編譯/VR陀螺

雖然VR并不是Xbox團隊的發(fā)展重點，但這并沒有阻止微軟的工程團隊為下一代手臂穿戴式控制手柄申請專利，專利中展示出的控制手柄遠比現(xiàn)在市場上的產(chǎn)品要更復(fù)雜。微軟早在2020年3月就提交了這項專利，并且已經(jīng)在2021年獲得了批準。微軟是否會首先在PC上推進VR游戲，然后再推廣至Xbox游戲主機，目前還不得而知。

微軟在這項專利的背景中指出在現(xiàn)實生活中，人類傾向于使用他們的手來與物體互動。例如伸手去抓這些物體，觸摸、抓取、操縱和釋放它們。然而，在增強現(xiàn)實（AR）和/或虛擬現(xiàn)實（VR）中，目前一般不可能與虛擬物體進行這種細粒度的交互。例如，AR/VR頭顯可以跟蹤用戶的手部位置，但不能向用戶的手提供觸覺反饋。

圖源：patentlyapple

手持式控制手柄已被開發(fā)用于AR和VR場景，以模仿現(xiàn)實世界的交互（例如，為用戶的手提供位置信息和/或提供觸覺反饋）。手持式控制手柄有各種形狀，可以執(zhí)行一系列的功能。雖然它們中的大多數(shù)都能跟蹤三維（3D）運動，但簡單的控制手柄僅被設(shè)計用于運動和按鍵輸入。

而更高級的控制手柄可以包括復(fù)雜的控制并向用戶提供輸出。雖然大多數(shù)商用設(shè)備只提供振動觸覺反饋，但研究人員已經(jīng)展示了各種各樣的手持式控制手柄，呈現(xiàn)出紋理、形狀、抓握和擠壓反饋、重量轉(zhuǎn)移和供雙手使用的觸覺行為。雖然這些控制手柄的功能各不相同，但有一個共通點就是用戶在進行AR/VR體驗時必須一直拿著它們。

因此，手持式控制手柄的一個問題是，用戶在使用過程中必須抓住手柄，從而阻礙了與物理世界中其他物體的自然交互。特別是在VR中，虛擬環(huán)境取代了人們雙眼所能見到的現(xiàn)實世界，因此必須經(jīng)常使用控制手柄進行所有的虛擬互動。但當(dāng)需要切換到現(xiàn)實世界時，就需要反復(fù)拿起和放下控制手柄，這既緩慢又麻煩。

另一種流行的控制手柄包括手套型控制手柄，但由于這些控制手柄需要佩戴在用戶的手上，因此不能輕易脫離手柄。手套式控制手柄通常提供靈巧的反饋，包括對用戶指尖的壓力和振動反饋。然而，手套式控制手柄仍然限制了運動，阻礙了用戶在使用真實世界的工具或快速切換到傳統(tǒng)輸入設(shè)備（如鍵盤）時的靈活性。而微軟這項發(fā)明的概念可以解決這些問題。

微軟的發(fā)明涵蓋了與可展開的控制手柄設(shè)備有關(guān)的概念，該設(shè)備可供用戶在各種場景中使用，包括AR和VR場景。

可展開的控制手柄可以讓用戶用他們的手觸摸虛擬對象。該設(shè)備可以被固定在用戶手旁邊的身體部位，如前臂。

當(dāng)需要接觸時，可展開的控制手柄可以從儲存或收起的方向延展至接觸的方向，并在接觸停止時收回。

將控制手柄固定在前臂上可以使其施加手持式控制手柄無法施加的力。此外，在不使用控制手柄時，用戶能夠以無障礙方式自由進行手部動作。

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微軟的專利圖12顯示了系統(tǒng)的基本概況，該系統(tǒng)可以包括一個或多個設(shè)備，如一個新的手臂控制手柄#110、一個頭顯#106、一個基站#102，這個基站可以是一個游戲主機、一個臺式電腦或其他設(shè)備，如筆記本，智能手機，平板電腦等等。

在專利圖1A中，我們能夠看到與VR游戲系統(tǒng)有關(guān)的系統(tǒng)#100。

在一些實施方案中，頭顯可以包括一個或多個傳感器（圖1A中未顯示），用于向基站和/或頭顯提供輸入。這些傳感器可以包括，如加速計、陀螺儀、照相機、麥克風(fēng)等。頭顯被設(shè)計用來檢測用戶周圍的物體、頭部的位置、頭部朝向的方向、用戶的眼睛是睜開還是閉上、用戶的眼睛在看哪個方向、用戶身體部位如手的位置等等。頭顯可以有能力向用戶呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，如音頻和/或視覺數(shù)據(jù)#104。

上圖1A的示例系統(tǒng)配置只是考慮到的系統(tǒng)配置之一。另一種系統(tǒng)配置可以包含一個與音頻設(shè)備合作的設(shè)備110。

更重要的是，該系統(tǒng)可以進一步包括一個可展開的控制手柄設(shè)備#110，它可以包括一個底座組件#112，一個可展開的組件#114，和一個接合組件#116，整體可以作為一個可展開的控制手柄#118發(fā)揮作用。

底座組件可以被固定在用戶的前臂#122或上臂#124上。在某些情況下，底座組件可以被固定在與嚙合組件#116嚙合的身體部位上方（例如，朝向軀干）的一個關(guān)節(jié)處。例如，在上面的圖示配置中，嚙合組件被配置為與用戶的手嚙合，底座組件可以被固定在手腕上方至前臂的部分。

微軟進一步指出，手臂控制裝置（裝置＃110）還可以包括各種位置傳感器，如六軸（例如，6-DOF）傳感器、慣性測量單元（IMU）等。位置傳感器可以提供與設(shè)備在三維空間中的位置（例如，x、y和z坐標(biāo)）、設(shè)備的方向、旋轉(zhuǎn)、加速度等有關(guān)的數(shù)據(jù)。位置傳感器138可以設(shè)置在多個組件上，也可以設(shè)置在單個組件上。

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微軟的專利圖10（A&B）顯示了被分成兩半的116號嚙合組件，從中可以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖10來看圖1A和1B，嚙合組件可以被配置為接收來自用戶手的觸覺輸入和/或向用戶的手傳遞觸覺輸出。

例如，嚙合組件可以包括各種輸入設(shè)備#126（在圖1A中顯示），以檢測用戶輸入。輸入設(shè)備的例子可以包括壓力傳感器，力傳感器，如應(yīng)變片，電容式觸摸傳感器電極和/或用戶可激活的開關(guān)（例如，扳機鍵）等等。在本實施方案中，嚙合組件內(nèi)有四個電容式觸摸傳感器電極，其功能是區(qū)分不同的抓握方式。這一數(shù)據(jù)可以被用來預(yù)測用戶的意圖。

在這種情況下，有一個區(qū)域的電容式觸摸傳感器電極面向首先接觸的手掌，然后在中指周圍檢測它何時被抓住，還有兩個貼片用于拇指，能夠作為一個粗略的位置輸入設(shè)備使用。

在另一種情況下，各種傳感器可以被安置在底座組件上。這些傳感器中的一些可以被配置為感知用戶的潛在生理方面數(shù)據(jù)。例如，這些傳感器可以感知從手指延伸到前臂的肌腱。來自傳感器的信息可以表明單個手指的位置、手指的運動、運動的方向、力量，如抓握力等。另外，傳感器140可以包括照相機，如紅外深度照相機，以提供關(guān)于手/手指（包括拇指）的定位數(shù)據(jù)。

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還可以考慮其他傳感實現(xiàn)方式。例如，設(shè)備#110可以感知更多的用戶輸入，并利用這種輸入來告知其觸覺行為。例如，一些實施方案可以整合嚙合組件周圍的手指跟蹤（例如，如通過自電容陣列或可穿戴相機），并可以在互動期間接近用戶的手掌和手指，為靈巧的輸入提供觸覺響應(yīng)。這也可以讓人感覺到杠桿上的扭矩，這將有助于該設(shè)備模擬重力及增強其對重物的渲染阻力。

微軟的專利圖2A和2B共同展示了一種控制裝置#110的嚙合組件的延展技術(shù)。在這種情況下，控制手柄#142可以在檢測到代表用戶命令的特定用戶手勢時引發(fā)延展動作。在這個例子中，用戶手勢表現(xiàn)為向上翻腕#202或向下翻腕的手勢#204。在這個例子中，控制手柄可以從底座組件和/或接合組件上的位置傳感器獲得數(shù)據(jù)?？刂剖直梢越忉屵@些數(shù)據(jù)以檢測手勢。

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微軟的上述專利圖4A和4B顯示了裝置#110的接合組件處于收起的狀態(tài)。在這種情況下，用戶能夠自由執(zhí)行手部動作。例如，圖4A顯示用戶用同一只手#108在鍵盤#402上打字。

同樣地，圖4B顯示用戶用這只手打開門把手#404。用戶用這只手體驗到靈活性以及正常的觸摸感覺。相比之下，如果是傳統(tǒng)的手持控制手柄，用戶就必須把控制手柄放下，或采取一些其他行動來釋放自己的手。同樣，如果用戶戴著傳統(tǒng)的手套式控制手柄，在試圖完成這些任務(wù)時，用戶將不得不應(yīng)對戴著手套時出現(xiàn)的觸感減弱或變化。

微軟的上述專利圖8A和8B共同展示了如何將類似的原則應(yīng)用于渲染觸覺反饋以響應(yīng)更大更重的虛擬物體。圖8A顯示了用戶舉起一個沉重的虛擬物體#802（例如一個虛擬盒子）的可視化圖#800。用戶的手由#804（1）和#804（2）表示。

微軟的專利圖8B顯示，用戶在雙手上佩戴設(shè)備#110(1)和#110(2)時可以在手上呈現(xiàn)出相應(yīng)的力，創(chuàng)造出對抗重力舉起物體的感覺。在這種情況下，在雙手上佩戴設(shè)備可以為雙臂互動創(chuàng)造觸覺反饋。

這項專利中列出的發(fā)明人之一是Mr. Sinclair，他目前在微軟研究中心工作。Sinclair從事生物工程、電子工程、材料工程、MEMS、機電一體化、觸覺、AR&VR方面的研究。他目前的項目是設(shè)計觸覺反饋豐富的VR控制設(shè)備。  

從這項專利可以看出，微軟的工程師似乎首先考慮的是PC，然后才是其他設(shè)備。雖然這是一項已經(jīng)獲得批準的專利，但很難說微軟將如何執(zhí)行其VR游戲的發(fā)展計劃。

來源：patentlyapple