微软新专利：可伸展式VR控制手柄，可提供触觉反馈及重力模拟

虽然VR并不是Xbox团队的发展重点，但这并没有阻止微软的工程团队为下一代手臂穿戴式控制手柄申请专利，专利中展示出的控制手柄远比现在市场上的产品要更复杂。微软早在2020年3月就提交了这项专利，并且已经在2021年获得了批准。微软是否会首先在PC上推进VR游戏，然后再推广至Xbox游戏主机，目前还不得而知。

微软在这项专利的背景中指出在现实生活中，人类倾向于使用他们的手来与物体互动。例如伸手去抓这些物体，触摸、抓取、操纵和释放它们。然而，在增强现实（AR）和/或虚拟现实（VR）中，目前一般不可能与虚拟物体进行这种细粒度的交互。例如，AR/VR头显可以跟踪用户的手部位置，但不能向用户的手提供触觉反馈。

手持式控制手柄已被开发用于AR和VR场景，以模仿现实世界的交互（例如，为用户的手提供位置信息和/或提供触觉反馈）。手持式控制手柄有各种形状，可以执行一系列的功能。虽然它们中的大多数都能跟踪三维（3D）运动，但简单的控制手柄仅被设计用于运动和按键输入。

而更高级的控制手柄可以包括复杂的控制并向用户提供输出。虽然大多数商用设备只提供振动触觉反馈，但研究人员已经展示了各种各样的手持式控制手柄，呈现出纹理、形状、抓握和挤压反馈、重量转移和供双手使用的触觉行为。虽然这些控制手柄的功能各不相同，但有一个共通点就是用户在进行AR/VR体验时必须一直拿着它们。

因此，手持式控制手柄的一个问题是，用户在使用过程中必须抓住手柄，从而阻碍了与物理世界中其他物体的自然交互。特别是在VR中，虚拟环境取代了人们双眼所能见到的现实世界，因此必须经常使用控制手柄进行所有的虚拟互动。但当需要切换到现实世界时，就需要反复拿起和放下控制手柄，这既缓慢又麻烦。

另一种流行的控制手柄包括手套型控制手柄，但由于这些控制手柄需要佩戴在用户的手上，因此不能轻易脱离手柄。手套式控制手柄通常提供灵巧的反馈，包括对用户指尖的压力和振动反馈。然而，手套式控制手柄仍然限制了运动，阻碍了用户在使用真实世界的工具或快速切换到传统输入设备（如键盘）时的灵活性。而微软这项发明的概念可以解决这些问题。

微软的发明涵盖了与可展开的控制手柄设备有关的概念，该设备可供用户在各种场景中使用，包括AR和VR场景。

可展开的控制手柄可以让用户用他们的手触摸虚拟对象。该设备可以被固定在用户手旁边的身体部位，如前臂。

当需要接触时，可展开的控制手柄可以从储存或收起的方向延展至接触的方向，并在接触停止时收回。

将控制手柄固定在前臂上可以使其施加手持式控制手柄无法施加的力。此外，在不使用控制手柄时，用户能够以无障碍方式自由进行手部动作。

微软的专利图12显示了系统的基本概况，该系统可以包括一个或多个设备，如一个新的手臂控制手柄#110、一个头显#106、一个基站#102，这个基站可以是一个游戏主机、一个台式电脑或其他设备，如笔记本，智能手机，平板电脑等等。

在专利图1A中，我们能够看到与VR游戏系统有关的系统#100。

在一些实施方案中，头显可以包括一个或多个传感器（图1A中未显示），用于向基站和/或头显提供输入。这些传感器可以包括，如加速计、陀螺仪、照相机、麦克风等。头显被设计用来检测用户周围的物体、头部的位置、头部朝向的方向、用户的眼睛是睁开还是闭上、用户的眼睛在看哪个方向、用户身体部位如手的位置等等。头显可以有能力向用户呈现数据，如音频和/或视觉数据#104。

上图1A的示例系统配置只是考虑到的系统配置之一。另一种系统配置可以包含一个与音频设备合作的设备110。

更重要的是，该系统可以进一步包括一个可展开的控制手柄设备#110，它可以包括一个底座组件#112，一个可展开的组件#114，和一个接合组件#116，整体可以作为一个可展开的控制手柄#118发挥作用。

底座组件可以被固定在用户的前臂#122或上臂#124上。在某些情况下，底座组件可以被固定在与啮合组件#116啮合的身体部位上方（例如，朝向躯干）的一个关节处。例如，在上面的图示配置中，啮合组件被配置为与用户的手啮合，底座组件可以被固定在手腕上方至前臂的部分。

微软进一步指出，手臂控制装置（装置＃110）还可以包括各种位置传感器，如六轴（例如，6-DOF）传感器、惯性测量单元（IMU）等。位置传感器可以提供与设备在三维空间中的位置（例如，x、y和z坐标）、设备的方向、旋转、加速度等有关的数据。位置传感器138可以设置在多个组件上，也可以设置在单个组件上。

微软的专利图10（A&B）显示了被分成两半的116号啮合组件，从中可以看到内部结构。结合图10来看图1A和1B，啮合组件可以被配置为接收来自用户手的触觉输入和/或向用户的手传递触觉输出。

例如，啮合组件可以包括各种输入设备#126（在图1A中显示），以检测用户输入。输入设备的例子可以包括压力传感器，力传感器，如应变片，电容式触摸传感器电极和/或用户可激活的开关（例如，扳机键）等等。在本实施方案中，啮合组件内有四个电容式触摸传感器电极，其功能是区分不同的抓握方式。这一数据可以被用来预测用户的意图。

在这种情况下，有一个区域的电容式触摸传感器电极面向首先接触的手掌，然后在中指周围检测它何时被抓住，还有两个贴片用于拇指，能够作为一个粗略的位置输入设备使用。

在另一种情况下，各种传感器可以被安置在底座组件上。这些传感器中的一些可以被配置为感知用户的潜在生理方面数据。例如，这些传感器可以感知从手指延伸到前臂的肌腱。来自传感器的信息可以表明单个手指的位置、手指的运动、运动的方向、力量，如抓握力等。另外，传感器140可以包括照相机，如红外深度照相机，以提供关于手/手指（包括拇指）的定位数据。

还可以考虑其他传感实现方式。例如，设备#110可以感知更多的用户输入，并利用这种输入来告知其触觉行为。例如，一些实施方案可以整合啮合组件周围的手指跟踪（例如，如通过自电容阵列或可穿戴相机），并可以在互动期间接近用户的手掌和手指，为灵巧的输入提供触觉响应。这也可以让人感觉到杠杆上的扭矩，这将有助于该设备模拟重力及增强其对重物的渲染阻力。

微软的专利图2A和2B共同展示了一种控制装置#110的啮合组件的延展技术。在这种情况下，控制手柄#142可以在检测到代表用户命令的特定用户手势时引发延展动作。在这个例子中，用户手势表现为向上翻腕#202或向下翻腕的手势#204。在这个例子中，控制手柄可以从底座组件和/或接合组件上的位置传感器获得数据。控制手柄可以解释这些数据以检测手势。

微软的上述专利图4A和4B显示了装置#110的接合组件处于收起的状态。在这种情况下，用户能够自由执行手部动作。例如，图4A显示用户用同一只手#108在键盘#402上打字。

同样地，图4B显示用户用这只手打开门把手#404。用户用这只手体验到灵活性以及正常的触摸感觉。相比之下，如果是传统的手持控制手柄，用户就必须把控制手柄放下，或采取一些其他行动来释放自己的手。同样，如果用户戴着传统的手套式控制手柄，在试图完成这些任务时，用户将不得不应对戴着手套时出现的触感减弱或变化。

微软的上述专利图8A和8B共同展示了如何将类似的原则应用于渲染触觉反馈以响应更大更重的虚拟物体。图8A显示了用户举起一个沉重的虚拟物体#802（例如一个虚拟盒子）的可视化图#800。用户的手由#804（1）和#804（2）表示。

微软的专利图8B显示，用户在双手上佩戴设备#110(1)和#110(2)时可以在手上呈现出相应的力，创造出对抗重力举起物体的感觉。在这种情况下，在双手上佩戴设备可以为双臂互动创造触觉反馈。

这项专利中列出的发明人之一是Mr. Sinclair，他目前在微软研究中心工作。Sinclair从事生物工程、电子工程、材料工程、MEMS、机电一体化、触觉、AR&VR方面的研究。他目前的项目是设计触觉反馈丰富的VR控制设备。

从这项专利可以看出，微软的工程师似乎首先考虑的是PC，然后才是其他设备。虽然这是一项已经获得批准的专利，但很难说微软将如何执行其VR游戏的发展计划。