苹果 Vision Pro 新专利：可通过移动平衡质量块平衡重心

　　近日，美国专利商标局正式授予苹果一项与头戴式设备（HMD/Apple Vision Pro）相关的专利，其中包括显示单元、头部支撑结构和平衡质量块。显示单元向用户显示图形内容。头部支架耦合到显示器上以支撑用户头部上的显示单元，用于显示其图形内容。平衡质量块相对于显示单元是可移动的，以抵消倾斜头戴式显示器时显示单元引起的扭矩变化。

　　苹果公司在其专利背景中指出，头戴式显示器是一种佩戴在用户头上的设备，用于显示图形内容。当佩戴在用户的头上并以直立位置佩戴时，头戴式显示器的重心通常位于头颈枢轴关节的前方和上方，而头颈枢轴关节是头部相对于用户颈部转动的枢轴关节。

　　由于重心位于头颈枢轴关节的前方，头戴式显示器会感应出向前的扭矩。此外，当用户将头部向前倾斜时，由于头戴式显示器的重心位于头颈枢轴关节上方，重心的力矩臂会远离头颈枢轴关节。这样，头部向前倾斜可能会增加头戴式显示器引起的向前扭矩。为了稳定头部，用户必须锻炼颈部肌肉，这可能会不舒服和/或引起疲劳，尤其是长时间佩戴头戴式显示器时。苹果公司获得的这项专利就是针对这一问题的补救措施。

　　重心可变的 Vision Pro

　　苹果授予的专利涉及一种头部支撑装置，该装置与显示器耦合，以支持用户头部上的显示单元，用于显示其图形内容。平衡质量块相对于显示单元是可移动的，以抵消倾斜头戴式显示器时显示单元引起的扭矩变化。

　　平衡质量块可随着围绕由用户头颈枢轴关节形成的俯仰轴的倾斜而移动。在直立位置，平衡质量可以位于头颈枢轴关节的后方，显示单元位于头颈枢轴关节的前方。在从头颈部枢轴关节的直立位置向前倾斜的前倾位置，平衡质量块可以位于头颈枢轴关节的后方，显示单元位于头颈枢轴关节的前方。当头戴式显示器向前倾斜时，平衡质量可能会远离显示单元，以保持在头颈枢轴关节的后方位置。

　　在一个实施方案中，头戴式显示器包括一个静态质量块和一个移动质量块。

　　静态质量块包括用于向用户显示图形内容的显示单元和耦合到显示单元的头部支撑装置，用于支持用户头部上的显示单元。静态质量块具有静态质量重心，佩戴时通常相对于用户的头部保持固定。

　　移动质量块相对于静态质量是可移动的。移动质量块具有相对于用户头部可移动的移动质量重心。移动质量块可随着头戴式显示器围绕枢轴关节的移动而移动，以移动头戴式显示器的重心，以抵消静质量块重心相对于枢轴关节移动所引起的枢轴关节扭矩的变化。

　　在直立位置，移动质量重心可以在枢轴关节的后方，而静态质量重心可以在枢轴关节的前方。

　　在前倾位置，移动质量重心可以是枢轴关节的后方，而静态质量重心可以在枢轴关节的前方。

　　当头戴式显示器围绕枢轴关节从直立位置向前倾斜到前倾位置时，移动质量重心可以从远离静态质量重心的第一位置移动到第二位置。

　　第一位置可位于枢轴接头向前位置的前方。移动质量块可以包括两个平衡质量块，它们可以协同移动，以将移动的质量重心向静态质量重心的后方移动。静态质量块还可以包括运动传感器，其感测头戴式显示器的运动，并且移动质量块响应于由运动传感器感测的运动而移动，从而抵消静态质量因移动而引起的扭矩变化。

　　在一个实施方案中，操作头戴式显示器的方法包括使用传感器感测头戴式显示器倾斜，以及使用致动器根据感测器移动头戴式显示器相对于自身的重心。所述头戴式显示器被配置为佩戴在用户的头上，并向其显示图形内容。

　　苹果专利图 1 是头戴式显示器戴在用户头上的侧视图，头部以直立位置（实线）和倾斜位置（虚线）显示；图 2A 是图 1 头戴式显示器在用户头部直立位置和第一配置下的示意侧视图；图 2B 是图 1 头戴式显示器在用户头部倾斜位置和第一配置下的示意侧视图；图 2C 是图 1 头戴式显示器在用户头上直立位置和第二配置的示意侧视图。

　　参考苹果专利图 3 和图 4，形成移动质量 M.sub.moving 的平衡质量块 #130 被设想为能够以不同的方式移动，例如，具有不同的机构或致动器，耦合到平衡质量块 #130 和头部支撑 #120。那些在操作时不改变位置的机构部分可以被认为是静态质量 M.sub.static 的一部分。例如，电动机可能具有原地旋转的转子，因此被认为是静态质量 M.sub.static 的一部分。

　　如图 3 所示，平衡质量块 #130 可以通过具有电机 #334 和导螺杆 #336 的导螺杆机构 #332 移动，其中平衡质量块 #130 是螺纹耦合的。当电机运行（例如转动）时，导螺杆旋转，平衡质量块也随之移动。例如，导螺杆机构可以连接到头部支架 #120。或者，致动器可以包括电机，其本身形成平衡质量（例如，省略电机 #334）并沿导螺杆 #336 相对于显示单元移动，例如，导螺杆可以反过来耦合到头部支撑。

　　如图 4 所示，平衡质量块 #130 可以通过皮带传动机构 #432 移动，该皮带具有电机 #434 和皮带 #436，皮带 #436 与平衡质量块耦合，并操作性地耦合到电机，从而移动（例如，通过齿形啮合）。当电机运行（例如转动）时，皮带被拉动，从而将平衡质量块拉向或远离显示单元。平衡质量块可被引导在一条路径上，例如沿着轨道移动。皮带传动机构可与头部支架相连。