DE19713805A1 - Vorrichtung zur physischen Simulation virtueller Räume - Google Patents
Vorrichtung zur physischen Simulation virtueller RäumeInfo
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Description
Zum Besuchen von virtuellen Welten sind verschiedene
Laufmaschinen Stand der Technik, z. B. eine Laufmaschi
ne, bestehend aus gleitenden Schuhen, die jedoch keine
Übertragung eines Drehmoments um die vertikale Achse
auf einen Fuß erlaubt, und auch nur eine Laufbewegung
in der Ebene ermöglicht. Eine andere Laufmaschine vom
Stand der Technik verfährt Fußplattformen in kartesi
schen Koordinaten über gerade Stangen von außen. Hier
kann es aber zur Kollision zwischen einer Fußplattform
und einer Verfahrstange kommen.
Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz dazu, zusätzlich
zur horizontalen Laufbewegung, eine Laufbewegung mit
vertikaler Komponente und gleichzeitig einen kollisi
onsfreien Betrieb.
Die Laufmaschine (Fig. 1) besitzt zwei Fußplatt
formen (F1, F2), auf die jeweils ein Fuß zur Fortbewe
gung gesetzt wird. Die Neuheit der Erfindung (Fig. 2,
4) besteht darin, daß die beiden Fußplattformen
(F1, F2) mittels eines Gestänges
(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) in Zylinderkoordinaten ange
steuert werden. Es wird die Annahme gemacht, daß der
Körperschwerpunkt stets zwischen den beiden Füßen
liegt. Ferner soll der Körperschwerpunkt während dem
Laufvorgang immer an der gleichen Position bleiben. Da
durch wird impliziert, daß die Fußplattformen (F1, F2)
punktsymmetrisch liegen müssen und zwar mit ihrem Zen
trum (Z) unter dem Schwerpunkt der Person. Dadurch ha
ben die beiden Fußplattformen (F1, F2) in der Ebene nur
noch 2 Freiheitsgrade für die Ansteuerung anstatt 4.
Der Benutzer steht zu Anfang mit beiden Füßen auf den
Fußplattformen. Hebt er z. B. einen Fuß von der einen
Fußplattform (F1) und bewegt ihn nach vorne, so folgt
die Fußplattform (F1) dem Fuß sensorgesteuert so, daß
sie sich laufend unter ihm befindet. Durch die Punkt
symmetrie der Beiden Fußplattformen (F1, F2) bewegt sich
die andere Fußplattform (F2) automatisch in entgegenge
setzter Richtung und bewegt damit den zweiten Fuß zu
rück und zwar so, daß der Körperschwerpunkt immer in
der Mitte bleibt. Eine Möglichkeit, die Zylinderkoordi
naten zu realisieren ist die Verwendung eines Gestänges
(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) der Form eines Storchschna
bels (SS) (Fig. 2). Die beiden Fußplattformen
(F1, F2) werden dabei an die Stangen (ST4, ST3) befe
stigt. Die beiden Freiheitsgrade des Storchschnabels
(SS) werden durch die beiden Wellen (W1, W2) angespro
chen. Dafür ist die eine Welle (W1) an der einen inne
ren Stange (ST1), die andere Welle (W2) an der anderen
inneren Stange (ST2) im Zentrum (Z) befestigt. Durch
Drehen an den beiden Wellen (W1, W2) können somit die
beiden Fußplattformen (F1, F2) über den Storchschnabel
(SS) in Zylinderkoordinaten in der Ebene angesteuert
werden. Um zu vermeiden, daß bei einer Fehlfunktion
zwischen die Stangen (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) getreten
werden kann, ist ein Schutzmechanismus sinnvoll (Fig. 3).
Dieser sieht folgendermaßen aus. Fest mit der
einen inneren Stange (ST1) sind zwei Scheiben (SB1, SB2)
verbunden. Die eine Scheibe (SB2) hat die Form eines
"S". Die andere Scheibe (SB1) ist eine Kreisscheibe,
bei der genau die Form des "S" der einen Scheibe (SB2)
fehlt. Die beiden Scheiben (SB1, SB2) haben stets die
gleiche Lage zueinander. Dabei liegt die kreisförmige
Scheibe (SB1) oberhalb der S-förmigen Scheibe (SB2).
Durch die feste Verbindung der beiden Scheiben
(SB1, SB2) mit der einen inneren Stange (ST1) bewegen
sich die beiden Fußplattformen (F1, F2), wenn die Länge
der Stangen (ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) gleich dem mitt
leren Radius der Teilkreise der S-Form ist, entlang der
S-förmigen Scheibe (SB2). Die kreisförmige Scheibe
(SB1) liegt auf den Fußplattformen (F1, F2), die
S-förmige Scheibe (SB2) geht durch einen horizontalen
Schlitz in den Fußplattformen (F1, F2). Dadurch wird der
komplette Storchschnabel (SS) durch die Scheiben
(SB1, SB2) abgedeckt. Da die beiden Scheiben (SB1, SB2)
in diesem Fall eine relativ komplizierte Form haben,
ist eine weitere Variante der Laufmaschine in Zylinder
koordinaten sinnvoll (Fig. 4). Die beiden Frei
heitsgrade der Fußplattformen (F1, F2) in der Ebene wer
den durch eine Schiene (SN) und ein Gestänge
(ST2, ST5, ST6) angesteuert. Die Fußplattformen (F1 ,F2)
gleiten auf Linearlagern (L) in Radialrichtung entlang
der Schiene (SN). Die Schiene ist drehbar um die Verti
kalachse im Zentrum (Z) der Laufmaschine gelagert und
bestimmt den Winkel ϕ der Fußplattformen (F1, F2). Die
Radialkoordinate der Fußplattformen (F1, F2) wird über
die Stangen (ST2, ST5, ST6) gesteuert. Die äußeren Stan
gen (ST5, ST6) wandeln die Drehung der inneren Stange
(ST2) in die Linearbewegung um. Die inneren Stangen
werden genauso wie bei dem Storchschnabel (SS) über
zwei Wellen (W1, W2) im Zentrum angetrieben. Der Vorteil
dieser Anordnung liegt darin, daß die Stangen
(ST2, ST5, ST6, SN) leichter abgedeckt werden können
(Fig. 5). Das Prinzip hierfür ist das gleiche wie
bei der Abdeckung des Storchschnabels (SS). Der wesent
liche Unterschied besteht darin, daß die eine Scheibe
(SB2) keine S-Form hat, sondern gerade ist. Die andere
Scheibe (SB1) ist entsprechend eine Kreisscheibe mit
der geraden Aussparung von der Form der einen Scheibe
(SB2). Beide Scheiben (SB1, SB2) zur Abdeckung des Ge
stänges sind fest mit der Schiene (SN) verbunden. Die
Kreisscheibe (SB1) befindet sich oberhalb der geraden
Scheibe (SB2). Beide Scheiben (SB1, SB2) sind über den
Stangen (ST2, ST5, ST6, SN), so daß diese ganz abgedeckt
sind. Die kreisformige Scheibe (SB1) liegt oberhalb der
Fußplattformen (F1, F2), die gerade Scheibe (SB2), die
in diesem Fall zugleich die Schiene (SN) darstellen
kann, verläuft durch einen horizontalen Schlitz in den
Fußplattformen. Um die Gewichtskraft der Person aufzu
nehmen, sind an den Fußplattformen (F1, F2) Laufrollen
(LR) angebracht, die auf einem ebenen Boden (B0) fah
ren. Die Wellen (W1, W2) zur Steuerung der Fußplattfor
men (F1, F2) gehen durch den Boden (B0) hindurch nach
unten und werden dort von zwei Motoren (M1, M2) über
Keilriemen angetrieben. Die Motoren (M1, M2) liegen ein
ander gegenüber, damit die Kräfte an den Wellen (W1, W2)
ausgeglichen sind. Die Motoren sind neben dem Boden
(B0) plaziert und zeigen mit ihren Antriebswellen nach
unten, damit die Gesamthöhe der Laufmaschine niedrig
bleibt. Um die vertikale Bewegung der Fußplattformen
(F1, F2) in z-Richtung zu realisieren, wird auf den
Plattformen, die die ebene Bewegung ausführen, eine
Hubvorrichtung aufgebaut (Fig. 6, 7). Die Hubvor
richtung wird so gesteuert, daß die mittlere Höhe bei
der Fußplattformen (F1, F2) konstant ist, damit der Kör
perschwerpunkt der Person an einer Stelle bleibt. Die
Hubvorrichtung kann z. B. aus Hydraulikzylindern (HZ)
bestehen (Fig. 6). Dies sind in der Regel 6, um
die 6 Freiheitsgrade der Fußplattformen (F1, F2) zu be
stimmen. Dabei sind 3 Freiheitsgrade durch die Hydrau
likzylinder festgehalten, nämlich die Bewegung in der
Ebene und die Drehung um die vertikale Achse. Die Höhe
und die Drehungen um die horizontalen Achsen werden
über die Hydraulikzylinder (HZ) gesteuert. Damit die
Hydraulikleitungen (HL) von den Zylindern befestigt
werden können und eine fest Länge haben, verlaufen sie
entlang der Stangen (ST3, ST4, ST1 bzw. ST5, ST6, ST2) beim
Storchschnabelgestänge (SS) bzw. der Stangen
(ST5, ST6, ST2) bei der linear geführten Version bis zu
den Steuerventilen (SV) im Zentrum (Z) der Laufmaschi
ne. Diese befinden sich über den Wellen (W1, W2), damit
ihr Trägheitsmoment möglichst gering ist. Von dort aus
verläuft die Hydraulikleitung (HL) durch die Wellen
(W1, W2) hindurch unter den Boden (B0). Die Drehung der
Fußplattformen (F1, F2) um ihre vertikale Achse kann
über einen Elektromotor (M3) erfolgen, der unter den
Fußplattformen (F1, F2) befestigt ist. Alternativ zu dem
Hubmechanismus mit Hydraulikzylindern (HZ) kann ein
Hubmechanismus aus je einem Hebel (HE) pro Fußplattform
(F1, F2) und Seilzügen (SE) aufgebaut werden (Fig. 7).
Ein Seilzug (SE1) kann durch Zug mit Hilfe des He
bels (HE) die Plattform vertikal steuern. Die Steuerung
der horizontalen Achsen der Fußplattformen (F1, F2) er
folgt über 4 weitere Seilzüge (SE3, SE4), die seitlich
an den Fußplattformen befestigt sind. Die Drehung um
die vertikale Achse erfolgt über den einen Seilzug SE2,
der die Fußplattform (F1, F2) umschlingt. Die Seilzüge
(SE) verlaufen zu der Plattform, die auf den Laufrollen
(LR) gelagert ist. Von dort aus verlaufen sie, genauso
wie die Hydraulikleitungen (HL) der Hydraulikzylinder
(HZ) entlang der Stangen (ST3, ST4, ST1 bzw. ST5, ST6, ST2)
beim Storchschnabelgestänge (SS) bzw. der Stangen
(ST5, ST6, ST2) bei der linear geführten Version zum Zen
trum (Z) der Laufmaschine und von dort aus durch die
Wellen (W1, W2) hindurch unter den Boden (B0). Für die
Regelung der Laufmaschine bedarf es mehrerer Sender und
Sensoren. An den Füßen befinden sich Sender, an den
Fußplattformen (F1, F2) befinden sich Empfänger. Das ist
natürlich auch anders herum möglich. Durch sie wird
nach dem Stand der Technik analog oder digital der Ab
standsvektor zwischen Füßen und Fußplattformen (F1, F2)
berechnet. Ein Digitalrechner berechnet über die Geome
trie und die momentane Lage der Laufmaschine die Soll
geschwindigkeit der Motoren und steuert diese an. Wei
terhin befinden sich Sender an den Fußplattformen
(F1, F2) und Empfänger stationär außerhalb der Laufma
schine (oder umgekehrt), um die absolute Lage der Fuß
plattformen korrigieren zu können. Aus den Signalen der
Empfänger werden genauso wie für die Füße die Abstands
vektoren ausgerechnet und mit der Sollage der Fußplatt
formen verglichen, um sie gegebenenfalls zu korrigie
ren. Die Sender können Leuchtdioden, die Empfänger op
tische Sensoren oder die Sender Ultraschallsender und
die Empfänger Ultraschallempfänger sein. Damit die
Person durch zu große Schritte nicht von der Laufma
schine runter laufen kann, ist rundherum eine Wand (WA)
angebracht, an der die Füße gegebenenfalls anstoßen. Um
die Laufmaschine herum ist ein Rahmen (RA) aufgebaut,
an dem sich ein Geländer (GE) befindet, damit man sich
festhalten kann und nicht so leicht von der Laufmaschi
ne runter fällt. Ebenfalls am Rahmen (RA) hängt ein
Gurt (GU) zum Anschnallen, der vermeiden soll, daß man
hinfällt. Die Fußplattformen (F1, F2) sind außenrum mit
Schaumstoff gepolstert, damit eine zweite Person, die
sich unvorhergesehen auf dem Boden (B0) befindet, nicht
verletzt wird.
Claims (23)
1. Vorrichtung zur Simulation einer Laufbewegung beim
Besuch von virtuellen Welten mittels zweier Fußplatt
formen, bei der während einer Schrittbewegung des Be
nutzers die unbelastete Plattform sensorgesteuert dem
einen Schritt ausführenden Fuß folgt und die belastete
Plattform so bewegt wird, daß sie sich immer punktsym
metrisch zur unbelasteten Plattform verhält, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ansteuerung und Positionierung
der Fußplattformen in Zylinderkoordinaten erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Zylinderkoordinaten, die durch die Radial
koordinate r und die Winkelkoordinate ϕ die horizontale
Position angeben, über einen Storchschnabel
(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6) verändert werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Fußplattformen (F1, F2) jeweils an einer
äußeren Stange (ST3, ST4) des Storchschnabels befestigt
sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Storchschnabel über zwei konzentrisch im
Zentrum (Z) der Vorrichtung angebrachte Wellen (W1, W2),
die mit je einer inneren Stange (ST2, ST1) des Storch
schnabels verbunden sind, betätigt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Zylinderkoordinaten, die durch die Ra
dialkoordinate r und die Winkelkoordinate ϕ die hori
zontale Position angeben, über ein auf einer drehbaren
Schiene (SN) angebrachtes, radial gerichtetes Linearla
ger (L) verändert werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Fußplattformen (F1, F2) in dem Linearlager
(L) geführt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Position über die beiden im Zentrum ange
brachten Wellen (W1, W2) verändert wird, indem eine Wel
le drehfest an der Schiene befestigt ist und die Ra
dialkoordinate r über ein Gestänge (ST2, ST5, ST6), das
die Rotationsbewegung der Welle in eine Linearbewegung
wandelt, geändert wird.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorange
gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fußplattformen (F1, F2) mit Laufrollen (LR) zur Abstüt
zung der Schwerkraft auf einer Unterlage ausgestattet
sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Zylinderkoordinate z der Fußplattformen,
die die vertikale Position bzw. Höhe angibt, durch eine
Hubvorrichtung verändert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Hubvorrichtung Hydraulikzylinder (HZ)
sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die für die Hydraulikzylinder benötigten Hy
draulikleitungen (HL) entlang der Gestänge
(ST5, ST2, ST6) geführt werden, die die Radialkoordinate
r steuern.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Hydraulikleitungen (HL) durch die Wellen
(W1, W2) nach außen geführt werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß sich die Steuerungsventile (SV) der Hydrau
likzylinder über den Wellen (W1, W2) befinden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Fußplattformen um drei Freiheitsgrade
schwenkbar angebracht sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Schwenkbewegung der Fußplattformen um eine
vertikale Achse durch einen Elektromotor (M3) ausge
führt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Schwenkbewegungen der Fußplattformen um
die horizontalen Achsen über zwei Seilzüge (S3, S4) aus
geführt werden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß die Seilzüge entlang der Gestänge (ST5, ST2, ST6
oder ST3, ST1, ST4) geführt werden, die die Radialkoordi
nate r steuern.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß die Seilzüge durch die Wellen (W1, W2) nach au
ßen geführt werden.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorange
gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo
toren (M1, M2), die die Wellen (W1, W2) antreiben neben
dem Boden plaziert sind und mit der Antriebswelle nach
unten zeigen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Steuersensorik für die Fußplattformen aus
Sendern an den Füßen und Empfängern an den Plattformen
bestehen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die tatsächliche Position der Fußplattformen
über Sender an den Plattformen und ortsfeste Empfänger
überprüft und verändert werden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Sender Leuchtdioden und die Emp
fänger optische Sensoren sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Sender Ultraschallsender und die
Empfänger Ultraschallsensoren sind.
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8143 | Withdrawn due to claiming internal priority |