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
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Abstract
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
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
Schließlich ist eine Lösung aus der
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
Bewegt der Benutzer
Dies bewirkt unter anderem eine Haltevorrichtung
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]
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