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Die Erfindung betrifft einen Schuh mit einem Schuhelement und einer Sohle mit einem Tragstrukturelement sowie Verwendung des Schuhs für ein Virtual Reality System.
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Stand der Technik
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Mittels eines Virtual-Reality-Systems kann eine virtuelle Realität dargestellt werden, wobei als virtuelle Realität üblicherweise die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit in ihren physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung bezeichnet wird.
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Virtual-Reality-Systeme umfassen üblicherweise zumindest eine Virtual-Reality-Brille. Bei einer Virtual-Reality-Brille handelt es sich um eine bestimmte Form eines sogenannten Head-Mounted-Displays, bei welchem es sich um ein auf dem Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät handelt. Es präsentiert Bilder auf einem augennahen Bildschirm oder projiziert sie direkt auf die Netzhaut. Eine Virtual-Reality-Brille hat dabei zusätzlich noch Sensoren zur Bewegungserfassung des Kopfes. Damit kann die Anzeige einer berechneten Grafik an die Bewegungen eines Trägers der Virtual-Reality-Brille angepasst werden. Durch die körperliche Nähe wirken die angezeigten Bildflächen von Head-Mounted-Displays erheblich größer als die freistehender Bildschirme und decken im Extremfall sogar das gesamte Sichtfeld des Benutzers ab. Da die Displays von Virtual-Reality-Brillen durch die Kopfhaltung allen Kopfbewegungen eines Trägers folgen, bekommt er das Gefühl, sich direkt in einer von einem Computer erzeugten Bildlandschaft zu bewegen.
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Insbesondere die realitätsnahe Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit in ihren physikalischen Eigenschaften stellt eine besondere Herausforderung bei Virtual-Reality-Systemen dar.
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Aus der
US 5,562,572 und der
US 6,152,854 sind Laufbänder bekannt, die in einem Virtual-Reality-Simulator eingesetzt werden können, um einem Simulationsteilnehmer eine Gehbewegung zu ermöglichen, ohne dass sich der Simulationsteilnehmer tatsächlich fortbewegt. Im Gegensatz zu den aus Fitnessstudios bekannten Laufbändern ermöglichen diese Laufbänder jedoch eine omnidirektionale Bewegung in beliebigen Richtungen innerhalb der Ebene des Laufbandes, so dass der Bewegungsspielraum des Benutzers nicht eingeschränkt wird. Zur Ermöglichung beliebiger Bewegungsrichtungen weisen diese bekannten Laufbänder zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Förderbänder auf, wobei das eine Förderband eine Vielzahl von Rollkörpern aufweist, die an ihrer Oberseite eine Lauffläche bilden und rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Förderbandes drehbar sind. Der Antrieb der drehbar gelagerten Rollkörper erfolgt durch das andere Förderband, das an der Unterseite der Rollkörper reibschlüssig angreift. Durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Förderbänder lassen sich dann beliebige Bewegungsrichtungen in einer Ebene realisieren, da sich die beiden rechtwinklig zueinander verlaufenden Bewegungsrichtungen der beiden Förderbänder überlagern.
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Aus der
DE 10 2004 016 429 A1 ist eine Fördereinrichtung, insbesondere für ein Laufband oder ein Förderband, mit einer Vielzahl von Rollkörpern, die an ihrer Oberseite zusammen eine Auflagefläche für ein Förderobjekt bilden, wobei die Rollkörper in einer bestimmten Drehrichtung drehbar gelagert sind, um das Förderobjekt entsprechend der Drehrichtung der Rollkörper in eine bestimmte Förderrichtung zu bewegen. Es wird vorgeschlagen, dass die Rollkörper jeweils ortsfest angeordnet und in mehreren Drehrichtungen drehbar gelagert sind, um das Förderobjekt in verschiedene Förderrichtungen zu bewegen.
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Ferner ist für eine Bewegung in der virtuellen Welt eine Halbschale in der realen Welt vorgesehen, die nach oben zum Anwender hin geöffnet ist. Der Anwender stellt sich mit speziellen Schuhen und dem Virtual-Reality System in die Schale und beginnt zu laufen. Aufgrund der schalenartigen Ausbildung gleiten die Füsse auf der Innenwandung der Schale in Richtung des Grundes, so dass real der Anwender ungefähr an einem Ort bleibt, wohingegen der Anwender das Gefühl hat, natürlich durch die virtuelle Welt zu laufen.
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Nachteile des Standes der Technik
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Grundsätzlich ist es ein Problem, dass der tatsächliche Aktionsraum sehr eingeschränkt ist, man nicht oder nur schwer am Rand des sich bewegenden Aktionsraumes vorhandene Gegenstände erreichen kann (bspw. ein Hocker). Zudem sind die Bewegungen auf das Gehen beschränkt. Setzen, springen, legen ist nicht möglich.
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Nachteilig an den bekannten omnidirektionalen Laufbändern ist die Tatsache, dass zwei separate Förderbänder erforderlich sind, um durch die Überlagerung von zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Bewegungen unterschiedliche Bewegungsrichtungen des Laufbandes zu ermöglichen.
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Einer der Nachteile der zuvor beschriebenen Einrichtungen ist darin zu sehen, dass ein sehr komplexe und räumlich sehr bestimmende Vorrichtung vorgesehen sein muss, um dem Benutzer von Virtual Reality Systemen das Gefühl zu geben, unbegrenzt sich im Raum bewegen zu können. Insbesondere die omnidirektionale Möglichkeit führt zu einer sehr komplexen Ausführung einer Vorrichtung, die zum einen sehr kostenintensiv und auch wartungsintensiv ist und daher insbesondere für den privaten Anwendungsbereich nicht geeignet ist.
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Zudem fehlt es hinsichtlich der Abstimmung mit dem System für die Virtual Reality, so dass der Benutzer nicht das Gefühl erhält, tatsächlich zu gehen. Er wird unsicher, fühlt sich dabei nicht wohl und bekommt Anzeichen der Seekrankheit. Die Seekrankheit tritt dann auf, wenn das gezeigte virtuelle Bild nicht mit der gefühlten Bewegung übereinstimmt. Ziel sollte es daher sein, eine möglichst natürliche Bewegung im virtuellen Raum zu ermöglichen.
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Ein weiterer Nachteil der räumlich begrenzten Vorrichtungen besteht darin, dass der Anwender dennoch diese Grenzen überschreiten und sich dann erheblich verletzen kann. Um dies zu verhindern, sind bei manchen Vorrichtungen Haltegurte vorgesehen, die ein Überschreiten dieser äusseren Grenzen nicht ermöglicht. Dadurch leidet aber der Nutzerkomfort und die Vorrichtung selbst ist noch komplexer.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für ein Virtual-Reality System bereitzustellen, mit dem der Benutzer sich omnidirektional und unbegrenzt in einem virtuellen Raum möglichst natürlich bewegen kann, wobei mindestens einer der zuvor genannten Nachteile zu berücksichtigen ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das der Benutzer ein sicheres natürliches Gefühl des Laufens und Gehens räumlich unbegrenzt im virtuellen Raum erhält, ohne dass dieser tatsächlich in Bezug auf die Raumkoordinaten begrenzt ist.
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Einer der wesentlichen Vorteile ist darin zu sehen, dass eine sehr kompakte und nur an den Füssen des Anwenders angeordnete Vorrichtung das Laufen zumindest nahezu auf der Stelle ermöglicht. Der Anwender hat das Gefühl (in der virtuellen Welt) durch den Raum unbegrenzt laufen zu können.
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Durch die kompakte und anwenderfreundliche Ausführung ist eine einfache Anwendung nahezu von jedermann möglich, da ansonsten keine grossen Räume noch zeitintensive Aufbauten und Einrichtungen benötigt werden.
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Vorteilhafterweise ist ein von dem Anwender jeweils an einem Fuss anzuziehender Schuh vorzusehen. Dieser Schuh weist auf seiner zur Laufsohle hinweisenden Seite an einem Tragstrukturelement ein Aktivelement auf. Dieses Aktivelement hat bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Eigenschaft, den jeweils in Laufrichtung bewegten Fuss in seine Ausgangssituation aktiv zurückzuführen. Im Gegensatz zu halbschaligen Ausbildungen, bei denen die Füsse vom Anwender gleitend in der Halbschale durch den Anwender aktiv zurückgeführt werden müssen, werden die Füsse durch das Aktivelement in die Ausgangssituation gebracht, passend in der Geschwindigkeit, in der sich der Anwender bewegt, so dass dieser ein reales natürliches Gefühl des Gehens oder Laufens erhält.
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Aktivelemente können angetriebene Rollen, vergleichbar mit Rollschuhen, sein. Auch aktiv durch Antriebe (Aktuatoren) bewegbare Gleitelemente, Räder oder auch Kettenelemente sind geeignet, um den jeweiligen Fuss wieder in die Ausgangssituation zu überführen. Dabei wird auch die eigentliche Bewegung abgebremst, wodurch aktiv Strom gewonnen werden kann, der wiederum für den Betrieb der Vorrichtung eingesetzt werden kann. Vereinfacht werden die Aktivelemente so angetrieben, dass sie mit einer konstanten Geschwindigkeit entgegen der Laufrichtung des Anwenders bewegen, sodass die Geh- oder Laufgeschwindigkeit gegenüber dem Boden im Mittel Null ist. Die Drehgeschwindigkeit der Rollen wird hierbei konstant gehalten, egal in welche Richtung der Geh- oder Laufvorgang ein Drehmoment ausübt. Das heisst, die Motoren werden abwechselnd im Beschleunigungs- und Bremsmodus betrieben.
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Das System besteht aus der eigentlichen Virtual Reality Hard- und Software in Kombination mit den aktiven Schuhen. Durch die Kompaktheit kann der Anwender auf sehr einfache Art und Weise das System auch in kleinen Räumen, beispielsweise für Video Spiele oder auch virtuelle Stadtbesichtigungen oder Produktansichten anwenden. Die Schuhe können über eigene Bewegungssensoren verfügen oder über Sensoren zur Integration in ein Virtual Reality System mit dem Ziel die Position des Anwenders zu halten. Durch besondere Sensoren wird die Position des Anwenders in der Mitte der Aktionsfläche gehalten. Zusätzliche Sensoren, die kompatibel zum Virtual Reality System sind zum einen die höhere Präzision und zum anderen die Darstellung der Füsse in der virtuellen Umgebung. Die elektronische Steuerung bringt auch wiederrum den Vorteil, dass unterschiedliche Antriebsgeschwindigkeiten von langsam bis „boost“ gewählt werden können, so dass der Schuh nicht nur in Verbindung mit Virtual Reality Systemen verwendet werden kann, sondern auch als Rollschuh mit einem Elektroantrieb.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Anwender seinen Schuh tragen kann, wobei an den Schuh das Aktivelement mit Steuerung und Sensoren angeordnet werden kann.
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Somit besteht der Vorteil darin, dass keine fest installierte Infrastruktur nötig ist, wie beispielsweise eine Plattform, eine Schale oder bewegliche Aufbauten, etc. Der Anwender tritt auf der Stelle, während Gehen und Laufen natürlich empfunden wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen hervor.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 einen schematische Ansicht des Virtual Reality Systems mit den Schuhen sowie den mit den Schuhen gekoppelten Aktivelementen;
- 2 eine schematische Ansicht auf den Schuh zusammen mit einem Ausführungsbeispiel eines Aktivelements;
- 3 eine Darstellung des Bewegungsablaufs gefühlt durch den Benutzer und die Ausführung des Bewegungselements;
- 4 eine Darstellung des Regelkreis des Virtual Reality Systems, wobei der Regler an dem Schuh angeordnet ist;
- 5 eine Darstellung des Regelkreis des Virtual Reality Systems, wobei der Regler Teil des Virtual Reality Systems ist.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines Virtual Reality Systems S gezeigt. Dieses besteht aus einer Virtual-Reality-Brille 2, Sensoren 3, die zumindest an der Brille 2 angeordnet sind sowie einer Computereinheit 4 mit darauf gespeicherter Software zur Erzeugung der virtuellen Bilder und zur Berechnung der entsprechenden Positionen, die von einem Positionserfassungssystem 1 aufgenommen werden. Ferner ist als externe Einheit ein Schuh 5 für jeden Fuss des Anwenders vorgesehen. Dieser Schuh 5 ist mit der Computereinheit 4 zumindest indirekt gekoppelt. Der Anwender bewegt sich in einem definierten Bereich, die als Aktionsfläche 6 bezeichnet wird.
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In 2 ist der Schuh 5 für das Virtual Reality System 1 gezeigt. Dieser besteht aus einem Schuhelement 10, in das der Anwender mit seinem Fuss schlüpfen kann. Dieses Schuhelement 10 umfasst den Fuss des Anwenders. An dem Schuhelement ist ein Tragstrukturelement 7 angeordnet. Auf der zur Sohle 11 des Schuhelements 10 hinweisenden Seite ist ein an dem Tragstrukturelement 7 angeordnetes Aktivelement 12 vorgesehen. Dieses Aktivelement 12 dient dazu, den Schuh 5 zusammen mit dem Fuss des Anwenders entgegen der Laufrichtung (Pfeil 13) zu bewegen. Hierfür sind in dem Aktivelement 12 durch Aktuatoren antreibbare Rollen 14 vorgesehen, die durch das Virtual Reality System S und dessen Computereinheit 4 gesteuert werden. Eine Elektronikeinheit 15, die an dem Schuhelement 10 angeordnet ist, umfasst die in den 4 und 5 dargestellten Reglereinheiten 17. Sensoren 3 sind Teil dieser Reglereinheiten 17.
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Der Antrieb der Aktuatoren wird so angesteuert, dass der Anwender immer innerhalb der Aktionsfläche 6 bleibt. Um ein natürliches Geh- und Laufgefühl zu erhalten, wird jeder Geschwindigkeitsübergang langsam kompensiert, wie in der 3 gezeigt. Das s (Weg) - t (Zeit) Diagramm zeigt beispielhaft den Beginn einer Gehbewegung aus dem Stand (Linie 18). Zunächst beginnt die tatsächliche Bewegung natürlich, indem die Aktuatoren die vorherige Geschwindigkeit beibehalten (hier null). Damit aber die Aktionsfläche 6 nicht verlassen wird, werden die Aktuatoren (Linie 19) langsam beschleunigt, bis die gefühlte und gegangene bzw. gelaufene Vorwärtsbewegung vollständig kompensiert ist. Das zweite Diagramm zeigt die Geschwindigkeiten (V) über der Zeit. Dabei ist zu entnehmen, dass der Anwender mit konstanter Geschwindigkeit (Linie 20) geht, wohingegen die Aktuatoren in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen (Linie 21). Die Linie 22 stellt die Addition der beiden Geschwindigkeiten (Linie 20 und Linie 21) dar. Hieraus ist zu erkennen, dass der Anwender sich zunächst etwas in Gehrichtung bewegt, durch das Aktivelement aber unmittelbar in die Gegenrichtung bewegt wird, so dass seine absolute Geschwindigkeit in Bezug auf die Aktionsfläche 6 nahezu null ist.
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Ist eine zur Laufrichtung senkrechte Repositionierung der Person erforderlich, oder soll eine unbemerkte Richtungsänderung herbeigeführt werden (bspw. zum Entwirren von Kabeln), so werden die linken und rechten Rollen mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit angesteuert, bis die Sollrichtung und -Position erreicht ist.
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Die Reglereinheit 17 muss Kenntnis von Position und Richtung der Schuhe 5 haben, um im Zusammenwirken mit dem Virtual Reality System S die Geschwindigkeit V der Aktuatoren geeignet steuern zu können (4).
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Ob die Reglereinheit 17 an dem Schuh 5 angeordnet werden kann (4) oder Teil der Computereinheit 4 (5) ist, hängt von der Art des Sensorverfahrens ab. Bei Verfahren, bei denen die Sensoren 3 die absolute Lage und Richtung des Schuhs 5 selbst erfassen können, kann die Reglereinheit 17 an dem Schuh 5 untergebracht werden. Die Sensordaten werden an das Virtual Reality System übermittelt, das seinerseits korrigierende Eingriffe in den Regelkreis vornimmt, wie z.B. die oben erwähnten Positions- oder Richtungskorrekturen.
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Ermittelt das Virtual Reality System Lage und Richtung der Schuhe 5 aus den Daten des Positionserfassungssystems 1, ist die Reglereinheit 17 Teil der Computereinheit 4 (5).
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Das Gesamtsystem benötigt Fail-Safe-Vorrichtungen in Hard- und Software, um beispielsweise das Übertreten der «harten» Grenzen der Aktionsfläche (Wände, Möbel) zu verhindern, einen Sturz abzumildern, oder eine Sicherheitsabschaltung im Falle eines Softwareabsturzes.
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Möglicherweise ist eine an der Decke montierte Sicherheitsleine, die auch die Kabelführung übernehmen kann, vorteilhaft. Bei ausreichendem Moment und ausreichender Bandbreite der Aktuatoren können -in gewissen Grenzen-Untergründe simuliert werden. Am Rand der Aktionsfläche könnten Treppenstufen und Schrägen aufgestellt werden, die das Gefühl von Klettern, Treppensteigen oder Gehen an Schrägen vermitteln.
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Die Energieversorgung und Datenübertragung kann kabelgebunden ausgeführt werden. Alternativ kann die Datenübertragung drahtlos sein und die Energieversorgung für Antrieb und Steuerelektronik durch Batterien oder Akkumulatoren erfolgen.
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Weil beim Gehen und Laufen Nettoenergie gewonnen werden kann, könnte diese Energie für den Antrieb genutzt werden, sodass unbegrenzter Betrieb ohne Nachladen ermöglicht wird. In dieser Anordnung können die Energiespeicher sehr klein ausfallen, weil nur kurze Spitzen abgefangen werden müssen (bspw. Beschleunigen, Abbremsen).
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Bezugszeichenliste
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- S
- Virtual Reality System
- 1
- Positionserfassungssystem
- 2
- Virtual Reality Brille
- 3
- Sensoren
- 4
- Computereinheit
- 5
- Schuh
- 6
- Aktionsfläche
- 7
- Tragstrukturelement
- 8
-
- 9
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- 10
- Schuhelement
- 11
- Sohle
- 12
- Aktivelement
- 13
- Laufrichtung
- 14
- Rollen
- 15
- Elektronikeinheit
- 16
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- 17
- Reglereinheiten
- 18
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- 19
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- 20
- Linie
- 21
- Linie
- 22
- Linie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5562572 [0005]
- US 6152854 [0005]
- DE 102004016429 A1 [0006]
