DE102020210594A1

DE102020210594A1 - Eingabevorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Avatars der virtuellen Realität oder eines ferngesteuerten Roboters

Info

Publication number: DE102020210594A1
Application number: DE102020210594.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2022038074A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung, umfassend einen Gurt, der zum Tragen durch einen Benutzer ausgebildet ist, ein Basisteil, das zur Befestigung an einem Objekt oder einer Wand ausgebildet ist, und ein kraftübertragendes Strebenteil, das sich in einer ersten Richtung von dem Basisteil zu dem Gurt erstreckt und das ausgebildet ist, um eine Kraft zwischen dem Gurt und dem Basisteil zu übertragen. Erste und zweite Kraftsensoranordnungen sind zwischen dem Gurt und dem kraftübertragenden Strebenteil und zwischen dem kraftübertragenden Strebenteil und dem Basisteil vorgesehen, die konfiguriert sind, um eine vom Gurt über das kraftübertragende Strebenteil zum Basisteil übertragene Kraft zu messen, wenn der Körper eines Benutzers eine Körperbewegungskraft ausübt. Ein Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality-Avatars oder eines ferngesteuerten Roboters oder einer Drohne mit einem solchen Eingabegerät umfasst das Steuern des Avatars oder des Roboters oder der Drohne , um sich vorwärts oder rückwärts zu bewegen, wenn die erste und/oder zweite Sensoranordnung eine symmetrische positive oder negative Kraft in einer ersten Richtung erfassen; der Avatar oder Roboter oder die Drohne wird gesteuert, um sich zu drehen, vorzugsweise mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate, wenn eine asymmetrische positive oder negative Kraft in der ersten Richtung von der ersten Sensoranordnung erfasst wird; und der Avatar, Roboter oder die Drohne wird gesteuert, um sich seitwärts zu bewegen, vorzugsweise mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate, basierend auf einer asymmetrischen positiven oder negativen Kraft in der ersten Richtung, die von der zweiten Sensoranordnung erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung zur Erzeugung einer Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft eines Benutzers und ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality-Avatars oder eines ferngesteuerten Roboters.
Gamepads, Tastaturen, Computermäuse oder Joysticks sind gängige Eingabegeräte, die mit der Hand bedient werden. Menschen mit eingeschränktem Gebrauch ihrer Hände sind möglicherweise nicht in der Lage, diese Eingabegeräte zu bedienen. Für Virtual Reality-Anwendungen umfassen einfache Virtual Reality (VR)-Systeme ein Headset für den Benutzer und einen Handheld-Controller, mit dem der Benutzer die Bewegung des Avatars in der VR steuern kann. Der Benutzer erfährt daher eine visuelle Bewegung ohne eine reale physische Bewegung des Körpers des Benutzers. Dies kann dazu führen, dass der Benutzer bei der Verwendung des VR-Systems möglicherweise starke Übelkeit verspürt, da er nicht sieht, wie er sich bewegt, ohne eine entsprechende physische Aktion in Verbindung mit dieser Bewegung auszuführen. Außerdem schränkt die Verwendung eines Handheld-Controllers zur Steuerung der Bewegung des Avatars die Möglichkeiten zur weiteren Nutzung der Hände des Benutzers für die Manipulation oder virtuellen Handsteuerung.
Es sind auch komplexe VR-Systeme bekannt, bei denen der Benutzer einen mit Bewegungssensoren ausgestatteten Anzug trägt und auf einem omnidirektionalen Laufband läuft. Solche Systeme erlauben dem Benutzer die Steuerung des VR-Avatars mit seiner entsprechenden Körperbewegung zu steuern, sind aber sowohl sperrig als auch teuer.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache, relativ kompakte und relativ kostengünstige Eingabevorrichtung zur Erzeugung einer Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft des Benutzers und ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality-Avatars oder eines ferngesteuerten Roboters bereitzustellen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Eingabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Eine Eingabevorrichtung zum Erzeugen einer Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft eines Benutzers, gemäß Anspruch 1, umfassend einen Gurt, das zum Tragen durch den Benutzer ausgebildet ist, ein Basisteil, das konfiguriert ist, um an einem Objekt oder einer Wand befestigt zu werden, ein kraftübertragendes Strebenteil, das sich in einer ersten Richtung von dem Basisteil zu dem Gurt erstreckt und das konfiguriert ist, um eine Kraft zwischen dem Gurt und dem Basisteil zu übertragen. Eine erste Kraftsensoranordnung ist zwischen dem Gurt und dem kraftübertragenden Strebenteil und so konfiguriert, dass sie eine Kraft misst, die von dem Gurt auf das kraftübertragende Strebenteil übertragen wird, wenn der Körper des Benutzers eine Körperbewegungskraft ausübt und eine zweite Kraftsensoranordnung ist zwischen dem kraftübertragenden Strebenteil und dem Basisteil vorgesehen und so konfiguriert, dass sie eine Kraft misst, die von dem kraftübertragenden Strebenteil auf das Basisteil übertragen wird, wenn der Körper des Benutzers eine Körperbewegungskraft ausübt.
Die Eingabevorrichtung ermöglicht es dem Benutzer, eine Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft des Benutzers zu erzeugen. Der einfache und kompakte Aufbau der Vorrichtung ermöglicht den Einsatz der Vorrichtung in relativ beengten Bereichen und ermöglicht die Herstellung zu relativ geringen Kosten. Weitere Vorteile sind, insbesondere für den Einsatz in der VR, darin zu sehen, dass eine mögliche VR-Krankheit reduziert wird, da der Benutzer die Eingaben, die z.B. zur Steuerung der Bewegung eines Avatars, durch entsprechende versuchte Körperbewegungen, die die Trennung zwischen der versuchten physischen Bewegung des Körpers und der visuellen Bewegung des VR-Avatars eliminiert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Benutzer an der Wand oder am Objekt befestigt wird, wie z.B. Möbel wie ein Schreibtisch oder eine Tür, durch den Gurt und die kraftübertragende Klammer gesichert ist. Auf diese Weise wird die Bewegung des Benutzers in der Realität eingeschränkt und die Verletzungsgefahr durch Bewegungen des Benutzers in der physischen Umgebung, die den Bewegungen des Avatars in der VR entsprechen, reduziert. Darüber hinaus erfährt der Benutzer eine intrinsische Kraftrückmeldung, die der Kraft entspricht, die er bei der Körperbewegung auf das Eingabegerät ausübt.
Alternativ kann das Eingabegerät dem Benutzer begrenzte Bewegungen von z.B. ein paar
Zentimetern erlauben und die Kraftsensoren können die Verschiebung gegen ein elastisches Element messen.
Die Eingabegeräte ermöglichen auch eine vorteilhafte Art der Steuerung eines ferngesteuerten Roboters. Solche Roboter können Roboter sein, die sich selbstständig in einer jeweiligen Umgebung bewegen können, insbesondere in einer gefährlichen Umgebung, z. B. bei Rettungseinsätzen. Da der Benutzer die Bewegung des Roboters durch versuchte Körperbewegungen steuert, hat der Benutzer die Verwendung seiner Hände für andere
Zwecke, z. B. die Steuerung eines oder mehrerer mit dem Roboter verbundener Roboterarme. Alternativ dazu, könnten solche Roboter auch Flugdrohnen sein, wobei die Flugbewegungen durch die Eingabegerät durch die Körperbewegungskraft des Benutzers gesteuert werden können, so dass der Benutzer z.B. mit seine Hände zur Steuerung einer an der Drohne montierten Kamera verwenden kann.
Der Roboter kann durch Verwendung eines Virtual-Reality-Headsets zusammen mit dem Eingabegerät gesteuert werden, um eine intuitivere Steuerung des Roboters zu ermöglichen.
Jede der Sensoranordnungen ist vorzugsweise zur Messung einer translatorischen Kraft in der ersten Richtung und einer Rotationskraft in einer horizontalen Bewegungsebene zu messen. Dies ermöglicht die Erfassung einer Mehrzahl unterschiedlicher Befehle, z. B. Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, Rotation und Seitwärtsbewegungen.
Ein Beispiel für eine Sensoranordnung sieht vor, dass jede der Sensoranordnungen zwei Kraftsensoren umfasst, die eine Kraft in der ersten Richtung messen und die in der horizontalen Bewegungsebene und orthogonal zur ersten Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind. In dieser Anordnung können einfache Kraftsensoren verwendet werden, mit denen eine Vorwärtsbewegungs-Eingabe oder eine Rückwärtsbewegungs-Eingabe detektiert werden kann, wenn beide Kraftsensoren eine im Wesentlichen symmetrische Vorwärts- oder Rückwärtskraft erkennen. Asymmetrische Kräfte, die von dem Sensorpaar erfasst werden, insbesondere eine vorwärts gerichtete Kraft in einem Sensor und rückwärts gerichtete Kraft in dem anderen Sensor, zeigen eine versuchte Rotationsbewegung des Benutzers an.
Das kraftübertragende Strebenteil weist zwei Träger auf, die sich vom Basisteil in Richtung des Gurts in einer Trapezform erstrecken, wobei sich die Träger in Richtung des Gurts einander annähern.
Die Länge der Träger kann einen sicheren Abstand zwischen dem Benutzer und dem Objekt oder der Wand gewährleisten, an dem/der das Basisteil befestigt ist. Wird z. B. das Basisteil an eine Tischplatte geklemmt, kann ein relativ kurzer Abstand verwendet werden, z. B. 30 cm oder 50 cm, da es unwahrscheinlich ist, dass die Tischplatte die Arm- oder auch Beinbewegungen des Benutzers behindert. Wird das Basisteil hingegen z. B. an eine Wand geschraubt, sollte ein größerer Abstand gewählt werden, z. B. ca. 1 Meter oder 1,5 Meter, um sicherzustellen, dass der Benutzer beim Bewegen seiner Arme oder Beine nicht unbeabsichtigt gegen die Wand stößt.
Die Trapezform erhöht die Steifigkeit der Struktur, wenn sie einen Benutzer fixiert und dessen Körperkraft aufnimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Basisteil oder das kraftübertragende Strebenteil mindestens ein Gelenk, das so konfiguriert ist, dass es dem kraftübertragenden Strebenteil erlaubt, sich relativ zum Basisteil in einer Ebene zu drehen, die die erste Richtung und die vertikale Richtung umfasst; und/oder das kraftübertragende Strebenteil oder der Gurt hat mindestens ein Gelenk, das so konfiguriert ist, dass es dem kraftübertragenden Strebenteil erlaubt, sich relativ zum Gurt in einer Ebene zu drehen, die die erste Richtung und die vertikale Richtung umfasst. Dies verbessert die Möglichkeit des Benutzers, sich in vertikaler Richtung auf- oder abwärts zu bewegen, und ermöglicht auch die einfache Verwendung des Eingabegeräts durch verschiedene Benutzer mit unterschiedlicher Körpergröße. Dadurch kann die Basis auch in verschiedenen Positionen befestigt werden, z. B. in einer horizontalen Position wie auf einer Tischplatte.
Weiterhin kann in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens eines der Gelenke einen Sensor umfassen, der in der Lage ist eine vertikale Bewegung oder Bewegungskraft des Gurts relativ zum Basisteil zu erfassen. Dies ermöglicht weiterhin die Erkennung einer vertikalen Bewegung oder Bewegungskraft des Benutzers und die Eingabe entsprechender Steuerbewegungen.
Da die vertikale Bewegung des Benutzers naturgemäß begrenzt ist, muss der Benutzer nicht unbedingt in seiner vertikalen Bewegung eingeschränkt werden, um Verletzungen in der physischen Umgebung des Benutzers zu vermeiden. Es ist jedoch auch möglich, dem Benutzer eine ähnliche Kraftrückmeldung in Bezug auf die Körper in vertikaler Richtung zu geben, um ein ähnliches Steuerungserlebnis zu haben wie in horizontaler Richtung.
Der Gurt kann mindestens eine haptische Rückmeldungsvorrichtung umfassen. Dies ermöglicht dem Benutzer, Rückmeldungs-Informationen zu erhalten, insbesondere über visuelles oder akustisches Feedback hinaus. Auf diese Weise kann der Benutzer beispielsweise eine Rückmeldung erhalten, dass der Avatar in VR gegen eine Wand stößt oder im Falle eines Spiels, dass der Spieler-Avatar angegriffen wird. Mehrere haptische Rückmeldungsvorrichtungen können in verschiedenen Bereichen des Gurts angeordnet werden, z. B. können haptische Rückmeldungsvorrichtungen an der Vorderseite, der Rückseite, der linken Seite und der rechten Seite des Spielers oder in jedem Quadranten des Körpers des Benutzers angeordnet sein. Haptische Rückmeldungsvorrichtungen können Vibrationen verursachen, die der Benutzer fühlen kann, oder andere Arten von haptische Rückmeldung haben, z. B. Kraftrückmeldung oder Temperaturänderungen, z. B. durch thermoelektrische Elemente.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gurt ein Gürtel. Dies ermöglicht dem Benutzer ein einfaches Anlegen des Gurtes. Der Gürtel kann z. B. um die Hüfte oder um die Brust des Benutzers getragen werden. Der Gürtel kann vorzugsweise mit einer Schulterträgeranordnung versehen sein, um den Gürtel in einer festen Position am Körper des Benutzers zu halten.
Es ist weiterhin möglich, den Gürtel mit zusätzlichen Gurtelementen zu kombinieren, insbesondere um die Positionierung von haptischen Rückmeldungsvorrichtungen an verschiedenen Körperteilen, wie dem Oberkörper, den Armen und/oder Beine oder andere Körperteile.
Die Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality-Avatars, einer Drohne oder ferngesteuerten Roboter oder Drohne mit einem oben beschriebenen Eingabegerät. Der Avatar, der Roboter oder die Drohne wird gesteuert, um sich vorwärts oder rückwärts zu bewegen, vorzugsweise mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate, basierend auf einer symmetrischen positiven oder negativen Kraft in einer ersten Richtung, die von der ersten und/oder zweiten Sensoranordnung erfasst wird; der Avatar, der Roboter oder die Drohne wird gesteuert, um sich zu drehen, vorzugsweise mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate, basierend auf einer asymmetrischen positiven oder negativen Kraft in der ersten Richtung, die von der ersten Sensoranordnung erfasst wird; und der Avatar, der Roboter oder die Drohne wird gesteuert, um sich seitwärts zu bewegen, vorzugsweise mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate, basierend auf einer asymmetrischen positiven oder negativen Kraft in der ersten Richtung, die von der zweiten Sensoranordnung erfasst wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine Vielzahl von Steuereingaben aus den Körperbewegungskräften des Benutzers zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Bewegung des Avatars, Roboters oder der Drohne mit einer von der gemessenen Kraft abhängigen Rate gesteuert.
Ferner, wenn die erste Sensoranordnung eine asymmetrische positive oder negative Kraft in der ersten Richtung und die zweite Sensoranordnung eine ähnliche asymmetrische positive oder negative Kraft erkennt, kann der Avatar, die Drohne oder der Roboter so gesteuert werden, dass er sich dreht. Wenn die erste Sensoranordnung eine asymmetrische positive oder negative Kraft in der ersten Richtung detektiert und die zweite Sensoranordnung die entgegengesetzte asymmetrische positive oder negative Kraft feststellt, kann der Avatar, die Drohne oder der Roboter kann so gesteuert werden, dass er/sie sich seitwärts bewegt.
Weiterhin kann das Eingabegerät einen ersten Vertikalbewegungssensor zur Erfassung einer vertikalen Bewegung oder Bewegungskraft des Benutzers umfassen, wobei, wenn der Vertikalbewegungssensor eine Aufwärtsbewegung oder Bewegungskraft des Benutzers detektiert, der Avatar oder Roboter gesteuert wird, um aufzustehen, aufzustehen, zu springen, hochzufliegen oder größer zu werden; und wenn der Vertikalbewegungssensor eine Abwärtsbewegung oder Bewegungskraft des Benutzers erkennt, der Avatar oder Roboter so gesteuert wird, dass er sich duckt, hinsetzt, nach unten zu fliegen oder kleiner zu werden.
Das Eingabegerät kann ferner einen zweiten Vertikalbewegungssensor umfassen, wobei der erste und der zweiten Vertikalbewegungssensor in horizontaler Richtung voneinander beabstandet sind und wenn der erste und der zweite Vertikalbewegungssensor unterschiedliche vertikale Bewegungen des Benutzers erkennen, wird der Avatar, der Roboter oder die Drohne oder Drohne so gesteuert wird, dass er/sie sich nach links oder nach rechts neigt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und den entsprechenden Figuren offenbart:

1a zeigt ein Eingabegerät gemäß der Erfindung, das von einem Benutzer getragen wird;
1b zeigt das Eingabegerät aus 1b, das vom Benutzer in einer alternativen Weise getragen wird;
2a zeigt eine detaillierte Draufsicht auf das erfindungsgemäße Eingabegerät;
2b zeigt eine Seitenansicht des Eingabegeräts von 2a;
3a zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Gurts der Eingabevorrichtung der 2a und 2b;
4a zeigt eine Vorderansicht des Verbindungsabschnitts eines Gurts des Eingabegeräts von 2a;
4b zeigt eine Seitenansicht des Verbindungsabschnitts des Gurts von 4a;
4c zeigt eine Draufsicht auf den Verbindungsabschnitts des Gurts von 4a;
5a zeigt eine Ansicht von oben auf das erste Element der kraftübertragenden Strebe der Eingabevorrichtung Vorrichtung von 2a;
5b zeigt eine Seitenansicht des ersten Elements des kraftübertragenden Strebenteils von 5a;
6a zeigt eine Draufsicht auf das zweite Element der kraftübertragenden Strebe des Eingabegeräts Vorrichtung von 2a;
6b zeigt eine Seitenansicht des zweiten Elements des kraftübertragenden Strebenteils von 6a;
7a zeigt eine Draufsicht auf eine Endkappe des kraftübertragenden Strebenteils der Eingabevorrichtung von 2a;
7b zeigt eine Seitenansicht der Endkappe von 7a;
7c zeigt eine Ansicht von unten auf die Endkappe von 7a;
8a zeigt eine Draufsicht auf eine Aufnahmeeinheit eines Basisteils der Eingabevorrichtung von 2a;
8b zeigt eine erste Seitenansicht der Empfangseinheit von 8a;
8c zeigt eine zweite Seitenansicht der Empfangseinheit von 8a;
9a zeigt eine Abdeckung der Empfangseinheit von 8a;
9b zeigt eine erste Seitenansicht der Abdeckung von 9a;
10a zeigt eine Draufsicht auf eine Montageeinheit des Basisteils der Eingabevorrichtung von 2a;
10b zeigt eine erste Seitenansicht der Befestigungseinheit von 10a;
10c zeigt eine zweite Seitenansicht der Befestigungseinheit von 10a;
10d zeigt eine Ansicht einer abnehmbaren Halterung, die mit 10a verbunden ist;
11a zeigt das Basisteil und die Aufnahmeeinheit in einer ersten Konfiguration;
11b zeigt das Basisteil und die Empfangseinheit in einer zweiten Konfiguration; und
12 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung.

1a zeigt eine schematische Übersicht über eine Eingabevorrichtung 10 zur Erzeugung einer Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft eines Benutzers 11. Der Benutzer 11 trägt einen Gurt 20, der in der bevorzugten Ausführungsform einen Gürtel 12 umfasst, der um die Taille des Benutzers getragen wird. Der Gurt 20 ist über ein kraftübertragendes Strebenteil 13 mit einem Basisteil 14 verbunden, das in der Ausführungsform von 1 an einer Wand 15 befestigt ist.
In der Ausführungsform von 1a ist das Basisteil 14 an der Wand 15 befestigt, beispielsweise durch eine Montageplatte, die mit der Wand verschraubt ist. Das Basisteil 14 kann auch an einem anderen Gegenstand, insbesondere einem Möbelstück, befestigt werden.
1b zeigt das gleiche Eingabegerät 10 wie in 1a, jedoch ist das Basisteil 14 an einer Tischplatte 16 befestigt. Bei der in 1b gezeigten Ausführungsform ist das Basisteil 14 mit Schrauben an der Tischplatte schrauben befestigt. Alternativ kann das Basisteil 14 z. B. an der Tischplatte 16 festgeklemmt werden. Ein solcher Klemmmechanismus kann an der Montageplatte angebracht werden oder die Montageplatte ersetzen.
Weiterhin kann der Benutzer den Gürtel 12 des Gurts 20 um die Brust tragen, der durch Schulterträger 19 ergänzt werden kann, so dass der Gurt nicht aus seiner Position wegrutscht. Dies ermöglicht dem Benutzer die Nutzung des Eingabegerätes im Sitzen und unterstützt die Nutzung durch körperlich eingeschränkte Personen.
In der Ausführungsform von 1a und 1b wird das Eingabegerät vom Benutzer 11 verwendet, um Steuereingaben zur Steuerung eines Avatars in einer Virtual-Reality-Umgebung (VR) zu erzeugen. Der Benutzer 11 trägt ein VR-Headset 17, das dem Benutzer 11 einen visuellen Eindruck der VR-Umgebung vermittelt. Wenn der Benutzer eine freiwillige Körperbewegung ausführt, erzeugen die Muskeln des Benutzers eine Körperbewegungskraft, um die Bewegung auszulösen. Diese Körperbewegungskraft wirkt gegen den Gurt 20 und kann so von der Eingabevorrichtung erfasst werden. Es kann möglich sein, dass der Gurt jede tatsächliche Bewegung des Körpers einschränkt, indem es eine gleichmäßige Rückkopplungskraft bereitstellt, so dass der Benutzer zumindest in bestimmten Bewegungsrichtungen unbeweglich bleibt. Alternativ kann es möglich sein, dass eine begrenzte tatsächliche Bewegung des Benutzerkörpers möglich ist, z. B. von ein paar Zentimetern. Die Begriffe Körperbewegung und Körperbewegungskraft können sich daher jeweils sowohl auf die Kraft beziehen, die von den Muskeln des Benutzers erzeugt wird, wenn der Benutzer versucht, den Körper in eine bestimmte Richtung zu bewegen, als auch auf eine tatsächliche Bewegung des Körpers in Reaktion auf diese Kraft.
Körperbewegungen des Benutzers 11, wie z. B. Vorwärts- oder Rückwärtsbewegungen, Links- oder Rechtsseitenbewegungen oder Links- und Rechtsdrehbewegungen, üben eine Kraft auf den vom Benutzer 11 getragenen Gurt 20 aus. Diese Kraft wird über das kraftübertragende Strebenteil 13 auf das Basisteil 14 übertragen und somit an die Wand 15, an der es befestigt ist.
Das kraftübertragende Strebenteil 13 erstreckt sich in einer ersten Richtung von dem Basisteil 14 zu dem Gurt 20 und ist so ausgebildet, dass es eine Kraft zwischen dem Gurt 20 und dem Basisteil 14 überträgt. Dies sichert den Benutzer 11 an einem Ort in einem sicheren Abstand zur Wand 15, da die Kraft der Bewegung des Benutzers 11 auf die Wand 15 übertragen wird. Dadurch wird die Gefahr beseitigt, dass sich der Benutzer in der realen Welt der erlebten VR-Umgebung bewegt und mit Objekten der realen Welt kollidiert, die er nicht kollidieren und sich verletzen könnte.
Das Eingabegerät 10 umfasst ferner eine erste Kraftsensoranordnung, die zwischen dem Gurt 20 und dem kraftübertragenden Strebenteil 13 vorgesehen ist und so konfiguriert ist, dass sie eine Kraft misst Kraft zu messen, die von dem Gurt 20 auf das kraftübertragende Strebenteil 13 übertragen wird, wenn der Körper des Benutzers 11 versucht, sich zu bewegen. Eine zweite Kraftsensoranordnung ist zwischen dem kraftübertragenden Kraft übertragenden Strebenteil 13 und dem Basisteil 14 vorgesehen und konfiguriert, um eine Kraft zu messen, die von dem kraftübertragenden Strebenteil 13 auf das Basisteil 14 übertragen wird, wenn sich der Körper des Benutzers 11 bewegt. Die zwei Kraftsensoranordnungen ermöglichen die Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Körperbewegungen und erlauben daher die Erzeugung einer Vielzahl verschiedener Arten von Eingaben, die z.B. dazu verwendet werden können, verschiedene Arten von Bewegungen eines Avatars in der VR-Umgebung gleichzeitig zu steuern, d.h. der Benutzer kann dem Avatar befehlen, sich nach vorne zu bewegen, während er nach rechts gleitet, während er sich nach links dreht, alles gleichzeitig in einer intuitiven Weise, die die normale Bewegung eines menschlichen Körpers widerspiegelt.
Der Gurt 20 der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform umfasst ferner eine Vielzahl von haptischen Rückmeldungsvorrichtungen 18 an verschiedenen Stellen entlang des Gurtes. Die haptischen Rückmeldungsvorrichtungen 18 können beispielsweise am Rücken, an der Vorderseite und an der linken und rechten Seite des Benutzers 11 oder an den vier Quadranten des Benutzers angeordnet sein. Die haptischen Rückmeldungsvorrichtungen können z. B. vibrieren oder andere Arten von haptischem Feedback geben, wie z. B. ein Kraftfeedback oder eine Temperaturänderung durch thermoelektrische Elemente. Haptisches Feedback kann dem Benutzer gegeben werden, wenn der Avatar mit Wänden oder Objekten in der VR-Umgebung kollidiert, z. B. wenn der Benutzer 11 den Avatar steuert, um sich rückwärts zu bewegen, und der Avatar mit einer virtuellen Wand kollidiert, können die haptischen Rückmeldungsvorrichtungen 18 auf dem Rücken des Benutzers zu vibrieren beginnen, um dem Benutzer die Kollision anzuzeigen. In Spielen kann das haptische Feedback auch verwendet werden, um anzuzeigen, dass die Spielerfigur angegriffen wird und aus welcher Richtung der Angriff kommt.
Die vorliegende Ausführungsform der 1a und 1 b zeigt eine Anwendung des Eingabegeräts 10 für eine VR Umgebung. Alternativ kann das Eingabegerät 10 auch zur Fernsteuerung eines ferngesteuerten Roboters verwendet werden.
2a zeigt eine Detailansicht des Eingabegeräts 10 in einer Draufsicht. 2b zeigt die entsprechende Seitenansicht zu 2a. Der Gurt 20 umfasst einen Gurtabschnitt 12 und einen Anschluss Abschnitt 21, der mit dem Gurtabschnitt vorzugsweise über eine Stützleiste 35 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 21 ist vorzugsweise auf der Rückseite des Benutzers 11 angeordnet, obwohl er alternativ auch auf der Vorderseite des Benutzers 11 angeordnet sein könnte. Gegenüber dem Verbinderabschnitt 21 kann eine Gürtelschnalle 22, die in 2b dargestellt ist, vorgesehen sein, um das An- und Ablegen des Gurtes 20 auf einfache Weise zu ermöglichen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Eingabegerät so konfiguriert, dass es mit dem Anschlussabschnitt 21 am Rücken des Benutzers zu tragen. Die erste Richtung, die sich vom Basisteil 14 in Richtung des Gurts 20 entspricht daher der Richtung einer Vorwärtsbewegung des Benutzers 11 und wird daher auch als Vorwärtsrichtung bezeichnet. Die entgegengesetzte Richtung, die sich vom Gurt 20 zum Basisteil 14 entspricht daher einer Rückwärtsbewegung des Benutzers 11 und wird daher auch als Rückwärtsrichtung bezeichnet.
Der Verbinderabschnitt 21 des Gurts 20 hat einen ankerförmigen Vorsprung, der in einem Hohlraum eines ersten Elements 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 aufgenommen und durch eine Bolzenanordnung 39 gesichert wird, die dem Verbinderabschnitt 21 eine gewisse Bewegungsmöglichkeit innerhalb des Hohlraums ermöglicht.
Die erste Kraftsensoranordnung 23 umfasst zwei Kraftsensoren 24, die zwischen dem ankerförmigen Vorsprung des Verbindungsabschnitts 21 des Gurts 20 und dem ersten Element 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 angeordnet sind. In der Ausführungsform von 2a sind die beiden Kraftsensoren 24 angeordnet, um eine Kraft in Vorwärtsrichtung zu erfassen, die die Kraftsensoren 24 zwischen dem verankerungsförmigen Vorsprung des Verbindungsabschnitts 21 des Gurts 20 und dem ersten Element 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 zusammendrückt. Alternativ können auch andere Arten von Sensoren verwendet werden, z. B. Sensoren, die eine Kraft sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung erfassen, oder Rotationssensoren, die eine relative Drehung zwischen dem Verbindungsabschnitt 21 des Gurtes 20 und dem ersten Element 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 erfassen können.
Das erste Element 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 ist mit einem zweiten Element 27 des kraftübertragende Strebenteil 13 durch ein Gelenk 26. Das Gelenk 26 ermöglicht eine Drehung des ersten Elementes 25 relativ zum zweiten Element 27 um eine Drehachse, die senkrecht zur der Vorwärtsrichtung und in einer horizontalen Ebene liegt, wenn der Benutzer 11 aufrecht steht. Wenn sich der Benutzer 11 z.B. nach links oder rechts lehnt, werden der Gurt 12 und die daran befestigten ersten und zweiten Elemente 25, 27 des kraftübertragenden Strebenteils 13 zusammen mit dem Körper des Benutzers 11 aus der horizontalen Ebene.
Das zweite Element 27 ist mit zwei Trägern 28 verbunden, die sich trapezförmig vom Basisteil 14 in Richtung des Gurts 20 erstrecken, wobei sich die Träger 28 in Richtung des Gurts 20 annähern. Der Winkel zwischen den beiden Trägern 28, der die Trapezform definiert, hängt von der der gewünschten Steifigkeit der Struktur sowie von der gewünschten Richtung der Kraftübertragung zwischen dem Gurt 20 und dem Basisteil 14, um bestimmte Bewegungen des Benutzers 11 zu erfassen.
Die Geometrie der Trapezform kann ferner von der Länge der beiden Träger 28 abhängen. Die
Länge der Träger 28 ist außerdem so gewählt, dass der Benutzer 11 an einem sicheren Ort positioniert ist. In der in 1a dargestellten Ausführungsform ist das Basisteil 14 an einer Wand 15 befestigt. Um zu gewährleisten, dass der Benutzer 11 in einem sicheren Abstand zur Wand 15 positioniert ist, z. B. um zu vermeiden, dass der Benutzer 11 beim Tragen des VR-Headsets 17 mit den Armen gegen die Wand 15 stößt, beträgt die Länge der Träger 28
etwa 1 Meter und kann bis zu 1,5 Meter betragen. Wenn das Eingabegerät 10 stattdessen an einer Tischplatte befestigt werden soll, wie in 1b, ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Benutzer 11 mit der Tischplatte kollidiert geringer und die Länge der Träger 28 kann kürzer sein, z. B. zwischen 30 cm oder 50 cm und 1 Meter. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Träger 28 aus runden Hohlrohren gebildet.
Auf der dem Basisteil 14 zugewandten Seite sind die Träger 28 mit einer Endkappe 29 versehen, die in entsprechenden Aufnahmeeinheiten 30 des Basisteils 14 aufgenommen werden. Die zweite Kraftsensoranordnung 31 besteht aus zwei Kraftsensoren 32, die zwischen den Endkappen 29 der Träger 28 des kraftübertragenden Strebenteils 13 und der entsprechenden Aufnahmeeinheit 30 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform von 2a sind die beiden Kraftsensoren 32 so angeordnet, dass sie eine Kraft in Rückwärts-Richtung zu erfassen, die die Kraftsensoren 32 zwischen den Endkappen 29 des kraftübertragenden Strebenteils 13 und der Empfangseinheit 30 des Basisteils 14 drückt. Alternativ können auch andere Arten von Sensoren verwendet werden, die eine Kraft sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung erfassen oder Rotationssensoren, die eine relative Drehung zwischen den Endkappen 29 des kraftübertragenden Strebenteils 13 und den Aufnahmeeinheiten 30 des Basisteils 14 erfassen können.
Die Empfangseinheiten 30 sind jeweils mit einer Montageeinheit 33 über ein Gelenk 34 verbunden, das die Drehung der Empfangseinheiten 30 relativ zur Montageeinheit 33 um eine Drehachse ermöglicht, die senkrecht zur Vorwärtsrichtung und zur vertikalen Richtung steht.
Durch die beiden Gelenke 26 und 34 des kraftübertragenden Strebenteils 13 und des Basisteils 14 kann der Gurt 20 an unterschiedlichen Positionen in vertikaler Richtung positioniert werden. Dies ermöglicht z. B, die Verwendung des Eingabegeräts 10 durch Benutzer 11 unterschiedlicher Körpergröße und ermöglicht darüber hinaus die Bewegung des Benutzers in vertikaler Richtung, z. B. durch Beugen der Knie oder Stehen auf den Zehenspitzen.
Die Befestigungseinheit 33 kann in vertikaler Richtung, in horizontaler Richtung oder in einer
schrägen Richtung befestigt werden, da die Befestigungseinheit 33 um die Drehachse des Gelenks 34 drehbar ist.
Die Hohlrohre der Träger 28 ermöglichen es vorzugsweise, die Verdrahtung für die Sensoren 24, 32 oder andere Verdrahtungen durch die Hohlrohre 28 des kraftübertragenden Strebenteils 13 zwischen dem Basisteil 14 und dem ersten oder zweiten Element 25, 27.
3a zeigt eine Detailansicht eines Abschnitts des Gurts 20 in einer Draufsicht. Der Verbindungsabschnitt 21 ist ein starrer Stützstreifen 35 angebracht, der dazu dient, die unflexible Schnittstelle zwischen dem Benutzer 11 und dem Gurt 20 so weit wie möglich aufzuspreizen, damit alle Drehanforderungen des Benutzers 11 in der richtigen Genauigkeit erfasst werden können. Der Stützstreifen 35 wird zwischen dem Gürtel 12 und
dem Verbindungsabschnitt 21 angebracht. Der Gürtel 12 ist an dem Stützstreifen 35 befestigt.
Vier haptische Rückmeldungsvorrichtungen 18 sind in den vier Quadranten des Benutzers positioniert, vorne rechts, vorne links, hinten rechts und hinten links. Eine verstellbare Gurtschnalle 22 im vorderen Bereich ermöglicht dem Benutzer das einfache
das Anlegen des Gurtes 20.
Die verschiedenen Komponenten der Struktur des Eingabegeräts 10 können insbesondere aus Metall geformtem Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff oder jedweder Kombinationen daraus bestehen.
Die 4a, 4b und 4c zeigen eine Detailansicht des Verbindungsabschnitts 21, der indirekt
am Gürtelabschnitt 12 des Gurts 20 befestigt ist. Ebenfalls dargestellt sind der Stützstreifen 35 und die Befestigungspunkte für die Kraftsensoren 24.
Der Verbinderteil 21 hat einen ankerförmigen Vorsprung 36, der, wie in 5a gezeigt, in dem entsprechenden Hohlraum 37 des ersten Elements 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13 aufgenommen wird.
Die 5a und 5b zeigen eine Detailansicht des ersten Elements 25 des kraftübertragenden Strebenteils 13. Das erste Element 25 hat einen geschlitzten Gelenkabschnitt 44, der in einen entsprechenden geschlitzten Gelenkabschnitt 45 des zweiten Elements 27 passt und
Gelenkabschnitt 45 des zweiten Elements 27 passt und das durch eine einfache Stange, die durch das zentrale Loch 26 der geschlitzten Genlenkabschnitte 44 und 45 drehbar verbunden werden können. 2a zeigt die montierte Ansicht von 25 und 27.
Der Hohlraum 37 wird durch ein Deckelteil 41 verschlossen, das den ankerförmigen Vorsprung 36 aus 4c, im Inneren des Hohlraums 37 von 5a.
Wenn der ankerförmige Vorsprung 36 in dem Hohlraum 37 angeordnet ist, befinden sich die Kraftsensoren 24 der ersten Sensoranordnung 23 an den nach vorne gerichteten Flächen des verankerungsförmigen Vorsprungs 36. Der verankerungsförmige Vorsprung 36 kann in dem Hohlraum 37 durch einen Bolzen befestigt werden, der durch das zentralen Langloch 40 des verankerungsförmigen Vorsprungs 36 des ersten Elements 25 hindurchgeht, wobei der der verankerungsförmige Vorsprung 36 sich leicht in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegen kann, sowie relativ zum ersten Element 25 rotieren kann. Auf diese Weise wird die erste Sensoranordnung 23 durch die in den Aufnahmebohrungen 46 des ersten Elements 25 sitzenden federbelasteten Zapfen 42 eine variable Kraft auf sie ausgeübt und kann ersten Elementes 25 eine variable Kraft und kann sowohl eine translatorische Kraft in der ersten Richtung als auch eine Rotationskraft in einer horizontalen Bewegungsebene messen.
Die 6a und 6b zeigen eine Detailansicht des zweiten Elements 27 des kraftübertragenden Strebenteils 13. Das zweite Element 27 weist einen geschlitzten Gelenkabschnitt 45 auf, der in einen entsprechenden geschlitzten Scharnierabschnitt 44 des ersten Elements 25 passt und das durch eine einfache, durch das zentrale Loch des ersten Elements 25 hindurchgehende Stange 26 drehbar verbunden werden kann, die durch das zentrale Loch der geschlitzten Scharnierabschnitte 44 und 45 verläuft. 2a zeigt die zusammengesetzte Ansicht von 25 und 27. Das zweite Element 27 enthält außerdem Ausnehmungen 47, die die zwei Träger 28 aufnehmen können, die in der vorliegenden Ausführungsform durch je zwei Schrauben 48 und einer einzelnen Querschraube 49 befestigt werden.
Die 7a, 7b und 7c zeigen eine Detailansicht einer Endkappe 50. Die Endkappe 50 enthält eine kreisförmige Aussparung 51 zur Aufnahme des runden Hohlrohrs 28 des Strebenteils 13, das in der vorliegenden Ausführungsform kann mit vier Schrauben 56 befestigt werden.
In der Endkappe 50 befindet sich eine Aussparung 52 zur Durchführung der Verkabelung für die Sensoren 32 und eine Aussparung 53 zum Durchführen eines USB-Kabels aus dem Aufnahmesockel 54 von 8b. Sowohl Sensor- als auch USB Kabel werden durch die Rohre der Träger 28 zum Beispiel zu einem Controller geführt, der innerhalb oder um das erste Element 25 herum angebracht sein kann.
Die Unterseite der Endkappe 50 weist eine weitere Ausnehmung 55 zur Aufnahme des Sensors 32 der zweiten Sensoranordnung 31.
Die 8a, 8b und 8c zeigen eine Detailansicht eines Aufnahmesockels 54, der Teil der Aufnahmeeinheit 30 ist.
Die 9a und 9b zeigen eine Detailansicht einer Empfangseinheitskappe 58, die zusammen mit dem Empfangssockel 54 und der Sekundärsensoreinheit 31 eine komplette Empfangseinheit 30 bildet.
Der Hauptkörper des Empfangssockels 54 hat einen zentralen Hohlraum 57, dessen Querschnitt dem Querschnitt der Endkappe 50 entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Querschnitt des zentralen Hohlraums 57 und der Endkappe 50 eine unsymmetrische Form, so dass eine Drehung der Endkappe 50 im zentralen Hohlraum 57 nicht möglich ist.
Der zentrale Hohlraum 57 kann durch ein Deckelteil 58 verschlossen werden, das eine Öffnung 59 aufweist, die Öffnung 59 aufweist, die kleiner ist als der Querschnitt der Endkappe 50 und die im Wesentlichen dem Querschnitt der Träger 28 entspricht. Wenn das Deckelteil 58 auf den Aufnahmeboden 54 aufgesetzt ist, ist die Endkappe 50 innerhalb des Hohlraums 57 gesichert und kann ohne Öffnen des Deckelteils 58 nicht entfernt werden.
Der zentrale Hohlraum 57 beherbergt ferner die Sensorstutzen-Aufnahmebohrung 60 der zweiten Sensoranordnung 31. Da die beiden Sensoren 32 der beiden Aufnahmeböden 54, insbesondere aufgrund der Trapezform des Strebenteils 13, voneinander beabstandet sind, können die beiden Sensoren 32 gemeinsam eine translatorische Kraft in Rückwärtsrichtung und eine seitliche translatorische Kraft in einer horizontalen Bewegungsebene an der Position des Gurts 20 messen, die als Rotationskraft auf die beiden Sensoren 32 der zweiten Kraftsensoranordnung 31 übertragen werden kann.
Die Aufnahmebasis 54 umfasst außerdem einen Scharnierabschnitt 61, der einen Teil des Scharniers 62 des Basisteils 33 bildet. Die Achse des zentralen Hohlraums 57 und die Drehachse eines Scharnierabschnitts 61 stehen in einem Winkel, der der Hälfte des Winkels 64 zwischen den beiden Trägern 28 entspricht.
Die in 8b dargestellte Aufnahmeeinheit 54 umfasst ferner einen Anschluss 63, der einen Anschluss eines externen Gerätes ermöglicht, so dass die Eingabevorrichtung 10 aufgelöste Bewegungsanforderungsdaten an einen externen VR- oder ferngesteuerten Robotersteuerung o.ä. zur Verfügung stellen kann. Alternativ kann eine Verbindung zu einem externen Gerät drahtlos erfolgen und das Eingabegerät 10 kann über den USB-Anschluss 63 der Empfangsbasis 54 batteriebetrieben und geladen werden.
Die 10a, 10b und 10c zeigen Detailansichten der Befestigungseinheit 33. Die Montageeinheit 33 umfasst ein Scharnierteil 62, das die Scharnierteile 61 der beiden Aufnahmeböden 54 aufnimmt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Montageeinheit 33 eine Montageplatte, die an eine vertikale, horizontale oder abgewinkelte Fläche angeschraubt werden kann.
Alternativ kann die Befestigungseinheit 33 auch einen Klemmmechanismus oder einen anderen Mechanismus zur Befestigung an der Oberfläche eines Objekts, z. B. an Möbeln, insbesondere Tischen und Schreibtischen, oder an der Oberfläche einer Wand. Eine in 10d gezeigte abnehmbare Halterung 66 kann verwendet werden, um eine Kante für die Anbringen der Basiseinheit 33 an einem Tisch oder einer anderen Kante. Die Basiseinheit kann mit einer rutschfesten Matte versehen sein, die zwischen der Basiseinheit und der Oberfläche, an der sie befestigt wird, passt.
Die 11a und 11b zeigen das Basisteil 33 in zwei Konfigurationen, wobei die 11a die
Aufnahmeeinheit 30 in einem Winkel zeigt, in dem sich die Träger 28 in einem 90°-Winkel relativ zu einer Oberfläche erstrecken, auf der die Montageeinheit 33 montiert werden kann. 11b hingegen zeigt die Empfangseinheit 30 in einem Winkel, in dem die Träger 28 parallel zu einer Fläche verlaufen, auf der die Montageeinheit 33 montiert werden kann.
12 zeigt eine schematische Ansicht des Eingabegeräts 10. Ein Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality Avatars oder eines ferngesteuerten Roboters oder einer Drohne wird unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Die beiden Sensor Anordnungen 23, 31 weisen jeweils zwei Sensoren und federnde Stutzen auf, wobei die erste Sensoranordnung 23 in der Lage ist, eine Kraft in Vorwärtsrichtung zu erfassen und die zweite Sensoranordnung 31 in der Lage ist eine Kraft in Rückwärtsrichtung zu erfassen vermag. Eine Bewegung des Benutzers 11 in Vorwärts- oder Rückwärts Richtung führt nur zu einer symmetrischen Krafteinwirkung auf jedes Sensorpaar 23 und 31. Eine Rotationskraft aus der Benutzerbewegung führt dagegen zu einer asymmetrischen Kraft, die auf das Sensorpaar 23 wirkt. Eine Kraft aus einer seitlichen Benutzerbewegung führt dagegen zu einer asymmetrischen Krafteinwirkung auf das Sensorpaar 31.
Bei einer Vorwärtsbewegung des Benutzers 11 erfassen die beiden Sensoren 241, 24r der ersten Sensoranordnung 23 jeweils eine Kraft in Vorwärtsrichtung, da das Anschlussteil 21 durch die Benutzerbewegung nach vorne gezogen wird. Die Kräfte in Vorwärtsrichtung werden im Wesentlichen symmetrisch sein, so dass das Sensorpaar 24I, 24r etwa die gleiche Kraft misst. Basierend auf der erfassten Kraft, wird der Avatar oder Roboter so gesteuert, dass er sich mit einer Geschwindigkeit vorwärts bewegt, die vorzugsweise repräsentativ für die aufgebrachte Kraft ist, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, in der Steuerung gehalten
Bei einer Rückwärtsbewegung des Benutzers 11 erfassen die beiden Sensoren 32I, 32r der zweiten Sensoranordnung 31 jeweils eine Kraft in Rückwärtsrichtung, wenn das Anschlussteil 21 nach hinten geschoben wird. Diese Rückwärtskraft wird auf das kraftübertragende Strebenteil 13 übertragen, das eine Kraft auf jeden der Sensoren 32I, 32r der zweiten Sensoranordnung 31 ausübt. Die Kräfte in Rückwärtsrichtung sind im Wesentlichen symmetrisch, so dass das Sensorpaar 32I, 34r etwa den gleichen Kraftbetrag messen. Basierend auf der erfassten Kraft wird der Avatar oder Roboter so gesteuert, dass er rückwärts mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, die vorzugsweise repräsentativ für die aufgebrachte Kraft ist, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, in der Steuerung gehalten wird.
Falls ein Benutzer 11 seinen Körper dreht, wird die Rotationskraft vom Gurt 20 auf das kraftübertragende Strebenteil 13 übertragen. Ohne eine translatorische Kraftkomponente kann die Drehkraft durch die Rotationskraft des Gurts 20, insbesondere des ankerförmigen des Gurtes 20, insbesondere des ankerförmigen Vorsprungs 36, relativ zum Strebenteil 13, insbesondere dem ersten Element 25, das den ankerförmigen Vorsprung 36 aufnimmt, die auf die erste Sensoranordnung 23 wirkt.
Im Beispiel einer Drehung nach links durch den Benutzer wird die linke Seite des Gurts 20 mit einer der linken Seite des Gurtes 20 eine Kraft in Rückwärtsrichtung, während auf die rechte Seite des Gurtes 20 eine Kraft in Vorwärtsrichtung. Folglich wird in der ersten Sensoranordnung 23, die Vorwärtskräfte erfasst, der rechte Sensor 24r eine stärkere Kraft als der linke Sensor 24I, proportional zur der vom Benutzer ausgeübten Drehkraft. Daher wird der Avatar, die Drohne oder der Roboter so gesteuert, dass er sich nach links mit einer Geschwindigkeit, die vorzugsweise repräsentativ für die aufgebrachte Kraft ist, wenn die erste Sensoranordnung 23 eine asymmetrische positive oder negative Kraft erkennt, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, in der Steuerung gehalten wird .
Bei einer seitlichen Körperbewegung des Benutzers 11 wird die seitliche Kraft auf das erste und zweite Element 24 und 25 des Strebenteils 13 übertragen, wodurch in der zweiten Sensoranordnung 31 ein ähnliches Drehmoment wie bei der oben beschriebenen Rotationsbewegung entsteht. Die seitliche Translationskraft wird asymmetrisch vom Gurt 20 auf das kraftübertragende Strebenteil 13 übertragen, je nachdem, in welche Richtung der Benutzer die seitliche Kraft aufbringt. Diese asymmetrische Kraft wird eine Rotationskraft auf die zweite Sensoranordnung 31 ausüben.
Im Beispiel einer Seitwärtsbewegung nach links wird also eine Kraft nach links erzeugt, die auf das kraftübertragende Strebenteil 13 wirkt. Diese Kraft nach links führt folglich zu einer höheren Kraft gegen den linken Sensor 32I der zweiten Sensoranordnung 31. Daher wird der Avatar oder Roboter so gesteuert, dass er seitlich nach links mit einer Geschwindigkeit gleitet, die vorzugsweise repräsentativ für die Kraft ist, die ausgeübt wird, wenn die zweite Sensoranordnung 31 eine asymmetrische positive oder negative Kraft detektiert, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, die in der Steuerung gehalten werden.
Die Sensoren 24I, 24r, 32I und 32r der ersten und zweiten Sensoranordnung 23 und 31 können jeder Sensortyp sein, der zur Messung einer entsprechenden Kraft geeignet ist. Dies können Sensoren sein, die eine Verformung eines elastischen Elements erfassen, oder sie können Piezosensoren, elektrodynamische Sensoren wie lineare variable Wegaufnehmer (LVDTs) oder kraftmessende Widerstände oder andere Arten von Sensoren umfassen.
Die Ausführungsform von 12 umfasst außerdem einen zusätzlichen ersten Vertikalbewegungssensor 65I und einen zweiten Vertikalbewegungssensor 65r. In der in 12 dargestellten Ausführungsform sind die Vertikalbewegungssensoren Rotationssensoren, die eine Drehung der Aufnahmeeinheiten 30 relativ zum Basisteil 14 erfassen. Alternativ können die Vertikalbewegungssensoren 651, 65r eine Körperbewegungskraft erfassen, ähnlich wie die Sensoren 24I. 24r, 32I und 32r. Bewegt sich der Benutzer in vertikaler Richtung nach unten, z. B. durch Beugen der Knie, bewegt sich der Gurt 20 ebenfalls nach unten und dementsprechend drehen sich das kraftübertragende Strebenteil 13 und die damit verbundenen Aufnahmeeinheiten 30 relativ zum Basisteil 14 rotieren. Wenn der Vertikalbewegungssensor eine Aufwärtsbewegung des Benutzers erkennt, wird der Avatar oder Roboter so gesteuert, dass er aufsteht, springt, hochfliegt oder größer wird; und wenn der Vertikalbewegungssensor eine Abwärtsbewegung des Benutzers erkennt, wird der Avatar oder Roboter so gesteuert, dass er sich duckt, hinsetzt, herunterfliegt oder kleiner wird. Die vertikale Geschwindigkeit, der Betrag oder die Aktion kann proportional zum Betrag der vom Benutzer erzeugten vertikalen Bewegung sein, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, im Controller gehalten.
Wenn der Benutzer 11 seinen Körper nach links oder rechts neigt, neigen sich der Gurt 20 und das erste und zweite Element 25, 27 des kraftübertragenden Strebenteils 13 mit dem Benutzer 11. Dementsprechend muss sich eine Aufnahmeeinheit 30 mehr drehen als die andere und die Vertikalbewegungssensoren 65I und 65r erkennen unterschiedliche Beträge der Vertikalbewegung. Wenn der erste und der zweite Vertikalbewegungssensor unterschiedliche Vertikalbewegungen des Benutzers erkennen, wird der Avatar oder der Roboter so gesteuert, dass er sich nach links oder rechts neigt rechts zu neigen, proportional zu der vom Benutzer erzeugten Neigung, geändert durch Parameter wie Nullzonen und Skala, die in der Steuerung gehalten werden.
Alternativ kann die vertikale Bewegung und/oder die Kippbewegung mit einer oder mehreren Inertiale-Messeinheiten, IMUs, als Vertikalbewegungssensoren ermittelt werden, die z. B. in den Gurt 12 integriert sein können.
Die Sensordaten können von einer Verarbeitungseinheit, die sich am Eingabegerät 10 befindet, zu Befehlen verarbeitet werden, und die Befehle können über ein Kabel oder drahtlos an einen Computer übertragen werden, auf dem die Virtual-Reality-Umgebung läuft oder der den ferngesteuerten Roboter steuert. Alternativ können die Sensordaten auch direkt an den Computer übertragen und von diesem zu Befehlen verarbeitet werden.
Bezugszeichenliste

10: Eingabegerät
11: Benutzer
12: Gürtel
13: Strebenteil
14: Basisteil
15: Wand
16: Tischplatte
17: VR-Headset
18: Haptische Geräte
19: Armschienen
20: Gurt
21: Steckerteil
22: Gürtelschnalle
23: Erste Kraftsensor-Anordnung
24: Kraftsensor
25: Erstes Element
26: Gelenk
27: Zweites Element
28: Träger
29: Endkappe
30: Aufnahmeeinheiten
31: Zweite Kraftsensor-Anordnung
32: Kraftsensoren
33: Befestigungseinheit
34: Gelenk
35: Stützstreifen
36: Ankerförmiger Vorsprung
37: Hohlraum
38: Deckelbauteil
39: Sicherungsbolzen
40: Schiebeloch
41: Deckelbauteil
42: Bolzen
43: Montageloch
44: Schlitzgelenk erstes Element
45: Schlitzgelenk zweites Element
46: Federbelastete Zapfen
47: Aussparungen für Abstandshalter
48: Obere Befestigungsschrauben
49: Einzelner Querbolzen
50: Endkappe
51: Kreisförmige Aussparung
52: Kraftsensor-Aussparung
53: USB-Aussparung
54: Aufnahmesockel
55: Sensorhalterung
56: Untere Befestigungsschrauben
57: Zentraler Hohlraum
58: Deckelbauteil
59: Trägeröffnung
60: Zapfen Aufnahmeloch
61: Aufnahme-Gelenk
62: Basisgelenk
63: USB-Anschluss
64: halber Trägerwinkel
65: Vertikalbewegungssensor
66: Abnehmbare Halterung

Claims

Eingabevorrichtung, zum Erzeugen einer Eingabe basierend auf einer Körperbewegungskraft eines Benutzers, umfassend ein Gurt, der konfiguriert ist, um vom Benutzer getragen zu werden ein Basisteil, das konfiguriert ist, um an einem Objekt oder einer Wand befestigt zu werden ein kraftübertragendes Strebenteil, das sich in einer ersten Richtung von dem Basisteil zu dem Gurt erstreckt und das konfiguriert ist, um eine Kraft zwischen dem Gurt und dem Basisteil zu übertragen; wobei eine erste Kraftsensoranordnung zwischen dem Gurt und dem kraftübertragenden Strebenteil vorgesehen ist und konfiguriert ist, um eine von dem Gurt auf das kraftübertragende Strebenteil übertragene Kraft zu messen, wenn der Körper des Benutzers eine Körperbewegungskraft aufbringt; eine zweite Kraftsensoranordnung zwischen dem kraftübertragenden Strebenteil und dem Basisteil vorgesehen ist und so konfiguriert ist, dass sie eine von dem kraftübertragenden Strebenteil auf das Basisteil übertragene Kraft misst, wenn der Körper des Benutzers eine Körperbewegungskraft ausübt.
Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Sensoranordnungen konfiguriert ist, um eine translatorische Kraft in der ersten Richtung und eine Rotationskraft in einer horizontalen Bewegungsebene zu messen.
Eingabevorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei jede der Sensoranordnungen zwei Kraftsensoren aufweist, die eine Kraft in der ersten Richtung messen und die voneinander beabstandet in der horizontalen Bewegungsebene und orthogonal zur ersten Richtung angeordnet sind.
Eingabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kraftübertragende Strebenteil zwei Träger aufweist, die sich trapezförmig vom Basisteil in Richtung des Gurts erstrecken, wobei die Träger sich in Richtung des Gurts einander annähern.
Eingabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisteil oder das kraftübertragende Basisteil oder das kraftübertragende Strebenteil mindestens ein Gelenk aufweist, das konfiguriert ist, um dem kraftübertragenden Strebenteil eine Drehung relativ zum Basisteil in einer Ebene, die die erste Richtung und die vertikale Richtung umfasst, zu ermöglichen; und/oder das kraftübertragende Strebenteil oder der Gurt mindestens ein Gelenk aufweist, das konfiguriert ist, um dem kraftübertragenden Strebenteil eine Drehung relativ zum Gurt in einer Ebene, die die erste Richtung und die vertikale Richtung umfasst, zu ermöglichen; wobei vorzugsweise mindestens eines der Gelenke einen Sensor aufweist, der in der Lage ist, eine vertikale Bewegung oder Bewegungskraft des Gurts relativ zum Basisteil erfassen kann.
Eingabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gurt mindestens eine haptische Rückmeldungsvorrichtung aufweist.
Eingabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gurt ein Gürtel ist, der vorzugsweise mit einer Schulterträgeranordnung versehen ist, um den Gurt in einer festen vertikalen Position am Körper eines Körper des Benutzers zu halten.
Verfahren zur Steuerung eines Virtual-Reality-Avatars, eines ferngesteuerten Roboters oder einer Drohne mit einer Eingabe Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Avatar, der Roboter oder die Drohne gesteuert wird, um sich vorwärts oder rückwärts zu bewegen, vorzugsweise mit einer Rate abhängig von der gemessenen Kraft, basierend auf einer symmetrischen positiven oder negativen Kraft in erster Richtung die von der ersten und/oder zweiten Sensoranordnung erfasst wird; der Avatar, der Roboter oder die Drohne gesteuert wird, um sich zu drehen, vorzugsweise mit einer Rate abhängig von der gemessenen Kraft, basierend auf einer asymmetrischen positiven oder negativen Kraft in der ersten Richtung, die von der der ersten Sensoranordnung erfasst wird; der Avatar, der Roboter oder die Drohne gesteuert wird, um sich seitwärts zu bewegen, vorzugsweise mit einer Rate abhängig von der gemessenen Kraft, basierend auf einer asymmetrischen positiven oder negativen Kraft in der ersten Richtung, die von der zweiten Sensoranordnung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Eingabevorrichtung ferner einen ersten Vertikalbewegungssensor zum Erfassen einer vertikalen Bewegung oder Bewegungskraft des Benutzers enthält, wobei wenn der Vertikalbewegungssensor eine Aufwärts-Bewegung oder - Bewegungskraft des Benutzer erkennt, der Avatar, der Roboter oder die Drohne gesteuert wird, um aufzustehen, zu springen, hochzufliegen oder größer zu werden; und wenn der Vertikalbewegungssensor eine Abwärts-Bewegung oder - Bewegungskraft des Benutzers erkennt, der Avatar, der Roboter oder die Drohne gesteuert wird, dass er/sie sich duckt, hinsetzt, herunterfliegt oder kleiner wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Eingabevorrichtung ferner einen zweiten Vertikalbewegungssensor aufweist, wobei der erste und der zweite Vertikalbewegungssensor in horizontaler Richtung beabstandet sind, und wenn die ersten und zweiten Vertikalbewegungssensoren unterschiedliche vertikale Bewegungen oder Bewegungskräfte des Benutzers erkennen, der Avatar oder Roboter so gesteuert wird, dass er sich nach links oder nach rechts neigt.