设计背景  

近年来硬件设备的性能发展迅速，手机与计算机处理器性能趋于过剩，图像处理技术、显示器技术及传感器技术也有了相当可观的发展，使得原本只能借助高端计算机才能体验的VR和AR技术有了更多的潜在用户设备；5G技术将在不远的将来普及，更高的网络带宽意味着更大的数据处理能力，将极大改善VR体验中的刷新率和分辨率等关键参数。可以预见的是，VR将获得更多的用户群体（特别是手机端），4G的普及让大众媒体形式由图文时代进入短视频为主的新媒体时代，5G技术的普及将极大地提高传输速度，将VR推广为更具共享性的大众媒体形式。VR越来越多的应用场景和用户对VR技术设备认知和接受程度的提高预示着VR将很大程度地改变现代人的生活方式，更大的用户群体要求VR有更好的用户体验，更高的沉浸感、更丰富的体验内容成为虚拟现实技术和内容发展的趋势。

      在完全模拟人的感官刺激形式的脑机接口技术成型之前，增强VR体验沉浸感的途径主要还是依靠拓宽内容体验的交互通道，即基于体验内容加入不同种类不同强度的感官刺激，将体验者有限的认知注意力完全吸引到VR场景内容上。基于这种技术背景和路线，VR设备需要在传统视听觉刺激的基础上集成其他如冷热风、水雾、震动等感官刺激，以适应不同VR内容的匹配需求。设计过程中分析了VR体验过程中人与硬件交互信息的内容和方式，根据信息的密集程度和优先级以及可行性分析确定在虚拟现实设备设计中主要集成视听觉、触觉通道刺激功能，设计了具体的功能结构和外观造型。

设计说明  

虚拟现实设备是用于支持VR体验的硬件设备，通常包括万向跑步机、头显设备、手持交互设备。现有虚拟现实设备主要满足VR的视听觉体验，鲜有针对触觉、冷热觉等感官的设备。经市场调研分析，确定将完善VR感官体验作为VR设备的功能改进方向。

根据多通道交互理论，将冷热风、水雾等感官刺激方式集成在万向跑步机设备上，这些刺激手段主要通过内置的空气压缩机、空气雾化喷嘴等功能结构实现。设计中产生了两个功能模型方案，经分析评估后选择其中一个进行结构外观设计和CMF设计，确定了统一的视觉风格元素。头显设备和手持交互设备主要依据人机工程学设计，并在视觉风格上与万向跑步机设计保持一致，形成了系列产品统一的视觉辨识度。

技术路线  

      对VR设备进行市场调研，并访谈VR行业从事人员，详细了解VR设备相关参数和功能要点，经概括分析后深入挖掘创新点，确定将多通道交互作为设备改进方向。

      深入了解多通道交互理论，确定各VR设备所占用的感官通道和传输信息的类型，作为功能设计的理论指导。基于多通道交互理论，VR设备以视听觉刺激为主要刺激，充分利用人的环境知觉如冷热觉、触觉、运动觉等作为辅助刺激来源，体验时最大程度地利用用户的感知能力，加强VR体验的沉浸感。这一理论方法现已广泛应用于5D动感影院和一些追求极致感官刺激的娱乐设备上，体验效果也得到验证。

      调研实现预期功能用到的技术手段，验证概念设计可行性，设计功能结构模型。将吹风、雾化设备集成到VR万向跑步机上，借助小型静音无油空气压缩机产生压缩空气，配合加热温控模块产生冷热风；储水箱中的水借助小型水泵和液体管路到达顶部出风口，经气体雾化喷嘴可产生可控的水雾。经市场调研选择奥突斯 550w-18L空气压缩机和深圳市瀚博环保器材有限公司生产的HB1405型空气雾化喷嘴。

       对功能结构模型进行设计细化，建立统一的产品形态语言，并在产品板调研分析的基础上进行CMF设计，突出了VR设备的科技感。设计中建立的产品辨识性可沿用在VR头显设备和VR手持交互设备的设计上，保证了系列产品的设计统一性。

       虚拟现实头显设备主要负责视听觉刺激，在传统VR一体机的基础上集成主动降噪耳机，带来更好的视听体验并加强了VR体验的沉浸感。在人机工程学上主要考虑佩戴方式，主要在设备后部增加贴合头部的托架，改善了头显设备的佩戴舒适性。

       VR手持交互设备主要改善了握持和按下按键时的人机交互体验，将传统对称式的手柄造型优化为更适合手部曲线和握持姿势的外观，降低手指的工作负荷，增强了体验的沉浸感。

VR万向跑步机结构设计

 顶部圆环结构可通过转轴结构转动，且连接杆件可带动圆环结构进行竖直方向的高度调整。设备未运行时杆件升高至高于体验者头部的高度，方便体验者进入设备，开始体验时杆件下降带动圆环结构到达体验者头部周围高度，并在VR体验时根据VR内容的需求实时升降，考虑到体验者体验时主要靠面部的裸露皮肤感知冷热风、水雾等刺激，这种方法可有效模拟不同高度的感官刺激源，可以满足VR体验真实感和沉浸感的需求.

万向跑步机感知系统中水箱的功能是提供雾化水源，需要能够实时看到的剩余水量且需要设计有注水口。水箱与空气压缩机共用万向跑步机的后部箱体，便于通过气液杆件中的气液管线将水泵送至顶部环状结构集成的气体液化喷嘴，用于模拟水雾效果。如图所示将注水口设计在万向跑步机箱体后上方，透明的水箱盖上有一个小突起，设计弧状外形符合推拉的视觉功能隐喻，可通过推拉控制注水口的开合，且注水口做凹陷处理，防止注水时溢出的水沾湿箱体其他部分，保证空气压缩机工作时带电部分的安全性。在万向跑步机后部箱体设置透明的透明视水盖，可通过试水盖观察到水箱内的剩余水量。

设计实现气液管线杆件的升降功能，升降动力来源于万向跑步机后部箱体内置电动机，箱体设计高度50厘米，气液管线杆件的升降调整约为30厘米,带动顶部环状结构升降可满足体验者进出设备时的高度调整以及VR体验过程中不同高度感官刺激源对体验者面部皮肤的感官刺激要求。同样设计向下微微凹陷的面用于区分工作平面，与注水口的凹陷设计形成呼应。

万向跑步机的带传动底座部分应该是方形形态的横纵双向带传动，但是方形的外观与万向跑步机整体曲线形态风格不符，因此在方形的带传动工作面边缘部分上方5厘米处遮盖一个外壳面，起到部分遮挡的作用而不影响带传动的工作状态，使用时仅能看到封闭圆滑曲线区域内的带传动部分，保证了整体外观设计的统一性。、

腰部挡圈需要在体验者腰部提供一个限制其水平方向位移的力，体验者腰部与腰部挡圈直接接触面积太小，使用时可能对体验者腰部皮肤产生较大的压强而产生不适感。根据人体腰部曲线设计贴合腰部面积较大的腰部挡环，上面覆盖一层较软的布料材质保证接触接触部位的舒适性。两侧挡环分别通过可手动锁紧的伸缩杆连接到腰部挡圈内侧，体验者离开设备时打开锁紧结构，向两侧推两侧的腰部挡环便可解除腰部约束状态，反之体验者在体验前可以手动将腰部挡环贴紧腰部并手动锁紧伸缩杆。考虑到体验者佩戴挡会发生身体转动，腰部挡圈内部有环形轨道，伸缩杆端部接入轨道并可以沿圆周滑动，轨道截面的设计保证伸缩杆与腰部挡圈不会发生水平方向的位移，保证腰部挡环可以随体验者身体运动转动方向。

将气液出口集成在顶部环状结构上，根据VR内容需求确定出风类型和出风位置，模拟多方向的感官刺激源。环状结构后部连接转轴，使环状结构可变换角度，便于体验者进入设备。深色部分为温控模块，可控制出风的冷热。将气体雾化喷头和冷热风出口集成在一个半球状结构上，半球结构可在竖直方向转动，增加竖直方向上出风范围的多样性和可控性。

VR万向跑步机CMF设计

VR万向跑步机主体颜色主要包括黑色、深灰色、金属银，在大多数部件上使用从上至下金属银色、深灰色、黑色塑料的三段式分面方式，为了增强VR产品的科技感，打破大块面单一质感的沉闷感，在三段式结构中加入一条青蓝色的灯带，进一步强调了产品各部分的功能统一性，成为产品辨识度的重要组成部分。由于腰部挡圈固定杆、气液管线杆件有支撑受力、升降等功能，选用不锈钢作为其外壳材料，将不锈钢材料喷砂处理增加其表面粗糙度，避免光滑不锈钢杆件的强表现力破坏产品整体视觉效果的统一。

带传动踏板核心工作部分是传动带部分，传动带根据体验者的行走方向和速度产生横纵双向的传动，模拟体验者行进的位移。传动带部分的关键材料属性是较高的摩擦系数，选用带有凸点纹理的黑色橡胶材质，能较好地模拟真实行走时的摩擦力反馈，改善VR体验的沉浸感。

万向跑步机后部机箱要求设计注水口用于水箱注水，还需要设计透明视水盖观察水箱内的水量情况。注水口盖和视水盖材料选用塑料中透明性最好的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），韧性和强度较好，可满足注水口盖推拉的使用强度要求，也可满足视水盖的透明性要求。注水口处下凹面和杆件升降处的下凹面在外观设计时相呼应，为了呼应注水口处材料的光滑质感，杆件升降处的机箱表面下凹面也使用光滑的黑色塑料。

腰部挡环外侧使用三段式加灯带设计，保证整体外观的统一性。靠近体验者的内侧使用带有类似布料编织纹理的黑色粗糙工程塑料，在视觉上给体验者一种柔软的感觉，并具备足够的强度来承载伸缩杆转动轨道。

      VR体验时体验者带动腰部挡环和伸缩杆转动，伸缩杆的另一端在腰部挡圈内侧的轨道内滑动，伸缩杆受到一定的拉伸里和剪切力。伸缩杆选用不锈钢材料，拉伸强度和疲劳强度好，可满足VR体验的使用要求，表面做喷砂处理，与整体视觉风格保持一致。

     腰部挡环一侧连接不锈钢伸缩杆，侧贴合体验者腰部。连接不锈钢伸缩杆的一侧选用粗糙黑色工程塑料，保证连接强度；贴合体验者腰部的一侧有布料材质的凸起结构，减轻使用时对体验者腰部的压迫感。

     顶部环状结构集成气液出口和温控模块，且能以后部转轴为中心调整转动。外测采用三段式色带加青蓝色灯带设计，和整体外观设计统一；考虑到内侧有气雾出口，工作环境相对潮湿，内部面使用不锈钢材质，能较好地保证自身的防锈和内部结构的密闭性。同理，集成气体雾化喷嘴和气体出口的半球形可转动结构也使用不锈钢材质，增加深灰色塑料和灯带描边装饰，增加细节丰富度，再次强调了产品辨识度。

VR头显设备结构设计

VR头显设备主要负责VR体验中的视听觉信息传输，设计中主要以VR一体式体现设备为设备原型，其基本功能结构主要包括三部分：头显设备前部处理及显示图像的处理器及光学镜片等负责视觉刺激；靠近体验者耳朵部分有耳机结构负责听觉信息刺激；头显设备侧面及后方的绑带结构将头显设备固定在体验者头部。

外观设计方面，头显设备的视觉风格与万向跑步机的设计保持一致，即主体采用三段式的曲面造型并在局部装饰灯带，设计突出简洁性和科技感。

首先对头像设备前部的形态进行设计，根据人的面部比例进行形态探索，主要考虑减轻形体对鼻翼部分的压迫感。头显设备后方及侧方绑带用于将图像设备固定在体验者头部，前期调研中发现市面上现有的一字带和T字带解决方案存在对头部压迫感强、包裹头部面积太大引起闷热感等问题，极大地影响了VR体验的沉浸感。设计改进了头戴方式的结构形式，在头部后方采用半包裹式设计，将压力分担在人体头部后侧和靠近颈部的区域，避免设备重量对体验者身体局部产生过大的压强，也降低了体验者因头顶被完全覆盖而产生的闷热感。

VR手持交互设备结构设计

     手持交互设备的功能结构相对简单，先设计整体的曲面形态。现在市面上大部分手持交互设备为对称设计，难以很好地贴合手部曲线，使用时大拇指的活动幅度较大且施力力矩较大，长时间使用容易疲劳；而且仅靠手指握持手柄增加了手腕的工作负荷。

     整体打破对称形态的束缚，外测曲线更贴合手掌曲线，正确握持时按键所在上表面呈约20°的倾斜角度，使大拇指可以自然放在按键表面上，减轻了VR体验时大拇指的工作负荷；尾部较细的一端可以贴合在体验者腕部，提供一定的支撑缓冲作用。

     在倾斜的上表面上设计类似HTC vive设备的方向按键，用于VR交互菜单项的移动选择操作，属于较常使用的功能按键，主要由大拇指操作；下方有两个功能按键，用于返回主界面或系统功能设定等辅助功能，在体验时使用频率较低，将两个按钮在靠近上表面边缘的一侧纵向排列，缩小了大拇指按压时的运动幅度，降低其工作疲劳程度。

    在手持交互设备另一侧放置交互扳机结构，用于模拟VR体验时体验者手部抓取物体、操作设备等动作。体验者可根据手部尺寸和操作舒适性自行选择使用中指或无名指进行扳机操作，扳机的端面设计为内凹的曲面，可贴合手指报纸操作舒适性。