DE19713805A1 - Vorrichtung zur physischen Simulation virtueller Räume - Google Patents

Description

Zum Besuchen von virtuellen Welten sind verschiedene Laufmaschinen Stand der Technik, z. B. eine Laufmaschi­ ne, bestehend aus gleitenden Schuhen, die jedoch keine Übertragung eines Drehmoments um die vertikale Achse auf einen Fuß erlaubt, und auch nur eine Laufbewegung in der Ebene ermöglicht. Eine andere Laufmaschine vom Stand der Technik verfährt Fußplattformen in kartesi­ schen Koordinaten über gerade Stangen von außen. Hier kann es aber zur Kollision zwischen einer Fußplattform und einer Verfahrstange kommen.

Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz dazu, zusätzlich zur horizontalen Laufbewegung, eine Laufbewegung mit vertikaler Komponente und gleichzeitig einen kollisi­ onsfreien Betrieb.

Die Laufmaschine (Fig. 1) besitzt zwei Fußplatt­ formen (F1, F2), auf die jeweils ein Fuß zur Fortbewe­ gung gesetzt wird. Die Neuheit der Erfindung (Fig. 2, 4) besteht darin, daß die beiden Fußplattformen (F1, F2) mittels eines Gestänges (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) in Zylinderkoordinaten ange­ steuert werden. Es wird die Annahme gemacht, daß der Körperschwerpunkt stets zwischen den beiden Füßen liegt. Ferner soll der Körperschwerpunkt während dem Laufvorgang immer an der gleichen Position bleiben. Da­ durch wird impliziert, daß die Fußplattformen (F1, F2) punktsymmetrisch liegen müssen und zwar mit ihrem Zen­ trum (Z) unter dem Schwerpunkt der Person. Dadurch ha­ ben die beiden Fußplattformen (F1, F2) in der Ebene nur noch 2 Freiheitsgrade für die Ansteuerung anstatt 4. Der Benutzer steht zu Anfang mit beiden Füßen auf den Fußplattformen. Hebt er z. B. einen Fuß von der einen Fußplattform (F1) und bewegt ihn nach vorne, so folgt die Fußplattform (F1) dem Fuß sensorgesteuert so, daß sie sich laufend unter ihm befindet. Durch die Punkt­ symmetrie der Beiden Fußplattformen (F1, F2) bewegt sich die andere Fußplattform (F2) automatisch in entgegenge­ setzter Richtung und bewegt damit den zweiten Fuß zu­ rück und zwar so, daß der Körperschwerpunkt immer in der Mitte bleibt. Eine Möglichkeit, die Zylinderkoordi­ naten zu realisieren ist die Verwendung eines Gestänges (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) der Form eines Storchschna­ bels (SS) (Fig. 2). Die beiden Fußplattformen (F1, F2) werden dabei an die Stangen (ST4, ST3) befe­ stigt. Die beiden Freiheitsgrade des Storchschnabels (SS) werden durch die beiden Wellen (W1, W2) angespro­ chen. Dafür ist die eine Welle (W1) an der einen inne­ ren Stange (ST1), die andere Welle (W2) an der anderen inneren Stange (ST2) im Zentrum (Z) befestigt. Durch Drehen an den beiden Wellen (W1, W2) können somit die beiden Fußplattformen (F1, F2) über den Storchschnabel (SS) in Zylinderkoordinaten in der Ebene angesteuert werden. Um zu vermeiden, daß bei einer Fehlfunktion zwischen die Stangen (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) getreten werden kann, ist ein Schutzmechanismus sinnvoll (Fig. 3). Dieser sieht folgendermaßen aus. Fest mit der einen inneren Stange (ST1) sind zwei Scheiben (SB1, SB2) verbunden. Die eine Scheibe (SB2) hat die Form eines "S". Die andere Scheibe (SB1) ist eine Kreisscheibe, bei der genau die Form des "S" der einen Scheibe (SB2) fehlt. Die beiden Scheiben (SB1, SB2) haben stets die gleiche Lage zueinander. Dabei liegt die kreisförmige Scheibe (SB1) oberhalb der S-förmigen Scheibe (SB2). Durch die feste Verbindung der beiden Scheiben (SB1, SB2) mit der einen inneren Stange (ST1) bewegen sich die beiden Fußplattformen (F1, F2), wenn die Länge der Stangen (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) gleich dem mitt­ leren Radius der Teilkreise der S-Form ist, entlang der S-förmigen Scheibe (SB2). Die kreisförmige Scheibe (SB1) liegt auf den Fußplattformen (F1, F2), die S-förmige Scheibe (SB2) geht durch einen horizontalen Schlitz in den Fußplattformen (F1, F2). Dadurch wird der komplette Storchschnabel (SS) durch die Scheiben (SB1, SB2) abgedeckt. Da die beiden Scheiben (SB1, SB2) in diesem Fall eine relativ komplizierte Form haben, ist eine weitere Variante der Laufmaschine in Zylinder­ koordinaten sinnvoll (Fig. 4). Die beiden Frei­ heitsgrade der Fußplattformen (F1, F2) in der Ebene wer­ den durch eine Schiene (SN) und ein Gestänge (ST2, ST5, ST6) angesteuert. Die Fußplattformen (F1 ,F2) gleiten auf Linearlagern (L) in Radialrichtung entlang der Schiene (SN). Die Schiene ist drehbar um die Verti­ kalachse im Zentrum (Z) der Laufmaschine gelagert und bestimmt den Winkel ϕ der Fußplattformen (F1, F2). Die Radialkoordinate der Fußplattformen (F1, F2) wird über die Stangen (ST2, ST5, ST6) gesteuert. Die äußeren Stan­ gen (ST5, ST6) wandeln die Drehung der inneren Stange (ST2) in die Linearbewegung um. Die inneren Stangen werden genauso wie bei dem Storchschnabel (SS) über zwei Wellen (W1, W2) im Zentrum angetrieben. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß die Stangen (ST2, ST5, ST6, SN) leichter abgedeckt werden können (Fig. 5). Das Prinzip hierfür ist das gleiche wie bei der Abdeckung des Storchschnabels (SS). Der wesent­ liche Unterschied besteht darin, daß die eine Scheibe (SB2) keine S-Form hat, sondern gerade ist. Die andere Scheibe (SB1) ist entsprechend eine Kreisscheibe mit der geraden Aussparung von der Form der einen Scheibe (SB2). Beide Scheiben (SB1, SB2) zur Abdeckung des Ge­ stänges sind fest mit der Schiene (SN) verbunden. Die Kreisscheibe (SB1) befindet sich oberhalb der geraden Scheibe (SB2). Beide Scheiben (SB1, SB2) sind über den Stangen (ST2, ST5, ST6, SN), so daß diese ganz abgedeckt sind. Die kreisformige Scheibe (SB1) liegt oberhalb der Fußplattformen (F1, F2), die gerade Scheibe (SB2), die in diesem Fall zugleich die Schiene (SN) darstellen kann, verläuft durch einen horizontalen Schlitz in den Fußplattformen. Um die Gewichtskraft der Person aufzu­ nehmen, sind an den Fußplattformen (F1, F2) Laufrollen (LR) angebracht, die auf einem ebenen Boden (B0) fah­ ren. Die Wellen (W1, W2) zur Steuerung der Fußplattfor­ men (F1, F2) gehen durch den Boden (B0) hindurch nach unten und werden dort von zwei Motoren (M1, M2) über Keilriemen angetrieben. Die Motoren (M1, M2) liegen ein­ ander gegenüber, damit die Kräfte an den Wellen (W1, W2) ausgeglichen sind. Die Motoren sind neben dem Boden (B0) plaziert und zeigen mit ihren Antriebswellen nach unten, damit die Gesamthöhe der Laufmaschine niedrig bleibt. Um die vertikale Bewegung der Fußplattformen (F1, F2) in z-Richtung zu realisieren, wird auf den Plattformen, die die ebene Bewegung ausführen, eine Hubvorrichtung aufgebaut (Fig. 6, 7). Die Hubvor­ richtung wird so gesteuert, daß die mittlere Höhe bei­ der Fußplattformen (F1, F2) konstant ist, damit der Kör­ perschwerpunkt der Person an einer Stelle bleibt. Die Hubvorrichtung kann z. B. aus Hydraulikzylindern (HZ) bestehen (Fig. 6). Dies sind in der Regel 6, um die 6 Freiheitsgrade der Fußplattformen (F1, F2) zu be­ stimmen. Dabei sind 3 Freiheitsgrade durch die Hydrau­ likzylinder festgehalten, nämlich die Bewegung in der Ebene und die Drehung um die vertikale Achse. Die Höhe und die Drehungen um die horizontalen Achsen werden über die Hydraulikzylinder (HZ) gesteuert. Damit die Hydraulikleitungen (HL) von den Zylindern befestigt werden können und eine fest Länge haben, verlaufen sie entlang der Stangen (ST3, ST4, ST1 bzw. ST5, ST6, ST2) beim Storchschnabelgestänge (SS) bzw. der Stangen (ST5, ST6, ST2) bei der linear geführten Version bis zu den Steuerventilen (SV) im Zentrum (Z) der Laufmaschi­ ne. Diese befinden sich über den Wellen (W1, W2), damit ihr Trägheitsmoment möglichst gering ist. Von dort aus verläuft die Hydraulikleitung (HL) durch die Wellen (W1, W2) hindurch unter den Boden (B0). Die Drehung der Fußplattformen (F1, F2) um ihre vertikale Achse kann über einen Elektromotor (M3) erfolgen, der unter den Fußplattformen (F1, F2) befestigt ist. Alternativ zu dem Hubmechanismus mit Hydraulikzylindern (HZ) kann ein Hubmechanismus aus je einem Hebel (HE) pro Fußplattform (F1, F2) und Seilzügen (SE) aufgebaut werden (Fig. 7). Ein Seilzug (SE1) kann durch Zug mit Hilfe des He­ bels (HE) die Plattform vertikal steuern. Die Steuerung der horizontalen Achsen der Fußplattformen (F1, F2) er­ folgt über 4 weitere Seilzüge (SE3, SE4), die seitlich an den Fußplattformen befestigt sind. Die Drehung um die vertikale Achse erfolgt über den einen Seilzug SE2, der die Fußplattform (F1, F2) umschlingt. Die Seilzüge (SE) verlaufen zu der Plattform, die auf den Laufrollen (LR) gelagert ist. Von dort aus verlaufen sie, genauso wie die Hydraulikleitungen (HL) der Hydraulikzylinder (HZ) entlang der Stangen (ST3, ST4, ST1 bzw. ST5, ST6, ST2) beim Storchschnabelgestänge (SS) bzw. der Stangen (ST5, ST6, ST2) bei der linear geführten Version zum Zen­ trum (Z) der Laufmaschine und von dort aus durch die Wellen (W1, W2) hindurch unter den Boden (B0). Für die Regelung der Laufmaschine bedarf es mehrerer Sender und Sensoren. An den Füßen befinden sich Sender, an den Fußplattformen (F1, F2) befinden sich Empfänger. Das ist natürlich auch anders herum möglich. Durch sie wird nach dem Stand der Technik analog oder digital der Ab­ standsvektor zwischen Füßen und Fußplattformen (F1, F2) berechnet. Ein Digitalrechner berechnet über die Geome­ trie und die momentane Lage der Laufmaschine die Soll­ geschwindigkeit der Motoren und steuert diese an. Wei­ terhin befinden sich Sender an den Fußplattformen (F1, F2) und Empfänger stationär außerhalb der Laufma­ schine (oder umgekehrt), um die absolute Lage der Fuß­ plattformen korrigieren zu können. Aus den Signalen der Empfänger werden genauso wie für die Füße die Abstands­ vektoren ausgerechnet und mit der Sollage der Fußplatt­ formen verglichen, um sie gegebenenfalls zu korrigie­ ren. Die Sender können Leuchtdioden, die Empfänger op­ tische Sensoren oder die Sender Ultraschallsender und die Empfänger Ultraschallempfänger sein. Damit die Person durch zu große Schritte nicht von der Laufma­ schine runter laufen kann, ist rundherum eine Wand (WA) angebracht, an der die Füße gegebenenfalls anstoßen. Um die Laufmaschine herum ist ein Rahmen (RA) aufgebaut, an dem sich ein Geländer (GE) befindet, damit man sich festhalten kann und nicht so leicht von der Laufmaschi­ ne runter fällt. Ebenfalls am Rahmen (RA) hängt ein Gurt (GU) zum Anschnallen, der vermeiden soll, daß man hinfällt. Die Fußplattformen (F1, F2) sind außenrum mit Schaumstoff gepolstert, damit eine zweite Person, die sich unvorhergesehen auf dem Boden (B0) befindet, nicht verletzt wird.

Claims (23)

1. Vorrichtung zur Simulation einer Laufbewegung beim Besuch von virtuellen Welten mittels zweier Fußplatt­ formen, bei der während einer Schrittbewegung des Be­ nutzers die unbelastete Plattform sensorgesteuert dem einen Schritt ausführenden Fuß folgt und die belastete Plattform so bewegt wird, daß sie sich immer punktsym­ metrisch zur unbelasteten Plattform verhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung und Positionierung der Fußplattformen in Zylinderkoordinaten erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zylinderkoordinaten, die durch die Radial­ koordinate r und die Winkelkoordinate ϕ die horizontale Position angeben, über einen Storchschnabel (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) verändert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fußplattformen (F1, F2) jeweils an einer äußeren Stange (ST3, ST4) des Storchschnabels befestigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Storchschnabel über zwei konzentrisch im Zentrum (Z) der Vorrichtung angebrachte Wellen (W1, W2), die mit je einer inneren Stange (ST2, ST1) des Storch­ schnabels verbunden sind, betätigt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zylinderkoordinaten, die durch die Ra­ dialkoordinate r und die Winkelkoordinate ϕ die hori­ zontale Position angeben, über ein auf einer drehbaren Schiene (SN) angebrachtes, radial gerichtetes Linearla­ ger (L) verändert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fußplattformen (F1, F2) in dem Linearlager (L) geführt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Position über die beiden im Zentrum ange­ brachten Wellen (W1, W2) verändert wird, indem eine Wel­ le drehfest an der Schiene befestigt ist und die Ra­ dialkoordinate r über ein Gestänge (ST2, ST5, ST6), das die Rotationsbewegung der Welle in eine Linearbewegung wandelt, geändert wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußplattformen (F1, F2) mit Laufrollen (LR) zur Abstüt­ zung der Schwerkraft auf einer Unterlage ausgestattet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zylinderkoordinate z der Fußplattformen, die die vertikale Position bzw. Höhe angibt, durch eine Hubvorrichtung verändert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hubvorrichtung Hydraulikzylinder (HZ) sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die für die Hydraulikzylinder benötigten Hy­ draulikleitungen (HL) entlang der Gestänge (ST5, ST2, ST6) geführt werden, die die Radialkoordinate r steuern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hydraulikleitungen (HL) durch die Wellen (W1, W2) nach außen geführt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Steuerungsventile (SV) der Hydrau­ likzylinder über den Wellen (W1, W2) befinden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fußplattformen um drei Freiheitsgrade schwenkbar angebracht sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwenkbewegung der Fußplattformen um eine vertikale Achse durch einen Elektromotor (M3) ausge­ führt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwenkbewegungen der Fußplattformen um die horizontalen Achsen über zwei Seilzüge (S3, S4) aus­ geführt werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seilzüge entlang der Gestänge (ST5, ST2, ST6 oder ST3, ST1, ST4) geführt werden, die die Radialkoordi­ nate r steuern.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seilzüge durch die Wellen (W1, W2) nach au­ ßen geführt werden.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo­ toren (M1, M2), die die Wellen (W1, W2) antreiben neben dem Boden plaziert sind und mit der Antriebswelle nach unten zeigen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuersensorik für die Fußplattformen aus Sendern an den Füßen und Empfängern an den Plattformen bestehen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die tatsächliche Position der Fußplattformen über Sender an den Plattformen und ortsfeste Empfänger überprüft und verändert werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sender Leuchtdioden und die Emp­ fänger optische Sensoren sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sender Ultraschallsender und die Empfänger Ultraschallsensoren sind.