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控制器

（映維網(wǎng)Nweon 2022年08月04日）在現(xiàn)實(shí)生活中，我們?nèi)祟悆A向于用手與物體互動，包括接觸、觸摸、抓取、操縱和釋放這。大多數(shù)虛擬環(huán)境允許用戶觸摸和抓取不同形狀的對象。然而，無論用戶拿起一把劍、一個大水罐或一個球，用戶都在物理持有固定形狀和固定大小的控制器。

針對這個問題，微軟在名為“Multilayer controller”的專利申請中提出了一種特殊的控制器裝置。具體來說，這種控制器可以包括多個獨(dú)立可控層的堆棧，而所述層可以模擬不同大小和/或形狀的對象。層的大小可以與抓取手的單個手指對齊，并通過增大或減小每個層的大小來模擬各種虛擬對象的輪廓。

如圖所示，專利描述的控制器設(shè)備110可以包括殼體112。上部和下部殼體部分114（1）和114（2）可見。殼體112通常可以沿著軸AA或在軸AA之間伸長和延伸?？瑟?dú)立控制的膨脹組件116可相對于殼體112定位。在這種情況下，膨脹組件可以插入殼體部分114之間，例如通過沿軸AA定位或以替代方向定位。

在所述示例中，設(shè)備共有四個膨脹組件116。用戶可以握住控制器設(shè)備110，使手指與各個膨脹組件116對齊。例如，用戶的食指可以與膨脹組件116（1）對齊，用戶的中指可以與膨脹組件116（2）對齊，用戶的無名指可以與膨脹組件116（3）對齊，用戶的小指可以與膨脹組件116（4）對齊。根據(jù)用戶偏好，拇指可以環(huán)繞控制器設(shè)備并部分重疊其中一個手指，例如食指。

在這種情況下，即使當(dāng)用戶沒有抓住控制器設(shè)備時，可調(diào)束帶120形式的護(hù)圈118都可以將其固定在用戶的手上?？刂破髟O(shè)備110可由用戶通過擰緊其手周圍的可調(diào)節(jié)帶120來實(shí)現(xiàn)佩戴。殼體112可以按照人體工程學(xué)進(jìn)行彎曲，以與用戶的指關(guān)節(jié)大致對齊。通過以這種方式將設(shè)備固定在手上，用戶可以自由地抓取和釋放渲染的形狀。

單個膨脹組件116的周長可調(diào)，可在一系列尺寸范圍內(nèi)膨脹和收縮。單個膨脹組件的周長可以共同近似于虛擬對象的大小和/或形狀（例如周長）。

在一個實(shí)施例中，輸入設(shè)備122位于殼體112之上。例如，在外殼部分114（1）使用軌跡板124和兩個輸入按鈕126，并且六自由度傳感器定位在外殼部分114（2）中（但被遮擋）。

圖2A和2B共同示出了控制器設(shè)備110（1），并示出了關(guān)于膨脹組件116的細(xì)節(jié)。單個膨脹組件可以包括多個凸耳或楔塊202。所述實(shí)現(xiàn)為每個膨脹組件116使用五個凸耳202。單個凸耳202可以朝向和遠(yuǎn)離膨脹組件的中心移動，以影響膨脹組件的周長204。

在一個實(shí)施例中，單個膨脹組件116的凸耳202同步，例如同時以相同的量移入或移出。在其他實(shí)現(xiàn)中，可以單獨(dú)控制各個凸耳，以生成更多不同的形狀，包括規(guī)則形狀和/或不規(guī)則形狀。

圖3A和3B共同示出了另一控制器設(shè)備110A。并顯示有關(guān)膨脹組件116的詳細(xì)信息。所述實(shí)現(xiàn)為每個膨脹組件116使用四個凸耳202。單個凸耳202可以朝向和遠(yuǎn)離膨脹組件的中心移動，以影響膨脹組件的周長204。在這種情況下，中心可以與AA線同時發(fā)生。因此，線AA可以定義凸耳202的焦點(diǎn)。

圖4A-4D共同展示了涉及控制器設(shè)備110A的用例場景。實(shí)例一顯示了控制器設(shè)備處于中性位置，每個膨脹組件116設(shè)置在中間周長，如圖4B所示。此時，在控制器設(shè)備110A處接收與虛擬對象402相關(guān)的信息。在這種情況下，虛擬對象402是瓶子。

具體地，在控制器設(shè)備處接收與虛擬對象402的抓取卷404相關(guān)的信息。抓取卷404可以與當(dāng)用戶到達(dá)虛擬對象402時預(yù)測用戶的手與虛擬對象接合的位置相關(guān)。抓取卷404可以包括所述位置處的各種尺寸，并由虛擬對象402的半徑反映，其中用戶的食指、中指、無名指和小指將接合在抓取卷404中。

實(shí)例二顯示了進(jìn)行調(diào)整以反映單個膨脹組件116的凸耳202的位置。在這個示例中，膨脹組件116（1）和116（2）的凸耳202（1）和202（2）向內(nèi)拉動，以減小周長204，如圖4C所示。相反，膨脹組件116（3）和116（4）的凸耳202（3）和202（4）被向外推，以增加周長204，如圖4D所示。

因此，食指和中指接合的膨脹組件116（1）和116（2）的周長相對較小，并模擬瓶子的頸部。相反，由無名指和小指接合的膨脹組件116（3）和116（4）的周長相對較大，并模擬瓶體。

因此，控制器設(shè)備110可以用作形狀改變控制器，其可以渲染徑向?qū)ΨQ表面和/或非對稱表面，從而實(shí)現(xiàn)VR中的全手抓取。

圖5A和5B共同展示了示例膨脹組件116（1）的細(xì)節(jié)。在所述實(shí)現(xiàn)中，膨脹組件116（1）可以包括或耦合到驅(qū)動機(jī)制（例如致動器）502。在這種情況下，驅(qū)動機(jī)制502表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動軸506的電動機(jī)504。在其他實(shí)現(xiàn)中，驅(qū)動機(jī)制502可以表現(xiàn)為液壓執(zhí)行器。

在圖示配置中，軸506可以作為傳動機(jī)制508的一部分。傳動機(jī)制508可以將驅(qū)動機(jī)制502耦合到凸耳202。在這種情況下，傳動機(jī)制508可以包括小齒輪510、傘齒輪512、螺旋或徑向凸輪514、凸輪從動件516和凸耳臂518。

膨脹組件116（1）同時可以包括底座520和電機(jī)安裝件522。底座520可以包括輪轂524和導(dǎo)槽526。在這種情況下，輪轂524可以用作圍繞其布置凸耳202的焦點(diǎn)。從另一個角度來看，凸耳202可以圍繞輪轂524徑向布置。

電機(jī)504可以固定在電機(jī)支架522上，例如使用緊固件。反過來，電機(jī)安裝件522可以固定在底座520上。小齒輪510可以定位在電機(jī)軸506上。小齒輪510可以與傘齒輪512嚙合。傘齒輪512和螺旋凸輪514可以固定在一起并定位在輪轂524上。

螺旋凸輪514可以為每個凸耳202（4）定義一對相對的凸輪表面528和530。凸輪從動件516可以位于凸輪表面528和530之間。凸輪表面同時可以固定在凸耳臂518上。凸耳臂518可以位于導(dǎo)槽526中。

當(dāng)電機(jī)504逆時針轉(zhuǎn)動螺旋凸輪514時，凸輪表面528迫使（例如推動）凸輪從動件516遠(yuǎn)離輪轂524。在這種情況下，凸輪從動件516表現(xiàn)為滾珠軸承，位于凸輪表面528和530之間，并保持在凸耳臂518之中。

因此，凸輪從動件的向外移動導(dǎo)致凸舌臂518和凸舌202（4）從輪轂524向外移動。這增加了輪轂524和凸耳202（4）之間的距離，從而增加了膨脹組件116（4）的周長。當(dāng)電機(jī)504順時針轉(zhuǎn)動螺旋凸輪514時，凸輪表面530將凸輪從動件516推向輪轂524。這減小了膨脹組件116（4）的周長。

在一個實(shí)施例中，可以在每個凸耳202使用縮進(jìn)，以確保夾持力集中施加到每個凸耳臂518。另外，每個凸耳202的外邊緣可以沿圓周凹陷，以便于手指定位，并防止形狀變化期間手指受到擠壓。

在一個實(shí)施例中，與單個凸耳202相關(guān)的凸輪表面528和530可以具有基本相同的輪廓。這樣的配置可以導(dǎo)致相同的膨脹和收縮率的周長。其他配置可以具有與單個凸耳相關(guān)的不同凸輪表面輪廓。例如，凸輪表面528可以具有選擇的輪廓，以最初使凸舌向外移動的速度更快，然后隨著凸舌接近其最外側(cè)的位置，速度減慢。

相反，可以選擇凸輪表面530，使其具有向輪轂向內(nèi)拉動凸舌的均勻速率?？蛇x地或另外，與不同凸耳202相關(guān)的凸輪表面528和/或530可以具有不同的輪廓。例如，與凸耳202（4）E相關(guān)的凸輪表面528和/或530可以具有與凸耳202（4）D相關(guān)的凸輪表面528和/或530不同的輪廓。

從一個角度來看，控制器設(shè)備110可以包括用于低成本周長變化機(jī)制的獨(dú)特機(jī)電設(shè)計(jì)，以用于形狀輸出和觸摸/壓力傳感。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制器設(shè)備110（1）可以提供多個堆疊的膨脹組件116，其可以圍繞圓柱形渲染區(qū)域360度擠出。盡管渲染曲面可以是徑向?qū)ΨQ，但減少的自由度大大減少了在給定渲染體積下使用的電機(jī)數(shù)量。

另外，控制器設(shè)備110可以快速渲染一組不同的可區(qū)分形狀，并且可以通過與渲染形狀的物理交互來支持用戶輸入。在一個實(shí)現(xiàn)中，從最小周長到最大周長的約0.1秒的渲染時間可以容易實(shí)現(xiàn)，并且允許膨脹組件116在用戶釋放虛擬對象并伸手抓取另一虛擬對象時快速改變大小。除了快速渲染時間外，控制器設(shè)備同時可以承受人的抓取力，同時保持表面背面的可操縱性，從而最大限度地提高交互性。

上述部件可以使用各種材料制造，例如聚合物和/或金屬，并利用各種技術(shù)，例如機(jī)加工、成型、添加劑制造等。滾珠軸承和緊固件可以從商業(yè)來源獲得。

圖11示出了用戶握持虛擬杯子時的控制器狀態(tài)。響應(yīng)于用戶握持虛擬對象，系統(tǒng)可以根據(jù)虛擬杯子的形狀來依次令特定的膨脹組件膨脹，例如由下至上地逐漸增加膨脹系數(shù)，從而模擬出杯子的虛擬形狀。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Multilayer controller

名為“Multilayer controller”的微軟專利申請最初在2021年1月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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