微软专利分享：包括多个独立可控层堆栈的多用途AR/VR控制器
控制器
（映维网Nweon 2022年08月04日）在现实生活中，我们人类倾向于用手与物体互动，包括接触、触摸、抓取、操纵和释放这。大多数虚拟环境允许用户触摸和抓取不同形状的对象。然而，无论用户拿起一把剑、一个大水罐或一个球，用户都在物理持有固定形状和固定大小的控制器。
针对这个问题，微软在名为“Multilayer controller”的专利申请中提出了一种特殊的控制器装置。具体来说，这种控制器可以包括多个独立可控层的堆栈，而所述层可以模拟不同大小和/或形状的对象。层的大小可以与抓取手的单个手指对齐，并通过增大或减小每个层的大小来模拟各种虚拟对象的轮廓。
如图所示，专利描述的控制器设备110可以包括壳体112。上部和下部壳体部分114（1）和114（2）可见。壳体112通常可以沿着轴AA或在轴AA之间伸长和延伸。可独立控制的膨胀组件116可相对于壳体112定位。在这种情况下，膨胀组件可以插入壳体部分114之间，例如通过沿轴AA定位或以替代方向定位。
在所述示例中，设备共有四个膨胀组件116。用户可以握住控制器设备110，使手指与各个膨胀组件116对齐。例如，用户的食指可以与膨胀组件116（1）对齐，用户的中指可以与膨胀组件116（2）对齐，用户的无名指可以与膨胀组件116（3）对齐，用户的小指可以与膨胀组件116（4）对齐。根据用户偏好，拇指可以环绕控制器设备并部分重叠其中一个手指，例如食指。
在这种情况下，即使当用户没有抓住控制器设备时，可调束带120形式的护圈118都可以将其固定在用户的手上。控制器设备110可由用户通过拧紧其手周围的可调节带120来实现佩戴。壳体112可以按照人体工程学进行弯曲，以与用户的指关节大致对齐。通过以这种方式将设备固定在手上，用户可以自由地抓取和释放渲染的形状。
单个膨胀组件116的周长可调，可在一系列尺寸范围内膨胀和收缩。单个膨胀组件的周长可以共同近似于虚拟对象的大小和/或形状（例如周长）。
在一个实施例中，输入设备122位于壳体112之上。例如，在外壳部分114（1）使用轨迹板124和两个输入按钮126，并且六自由度传感器定位在外壳部分114（2）中（但被遮挡）。
图2A和2B共同示出了控制器设备110（1），并示出了关于膨胀组件116的细节。单个膨胀组件可以包括多个凸耳或楔块202。所述实现为每个膨胀组件116使用五个凸耳202。单个凸耳202可以朝向和远离膨胀组件的中心移动，以影响膨胀组件的周长204。
在一个实施例中，单个膨胀组件116的凸耳202同步，例如同时以相同的量移入或移出。在其他实现中，可以单独控制各个凸耳，以生成更多不同的形状，包括规则形状和/或不规则形状。
图3A和3B共同示出了另一控制器设备110A。并显示有关膨胀组件116的详细信息。所述实现为每个膨胀组件116使用四个凸耳202。单个凸耳202可以朝向和远离膨胀组件的中心移动，以影响膨胀组件的周长204。在这种情况下，中心可以与AA线同时发生。因此，线AA可以定义凸耳202的焦点。
图4A-4D共同展示了涉及控制器设备110A的用例场景。实例一显示了控制器设备处于中性位置，每个膨胀组件116设置在中间周长，如图4B所示。此时，在控制器设备110A处接收与虚拟对象402相关的信息。在这种情况下，虚拟对象402是瓶子。
具体地，在控制器设备处接收与虚拟对象402的抓取卷404相关的信息。抓取卷404可以与当用户到达虚拟对象402时预测用户的手与虚拟对象接合的位置相关。抓取卷404可以包括所述位置处的各种尺寸，并由虚拟对象402的半径反映，其中用户的食指、中指、无名指和小指将接合在抓取卷404中。
实例二显示了进行调整以反映单个膨胀组件116的凸耳202的位置。在这个示例中，膨胀组件116（1）和116（2）的凸耳202（1）和202（2）向内拉动，以减小周长204，如图4C所示。相反，膨胀组件116（3）和116（4）的凸耳202（3）和202（4）被向外推，以增加周长204，如图4D所示。
因此，食指和中指接合的膨胀组件116（1）和116（2）的周长相对较小，并模拟瓶子的颈部。相反，由无名指和小指接合的膨胀组件116（3）和116（4）的周长相对较大，并模拟瓶体。
因此，控制器设备110可以用作形状改变控制器，其可以渲染径向对称表面和/或非对称表面，从而实现VR中的全手抓取。
图5A和5B共同展示了示例膨胀组件116（1）的细节。在所述实现中，膨胀组件116（1）可以包括或耦合到驱动机制（例如致动器）502。在这种情况下，驱动机制502表现为转动轴506的电动机504。在其他实现中，驱动机制502可以表现为液压执行器。
在图示配置中，轴506可以作为传动机制508的一部分。传动机制508可以将驱动机制502耦合到凸耳202。在这种情况下，传动机制508可以包括小齿轮510、伞齿轮512、螺旋或径向凸轮514、凸轮从动件516和凸耳臂518。
膨胀组件116（1）同时可以包括底座520和电机安装件522。底座520可以包括轮毂524和导槽526。在这种情况下，轮毂524可以用作围绕其布置凸耳202的焦点。从另一个角度来看，凸耳202可以围绕轮毂524径向布置。
电机504可以固定在电机支架522上，例如使用紧固件。反过来，电机安装件522可以固定在底座520上。小齿轮510可以定位在电机轴506上。小齿轮510可以与伞齿轮512啮合。伞齿轮512和螺旋凸轮514可以固定在一起并定位在轮毂524上。
螺旋凸轮514可以为每个凸耳202（4）定义一对相对的凸轮表面528和530。凸轮从动件516可以位于凸轮表面528和530之间。凸轮表面同时可以固定在凸耳臂518上。凸耳臂518可以位于导槽526中。
当电机504逆时针转动螺旋凸轮514时，凸轮表面528迫使（例如推动）凸轮从动件516远离轮毂524。在这种情况下，凸轮从动件516表现为滚珠轴承，位于凸轮表面528和530之间，并保持在凸耳臂518之中。
因此，凸轮从动件的向外移动导致凸舌臂518和凸舌202（4）从轮毂524向外移动。这增加了轮毂524和凸耳202（4）之间的距离，从而增加了膨胀组件116（4）的周长。当电机504顺时针转动螺旋凸轮514时，凸轮表面530将凸轮从动件516推向轮毂524。这减小了膨胀组件116（4）的周长。
在一个实施例中，可以在每个凸耳202使用缩进，以确保夹持力集中施加到每个凸耳臂518。另外，每个凸耳202的外边缘可以沿圆周凹陷，以便于手指定位，并防止形状变化期间手指受到挤压。
在一个实施例中，与单个凸耳202相关的凸轮表面528和530可以具有基本相同的轮廓。这样的配置可以导致相同的膨胀和收缩率的周长。其他配置可以具有与单个凸耳相关的不同凸轮表面轮廓。例如，凸轮表面528可以具有选择的轮廓，以最初使凸舌向外移动的速度更快，然后随着凸舌接近其最外侧的位置，速度减慢。
相反，可以选择凸轮表面530，使其具有向轮毂向内拉动凸舌的均匀速率。可选地或另外，与不同凸耳202相关的凸轮表面528和/或530可以具有不同的轮廓。例如，与凸耳202（4）E相关的凸轮表面528和/或530可以具有与凸耳202（4）D相关的凸轮表面528和/或530不同的轮廓。
从一个角度来看，控制器设备110可以包括用于低成本周长变化机制的独特机电设计，以用于形状输出和触摸/压力传感。为了实现这一目标，控制器设备110（1）可以提供多个堆叠的膨胀组件116，其可以围绕圆柱形渲染区域360度挤出。尽管渲染曲面可以是径向对称，但减少的自由度大大减少了在给定渲染体积下使用的电机数量。
另外，控制器设备110可以快速渲染一组不同的可区分形状，并且可以通过与渲染形状的物理交互来支持用户输入。在一个实现中，从最小周长到最大周长的约0.1秒的渲染时间可以容易实现，并且允许膨胀组件116在用户释放虚拟对象并伸手抓取另一虚拟对象时快速改变大小。除了快速渲染时间外，控制器设备同时可以承受人的抓取力，同时保持表面背面的可操纵性，从而最大限度地提高交互性。
上述部件可以使用各种材料制造，例如聚合物和/或金属，并利用各种技术，例如机加工、成型、添加剂制造等。滚珠轴承和紧固件可以从商业来源获得。
图11示出了用户握持虚拟杯子时的控制器状态。响应于用户握持虚拟对象，系统可以根据虚拟杯子的形状来依次令特定的膨胀组件膨胀，例如由下至上地逐渐增加膨胀系数，从而模拟出杯子的虚拟形状。
名为“Multilayer controller”的微软专利申请最初在2021年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
