BeschreibungDescription
Vorrichtung zur physischen Simulation virtueller Räume.Device for the physical simulation of virtual spaces.
Zum Besuchen von virtuellen hielten sind verschiedene Laufmaschinen Stand der Techniki z- B- eine Laufmaschine-i
bestehend aus gleitenden Schuheni die jedoch keine Übertragung eines Drehmoments um die vertikale Achse
auf einen Fuß erlaubt-i und auch nur eine Laufbewegung
in der Ebene ermöglicht. Eine andere Laufmaschine vom Stand der Technik verfährt Fußplattformen in kartesischen
Koordinaten Über gerade Stangen von außen- Hier kann es aber zur Kollision zwischen einer Fußplattform
und einer Verfahrstange kommen-Various walking machines are state of the art for visiting virtual stops, e.g. a walking machine consisting of sliding shoes which, however, does not allow a torque to be transferred around the vertical axis to a foot and only allows a walking movement in the plane. Another state of the art walking machine moves foot platforms in Cartesian coordinates via straight rods from the outside. However, this can lead to a collision between a foot platform and a travel rod.
Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz dazui zusätzlich
zur horizontalen Lauf bewegung-« eine Laufbewegung mit vertikaler Komponente und gleichzeitig einen kollisionsfreien
Betrieb-Die
Laufmaschine (Figur Nr. 1) besitzt zwei Fußplattformen (FIiFS) &igr; auf die jeweils ein Fuß zur Fortbewegung
gesetzt wird- Die Neuheit der Erfindung (Figur Nr-EiM)
besteht darin-i daß die beiden Fußplattformen
(FIiFS) mittels eines Gestänges
(STl-)STSiST3-,STl4-iSTSiSTti) in Zylinderkoordinaten angesteuert
werden. Es wird die Annahme gemacht-i daß der Körperschwerpunkt stets zwischen den beiden FUßen
liegt. Ferner soll der Körperschwerpunkt während dem Laufvorgang immer an der gleichen Position bleiben- Dadurch
wird implizierti daß die Fußplattformen (FIiFS)
punktsymmetrisch liegen mUssen und zwar mit ihrem Zentrum (Z) unter dem Schwerpunkt der Person- Dadurch haben
die beiden Fußplattformen (FIiFS) in der Ebene nur
noch 5 Freiheitsgrade fUr die Ansteuerung anstatt H-Der
Benutzer steht zu Anfang mit beiden FUßen auf den Fußplattformen. Hebt er z- B. einen Fuß von der einen
Fußplattform (Fl)und bewegt ihn nach vornei so folgtIn contrast, the invention enables a running movement with a vertical component in addition to the horizontal running movement and at the same time a collision-free operation.
Walking machine (Figure No. 1) has two foot platforms (FIiFS) &igr; on each of which a foot is placed for locomotion. The novelty of the invention (Figure No. EiM) consists in the fact that the two foot platforms (FIiFS) are connected by means of a rod
(STl-)STSiST3-,ST l 4-iSTSiSTti) are controlled in cylindrical coordinates. It is assumed that the body's center of gravity is always between the two feet. Furthermore, the body's center of gravity should always remain in the same position during the walking process. This implies that the foot platforms (FIiFS) must be point-symmetrical, with their center (Z) under the person's center of gravity. This means that the two foot platforms (FIiFS) only have 5 degrees of freedom for control in the plane instead of H. The user initially stands with both feet on the foot platforms. If he lifts one foot from one foot platform (Fl) and moves it forward, the following follows:
die Fußplattform (Fl) dem Fuß sensorgesteuert soi daß
sie sich laufend unter ihm befindet. Durch die Punktsymmetrie der Beiden Fußplattformen (FIiFE) bewegt sich
die andere Fußplattform (FH) automatisch in entgegengesetzter Richtung und bewegt damit den zweiten Fuß zurUck
und zwar soi daß der Körperschwerpunkt immer in
der Mitte bleibt. Eine Möglichkeit! die Zylinderkoordinaten zu realisieren ist die Verwendung eines Gestänges
(STliSTEiSTSiSTHiSTSiSTb) der Form eines Storchschnabels
(SS) (Figur Nr. E). Die beiden Fußplattformen
(FItFH) werden dabei an die Stangen (5&Tgr;&Mgr;&igr;5&Tgr;3) befestigt.
Die beiden Freiheitsgrade des Storchschnabels (SS) werden durch die beiden Wellen (UIiUH) angesprochen.
DafUr ist die eine Welle (Ul) an der einen inneren Stange (STDi die andere Welle (WH) an der anderen
inneren Stange (STH) im Zentrum (Z) befestigt- Durch Drehen an den beiden Wellen (WIiUH) können somit die
beiden Fußplattformen (FIiFH) Über den Storchschnabel
(SS) in Zylinderkoordinaten in der Ebene angesteuert werden. Um zu vermeiden! daß bei einer Fehlfunktion
zwischen die Stangen <STliSTHiST3iSTMiST5iSTb) getreten
werden kanni ist ein Schutzmechanismus sinnvoll (Figur Nr- 3). Dieser sieht folgendermaßen aus. Fest mit der
einen inneren Stange (STl) sind zwei Scheiben (SBIiSBH)
verbunden- Die eine Scheibe (SBH) hat die Form eines 1S"1. Die andere Scheibe (SBl) ist eine Kreisscheibei
bei der genau die Form des 1S1 der einen Scheibe (SBH)
fehlt- Die beiden Scheiben (SBl1 SBH) haben stets die
gleiche Lage zueinander- Dabei liegt die kreisförmige Scheibe (SBl) oberhalb der S-förmigen Scheibe (SBH)-Durch
die feste Verbindung der beiden Scheiben (SBIiSBH) mit der einen inneren Stange (STl) bewegen
sich die beiden Fußplattformen (FliFH)i wenn die Länge
der Stangen (STliSTHiST3iST<4iST5iSTb) gleich dem mittleren
Radius der Teilkreise der S-Form isti entlang der S-förmigen Scheibe (SBH). Die kreisförmige Scheibethe foot platform (Fl) is sensor-controlled so that it is always located under the foot. Due to the point symmetry of the two foot platforms (FIiFE), the other foot platform (FH) moves automatically in the opposite direction and thus moves the second foot back so that the body's center of gravity always remains in the middle. One way to realize the cylinder coordinates is to use a rod (STliSTEiSTSiSTHiSTSiSTb) in the shape of a stork's beak (SS) (Figure No. E). The two foot platforms (FItFH) are attached to the rods (5&Tgr;&Mgr;&igr;5&Tgr;3). The two degrees of freedom of the stork's beak (SS) are addressed by the two shafts (UIiUH). For this purpose, one shaft (Ul) is attached to one inner rod (STDi) and the other shaft (WH) is attached to the other inner rod (STH) in the center (Z). By turning the two shafts (WIiUH), the two foot platforms (FIiFH) can be controlled in the plane via the stork's beak (SS) in cylindrical coordinates. In order to avoid stepping between the rods (STliSTHiST3iSTMiST5iSTb) in the event of a malfunction, a protective mechanism is useful (Figure No. 3). This looks like this. Two disks (SBIiSBH) are firmly connected to one inner rod (STl) - One disk (SBH) has the shape of an 1 S" 1 . The other disk (SBl) is a circular diski which lacks exactly the shape of the 1 S 1 of one disk (SBH) - The two disks (SBl 1 SBH) always have the same position relative to each other - The circular disk (SBl) is above the S-shaped disk (SBH) - Due to the firm connection of the two disks (SBIiSBH) with the one inner rod (STl), the two foot platforms (FliFH)i move when the length of the rods (STliSTHiST3iST<4iST5iSTb) is equal to the average radius of the partial circles of the S-shapei along the S-shaped disk (SBH). The circular disk
(SBl) liegt auf den Fußplattformen (FliFS)i die S-fb'rmige
Scheibe (SBS) geht durch einen horizontalen Schlitz in den Fußplattformen (FItFS). Dadurch wird der
komplette Storchschnabel (SS) durch die Scheiben (SBInSBS) abgedeckt. Da die beiden Scheiben (SBIiSBS)
in diesem Fall eine relativ komplizierte Form habeni
ist eine weitere Variante der Laufmaschine in Zylinderkoordinaten sinnvoll (Figur Nr- M). Die beiden Freiheitsgrade
der Fußplattformen (FItFS) in der Ebene werden
durch eine Schiene (SN) und ein Gestänge (STSiSTSiSTh) angesteuert. Die Fußplattformen (FIiFS)
gleiten auf Linearlagern (L) in Radialrichtung entlang der Schiene (SN). Die Schiene ist drehbar um die Vertikalachse
im Zentrum (Z) der Laufmaschine gelagert und bestimmt den Winkel &phgr; der Fußplattformen (FIiFE). Die
Radialkoordinate der Fußplattformen (FIiFS) wird Über
die Stangen (STSiSTSiSTb) gesteuert. Die 'äußeren Stangen
(STSiSTb) wandeln die Drehung der inneren Stange (STS) in die Linearbewegung um. Die inneren Stangen
werden genauso wie bei dem Storchschnabel (SS) Über zwei Wellen (WlitilS) im Zentrum angetrieben- Der Vorteil
dieser Anordnung liegt darini daß die Stangen (STSiSTSiSTLiSN) leichter abgedeckt werden können
(Figur Nr- S). Das Prinzip hierfUr ist das gleiche wie
bei der Abdeckung des Storchschnabels (SS). Der wesentliche Unterschied besteht darini daß die eine Scheibe
(SBS) keine S-Form hati sondern gerade ist· Die andere
Scheibe (SBl) ist entsprechend eine Kreisscheibe mit der geraden Aussparung von der Form der einen Scheibe
(SBS). Beide Scheiben (SBIiSBS) zur Abdeckung des Gestänges sind fest mit der Schiene (SN) verbunden· Die
Kreisscheibe (SBl) befindet sich oberhalb der geraden Scheibe (SBS). Beide Scheiben (SBIiSBS) sind Über den
Stangen (STSiSTSiSTbiSN)&igr; so daß diese ganz abgedeckt
sind- Die kreisförmige Scheibe (SBl) liegt oberhalb der
Fußplattformen (FliFS)i die gerade Scheibe (SBS)i die(SBl) lies on the foot platforms (FliFS)i the S-shaped
disk (SBS) goes through a horizontal slot in the foot platforms (FItFS). As a result, the
complete stork's beak (SS) is covered by the disks (SBInSBS). Since the two disks (SBIiSBS)
in this case have a relatively complicated shapei
another variant of the walking machine in cylindrical coordinates is useful (Figure No. M). The two degrees of freedom
of the foot platforms (FItFS) in the plane are
controlled by a rail (SN) and a rod (STSiSTSiSTh). The foot platforms (FIiFS)
slide on linear bearings (L) in the radial direction along the rail (SN). The rail is rotatable about the vertical axis
in the center (Z) of the walking machine and determines the angle φ of the foot platforms (FIiFE). The radial coordinate of the foot platforms (FIiFS) is controlled via the rods (STSiSTSiSTb). The outer rods (STSiSTb) convert the rotation of the inner rod (STS) into linear movement. The inner rods are driven via two shafts (WlitilS) in the center, just like the stork's beak (SS). The advantage of this arrangement is that the rods (STSiSTSiSTLiSN) can be covered more easily (Figure No. S). The principle for this is the same as for the cover of the stork's beak (SS). The main difference is that one disc (SBS) does not have an S shape but is straight. The other disc (SBl) is a circular disc with the straight recess of the same shape as the one disc (SBS). Both discs (SBIiSBS) for covering the rods are firmly connected to the rail (SN). The
circular disc (SBl) is located above the straight disc (SBS). Both discs (SBIiSBS) are above the
rods (STSiSTSiSTbiSN)&igr; so that they are completely covered.
The circular disc (SBl) is above the
foot platforms (FliFS)i the straight disc (SBS)i the
in diesem Pall zugleich die Schiene (SN) darstellen kanrii verläuft durch einen horizontalen Schlitz in den
Fußplattformen. Um die Gewichtskreif t der Person aufzunehmen!
sind an den Fußplattformen (FIiFS) Laufrollen
(LR) angebracht! die auf einem ebenen Boden (BO) fahrenDie
Meilen (lilliliJE) zur Steuerung der Fußplattfoi—
men (FIiFS) gehen durch den Boden (BO) hindurch nach
unten und werden dort von zwei Motoren Cill &tgr;MS) Über
Keilriemen angetrieben· Die Motoren (MIiMS) liegen einander
gegenliberi damit die Kräfte an den Uellen (üJlililS)
ausgeglichen sind. Die Motoren sind neben dem Boden (BO) plaziert und zeigen mit ihren Antriebswellen nach
unteni damit die Gesamthöhe der Laufmaschine niedrig bleibt- Um die vertikale Bewegung der Fußplattformen
(FItFS) in z-Richtung zu realisieren! wird auf den
Plattformen! die die ebene Bewegung ausflihreni eine
Hubvorrichtung aufgebaut (Figur Nr- tu?). Die Hubvorrichtung wird so gesteuerti daß die mittlere Höhe beider
Fußplattformen (FIiFS) konstant isti damit der Kb'rperschwerpunkt
der Person an einer Stelle bleibt- Die Hubvorrichtung kann z- B- aus Hydraulikzylindern (HZ)
bestehen (Figur Nr- t). Dies sind in der Regel bi um
die b Freiheitsgrade der Fußplattformen (FIiFS) zu bestimmen.
Dabei sind 3 Freiheitsgrade durch die Hydraulikzylinder festgehalteni 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 habeni verlaufen sie
entlang der Stangen (STBiST^STl bzw- STSiSTbiSTS) beim
Storchschnabelgestänge (SS) bzw- der Stangen (STSiSTbiSTS) bei der linear geführten Version bis zu
den Steuerventilen (SV) im Zentrum (Z) der Laufmaschine-Diese befinden sich Über den Uellen (üJliUS)i damit
ihr Trägheitsmoment möglichst gering ist. Von dort ausin this case the rail (SN) can also be used as a guide and runs through a horizontal slot in the foot platforms. To accommodate the weight of the person, rollers (LR) are attached to the foot platforms (FIiFS) which run on a flat floor (BO). The rollers (LR) for controlling the foot platforms (FIiFS) go down through the floor (BO) and are driven by two motors (MIiMS) via V-belts. The motors (MIiMS) are positioned opposite one another so that the forces on the rollers (üJlililS) are balanced. The motors are placed next to the floor (BO) and point downwards with their drive shafts so that the overall height of the walking machine remains low. In order to realize the vertical movement of the foot platforms (FItFS) in the z-direction, rollers (LR) are attached to the platforms. A lifting device is set up for the two feet that carry out the flat movement (Figure No. t1). The lifting device is controlled in such a way that the average height of both foot platforms (FIiFS) is constant so that the person's center of gravity remains in one place. The lifting device can, for example, consist of hydraulic cylinders (HZ) (Figure No. t). These are usually used to determine the b degrees of freedom of the foot platforms (FIiFS). Three degrees of freedom are held in place by the hydraulic cylinders, namely the movement in the plane and the rotation around the vertical axis. The height and the rotations around the horizontal axes are
controlled via the hydraulic cylinders (HZ) - so that the
hydraulic lines (HL) can be attached to the cylinders and have a fixed length, they run
along the rods (STBiST^STl or STSiSTbiSTS) in the
stork's beak rod (SS) or the rods (STSiSTbiSTS) in the linear guided version to the
control valves (SV) in the center (Z) of the running machine - these are located above the valves (üJliUS) so that
their moment of inertia is as low as possible. From there
verläuft die Hydraulikleitung (HL) durch die Wellen (lilliWS) hindurch unter den Boden (BO). Die Drehung der
Fußplattformen (FIiFS) um ihre vertikale Achse kann
Über einen Elektromotor (M3) erfolgeni der unter den
Fußplattformen (FIiFE) befestigt ist. Alternativ zu dem
Hubmechanismus mit Hydraulikzylindern (HZ) kann ein Hubmechanismus aus je einem Hebel (HE) pro Fußplattform
(FItFS) und SeilzUgen (SE) aufgebaut werden (Figur Nr.
7). Ein Seilzug (SEI) kann durch Zug mit Hilfe des Hebels
(HE) die Plattform vertikal steuern- Die Steuerung der horizontalen Achsen der Fußplattformen (FIiFE) erfolgt
Über M weitere SeilzUge (SEaISE1Oi die seitlich
an den Fußplattformen befestigt sind. Die Drehung um
die vertikale Achse erfolgt Über den einen Seilzug SESi
der die Fußplattform (FIiFS) umschlingt. Die SeilzUge
(SE) verlaufen zu der Plattformi die auf den Laufrollen
(LR) gelagert ist- Von dort aus verlaufen siei genauso
wie die Hydraulikleitungen (HL) der Hydraulikzylinder (HZ) entlang der Stangen (ST3iST4iSTl bzw. STSiSTLiSTS)
beim Storchschnabelgestänge (SS) bzw- der Stangen (STSiSTbiST5) bei der linear geführten Version zum Zentrum
(Z) der Laufmaschine und von dort aus durch die ülellen (üJliUS) hindurch unter den Boden (BO). FUr die
Regelung der Laufmaschine bedarf es mehrerer Sender und Sensoren. An den FUßen befinden sich Senderi an den
Fußplattformen (FIiFS) befinden sich Empfänger- Das ist
natürlich auch anders herum möglich· Durch sie wird nach dem Stand der Technik analog oder digital der Abstandsvektor
zwischen FUßen und Fußplattformen (FIiFS)
berechnet. Ein Digitalrechner berechnet Über die Geometrie und die momentane Lage der Laufmaschine die Sollgeschwindigkeit
der Motoren und steuert diese an. Weiterhin befinden sich Sender an den Fußplattformen
(FIiFS) und Empfänger stationär außerhalb der Laufmaschine
(oder umgekehrt)! um die absolute Lage der Fußplattformen korrigieren zu können. Aus den Signalen derthe hydraulic line (HL) runs through the shafts (lilliWS) under the floor (BO). The rotation of the foot platforms (FIiFS) around their vertical axis can be carried out by an electric motor (M3) which is attached under the foot platforms (FIiFE). As an alternative to the lifting mechanism with hydraulic cylinders (HZ), a lifting mechanism can be constructed from one lever (HE) per foot platform (FItFS) and cables (SE) (Figure No. 7). A cable pull (SEI) can control the platform vertically by pulling with the lever (HE). The horizontal axes of the foot platforms (FIiFE) are controlled by M additional cable pulls (SEaISE 1 Oi which are attached to the side of the foot platforms. The rotation around the vertical axis is carried out by the one cable pull SESi which wraps around the foot platform (FIiFS). The cable pulls (SE) run to the platformi which is mounted on the rollers (LR). From there they run, just like the hydraulic lines (HL) of the hydraulic cylinders (HZ), along the rods (ST3iST4iSTl or STSiSTLiSTS) in the stork's beak rod (SS) or the rods (STSiSTbiST5) in the linearly guided version to the center (Z) of the walking machine and from there through the sleeves (üJliUS) under the floor (BO). Several transmitters and sensors are required to control the walking machine. On the FEET There are transmitters on the foot platforms (FIiFS) There are receivers - This is of course also possible the other way round. Using the state of the art, the distance vector between the feet and the foot platforms (FIiFS) is calculated analogue or digitally. A digital computer calculates the target speed of the motors based on the geometry and the current position of the walking machine and controls them. There are also transmitters on the foot platforms (FIiFS) and receivers stationary outside the walking machine (or vice versa)! in order to be able to correct the absolute position of the foot platforms. From the signals of the
Empfänger werden genauso wie fUr die FUße die Abstandsvektoren
ausgerechnet und mit der Sollage der Fußplattformen verglichen! um sie gegebenenfalls zu korrigierenDie
Sender können Leuchtdiodeni die Empfänger optische Sensoren oder die Sender Ulitraschallsender und
die Empfänger Ulitraschallempfänger sein- Damit die
Person durch zu große Schritte nicht von der Laufmaschine runter laufen kanni ist rundherum eine Wand (UA)
angebracht an der die FUße gegebenenfalls anstoßen. Um
die Laufmaschine herum ist ein Rahmen (RA) aufgebaute an dem sich ein Geländer (GE) befindet! damit man sich
festhalten kann und nicht so leicht von der Laufmaschine runter fällt. Ebenfalls am Rahmen (RA) hängt ein
Gurt (GU) zum Anschnallen! der vermeiden soIIt daß man
hinfällt- Die Fußplattformen (FIiFS) sind außenrum mit
Schaumstoff gepolstert! damit eine zweite Personi die
sich unvorhergesehen auf dem Boden (BO) befindet nicht verletzt wird-The distance vectors are calculated for the receivers in the same way as for the feet and compared with the target position of the foot platforms in order to correct them if necessary. The transmitters can be LEDs, the receivers can be optical sensors or the transmitters can be ultrasonic transmitters and the receivers can be ultrasonic receivers. To prevent the person from running off the treadmill by taking too long steps, a wall (UA) is installed all around, which the feet can hit. A frame (RA) is built around the treadmill, with a railing (GE) so that you can hold on and not fall off the treadmill so easily. A belt (GU) is also attached to the frame (RA) to fasten it, which is intended to prevent you from falling. The foot platforms (FIiFS) are padded with foam on the outside so that a second person who is unexpectedly on the floor (BO) is not injured.