WO2022253832A1 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung der gehbewegung einer person und zur eingabe in eine virtuelle umgebung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erfassung der gehbewegung einer person und zur eingabe in eine virtuelle umgebung Download PDF

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WO2022253832A1
WO2022253832A1 PCT/EP2022/064751 EP2022064751W WO2022253832A1 WO 2022253832 A1 WO2022253832 A1 WO 2022253832A1 EP 2022064751 W EP2022064751 W EP 2022064751W WO 2022253832 A1 WO2022253832 A1 WO 2022253832A1
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game
virtual
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PCT/EP2022/064751
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Marvin HOTZ
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Hotz Marvin
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    • G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
    • G06F2203/013—Force feedback applied to a game

Definitions

  • the invention relates to a device and its use or a method which enables the detection of a person's walking movement and the input of this walking movement into a virtual environment (English: "Virtual Reality"), as well as a corresponding computer game or computer program product.
  • VR Virtual Reality
  • VR glasses and motion controllers you can already immerse yourself in a VR world.
  • One possibility to bring the virtual and the real world closer together is a VR T readmill. This is a treadmill that allows you to move naturally in all directions, allowing you to explore virtual environments.
  • a VR Treadmill can be imagined as a treadmill that transmits walking movements into the virtual world.
  • An immersion in VR describes immersion in a virtual environment.
  • Virtual reality systems for home users with glasses and motion controllers already enable convincing immersion today.
  • the player gains perception in a virtual environment. You become convinced that you are in it, losing the sense of the real environment.
  • the solution is that the player must be able to move in the virtual environment without moving in reality. This is mostly implemented with the following two methods.
  • the player moves with a joystick, which allows him to move normally through space.
  • the player teleports through space, aiming at position A at position B and being there the next moment.
  • Motion sickness is English and stands for travel sickness or motion sickness.
  • Motion sickness is the physical reaction to contradictory image and movement information in the brain. Symptoms include nausea, vomiting, headache, paleness and dizziness.
  • a VR treadmill is based on this insight.
  • the real walking movement is transferred to the virtual world.
  • motion sickness can be alleviated or even prevented on the basis that the information perceived by the brain in VR can be compared with the executed movements match.
  • a higher level of immersion is achieved, which leads to a better VR experience.
  • a good VR system with high refresh rates, low latency and good tracking is a prerequisite for ensuring the best possible synchronization between the VR world and the VR system (reality). If these are not in sync, there is an additional risk of motion sickness.
  • the aim of this invention is to create a VR treadmill based on a new concept.
  • it is a preferred goal to create a VR system based on a new concept which should improve comfort in VR and expand the interaction options, in particular making walking as intuitive as possible. It should be as suitable as possible for home users, enable a higher level of immersion and prevent motion sickness.
  • the object of the invention is in particular to provide a device and its use or a method which enables the walking movement of a person to be entered into a VR environment and thereby avoids the occurrence of motion sickness or nausea.
  • the invention thus relates to a device for guiding and detecting the movement of a person's feet, which device has a linear guide that can be placed on a floor for each foot, which linear guides define a floor plane of the device with their underside.
  • a device for guiding and detecting the movement of a person's feet which device has a linear guide that can be placed on a floor for each foot, which linear guides define a floor plane of the device with their underside.
  • the linear guides each have a carriage carrying a foot receptacle, which carriage can be moved back and forth, guided in each case along the linear guide. This results in a restriction of the foot movement along the longitudinal direction of the linear guide (hereinafter each referred to as the X-axis of a rectangular coordinate system, the X-axis and the Y-axis lying in the ground plane).
  • the device has a detection device through which one of the respective carriage movement of at least one of the carriages, but in particular both carriages, corresponding measured value can be detected and provided as a respective output value, which output value corresponds to the movement of the respective foot receptacle in the direction of the linear guide.
  • This output value can be transmitted to the computer game or the VR environment as information for the walking movement and is implemented there in a manner that is basically known. It has been shown that with the device according to the invention with the restricted movement in the real environment, on the one hand, motion sickness can be reliably avoided and, on the other hand, a realistic walking movement can be generated in the VR environment.
  • the device is additionally configured for raising and lowering the respective foot receptacle relative to the floor level.
  • the respective foot receptacle is arranged on one end area of an arm, the other end area of which arm is arranged pivotably on the respective carriage, in particular in such a way that the arm can be pivoted about a first axis arranged on the carriage, which is in a plane parallel to the ground level and is perpendicular to the longitudinal direction of the linear guide.
  • the device can have at least one spring means which can be tensioned when the respective foot receptacle is lowered and can be released when the respective foot receptacle is raised.
  • the device is additionally designed to incline the foot mount (pitch movement) relative to the ground level, in particular in that the respective foot mount at the end region of the respective arm can be pivoted about a second axis arranged on the arm, which second axis can be rotated in a Ground plane parallel plane and perpendicular to the longitudinal direction of the linear guide.
  • the respective foot mount is pivotably arranged on the respective carriage or arm such that when the foot mount is parallel to the ground plane, the foot mount can be rotated in the respective plane parallel to the ground plane (yawing or yaw movement ) and wherein at least one of the foot receptacles is rotated by the detection device corresponding measured value can be recorded and made available as an output value. This makes it possible to change direction while walking by capturing the yaw movement of the foot recording in the virtual environment.
  • the respective carriage preferably has a standing surface on which the respective foot receptacle can be placed, which results in a defined position for the feet of the person playing.
  • the standing surface is preferably designed in two parts, with a first and second standing surface part, and in particular has a sensor for each foot receptacle, which can be used to determine that the foot receptacle is placed on the standing surface. This provides a simple solution for detecting that the player is standing still with both feet on the ground, which is helpful for representing it in the virtual environment.
  • the detection device for detecting the movement of the respective carriage preferably has a revolving toothed belt or a revolving chain connected to the carriage and a rotation angle sensor connected to an axis of a belt wheel or chain wheel in rotation.
  • a rotation angle sensor connected to an axis of a belt wheel or chain wheel in rotation.
  • the device particularly preferably has a force-generating device, through which a force can be applied to the respective carriage in the direction of the linear guide and as a function of a control input signal that can be applied to the force-generating device.
  • a force to be exerted on the sled or the foot mount, with which feedback or feedback about an interaction of the virtual foot in the virtual environment can be given in the real environment.
  • This allows a better gaming experience, for example when walking in the virtual environment, the virtual foot touches a virtual wall or a virtual ball through the corresponding force on the foot mount in the real one Environment can be displayed.
  • the force-generating device has an electric drive in each case, which can be used to act on the toothed belt or the chain, a particularly simple and robust solution results, with which very precise feedback can also be generated.
  • the linear guides are connected at their rear end so that they can be displaced in relation to one another and the displacement of the linear guides in relation to one another can be detected and a corresponding output value is available. This enables a further variant of the change of direction during virtual walking, in that this is effected in the real environment by shifting the linear guides relative to one another.
  • the invention also relates to the use of the device as an input device for a computer game, in that at least one of the output values of the device is used as a control signal for the computer game.
  • the walking movement of a virtual player or a virtual game object is controlled in the game by the movement of the foot mount of the device. And in particular, a walking movement of the virtual game character or the virtual game object in the lateral direction is caused by rotating the foot receptacle.
  • a control signal is preferably provided by the computer game or control signals are provided for the force-generating device.
  • the control signal is preferably generated as a function of the position and movement of the virtual game character or the virtual game object in the computer game. It is also preferred if the control signal is generated as a function of the position of a virtual object in the computer game.
  • the invention also relates to a method for generating an interaction between a virtual player or a virtual object and a real player, the real player operating a device according to the invention. This is preferably done by the real player using his/her feet to operate the foot mounts of the device while seated.
  • the invention also relates to a computer game comprising a device according to the invention and a game program.
  • the invention further relates to a device and a method for generating a running movement for a computer game, the movement of the player being made on a rail system which forces a movement in the direction of an X-axis, with the running movement taking place in the player's sitting position.
  • the invention relates to a device and a method in which the position and running movement can be detected with a mechanical arrangement made up of at least one linear rail, in particular two linear rails, and joints.
  • an articulated arm enables a lifting movement and a tilting movement and allows the player's foot to roll over a surface.
  • Another joint is preferably located in the middle of the foot, which allows the foot to be rotated (yaw movement), which causes a change in direction in the virtual environment, while maintaining the player's orientation in the real environment, so that in the real environment no rotational movement of the body is necessary, with the exception of the player's foot or feet.
  • the linear rails are motorized in order to exert a force on the feet, enabling interaction with the virtual game environment, the interaction being designed as an interaction that brakes the foot movement in the real environment and/or as an interaction that accelerates the foot movement in the real environment and/or is designed as a force compensating for the friction and mass of the device in the real environment.
  • the linear rails are connected by a joint at the rear of the device, which allows movement of the linear rails relative to one another in the direction of the Y axis, which causes lateral movement in the game, in particular with the joint at the rear motorized by a control signal from the game to generate feedback from the game on the player's feet.
  • the invention further relates to a computer program product, in particular a computer game, which is configured to interact with a device according to the preceding description, in particular by exchanging control signals/regulation signals with the device, e.g. by sending signals/control signals/regulation signals to the device and/or receiving signals/control signals/regulation signals from the device, wherein the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium and comprises trained program instructions, wherein the program instructions can be executed by a computer or a computer system.
  • a computer program product in particular a computer game, which is configured to interact with a device according to the preceding description, in particular by exchanging control signals/regulation signals with the device, e.g. by sending signals/control signals/regulation signals to the device and/or receiving signals/control signals/regulation signals from the device
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium and comprises trained program instructions, wherein the program instructions can be executed by a computer or a computer system.
  • the invention also relates to a computer program product, in particular a computer game, which is configured to carry out one or more steps of a method according to the preceding description.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to an embodiment of the present invention and its use in a computer game
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the walking movement of a person
  • Figure 3 is a perspective view of a first embodiment of a device according to the present invention.
  • FIG. 4A is a sectional view of the rear carriage and the linear guide along the line A'-A' drawn in FIG. 14B according to the first embodiment of the present invention
  • 4B is a side view of the rear carriage and the linear guide according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 5A is a perspective view of the carriage of Fig. 3;
  • FIG. 5B shows the carriage of FIG. 5A with an articulated mount
  • FIG. 6 shows the embodiment of FIG. 3 in an enlarged perspective view from above with the arm lowered;
  • Fig. 7 is a perspective view from above of a carriage with the arm raised of the embodiment of Fig. 3 without a linear guide;
  • FIG. 8 shows the embodiment of FIG. 3 in an enlarged perspective view from below;
  • FIG. 9 shows a detail of the embodiment of FIG. 3 in a side view;
  • FIG. 10A shows a perspective view of a connecting part of the foot holder according to a first embodiment
  • FIG. 10B shows the connecting part of FIG. 10A in a sectional view
  • FIG. 10C shows the connecting part of FIG. 10A with an attached adapter in a perspective view
  • FIG. 10D shows the connecting part of FIG. 10A with the adapter attached, in a sectional view
  • Figure 10E is a plan view of the cable connector of Figure 10A;
  • Fig. 10F is a side view of the connector of Fig. 10A;
  • Fig. 10G is a horizontal sectional view of the connector of Fig. 10A;
  • Fig. 10H is a front view of the connector of Fig. 10A;
  • Fig. 11 is a schematic representation of a walking cycle using an embodiment of the device according to the present invention.
  • FIG. 12 shows an enlarged side view of the front carriage part according to the first embodiment of FIG. 3;
  • FIG. 13A is a sectional view along line B'-B' shown in FIG. 12;
  • Fig. 13B is a sectional view taken along line C'-C of Fig. 12;
  • FIG. 14A shows a perspective view of the linear guide with carriage of FIG. 3 with marked detail S1;
  • FIG. 14B shows an enlarged view of detail S1 marked in FIG. 14A;
  • Figure 15 is a side view of a second embodiment of a device according to the present invention.
  • FIG. 16 shows an enlarged perspective detail of the second embodiment of FIG. 15;
  • Fig. 17 is a rear view of the second embodiment of Fig. 15;
  • Figure 18 is a plan view of a third embodiment of an apparatus according to the present invention.
  • FIG. 19 shows an enlarged view of a first section of the third embodiment of FIG. 18;
  • FIG. 20 shows an enlarged view of a second section of the third embodiment of FIG. 18,
  • Figure 21 is a perspective view of a fourth embodiment of a device according to the present invention. DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
  • the various axes and designations refer to a Cartesian coordinate system, as shown in FIGS.
  • the location and position of an object can be specified with a vector.
  • the position of the foot of a user 100 is recorded by the treadmill (treadmill) at a certain time interval.
  • the vector between these positions then represents the velocity vector in space per time, which is used as control input for the virtual reality (VR) world.
  • VR virtual reality
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a treadmill system that is as user-friendly as possible for home users, comprising a device 1 according to an embodiment of the present invention, in which a walking movement is simulated while sitting.
  • the weight of the user 100 is mainly on a chair 200, which has the advantage that the device 1 only has to carry a fraction of the weight and can therefore be made slimmer.
  • Sitting also solves the balance problem, which has advantages in terms of safety and application and at comparatively low costs.
  • the device 1 can serve as an input device of a computer game by using at least one of the output values of the device as a control signal for the computer game.
  • the walking movement of a virtual game character 51 in a virtual game environment 53 is controlled.
  • the computer game comprises a computer game program 50, which can interact with the device 1, e.g. by sending 55 signals, in particular control signals and/or regulation signals to the device 1 or by receiving 56 signals, in particular control signals and/or regulation signals from the Device 1.
  • the user 100 can perceive the virtual game environment 53, for example, using VR glasses 300 designed for this purpose, which include a computer system 54 on which the computer game program 50 can be executed and which can be connected to the device 1 by cable or wirelessly.
  • a combination of the device 1 with further game accessories 400 for controlling the game events in the virtual game environment 53 is conceivable.
  • Developing a device that is as simple as possible, with which one can walk in a natural and intuitive way, is based on the analysis of human walking.
  • Running analysis consisted of observing how the person runs. It turned out that the walking movement, as shown in Fig. 2 by means of symbolic footprints, can be reduced to two axes in a horizontal plane without restricting the walking movement too much.
  • the X-axis is the main direction of movement here. The greatest speed of movement of the foot can also be observed in this direction.
  • the yaw rotation (shown as R in Fig. 2) is a rotation about the Z-axis and corresponds to the rotational movement of the foot.
  • the present concept is based on the consideration of two slides 4, which move back and forth on two linear guides 2 like a movable floor and thus form the basis for running.
  • the linear guides 2 define a floor plane E of the device 1.
  • the chosen approach consists of tracking the foot rotation when walking on the "virtual floor plates” and using this as rotational movement input on the yaw axis (here Z-axis) to use.
  • the user 100 always remains in the same orientation and can still rotate in all directions and move forwards and backwards.
  • the feet always remain connected to the linear guide 2 (linear axis).
  • the goal was set to design the device to be as high-quality and robust as possible.
  • Linear rails (linear guides; X-axis)
  • the linear guides 2 enable the main part of the running movement.
  • the linear guides 2 each have a carriage 4 .
  • Each carriage 4 also has a foot receptacle 3, each foot receptacle 3 having a connecting part 30 which is connected to a shoe, preferably a sandal 39 can be connected.
  • the linear guides 2 are responsible for being able to move the foot forwards and backwards and bear the weight of the legs. In order to come as close as possible to running, one should feel the device 1 as little as possible. For this, the linear guides 2 are preferably particularly free of play and run smoothly.
  • the linear guides/linear rails 2 can be made from aluminum profiles. Such profiles can be seen in FIG. 4A, wherein FIG. 4A shows a sectional view of a linear guide 2 with a carriage 4 along the section line A'-A' shown in FIG. 4B. These profiles are robust and, with V-Slot wheels 40, run smoothly with little friction. Advantages include that they are cheap, quiet, robust and run with little friction. The disadvantages of V-Slot systems are that they are not very precise and durable. The fact that the precision in this application can be neglected and the longevity of the rollers is not a problem explains the choice of this system.
  • the lever forces that the linear guides 2 have to withstand are critical. These arise when trying to move the feet sideways (i.e. in the Y direction). The higher the position of the feet, the greater the leverage. Wide profiles (60 x 20 mm, preferably 40 x 20 mm) were used to absorb these forces well and to ensure stability. In Fig. 4A, the aforementioned leverage forces that can occur are represented by a block arrow.
  • both rollers 40 are attached to the same carriage part. This means that no tensioning mechanism has been designed here, which would be common for these reels.
  • the flexibility of 3D-printed parts, especially parts made of plastic, can be used for this.
  • Two rollers 40 are preferably arranged on each carriage part 41, 42, which lie opposite one another in the Y-direction and which each engage with an outer side of the linear guide 2.
  • the linear slide 4 shown separately in Fig. 5A and Fig. 5B, on which the rest of the structure is attached, consists of two slide parts, in particular a front slide part 41 and a rear slide part 42, on which the rollers 40 and two tubes, preferably made of Steel, 43 are fixed, the two tubes 43 running parallel to each other in the X-direction and the front carriage part 41 with the rear carriage part 42 associate.
  • These tubes 43 are inexpensive and provide a rigid, stable construction.
  • the tubes 43 can have a square profile (as shown in Figures 5A and 5B) or a round profile (not shown here), preferably with a diameter of 12 mm.
  • the rear carriage part 42 preferably has an articulated mount 44 attached to it for an articulated arm 6 described in more detail below.
  • the articulated arm 6 is the physical connection between the foot mount (foot mount) 3 and the carriage 4.
  • the articulated arm 6 can be seen clearly in FIGS. It transfers the power of the foot to the carriage 4 and must allow this enough freedom of movement.
  • the movements of the foot such as rolling and lifting (Z-axis), must be as unrestricted as possible.
  • the foot should also be supported, making lifting movements easier and less strenuous.
  • the articulated arm 6 must withstand the forces.
  • the articulated arm can also be designed in such a way that, to be on the safe side, it can fail in an emergency if something unplanned occurs.
  • the articulated arm 6 enables the foot to be lifted (Z-axis) and rolled (pitch). This is realized here with two ball-bearing axes (axis A, shown in FIG. 6, and axis B, shown in FIG. 7).
  • Axis A runs in the Y direction and designates the axis about which the articulated arm 6 can be rotated with respect to the articulated mount 44 , the articulated arm 6 being connected to the articulated mount 44 via a joint 15 (arm joint).
  • the articulated arm 6 can be made of aluminum, for example, or be 3D printed. Springs 7 were installed to support the foot when walking and to compensate for the weight of the system. In the embodiment shown, for example, in Fig.
  • a spring 7 can be seen, which is fastened with its first end to the articulated bracket 44 and with its second end to the articulated arm 6. It is conceivable to use at least one further spring for connecting the articulated arm 6 with the carriage 4 or with the joint holder 44, whereby this at least one further spring preferably runs parallel to the first spring 7 and is arranged, for example, above the first spring 7 (in the Z direction) or next to it (in the Y direction).
  • the foot can preferably be lifted up to 11 centimeters from the floor plates (first standing area part 8, second standing area part 9), which according to tests is sufficient for a normal walking movement.
  • 7 shows the arm 6 and the foot receptacle 3 arranged on an end area of the arm 6 in a raised state.
  • the foot mount 3 is included connected to the end portion of the arm 6 via a foot receiving joint 16 which defines the axis B.
  • the bend 60 in the arm 6 ensures sufficient freedom of movement when rolling.
  • the arm may comprise two parallel arm parts.
  • a connecting part can be 3D printed, which connects these two arm parts with solid screws in the Y direction.
  • the arms 6 can be dimensioned in such a way that they can easily absorb the forces during the running movement, but would break in an emergency (for example falling over in the device). This is very unlikely, but will prevent ankle injuries.
  • the foot receptacle can be designed in such a way that the foot can be easily detached from the device if movements are not intended.
  • FIG. 8 the carriage 4 can be seen in a perspective view from below, the rollers 40 being in engagement with the linear guide 2 .
  • FIG. 9 shows the embodiment of the carriage 4 with articulated arm 6 shown in FIG. 8 in a side view.
  • Foot mount Foot mount
  • axle yaw
  • the foot is physically connected to the articulated arm 6 and the carriage 4 via the foot mount 3 . In this way, forces can be transferred from the foot to the carriage 4 and the linear rails 2.
  • the foot holder 3 must be comfortable to wear and allow and measure the turning of the foot.
  • the foot holder 3 can preferably have rubber sandals. These have a smooth surface (sole) which allows good gliding on the footplates. In addition, they can be put on and taken off quickly and are comfortable to wear. The support in the sandals proved to be sufficiently high.
  • the foot holder 3 has a connecting part 30, preferably 3D printed, in which a rotation sensor, e.g. a rotation encoder or a potentiometer, evaluates the rotary movement.
  • a rotation sensor e.g. a rotation encoder or a potentiometer.
  • the movement is guided by a large ball bearing 34.
  • a 3D-printed adapter 31 can be attached, in particular glued, to the underside of the sandal.
  • One An embodiment of the connecting part 30 is shown in Figs. 10A-H, wherein Figs. 10B and 10C also show the adapter 31, which is preferably attached to the underside of the sandal.
  • the connecting part 30 has a swivel joint 17 in the form of a turntable 32, the turntable 32 having a magnet 33 in order to magnetically connect the adapter 31 to the turntable 32, preferably in a detachable manner.
  • the turntable also has nubs 37 which can engage in correspondingly arranged depressions of the adapter 31 for better alignment.
  • the turntable 32 and defines an axis C (see Figs. 10C and also Fig. 6) vertical to the turntable 32 about which the turntable 32 is rotatable.
  • a rotation of the turntable 32 is translated into a rotation of the eccentrically arranged ball bearing 34 by a cable pull mechanism.
  • the turntable 32 is connected to the ball bearing 34 via a cord (or rope, thread or band) 35 (only shown in FIG. 10E), with the cord 35 being able to be guided over deflection rollers 36 which can be arranged on the connecting part 30 .
  • the adapter 31 is connected directly to the ball bearing 34, i.e. without a cable pull mechanism and without a magnet, in such a way that the axis C coincides with the axis of rotation of the ball bearing 34.
  • the adapter 31 can be connected to the connection part 30 in a fixed, i.e. non-removable manner.
  • a removable adapter 31, in particular a magnetically connected adapter 31 has the advantage that the foot of the user 100, together with the sandal, to which the adapter 31 is attached, can be easily detached from the device 1 in the event of unforeseen movements and thus injuries can be prevented.
  • the foot plates are the standing surfaces (first standing surface part 8, second standing surface part 9) on which people stand when walking (see, for example, Figures 7-9). These must bear the weight of the legs and capture the protrusion.
  • the foot must be able to be placed in various positions and naturally rolled, with the heel of the foot preferably being able to be placed on the first standing surface part 8 , while the toes of the foot being able to be placed on the second standing surface part 9 .
  • FIG. 11 shows a running cycle ("natural rolling") in a schematically simplified manner Way, wherein in Fig. 12 to simplify the illustration, among other things, the arm 6 was omitted. In addition, they must allow easy rotation around the yaw axis (ie, the C-axis) of the foot, which is then translated as rotation in VR.
  • foot plates 8,9 can be 3D-printed, which can be attached to the tubes with a clamping mechanism to allow easy adjustment of the plates and thus make the device 1 flexible.
  • the advantage of the clamping mechanism is that the footplate (i.e. standing surfaces) can be easily moved or replaced.
  • the base parts 8, 9 can also be fixedly connected to the carriage 4, in particular screwed.
  • the first standing area part 8 is divided again into a left part 81 and a right part 82 (easily visible, for example, in FIGS. 6 and 7).
  • the left part 81 is fixed to the left of the arm 6 on one of the two tubes 43 of the carriage 4, as viewed by a user 100 as shown in FIG 43 is attached.
  • the second standing surface part 9 is arranged on the front carriage part 41 and screwed to this front carriage part 41, as in a side view in Fig. 12, and in the sectional view in Fig. 13A (along section line B'-B' in Fig. 12) and in the sectional view of Figure 13B (taken along line C'-C of Figure 12).
  • a conductive layer 38 in particular a copper layer or an aluminum adhesive layer or a conductive plastic layer, which can be glued both to the side of the foot receptacle 3 and to the side of the base parts 8,9.
  • the conductive layer 38 on the foot receptacle 3 (in a preferred embodiment on the underside of the sole of the sandal) is preferably connected to ground (0V potential).
  • the conductive layer 38 on the base parts 8.9 is preferably connected to a pin of the microcontroller, which can determine the contact between these surfaces with a built-in pull-up function.
  • a sensor is formed, by means of which it can be determined that the foot receptacle 3 is placed on the standing areas 8 , 9 , in particular the second standing area 9 .
  • Another advantage of the conductive layer 38 is that a good sliding between Fussssuit 3, in particular shoe or rubber sandal, and footplate 8.9 is made possible, which is important for rotary movements.
  • the base parts 8, 9, in particular the second base part 9, can alternatively also have a metal plate, for example made of aluminum.
  • the entire electronics of the detection device of a foot carriage 4 are located in the rear foot plate (first standing area part 8). This can evaluate movements and/or forces, in particular it can use the measuring cell and/or the rotation sensor (e.g. potentiometer) in the foot holder 3 (Yaw ) evaluate and/or record whether the foot is placed.
  • the rotation sensor e.g. potentiometer
  • the device has a detection device, by means of which a measured value corresponding to the respective carriage movement of at least one of the carriages 4, but in particular both carriages, can be detected and made available as a respective output value.
  • the detection device has an encoder module 5, preferably a linear encoder, and an encoder strip 10, which can be detected by the encoder module 5 without contact.
  • the encoder tape 10 is preferably attached to the linear guide 2 in a fixed manner.
  • FIG. 14B shows the detail marked as S1 in FIG. 14A in an enlarged view.
  • the encoder tape 10 is stretched from a front end of the linear guide 2 to a rear end of the linear guide 2 on an upper side of the linear guide 2, which is opposite the underside of the linear guide 2 in the Z direction.
  • the encoder module 5 is preferably, as shown in Fig. 14B (and also in a sectional view in Fig.
  • the detection device can be a belt system, as well as one that is rotatably connected to an axis U of a belt wheel 12
  • FIG. 15 A second embodiment of the device 1, which has such a detection device with a belt system, can be seen in FIG. 15 in a sectional view.
  • the pulley 12 which is arranged around the axis U, which connects the motor 13 to a support 19 arranged opposite the motor 13, the support 19 having a ball bearing for supporting the axis U in rotation.
  • the belt system must be as free of play as possible in order to guarantee precise measurement values from the linear guide 2 and to be able to react quickly with the motors.
  • robustness is important so that enough force can be exerted on the feet to stop them, for example, on a virtual wall, which is important for implementing a force haptic system, for example.
  • the belt system can have standard GT2 belts (toothed belts), which are common in 3D printers.
  • this belt 11 runs completely around the aluminum profile (i.e. the linear guide 2) and is attached to a load cell, which is preferably arranged on the rear carriage part.
  • the belt 11 transmits the power of the motor 13 to the linear slide 2.
  • the belt is guided at the rear end of the linear guide 2 via a deflection roller 18, which is shown in the rear view shown in Fig. 17 (view along the X-direction from the rear end of the linear guide 2) can be seen.
  • Many standard parts can be used in the construction.
  • the shaft of the deflection roller can consist of a cheap aluminum rod with a diameter of 8 mm.
  • the matching motor pulleys and couplings are also commercially available.
  • the ball bearings used for 8-millimeter shafts are also used in skateboards and are therefore readily available and cheap.
  • all pulleys are preferably fitted with double ball bearings.
  • the linear axes (ie the linear slides 4) can be operated, for example, with an FOC (field oriented control) circuit board, for example with an ODrive circuit board, and at least one brushless direct current motor (BLDC motor) in order to enable haptic feedback.
  • FOC field oriented control
  • BLDC motors with power in excess of 5 kW can be operated like servo motors at a fraction of the cost of industrial servo motor systems.
  • a preferred FOC controller such as ODrive has a torque mode.
  • Torque mode is a crucial feature for this device. This mode means that the engine always tries to deliver a constant torque, regardless of the engine speed. The torque, translated on one axis, then generates a force on the foot. This controllable force on the foot allows for haptic feedback.
  • ODrive also supports functions such as a position mode or a speed mode.
  • the encoders (angle of rotation sensor) 14 are evaluated by the ODrive (measured value) and the speed and position are then each converted into a parameter (output value).
  • the encoders 14 preferably have a resolution of over 8000 steps per revolution.
  • the theoretical resolution in the system can be 1/10 millimeter with these encoders. Realistically, the resolution with this implementation is in the millimeter range, which is sufficient.
  • a load cell can measure the force that presses vertically on the load cell and can output this as an analog signal.
  • the force on the articulated arm 6, the foot and the carriage 4 are measured.
  • the force is measured on the belt 11 which in this preferred embodiment is attached directly to the load cell, the load cell being attached to the carriage 4.
  • the device 1 can have a haptic system.
  • a haptic system makes it possible to feel virtual objects.
  • the device 1 can work with force feedback, a type of haptic feedback. This feeling is created by applying forces or transmitting vibrations to the user.
  • the games industry has been working on such technologies for a long time.
  • Game controllers for example, use a vibration motor that vibrates when there is a collision in the game.
  • the device 1 should preferably be able to dose force, pressure or vibration precisely in order to create a convincing illusion.
  • the device 1 or the game should preferably know when a virtual object (virtual item) 52 is being interacted with. It is advantageous to virtually simulate the part of the body to which you want to transfer haptic feedback.
  • the physics of a floor can be simulated by the forces that can be exerted on the feet. If both feet are placed, they can be virtually coupled to each other and can only move synchronously. It would also be conceivable to make the running movement with a lifted foot in the air easier than with ground contact. Such features can be easily implemented and tested.
  • certain embodiments can have a force haptic system.
  • a force haptic system actually applies force to the foot and gives the feeling that one is actually pressing against a virtual object 52. This is different compared to most haptic systems, as these only act on the skin by creating pressure or vibrations.
  • This force is generated by a force generating device, for example with the BLDC motors 13 on the linear axes 2, which can be controlled by a FOC controller. Now presses the foot in the virtual world against object, the FOC controller receives the command to translate this pressing into reality.
  • the motors 13 not only provide haptic feedback, they also contribute to a more natural running by increasing or decreasing the resistance of a movement.
  • the system reduces the resistance to a minimum when the foot is raised (foot in the air). On the ground, on the other hand, it creates a natural feeling of acceleration when running. Coupling the feet together if both are parked and only allowing synchronous movements would correspond to normal walking physics and is conceivable. These functions can be easily implemented in the software and then evaluated.
  • the force-generating device 13 can quickly bring great force to the foot slides 4 and thus to the feet. For safety reasons, this can be limited in the software, for example to 75W per motor 13. More than 10 times as much would be possible, which should provide enough leeway to be able to bring realistic forces to the foot.
  • the speed can also be limited, for example to 20 revolutions per second.
  • the task of the microcontroller is to record all the sensors and use them to calculate the movements that are transferred to the VR environment.
  • a flexible chicken platform can be used.
  • PC is an open source development platform consisting of software and hardware.
  • These microcontrollers can be programmed in a specially developed iOS IDE.
  • the development environment Visual Studio from Microsoft can be used with the Plugin Visual Mirco can be used.
  • This plugin makes it possible to program several microcontrollers at the same time in one application and to debug all of them in the serial monitor.
  • serial commands can be sent to the microcontroller.
  • a Teensy 3.2 can be used. This is an electrician compatible microcontroller that supports the same code and has many times the processing power of an electrician Mega.
  • three microcontrollers are used. This simplifies the transmission of the sensor signals and improves signal processing. In particular, the wiring can be simplified and better measured values can be guaranteed.
  • Four wires can lead to each of the foot carriages 4 in a ribbon cable. The power supply and the serial communication can be routed therein. This can be used to transfer the data from the sensors to the foot slides 4, which can be read out by an electrician Nano and thus digitized. This has the advantage that the analog sensors can be read with as little noise as possible and a lot of cable can be saved. Otherwise, about ten wires would have to be routed to each foot slide 4 . In addition, this would make the device 1 inflexible for further extensions.
  • the sensors 10 include the conductive layers 38 on the soles of the shoes (underside of the sandals 39) and on the foot plates 8,9, which determine whether the foot is planted. Sensors and actuators, in particular the motors for the haptic feedback, are preferably connected to at least one microcontroller via data interfaces.
  • the ODrive can be connected to the Teensy and communicate with it via TX1 and RX1. The ODrive can be fed directly with 24V DC from a power supply unit (PSU).
  • PSU power supply unit
  • the microcontrollers are preferably connected to each other via cables or wireless interfaces and can thus exchange data.
  • the microcontrollers can be connected to one another via RX and TX. These RX and TX pins are serial ports on the microcontrollers and allow data to be exchanged. Strings can be sent back and forth for communication, which simple are character strings (e.g. 'X5Y9' or 'Hello World'). If a first microcontroller now sends a string to a second microcontroller, this is received by the second microcontroller without interfering with its actual task. As a result, data can be exchanged efficiently and reliably in such a serial network, with possible data rates of over one million characters per second.
  • microcontrollers with several such interfaces are preferred.
  • the communication between the PC and the device was also implemented via such a serial interface. This allows data for the haptic feedback to be exchanged.
  • the Teensy has three serial ports. This allows it to easily communicate with multiple devices at the same time. When set up, it communicates with the two iOS Nanos, the ODrive and the PC via Serial.
  • Motion input via mouse emulation is also possible, particularly for a system without haptic feedback.
  • the Unreal Engine can be used as the game engine, i.e. the development environment in which games can be developed. This has good example games in which such a serial input and output can be implemented relatively easily.
  • a plugin called UE4Duino can be used for reading and writing the serial interface, which can be programmed graphically.
  • the foot In order to know when force needs to be applied to the feet, the foot can be examined in the VR world for interactions with virtual objects.
  • the feet can be theoretically simulated in the VR world. Since this is usually not necessary in games and is therefore not implied, this can be specially programmed.
  • the invention includes a computer game program 50 which is configured to interact with the device 1, as shown schematically in FIG.
  • the computer game program and the device can interact in particular by sending 55 signals/control signals/regulation signals to the device 1 and/or receiving 56 signals/control signals/regulation signals from the device 1 .
  • a third embodiment of the device 1 which is shown in FIG be allowing movement of the linear rails 2 relative to each other in the direction of the Y-axis, which can cause lateral movement in the game.
  • 19 shows an enlarged view of such a joint.
  • 20 shows an enlarged view of the front end of the linear guide 2, and a displacement roller 21 is attached to the front end of the linear guide 2, which facilitates movement of the linear guide 2 on the floor.
  • the joint 20 can in particular be motor-driven by a control signal from the game 50 in order to generate feedback on the feet of the player 100 from the game 50 .
  • a fourth embodiment of the device 1 is also conceivable, in which the two linear guides, as shown in FIG. 21, are connected to one another with rigid connecting rods in order to prevent accidental displacement of the linear guides relative to one another.
  • Both the third and the fourth embodiment of the device 1 can be conceivable with or without haptic feedback.
  • the rotary motion can be implemented and enhanced in other different ways.
  • Movement can be facilitated by simulating body momentum with the motorized linear rails.
  • the feet will automatically be accelerated when they are put down, as is the case with normal running.
  • the simulation of the feet in the VR world 53 can be helpful for the user for reasons of orientation. Since the device accurately records the position of the feet, this is easy to implement.
  • Additional functions can be implemented with the active linear axes. These functions increase the possibilities of interaction with the virtual environment. The resulting higher interaction between reality and virtual environment allows these worlds to merge more and ensures better immersion.
  • Collisions with virtual objects 52 can be simulated with the linear axes.
  • the foot is stopped as soon as you run into a virtual wall.
  • Another example is kicking a virtual ball, with the linear axes (linear guides 2) simulating contact.
  • the linear slides 4 can always be moved freely. However, this does not correspond to the physics of a floor on which one stands. In other embodiments, therefore, the inertia of the body is simulated. In such a case, when you start walking, you first have to accelerate the simulated mass. When you stop, you have to brake again, as is the case in reality. This can also ensure a smooth running movement.
  • Linear rails 37 nubs
  • Angle of rotation sensor 60 bend in the arm

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Abstract

Es wird Vorrichtung (1) gezeigt zur Führung und Erfassung der Bewegung der Füsse einer Person, welche Vorrichtung (1) für jeden Fuss eine auf einem Boden platzierbare Linearführung (2) aufweist. Die Linearführungen (2) definieren mit ihrer Unterseite eine Bodenebene (E) der Vorrichtung (1) und weisen jeweils einen eine Fussaufnahme (3) tragenden Schlitten (4) auf, welcher Schlitten (4) jeweils entlang der Linearführung (2) geführt hin und her bewegbar ist. Die Vorrichtung (1) weist weiter eine Erfassungseinrichtung (5) auf, durch welche ein der jeweiligen Schlittenbewegung mindestens eines der Schlitten (4), insbesondere aber beider Schlitten (4), entsprechender Messwert erfassbar und als jeweiliger Ausgabewert bereitstellbar ist, welcher Ausgabewert der Bewegung der jeweiligen Fussaufnahme in Richtung der Linearführung (2) entspricht

Description

TITEL
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERFASSUNG DER GEHBEWEGUNG EINER PERSON UND ZUR EINGABE IN EINE VIRTUELLE UMGEBUNG
TECHNISCHES GEBIET
Der Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung bzw. ein Verfahren, welches die Erfassung der Gehbewegung einer Person, sowie die Eingabe dieser Gehbewegung in eine virtuelle Umgebung (englisch: "Virtual Reality") ermöglicht, sowie ein entsprechendes Computerspiel bzw. Computerprogrammprodukt.
STAND DER TECHNIK
Virtual Reality (VR) Systeme werden immer beliebter. Setzt man eine VR-Brille auf, verlässt man die Realität und kann die endlosen Weiten von VR erkunden. Heutige Systeme für Privatanwender bestehen meist aus einer VR-Brille und VR-Motion-Controllern. Diese werden zum einfachen Navigieren und Interagieren mit der virtuellen Umgebung gebraucht.
Obwohl heutige VR-Systeme ein gutes Eintauchen in virtuelle Umgebungen ermöglichen, verursachen realitätsfremde Bewegungen, die vor allem beim Navigieren auftreten, bei vielen Benutzern Motion Sickness. Dies macht VR für viele Personen ungeeignet, da ihnen nach kurzer Zeit übel oder schwindlig wird.
Mit VR-Brillen und Motion-Kontrollern kann heute schon in eine VR-Welt eingetaucht werden. Allerdings gibt es noch keine zufriedenstellenden Bewegungslösungen, welche ein intuitives Laufen in VR-Welten ermöglichen, ohne sich physisch fortzubewegen. Dies bedeutet, dass man sich mit der VR- Brille physisch durch einen Raum oder virtuell mittels eines Joysticks bewegen muss. Da der Raum bei Privatanwendern meist begrenzt ist, wird auf Joystick-Systeme gesetzt, welche bei vielen Menschen "Motion Sickness" hervorrufen. Motion Sickness wird unter anderem dadurch hervorgerufen, dass sich die visuelle Wahrnehmung und die Bewegungen nicht decken. Eine Möglichkeit, die virtuelle und die reale Welt näher zusammen zu bringen, ist eine VR- T readmill. Dies ist eine Laufanlage, mit der man sich auf natürliche Weise in alle Richtungen bewegen und so virtuelle Umgebungen erkunden kann. Eine VR-Treadmill kann man sich wie ein Laufband (engl. Treadmill) vorstellen, welches die Gehbewegungen in die virtuelle Welt überträgt.
Eine Immersion im VR-Bereich beschreibt das Eintauchen in eine virtuelle Umgebung. Virtual-Reality-Systeme für Heimanwender mit Brille und Motion Controllern ermöglichen bereits heute eine überzeugende Immersion. Bei einer Immersion gewinnt der Spieler die Wahrnehmung in einer virtuellen Umgebung. Man kommt zur Überzeugung, sich in dieser zu befinden, wobei das Gefühl für die reale Umgebung verloren geht.
Erhältliche VR-Systeme haben jedoch zwei Schwachpunkte. Einer davon ist das beschränkte haptische Feedback. Ein weitaus grösseres Problem ist jedoch, dass sich der Anwender nur begrenzt bewegen kann - begrenzt im Sinne, dass man nicht realistisch durch die unendlich scheinenden VR-Welten bewegen kann, wie es in normalen Spielen üblich ist. Diese Grenze stellen die realen Platzverhältnisse dar. Auf das Problem wird im nächsten Abschnitt über die Problematik beim Bewegen in immersiven Räumen eingegangen.
Es gibt verschiedene Konzepte, um sich in VR bewegen zu können. Am besten funktioniert die synchrone Bewegung in VR und der Realität. Möchte man sich bei diesem System im Spiel einen Schritt nach vorne bewegen, muss man in der Realität ebenso einen Schritt nach vorne machen.
Das Problem dabei ist, dass die virtuelle Umgebung meistens grösser ist als die Platzverhältnisse in einem Zimmer.
Befindet sich der Spieler in einem Zimmer vor einer realen Wand und möchte beispielsweise durch eine virtuelle Tür weitergehen, stimmt diese meist nicht mit der realen Welt überein. Er kann daher nicht weiter durch die virtuelle Tür gehen, da ihm die reale Wand den Weg versperrt.
Die Lösung ist, dass sich der Spieler in der virtuellen Umgebung bewegen können muss, ohne sich in der Realität fortzubewegen. Dies wird meistens mit folgenden zwei Methoden umgesetzt. Der Spieler bewegt sich mit einem Joystick, wodurch er sich normal durch den Raum bewegen kann. Der Spieler teleportiert sich durch den Raum, wobei er bei Position A die Position B anvisiert und im nächsten Moment dort ist.
Das Problem ist, dass viele Personen bei solchen Bewegungen, die nicht mit der Realität synchron sind, "Motion-Sick" werden. Dies tritt weniger auf bei der Teleportation-Methode. Der Nachteil ist, dass bei jeder Teleportation die Orientierung verloren geht. Wird eine Bewegungsanimation beim Teleprotieren gemacht, kann der Orientierungsverlust minimiert werden. Dadurch tritt jedoch wieder stärker Motion Sickness auf.
Entstehung von Motion Sickness
Der Begriff "Motion Sickness" ist Englisch und steht für Reisekrankheit oder Bewegungskrankheit. "Motion Sickness" wird die körperliche Reaktion auf widersprüchliche Bild- und Bewegungsinformationen im Hirn genannt. Symptome sind unter anderem Übelkeit, Erbrechen, Kopfschmerzen, Blässe und Schwindel.
Die zuvor bei der Problematik beim Bewegen in immersiven Räumen erklärte, nicht synchrone Bewegung von Bild und Realität führt sehr schnell in VR zu Motion-Sickness. Der gleiche Effekt ergibt sich beim Lesen eines Buches während einer Autofahrt.
Wie viele Personen tatsächlich beim Verwenden von VR Systemen Motion-Sick werden, lässt sich nur schwer ermitteln.
Es gibt verschiedene Ansätze, um das Auftreten von Motion Sickness zu verhindern. Momentan sind die zuverlässigsten Lösungen eine statische VR-Umgebung zu verwenden, in der man sich möglichst wenig fortbewegt. Zudem wird oft geraten, Pausen einzulegen - wobei eine Pause einzulegen nicht immer als wirksame Lösung angesehen werden kann, da Betroffene unmittelbar an Motion-Sickness-Symptomen leiden können.
Bei den technischen Ansätzen gegen Motion Sickness wird primär versucht, die virtuelle und reale Welt in Einklang zu bringen. Dies scheint die einzige zuverlässige Methode zu sein, um wirksam gegen Motion Sickness vorzugehen.
Eine VR-Treadmill basiert auf dieser Erkenntnis. Die reale Laufbewegung wird in die virtuelle Welt übertragen. So kann Motion Sickness gelindert oder gar verhindert werden auf der Grundlage, dass die vom Hirn wahrgenommenen Informationen in VR mit den ausgeführten Bewegungen übereinstimmen. Zudem wird ein höheres Immersionslevel erreicht, was zu einem besseren VR-Erlebnis führt. Ein gutes VR-System mit hohen Bildwiederholfrequenzen, niedriger Latenz und gutem Tracking ist eine Voraussetzung, um die Synchronisation zwischen VR-Welt und VR-System (Realität) möglichst gut zu gewährleisten. Sind diese nicht synchron, besteht ein zusätzliches Risiko für Motion Sickness.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel dieser Erfindung ist es, nach neuartigem Konzept eine VR-Treadmill zu schaffen. Insbesondere ist es ein bevorzugtes Ziel, nach neuartigem Konzept ein VR-System zu schaffen, das eine Verbesserung des Komforts in VR und den Ausbau der Interaktionsmöglichkeiten, insbesondere ein möglichst intuitives Laufen ermöglichen soll. Es soll bestmöglich für Heimanwender geeignet sein, ein höheres Immersionslevel ermöglichen und Motion Sickness verhindern. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und deren Verwendung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, welches die Eingabe der Gehbewegung einer Person in eine VR- Umgebung ermöglicht und dabei das Auftreten von Motion Sickness bzw. Übelkeit vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Somit betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Führung und Erfassung der Bewegung der Füsse einer Person, welche Vorrichtung für jeden Fuss eine auf einem Boden platzierbare Linearführung aufweist, welche Linearführungen mit ihrer Unterseite eine Bodenebene der Vorrichtung definieren. In der Regel sitzt die Person, deren Gehbewegung erfasst werden soll auf einem Stuhl, welcher ebenfalls auf dem Boden steht.
Die Linearführungen weisen jeweils einen eine Fussaufnahme tragenden Schlitten auf, welcher Schlitten jeweils entlang der Linearführung geführt hin und her bewegbar ist. Damit ergibt sich eine Beschränkung der Fussbewegung entlang der Längsrichtung der Linearführung (nachfolgend jeweils als X-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems bezeichnet, wobei die X-Achse und die Y-Achse in der Bodenebene liegen).
Weiter weist die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, durch welche ein der jeweiligen Schlittenbewegung mindestens eines der Schlitten, insbesondere aber beider Schlitten, entsprechender Messwert erfassbar und als jeweiliger Ausgabewert bereitstellbar ist, welcher Ausgabewert der Bewegung der jeweiligen Fussaufnahme in Richtung der Linearführung entspricht. Dieser Ausgabewert kann dem Computerspiel bzw. der VR- Umgebung als Information für die Gehbewegung übermittelt werden und wird dort auf grundsätzlich bekannte Weise umgesetzt. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemässe Vorrichtung mit der eingeschränkten Bewegung in der realen Umgebung einerseits Motion Sickness zuverlässig vermeidbar ist und andererseits in der VR-Umgebung eine realistische Gehbewegung erzeugbar ist.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zusätzlich zum Heben und Senken der jeweiligen Fussaufnahme gegenüber der Bodenebene ausgestaltet. Dies erleichtert die Gehbewegung. Insbesondere ist dazu die jeweilige Fussaufnahme an einem Endbereich eines Arms angeordnet, welcher Arm mit seinem anderen Endbereich am jeweiligen Schlitten schwenkbar angeordnet ist, insbesondere derart, dass der Arm um eine am Schlitten angeordnete erste Achse schwenkbar ist, welche in einer zur Bodenebene parallelen Ebene und rechtwinklig zur Längsrichtung der Linearführung liegt. Dies ergibt eine einfache und stabile Konstruktion zur Ausführung des Hebens und Senkens bzw. der Vertikalbewegung in Z-Achse des Koordinatensystems.
Zur Erleichterung dieser Bewegung für den Benützer kann die Vorrichtung mindestens ein Federmittel aufweisen, welches beim Senken der jeweiligen Fussaufnahme spannbar und beim Heben der jeweiligen Fussaufnahme entspannbar ist.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung zusätzlich zum Neigen der Fussaufnahme (Pitch-Bewegung) relativ zur Bodenebene ausgestaltet ist, insbesondere indem die jeweilige Fussaufnahme am Endbereich des jeweiligen Arms um eine am Arm angeordnete zweite Achse schwenkbar ist, welche zweite Achse in einer zur Bodenebene parallelen Ebene und rechtwinklig zur Längsrichtung der Linearführung liegt. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung des Geheindrucks in der realen Umgebung.
Bevorzugt ist es weiter, dass die jeweilige Fussaufnahme derart schwenkbar am jeweiligen Schlitten bzw. am Arm angeordnet ist, dass bei parallel zur Bodenebene befindlicher Fussaufnahme eine Drehung der Fussaufnahme in der jeweiligen parallel zur Bodenebene liegenden Ebene bewirkbar ist (Gier- bzw. Yaw-Bewegung) und wobei durch die Erfassungseinrichtung ein der Drehung mindestens einer der Fussaufnahmen entsprechender Messwert erfassbar und als Ausgabewert bereitstellbar ist. Dies ermöglicht durch die Erfassung der Yaw-Bewegung der Fussaufnahme in der virtuellen Umgebung beim Gehen eine Richtungsänderung zu vollziehen. Obwohl ansonsten beim normalen Gehen eine Richtungsänderung durch eine Hüftbewegung ausgelöst wird, zeigt es sich, dass es für die Umsetzung einer Richtungsänderung in der virtuellen Umgebung leicht erlernbar ist, dies durch die genannte Drehung der Fussbewegung zu ermöglichen, was es dem Benützer erlaubt, mit dem Körper statisch sitzend zu bleiben, was die Entstehung von Motion-Sickness verhindert.
Bevorzugt weist der jeweilige Schlitten eine Standfläche auf, auf welche die jeweilige Fussaufnahme platzierbar ist, was eine definierte Position für die Füsse der spielenden Person ergibt. Bevorzugt ist die Standfläche zweitteilig mit einem ersten und zweiten Standflächenteil ausgebildet und weist insbesondere für jede Fussaufnahme einen Sensor auf, durch welchen feststellbar ist, dass die Fussaufnahme auf der Standfläche platziert ist. Dies ergibt eine einfache Lösung für die Erkennung, dass der Spieler mit beiden Füssen am Boden stillsteht, was für die entsprechende Darstellung in der virtuellen Umgebung hilfreich ist.
Bevorzugt weist die Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Bewegung des jeweiligen Schlittens einen mit dem Schlitten verbundenen umlaufenden Zahnriemen oder eine umlaufende Kette auf sowie einen mit einer Achse eines Riemenrads oder Kettenrads drehverbundenen Drehwinkelsensor. Dies ergibt eine einfache, robuste, genaue und gut auflösende Erfassung der Bewegung des Schlittens entlang der Linearführung und damit einen gut verwendbaren Ausgabewert für die Umsetzung der Bewegung in der virtuellen Umgebung. Alternativ kann die Erfassungseinrichtung die Position des Schlittens berührungslos messen, insbesondere mittels einer Distanzmessung bestimmen.
Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Krafterzeugungseinrichtung auf, durch welche mit einer Kraft auf den jeweiligen Schlitten in Richtung der Linearführung und in Abhängigkeit eines an der Krafterzeugungseinrichtung anlegbaren Steuereingangssignals einwirkbar ist. Dies erlaubt es, auf den Schlitten bzw. die Fussaufnahme eine Kraft auszuüben, mit der in der realen Umwelt eine Rückmeldung bzw. ein Feedback über eine Interaktion des virtuellen Fusses in der virtuellen Umgebung gegeben werden kann. Dies erlaubt ein besseres Spielerlebnis, indem zum Beispiel beim Gehen in der virtuellen Umgebung eine Berührung des virtuellen Fusses mit einer virtuellen Wand oder mit einem virtuellen Ball durch entsprechende Krafteinwirkung auf die Fussaufnahme in der realen Umgebung dargestellt werden kann. Wenn die Krafterzeugungseinrichtung jeweils einen elektrischen Antrieb aufweist, durch welchen auf den Zahnriemen oder auf die Kette einwirkbar ist, ergibt sich eine besonders einfache und robuste Lösung, mit welcher auch ein sehr genaues Feedback erzeugbar ist.
Bei einer Ausführungsform sind die Linearführungen an ihrem hinteren Ende zueinander verschiebbar verbunden und die Verschiebung der Linearführungen zueinander ist erfassbar und ein entsprechender Ausgabewert ist vorhanden. Dies ermöglicht eine weitere Variante der Richtungsänderung beim virtuellen Gehen, indem diese in der realen Umgebung durch die Verschiebung der Linearführungen zueinander bewirkt wird.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Vorrichtung als Eingabevorrichtung eines Computerspiels, indem mindestens einer der Ausgabewerte der Vorrichtung als Steuersignal für das Computerspiel verwendet wird.
Insbesondere wird dabei im Spiel die Gehbewegung einer virtuellen Spielperson oder eines virtuellen Spielgegenstands durch die Bewegung der Fussaufnahme der Vorrichtung gesteuert wird. Und insbesondere wird durch Drehung der Fussaufnahme eine Gehbewegung der virtuellen Spielperson bzw. des virtuellen Spielgegenstands in seitliche Richtung bewirkt.
Bevorzugt wird durch das Computerspiel ein Steuersignal oder es werden Steuersignale für die Krafterzeugungseinrichtung bereitgestellt. Bevorzugt wird dabei das Steuersignal in Abhängigkeit von der Position und Bewegung der virtuellen Spielperson bzw. des virtuellen Spielgegenstands im Computerspiel erzeugt. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Steuersignal in Abhängigkeit von der Position eines virtuellen Gegenstands im Computerspiel erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung einer Interaktion einer virtuellen Spielperson oder eines virtuellen Gegenstands mit einer realen Spielperson, wobei die reale Spielperson eine Vorrichtung gemäss der Erfindung bedient. Bevorzugt erfolgt dies, indem die reale Spielperson sitzend mit ihren Füssen die Fussaufnahmen der Vorrichtung bedient.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerspiel umfassend eine Vorrichtung gemäss der Erfindung sowie ein Spielprogramm. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Erzeugung einer Laufbewegung für ein Computerspiel, wobei die Bewegung des Spielers auf einem Schienensystem gemacht wird, welches eine Bewegung in Richtung einer X-Achse erzwingt, wobei die Laufbewegung in sitzender Position des Spielers erfolgt.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, bei dem die Position und Laufbewegung mit einer mechanischen Anordnung aus mindestens einer Linearschiene, insbesondere aus zwei Linearschienen, und aus Gelenken erfassbar ist.
Insbesondere ermöglicht dabei ein Gelenkarm eine Hebebewegung und Neigebewegung und ein Abrollen des Fusses des Spielers über eine Oberfläche ermöglicht.
Bevorzugt befindet sich in der Mitte des Fusses ein weiteres Gelenk, welches das Drehen des Fusses (Gierbewegung) ermöglicht, was eine Richtungsänderung in der virtuellen Umgebung bewirkt, wobei die Orientierung des Spielers in der realen Umgebung erhalten bleibt, so dass in der realen Umgebung keine Drehbewegung des Körpers notwendig ist, mit Ausnahme des Fusses bzw. der Füsse des Spielers.
Insbesondere sind die Linearschienen motorisiert, um eine Kraft auf die Füsse auszuüben, wodurch eine Interaktion mit der virtuellen Spielumgebung ermöglicht wird, wobei die Interaktion als die Fussbewegung in der realen Umgebung bremsende Interaktion und/oder als die Fussbewegung in der realen Umgebung beschleunigende Interaktion ausgestaltet ist und/oder als in der realen Umgebung die Reibung und Masse der Vorrichtung kompensierende Kraft ausgestaltet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Linearschienen durch ein Gelenk an der Hinterseite der Vorrichtung verbunden sind, wodurch eine Bewegung der Linearschienen relativ zueinander in Richtung der Y-Achse ermöglicht wird, was eine seitliche Bewegung im Spiel bewirkt, insbesondere wobei das Gelenk an der Hinterseite durch ein Steuersignal aus dem Spiel motorisch bewegbar ist, um aus dem Spiel ein Feedback auf die Füsse des Spielers zu erzeugen.
Weiter betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, insbesondere Computerspiel, welches dazu konfiguriert ist, mit einer Vorrichtung gemäss der vorangehenden Beschreibung zu interagieren, insbesondere durch den Austausch von Steuersignalen/Regelsignalen mit der Vorrichtung, z.B. durch das Senden von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen an die Vorrichtung und/oder den Empfang von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen von der Vorrichtung, wobei das Computerprogrammprodukt auf einem computerlesbares Speichermedium abspeicherbar ist und ausgebildeten Programmbefehle umfasst, wobei die Programmbefehle durch einen Computer bzw. ein Computersystem ausführbar sind.
Weiter betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, insbesondere Computerspiel, welches dazu konfiguriert ist, ein oder mehrere Schritte eines Verfahrens gemäss der vorangehenden Beschreibung auszuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie deren Verwendung in einem Computerspiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Laufbewegung einer Person;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A eine Schnittansicht des hinteren Schlittenteils und der Linearführung entlang der in Fig. 14B gezeichneten Linie A'-A' gemäss der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4B eine Seitenansicht des hinteren Schlittenteils und der Linearführung gemäss der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A eine perspektivische Ansicht des Schlittens von Fig. 3;
Fig. 5B den Schlitten von Fig. 5A mit einer Gelenkhalterung;
Fig. 6 die Ausführungsform der Fig. 3 in vergrösserter perspektivischer Ansicht von oben mit gesenktem Arm;
Fig. 7 perspektivischer Ansicht von oben eines Schlittens mit angehobenem Arm der Ausführungsform der Fig. 3 ohne Linearführung;
Fig. 8 die Ausführungsform der Fig. 3 in vergrösserter perspektivischer Ansicht von unten; Fig. 9 einen Ausschnitt der Ausführungsform der Fig. 3 in Seitenansicht;
Fig. 10A ein Verbindungsteil der Fusshalterung gemäss einer ersten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht;
Fig. 10B das Verbindungsteil der Fig. 10A in einer Schnittansicht;
Fig. 10C das Verbindungsteil der Fig. 10A mit einem aufgesetzten Adapter in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 10D das Verbindungsteil der Fig. 10A mit aufgesetztem Adapter in einer Schnittansicht;
Fig. 10E eine Aufsicht des Verbindungsteils der Fig. 10A mit Seil;
Fig. 10F eine Seitenansicht des Verbindungsteils der Fig. 10A;
Fig. 10G eine horizontale Schnittansicht des Verbindungsteils der Fig. 10A;
Fig. 10H eine Vorderansicht des Verbindungsteils der Fig. 10A;
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Laufzyklus unter Verwendung einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine vergrösserte Seitenansicht des vorderen Schlittenteils gemäss der ersten Ausführungsform der Fig. 3;
Fig. 13A eine Schnittansicht entlang der in Fig. 12 eingezeichneten Schnittlinie B'-B';
Fig. 13B eine Schnittansicht entlang der in Fig. 12 eigezeichneten Schnittlinie C'-C;
Fig. 14A eine perspektivische Ansicht der Linearführung mit Schlitten der Fig. 3 mit markiertem Ausschnitt S1 ;
Fig. 14B eine vergrösserte Ansicht des in Fig. 14A markierten Ausschnitts S1 ;
Fig. 15 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 ein vergrösserter perspektiver Ausschnitt der zweiten Ausführungsform der Fig. 15;
Fig. 17 eine Hinteransicht der zweiten Ausführungsform der Fig. 15;
Fig. 18 eine Aufsicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 eine vergrösserte Ansicht eines ersten Ausschnitts der dritten Ausführungsform der Fig. 18;
Fig. 20 eine vergrösserte Ansicht eines zweiten Ausschnitts der dritten Ausführungsform der Fig. 18, und
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden die verwendeten Begriffe und Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Koordinatensystem
Bei den verschiedenen Achsen und Bezeichnungen wird im Folgenden Bezug genommen auf ein kartesische Koordinatensystem, wie es in den Figuren 1 bis 3 gezeigt ist. Zusätzlich mit der Rotation der verschiedenen Achsen, kann die Lage und Position eines Objektes, sowohl im virtuellen als auch im realen Raum, mit einem Vektor angegeben werden. Die Position des Fusses eines Benutzers 100 wird in einem gewissen Zeitintervall von der Laufanlage (Treadmill) erfasst. Der Vektor zwischen diesen Positionen stellt dann im Raum pro Zeit den Geschwindigkeitsvektor dar, welcher als Kontrollinput für die Virtual-Reality (VR) Welt verwendet wird.
Bewegungskonzept
Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein möglichst heimanwender-freundliche Treadmill-System umfassend eine Vorrichtung 1 gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem man im Sitzen eine Gehbewegung simuliert. Bei einem solchen System ist das Gewicht des Benutzers 100 hauptsächlich auf einem Stuhl 200, was zum Vorteil hat, dass die Vorrichtung 1 nur einen Bruchteil des Gewichtes tragen muss und so schlanker ausgelegt werden kann. Durch das Sitzen wird zugleich das Problem mit dem Gleichgewicht gelöst, was sicherheitstechnisch und anwendungstechnisch Vorteile bringt und das bei vergleichsweise geringen Kosten.
Wie in Figur 1 dargestellt, kann die Vorrichtung 1 als Eingabevorrichtung eines Computerspiels dienen, indem mindestens einer der Ausgabewerte der Vorrichtung als Steuersignal für das Computerspiel verwendet wird. In dem in Fig. 1 skizzierten Beispiel wird die Gehbewegung einer virtuellen Spielperson 51 in einer virtuellen Spielumgebung 53 gesteuert. Das Computerspiel umfasst ein Computerspielprogramm 50, welches mit der Vorrichtung 1 interagieren kann, z.B. durch das Senden 55 von Signalen, insbesondere von Steuersignalen und/oder Regelsignalen an die Vorrichtung 1 oder durch das Empfangen 56 von Signalen, insbesondere von Steuersignalen und/oder Regelsignalen von der Vorrichtung 1. Der Benutzer 100 kann die virtuelle Spielumgebung 53 beispielsweise über eine dazu ausgebildete VR-Brille 300 wahrnehmen, welche ein Computersystem 54 umfasst, auf welcher das Computerspielprogramm 50 ausgeführt werden kann, und welche mit der Vorrichtung 1 verkabelt oder kabellos verbunden sein kann. Eine Kombination der Vorrichtung 1 mit weiteren Spielaccessoires 400 zur Steuerung des Spielgeschehens in der virtuellen Spielumgebung 53 sind denkbar.
Eine möglichst einfache Vorrichtung zu entwickeln, mit der man auf natürliche und intuitive Art gehen kann, basiert auf der Analyse des menschlichen Gehens. Die Laufanalyse bestand daraus, zu beobachten, wie der Mensch läuft. Es stellte sich heraus, dass die Laufbewegung, wie in Fig. 2 anhand symbolischer Fussabdrücke dargestellt, auf zwei Achsen in einer horizontalen Ebene reduziert werden kann, ohne die Laufbewegung zu stark einzuschränken. Die X-Achse ist hier die Haupt-Bewegungsrichtung. In diese Richtung kann auch die grösste Bewegungsgeschwindigkeit des Fusses beobachtet werden. Die Yaw-Rotation (in Fig. 2 mit R dargestellt) ist eine Drehung um die Z-Achse und entspricht der Rotationsbewegung des Fusses.
Das vorliegende Konzept setzt auf die Überlegung von zwei Schlitten 4, die wie ein beweglicher Boden auf zwei Linearführungen 2 hin und her fahren und so die Unterlage für das Laufen bilden. Die Linearführungen 2 definieren mit ihrer Unterseite eine Bodenebene E der Vorrichtung 1. Um die Drehbewegung realistisch zu simulieren, besteht der gewählte Lösungsansatz darin, die Fussdrehung beim Laufen auf den «Virtuellen Bodenplatten» zu verfolgen und diese als Drehbewegungsinput auf der Yaw-Achse (hier Z-Achse) zu verwenden. Somit bleibt der Benutzer 100 immer gleich ausgerichtet und kann sich trotzdem in alle Richtungen drehen und sich vor- und rückwärts bewegen. Die Füsse bleiben bestimmungsgemäss immer mit der Linearführung 2 (Linearachse) verbunden. Zudem wurde das Ziel gesetzt, die Vorrichtung so hochwertig und robust wie möglich zu konzipieren.
Linearschienen (Linearführungen; X-Achse)
In Fig. 3 sind zwei parallel nebeneinander angeordnete Linearführungen 2 gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Linearführungen 2 ermöglichen den Hauptteil der Laufbewegung. Die Linearführungen 2 weisen jeweils einen Schlitten 4 auf. Jeder Schlitten 4 weist zudem eine Fussaufnahme 3 auf, wobei jede Fussaufnahme 3 ein Verbindungsteil 30 aufweist, das mit einem Schuh, bevorzugt einer Sandale 39, verbunden werden kann. Die Linearführungen 2 sind dafür verantwortlich, dass man den Fuss vorwärts und rückwärts bewegen kann und tragen das Gewicht der Beine. Um dem Laufen möglichst nahe zu kommen, sollte man die Vorrichtung 1 möglichst wenig spüren. Dafür sind die Linearführungen 2 bevorzugt besonders spielfrei und leichtläufig.
Die Linearführungen/Linearschienen 2 können aus Aluminiumprofilen gefertigt werden. Derartige Profile sind in Fig. 4A zu sehen, wobei Fig. 4A eine Schnittansicht einer Linearführung 2 mit einem Schlitten 4 entlang der in Fig. 4B gezeigten Schnittlinie A'-A' darstellt. Diese Profile sind robust und bilden mit V-Slot Rollen 40 einen sauberen Lauf mit wenig Reibung. Vorteile sind unter anderem, dass sie günstig sind, leise, robust und mit wenig Reibung laufen. Die Nachteile an V-Slot Systemen sind, dass sie nicht sehr präzise und langlebig sind. Dass die Präzision bei dieser Applikation etwas vernachlässigt werden kann und die Langlebigkeit der Rollen kein Problem darstellt, begründet die Wahl dieses Systems.
Kritisch sind die Hebelkräfte, welche die Linearführungen 2 aushalten müssen. Diese entstehen beim Versuch, die Füsse seitlich (d.h. in Y-Richtung) zu bewegen. Je höher die Position der Füsse, desto grösser wird die Hebelkraft. Um diese Kräfte gut aufzunehmen und die Stabilität zu gewährleisten, wurden breite Profile (60 x 20 mm, bevorzugt 40 x 20 mm) verwendet. In Fig. 4A sind die genannten Hebelkräften, die auftreten können, durch einen Blockpfeil dargestellt.
Wie man in der Schnittansicht in Fig. 4A auch erkennen kann, sind beide Rollen 40 am gleichen Schlittenteil befestigt. Dies bedeutet, dass hier kein Spannmechanismus entworfen wurde, was für diese Rollen üblich wäre. Dafür kann die Flexibilität von 3D- gedruckten Teilen, insbesondere Teilen aus Kunststoff, ausgenutzt werden. Bevorzugt sind an jedem Schlittenteil 41 ,42 zwei Rollen 40 angeordnet, welche einander in Y-Richtung gegenüberliegen und welche jeweils mit einer Aussenseite der Linearführung 2 im Eingriff sind.
Der Linearschlitten 4, separat gezeigt in Fig. 5A und Fig. 5B, auf dem die restliche Konstruktion befestigt wird, besteht aus zwei Schlittenteilen, insbesondere einem vorderen Schlittenteil 41 und einem hinteren Schlittenteil 42, an denen die Rollen 40 sowie zwei Rohre, bevorzugt aus Stahl, 43 befestigt sind, wobei die zwei Rohre 43 parallel zueinander in X-Richtung verlaufen und den vorderen Schlittenteil 41 mit dem hinteren Schlittenteil 42 verbinden. Diese Rohre 43 sind günstig und sorgen für eine steife, stabile Konstruktion. Die Rohre 43 können ein viereckiges Profil (wie in Fig. 5A und 5B gezeigt) oderein rundes Profil (hier nicht gezeigt), bevorzugt mit 12 mm Durchmesser, aufweisen. Wie in Fig. 5B gezeigt, ist am hinteren Schlittenteil 42 bevorzugt eine Gelenkhalterung 44 für einen nachstehend detaillierter beschriebenen Gelenkarm 6 befestigt.
Gelenkarm (Z-Achse & Pitch)
Der Gelenkarm 6 ist die physikalische Verbindung zwischen der Fusshalterung (Fussaufnahme) 3 und dem Schlitten 4. Der Gelenkarm 6 ist in den Figuren 6 und 7 gut zu sehen. Er überträgt die Kraft des Fusses auf den Schlitten 4 und muss diesem genügend Bewegungsfreiraum lassen. Die Bewegungen des Fusses, wie Abrollen und Heben (Z- Achse), müssen möglichst uneingeschränkt sein. Ebenfalls sollte der Fuss unterstützt werden, wodurch Hebebewegungen einfacher und weniger anstrengend sind. Mechanisch muss der Gelenkarm 6 den Kräften standhalten. Der Gelenkarm kann zudem derart ausgebildet sein, dass er sicherheitshalber bei einem Notfall gezielt versagen, falls etwas Ungeplantes eintritt.
Der Gelenkarm 6 ermöglicht das Heben (Z-Achse) und Abrollen (Pitch) des Fusses.. Dies ist hier mit zwei kugelgelagerten Achsen (Achse A, eingezeichnet in Fig. 6, und Achse B, eingezeichnet in Fig. 7) realisiert. Achse A verläuft in Y-Richtung und bezeichnet die Achse, um welche sich der Gelenkarm 6 bezüglich der Gelenkhalterung 44 drehen lässt, wobei der Gelenkarm 6 über ein Gelenk 15 (Armgelenk) mit der Gelenkhalterung 44 verbunden ist. Der Gelenkarm 6 kann dabei beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein oder 3D-gedruckt sein. Um den Fuss beim Laufen zu unterstützen und das Gewicht der Anlage zu kompensieren, wurden Federn 7 verbaut. In der beispielsweise in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist eine Feder 7 zu sehen, die mit ihrem ersten Ende an der Gelenkhalterung 44 befestigt ist und mit ihrem zweiten Ende am Gelenkarm 6. Es ist denkbar, mindestens eine weitere Feder zur Verbindung des Gelenkarms 6 mit dem Schlitten 4 bzw. mit der Gelenkhalterung 44 zu verwenden, wobei diese mindestens eine weitere Feder bevorzugt parallel zur ersten Feder 7 verläuft und beispielsweise oberhalb der ersten Feder 7 (in Z-Richtung) oder daneben (in Y-Richtung) angeordnet ist. Der Fuss kann von den Bodenplatten (erster Standflächenteil 8, zweiter Standflächenteil 9) bevorzugt bis zu 11 Zentimetern angehoben werden, was für eine normale Laufbewegung laut Tests ausreichend ist. Fig. 7 zeigt den Arm 6 und die an einem Endbereich des Arms 6 angeordnete Fussaufnahme 3 in einem angehobenen Zustand. Die Fussaufnahme 3 ist mit dem Endbereich des Arms 6 über ein Fussaufnahmegelenk 16 verbunden, welches die Achse B definiert. Durch die Biegung 60 im Arm 6 wird für genügend Bewegungsfreiheit beim Abrollen gesorgt. In gewissen Ausführungsformen (nicht in den Figuren gezeigt) kann der Arm zwei parallel verlaufende Armteile umfassen. Um Querkräfte besser aufnehmen zu können, kann ein Verbindungsteil 3D-gedruckt, welches diese beiden Armteile mit massiven Schrauben in Y-Richtung verbindet.
Die Arme 6 können so dimensioniert sein, dass diese die Kräfte bei der Laufbewegung gut aufnehmen können, jedoch bei einem Notfall (beispielweise Umstürzen in der Vorrichtung) brechen würden. Dies ist sehr unwahrscheinlich, beugt jedoch Knöchelverletzungen vor. Alternativ kann die Fussaufnahme derart ausgebildet sein, dass sich der Fuss bei nicht vorgesehenen Bewegungen leicht von der Vorrichtung lösen lässt.
In Fig. 8 ist der Schlitten 4 in einer perspektivischen Ansicht von unten zu sehen, wobei die Rollen 40 im Eingriff mit der Linearführung 2 stehen.
Fig. 9 zeigt die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform des Schlittens 4 mit Gelenkarm 6 in einer Seitenansicht.
Fusshalterung (Fussaufnahme) und Achse (Yaw)
Der Fuss wird physikalisch über die Fusshalterung 3 mit dem Gelenkarm 6 und dem Schlitten 4 verbunden. So können Kräfte vom Fuss auf den Schlitten 4 und die Linearschienen 2 übertragen werden. Dabei muss die Fusshalterung 3 einen guten Tragekomfort bieten und das Drehen des Fusses ermöglichen und messen. Um die Füsse mit der Vorrichtung 1 komfortabel zu verbinden und ein angenehmes Laufen ermöglichen, kann die Fusshalterung 3 bevorzugt Gummi-Sandalen aufweisen. Diese haben eine glatte Oberfläche (Sohle), welche gutes Gleiten auf den Fussplatten ermöglicht. Zudem lassen sie sich schnell an und ausziehen und haben einen guten Tragekomfort. Der Halt in den Sandalen erwies sich als genügend hoch. Um die Füsse auf der Yaw Achse drehen und tracken zu können, weist die Fussaufnahme 3 ein Verbindungsteil 30 auf, bevorzugt 3D- gedruckt, in welchem ein Rotationssensor, z.B. ein Rotations-Encoder oder ein Potentiometer die Drehbewegung auswertet. Geführt wird die Bewegung durch ein grosses Kugellager 34.
Um die Sandalen mit dem Verbindungsteil 30 zu verbinden, kann ein 3D-gedruckter Adapter 31 auf die Unterseite der Sandale befestigt, insbesondere geklebt, werden. Eine Ausführungsform des Verbindungsteils 30 ist in Fig. 10A-H gezeigt, wobei in den Fig. 10B und 10C auch der Adapter 31 zu sehen ist, welcher bevorzugt auf der Unterseite der Sandale befestigt ist. In der hier gezeigten Ausführungsform weist das Verbindungsteil 30 ein Drehgelenk 17 in Form einer Drehscheibe 32 auf, wobei die Drehscheibe 32 einen Magneten 33 aufweist, um den Adapter 31 bevorzugt auf abnehmbare Weise magnetisch mit der Drehscheibe 32 zu verbinden. Die Drehscheibe weist zudem Noppen 37 auf, welche zur besseren Ausrichtung in entsprechend angeordnete Vertiefungen des Adapters 31 eingreifen können. Die Drehscheibe 32 und definiert eine zur Drehscheibe 32 vertikal verlaufende Achse C (siehe Fig. 10C und auch Fig. 6), um welche die Drehscheibe 32 drehbar ist. Eine Drehung der Drehscheibe 32 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Seilzugmechanismus in eine Drehung des exzentrisch angeordneten Kugellagers 34 übersetzt. Dazu ist die Drehscheibe 32 über eine Schnur (bzw. Seil, Faden oder Band) 35 mit dem Kugellager 34 verbunden (nur eingezeichnet in Fig. 10E) wobei die Schnur 35 über Umlenkrollen 36 geführt werden kann, welche am Verbindungsteil 30 angeordnet sein können.
In einer weiteren (hier nicht in den Figuren gezeigten) Ausführungsform ist der Adapter 31 direkt, d.h. ohne Seilzugmechanismus und ohne Magnet, mit dem Kugellager 34 verbunden, derart, dass die Achse C mit der Drehachse des Kugellagers 34 zusammenfällt.
In gewissen Ausführungsform kann der Adapter 31 fix, d.h. nicht abnehmbar mit dem Verbindungsteil 30 verbunden sein. Ein abnehmbarer Adapter 31, insbesondere ein magnetisch verbundener Adapter 31 , weist allerdings den Vorteil auf, dass sich der Fuss des Benutzers 100 gemeinsam mit der Sandale, an welchem der Adapter 31 befestigt ist, bei unvorhergesehenen Bewegungen leicht von der Vorrichtung 1 lösen lässt und somit Verletzungen vorgebeugt werden können.
Fussplatten («Virtuelle Bodenplatten») und Erkennung
Die Fussplatten sind die Standflächen, (erster Standflächenteil 8, zweiter Standflächenteil 9) auf denen beim Laufen abgestanden wird (siehe beispielsweise Figuren 7-9). Diese müssen das Gewicht der Beine tragen und das Abstehen erfassen. Der Fuss muss in verschiedenen Positionen abgesetzt und natürlich abgerollt werden können, wobei bevorzugt die Ferse des Fusses auf dem ersten Standflächenteil 8 abstellbar ist, während die Zehen des Fusses dem zweiten Standflächenteil 9 abstellbar sind. Zur Visualisierung zeigt Fig. 11 einen Laufzyklus ("natürliches Abrollen") in einer schematisch vereinfachten Weise, wobei in Fig. 12 zur Vereinfachung der Darstellung unter anderem der Arm 6 weggelassen wurde. Zudem müssen sie ein leichtes Drehen um die Yaw Achse (d.h, die C-Achse) des Fusses ermöglichen, welche dann als Drehen in VR umgesetzt wird.
Um ein realistisches Abstehen und Abrollen auf der Anlage zu ermöglichen, können Fussplatten 8,9 3D-gedruckt werden, die mit einem Spannmechanismus an den Rohren befestigt werden können, um ein einfaches Justieren der Platten zu ermöglichen und so die Vorrichtung 1 flexibel zu machen. Der Vorteil des Spannmechanismus ist, dass die Fussplatte (d.h. Standflächen) einfach verschoben oder ersetzt werden können.
Alternativ können die Standflächenteile 8, 9 auch fix mit dem Schlitten 4 verbunden, insbesondere verschraubt sein.
In der hier gezeigten Ausführungsform ist der erste Standflächenteil 8 nochmals in einen linken Teil 81 und einen rechten Teil 82 unterteilt (gut sichtbar beispielsweise in den Figuren 6 und 7). Der linke Teil 81 ist, aus Sicht eines Benutzers 100 wie er in Fig. 1 gezeigt ist, links vom Arms 6 an einem der beiden Rohre 43 des Schlittens 4 befestigt, während der rechte Teil 82 rechts vom Arm 6 an dem anderen der beiden Rohe 43 befestigt ist. Der zweite Standfläch enteil 9 ist auf dem vorderen Schlittenteil 41 angeordnet und mit diesem vorderen Schlittenteil 41 verschraubt, wie in einer Seitenansicht in Fig. 12, sowie in der Schnittansicht in Fig. 13A (entlang Schnittlinie B'-B' in Fig. 12) und in der Schnittansicht in Fig. 13B (entlang Schnittlinie C'-C in Fig. 12) zu sehen ist.
Zudem wird bevorzugt erfasst, ob die Füsse abgestellt sind, also Kontakt mit der Fussplatte, d.h. mit dem ersten Standfläch enteil 8 und dem zweiten Standflächenteil 9, haben oder in der Luft sind. Dies kann mit einer leitenden Schicht 38, insbesondere einer Kupferschicht oder einer Aluminiumklebeschicht oder einer leitenden Plastikschicht erreicht werden, die sowohl auf Seiten der Fussaufnahme 3, als auch auf Seiten der Standflächenteile 8,9 aufgeklebt werden kann. Die leitende Schicht 38 an der Fussaufnahme 3 (in einer bevorzugten Ausführungsform auf der Unterseite der Fusssohle der Sandalen) ist bevorzugt mit Masse (0V Potential) verbunden. Die leitende Schicht 38 an den Standflächenteile 8,9 ist bevorzugt mit einem Pin des Microcontrollers verbunden, welcher mit einer eingebauten Pull-Up-Funktion den Kontakt zwischen diesen Flächen feststellen kann. Dadurch wird also ein Sensor gebildet, durch welchen feststellbar ist, dass die Fussaufnahme 3 auf den Standflächen 8,9, insbesondere der zweiten Standfläche 9, platziert ist. Ein weiterer Vorteil der leitenden Schicht 38 ist, dass ein gutes Gleiten zwischen Fusssaufnahme 3, insbesondere Schuh bzw. Gummi-Sandale, und Fussplatte 8,9 ermöglicht wird, was bei Drehbewegungen wichtig ist. Anstatt mit einer dünnen leitenden Schicht 38 versehen zu sein, können die Standflächenteile 8,9, insbesondere der zweite Standflächenteil 9, alternativ auch eine Metallplatte, beispielsweise aus Aluminium, aufweisen. In der hinteren Fussplatte (erster Standflächenteil 8) befindet sich zudem die ganze Elektronik der Erfassungseinrichtung eines Fussschlittens 4. Diese kann Bewegungen und/oder Kräfte auswerten, insbesondere kann sie die Messzelle und/oder den Rotationssensor (z.B. Potentiometer) in der Fusshalterung 3 (Yaw) auswerten und/oder erfassen, ob der Fuss abgesetzt ist.
Erfassungsssystem (Erfassungseinrichtung) (X-Achse)
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Nutzer in der VR-Welt bewegt, skaliert mit der Geschwindigkeit des Schlittens 4. Um ein flüssiges Laufen zu ermöglichen, sollte das System möglichst präzise und latenzfrei sein. Dazu weist die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, durch welche ein der jeweiligen Schlittenbewegung mindestens eines der Schlitten 4, insbesondere aber beider Schlitten, entsprechender Messwert erfassbar und als jeweiliger Ausgabewert bereitstellbar ist.
In einer ersten Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung ein Encodermodul 5, bevorzugt einen linearen Encoder, auf, sowie ein Encoderband 10, welches vom Encodermodul 5 berührungslos erfasst werden kann. Das Encoderband 10 ist, wie in Fig. 14A und Fig. 14B gezeigt, bevorzugt fix an der Linearführung 2, angebracht. Fig. 14B zeigt den als S1 markierten Ausschnitt in Fig. 14A in vergrösserter Ansicht. Insbesondere ist das Encoderband 10 von einem vorderen Ende der Linearführung 2 zu einem hinteren Ende der Linearführung 2 auf einer Oberseite der Linerarführung 2, welcher der Unterseite der Linearführung 2 in Z-Richtung gegenüberliegt, aufgespannt. Das Encodermodul 5 ist bevorzugt, wie in Fig. 14B (und auch in Schnittansicht in Fig.13A) gezeigt, am vorderen Schlittenteil 41 befestigt, derart, dass eine Bewegung des Schlittens 4 in X-Richtung relativ zum Encoderband 10 (und somit relativ zur Linearführung 2) vom Encodermodul 5 als Messwert, insbesondere als Positionswert, erfasst werden kann.
Riemensystem (X-Achse)
Zur Erfassung der Bewegung des jeweiligen Schlittens 4 kann die Erfassungseinrichtung ein Riemensystem, sowie einen mit einer Achse U eines Riemenrads 12 drehverbundenen Drehwinkelsensor (Encoder) 14 aufweisen, welcher bevorzugt an dem vorderen Ende der Linearführung 2 angeordnet ist.
Eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 , welche eine derartige Erfassungseinrichtung mit Riemensystem aufweist, ist in Fig. 15 in einer Schnittansicht zu sehen. Wie in einer vergrösserten perspektivischen Ansicht des vorderen Endes der Linearführung gemäss dieser zweiten Ausführungsform in Fig. 16 zu sehen ist, überträgt das Riemensystem durch einen Riemen 11 die lineare Bewegung des Schlittens 4 in die Rotationsbewegung eines Motors 13 mit Encoder 14, wobei der Riemen auf dem Riemenrad 12 aufliegt, welcher um die Achse U herum angeordnet ist, die den Motor 13 mit einer gegenüber dem Motor 13 angeordneten Halterung 19 verbindet, wobei die Halterung 19 ein Kugellager zur drehbaren Lagerung der Achse U aufweist. Das Riemensystem muss möglichst spielfrei sein, um präzise Messwerte der Linearführung 2 zu garantieren und um schnell mit den Motoren reagieren zu können. Zudem ist die Robustheit wichtig, damit genügend Kraft auf die Füsse ausgeübt werden kann, um diese beispielweise bei einer virtuellen Wand zu stoppen, was beispielsweise für eine Implementierung eines Force-Haptik-Systems wichtig ist.
Das Riemensystem kann Standard GT2 Riemen (Zahnriemen) aufweisen, welche bei 3D- Druckern üblich sind. Dieser Riemen 11 läuft in dieser zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 einmal komplett um das Aluminium-Profil (d.h. die Linearführung 2) herum und ist an einer Wägezelle befestigt, welche bevorzugt am hinteren Schlittenteil angeordnet ist. Der Riemen 11 überträgt die Kraft des Motors 13 auf den Linearschlitten 2. Der Riemen wird am hinteren Ende der Linearführung 2 über eine Umlenkungsrolle 18 geführt, welche in der in Fig. 17 dargestellten Hinteransicht (Sicht entlang der X-Richtung vom hinteren Ende der Linearfühung 2) zu sehen ist. Bei der Konstruktion können viele Normteile verwendet werden. Beispielweise kann die Welle bei der Umlenkungsrolle aus einem günstigen Aluminiumstab mit 8 mm Durchmesser bestehen. Die dazu passenden Motor- Pulleys und Kupplungen sind ebenfalls kommerziell erhältlich. Die verwendeten Kugellager für 8-Millimeter Wellen werden ebenfalls in Rollbrettern verwendet und sind somit gut erhältlich und günstig. Damit das System möglichst leise und reibungsarm läuft, sind alle Pulleys bevorzugt zweifach kugelgelagert.
Zudem kann es vorteilhaft sein, die Kraft, die ein Nutzer gegen die Linearführung 2 ausübt, auszuwerten. Mit dieser Information kann dann die Reibung und/oder die Masse der Schlitten 4 kompensiert werden und ein haptisches Feedback implementiert werden. Die Bewegung der Linearschlitten 4 wird über das Riemensystem 11 auf die Motoren und Encoder übertragen. Die Linearachsen (d.h. die Linearschlitten 4) können beispielsweise mit einer FOC (field oriented control) Platine, beispielsweise mit einer ODrive Platine, und mindestens einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) betrieben werden, um das haptische Feedback zu ermöglichen. Mit einer FOC Steuerplatine können BLDC Motoren mit über 5 kW Leistung wie Servomotoren betrieben werden und dies für einen Bruchteil der Kosten von industriellen Servomotor-Systemen. Dies wird erreicht, indem günstige BLDC Motoren aus dem Hobbybereich zusammen mit einem Encoder gekoppelt werden. Diese Motoren werden normalerweise für Drohnen, elektrische Skateboards oder weitere Hobbyapplikationen eingesetzt. Vorteile gegenüber einem Schrittmotor sind die hohe Leistung, Drehmoment, Effizienz, geringe Lautstärke und weitere Funktionen, die mit FOC möglich sind.
Ein bevorzugter FOC-Controller wie beispielsweise ODrive weist einen Drehmoment- Modus auf. Der Drehmoment-Modus ist eine entscheidende Funktion für diese Vorrichtung. Dieser Modus bedeutet, dass der Motor unabhängig von der Motordrehzahl versucht, immer ein konstantes Drehmoment zu liefern. Das Drehmoment erzeugt dann, übersetzt auf einer Achse, eine Krafteinwirkung auf den Fuss. Diese steuerbare Kraft auf den Fuss ermöglicht haptisches Feedback. ODrive unterstützt, neben dem Drehmoment-Modus, auch Funktionen wie einen Positions-Modus oder Geschwindigkeits-Modus.
Die Encoder (Drehwinkelsensor) 14 werden vom ODrive ausgewertet (Messwert) und die Geschwindigkeit sowie die Position werden anschliessend in jeweils einen Parameter (Ausgabewert) umgerechnet.
Die Encoder 14 haben bevorzugt eine Auflösung von über 8Ό00 Schritten pro Umdrehung. Die theoretische Auflösung im System kann mit diesen Encodern 1/10 Millimeter betragen. Realistisch betrachtet liegt die Auflösung mit dieser Umsetzung im Millimeterbereich, was ausreichend ist.
Für Funktionen wie das haptische Feedback kann es vorteilhaft sein, die Kraftübertragung zu messen. Dies kann von einer Wägezelle bzw. Kraftmesszelle (in der Regel mit Dehnungsmessstreifen versehen) ausgeführt werden. Eine Wägezelle kann die Kraft messen, die vertikal auf die Wägezelle drückt und kann diese als analoges Signal herausgeben. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Kraft auf dem Gelenkarm 6, den Fuss und den Schlitten 4 gemessen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kraft auf dem Riemen 11 gemessen, der in dieser bevorzugten Ausführungsform direkt an der Wägezelle befestigt ist, wobei die Wägezelle am Schlitten 4 befestigt ist.
Haptik System
Gewisse Ausführungsformen der Vorrichtung 1 können ein Haptik-System aufweisen. Ein Haptik-System ermöglicht es, virtuelle Objekte fühlen zu können. Insbesondere kann die Vorrichtung 1 mit Force Feedback arbeiten, eine Art von haptischem Feedback. Erzeugt wird dieses Gefühl durch Aufbringen von Kräften oder Übertragen von Vibrationen auf den Benutzer. In der Spieleindustrie wird schon seit längerem an solchen Technologien gearbeitet. Game Controller nutzen beispielweise einen Vibrationsmotor, der bei einem Zusammenstoss im Spiel vibriert.
Die präzise Bewegungsverfolgung ist ein zentraler Punkt beim haptischen Feedback. Die Vorrichtung 1 sollte bevorzugt Kraft, Druck oder Vibration präzise dosieren können, um eine überzeugende Illusion zu erzeugen. Ebenso sollte die Vorrichtung 1 oder das Spiel vorzugsweise wissen, wann mit einem virtuellen Objekt (virtueller Gegenstand) 52 interagiert wird. Dafür ist es vorteilhaft, das Körperteil, auf welchen man haptisches Feedback übertragen will, virtuell zu simulieren.
Durch die Kräfte, die auf die Füsse ausgeübt werden können, kann die Physik eines Bodens simuliert werden. Sind beide Füsse abgestellt, können sie virtuell aneinandergekoppelt werden und können sich nur noch synchron bewegen. Auch denkbar wäre es, die Laufbewegung mit abgehobenem Fuss in der Luft leichter zu machen als bei Bodenkontakt. Solche Features können problemlos implementiert und getestet werden.
Force Control (X-Achse)
Gewisse Ausführungsformen können insbesondere ein Force-Haptik-System aufweisen. Ein Force-Haptik-System setzt tatsächlich Kraft auf den Fuss an und gibt das Gefühl, dass man wirklich gegen ein virtuelles Objekt 52 drückt. Dieses ist anders im Vergleich zu den meisten haptischen Systemen, da diese nur auf die Haut wirken, in dem sie Druck oder Vibrationen erzeugen. Erzeugt wird diese Kraft durch eine Krafterzeugungseinrichtung, zum Beispiel mit den BLDC Motoren 13 an den Linearachsen 2, welche von einem FOC- Controller gesteuert werden können. Drückt nun der Fuss in der virtuellen Welt gegen ein Objekt, erhält der FOC-Controller den Befehl, dieses Drücken in die Realität umzusetzen.
Die Motoren 13 ermöglichen nicht nur haptisches Feedback, sie tragen auch zu einem natürlicheren Laufen bei, indem sie den Widerstand einer Bewegung erhöhen oder verkleinern. So reduziert das System bei gehobenem Fuss (Fuss in der Luft) den Widerstand auf ein Minimum. Am Boden hingegen erzeugt es beim Laufen ein natürliches Beschleunigungsgefühl. Auch die Füsse aneinander zu koppeln, falls beide abgestellt sind und nur noch synchrone Bewegungen zu erlauben, würde der normalen Laufphysik entsprechen und ist denkbar. Diese Funktionen können in der Software einfach implementiert und dann evaluiert werden.
Die Krafterzeugungseinrichtung 13 kann schnell grosse Kraft auf die Fussschlitten 4 und somit auf die Füsse bringen. Diese kann aus Sicherheitsgründen auf in der Software limitiert werden, beispielsweise auf 75W pro Motor 13. Möglich wäre das über 10-fache, was für genügend Spielraum sorgen sollte, um realistische Kräfte auf den Fuss bringen zu können. Die Geschwindigkeit kann ebenfalls limitiert werden, beispielsweise auf 20 Umdrehungen in der Sekunde.
3D Druck
Als Kunststoff-Filament für 3D-Druck wurde schwarzes "Purefil PLA Filament" von einem Schweizer Hersteller verwendet. Es stellte sich heraus, dass es wichtig ist, immer das gleiche Filament zu verwenden, da sonst die 3D geduckten Teile in Qualität und Toleranz zu stark abweichen können. Die Toleranzen bei einigen Teilen ist sehr wichtig, da viele Verbindungen bevorzugt eine Presspassung aufweisen. Dies bedeutet, dass zum Beispiel alle Kugellager einfach in ihre Aussparung gepresst sind und auf diese Weise spielfrei sitzen.
Elektronik Hardware und Software
Die Aufgabe der Microcontroller ist es, alle Sensoren zu erfassen und daraus die Bewegungen zu errechnen, welche in die VR-Umgebung übertragen werden. Es kann beispielsweise eine flexible Arduino-Plattform verwendet werden. Arduino ist eine Open Source Entwicklungsplattform, die aus Software und Hardware besteht. Programmiert werden können diese Microcontroller in einer eigens dafür entwickelten Arduino IDE. Alternativ kann auch die Entwicklungsumgebung Visual Studio von Microsoft mit dem Plugin Visual Mirco verwendet werden. Dieses Plugin ermöglicht es, in einer Anwendung mehrere Microcontroller gleichzeitig zu programmieren und alle im seriellen Monitor zu debuggen. Zudem können serielle Befehle an die Microcontroller gesendet werden. Beispielsweise kann ein Teensy 3.2 verwendet werden. Dies ist ein Arduino kompatibler Microcontroller, der denselben Code unterstützt und ein Vielfaches der Rechenleistung eines Arduino Mega hat.
Aufbau
In gewissen Ausführungsform werden drei Microcontroller verwendet. Damit wird die Übertragung der Sensorsignale vereinfacht und die Signalverarbeitung verbessert. Insbesondere kann damit die Verkabelung vereinfacht werden und es können bessere Messwerte garantiert werden. Zu den Fussschlitten 4 können jeweils vier Adern in einem Flachbandkabel führen. Darin kann die Stromversorgung und die serielle Kommunikation geführt sein. Darüber können die Daten von den Sensoren in den Fussschlitten 4 übertragen werden, die von einem Arduino Nano ausgelesen und so digitalisiert werden können. Dies hat zum Vorteil, dass die analogen Sensoren mit möglichst wenig Rauschen ausgelesen werden können und viel Kabel gespart werden kann. Ansonsten müssten zu jedem Fussschlitten 4 etwa zehn Adern geführt werden. Zudem würde dies die Vorrichtung 1 unflexibel für weitere Erweiterungen machen.
Die Sensoren 10 umfassen die leitenden Schichten 38 an den Schuhsohlen (Unterseite der Sandalen 39) und auf den Fussplatten 8,9, die feststellen, ob der Fuss aufgesetzt ist. Sensoren und Aktoren, insbesondere die Motoren für das haptische Feedback, sind bevorzugt über Datenschnittstellen mit mindestens einem Microcontroller verbunden. In einer konkreten Ausführungsform kann der ODrive mit dem Teensy verbunden sein und mit diesem über TX1 und RX1 kommunizieren. Der ODrive kann dabei direkt mit 24V DC von einem Netzteil (PSU) gespeist werden.
Kommunikation / Schnittstellen
Die Microcontroller sind bevorzugt jeweils über Kabel oder Drahtlosschnittstellen miteinander verbunden und können so Daten austauschen. Insbesondere können die Microcontroller über RX und TX miteinander verbunden sein. Diese RX- und TX-Pins sind serielle Schnittstellen an den Microcontrollern und ermöglichen das Austauschen von Daten. Zur Kommunikation können Strings hin und her gesendet werden, welche einfache Zeichenketten sind (z.B. ‘X5Y9’ oder ‘Hello World’). Sendet nun ein erster Microcontroller einen String an einen zweiten Microcontroller, wird dieser von dem zweiten Microcontroller empfangen, ohne diesen bei seiner eigentlichen Aufgabe zu stören. Dadurch können in einem solchen seriellen Netzwerk effizient und zuverlässig Daten ausgetauscht werden, mit möglichen Datenraten von über einer Million Zeichen in der Sekunde.
Damit alle Komponenten miteinander kommunizieren können, werden bevorzugt Microcontroller mit mehreren solchen Schnittstellen gewählt. Die Kommunikation zwischen PC und Vorrichtung wurde ebenfalls via eine solche serielle Schnittstelle implementiert. Damit können Daten für das haptische Feedback ausgetauscht werden.
Als Beispiel weist der Teensy drei Serielle-Schnittstellen auf. Dadurch kann er problemlos mit mehreren Geräten gleichzeitig kommunizieren. Im Aufbau kommuniziert er über Serial mit den beiden Arduino Nanos, dem ODrive und dem PC.
Normalerweise werden Bewegungsinputs von Gamecontrollern mit einem anderen, standardisierten USB-Protokoll übertragen. Dies macht verschiedene Spiele und Inputgerätehersteller miteinander kompatibel, bietet jedoch für diese Anwendung nicht die gewünschten Funktionen.
Insbesondere für ein System ohne haptischem Feedback ist auch ein Bewegungsinput via eine Maus-Emulation möglich.
Immersive Umgebung / Unreal Engine
Als Game Engine, d.h. die Entwicklungsumgebung, in welcher Spiele entwickelt werden können, kann die Unreal Engine verwendet werden. Diese hat gute Beispielspiele, in welchen ein solcher serieller Input und Output relativ einfach implementiert werden können. Für das Lesen und Schreiben der seriellen Schnittstelle kann ein Plugin namens UE4Duino verwendet werden, welches graphisch programmiert werden kann.
Um wissen zu können, wann Kraft an den Füssen angesetzt werden muss, kann der Fuss in der VR-Welt auf Interaktionen mit virtuellen Objekten untersucht werden. Dafür können in der VR-Welt die Füsse theoretisch simuliert werden. Da dies bei Spielen normalerweise nicht nötig ist und somit nicht impliziert ist, kann dies speziell programmiert werden. Programmablauf
Die Erfindung umfasst ein Computerspielprogramm 50, welches dazu konfiguriert ist, mit der Vorrichtung 1 zu interagieren, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Das Computerspielprogramm und die Vorrichtung können insbesondere durch das Senden 55 von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen an die Vorrichtung 1 und/oder den Empfang 56 von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen von der Vorrichtung 1 interagieren.
In diesem Abschnitt werden beispielhaft Programmablauf und Informationsfluss dargestellt.
Inputloop:
1. Erfassung Yaw der Füsse. (Arduino Nano rechts und links)
2. Erfassung der Fussinformationen, d.h. ob diese abgestellt sind oder nicht. (Arduino Nano rechts und links)
3. Serielle Übertragung von Yaw und Fussinformationen an Teensy. (Arduino Nano rechts und links)
4. Linearschlittenposition von ODrive abfragen. (Teensy)
5. Yaw und virtuelle Positionsverschiebung berechnen. (Teensy)
6. PC fragt Daten an. (PC / Spiel)
7. Serielle Übertragung von Yaw und Position an PC. (Teensy)
8. Virtuelle Position nullsetzen. (Teensy)
9. Umsetzung der Bewegungen in die VR Welt. (PC/ Spiel)
Feedbackloop / Aktor-Loop:
1. Interaktionen in VR Welt analysieren. (PC/ Spiel)
2. Force Feedback berechnen. (PC / Spiel)
3. Serielle Übertragung an Teensy. (PC / Spiel)
4. Fussinformationen und Bewegungsinformationen analysieren. (Arduino Mega)
5. Force Feedback berechnen. (Teensy)
6. Serielle Übertragung von Force Befehlen an ODrive. (Teensy)
7. Überwachung der Kraft auf den Fuss via Wägezelle. (Teensy & Arduino Nano rechts und links)
Mögliche Abwandlungen
In einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung 1 , welche in Fig. 18 gezeigt wird, können die Linearschienen 2 durch ein Gelenk 20 an der Hinterseite der Vorrichtung 1 verbunden sein, wodurch eine Bewegung der Linearschienen 2 relativ zueinander in Richtung der Y- Achse ermöglicht wird, was eine seitliche Bewegung im Spiel bewirken kann. Fig. 19 zeigt eine vergrösserte Ansicht eines solchen Gelenks. In Fig. 20 ist eine vergrösserte Ansicht des vorderen Endes der Linearführung 2 zu sehen, wobei an dem vorderen Ende der Linearführung 2 eine Verschiebungsrolle 21 angebracht ist, welche eine Bewegung der Linearführung 2 auf dem Boden erleichtert. Das Gelenk 20 kann insbesondere durch ein Steuersignal aus dem Spiel 50 motorisch bewegbar sein, um aus dem Spiel 50 ein Feedback auf die Füsse des Spielers 100 zu erzeugen.
Ebenso ist eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung 1 denkbar, bei welcher die beiden Linearführungen, wie in Fig. 21 gezeigt, mit starren Verbindungsstangen miteinander verbunden sind, um ein versehentliches Verschieben der Linearführungen relativ zueinander zu unterbinden.
Sowohl die dritte als auch die vierte Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann mit oder ohne haptischem Feedback denkbar sein.
Die Drehbewegung kann auf weitere verschiedene Arten implementiert und verbessert werden.
Anstatt dass die Drehbewegung nur im abgesetzten Zustand verarbeitet wird, kann diese durch die invertierte Bewegung in der Luft erweitert werden. Die Drehbewegung wird dadurch beschleunigt und kontrollierter.
Ein Kurvenlaufen kann implementiert werden, wenn beide Füsse bei einer Laufbewegung schräg gehalten werden. Dadurch müssen die Füsse nicht andauernd gedreht werden und es entsteht automatisch eine Radius-Bewegung.
Es kann an Ort gedreht werden, indem beide Füsse abgestellt und auf den Linearschienen antiparallel (d.h. entgegengesetzt) verschoben werden.
Die Bewegung kann erleichtert werden, indem das Momentum des Körpers mit den motorisierten Linearschienen simuliert wird. Die Füsse werden dadurch beim Abstellen automatisch beschleunigt werden, wie es beim normalen Laufen der Fall ist.
Die Motoren mit ihrer grossen Rotationsträgheit können den Widerstand, der beim Beschleunigen der Füsse auftritt, erhöhen. Dadurch fühlen sich die Füsse beim Bewegen weniger frei an. Mögliche Lösungen sind:
• Eine leichtere Motorisierung zu wählen.
• Die Übersetzung zu ändern.
• Den Widerstand mit den verbauten Messzellen an den Riemen zu messen und mit den motorisierten Linearachsen zu kompensieren.
Simulierung der Füsse in VR
Die Simulierung der Füsse in der VR-Welt 53 kann für den Benutzer aus Orientierungsgründen hilfreich ist. Da die Vorrichtung die Position der Füsse genau erfasst, ist dies leicht zu implementieren.
Mit den aktiven Linearachsen können weitere Funktionen umgesetzt werden. Diese Funktionen erhöhen die Interaktionsmöglichkeiten mit der virtuellen Umgebung. Die dadurch resultierende höhere Wechselwirkung zwischen Realität und virtueller Umgebung, lässt diese Welten mehr verschmelzen und sorgt für eine bessere Immersion.
Simulieren von virtuellen Objekten
Mit den Linearachsen können Kollisionen mit virtuellen Objekten 52 simuliert werden. So wird der Fuss beispielweise gestoppt, sobald man gegen eine virtuelle Wand läuft. Ein anderes Beispiel ist das Kicken eines virtuellen Balls, wobei die Linearachsen (Linearführungen 2) die Berührung simulieren.
Simulieren der Physik eines Bodens
In gewissen Ausführungsformen können die Linearschlitten 4 immer frei bewegt werden. Dies entspricht jedoch nicht der Physik eines Bodens, auf dem man steht. In anderen Ausführungsformen wird daher die Trägheit des Körpers simuliert. Fängt man an zu laufen, muss man in einem solchen Fall zuerst die simulierte Masse beschleunigen. Bei einem Stopp muss man wieder bremsen, wie es in der Realität der Fall ist. Dies kann ebenfalls für eine flüssiger Laufbewegung sorgen.
Auch möglich ist die Implementierung der Reibung eines Bodens. So können die Füsse in der Luft einfach bewegt werden und erfahren mehr Widerstand, sobald sie auf den Platten 8,9 abgestellt sind. Die Füsse könnten beispielweise auch nicht mehr beide abgestellt und beliebig bewegt werden, was ebenfalls für realitätsnäheres Bewegen sorgt.
BEZUGSZEICHENLISTE
Vorrichtung 35 Schnur
Linearführungen/ 36 Umlenkrollen
Linearschienen 37 Noppen
Fussaufnahme 38 leitende Schicht
Schlitten 39 Schuh/Sandale
Encodermodul 40 Rollen
Arm/Gelenkarm 41 vorderer Schlittenteil
Federmittel/Feder 42 hinterer Schlittenteil erster 43 Rohre
Standflächenteil/Fussplatte 44 Gelenkhalterung zweiter 50 Computerspielprogramm
Standflächenteil//Fussplatte 51 virtuelle Spielperson
Encoderband 52 virtueller Gegenstand
Riemen 53 virtuelle Spielumgebung
Riemenrad 54 Computersystem
Motor 55 Senden
/Krafterzeugungseinrichtung 56 Empfang
Drehwinkelsensor 60 Biegung im Arm
Armgelenk 81 linker Teil
Fussaufnahmegelenk 82 rechter Teil
Drehgelenk 100 Spieler/Benutzer
Umlenkungsrolle 200 Stuhl
Halterung 300 VR-Brille
Gelenk 400 Spielaccessoire
Verschiebungsrollen
Verbindungsstangen
Verbindungsteil A erste Achse
Adapter B zweite Achse
Drehscheibe C Achse
Magnet E Bodenebene
Kugellager R Yaw-(Gier)-Rotation

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur Führung und Erfassung der Bewegung der Füsse einer Person, welche Vorrichtung (1) für jeden Fuss eine auf einem Boden platzierbare Linearführung (2) aufweist, welche Linearführungen (2) mit ihrer Unterseite eine Bodenebene (E) der Vorrichtung (1) definieren, und welche Linearführungen (2) jeweils einen eine Fussaufnahme (3) tragenden Schlitten (4) aufweisen, welcher Schlitten (4) jeweils entlang der Linearführung (2) geführt hin und her bewegbar ist, wobei die Vorrichtung (1) weitereine Erfassungseinrichtung aufweist, durch welche ein der jeweiligen Schlittenbewegung mindestens eines der Schlitten (4), insbesondere aber beider Schlitten (4), entsprechender Messwert erfassbar und als jeweiliger Ausgabewert bereitstellbar ist, welcher Ausgabewert der Bewegung der jeweiligen Fussaufnahme (3) in Richtung der Linearführung (2) entspricht.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei diese zusätzlich zum Heben und Senken der jeweiligen Fussaufnahme (3) gegenüber der Bodenebene ausgestaltet ist, insbesondere wobei die jeweilige Fussaufnahme (3) an einem Endbereich eines Arms (6) angeordnet ist, welcher Arm (6) mit seinem anderen Endbereich am jeweiligen Schlitten (4) schwenkbar angeordnet ist, insbesondere derart, dass der Arm (6) um eine am Schlitten (4) angeordnete erste Achse (A) schwenkbar ist, welche in einer zur Bodenebene (E) parallelen Ebene und rechtwinklig zur Längsrichtung der Linearführung (2) liegt.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei diese mindestens ein Federmittel (7) aufweist, welches beim Senken der jeweiligen Fussaufnahme (3) spannbar und beim Heben der jeweiligen Fussaufnahme (3) entspannbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei diese zusätzlich zum Neigen der Fussaufnahme (3) relativ zur Bodenebene ausgestaltet ist, insbesondere indem die jeweilige Fussaufnahme (3) am Endbereich des jeweiligen Arms (6) um eine am Arm angeordnete zweite Achse (B) schwenkbar ist, welche zweite Achse in einer zur Bodenebene parallelen Ebene und rechtwinklig zur Längsrichtung der Linearführung (2) liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die jeweilige Fussaufnahme (3) derart schwenkbar am jeweiligen Schlitten (4) bzw. am Arm (6) angeordnet ist, dass bei parallel zur Bodenebene (E) befindlicher Fussaufnahme (3) eine Drehung der Fussaufnahme (3) in der jeweiligen parallel zur Bodenebene (E) liegenden Ebene bewirkbar ist und wobei durch die Erfassungseinrichtung ein der Drehung mindestens einer der Fussaufnahmen (3) entsprechender Messwert erfassbar und als Ausgabewert bereitstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der jeweilige Schlitten (4) eine Standfläche aufweist, auf welche die jeweilige Fussaufnahme (3) platzierbar ist, insbesondere wobei die Standfläche zweitteilig mit einem ersten (8) und zweiten Standflächenteil (9) ausgebildet ist und insbesondere, wobei die Vorrichtung (1) für jede Fussaufnahme (3) einen Sensor aufweist, durch welchen feststellbar ist, dass die Fussaufnahme (3) auf der Standfläche platziert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Bewegung des jeweiligen Schlittens (4) einen mit dem Schlitten (4) verbundenen umlaufenden Zahnriemen (11) oder eine umlaufende Kette aufweist sowie einen mit einer Achse (U) eines Riemenrads (12) oder Kettenrads drehverbundenen Drehwinkelsensor (14) aufweist, oder wobei durch die Erfassungseinrichtung die Position des Schlittens (4) berührungslos, insbesondere mittels einer Distanzmessung bestimmbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine
Krafterzeugungseinrichtung (13) vorgesehen ist, durch welche mit einer Kraft auf den jeweiligen Schlitten (4) in Richtung der Linearführung (2) und in Abhängigkeit eines an der Krafterzeugungseinrichtung (13) anlegbaren Steuereingangssignals einwirkbar ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei die
Krafterzeugungseinrichtung (13) jeweils einen elektrischen Antrieb aufweist, durch welchen auf den Zahnriemen (11) oder auf die Kette einwirkbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Linearführungen (2) an ihrem hinteren Ende zueinander verschiebbar verbunden sind und die Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Messwerts der Verschiebung und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgabewerts ausgestaltet ist.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Eingabevorrichtung eines Computerspiels indem mindestens einer der Ausgabewerte der Vorrichtung als Steuersignal für das Computerspiel verwendet wird.
12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei im Spiel die Gehbewegung einer virtuellen Spielperson (51) oder eines virtuellen Spielgegenstands durch die Bewegung der Fussaufnahme (3) der Vorrichtung (1) gesteuert wird.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, wobei durch Drehung der Fussaufnahme (3) eine Gehbewegung der virtuellen Spielperson (51) bzw. des virtuellen Spielgegenstands in seitliche Richtung bewirkt wird.
14. Verwendung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Computerspiel ein Steuersignal oder Steuersignale für die Krafterzeugungseinrichtung (14) bereitgestellt werden.
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit von der Position und Bewegung der virtuellen Spielperson (51) bzw. des virtuellen Spielgegenstands im Computerspiel erzeugt wird.
16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit von der Position eines virtuellen Gegenstands (52) im Computerspiel erzeugt wird.
17. Verfahren zur Erzeugung einer Interaktion einer virtuellen Spielperson (51) oder eines virtuellen Gegenstands (52) mit einer realen Spielperson (100), wobei die reale Spielperson (100) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bedient.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die reale Spielperson (100) sitzend mit ihren Füssen die Fussaufnahmen (3) der Vorrichtung (1) bedient.
19. Computerspiel umfassend eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 sowie ein Computerspielprogramm (50).
20. Vorrichtung bzw. Verfahren zur Erzeugung einer Laufbewegung für ein Computerspiel, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Bewegung des Spielers auf einem Schienensystem (2) gemacht wird, welches eine Bewegung in Richtung einer X-Achse erzwingt, wobei die Laufbewegung in sitzender Position des Spielers (100) erfolgt.
21. Vorrichtung bzw. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 20, wobei die Position und Laufbewegung mit einer mechanischen Anordnung aus mindestens einer Linearschiene (2), insbesondere aus zwei Linearschienen (2), und aus Gelenken (15, 16) erfassbar ist.
22. Vorrichtung bzw. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei ein Gelenkarm (6) eine Hebebewegung und Neigebewegung und ein Abrollen des Fusses des Spielers (100) über eine Oberfläche ermöglicht.
23. Vorrichtung bzw. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei sich in der Mitte des Fusses ein weiteres Gelenk (17) befindet, welches das Drehen des Fusses (Gierbewegung) ermöglicht, was eine Richtungsänderung in der virtuellen Umgebung (53) bewirkt, wobei die Orientierung des Spielers (100) in der realen Umgebung erhalten bleibt, so dass in dieser keine Drehbewegung des Körpers notwendig ist, mit Ausnahme des Fusses bzw. der Füsse des Spielers (100).
24. Vorrichtung bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Linearschienen (2) motorisiert sind, um eine Kraft auf die Füsse auszuüben, wodurch eine Interaktion mit der virtuellen Spielumgebung (53) ermöglicht wird, wobei die Interaktion als die Fussbewegung in der realen Umgebung bremsende Interaktion und/oder als die Fussbewegung in der realen Umgebung beschleunigende Interaktion ausgestaltet ist und/oder als die Reibung und Masse der Vorrichtung (1) kompensierende Kraft ausgestaltet ist.
25. Vorrichtung bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Linearschienen (2) durch ein Gelenk (20) an der Hinterseite der Vorrichtung (1) verbunden sind, wodurch eine Bewegung der Linearschienen (2) relativ zueinander in Richtung der Y- Achse ermöglicht wird, was eine seitliche Bewegung im Spiel bewirkt, insbesondere wobei das Gelenk (20) an der Hinterseite durch ein Steuersignal aus dem Spiel (50) motorisch bewegbar ist, um aus dem Spiel (50) ein Feedback auf die Füsse des Spielers (100) zu erzeugen.
26. Computerprogrammprodukt, insbesondere Computerspielprogramm (50), welches dazu konfiguriert ist, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu interagieren, insbesondere durch den Austausch von Steuersignalen/Regelsignalen mit der Vorrichtung (1), z.B. durch das Senden (55) von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen an die Vorrichtung (1) und/oder den Empfang (56) von Signalen/Steuersignalen/Regelsignalen von der Vorrichtung (1), wobei das Computerprogrammprodukt auf einem computerlesbaren Speichermedium abspeicherbar ist und Programmbefehle umfasst, wobei die Programmbefehle durch einen Computer bzw. ein Computersystem (54) ausführbar sind.
27. Computerprogrammprodukt, insbesondere Computerspielprogramm (50), welches dazu konfiguriert ist, einen oder mehrere Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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MARVIN HOTZ: "Development of a VR Treadmill [Teaser]", 19 March 2021 (2021-03-19), XP055966307, Retrieved from the Internet <URL:https://www.youtube.com/watch?v=qZTvMpuDZHA> [retrieved on 20220929] *

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