DE102013101926A1 - Device for forming walking motion on base frame in simulated virtual space by data processing unit, has virtual space whose running surface is complemented by step surface in running direction, where step surface partially engages on disk - Google Patents

Device for forming walking motion on base frame in simulated virtual space by data processing unit, has virtual space whose running surface is complemented by step surface in running direction, where step surface partially engages on disk Download PDF

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Inreal Technologies GmbH
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Abstract

The device has a base frame (1) including a tread (12) that is turned about a rotational disk (10). The base frame in region of the tread comprises a motor-driven winding reel (13) for winding on to shoes (3). A data processing unit (5) computes and simulates a movement in the virtual space from sensor values. A virtual space is formed on a data processing unit that communicates with a display unit. A running surface (12) of the virtual space is complemented by step surface in the running direction, where the step surface partially engages on the rotational disk.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abbildung einer auf einem Basisgestell stattfindenden Laufbewegung in einen mittels einer Datenverarbeitungseinheit simulierten, virtuellen Raum, wobei das Basisgestell eine Lauffläche aufweist, welche eine um eine Drehachse rotierbare Drehscheibe umfasst, wobei dem Basisgestell im Bereich der Lauffläche wenigstens eine motorisch angetriebene Wickelspule zur Aufwicklung von mit Gleitschuhen verbundenen Zugmitteln zugeordnet ist, wobei die Drehpositionen der Drehscheibe und der wenigstens einen Wickelspule mithilfe von mit der Datenverarbeitungseinheit kommunizierenden Sensoren erfasst und an diese übermittelt werden und die Datenverarbeitungseinheit aus den Sensorwerten eine Bewegung im virtuellen Raum berechnet, sowie den von ihr simulierten, virtuellen Raum über eine mit der Datenverarbeitungseinheit kommunizierende Displayeinheit darstellt. The present invention relates to a device for imaging a running motion on a base frame into a virtual space simulated by a data processing unit, wherein the base frame has a running surface comprising a turntable rotatable about a rotation axis, wherein the base frame in the region of the running surface at least one motor driven winding spool is associated with the winding of traction means connected to sliding shoes, wherein the rotational positions of the turntable and the at least one reel spool are detected by means of communicating with the data processing unit sensors and transmitted to this and the data processing unit calculates a movement in the virtual space from the sensor values, and the represented by her virtual space via a communicating with the data processing unit display unit.

Solche Vorrichtungen sind bereits im Stand der Technik vielfältig bekannt, so beispielsweise das Produkt „Stringwalker", welches im Internet unter der Adresse http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/stringwalker/stringwalker.html beschrieben ist. Diese spezielle Lösung sieht eine Lauffläche vor, auf der sich eine Person laufend vorwärts bewegen kann, wobei die Füße bzw. Schuhe dieser Person mithilfe von Seilzügen über die Bodenfläche gezogen werden. Die Schuhe sind hierzu im Beispiel an jeweils vier Stellen jeweils mit einem Zugseil versehen, welches am Rand einer kreisförmigen Drehscheibe auf eine Wickelspule aufgewickelt wird. Bewegt sich die Person nun laufend vorwärts, wird jeder einzelne Schritt durch ein entsprechend starkes Gegenziehen des Fußes wieder kompensiert, indem sowohl die Drehscheibe, auf der sich die Person bewegt, als auch die Unterseite der Schuhe als Gleitflächen ausgestaltet sind. Hierbei werden die Wickelspulen so betätigt, dass die Füße immer wieder in die Mitte der Drehscheibe zurückgezogen werden. Aufgrund der Drehbarkeit der Drehscheibe ist auch ein Richtungswechsel der laufenden Person möglich, um eine möglichst realistische Bewegung zu simulieren. Such devices are already widely known in the art, such as the product "Stringwalker", which on the Internet at the address http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/stringwalker/stringwalker.html is described. This special solution provides a tread on which a person can move forward continuously, with the feet or shoes of that person being pulled across the floor surface by means of cables. For this purpose, the shoes are each provided in this example at four places each with a pull rope, which is wound on a winding spool at the edge of a circular turntable. If the person now moves forward continuously, each step is compensated by a corresponding strong counterbearing of the foot again, as both the turntable on which the person moves, and the bottom of the shoes are designed as sliding surfaces. In this case, the reel spools are operated so that the feet are repeatedly pulled back into the center of the turntable. Due to the rotation of the turntable and a change of direction of the current person is possible to simulate the most realistic movement.

Interessant ist eine derartige Anwendung insbesondere zur Simulation einer virtuellen Realität, bei der dem Benutzer über einen geeigneten Bildschirm ein virtueller Raum dargestellt wird, in dem er sich bewegt. Die tatsächlichen Bewegungen, welche von der Vorrichtung erfasst und in Bewegungssignale für den virtuellen Raum umgesetzt werden, werden gleichzeitig mithilfe der Zugseile kompensiert. Während sich die Person also in der Realität aufgrund der Kompensation nicht fortbewegt, findet eine Bewegung im virtuellen Raum, mit dem der Benutzer interagiert, statt. An application of this kind is particularly interesting for simulating a virtual reality, in which the user is presented with a virtual screen by means of a suitable screen in which he moves. The actual movements, which are detected by the device and converted into movement signals for the virtual space, are simultaneously compensated by means of the tension cables. Thus, while the person does not move in reality due to the compensation, a movement takes place in the virtual space with which the user interacts.

Nachteilig ist hierbei, dass die erzeugten Bewegungsabläufe durch das Zurückziehen der Füße in ihre Ausgangsposition unrealistisch wirkt, insbesondere, weil eine Fortbewegung auf dem „Stringwalker“ lediglich in langsamen Schritten möglich ist. Eine schnellere Bewegung, bei der ein Vornüberbeugen während des Laufens als natürliche Position gewünscht würde, ist nicht vorgesehen und würde zu einem Verlust des Gleichgewichts führen. The disadvantage here is that the movements generated by the retraction of the feet to their original position is unrealistic, especially because a movement on the "Stringwalker" only in slow steps is possible. A faster movement, in which it would be desirable to lean over while running as a natural position, is not envisioned and would result in a loss of balance.

Eine weitere Lösung ist beschrieben in „Virtual Perambulator: A Novel Interface Device for Locomotion in Virtual Environment“ von Hiroo IWATA und Takashi FUJII, Institute of Engineering Mechanics, University of Tsukuba, Tsukuba, 305 JAPAN , veröffentlicht in „Proceedings of the 1996 Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS 96) . Dort werden verschiedene Laufsituationen simuliert, welche ebenfalls mit einer festgelegten Lauffläche und Gleit- oder Rollschuhen arbeiten. Hierbei ist zum einen vorgesehen, den Benutzer mit einem Hüftgurt an einer Aufhängung zu halten, diesen über eine schaukelartiger Aufhängung von oben her zu befestigen oder aber seinen Bewegungsspielraum durch einen hüfthohen Ring zu begrenzen, an dem sich der Benutzer festhalten kann. Eine derartige Anordnung erlaubt auch eine Laufposition, wobei auch hier der Nachteil einer unnatürlichen Bewegung dahingehend besteht, dass der Benutzer seine Füße nach einem Ausschreiten nach vorne aktiv nach hinten bringen muss bzw. umgekehrt. Insbesondere angesichts der vollkommen ebenen Lauffläche ist eine derartige Bewegung durch das zunächst erfolgende Ausstrecken des Beins und des dann nachfolgenden Zurückziehens nicht als realistisch anzusehen. Another solution is described in "Virtual Perambulator: A Novel Interface Device for Locomotion in Virtual Environment" by Hiroo IWATA and Takashi FUJII, Institute of Engineering Mechanics, University of Tsukuba, Tsukuba, 305 JAPAN , Published in Proceedings of the 1996 Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS 96) , There, different running situations are simulated, which also work with a fixed tread and skates or skates. This is intended on the one hand to hold the user with a hip belt on a suspension to attach it via a swing-type suspension from above or to limit its range of motion by a waist-high ring on which the user can hold. Such an arrangement also permits a running position, whereby here too there is the disadvantage of an unnatural movement in that the user must actively bring his feet back to the front after an outward strike, or vice versa. In particular, in view of the perfectly flat tread is such a movement by the first taking place extending the leg and the subsequent subsequent retraction is not considered realistic.

Schließlich ist eine Lösung aus der DE 696 21 844 T2 bekannt, welche eine omnidirektionale Laufbandeinrichtung darstellt. Diese eignet sich dazu, im Rahmen einer virtuellen Realität eine Laufbewegung zu simulieren. Hierbei soll trotz des Einsatzes eines eigentlich in der Laufrichtung festgelegten Laufbandes eine seitwärts oder schräg gerichtete Bewegung durch geeignete Maßnahmen ermöglicht werden. Vorgeschlagen ist die Überlagerung zweier quer zueinander stehender Laufbänder und die Verwendung von gelagerten Kugeln oder Rollen in dem oberen Laufband, auf denen der Benutzer läuft und die von dem unteren Laufband in Querrichtung angetrieben werden. Finally, a solution from the DE 696 21 844 T2 which is an omnidirectional treadmill device. This is suitable for simulating a running motion in the context of a virtual reality. Here, despite the use of a treadmill actually set in the running direction, a sideways or obliquely directed movement should be made possible by suitable measures. Proposed is the superimposition of two transverse treadmills and the use of mounted balls or rollers in the upper treadmill on which the user is running and which are driven transversely by the lower treadmill.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Lauferlebnis im virtuellen Raum für den Benutzer weiter zu verbessern und so zu gestalten, dass der Eindruck einer Bewegung in der virtuellen Welt für den Benutzer weiter perfektioniert wird. The object of the present invention is therefore to further improve the running experience in the virtual space for the user and to design it so that the impression of a movement in the virtual world is further perfected for the user.

Dies gelingt durch eine Vorrichtung zur Abbildung einer Laufbewegung in einem simulierten, virtuellen Raum gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Vorrichtung können den nachfolgenden Ansprüchen entnommen werden. This is achieved by a device for imaging a running movement in a simulated virtual space according to the features of the claim 1. Further, useful embodiments of such a device can be taken from the following claims.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur Abbildung einer Laufbewegung in den virtuellen Raum ein Basisgestell aufweist, auf dem sich der Benutzer bewegen kann. Die Bewegung erfolgt hauptsächlich auf einer rotierbaren Drehscheibe, auf welcher der Benutzer mithilfe von Gleitschuhen läuft. Eine derartige Drehscheibe erlaubt eine Drehbewegung bzw. eine Umkehrbewegung des Benutzers, welche aufgrund einer sensorischen Erfassung der Drehung der Drehscheibe von einer mit dem Basisgestell datenverbundenen Datenverarbeitungseinheit festgestellt und quantifiziert werden kann. Ebenfalls erfolgt eine Kompensation der Bewegung des Benutzers durch die Verwendung von Gleitschuhen, deren Rückwärtsbewegung mithilfe geeigneter Zugmittel mit jeweils wenigstens einer Wickelspule unterstützt werden können, um die Gleitbewegung nach hinten zu unterstützen. Auch die Drehposition der Wickelspulen, von denen jeweils wenigstens eine für jeden Gleitschuh vorgesehen ist, wird mithilfe eines Sensors erfasst, so dass von diesem Sensor die Drehposition an die Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet werden kann. Der virtuelle Raum wird hierbei von der Datenverarbeitungseinheit simuliert und über eine Displayeinheit, welche beispielsweise als Displaybrille ausgeführt sein kann, dargestellt. Der Benutzer sieht also über die Displayeinheit den virtuellen Raum, in dem er sich durch eine Erfassung seiner Bewegungen über die Wickelspulen und die Rotation der Drehscheibe, welche als Eingabesignale für die Datenverarbeitungseinheit dienen, bewegt. According to the invention, a device for imaging a running movement into the virtual space has a base frame on which the user can move. The movement mainly takes place on a rotatable turntable on which the user runs with the aid of sliding shoes. Such a turntable allows a rotational movement or a reversal movement of the user, which can be detected and quantified due to a sensory detection of the rotation of the turntable of a data processing unit connected to the base frame data. A compensation of the movement of the user by the use of sliding shoes, the backward movement by means of suitable traction means, each with at least one winding spool can be supported to assist the sliding movement to the rear. Also, the rotational position of the reel spools, of which at least one is provided for each shoe, is detected by means of a sensor, so that the rotational position can be forwarded from this sensor to the data processing unit. In this case, the virtual space is simulated by the data processing unit and displayed via a display unit, which can be designed, for example, as display glasses. The user thus sees via the display unit the virtual space in which he moves by detecting his movements on the winding spools and the rotation of the turntable, which serve as input signals for the data processing unit.

Die Bewegungsabläufe werden hierbei dadurch verbessert, dass die Lauffläche des Benutzers, zu welcher die Oberfläche der Drehscheibe zählt, zusätzlich zu der Drehscheibe um eine Trittfläche ergänzt ist, welche die Drehscheibe zumindest abschnittsweise umgreift und die Lauffläche, an die Drehscheibe anschließend, erweitert. Hierbei ist die Trittfläche mit einer Steigung versehen, um für eine realistischere Wahrnehmung durch den Benutzer zu sorgen. Dadurch, dass der Benutzer mehr oder weniger zentral über der Drehscheibe gehalten wird und die Rückwärtsbewegung seiner Füße mithilfe der Wickelspulen unterstützt wird, wird der Benutzer in einer relativ aufrechten Position gehalten, um sein Gleichgewicht wahren zu können. In der Realität würde er aber in seiner Laufbewegung nach vorne geneigt gehen und somit aus Sicht seiner Körperachse auf eine schräg gestellte Bodenfläche treffen. Dies wird aufgrund der Trittfläche simuliert, auf die der Benutzer beim Voranschreiten auf der Vorrichtung treten wird. Der Benutzer bewegt sich also im Wesentlichen im Bereich der Vorderkante der Drehscheibe, welche dort in die Trittfläche übergeht. Trittfläche und Drehscheibe sind jedoch hierbei so entkoppelt, dass eine Rotation der Drehscheibe unabhängig von der Trittfläche möglich ist. The movements are thereby improved by the fact that the tread of the user, to which the surface of the turntable, in addition to the hub is supplemented by a tread which at least partially surrounds the turntable and the tread, to the turntable, extended. Here, the tread is provided with a slope to provide a more realistic perception by the user. By holding the user more or less centrally over the turntable and assisting the rearward movement of his feet by means of the reel spools, the user is held in a relatively upright position to maintain his balance. In reality, however, he would go forward in his running motion and thus hit from the perspective of his body axis on an inclined floor surface. This is simulated because of the tread that the user will step on the device as it progresses. The user thus moves essentially in the area of the front edge of the turntable, which there merges into the tread surface. Tread surface and turntable, however, are decoupled so that a rotation of the turntable is independent of the tread possible.

Um auf verschiedene Gewohnheiten bzw. verschiedene Schrittlängen, Körpergrößen und simulierte Geographien des virtuellen Raums eingehen zu können, kann vorzugsweise die Trittfläche in ihrer Steigung verstellt werden. Insbesondere kann es dabei sinnvoll sein, wenn die Verstellung durch die Datenverarbeitungseinheit erfolgt, welche dadurch auf gemessene Körpereigenschaften des Benutzers reagiert oder aber die Geographie des virtuellen Raums berücksichtigt. So wird die Datenverarbeitungseinheit im Falle eines abschüssigen simulierten Terrains die Neigung und die Trittfläche mehr oder weniger in eine Ebene mit der Drehscheibe bringen. Insbesondere bei ansteigendem Terrain wird die Neigung der Trittfläche gegenüber der Drehscheibe erhöht werden. In order to be able to respond to different habits or different step lengths, body sizes and simulated geographies of the virtual space, the tread surface can preferably be adjusted in its incline. In particular, it may be useful if the adjustment is performed by the data processing unit, which thereby reacts to measured body properties of the user or takes into account the geography of the virtual space. Thus, in the case of a sloping simulated terrain, the data processing unit will more or less bring the inclination and tread surface into alignment with the turntable. In particular, with increasing terrain, the inclination of the tread surface relative to the hub will be increased.

Eine konkrete Ausgestaltung der Vorrichtung kann für eine besonders niedrige Reibung zwischen Gleitschuhen und Lauffläche vorsehen, dass die Lauffläche mit Filz belegt ist und die Gleitschuhe eine Sohle aus Polytetrafluorethylen aufweisen, gemeinhin unter dem Markennamen „Teflon“ bekannt. Dies ermöglicht es, den Benutzer während seiner Laufbewegung mit möglichst geringem Kraftaufwand an den Füßen nach hinten zu ziehen, um so die Laufbewegung zu unterstützen und für den Benutzer realistisch erscheinen zu lassen. Aus praktischen Gründen kann es auch sinnvoll sein, die Gleitschuhe als Überschuhe auszugestalten, welche gamaschenartig über die normalerweise getragenen Schuhe des Benutzers gezogen werden können. A concrete embodiment of the device can provide for a particularly low friction between sliding shoes and tread that the tread is covered with felt and the shoes have a sole made of polytetrafluoroethylene, commonly known under the brand name "Teflon". This makes it possible to drag the user during his running with the least possible effort on the feet to the rear, so as to support the running movement and make it realistic to the user. For practical reasons, it may also be useful to design the sliding shoes as overshoes, which legaschenartig can be pulled over the user's normally worn shoes.

Darüber hinaus können die Schuhe dahingehend weitergebildet werden, dass im Bereich der Sohlen jeweils wenigstens eine Drucksensoranordnung vorgesehen ist, wobei mit diesen Drucksensoren zum einen eine Gewichtsbestimmung des Benutzers ermöglicht wird, zum anderen der Moment des Auftretens und die Charakteristik des Laufens über die Datenverarbeitungseinheit erfasst werden kann. Diese ist mit den Drucksensoranordnungen datenverbunden und verwendet deren Daten ebenfalls als Eingabe zur Simulation der Laufbewegung in der virtuellen Welt. Alternativ können die Drucksensoren auch im Basisgestell angeordnet sein und können dann in den Schuhen entfallen. In addition, the shoes can be further developed such that at least one pressure sensor arrangement is provided in the region of the soles, wherein these pressure sensors on the one hand weight determination of the user is made possible, on the other hand, the moment of occurrence and the characteristic of the running are detected via the data processing unit can. This is data-connected to the pressure sensor arrangements and also uses their data as input for simulating the running motion in the virtual world. Alternatively, the pressure sensors can also be arranged in the base frame and can then be omitted in the shoes.

Neben der reinen Laufbewegung ist es für einen erhöhten Realismus auch sinnvoll, andere Bewegungen des Körpers erfassen zu können, um insoweit beispielsweise darauf reagieren zu können, dass der Benutzer seinen Kopf nach rechts oder links dreht. Dies kann einerseits über geeignete Sensoren an der Displayeinheit, sofern sie mit dem Kopf direkt verbunden ist, erfolgen. Andererseits ist es komfortabler, wenn dem Basisgestell eine Bildgeberanordnung, insbesondere ein dreidimensionaler Bildgeber, zugeordnet ist, welcher eine Bewegungserfassung des Benutzers vornimmt. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise auch Arm- und Fingerbewegungen mit erfasst werden können, so dass auch die erfassten Körperglieder und deren Bewegungen in den virtuellen Raum übertragen werden können. Ferner ist es hierdurch möglich, eine Gesichtserfassung durchzuführen, um einem Avatar oder einer grafischen Repräsentation des Benutzers im virtuellen Raum kennzeichnende Merkmale zu geben, so dass im virtuellen Raum ein Wiedererkennen der einzelnen Mitbenutzer möglich ist. Schließlich ist auch eine Abschätzung der Körpergröße auf diese Weise möglich, anhand der beispielsweise die Einstellung der Neigung der Trittfläche vorgenommen werden kann. Jedoch auch andere Einstellungsmerkmale wie die Zugkraft an den Wickelspulen oder Bremskräfte an der Drehscheibe können hierdurch beeinflusst werden. In addition to the pure running motion, it is also sensible for increased realism to be able to detect other movements of the body in order, for example, to be able to react to the user turning his head to the right or left. This can be done on the one hand via suitable sensors on the display unit, if it is directly connected to the head. On the other hand, it is more comfortable when the base frame a Imager assembly, in particular a three-dimensional imager, assigned, which performs a motion detection of the user. This has the advantage that, for example, arm and finger movements can also be detected so that the detected body limbs and their movements can also be transmitted into the virtual space. Furthermore, this makes it possible to perform a face detection in order to give characteristics indicative of an avatar or a graphic representation of the user in the virtual space, so that a recognition of the individual co-users is possible in the virtual space. Finally, an estimate of the body size in this way is possible, based on the example, the adjustment of the inclination of the tread can be made. However, other adjustment features such as the tensile force on the winding coils or braking forces on the turntable can be influenced thereby.

Eine solche Bremsung der Drehscheibe bzw. eine Einstellung der Zugkraft der Wickelspulen wird insgesamt mit einigem Vorteil aufgrund einer Lauferkennung vorgenommen, welche die Datenverarbeitungseinheit anhand ihrer Sensorwerte vornimmt. Insbesondere werden hierfür die Sensorwerte aus den Drucksensoren in Sohlen der Gleitschuhe, Wickelposition und Drehpositionen von Drehscheiben bzw. Wickelspulen und die Daten eines dreidimensionalen Bildgebers verwendet. Such a braking of the turntable or an adjustment of the pulling force of the winding bobbins is carried out with some advantage on the basis of a running recognition, which the data processing unit carries out on the basis of its sensor values. In particular, the sensor values from the pressure sensors in soles of the sliding shoes, winding position and rotational positions of turntables or reel spools and the data of a three-dimensional image generator are used for this purpose.

Die Positionserfassung der Wickelspulen und/oder der Drehscheibe erfolgt vorzugsweise mithilfe von Rotationsencodern, also beispielsweise optischen Sensoren, welche auf der Drehscheibe bzw. den Wickelspulen angeordnete Strichmarkierungen ablesen können. The position detection of the winding coils and / or the turntable is preferably carried out by means of rotary encoders, so for example optical sensors which can read bar marks arranged on the turntable or the winding coils.

Der Drehscheibe können auch Wägemittel zur Bestimmung des Körpergewichts des Benutzers zugeordnet sein, so dass eine Alternative zur Gewichtsbestimmung über die Drucksensoren in den Gleitschuhen besteht. The turntable may also be associated with weighing means for determining the body weight of the user, so that there is an alternative to weight determination via the pressure sensors in the sliding shoes.

Ein weiteres Maß für die Fortbewegung des Benutzers im virtuellen Raum ist die Zugkraft, die der Benutzer beim Ausschreiten auf die Wickelspulen ausübt. Mit dieser Information wird bestimmt, wie schnell die Wickelspulen dabei abgewickelt werden sollen. Eine derartige Erfassung der Zugkraft kann dadurch erfolgen, dass die Wickelspulen an einer schwenkbaren Aufhängung befestigt sind, welche mit dem Basisgestell verbunden ist. Durch die Zugkraft wird die Aufhängung dann in Richtung des Benutzers gezogen und es wird eine Auslenkung gegenüber der Senkrechten festgestellt, welche als Messwert erfasst werden kann. Hierbei kann entweder die Schwenkbarkeit um eine Achse herum erfolgen, wobei eine Rückstellung beispielsweise mithilfe einer Federeinrichtung realisiert werden muss, oder aber die gesamte Aufhängung kann elastisch gebildet werden, so dass die Schwenkung der Aufhängung als Biegung realisiert werden kann. Another measure of the movement of the user in the virtual space is the tensile force exerted by the user when riding on the winding spools. With this information, it is determined how fast the reel spools should be handled. Such a detection of the tensile force can be effected in that the winding coils are attached to a pivotable suspension, which is connected to the base frame. By the tensile force, the suspension is then pulled in the direction of the user and it is determined a deflection relative to the vertical, which can be detected as a measured value. Here, either the pivoting about an axis around take place, with a provision must be realized for example by means of a spring means, or the entire suspension can be formed elastically, so that the pivoting of the suspension can be realized as a bend.

Um den Benutzer während seiner Laufbewegung in einer definierten Position zu halten, kann dem Basisgestell zudem eine Haltevorrichtung zugeordnet sein, welche den Benutzer im Rückenbereich festhält. Hierzu kann die Haltevorrichtung über einen Haltegurt mit dem Benutzer verbunden werden. In Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann zwischen dem Haltegurt und der Haltevorrichtung zudem eine Rückholfeder vorgesehen sein, welche ein Vorbeugen des Benutzers, beispielsweise bei einer etwas schnelleren Laufbewegung, zulässt, den Benutzer jedoch wieder in die Ausgangsposition zurückzieht, sobald die Zugkraft des Benutzers nachlässt. Auch diese Anordnung hilft dabei, den Benutzer in einer definierten Position oberhalb der Drehscheibe zu halten und lediglich während des Laufens nach vorne ausrücken zu lassen. Je nach Gewicht bzw. Körpergröße kann die verwendete Rückholfeder, welche den Haltegurt wieder an die Haltevorrichtung heranzieht, auch einstellbar sein, wobei eine Einstellung der Rückholfeder bedarfsweise ebenfalls von der Datenverarbeitungseinheit vorgenommen werden kann. So kann beispielsweise mithilfe der Drucksensoren in den Gleitschuhen das Gewicht des Benutzers festgestellt werden, mithilfe einer Bewegungserfassung aufgrund einer Kamera, einer 3D-Kamera oder dergleichen die Größe festgestellt werden und die Einstellung der Rückholfeder in Abhängigkeit von Körpergröße und/oder Körpergewicht vorgenommen werden. Bedarfsweise kann diese Einstellung jedoch auch manuell vornehmbar sein. In order to keep the user in a defined position during its running movement, the base frame can also be assigned a holding device which holds the user in the back area. For this purpose, the holding device can be connected via a tether with the user. In a further development of this embodiment may be provided between the tether and the holding device also a return spring, which prevents the user from bending, for example, at a slightly faster running movement, but the user retracts back to the starting position as soon as the pull of the user subsides. This arrangement also helps to keep the user in a defined position above the turntable and to let move forward only while running. Depending on the weight or body size, the return spring used, which draws the tether back to the holding device, also be adjustable, with an adjustment of the return spring, if necessary, can also be made by the data processing unit. For example, by means of the pressure sensors in the sliding shoes, the weight of the user can be determined, the size can be determined by means of a motion detection based on a camera, a 3D camera or the like and the setting of the return spring can be made as a function of height and / or body weight. If necessary, however, this setting can also be manually vornehmbar.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention described above will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

Es zeigen Show it

1 eine Vorrichtung zur Abbildung einer Laufbewegung in einen virtuellen Raum in einer schematischen Seitendarstellung, 1 a device for mapping a running movement into a virtual space in a schematic side view,

2 ein Detail der 1 im Bereich der Haltevorrichtung, sowie 2 a detail of 1 in the area of the holding device, as well

3 ein weiteres Detail der 1 im Bereich der Wickelspulen. 3 another detail of 1 in the area of the winding spools.

1 zeigt ein Basisgestell 1, auf dem sich eine Person 6 laufend bewegt. Das Basisgestell 1 weist hierbei eine Lauffläche 12 auf, über welche die Person 6 läuft. Die Lauffläche 12 setzt sich hierbei aus einer Drehscheibe 10 und einer Trittfläche 11 zusammen. Die Trittfläche 11 umgreift die Drehscheibe 10 abschnittsweise, so dass die Person 6 beim Ausschreiten nach vorne zunächst auf der Trittfläche 11 auftritt und seine Bewegung mit dem Fuß zurück auf die Drehscheibe 10 ziehend unterstützt wird. Das Zurückziehen des Fußes auf die Drehscheibe 10 erfolgt mithilfe von Gleitschuhen 3, welche jeweils über ein Zugseil 14 mit jeweils einer Wickelspule 13 verbunden sind. 1 shows a base frame 1 on which a person is 6 constantly moving. The base frame 1 here has a tread 12 on, over which the person 6 running. The tread 12 consists of a turntable 10 and a tread 11 together. The tread 11 surrounds the turntable 10 in sections, leaving the person 6 at the Strike forward first on the tread 11 occurs and his foot motion back to the turntable 10 pulling is supported. The retraction of the foot on the turntable 10 carried out by means of sliding shoes 3 , which each have a pull rope 14 each with a winding spool 13 are connected.

Bewegt der Benutzer 6 seinen Fuß mit dem Gleitschuh 3 nach vorne, so wird die Wickelspule 13 aufgrund einer optischen Abtastung feststellen, dass sie abgewickelt wird. Abhängig von dem Körpergewicht, der Abwickelgeschwindigkeit und der Körpergröße und der damit einhergehenden Schrittlänge der Person 6 wird die Wickelspule 13 zunächst abgerollt und wird nach dem Absetzen des Gleitschuhs 3 auf der Lauffläche diesen beim Zurückziehen wieder in eine Ausgangsposition etwa in der Mitte der Drehscheibe 10 nach hinten unterstützen. Beim Ausschreiten wird die Person 6 zunächst auf die Trittfläche 11 treten, welche eine Neigung aufweist, so dass das Auftreten der Person 6 für diese möglichst realistisch wirkt. Aufgrund einer Halterung der Person 6 in deren Rücken ist ein Vorbeugen der Person 6 nur eingeschränkt möglich, so dass eine Anpassung der Neigung der Trittfläche 11 die benötigte Kompensation bringt. Die Person 6 bewegt sich also im Wesentlichen beim Laufen oberhalb des Übergangs zwischen Drehscheibe 10 und Trittfläche 11, wird aber, wenn sie stehen bleibt, im Wesentlichen über der Mitte der Drehscheibe 10 zum Stehen kommen. Moves the user 6 his foot with the sliding shoe 3 forward, so is the winding spool 13 due to an optical scan, determine that it is unwinding. Depending on the body weight, the unwinding speed and the body size and the associated stride length of the person 6 becomes the winding spool 13 first unrolled and is after discontinuation of the shoe 3 on the tread this retraction back to a starting position approximately in the middle of the hub 10 back support. When going out, the person becomes 6 first on the tread 11 occur, which has a tendency, so that the appearance of the person 6 looks as realistic as possible for them. Due to a holder of the person 6 in the back of which is a person's prevention 6 only limited possible, allowing an adjustment of the inclination of the tread 11 brings the needed compensation. The person 6 So it essentially moves while running above the transition between turntable 10 and tread 11 but, if it stops, it will be essentially over the center of the turntable 10 come to a stop.

Dies bewirkt unter anderem eine Haltevorrichtung 2, welche über einen Haltegurt 21 mit der Person 6 verbunden ist. Mithilfe eines Federarms 20 wird der Haltegurt 21 in Ermangelung einer Gegenkraft wieder an die Haltevorrichtung 2 zurückgezogen und die Person 6 damit in eine unbewegte Ausgangstellung zurückgebracht. Die Koordination der Aktoren, insbesondere die Arbeit der Wickelspulen 13, erfolgt mithilfe einer Datenverarbeitungseinheit 5, welche mit allen Sensoren und Aktoren der Vorrichtung in Datenverbindung steht. Auch simuliert die Datenverarbeitungseinheit 5 einen virtuellen Raum, welcher über eine Displaybrille 4 für die Person 6 sichtbar gemacht wird. Sämtliche Sensorwerte der Vorrichtung werden an die Datenverarbeitungseinheit 5 übermittelt und dienen dieser als Eingaben, die sie für eine Berechnung einer virtuellen Bewegung in dem virtuellen Raum verwendet. This causes inter alia a holding device 2 which has a tether 21 with the person 6 connected is. Using a spring arm 20 becomes the tether 21 in the absence of an opposing force back to the holding device 2 withdrawn and the person 6 thus returned to a static starting position. The coordination of the actuators, in particular the work of the winding spools 13 , by means of a data processing unit 5 , which is in data communication with all sensors and actuators of the device. Also simulates the data processing unit 5 a virtual room, which has a display glasses 4 for the person 6 is made visible. All sensor values of the device are sent to the data processing unit 5 and serve as inputs that it uses to calculate a virtual motion in the virtual space.

2 zeigt als Detail der 1 den Bereich der Verbindung zwischen der Haltevorrichtung 2 des Basisgestells 1 und dem der Person 6 angelegten Haltegurt 21. Der Haltevorrichtung 2 ist zum einen ein Federarm 20 zugeordnet, welcher die Bewegung der Person 6 von der Haltevorrichtung 2 weg begrenzt, zum anderen ist eine Rückholfeder 22 vorgesehen, welche mithilfe der Datenverarbeitungseinheit 5 verstellbar ist. Je nach Körpergröße und Körpergewicht der Person 6 wird die Federkraft der Rückholfeder 22 eingestellt, so dass eine größere, schwerere Person einen größeren Widerstand aufbringen muss, um sich gegen die Kraft der Rückholfeder 22 stemmen. Die Rückholung, welche über den Federarm 20 bzw. die Rückholfeder 22 erfolgt, hält die Person 6 in der richtigen Position über der Drehscheibe 10, so dass ein Herunterfallen von dem Basisgestell 1 wirkungsvoll verhindert ist und zudem eine exakte Positionierung im Bereich der Trittfläche 11 und der Drehscheibe 10 erfolgt. Auch die Blickrichtung der Person 6 ist damit weitgehend festgelegt, so dass der Einsatz eines Motion-Capturing-Verfahrens mit einer einzigen Bildgeberanordnung möglich ist. Die Federanordnung erlaubt jedoch gleichzeitig so viel Bewegung, dass verschiedene Laufpositionen durch die Person 6 eingenommen werden können, was zu einem realistischen Lauferlebnis führt. 2 shows as a detail the 1 the area of the connection between the holding device 2 of the base frame 1 and that of the person 6 applied tether 21 , The holding device 2 is on the one hand a spring arm 20 associated with which the movement of the person 6 from the holding device 2 limited way, on the other hand is a return spring 22 provided by the data processing unit 5 is adjustable. Depending on the height and body weight of the person 6 becomes the spring force of the return spring 22 adjusted, so that a larger, heavier person must muster a greater resistance to the force of the return spring 22 to stem. The return, which over the spring arm 20 or the return spring 22 takes place, keeps the person 6 in the right position above the turntable 10 so that it falls off the base frame 1 is effectively prevented and also an exact positioning in the tread area 11 and the turntable 10 he follows. Also the line of sight of the person 6 is thus largely fixed, so that the use of a motion-capture method with a single imager arrangement is possible. However, the spring arrangement allows at the same time so much movement that different running positions by the person 6 can be taken, resulting in a realistic running experience.

3 zeigt ein weiteres Detail im Bereich der Rückseite der Drehscheibe 10, wo die Wickelspulen 13 angeordnet sind. Die jeweilige Position einer Wickelspule 13 wird mithilfe eines optischen Sensors 16 erfasst, welcher die Stellung der Wickelspule 13 aufgrund von Strichmarkierungen 15 auf der Wickelspule 13 erfassen kann. Hierdurch erfährt die mit dem optischen Sensor 16 verbundene Datenverarbeitungseinheit 5, an welcher Position die Wickelspule 13 und damit der dazugehörige Gleitschuh 3 sich befindet. Abhängig von dieser Position wird die jeweilige Aktion der Wickelspule 13 von der Datenverarbeitungseinheit 5 koordiniert. Zur Erfassung der Zugkraft der Person 6 an der Wickelspule 13 ist Letztere auf einer Aufhängung 17 angeordnet, welche um eine Schwenkachse 18 herum schwenkbar ist. Hierbei ist die Aufhängung 17 mit einer Rückholung verbunden, welche die Aufhängung 17 in die senkrechte Position zurückziehen wird, sobald keine Belastung mehr durch die Person 6 erfolgt. Der Auslenkwinkel 19 der Aufhängung 17 gegenüber der Senkrechten wird ebenfalls erfasst und für die Zugkraft der Person 6 an der Wickelspule 13 verwendet. 3 shows another detail in the area of the back of the turntable 10 where the winding spools 13 are arranged. The respective position of a reel spool 13 is using an optical sensor 16 detects which position of the reel spool 13 due to line markings 15 on the reel spool 13 can capture. As a result, learns with the optical sensor 16 connected data processing unit 5 , at which position the winding spool 13 and thus the associated sliding shoe 3 located. Depending on this position, the respective action of the reel spool 13 from the data processing unit 5 coordinated. To capture the traction of the person 6 at the winding spool 13 the latter is on a suspension 17 arranged, which about a pivot axis 18 is pivotable around. Here is the suspension 17 associated with a return which the suspension 17 will withdraw into the vertical position as soon as no more burden by the person 6 he follows. The deflection angle 19 the suspension 17 relative to the vertical is also recorded and for the traction of the person 6 at the winding spool 13 used.

Vorstehend beschrieben ist somit eine Vorrichtung zur Abbildung einer auf einem Basisgestell stattfindenden Laufbewegung in einem mittels einer Datenverarbeitungseinheit simulierten, virtuellen Raum, welche durch die Anordnung einer zusätzlichen Trittfläche im Bereich einer als Basislauffläche dienenden Drehscheibe und einer Neigung dieser Trittfläche eine deutliche Verbesserung des Lauferlebnisses im virtuellen Raum ermöglicht. Thus described above is a device for imaging a running on a base frame running motion in a simulated by a data processing unit, virtual space, which by the arrangement of an additional tread in the area serving as a base tread hub and a slope of this tread a significant improvement of the running experience in the virtual Space allows.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Basisgestell  basic frame
22
Haltevorrichtung  holder
33
Gleitschuhe  skids
44
Displaybrille  display glasses
55
Datenverarbeitungseinheit  Data processing unit
6 6
Person  person
10 10
Drehscheibe turntable
11 11
Trittfläche tread
12 12
Lauffläche tread
13 13
Wickelspule winding reel
14 14
Zugseil rope
15 15
Strichmarkierung line marking
16 16
optischer Sensor optical sensor
17 17
Aufhängung suspension
18 18
Schwenkachse swivel axis
19 19
Auslenkwinkel angle of deflection
20 20
Federarm spring arm
21 21
Haltegurt safety belt
22 22
Rückholfeder return spring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 69621844 T2 [0006] DE 69621844 T2 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/stringwalker/stringwalker.html [0002] http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/stringwalker/stringwalker.html [0002]
  • „Virtual Perambulator: A Novel Interface Device for Locomotion in Virtual Environment“ von Hiroo IWATA und Takashi FUJII, Institute of Engineering Mechanics, University of Tsukuba, Tsukuba, 305 JAPAN [0005] "Virtual Perambulator: A Novel Interface Device for Locomotion in Virtual Environment" by Hiroo IWATA and Takashi FUJII, Institute of Engineering Mechanics, University of Tsukuba, Tsukuba, 305 JAPAN [0005]
  • „Proceedings of the 1996 Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS 96) [0005] Proceedings of the 1996 Virtual Reality Annual International Symposium (VRAIS 96) [0005]

Claims (10)

Vorrichtung zur Abbildung einer auf einem Basisgestell (1) stattfindenden Laufbewegung in einen mittels einer Datenverarbeitungseinheit (5) simulierten, virtuellen Raum, wobei das Basisgestell (1) eine Lauffläche (12) aufweist, welche eine um eine Drehachse rotierbare Drehscheibe (10) umfasst, wobei dem Basisgestell (1) im Bereich der Lauffläche (12) wenigstens eine motorisch angetriebene Wickelspule (13) zur Aufwicklung von mit Gleitschuhen (3) verbundenen Zugmitteln zugeordnet ist, wobei die Drehpositionen der Drehscheibe (10) und der wenigstens einen Wickelspule (13) mithilfe von mit der Datenverarbeitungseinheit (5) kommunizierenden Sensoren (16) erfasst und an diese übermittelt werden und die Datenverarbeitungseinheit (5) aus den Sensorwerten eine Bewegung im virtuellen Raum berechnet, sowie den von ihr simulierten, virtuellen Raum über eine mit der Datenverarbeitungseinheit (5) kommunizierende Displayeinheit darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (12) durch eine an die Drehscheibe (10) zumindest in Laufrichtung anschließende Trittfläche (11) ergänzt ist, welche, von der Drehscheibe (11) aus ansteigend, diese wenigstens abschnittsweise umgreift. Device for imaging one on a base frame ( 1 ) running movement into one by means of a data processing unit ( 5 ) simulated virtual space, the base frame ( 1 ) a tread ( 12 ), which rotatable about a rotation axis turntable ( 10 ), wherein the base frame ( 1 ) in the area of the tread ( 12 ) at least one motor-driven winding spool ( 13 ) for winding on with sliding shoes ( 3 ) is associated with associated traction means, wherein the rotational positions of the turntable ( 10 ) and the at least one winding spool ( 13 ) by using the data processing unit ( 5 ) communicating sensors ( 16 ) and transmitted to the data processing unit ( 5 ) calculates a movement in the virtual space from the sensor values, as well as the virtual space simulated by it, via a data processing unit ( 5 ) communicating display unit, characterized in that the tread ( 12 ) by one to the turntable ( 10 ) at least in the direction of subsequent tread ( 11 ), which, from the turntable ( 11 ) from rising, this at least partially encompasses. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Trittfläche (11) manuell und/oder durch die Datenverarbeitungseinheit (5), in letzterem Fall vorzugsweise in Abhängigkeit von der Geografie des virtuellen Raums, verstellbar ist. Device according to claim 1, characterized in that the inclination of the tread ( 11 ) manually and / or by the data processing unit ( 5 ), in the latter case preferably in dependence on the geography of the virtual space, is adjustable. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (12) mit Filz belegt ist und die Gleitschuhe (3) eine Sohle aus Polytetrafluorethylen aufweisen, wobei die Gleitschuhe (3) vorzugsweise als Überschuhe ausgebildet sind. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the tread ( 12 ) is covered with felt and the sliding shoes ( 3 ) have a sole of polytetrafluoroethylene, wherein the sliding shoes ( 3 ) are preferably designed as overshoes. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Gleitschuhen (3) im Bereich der Sohlen jeweils wenigstens eine mit der Datenverarbeitungseinheit (5) kommunizierende Drucksensoranordnung zugeordnet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding shoes ( 3 ) in the region of the soles each at least one with the data processing unit ( 5 ) communicating pressure sensor assembly is associated. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basisgestell (1) eine mit der Datenverarbeitungseinheit (5) kommunizierende Bildgeberanordnung, vorzugsweise wenigstens ein dreidimensionaler Bildgeber, zur Durchführung einer Bewegungserfassung zugeordnet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base frame ( 1 ) one with the data processing unit ( 5 ) communicating imager arrangement, preferably at least one three-dimensional imager, is assigned for carrying out a movement detection. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise servogesteuerte Bremsung der Drehscheibe (10) und/oder die Zugkraft der Wickelspulen (13) aufgrund einer Lauferkennung durch die Datenverarbeitungseinheit (5) einstellbar ist, welche die Lauferkennung anhand von Drucksensoren in den Sohlen der Gleitschuhe (3) und/oder aufgrund einer Bewegungserfassung mittels einer Bildgeberanordnung durchführt. Device according to one of claims 4 or 5, characterized in that a preferably servo-controlled braking of the turntable ( 10 ) and / or the tensile force of the winding spools ( 13 ) due to a run detection by the data processing unit ( 5 ), which identifies the running detection by means of pressure sensors in the soles of the sliding shoes ( 3 ) and / or due to motion detection by means of an imager arrangement. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehscheibe (10) und/oder den Wickelspulen (13) eine mithilfe von mit der Datenverarbeitungseinheit (5) kommunizierenden, optischen Sensoren abtastbare Strichmarkierung (15) zugeordnet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the turntable ( 10 ) and / or the winding spools ( 13 ) one with the data processing unit ( 5 ), optical sensors scannable bar code ( 15 ) assigned. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelspulen (13) an einer schwenkbaren Aufhängung (17) befestigt sind und eine Zugkraft an den Wickelspulen (13) eine mithilfe von Sensoren messbare Auslenkung der Aufhängung bewirkt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the winding spools ( 13 ) on a pivoting suspension ( 17 ) and a tensile force on the winding spools ( 13 ) causes by means of sensors measurable deflection of the suspension. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basisgestell (1) eine Haltevorrichtung (2) mit einem Haltegurt (21) zugeordnet ist, der mit der Haltevorrichtung (2) unter Zwischenlage einer vorzugsweise einstellbaren Rückholfeder (22) verbunden ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base frame ( 1 ) a holding device ( 2 ) with a tether ( 21 ) associated with the holding device ( 2 ) with the interposition of a preferably adjustable return spring ( 22 ) connected is. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 mit Mitteln zum Wägen und/oder zum Ermitteln der Körpergröße einer auf der Drehscheibe (10) stehenden Person (6), wobei die Rückholfeder (22) mithilfe der Datenverarbeitungseinheit (5) aufgrund des ermittelten Gewichts und/oder der ermittelten Körpergröße der auf der Drehscheibe (10) stehenden Person (6) selbsttätig einstellbar ist. Device according to claim 9, comprising means for weighing and / or determining the height of a person on the turntable ( 10 ) standing person ( 6 ), whereby the return spring ( 22 ) using the data processing unit ( 5 ) on the basis of the determined weight and / or the determined height of the turntable ( 10 ) standing person ( 6 ) is automatically adjustable.
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