶的運(yùn)動(dòng)來更新虛擬環(huán)境。已在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中使用的傳感器的示例包括運(yùn)動(dòng)追蹤相機(jī)和手持運(yùn)動(dòng)追蹤遙控器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供可穿戴傳感器裝置以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以解決已在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中使用的傳感器存在的問題。

根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種可穿戴傳感器裝置，包括：環(huán)帶，該環(huán)帶的形狀和尺寸被設(shè)計(jì)為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個(gè)傳感器線圈，被配置為檢測磁場；處理器，被配置為基于來自該多個(gè)傳感器線圈的信號計(jì)算該可穿戴傳感器裝置的位置；以及通信模塊，被配置為發(fā)送該可穿戴傳感器裝置的位置。

根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括：基站，耦接到一個(gè)或多個(gè)線圈以產(chǎn)生磁場；以及可穿戴傳感器裝置?？纱┐鱾鞲衅餮b置包括：環(huán)帶，該環(huán)帶的形狀和尺寸被設(shè)計(jì)為可穿戴在用戶手指或四肢上；多個(gè)傳感器線圈，被配置為檢測由該基站產(chǎn)生的該磁場；處理器，被配置為基于來自該多個(gè)傳感器線圈的信號計(jì)算該可穿戴傳感器裝置的位置；以及通信模塊，被配置為發(fā)送該可穿戴傳感器裝置的位置至該基站。

本發(fā)明的可穿戴傳感器裝置以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能夠有效地追蹤單個(gè)四肢或手指的運(yùn)動(dòng)，從而在虛擬環(huán)境中提供更精細(xì)的檢測和控制。

在閱讀各個(gè)附圖中例示的優(yōu)選實(shí)施例的如下詳細(xì)描述之后，本發(fā)明的這些和其他目的對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說無疑將變得顯而易見。

附圖說明

圖1示出了vr系統(tǒng)的實(shí)施方式。

圖2示出了vr傳感器裝置的實(shí)施方式。

圖3示出了vr傳感器裝置的電氣框圖。

圖4示出了vr傳感器裝置的另一個(gè)實(shí)施方式，其中傳感器線圈設(shè)置為圍繞環(huán)帶。

圖5示出了圖4經(jīng)過修改的一個(gè)實(shí)施方式，其中環(huán)帶的頭部具有重復(fù)的傳感器線圈。

圖6示出了具有方向檢測功能的裝置的另一個(gè)實(shí)施方式。

圖7a示出了例示線圈位置的另一種實(shí)施方式的環(huán)帶的側(cè)視圖。

圖7b示出了對應(yīng)于圖7a的頂視圖。

圖8示出了圖4經(jīng)過修改的一個(gè)實(shí)施方式，其中增加了用戶存在傳感器。

圖9a至圖9c示出了電子模塊的示例性設(shè)置。

具體實(shí)施方式

傳統(tǒng)的用于虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality，vr)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)追蹤傳感器，諸如運(yùn)動(dòng)追蹤相機(jī)或手持運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備，不能有效地追蹤單個(gè)四肢或手指的運(yùn)動(dòng)?？纱┐髟谟脩舻乃闹蚴种干系膫鞲衅?，可以在虛擬環(huán)境中提供更精細(xì)的檢測和控制。例如，單個(gè)手指或四肢的運(yùn)動(dòng)可以被追蹤到，使得通過做手勢或移動(dòng)器官能夠與虛擬環(huán)境交互。例如，檢測手指運(yùn)動(dòng)的功能可以通過執(zhí)行手在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常執(zhí)行的動(dòng)作，比如按按鈕、開門、撿起物體等使得用戶能夠與環(huán)境進(jìn)行交互，而在游戲應(yīng)用中通常需要如此。另一個(gè)例子是培訓(xùn)應(yīng)用，可以培訓(xùn)醫(yī)師或技師執(zhí)行例如在手術(shù)過程中或者修理機(jī)器時(shí)可以執(zhí)行的精細(xì)動(dòng)作。

可穿戴的vr傳感器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何使它們小且不引人注目。本發(fā)明公開了可解決此問題的可穿戴vr傳感器裝置(也簡稱為vr傳感器裝置)。在一些實(shí)施方式中，vr傳感器裝置的尺寸和形狀可以設(shè)計(jì)得允許它作為戒指戴在用戶的手指上。在其他實(shí)施方式中，vr傳感器裝置的尺寸和形狀可以設(shè)計(jì)得允許它作為環(huán)帶(band)或手鐲戴在用戶的四肢上。vr傳感器裝置包括的組件可以測量和/或計(jì)算位置和/或方向并且把此信息傳送給vr系統(tǒng)中另一組件，用于生成虛擬環(huán)境。vr傳感器裝置可以包括向vr傳感器裝置供電的電池，從而避免可能會(huì)干擾用戶運(yùn)動(dòng)的電線。

在一些實(shí)施方式中，vr系統(tǒng)會(huì)發(fā)射磁場，vr傳感器裝置通過測量磁場檢測其三維在空間中的位置和/或其方向。vr傳感器裝置可以具有至少三個(gè)傳感器線圈來感測三維空間中磁場中的組件。vr傳感器裝置可以接著基于測量的場計(jì)算其位置和/或方向，并將此信息傳送給vr系統(tǒng)。在描述vr傳感器裝置的實(shí)施方式之前，將描述示例的vr系統(tǒng)。

圖1示出了vr系統(tǒng)100的實(shí)施方式。vr系統(tǒng)100可以包括基站(basestation)10、線圈中心(coilhub)4和vr傳感器裝置6?；?0可以包括通過任何合適的有線或無線通信協(xié)議與vr傳感器裝置6進(jìn)行通信的通信模塊1?；?0可以包括處理單元3，其中處理單元3可以包括用于生成虛擬環(huán)境的一個(gè)或多個(gè)處理器?；?0可以發(fā)送虛擬環(huán)境相關(guān)的信息至能夠生成人類可感知的(human-perceptible)輸出的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，例如顯示器(如，監(jiān)視器、電視或頭戴式耳機(jī))、揚(yáng)聲器、振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等，以便向用戶提供虛擬環(huán)境。由于這些設(shè)備可以采取許多不同的形式，因而它們在圖1中并未示例出來，以便更清楚的例示vr系統(tǒng)100的其他方面。

基站10可以與至少一個(gè)線圈5通信。至少一個(gè)線圈5由電信號驅(qū)動(dòng)，在三維空間中生成磁場7。在一些實(shí)施方式，至少一個(gè)線圈5包括在三維空間中生成磁場7的三個(gè)或更多個(gè)線圈。vr傳感器裝置6可以感測由至少一個(gè)線圈5生成的磁場7，以檢測其位置和/或方向。至少一個(gè)線圈5可以以多種方式生成合適的磁場7。舉例而言，三個(gè)線圈可以被定向?yàn)榉謩e在x方向、y方向和z方向上產(chǎn)生磁場。三個(gè)線圈可以是時(shí)分復(fù)用(time-multiplexed)的，如此一次只激勵(lì)三個(gè)線圈中的一個(gè)線圈。例如，x線圈可以被激勵(lì)一段時(shí)間，然后y線圈被激勵(lì)一段時(shí)間，接著z線圈再被激勵(lì)一段時(shí)間。vr傳感器裝置6可以與通信模塊1進(jìn)行通信，以同步磁場生成和檢測的時(shí)間，因此vr傳感器裝置6知曉在每個(gè)時(shí)間段哪個(gè)線圈正在被激勵(lì)。vr傳感器裝置可以包括被定向在三個(gè)不同方向的傳感器線圈以檢測磁場。分析在每個(gè)時(shí)間段每個(gè)傳感器線圈檢測的磁場強(qiáng)度使得能夠在三維空間中定位vr傳感器裝置6。作為另外一個(gè)示例，可以同時(shí)但以不同頻率激勵(lì)三個(gè)線圈5中的每個(gè)線圈。vr傳感器裝置6可以分析在每個(gè)頻率由相應(yīng)傳感器線圈接收的信號的強(qiáng)度，來確定vr傳感器裝置6的方向。

該至少一個(gè)線圈5可以位于與基站10通信的線圈中心4中。將至少一個(gè)線圈5定位在單獨(dú)的線圈中心中能夠?yàn)槎ㄎ辉撝辽僖粋€(gè)線圈5帶來靈活性。在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)線圈5可以定位在基站10內(nèi)。

如上所述，vr傳感器裝置6可以測量磁場7并處理測量信息來計(jì)算其在磁場內(nèi)7的位置和/或方向。感測的位置和/或方向數(shù)據(jù)可以通過vr傳感器裝置6發(fā)送到基站10的通信模塊1，因此vr系統(tǒng)100可以利用vr傳感器裝置6的位置和/或方向相關(guān)的信息，生成用戶的虛擬環(huán)境。

圖2示出了vr傳感器裝置6的實(shí)施方式，該vr傳感器裝置6的尺寸和形狀被設(shè)計(jì)為可戴在用戶手指上的戒指或可戴在用戶手腕或四肢上的手鐲、環(huán)帶(band)或手表。vr傳感器裝置6包括環(huán)帶11和人造寶石12。在這個(gè)實(shí)施方式，人造寶石12容納(house)vr傳感器裝置6的電子組件。人造寶石12容納電池13、電子模塊14、磁屏蔽(magneticshield)15、充電線圈16和三個(gè)傳感器線圈17，以感應(yīng)vr系統(tǒng)100的至少一個(gè)線圈5產(chǎn)生的磁場。這里描述的技術(shù)并不局限于人造寶石內(nèi)的組件，一個(gè)或多個(gè)組件也可以位于人造寶石外部或者省略。各個(gè)組件在人造寶石內(nèi)的位置也僅僅是示例性的，并非是限制性的。

根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式，傳感器線圈17被設(shè)置為三角錐體結(jié)構(gòu)，定位為彼此間120°角(從上面看)。在其他實(shí)施方式中，線圈可以相互正交的方式布置，或者是能夠進(jìn)行三維空間傳感器測量的任何方式。傳感器線圈17電連接到電子模塊14，電子模塊14可以包括適當(dāng)電路，以放大和/或數(shù)字化來自傳感器線圈17的信號并且處理測量結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施方式的環(huán)帶11的尺寸例如可以設(shè)計(jì)為戴在用戶手指上的戒指或戴在用戶手臂、手腕或四肢上的手鐲、環(huán)帶或手表。環(huán)帶11可以由任何合適的材料形成，例如金屬或塑料。人造寶石12可以由不導(dǎo)電的、非鐵材料(nonferrousmaterial)形成，例如塑料。人造寶石12可以采用任何外觀，在一些實(shí)施方式中其可以看起來像寶石。

充電線圈16可以配置為利用任何適當(dāng)?shù)臒o線功率傳輸技術(shù)(例如包括磁感應(yīng)和磁共振)來無線地接收功率。向充電線圈16無線地傳送功率可以使得能夠?qū)﹄姵?3充電。電池13可以是任何合適的電池類型，例如可以是鋰離子電池。

磁屏蔽15可以包括鐵質(zhì)材料(ferrousmaterial)，例如鐵氧體等。磁屏蔽15可以為傳送到充電線圈16的磁場提供磁通量返回路徑(returnfluxpath)，并且可以保護(hù)電池13免遭受磁場。充電線圈16和傳感器線圈17可以導(dǎo)電，可以是任何合適的導(dǎo)體，例如導(dǎo)線或跡線(trace)，并且可以有任何合適的匝數(shù)。

圖3示出了vr傳感器裝置6的電氣框圖。電子模塊14可以包括處理器21、通信模塊24、電池管理電路23和測量電路22。電子模塊14可以電連接到電池13、充電線圈16、用戶存在傳感器25(如下文所描的述)、傳感器線圈17和天線18。電子模塊可以形成在印刷電路板上或其他基底上，或者可以形成在芯片上，這僅僅是示例性的，本發(fā)明并不僅限于此。測量電路22用于測量來自傳感器線圈17的信號并將這些信號數(shù)字化。測量電路22可以將測量值提供給處理器21進(jìn)行分析，以基于磁場7計(jì)算vr傳感器裝置6的位置和/或方向。處理器21提供計(jì)算的位置和/或方向信息至通信模塊24，通信模塊24通過天線18經(jīng)由有線或無線通信將位置和/或方向信息傳送到基站10的通信模塊1。合適的無線通信技術(shù)舉例而言可以包括藍(lán)牙、zigbee和wifi。然而，本發(fā)明并不僅限于這些技術(shù)。在本發(fā)明中，“傳送位置”等是指發(fā)送位置相關(guān)信息的任何信號，該信號可以是任何類型的信號，例如模擬或數(shù)字信號。電池管理電路23對電池13進(jìn)行充電和維護(hù)。電池管理電路23可以包括整流器，對充電線圈16接收的充電信號進(jìn)行整流。電池管理電路23還可以包括電壓調(diào)節(jié)器或直流/直流轉(zhuǎn)換器，以調(diào)節(jié)整流電壓對電池13進(jìn)行充電。

圖4示出了vr傳感器裝置6的另一個(gè)實(shí)施方式，其中傳感器線圈17設(shè)置為圍繞環(huán)帶11。例如，為了三維正交，線圈17a位于頁面的平面內(nèi)，線圈17b被設(shè)置為指向頁面外，線圈17c位于頁面的平面內(nèi)但垂直于線圈17a。在此實(shí)施方式中不需要人造寶石，因?yàn)殡姵?3可以位于在環(huán)帶11的頭部或在環(huán)帶的其他部分。電子模塊14和/或其他電子組件可以位于環(huán)帶的頭部或環(huán)帶的其他部分中的一個(gè)或多個(gè)印刷電路板內(nèi)。

在一些vr應(yīng)用中，期望確定vr傳感器裝置6的方向，或者可選地或附加地期望確定vr傳感器裝置6的位置。為了確定其方向和/或位置，vr傳感器裝置6可以被配置為使得其方向可以通過電子模塊14來進(jìn)行區(qū)分。

圖5示出了圖4經(jīng)過修改的一個(gè)實(shí)施方式，環(huán)帶11的頭部可以有重復(fù)的傳感器線圈17d。從相同位置(co-placed)的線圈接收的信號基本上是相同的，這使得電子模塊14能夠識(shí)別vr傳感器裝置6的頂部空間。選擇環(huán)帶11的頭部具有重復(fù)的線圈并非是對本發(fā)明的限制。其他實(shí)施方式中可以在圍繞環(huán)帶11的任何其他位置具有重復(fù)的線圈。

圖6示出了具有方向檢測功能的裝置的另一個(gè)實(shí)施方式。在這個(gè)實(shí)施方式中，環(huán)帶上的已知位置可以缺失傳感器線圈。電子模塊14通過分析來自傳感器線圈17的數(shù)據(jù)能夠識(shí)別出一些傳感器線圈17之間的空隙比其他的空隙大，因此能定指出空隙45為環(huán)11上的頭部或其他位置。選擇頭部具有線圈空隙45并非是對本發(fā)明的限制。其他實(shí)施方式中可以在圍繞環(huán)帶11的任何其他位置中具有線圈空隙45。

圖7a示出了例示線圈位置的另一種實(shí)施方式的環(huán)帶11的側(cè)視圖。線圈可以以交替對角方式(alternatingdiagonalfashion)放置，從而大致垂直于(例如，在85°至95°之間)相鄰線圈。為了示例，僅示出了三個(gè)線圈和它們的相對間距和方向，但這并不是本發(fā)明的限制，可以以這種方式或者類似方式布置更多線圈。圖7b示出了對應(yīng)于圖7a的頂視圖。這種對角放置有助于在相同的體積下增加線圈長度直徑比(length-to-diameterratio)。未示出環(huán)帶中的其他組件以簡化說明。

圖8示出了圖4經(jīng)過修改的一個(gè)實(shí)施方式，其中增加了用戶存在傳感器25。用戶存在傳感器25可以采取電容式感測墊(capacitivesensingpads)的形式，電容式感測墊可以電耦接至電子模塊14的電容式感測電子器件。當(dāng)穿戴上vr傳感器裝置6(例如，穿戴在用戶的手指或手腕上)，感測墊通過非接觸式感測(如電容式感測)系統(tǒng)檢測用戶的存在，并激活vr傳感器裝置6。在一些實(shí)施方式中，處理器21在檢測到不存在用戶一段時(shí)間后可以將vr傳感器裝置6置于低功耗待機(jī)模式后。利用用戶存在傳感器25使能vr傳感器裝置6可以降低功耗并提高電池壽命。在此實(shí)施方式中具有兩個(gè)感測墊并不是對本發(fā)明的限制，可以實(shí)現(xiàn)更多或更少的感測墊。類似的，在圖4的實(shí)施方式中添加用戶存在傳感器25也并不是對本發(fā)明的限制，用戶存在傳感器25也可以實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的任何其他實(shí)施方式中。

圖9a至圖9c示出了電子模塊14的示例性設(shè)置。如圖9a所示的前視圖，電子模塊14的一側(cè)可以包括充電線圈16和天線18。圖9b的側(cè)視圖例示了磁屏蔽可以位于充電線圈16和電子模塊14之間。在這個(gè)實(shí)施方式中，如圖9c所示的后視圖，處理器21和/或其他電路組件可以位于電子模塊14的相對側(cè)，使得空間布置更緊湊。電子模塊14和相關(guān)組件的特定布局并不是對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明所述裝置和技術(shù)的各個(gè)方面可以單獨(dú)使用、組合使用或者以上述實(shí)施方式中未特別討論的各種方式使用，因此在本發(fā)明中并不僅限于前面所描述的或者附圖所例示的組件的細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。例如，在一個(gè)實(shí)施方式描述的方面可以與其他實(shí)施方式中描述的方面以任何方式組合。

權(quán)利要求中使用的序詞比如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味著任何優(yōu)先級、優(yōu)先或一個(gè)元件相對于另一個(gè)元件的順序或者執(zhí)行方法中步驟的時(shí)間順序，而是僅僅作為標(biāo)記用來區(qū)分具有某名稱的一個(gè)元件與具有相同名稱的另一元件從而區(qū)分這些元件。

并且，這里使用的措辭和術(shù)語只是用于描述并不應(yīng)當(dāng)視為限制?！鞍ā?、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”等旨在包括所列舉的項(xiàng)目及其等同物以及附加項(xiàng)目。本發(fā)明中所使用的“連接”或“耦接”意指電路元件或信號彼此直接連接或者通過中間元件連接。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易注意到，在保持本發(fā)明的教導(dǎo)的同時(shí)，可以對裝置和方法做出大量修改和變化。因此，上述公開內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被理解為本發(fā)明的舉例，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求為準(zhǔn)。