WO2019008514A1 - Shoe, particularly for use for a virtual reality system for simulating walking and running activity without substantial change in location - Google Patents

Shoe, particularly for use for a virtual reality system for simulating walking and running activity without substantial change in location Download PDF

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WO2019008514A1
WO2019008514A1 PCT/IB2018/054923 IB2018054923W WO2019008514A1 WO 2019008514 A1 WO2019008514 A1 WO 2019008514A1 IB 2018054923 W IB2018054923 W IB 2018054923W WO 2019008514 A1 WO2019008514 A1 WO 2019008514A1
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shoe
user
virtual reality
reality system
walking
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PCT/IB2018/054923
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Bernhard Wandernoth
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Bernhard Wandernoth
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    • A63F13/52—Controlling the output signals based on the game progress involving aspects of the displayed game scene
    • A63F13/525—Changing parameters of virtual cameras
    • A63F13/5255—Changing parameters of virtual cameras according to dedicated instructions from a player, e.g. using a secondary joystick to rotate the camera around a player's character

Definitions

  • Shoe in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location
  • the invention relates to a shoe with a shoe element and an outsole, in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location of a user of the shoe, wherein a device is provided which is constructed such that the shoe with the User without action of the user is traceable to a defined location.
  • a virtual reality By means of a virtual reality system, a virtual reality can be represented, whereby virtual reality is usually the representation and simultaneous perception of reality in its physical properties in a real-time computer-generated, interactive virtual environment.
  • Virtual reality systems typically include at least one virtual reality goggle.
  • a virtual reality goggle is a particular form of head-mounted display, which is a head-worn visual output device. It presents images on a near-eye screen or projects them directly onto the retina.
  • a virtual reality glasses additionally has sensors for detecting the movement of the body or parts of the user's body.
  • the display of a calculated graphic can be adapted to the movements of a user of the virtual reality glasses. Due to the physical proximity of the displayed image surfaces of head-mounted displays considerably larger than the freestanding screens and cover in extreme cases even the entire field of view of the user. Because the displays of virtual reality goggles, for example, through the head posture follow all head movements of a user, he gets the feeling of moving directly in a computer generated image landscape.
  • gyms known running bands allow these running bands an omnidirectional movement in any direction within the level of the treadmill, so that the range of motion of the user is not limited.
  • these known treadmills on two mutually perpendicular conveyor belts, wherein the one conveyor belt has a plurality of rolling bodies, which form a tread at its top and are rotatable at right angles to the direction of movement of the conveyor belt.
  • the drive of the rotatably mounted roller body is effected by the other conveyor belt which frictionally engages on the underside of the rolling body.
  • a conveyor in particular for a treadmill or a conveyor belt, with a plurality of rolling bodies, which together form a bearing surface for a conveyed object on its upper side, wherein the rolling bodies are rotatably mounted in a certain direction of rotation, around that
  • the rolling bodies are each arranged in a stationary manner and are rotatably mounted in a plurality of directions of rotation in order to move the conveyed object in different conveying directions.
  • a half-shell in the real world is provided, which is opened upward to the user.
  • the user stands with special shoes and the virtual reality system in the shell and starts to run. Due to the shell-like formation, the feet slide on the inner wall of the shell in the direction of the ground, so that the real User remains in one place, whereas the user has the feeling of walking naturally through the virtual world.
  • a device for simulating walk and run activity without significant changes in the location of the user is known. This has a bottom device with a walkable surface and with
  • the electromagnets are arranged in such a way and can be controlled by the control device such that a person provided with magnetic interaction shoes person on the ground device a walking and / or running activity, the motor is different from walking and / or running on the spot, run without experiencing a significant change of location. Also for this it needs a special underground, in which the
  • Electromagnets are arranged controllable. In addition, it requires the location of a multi-dimensional camera network, so that the effort is very significant. In addition, the electromagnets must be designed very strong, since they have to move high forces in a very short time. Another problem is the impact on health and other electronic devices. In addition, it requires many more devices, in particular a special design of the tread.
  • the actual action space is very limited, you can not or only with difficulty reach the edge of the moving action space existing objects (for example, a stool).
  • the movements are limited to walking. Sit, jump, put is not possible. This is always due to the fact that a special substrate is necessary so that the user remains at least almost stationary despite walking movements.
  • One of the drawbacks of the devices described above is that a very complex and spatially very important device must be provided in order to give the user of virtual reality systems the feeling of being able to move indefinitely in space.
  • the omnidirectional possibility leads to a very complex design of a device that is on the one hand very cost-intensive and also maintenance-intensive and therefore not suitable, in particular, for private use.
  • the object of the invention is to provide a device, in particular for a virtual reality system, with which the user can move as naturally as possible in a virtual space omnidirectional and unlimited, yet experiences virtually no change in location in the real world, at least one of to consider the aforementioned disadvantages.
  • the basic idea of the invention is that the user obtains a secure natural feeling of walking and walking in virtual space without being actually limited in relation to the space coordinates (real world). This means that the user actually experiences almost no change of location.
  • the invention is characterized in that it is limited exclusively to the shoe and other devices, such as a specially designed action surface on which the user is running, are not necessary per se.
  • one of the main advantages is the fact that a very compact and preferably only on the feet of the
  • User arranged device allows running at least almost on the spot.
  • the user has the feeling (in the virtual world) to be able to walk around the room indefinitely.
  • a shoe to be tightened by the user on one foot is to be provided.
  • This shoe has at least one active element in the region of its outsole-facing side on a support structure element.
  • this active element has the property of activating the foot moved in the running direction to its starting position
  • Active elements can be powered rollers, similar to roller skates.
  • the actively by drives (actuators) movable sliding elements, wheels or chain elements are suitable to the respective foot back in the
  • the active elements may be underneath the shoe, i. be provided in the area of the outsole.
  • the active elements may be underneath the shoe, i. be provided in the area of the outsole.
  • Active elements can also be arranged laterally on the respective shoes.
  • at least one large wheel or at least one other active element may be provided on each side of a shoe, wherein each active element has an independently controllable drive.
  • Another active element can also be a group of several small wheels, a caterpillar drive or other equivalent means. It is also conceivable that with laterally arranged active elements (multiaxial arrangement) are connected to each other via a bridge element, so that a normal shoe can be fixed on the bridge element. This means that the device can also be used independently of a shoe.
  • this embodiment is characterized by a very simple design. Only two motors per shoe are needed. As a result, few mechanical parts are needed, so that also little movable components are available.
  • the active elements are each formed by a large wheel, arranged on an axis, which in turn is driven by an electric drive. Due to this large diameter (compared to the diameter of rollers, which are arranged under the shoe), a larger torque can be transmitted. Due to the large training of these active elements components, such as bearing elements, encoders, etc. can be arranged far away from the ground, so that they are not exposed to contamination. Another advantage is the fact that the active elements can be provided with an elastic material, so that a damping for the user takes place while walking, as well as impact sound is at least reduced.
  • Control system to an algorithm that unnoticed changes the direction, that is slowly the physical coordinate system rotates against the virtual reality coordinate system, so that the physical direction again allows compensation to the center of the action area. If just one rotation vector is impressed in the virtual reality system, the user will unconsciously take the opposite direction.
  • active elements which are each attached to the side of the shoe can the rotation are generated by different rotation of the active elements.
  • a further advantage of such arrangements is that targeted collision of the feet can be avoided by targeted rotation of the feet.
  • An advantageous development provides that the actual movement is decelerated, whereby active power can be recovered (recuperation), which in turn is responsible for the operation of the device can be used. Simplified, the active elements are driven so that they are at a constant
  • the rotational speed of the active elements is kept constant, no matter in which direction the walking or running process exerts a torque. This means that the motors for the respective active elements are alternately in the
  • the system consists of the actual virtual reality hardware and software in combination with the active shoes.
  • the compactness of the system allows the user to easily operate the system even in small spaces,
  • the shoes can have their own motion sensors or sensors for integration into a virtual reality system with the aim of keeping the user's position. Special sensors hold the user's position in the middle of the action area. Additional sensors that are compatible with the Virtual Reality System include higher precision and the representation of the feet in the virtual environment.
  • the electronic control also brings the advantage that
  • Electric drive In particular, this can be used to make the user walk normally, but support his walking (comparable to an e-bike). This brings advantages in the rehabilitation area and can also
  • a further embodiment provides that the user can wear his shoe, wherein the active element with control and sensors can be arranged on the shoe.
  • the advantage is that no fixed infrastructure is needed, such as a platform, a shell, or moveable superstructures, etc. The user steps in place while walking and running are naturally felt.
  • Figure 1 is a schematic view of the virtual reality system with the shoes and the coupled with the shoes active elements.
  • Figure 2 is a schematic view of the shoe together with a first embodiment of an active element.
  • Fig. 3 is a schematic view of the shoe together with a second embodiment of an active element
  • Fig. 4 is a schematic view of the shoe together with an application of the embodiment of an active element shown in Fig. 3;
  • FIG. 1 shows a schematic view of a virtual reality system S.
  • This consists of a virtual reality glasses 2, sensors 3, 1 03 which are arranged at least on the glasses 2 and a computer unit 4 with it
  • This shoe 5, 105 is at least indirectly coupled to the computer unit 4.
  • the user moves in a defined area, which is referred to as action area 6.
  • the shoe 1, 1 05 is shown in the following figures in a total of three different configurations.
  • FIG. 2 shows the shoe 5 for the virtual reality system 1.
  • This consists of a shoe element 10, in which the user can slip with his foot.
  • This shoe element 10 encompasses or grasps the foot of the user.
  • On the shoe element 1 0 a support structure element 7 is arranged.
  • On the outsole 1 1 of the shoe element 10 facing side is an on the
  • Support structure element 7 arranged active element 1 2 is provided. This
  • Active element 1 2 serves to shoe 5 together with the foot of the
  • rollers 2 which can be driven by actuators 1 2 are provided in the active element 1 2, which are controlled by the virtual reality system S and its computer unit 4.
  • An electronics unit 1 5, which is arranged on the shoe element 10, comprises The control units 1 shown in FIGS. 4 and 5 7. Sensors 3 are part of these control units 1 7.
  • FIGs. 3 and 4 a development of the shoe 1 05 is shown.
  • This shoe 1 05 shown here is characterized in that it also cooperates with a virtual reality system 1, as has been described above with reference to FIG. 1.
  • the shoe 1 05 includes a shoe element 1 10, which surrounds the foot.
  • an outsole 1 1 1 is arranged on the shoe 1 05, which forms a running surface in a normal application, in the region of the outsole 1 1 1 of the shoe 105 is at least one at one in this embodiment
  • Support structure element 1 07 arranged active element 1 1 2 provided.
  • a preferred embodiment provides that on both longitudinal sides of the shoe 1 1 0 each an active element 1 1 2 is provided.
  • the active element 1 1 2 is provided with actuators. These are not visible in the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in the area of
  • Actuators are, for example, motors which are electrically driven and preferably comprise an incremental encoder. By this incremental encoder can be specified exactly the angular size and the angular velocity of such an actuator and thus the active element. Furthermore, sensors 103 are provided. In Fig. 4 is additionally shown in the embodiment of the shoe 1 05 shown there
  • Position tracker 1 30 arranged.
  • the actuators will exert on a control unit 1 1 7 one of the running direction 1 1 3 of the user opposite designed movement, the
  • Control unit 1 1 7 is coupled to at least indirectly with the virtual reality system. This means that the user through his steps indirectly tells Virtual Reality System 1 that it is running. This moves the scenery in the virtual world. At the same time, however, the user with each Step, which he undertakes in a defined direction, transferred by the active element and the associated control unit back to the initial situation. This process is repeated with each step.
  • the drive of the actuators is controlled so that the user always remains within the action area 6.
  • the action area 6 is not determined by a physical device. Rather, it is only spatially in which area the user moves.
  • the s (distance) - t (time) diagram shows an example of the beginning of a walking movement from a standing position (line 1 8).
  • the actual motion starts by keeping the actuators at the previous speed (zero here). But so that the action area 6 is not left, the actuators (line 1 9) slowly accelerated until the felt and gone or run
  • the second diagram shows the velocities (V) over time. It can be seen that the user goes at a constant speed (line 20), whereas the actuators accelerate in the opposite direction (line 21).
  • the line 22 represents the
  • the left and right rollers are driven at slightly different speeds until the desired direction and position has been reached.
  • the controller unit 1 7 must have knowledge of the position and direction of the shoes 5, 1 05, in cooperation with the virtual reality system S the
  • Speed V of the actuators to control suitable This is done by using position trackers 30; 1 30 and speed sensors 31; 1 31 and tilt sensors 32; 1 32 (FIG. 6). These data are then transferred to the software 1 33 of the Virtual Reality System S. This in turn passes to a controller 1 34 the necessary data so that the active element 1 2, 1 1 2 can be activated via a further controller 1 35 and a drive 1 36 and so can be set in rotation.
  • a power supply 1 37 represents the
  • Alternative designs may also be designed such that they are not suitable for a virtual reality system S, but for other applications, for example from the field of rehabilitation.
  • an adapted software 1 33 is used accordingly.
  • control unit 1 7, 1 1 7 on the shoe 5, 1 05 can be arranged (Fig. 6) or part of the computer unit 4 (Fig. 7), depends on the nature of
  • the control unit can be accommodated on the shoe 5.
  • the sensor data is transmitted to the Virtual Reality System S, which in turn makes corrective interventions in the control loop, e.g. the above-mentioned positional or directional corrections. If the virtual reality system determines the position and direction of the shoes from the data of the position detection system 1, the control unit is part of the computer unit 4 (FIG. 7).
  • controllers work completely independently of the virtual reality system S.
  • the shoe is equipped so that it independently transmits the position. In fact, then only system relevant data such as direction and speed are transmitted to the virtual reality system.
  • the overall system requires hardware and software fail-safe devices to prevent, for example, breaking the "hard” boundaries of the action surface (walls, furniture), to mitigate a fall, or a safety shutdown in the event of a software crash.
  • an "emergency stop” is provided which can be fastened, for example, to a belt of the user, which not only shuts off the shoe, but also activates brakes, preferably mechanically.
  • a safety line mounted on the ceiling which can also take over the cable routing, is advantageous.
  • substrates can be simulated.
  • steps and slopes could be set up, which convey the feeling of climbing, climbing stairs or walking on inclines.
  • the power supply and data transmission can be carried out by cable.
  • the data transmission can be wireless and the
  • Shoe in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

The invention relates to a shoe having a shoe element and an outsole, particularly for use for a virtual reality system for simulating walking and running activity without substantial change in location of a user of the shoe, wherein a device is provided which is structured such that the shoe, together with the user, can be traced back to a defined location, without action on the part of the user. The invention is characterized in that, in the region of the outsole of the shoe, at least one active element (12; 112) is provided on a support structure element (7; 107), the active element (12; 112) has actuators and said actuators carry out, via a controller unit (17; 117) a movement counter to the walking direction (13; 113) of the user, wherein the controller unit (17; 117) is coupled at least indirectly to the virtual reality system.

Description

Schuh, insbesondere zur Verwendung für ein Virtual Reality System zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung  Shoe, in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen Schuh mit einem Schuhelement und einer Laufsohle insbesondere zur Verwendung für ein Virtual Reality System zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung eines Benutzers des Schuhs, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die derart aufgebaut ist, dass der Schuh mit dem Benutzer ohne Aktion des Benutzers zu einem definierten Ort zurückführbar ist. The invention relates to a shoe with a shoe element and an outsole, in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location of a user of the shoe, wherein a device is provided which is constructed such that the shoe with the User without action of the user is traceable to a defined location.
Stand der Technik State of the art
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.  By means of a virtual reality system, a virtual reality can be represented, whereby virtual reality is usually the representation and simultaneous perception of reality in its physical properties in a real-time computer-generated, interactive virtual environment.
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 Körpers oder von Körperteilen des Benutzers. Damit kann die Anzeige einer berechneten Grafik an die Bewegungen eines Benutzers 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 beispielsweise durch die Kopfhaltung allen Kopfbewegungen eines Benutzers folgen, bekommt er das Gefühl, sich direkt in einer von einem Computer erzeugten Bildlandschaft zu bewegen. Virtual reality systems typically include at least one virtual reality goggle. A virtual reality goggle is a particular form of head-mounted display, which is a head-worn visual output device. It presents images on a near-eye screen or projects them directly onto the retina. A virtual reality glasses additionally has sensors for detecting the movement of the body or parts of the user's body. Thus, the display of a calculated graphic can be adapted to the movements of a user of the virtual reality glasses. Due to the physical proximity of the displayed image surfaces of head-mounted displays considerably larger than the freestanding screens and cover in extreme cases even the entire field of view of the user. Because the displays of virtual reality goggles, for example, through the head posture follow all head movements of a user, he gets the feeling of moving directly in a computer generated image landscape.
Insbesondere die realitätsnahe Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit in ihren physikalischen Eigenschaften stellt eine besondere In particular, the realistic representation and simultaneous perception of reality in their physical properties makes a special
Herausforderung bei Virtual-Reality-Systemen dar. Challenge with virtual reality systems.
Bei der Simulation von virtuellen Umwelten ist es beispielsweise zur Durchführung von Forschungsarbeiten oftmals notwendig, dass sich der Proband im In the simulation of virtual environments, it is often necessary, for example, to carry out research, that the test person is in the field of research
Versuchsaufbau durch Gehen oder Laufen fortbewegt. Dies wird nach dem Stand der Technik durch mechanische Laufbänder ermöglicht. Häufig ermöglichen die Laufbänder nach dem Stand der Technik jedoch nur eine geradlinige Bewegung in einer Richtung, was besonders nachteilig ist. Vorrichtungen zur Simulation von Geh- und/oder Lauftätigkeit, bei denen ein Richtungswechsel während des Gehens/Laufens möglich ist, sind aus den Druckschriften DE 1 95 1 7 052 C 1 , DE 1 95 07 507 A1 und US 5 562 572 bekannt. Die Vorrichtungen gemäß der DE 1 95 1 7 052 C 1 und der US 5 562 572 verwenden komplizierte Systeme aus sehr vielen elektromechanisch angesteuerten Rollen oder Kugeln, auf denen sich der Gehende/- Laufende bewegt. Aufgrund der Vielzahl sich drehender mechanischer Teile in diesen Vorrichtungen ist die Gefahr relativ groß, dass aufgrund der starken mechanischen Belastung öfter einzelne dieser Teile ausfallen und so die Experimental setup moved by walking or running. This is made possible by mechanical treadmills according to the prior art. Frequently, however, the treadmills of the prior art allow only a straight line movement in one direction, which is particularly disadvantageous. Devices for simulating walking and / or running activity, in which a change of direction during walking / running is possible, are known from the publications DE 1 95 1 7 052 C 1, DE 1 95 07 507 A1 and US 5,562,572. The devices according to DE 1 95 1 7 052 C 1 and US 5 562 572 use complicated systems consisting of a large number of electromechanically controlled rollers or balls, on which the walking / running device moves. Due to the large number of rotating mechanical parts in these devices, the risk is relatively large that often fail due to the strong mechanical stress individual of these parts and so the
Betriebsbereitschaft der gesamten Vorrichtung gefährden. Ein ähnliches Problem ergibt sich bei der aus der DE 1 95 07 507 A1 bekannten Vorrichtung, bei der ständig zwei Stehplatten mechanisch mehr oder weniger schnell bewegt müssen. Dabei ist die mechanische Beanspruchung der Bewegungseinrichtung derart hoch, dass allein aufgrund der mechanischen Belastung ein relativ hohes Ausfallrisiko angenommen werden muss. Aus der US 5 562 572 und der US 6 1 52 854 sind Laufbänder bekannt, die in einem Virtual-Reality-Simulator eingesetzt werden können, um einem Endanger the operational readiness of the entire device. A similar problem arises in the known from DE 1 95 07 507 A1 device in which constantly two standing plates must be mechanically moved more or less quickly. The mechanical stress of the movement device is so high that a relatively high risk of failure must be assumed solely because of the mechanical stress. From US 5,562,572 and US 6,152,854 treadmills are known which can be used in a virtual reality simulator to a
Simulationsteilnehmer eine Gehbewegung zu ermöglichen, ohne dass sich der Simulationsteilnehmer tatsächlich fortbewegt. Im Gegensatz zu den aus Allow simulation participants a walking motion without actually moving the simulation participant. Unlike the out
Fitnessstudios bekannten Lauf bändern ermöglichen diese Lauf bänder 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 However, gyms known running bands allow these running bands an omnidirectional movement in any direction within the level of the treadmill, so that the range of motion of the user is not limited. To allow any direction of movement, these known treadmills on two mutually perpendicular conveyor belts, wherein the one conveyor belt has a plurality of rolling bodies, which form a tread at its top and are rotatable at right angles to the direction of movement of the conveyor belt. The drive of the rotatably mounted roller body is effected by the other conveyor belt which frictionally engages on the underside of the rolling body. By a suitable control of the two conveyor belts then any direction of movement can be realized in a plane, since the two mutually perpendicular directions of movement of the two
Förderbänder überlagern. Overlay conveyor belts.
Aus der DE 10 2004 01 6 429 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 From DE 10 2004 01 6 429 A1 a conveyor, in particular for a treadmill or a conveyor belt, with a plurality of rolling bodies, which together form a bearing surface for a conveyed object on its upper side, wherein the rolling bodies are rotatably mounted in a certain direction of rotation, around that
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. To move conveyed object according to the direction of rotation of the rolling bodies in a specific conveying direction. It is proposed that the rolling bodies are each arranged in a stationary manner and are rotatably mounted in a plurality of directions of rotation in order to move the conveyed object in different conveying directions.
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. Further, for movement in the virtual world, a half-shell in the real world is provided, which is opened upward to the user. The user stands with special shoes and the virtual reality system in the shell and starts to run. Due to the shell-like formation, the feet slide on the inner wall of the shell in the direction of the ground, so that the real User remains in one place, whereas the user has the feeling of walking naturally through the virtual world.
Aus der DE 1 98 21 453 C 1 ist eine Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderungen des Benutzers bekannt. Diese weist eine Bodeneinrichtung mit einer betretbaren Oberfläche und mit From DE 1 98 21 453 C 1 a device for simulating walk and run activity without significant changes in the location of the user is known. This has a bottom device with a walkable surface and with
Elektromagneten sowie eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Electromagnet and a control device for controlling the
Elektromagnete auf. Die Elektromagnete sind derart angeordnet und können durch die Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass eine mit magnetisch Wechsel wirkenden Schuhen versehene Person auf der Bodeneinrichtung eine Geh- und/oder Lauftätigkeit, die motorisch vom Gehen und/oder Laufen auf der Stelle verschieden ist, ausführen kann, ohne eine wesentliche Ortsveränderung zu erfahren. Auch hierfür benötigt es einen speziellen Untergrund, in dem die Electromagnets on. The electromagnets are arranged in such a way and can be controlled by the control device such that a person provided with magnetic interaction shoes person on the ground device a walking and / or running activity, the motor is different from walking and / or running on the spot, run without experiencing a significant change of location. Also for this it needs a special underground, in which the
Elektromagnete steuerbar angeordnet sind. Zudem bedarf es zur Ortung eines mehrdimensionalen Kameranetzes, so dass der Aufwand sehr erheblich ist. Zudem müssen die Elektromagnete sehr stark ausgelegt sein, da diese hohe Kräfte in einer sehr kurzen Zeit zu bewegen haben. Problematisch dabei ist auch die Auswirkung auf die Gesundheit und auf andere elektronische Geräte. Zudem bedarf es vieler weiterer Geräte, insbesondere einer besonderen Gestaltung der Lauffläche. Electromagnets are arranged controllable. In addition, it requires the location of a multi-dimensional camera network, so that the effort is very significant. In addition, the electromagnets must be designed very strong, since they have to move high forces in a very short time. Another problem is the impact on health and other electronic devices. In addition, it requires many more devices, in particular a special design of the tread.
Weitere Nachteile des Standes der Technik Further disadvantages of the prior art
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 (beispielsweise ein Hocker). Zudem sind die Bewegungen auf das Gehen beschränkt. Setzen, springen, legen ist nicht möglich. Dies ist immer darauf zurückzuführen, dass ein spezieller Untergrund notwendig ist, damit der Benutzer trotz Gehbewegungen zumindest nahezu ortsfest verbleibt.  Basically, it is a problem that the actual action space is very limited, you can not or only with difficulty reach the edge of the moving action space existing objects (for example, a stool). In addition, the movements are limited to walking. Sit, jump, put is not possible. This is always due to the fact that a special substrate is necessary so that the user remains at least almost stationary despite walking movements.
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 A disadvantage of the known omnidirectional treadmills is the fact that two separate conveyor belts are required by the superposition of two orthogonal movements are different
Bewegungsrichtungen des Laufbandes zu ermöglichen. To allow movement directions of the treadmill.
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. One of the drawbacks of the devices described above is that a very complex and spatially very important device must be provided in order to give the user of virtual reality systems the feeling of being able to move indefinitely in space. In particular, the omnidirectional possibility leads to a very complex design of a device that is on the one hand very cost-intensive and also maintenance-intensive and therefore not suitable, in particular, for private use.
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. In addition, there is a lack of coordination with the system for the virtual reality, so that the user does not get the feeling to actually go. He becomes insecure, does not feel well and gets signs of seasickness. Seasickness occurs when the virtual image shown does not match the sensed motion. The aim should therefore be to allow as natural a movement as possible in the virtual space.
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. Another disadvantage of the spatially limited devices is that the user can still exceed these limits and then seriously injured. In order to prevent this, holding straps are provided in some devices, which does not allow exceeding these outer limits.
Dadurch leidet aber der Nutzerkomfort und die Vorrichtung selbst ist noch komplexer. This, however, suffers user comfort and the device itself is even more complex.
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung, insbesondere für ein Virtual-Reality System bereitzustellen, mit dem der Benutzer sich omnidirektional und unbegrenzt in einem virtuellen Raum möglichst natürlich bewegen kann, dennoch in der realen Welt nahezu keine Ortsveränderung erfährt, wobei mindestens einer der zuvor genannten Nachteile zu berücksichtigen ist. Lösung der Aufgabe The object of the invention is to provide a device, in particular for a virtual reality system, with which the user can move as naturally as possible in a virtual space omnidirectional and unlimited, yet experiences virtually no change in location in the real world, at least one of to consider the aforementioned disadvantages. Solution of the task
Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt.  The solution of the problem is provided by the features of claim 1.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass 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 (reale Welt) begrenzt ist. Dies bedeutet, dass der Benutzer tatsächlich nahezu keine Ortsveränderung erfährt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass diese ausschliesslich auf den Schuh begrenzt ist und weitere Vorrichtungen, wie beispielsweise eine speziell ausgebildete Aktionsfläche, auf der der Benutzer läuft, an sich nicht notwendig sind. Somit ist einer der wesentlichen Vorteile darin zu sehen, dass eine sehr kompakte und vorzugsweise nur an den Füssen des  The basic idea of the invention is that the user obtains a secure natural feeling of walking and walking in virtual space without being actually limited in relation to the space coordinates (real world). This means that the user actually experiences almost no change of location. The invention is characterized in that it is limited exclusively to the shoe and other devices, such as a specially designed action surface on which the user is running, are not necessary per se. Thus, one of the main advantages is the fact that a very compact and preferably only on the feet of the
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. User arranged device allows running at least almost on the spot. The user has the feeling (in the virtual world) to be able to walk around the room indefinitely.
Durch die kompakte und anwenderfreundliche Ausführung ist eine einfache Anwendung nahezu von jedermann möglich, da ansonsten keine gross Due to the compact and user-friendly design, a simple application is possible by almost anyone, otherwise no big
dimensionierten Räume noch zeitintensive Aufbauten und Einrichtungen benötigt werden. dimensioned spaces still time-consuming structures and facilities are needed.
Vorteilhafterweise ist ein von dem Anwender jeweils an einem Fuss anzuziehender Schuh vorzusehen. Dieser Schuh weist im Bereich seiner Laufsohle hinweisenden Seite an einem Tragstrukturelement mindestens ein Aktivelement auf. Dieses Aktivelement hat bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Eigenschaft, den jeweils in Laufrichtung bewegten Fuss in seine Ausgangssituation aktiv Advantageously, a shoe to be tightened by the user on one foot is to be provided. This shoe has at least one active element in the region of its outsole-facing side on a support structure element. In a preferred embodiment, this active element has the property of activating the foot moved in the running direction to its starting position
zurückzuführen. Im Gegensatz zu halbschaligen Ausbildungen der Aktionsflächen, 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. due. In contrast to half - shell training of action areas, where the feet of the user sliding in the half shell by the Active users must be returned, the feet are brought by the active element in the starting situation, due to the speed in which the user moves, so that this receives a real natural feeling of walking or running.
Aktivelemente können angetriebene Rollen, vergleichbar mit Rollschuhen, sein. Die aktiv durch Antriebe (Aktuatoren) bewegbare Gleitelemente, Räder oder auch Kettenelemente sind geeignet, um den jeweiligen Fuss wieder in die Active elements can be powered rollers, similar to roller skates. The actively by drives (actuators) movable sliding elements, wheels or chain elements are suitable to the respective foot back in the
Ausgangssituation zu überführen. Die Aktivelemente können unterhalb des Schuhs, d.h. im Bereich der Laufsohle vorgesehen sein. Alternativ können dieTo convert the initial situation. The active elements may be underneath the shoe, i. be provided in the area of the outsole. Alternatively, the
Aktivelemente auch seitlich an den jeweiligen Schuhen angeordnet sein. So kann jeweils zu beiden Seiten eines Schuhs mindestens ein grosses Rad oder mindestens ein anderes Aktivelement vorgesehen sein, wobei jedes Aktivelement über einen eigenständig ansteuerbaren Antrieb verfügt. Ein anderes Aktivelement kann auch eine Gruppe von mehreren kleinen Rädern ein, ein Raupenantrieb oder andere gleichwirkende Mittel. Denkbar ist auch, dass bei seitlich angeordneten Aktivelemente (mehrachsige Anordnung) über ein Brückenelement miteinander verbunden sind, so dass ein normaler Schuh auf dem Brückenelement fixiert werden kann. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung auch unabhängig von einem Schuh genutzt werden kann. Active elements can also be arranged laterally on the respective shoes. Thus, at least one large wheel or at least one other active element may be provided on each side of a shoe, wherein each active element has an independently controllable drive. Another active element can also be a group of several small wheels, a caterpillar drive or other equivalent means. It is also conceivable that with laterally arranged active elements (multiaxial arrangement) are connected to each other via a bridge element, so that a normal shoe can be fixed on the bridge element. This means that the device can also be used independently of a shoe.
Die Ausbildung der Erfindung mit den seitlich an dem Schuh angeordneten The embodiment of the invention with the side of the shoe arranged
Aktivelementen hat unterschiedliche Vorteile. Zum einen zeichnet sich diese Ausführungsform durch ein sehr einfaches Design aus. Es werden ausschliesslich zwei Motoren pro Schuh benötigt. Dadurch werden wenige mechanische Teile benötigt, so dass auch wenig bewegbare Bauteile vorhanden sind. Active elements has different advantages. On the one hand, this embodiment is characterized by a very simple design. Only two motors per shoe are needed. As a result, few mechanical parts are needed, so that also little movable components are available.
Die Aktivelemente werden durch jeweils ein grosses Rad, angeordnet auf einer Achse, sie wiederum von einem Elektroantrieb angetrieben wird, gebildet. Durch diesen grossen Durchmesser (im Vergleich zum Durchmesser von Rollen, die unter dem Schuh angeordnet werden) kann auch ein grösseres Drehmoment übertragen werden. Aufgrund der grossen Ausbildung dieser Aktivelemente können Bauteile, wie Lagerelemente, Encoder etc. weit weg vom Boden angeordnet werden, so dass diese nicht einer Verschmutzung ausgesetzt sind. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Aktivelemente mit einem elastischen Material versehen sein können, so dass eine Dämpfung für den Benutzer beim Gehen stattfindet, als auch Trittschall zumindest verringert wird. The active elements are each formed by a large wheel, arranged on an axis, which in turn is driven by an electric drive. Due to this large diameter (compared to the diameter of rollers, which are arranged under the shoe), a larger torque can be transmitted. Due to the large training of these active elements components, such as bearing elements, encoders, etc. can be arranged far away from the ground, so that they are not exposed to contamination. Another advantage is the fact that the active elements can be provided with an elastic material, so that a damping for the user takes place while walking, as well as impact sound is at least reduced.
Durch diese Ausgestaltung können auch Richtungsänderung einfach realisiert werden, in dem beide Aktivelemente unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten aufnehmen. As a result of this refinement, it is also possible to realize a change in direction in which both active elements absorb different rotational speeds.
Durch Modulation eines mechanischen Moments, beispielsweise in der Ausbildung Antrieb oder Widerstand), welcher der Steuerung der Aktivelemente auferlegt werden kann, kann ein natürliches Gehgefühl entstehen. Denn auch beim normalen Gehen ohne die Vorrichtung liegt in der Regel ein Widerstand, hervorgerufen durch das Bodenprofil (Steigung, Gefälle etc.) vor, der durch die Modulation der Momente/Kräfte bei den Aktivelementen simuliert wird. Dadurch besteht auch die Möglichkeit taktil unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten (beispielsweise Kies, Sand etc.) zu simulieren. By modulating a mechanical moment, for example in the training drive or resistance), which can be imposed on the control of the active elements, a natural walking feeling can arise. For even during normal walking without the device is usually a resistance caused by the soil profile (slope, slope, etc.) before, which is simulated by the modulation of the moments / forces in the active elements. This also makes it possible to tactually simulate different soil conditions (for example, gravel, sand, etc.).
Weil einfache Aktivelemente nicht seitlich fahren können, kann sich der Benutzer langsam von der Mitte der Aktionsfläche seitlich wegbewegen, im einfachsten Fall durch ein oder mehrere Schritte zur Seite. Zum Ausgleich wendet das Because simple active elements can not move laterally, the user can slowly move sideways away from the center of the action plane, in the simplest case by one or more steps to the side. To compensate, that applies
Kontrollsystem einen Algorithmus an, der unbemerkt die Laufrichtung verändert, sprich langsam das physikalische Koordinatensystems gegen das Virtual Reality Koordinatensystem dreht, sodass die physikalische Laufrichtung wieder einen Ausgleich zur Mitte der Aktionsfläche ermöglicht. Wird einfach nur ein Drehvektor im Virtual Reality System aufgeprägt, wird der Benutzer unbewusst die Richtung gegensteuern. Bei den als Räder oder Rollen ausgebildeten Aktivelemente, die jeweils seitlich am Schuh angebracht sind, kann die Drehung durch unterschiedliches Drehen der Aktivelemente erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil solcher Anordnungen ist, dass durch gezielte Drehung der Füsse eine Kollision der Füsse vermieden werden kann Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die eigentliche Bewegung abgebremst wird, wodurch aktiv Strom gewonnen werden kann (Rekuperation), der wiederum für den Betrieb der Vorrichtung eingesetzt werden kann. Vereinfacht werden die Aktivelemente so angetrieben, dass sie mit einer konstanten Control system to an algorithm that unnoticed changes the direction, that is slowly the physical coordinate system rotates against the virtual reality coordinate system, so that the physical direction again allows compensation to the center of the action area. If just one rotation vector is impressed in the virtual reality system, the user will unconsciously take the opposite direction. In the form of wheels or rollers active elements, which are each attached to the side of the shoe can the rotation are generated by different rotation of the active elements. A further advantage of such arrangements is that targeted collision of the feet can be avoided by targeted rotation of the feet. An advantageous development provides that the actual movement is decelerated, whereby active power can be recovered (recuperation), which in turn is responsible for the operation of the device can be used. Simplified, the active elements are driven so that they are at a constant
Geschwindigkeit entgegen der Laufrichtung des Anwenders bewegen, sodass die Geh- oder Laufgeschwindigkeit gegenüber dem Boden im Mittel Null ist. DieMove the speed in the opposite direction of the user's direction so that the walking or running speed with respect to the ground is zero on average. The
Drehgeschwindigkeit der Aktivelemente wird hierbei konstant gehalten, egal in welche Richtung der Geh- oder Laufvorgang ein Drehmoment ausübt. Das heisst, die Motoren für die jeweiligen Aktivelemente werden abwechselnd im The rotational speed of the active elements is kept constant, no matter in which direction the walking or running process exerts a torque. This means that the motors for the respective active elements are alternately in the
Beschleunigungs- und Bremsmodus betrieben. Acceleration and braking mode operated.
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, The system consists of the actual virtual reality hardware and software in combination with the active shoes. The compactness of the system allows the user to easily operate the system even in small spaces,
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 For example, for video games or virtual city tours or product views apply. The shoes can have their own motion sensors or sensors for integration into a virtual reality system with the aim of keeping the user's position. Special sensors hold the user's position in the middle of the action area. Additional sensors that are compatible with the Virtual Reality System include higher precision and the representation of the feet in the virtual environment. The electronic control also brings the advantage that
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 different drive speeds from slow to "boost" can be chosen so that the shoe can be used not only in conjunction with virtual reality systems, but also as a roller skate with a
Elektroantrieb. Insbesondere kann dies dazu verwendet werden, dass der Benutzer normal geht, aber sein Gehen (vergleichbar mit einem E-Bike) unterstützt wird. Dies bringt insbesondere im Rehabilitationsbereich Vorteile und kann auch Electric drive. In particular, this can be used to make the user walk normally, but support his walking (comparable to an e-bike). This brings advantages in the rehabilitation area and can also
Benutzer unterstützen, die Muskelschwächen aufweisen. Support users who have muscle weaknesses.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Anwender seinen Schuh tragen kann, wobei an den Schuh das Aktivelement mit Steuerung und Sensoren angeordnet werden kann. A further embodiment provides that the user can wear his shoe, wherein the active element with control and sensors can be arranged on the shoe.
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. Thus, the advantage is that no fixed infrastructure is needed, such as a platform, a shell, or moveable superstructures, etc. The user steps in place while walking and running are naturally felt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen hervor. Further advantageous embodiments will become apparent from the following description, the claims and the drawings.
Zeichnungen drawings
Es zeigen:  Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Virtual Reality Systems mit den Schuhen sowie den mit den Schuhen gekoppelten Aktivelementen;  Figure 1 is a schematic view of the virtual reality system with the shoes and the coupled with the shoes active elements.
Fig. 2 eine schematische Ansicht auf den Schuh zusammen mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Aktivelements; Figure 2 is a schematic view of the shoe together with a first embodiment of an active element.
Fig. 3 eine schematische Ansicht auf den Schuh zusammen mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Aktivelements; Fig. 3 is a schematic view of the shoe together with a second embodiment of an active element;
Fig. 4 eine schematische Ansicht auf den Schuh zusammen mit einer von Fig. 3 dargestellten Anwendung des Ausführungsbeispiels eines Aktivelements; Fig. 4 is a schematic view of the shoe together with an application of the embodiment of an active element shown in Fig. 3;
Fig. 5 eine Darstellung des Bewegungsablaufs gefühlt durch den Benutzer und die Ausführung des Bewegungselements; Fig. 6 eine Darstellung des Regelkreises des Virtual Reality Systems, wobei der Regler an dem Schuh angeordnet ist; Fig. 7 eine Darstellung des Regelkreises des Virtual Reality Systems, wobei der Regler Teil des Virtual Reality Systems ist. Fig. 5 is an illustration of the movement process felt by the user and the execution of the moving member; 6 is an illustration of the control loop of the virtual reality system, wherein the controller is arranged on the shoe; Fig. 7 is a representation of the control loop of the virtual reality system, wherein the controller is part of the virtual reality system.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Description of an embodiment
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Virtual Reality Systems S gezeigt.FIG. 1 shows a schematic view of a virtual reality system S.
Dieses besteht aus einer Virtual-Reality-Brille 2, Sensoren 3, 1 03 die zumindest an der Brille 2 angeordnet sind sowie einer Computereinheit 4 mit darauf This consists of a virtual reality glasses 2, sensors 3, 1 03 which are arranged at least on the glasses 2 and a computer unit 4 with it
gespeicherter Software zur Erzeugung der virtuellen Bilder und zur Berechnung der entsprechenden Positionen, die von einem Positionserfassungssystem 1 stored software for generating the virtual images and for calculating the corresponding positions, which of a position detection system 1
aufgenommen werden. Ferner ist als externe Einheit ein Schuh 5, 1 05 für jedenbe recorded. Further, as an external unit, a shoe 5, 1 05 for each
Fuss des Anwenders vorgesehen. Dieser Schuh 5, 105 ist mit der Computereinheit 4 zumindest indirekt gekoppelt. Der Anwender bewegt sich in einem definierten Bereich, die als Aktionsfläche 6 bezeichnet wird. Der Schuh 1 , 1 05 ist in den nachstehenden Figuren in insgesamt drei verschiedenen Ausgestaltungen aufgezeigt. Provided by the user. This shoe 5, 105 is at least indirectly coupled to the computer unit 4. The user moves in a defined area, which is referred to as action area 6. The shoe 1, 1 05 is shown in the following figures in a total of three different configurations.
In Fig. 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 1 0 umfasst bzw. umgreift den Fuss des Anwenders. An dem Schuhelement 1 0 ist ein Tragstrukturelement 7 angeordnet. Auf der zur Laufsohle 1 1 des Schuhelements 10 hinweisenden Seite ist ein an dem FIG. 2 shows the shoe 5 for the virtual reality system 1. This consists of a shoe element 10, in which the user can slip with his foot. This shoe element 10 encompasses or grasps the foot of the user. On the shoe element 1 0 a support structure element 7 is arranged. On the outsole 1 1 of the shoe element 10 facing side is an on the
Tragstrukturelement 7 angeordnetes Aktivelement 1 2 vorgesehen. Dieses Support structure element 7 arranged active element 1 2 is provided. This
Aktivelement 1 2 dient dazu, den Schuh 5 zusammen mit dem Fuss des Active element 1 2 serves to shoe 5 together with the foot of the
Anwenders entgegen der Laufrichtung (Pfeil 1 3) zu bewegen. Hierfür sind in dem Aktivelement 1 2 durch Aktuatoren antreibbare Rollen 1 4 vorgesehen, die durch das Virtual Reality System S und dessen Computereinheit 4 gesteuert werden. Eine Elektronikeinheit 1 5, die an dem Schuhelement 10 angeordnet ist, umfasst die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Reglereinheiten 1 7. Sensoren 3 sind Teil dieser Reglereinheiten 1 7. User to move in the opposite direction (arrow 1 3). For this purpose, rollers 2 which can be driven by actuators 1 2 are provided in the active element 1 2, which are controlled by the virtual reality system S and its computer unit 4. An electronics unit 1 5, which is arranged on the shoe element 10, comprises The control units 1 shown in FIGS. 4 and 5 7. Sensors 3 are part of these control units 1 7.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Weiterbildung des Schuhs 1 05 gezeigt. Dieser hier dargestellte Schuh 1 05 zeichnet sich dadurch aus, dass dieser ebenfalls mit einem Virtual Reality System 1 , wie es zuvor in Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist, zusammenarbeitet. Der Schuh 1 05 umfasst ein Schuhelement 1 10, das den Fuss umgibt. Ferner ist an dem Schuh 1 05 eine Laufsohle 1 1 1 angeordnet, die bei einer normalen Anwendung eine Lauffläche bildet, im Bereich der Laufsohle 1 1 1 des Schuhs 105 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mindestens ein an einem In Figs. 3 and 4, a development of the shoe 1 05 is shown. This shoe 1 05 shown here is characterized in that it also cooperates with a virtual reality system 1, as has been described above with reference to FIG. 1. The shoe 1 05 includes a shoe element 1 10, which surrounds the foot. Furthermore, an outsole 1 1 1 is arranged on the shoe 1 05, which forms a running surface in a normal application, in the region of the outsole 1 1 1 of the shoe 105 is at least one at one in this embodiment
Tragstrukturelement 1 07 angeordnetes Aktivelement 1 1 2 vorgesehen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zu beiden Längsseiten des Schuhs 1 1 0 jeweils ein Aktivelement 1 1 2 vorgesehen ist. Als Aktivelement 1 1 2 können jeweils grosse Räder vorgesehen sein. Gross bedeutet hier, dass sie vorzugsweise die Höhe des Schuhs 1 1 2 übersteigen.  Support structure element 1 07 arranged active element 1 1 2 provided. A preferred embodiment provides that on both longitudinal sides of the shoe 1 1 0 each an active element 1 1 2 is provided. As an active element 1 1 2 each big wheels can be provided. Gross here means that they preferably exceed the height of the shoe 1 1 2.
Das Aktivelement 1 1 2 ist mit Aktuatoren versehen. Diese sind bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen nicht sichtbar im Bereich des The active element 1 1 2 is provided with actuators. These are not visible in the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in the area of
Tragstrukturelements 1 07 angeordnet. Aktuatoren sind beispielsweise Motoren, die elektrisch angetrieben sind und vorzugsweise einen Inkrementalgeber umfassen. Durch diesen Inkrementalgeber kann exakt die Winkelgrösse und die Winkelgeschwindigkeit eines solchen Aktuators und damit des Aktivelements angegeben werden. Ferner sind Sensoren 103 vorgesehen. In Fig. 4 ist bei der dort dargestellten Ausführung des Schuhs 1 05 zusätzlich noch ein Support structure element 1 07 arranged. Actuators are, for example, motors which are electrically driven and preferably comprise an incremental encoder. By this incremental encoder can be specified exactly the angular size and the angular velocity of such an actuator and thus the active element. Furthermore, sensors 103 are provided. In Fig. 4 is additionally shown in the embodiment of the shoe 1 05 shown there
Positionstracker 1 30 angeordnet. Position tracker 1 30 arranged.
Die Aktuatoren werden über eine Reglereinheit 1 1 7 eine der Laufrichtung 1 1 3 des Benutzers entgegengesetzte ausgelegte Bewegung ausüben, wobei die The actuators will exert on a control unit 1 1 7 one of the running direction 1 1 3 of the user opposite designed movement, the
Regeleinheit 1 1 7 zu mindestens mittelbar mit dem Virtual Reality System gekoppelt ist. Dies bedeutet, dass der Benutzer durch seine Schritte dem Virtual Reality System 1 indirekt vermittelt, dass er läuft. Dadurch bewegt sich die Szenerie in der virtuellen Welt. Gleichzeitig wird aber der Benutzer mit jedem Schritt, den er in eine definierte Laufrichtung unternimmt, durch das Aktivelement und die damit verbundene Regeleinheit zurück in die Ausgangssituation überführt. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jedem Schritt. Der Antrieb der Aktuatoren wird so angesteuert, dass der Anwender immer innerhalb der Aktionsfläche 6 bleibt. Die Aktionsfläche 6 ist nicht durch ein physikalisches Gerät bestimmt. Es steckt vielmehr nur räumlich ab, in welchem Bereich sich der Benutzer bewegt. Um ein natürliches Geh- und Laufgefühl zu erhalten, wird jeder Control unit 1 1 7 is coupled to at least indirectly with the virtual reality system. This means that the user through his steps indirectly tells Virtual Reality System 1 that it is running. This moves the scenery in the virtual world. At the same time, however, the user with each Step, which he undertakes in a defined direction, transferred by the active element and the associated control unit back to the initial situation. This process is repeated with each step. The drive of the actuators is controlled so that the user always remains within the action area 6. The action area 6 is not determined by a physical device. Rather, it is only spatially in which area the user moves. Everyone gets a natural walking and running feeling
Geschwindigkeitsübergang langsam kompensiert, wie in der Fig. 7 gezeigt. Das s (Weg) - t (Zeit) Diagramm zeigt beispielhaft den Beginn einer Gehbewegung aus dem Stand (Linie 1 8) . 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 1 9) langsam beschleunigt, bis die gefühlte und gegangene bzw. gelaufene  Speed transition slowly compensated, as shown in Fig. 7. The s (distance) - t (time) diagram shows an example of the beginning of a walking movement from a standing position (line 1 8). First, of course, the actual motion starts by keeping the actuators at the previous speed (zero here). But so that the action area 6 is not left, the actuators (line 1 9) slowly accelerated until the felt and gone or run
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 dieForward movement is fully compensated. The second diagram shows the velocities (V) over time. It can be seen that the user goes at a constant speed (line 20), whereas the actuators accelerate in the opposite direction (line 21). The line 22 represents the
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. Addition of the two speeds (line 20 and line 21). It can be seen that the user initially moves slightly in the direction of walking, but is moved by the active element directly in the opposite direction, so that its absolute speed with respect to the action surface. 6 is almost zero.
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. Die Reglereinheit 1 7 muss Kenntnis von Position und Richtung der Schuhe 5, 1 05 haben, um im Zusammenwirken mit dem Virtual Reality System S die If it is necessary to reposition the person perpendicularly to the running direction, or should an unnoticed change in direction be brought about (for example for unraveling cables), then the left and right rollers are driven at slightly different speeds until the desired direction and position has been reached. The controller unit 1 7 must have knowledge of the position and direction of the shoes 5, 1 05, in cooperation with the virtual reality system S the
Geschwindigkeit V der Aktuatoren geeignet steuern zu können. Dies wird durch die Verwendung von Positionstrackern 30; 1 30 sowie Geschwindigkeitssensoren 31 ; 1 31 und Neigungssensoren 32; 1 32 (Fig. 6). Diese Daten werden dann an die Software 1 33 des Virtual Reality Systems S übergeben. Diese wiederum übergibt an einen Regler 1 34 die notwendigen Daten, damit das Aktivelement 1 2, 1 1 2 über einen weiteren Regler 1 35 und einen Antrieb 1 36 aktiviert werden kann und so in Drehung versetzt werden kann. Eine Stromversorgung 1 37 stellt die Speed V of the actuators to control suitable. This is done by using position trackers 30; 1 30 and speed sensors 31; 1 31 and tilt sensors 32; 1 32 (FIG. 6). These data are then transferred to the software 1 33 of the Virtual Reality System S. This in turn passes to a controller 1 34 the necessary data so that the active element 1 2, 1 1 2 can be activated via a further controller 1 35 and a drive 1 36 and so can be set in rotation. A power supply 1 37 represents the
entsprechende Energie für Sensoren, Regler und auch Antrieb bereit. appropriate energy for sensors, controllers and also drive ready.
Alternative Ausbildungen können auch derart gestaltet sein, dass diese nicht für ein Virtual Reality System S, sondern für andere Anwendungen, beispielsweise aus dem Rehabilitationsbereich, geeignet sind. Hierzu wird entsprechend eine angepasste Software 1 33 eingesetzt. Alternative designs may also be designed such that they are not suitable for a virtual reality system S, but for other applications, for example from the field of rehabilitation. For this purpose, an adapted software 1 33 is used accordingly.
Ob die Reglereinheit 1 7, 1 1 7 an dem Schuh 5, 1 05 angeordnet werden kann (Fig. 6) oder Teil der Computereinheit 4 (Fig. 7) ist, hängt von der Art des Whether the control unit 1 7, 1 1 7 on the shoe 5, 1 05 can be arranged (Fig. 6) or part of the computer unit 4 (Fig. 7), depends on the nature of
Sensorverfahrens ab. Bei Verfahren, bei denen die Sensoren die absolute Lage und Richtung des Schuhs selbst erfassen können, kann die Reglereinheit an dem Schuh 5 untergebracht werden. Die Sensordaten werden an das Virtual Reality System S übermittelt, das seinerseits korrigierende Eingriffe in den Regelkreis vornimmt, wie z.B. die oben erwähnten Positions- oder Richtungskorrekturen. Ermittelt das Virtual Reality System Lage und Richtung der Schuhe aus den Daten des Positionserfassungssystems 1 , ist die Reglereinheit Teil der Computereinheit 4 (Fig. 7). Sensor method from. In methods in which the sensors can detect the absolute position and direction of the shoe itself, the control unit can be accommodated on the shoe 5. The sensor data is transmitted to the Virtual Reality System S, which in turn makes corrective interventions in the control loop, e.g. the above-mentioned positional or directional corrections. If the virtual reality system determines the position and direction of the shoes from the data of the position detection system 1, the control unit is part of the computer unit 4 (FIG. 7).
Alternativ ist auch vorgesehen, dass die Regler vollständig unabhängig von dem Virtual Reality System S arbeiten. Der Schuh ist derart ausgerüstet, dass diese selbständig die Position übermittelt. Tatsächlich werden dann nur noch System relevante Daten, wie beispielsweise Richtung und Geschwindigkeit an das Virtual Reality System übermittelt. Alternatively, it is also provided that the controllers work completely independently of the virtual reality system S. The shoe is equipped so that it independently transmits the position. In fact, then only system relevant data such as direction and speed are transmitted to the virtual reality system.
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. Zudem ist ein„Not-aus" vorgesehen, der beispielsweise an einem Gürtel des Benutzers befestigt werden kann. Dadurch wird nicht nur der Schuh stromlos, sondern es können auch Bremsen aktiviert werden, vorzugsweise mechanisch. The overall system requires hardware and software fail-safe devices to prevent, for example, breaking the "hard" boundaries of the action surface (walls, furniture), to mitigate a fall, or a safety shutdown in the event of a software crash. In addition, an "emergency stop" is provided which can be fastened, for example, to a belt of the user, which not only shuts off the shoe, but also activates brakes, preferably mechanically.
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. It is possible that a safety line mounted on the ceiling, which can also take over the cable routing, is advantageous. With sufficient torque and sufficient bandwidth of the actuators, under certain limits, substrates can be simulated. At the edge of the action area steps and slopes could be set up, which convey the feeling of climbing, climbing stairs or walking on inclines.
Die Energieversorgung und Datenübertragung kann kabelgebunden ausgeführt werden. Alternativ kann die Datenübertragung drahtlos sein und die The power supply and data transmission can be carried out by cable. Alternatively, the data transmission can be wireless and the
Energieversorgung für Antrieb und Steuerelektronik durch Batterien oder  Power supply for drive and control electronics by batteries or
Akkumulatoren erfolgen. Accumulators take place.
Weil beim Gehen und Laufen Nettoenergie gewonnen werden kann, könnte diese Energie für den Antrieb genutzt werden, sodass unbegrenzter Betrieb ohneBecause net energy can be gained while walking and running, this energy could be used for propulsion, allowing unlimited operation without
Nachladen ermöglicht wird. In dieser Anordnung können die Energiespeicher sehr klein ausfallen, weil nur kurze Spitzen abgefangen werden müssen (beispielsweise Beschleunigen, Abbremsen). Eine Weiterbildung kann auch vorsehen, dass auch die Computereinheit und damit die Regeleinheit im Bereich des Benutzers liegt. Dies bedeutet, dass die Reloading is possible. In this arrangement, the energy storage can be very small, because only short peaks must be intercepted (for example, acceleration, deceleration). A development can also provide that the computer unit and thus the control unit is in the range of the user. This means that the
Regeleinheit vollständig unabhängig vom übrigen System arbeitet. B EZ U G S Z E I C H E N L I ST E Control unit completely independent of the rest of the system works. B EZ UGSZEICHENLI ST E
Schuh, insbesondere zur Verwendung für ein Virtual Reality System zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung Shoe, in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without significant change of location
5 Virtual Reality System 5 Virtual Reality System
1 Positionserfassungssystem  1 position detection system
2 Virtual Reality Brille 2 virtual reality glasses
3 Sensoren  3 sensors
4 Computereinheit  4 computer unit
5; 105 Schuh 5; 105 shoe
6 Aktionsfläche  6 action area
7; 107 Tragstrukturelement 7; 107 supporting structure element
8  8th
9  9
10;110 Schuhelement  10; 110 shoe element
11;111 Laufsohle  11; 111 outsole
12;112 Aktivelement  12; 112 active element
13;113 Laufrichtung  13; 113 running direction
14 Rollen  14 roles
15 Elektronikeinheit  15 electronics unit
16  16
17;117 Reglereinheiten  17; 117 regulator units
18  18
19  19
20 Linie  20 line
21 Linie  21 line
22 Linie ; 1 30 Positionstracker22 line ; 1 30 position tracker
; 1 31 Geschwindigkeitssensoren; 1 32 Neigungssensoren3 Software; 1 31 speed sensors; 1 32 inclination sensors3 software
4 Regler4 controllers
5 weiterer Regler5 additional controllers
6 Antrieb6 drive
7 Stromversorgung 7 power supply

Claims

AN S PR Ü C H E
Schuh mit einem Schuhelement und einer Laufsohle, insbesondere zur Verwendung für ein Virtual Reality System zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung eines Benutzers des Schuhs, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die derart aufgebaut ist, dass der Schuh mit dem Benutzer ohne Aktion des Benutzers zu einem definierten Ort zurückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Laufsohle (11; 111) des Schuhs (5; 105) mindestens ein an einem Tragstrukturelement (7;107) angeordnetes Aktivelement (12;112) vorgesehen, das Aktivelement (12;112) Aktuatoren vorsieht und diese über eine Reglereinheit (17;117) eine der Laufrichtung ( 13; 113) des Benutzers entgegengesetzte ausgelegte Bewegung ausüben, wobei die Regeleinheit (17;117) zu mindestens mittelbar mit dem Virtual Reality System gekoppelt ist. Shoe having a shoe element and an outsole, in particular for use in a virtual reality system for simulating walk and run activity without substantial change of position of a user of the shoe, wherein a device is provided, which is constructed so that the shoe with the user without action at least one active element (12, 112) arranged on a support structure element (7, 107) provides the active element in the region of the outsole (11, 111) of the shoe (5, 105) (12; 112) actuators and this exercise over a control unit (17; 117) one of the running direction (13; 113) of the user opposite designed movement, wherein the control unit (17; 117) is coupled to at least indirectly with the virtual reality system ,
Schuh nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (17;117) die Geschwindigkeit des Aktivelements (12;112) derart regelt, dass diese zumindest ungefähr der Geschwindigkeit der Bewegung entspricht, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Shoe according to claim 1, characterized in that the control unit (17; 117) controls the speed of the active element (12; 112) such that it corresponds at least approximately to the speed of the movement, but in the opposite direction.
Schuh nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Shoe according to claim 1 or 2, characterized in that the
Aktivelemente (12) Rollen sind.  Active elements (12) are rollers.
Schuh nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollen einen Freiheitsgrad aufweisen. Shoe according to claim 3, characterized in that the rollers have a degree of freedom.
Schuh nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivelement (112) jeweils ein seitlich an dem Schuh über die Laufsohle des Schuhs hinausragendes Rad aufweist. Shoe according to one of claims 1 or 2, characterized in that the active element (112) in each case has a laterally projecting on the shoe over the outsole of the shoe wheel.
6. Schuh nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen6. Shoe according to claim 5, characterized in that the respective
Aktivelemente ( 1 1 2) eines Schuhs unabhängig voneinander regelbar sind. Active elements (1 1 2) of a shoe are independently controllable.
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