DE69621844T2

DE69621844T2 - Omnidirektionale laufbandeinrichtung

Info

Publication number: DE69621844T2
Application number: DE69621844T
Authority: DE
Inventors: David E E Carmein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-08-28
Also published as: EP0948377B1; DE69621844D1; CA2263592A1; EP0948377A1; EP0948377A4; AU6908896A; AU733717B2; JP2000516829A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung liegt im Gebiet einer Rehabilitations-, Simulations-, Trainings-, Übungsausrüstung für den Menschen und im allgemeinen von Verfahren, die dem Benutzer der Ausrüstung ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen, zu laufen oder zu krabbeln, und die Verwendung einer taktilen Wahrnehmung ermöglichen, um den Grad des Eintauchens eines Benutzers in die simulierte Umgebung zu erhöhen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine virtuelle Realität (VR) verwendet typischerweise eine computererzeugte Stimulation des menschlichen Bewußtseins, um natürlich vorkommende Eingangssignale wie z. B. Sicht und Ton zu simulieren. Zusätzliche Sinne, die stimuliert werden können, umfassen Orientierung, Gleichgewicht und Berührungs- und Kraft- (taktile) Rückkopplung. Eine vollständige Eintauch-VR-Erfahrung könnte einen Benutzer gleichzeitig mit Sicht, Ton, Berührung und Bewegung stimulieren.
Eine Hauptbegrenzung in der VR des Standes der Technik ist die Unfähigkeit, einfaches Gehen und Laufen zu ermöglichen. Eine Navigation wird typischerweise als körperloses Bewußtseinszentrum erlebt, das durch Zeigen, andere Gestik oder durch Bedienung eines Steuerhebels, einer Rollkugel, einer Maus oder einer ähnlichen Vorrichtung gelenkt wird. Die tatsächliche physische Empfindung des Gehens ist auf eine von zwei Formen begrenzt: a) Der Benutzer ist auf eine begrenzte und unbewegliche Oberfläche eingeschränkt, auf der die Verfolgung und Signalerzeugung gut gesteuert sind, und b) der Benutzer ist auf eine Vorrichtung wie z. B. ein geradliniges Laufband oder einen Rollstuhl begrenzt, das/der die geradlinige Bewegung des Benutzers vom realen Raum in einen virtuellen Raum umwandelt. Das herkömmliche geradlinige Laufband weist eine bewegliche Bahn auf, die gegebenenfalls nach oben geneigt sein kann. Die Bahn ist nur in einer Richtung beweglich, was die Bewegung des Benutzers auf die Richtung der Bewegung der Bahn einschränkt. Ein Monitor wie z. B. eine elektrische Motivationsanzeige, die der Bahn zugeordnet ist, zeichnet die Zeit, Geschwindigkeit und die vom Benutzer zurückgelegte Strecke auf.
Die Verwendung eines geradlinigen Laufbandes in einer virtuellen Umgebung besteht aus einer sich kontinuierlich bewegenden Bahn und ermöglicht in Verbindung mit einem externen Monitor oder einer am Kopf montierten Anzeige einem Benutzer, in einer geraden Linie zu gehen. Der Benutzer kann nicht in willkürliche Richtungen gehen, wie er es im echten Leben könnte. Diese Begrenzung in der Navigation beeinträchtigt die vertiefte Art der Erfahrung und erfordert, daß die Erfahrung eher eine Fahrzeugart als jene eines frei gehenden und navigierenden Körpers annimmt. WO 9734663 offenbart ein Laufband für alle Richtungen, das einem Benutzer ermöglicht, in willkürliche Richtungen zu gehen. Das Laufband besteht aus einem Satz von Bändern in einer geschlossenen Schleife, die eine Bewegung in einer Querrichtung vorsehen. Die gleichzeitige Drehung des Satzes von Bändern in einer geschlossenen Schleife sieht eine Bewegung in einer Längsrichtung vor. Unter Verwendung der zwei Bewegungskomponenten kann sich das Laufband in einer beliebigen Richtung bewegen. Die Rückkopplung vom Benutzer kann verwendet werden, um das Laufband in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen, um den Benutzer an derselben Stelle auf dem Laufband zu halten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die hierin beschriebene Erfindung ist insofern sehr ähnlich zu einem geradlinigen Laufband, als der Benutzer in einer aufrechten Weise gehen oder laufen kann. Der Benutzer kann auch eine propriozeptive Wahrnehmung verwenden, um eine Berührungsempfindung für die simulierte Umgebung zu erfüllen. Alternativ kann der Benutzer eine beliebige einer Weise von Haltungen bezüglich der ebenen aktiven Oberfläche annehmen. Andere Haltungen umfassen Knien, Krabbeln auf den Händen und Knien, Robben auf dem Bauch und Sitzen und Liegen auf dem Bauch.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt: eine Trägereinrichtung; eine aktive Benutzeroberfläche, die auf der Trägereinrichtung montiert ist, zum Tragen des Benutzers, der auf dieser geht oder läuft; wobei die aktive Benutzeroberfläche in einer Längsrichtung beweglich ist und eine Vielzahl von Trägerelementen umfaßt, die jeweils mit einer Bewegungskomponente in einer Querrichtung beweglich sind; eine erste Antriebseinrichtung, die mit der aktiven Benutzeroberfläche zusammenwirkt, um die aktive Benutzeroberfläche in der Längsrichtung zu bewegen; eine zweite Antriebseinrichtung, die mit der aktiven Benutzeroberfläche zusammenwirkt, um den Trägerelementen ihre Bewegungskomponente in der Querrichtung zu verleihen, wobei die Kombination der Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in der Längsrichtung und der Bewegungskomponente der Trägerelemente in der Querrichtung eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt; wobei eine Einrichtung dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden und mit einem Nachführungsmechanismus verbunden zu werden, wobei der Nachführungsmechanismus die Einrichtung, die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden, aktiv verfolgt, um die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche zu ermitteln; und eine Steuereinrichtung, die auf die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche reagiert, um den Betrieb der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung selektiv zu steuern, wodurch die Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen so gesteuert wird, daß sie der Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche entspricht.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung bereit, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt: eine Grundplatte; eine aktive Benutzeroberfläche, die auf der Grundplatte montiert ist, zum Tragen des Benutzers, der auf dieser geht oder läuft; wobei die aktive Benutzeroberfläche eine Vielzahl von ersten Elementen und eine Vielzahl von zweiten Elementen umfaßt; eine erste Antriebseinrichtung, die mit den ersten Elementen zusammenwirkt, um die ersten Elemente in einer ersten Richtung zu drehen; eine zweite Antriebseinrichtung, die mit den zweiten Elementen zusammenwirkt, um die zweiten Elemente in einer zweiten Richtung zu drehen, wobei die kombinierte Drehung der ersten Elemente und der zweiten Elemente eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt; wobei eine Einrichtung dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden und mit einem Nachführungsmechanismus verbunden zu werden, wobei der Nachführungsmechanismus die Einrichtung, die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden, aktiv verfolgt, um die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche zu ermitteln; und eine Steuereinrichtung, die auf die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche reagiert, um den Betrieb der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung selektiv zu steuern, wodurch die Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen so gesteuert wird, daß sie der Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche entspricht.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung bereit, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt: ein Gehäuse; GEKENNZEICHNET DURCH einen abgeflachten, kugelartigen, starren Träger; eine aktive Benutzeroberfläche, die verschiebbar an dem starren Träger montiert ist und diesen vollständig umgibt; eine lenkbare Antriebseinrichtung, die mit der aktiven Benutzeroberfläche zusammenwirkt, um die aktive Benutzeroberfläche in irgendeiner Richtung über die Oberfläche des starren Trägers zu verschieben, was eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt; eine Einrichtung, die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden und mit einem Nachführungsmechanismus verbunden zu werden, wobei der Nachführungsmechanismus die Einrichtung, die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer gekoppelt zu werden, aktiv verfolgt, um die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche zu ermitteln; und eine Steuereinrichtung, die auf die Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche reagiert, um den Betrieb der lenkbaren Antriebseinrichtung selektiv zu steuern, wodurch die Benutzerbewegung in allen Richtungen so gesteuert wird, daß sie der Position und Orientierung des Benutzers auf der aktiven Benutzeroberfläche entspricht.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Laufbandes der Erfindung für alle Richtungen;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Motorsteuerung des Laufbandes;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Modifikation des Laufbandes der Erfindung;
Fig. 3a ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie 3a-3a von Fig. 3;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Modifikation des Laufbandes der Erfindung;
Fig. 5a ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Modifikation des Laufbandes der Erfindung;
Fig. 5b ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Nachführungsanordnung, die in den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendet wird;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Nachführungsanordnung, die in den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendet wird;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht der Nachführungsanordnung, die in den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendet wird;
Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 6, die die Bewegung der drehbaren Hülsen und des Hülsenantriebsbandes zeigt;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Modifikation der Nachführungsanordnung, die bei den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendbar ist;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer zweiten Modifikation der Nachführungsanordnung in auseinandergezogener Anordnung, die bei den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendbar ist;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des Rades und der Spannwalzen für alle Richtungen;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Modifikation der Nachführungsanordnung, die bei den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendbar ist;
Fig. 13 ist eine teilweise unterteilte perspektivische Ansicht eines kugelartigen Laufbandsegments;
Fig. 14 ist eine Schnittansicht des Segments von Fig. 13, das in eine Nachführungsanordnung integriert ist;
Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifikation der aktiven Oberfläche der Nachführungsanordnung;
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht von Fig. 4 in Kombination mit einer Sechsstangen-Bewegungsplattform;
Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht einer taktilen Anzeige einer aktiven Oberfläche;
Fig. 18a und 18b sind schematische Ansichten, die den Benutzer an einem Ort zum Steuern einer Ferneinrichtung an einem fernen Ort zeigen;
Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifikation der Nachführungsanordnung, die bei den Laufbändern der Fig. 1 bis 5 verwendbar ist;
Fig. 20 ist eine Schnittansicht nur in der Linie 20-20 von Fig. 19;
Fig. 21 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Bandanordnung;
Fig. 22 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts noch einer weiteren Modifikation der Nachführungsanordnung des Laufbandes der Erfindung für alle Richtungen;
Fig. 23 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Längswalze und der Querwalze, die den X- und Y-Vektor aufgrund der Drehung der Walzen darstellt; und
Fig. 24 ist ein Querschnitt der Längswalze, die mit der Querwalze in Eingriff steht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die Erfindung vermeidet die Begrenzungen eines herkömmlichen Laufbandes, indem einem Benutzer ermöglicht wird, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen. Fig. 1 stellt ein Laufband (ODT) 1 für alle Richtungen mit einer aktiven Oberfläche 2 dar, welches klugerweise einen einzigartigen Mechanismus verwendet, durch den ein Benutzer 3, der an irgendeiner Stelle auf der aktiven Oberfläche angeordnet ist, zu irgendeinem anderen Punkt auf dieser Oberfläche transportiert werden kann. Typischer wird ein Benutzer, der von der aktiven Oberfläche abgewandt ist, zum Zentrum der Oberfläche zurückbewegt analog zu der Weise, in der ein geradliniges Laufband verhindert, daß ein Benutzer von der Vorderseite läuft oder von der Rückseite geworfen wird.
Einteilig mit dem ODT ist ein Motorsteuermechanismus 4 in einer geschlossenen Schleife und eine Benutzerpositions-Feststellungsvorrichtung 5, 6, die die Position des Benutzers bezüglich der ortsfesten Achsen der aktiven Oberfläche des Laufbandes anzeigt. Diese zwei arbeiten mit dem X-Achsen-Steuermotor 7 und dem Y-Achsen-Steuermotor 8 zusammen, um eine korrekte Positionierung des Benutzers auf der aktiven Oberfläche sicherzustellen, welche ortsfest an ausgewählten Punkten an einer starren Grundplatte 9 befestigt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind die Positionssensoren Ultraschallwandler mit einer Konstruktion, die Fachleuten der Ultraschall-Positionsfeststellung gut bekannt ist.
Ein X-Y-Nachführungsmechanismus 13, wie nachstehend beschrieben, ist an einem Trägerrahmen 14 vorgesehen, um die Position und Orientierung des Benutzers 3 auf der aktiven Benutzeroberfläche festzustellen. Um das Problem des Gleichgewichts anzugehen, umfaßt das ODT gegebenenfalls eine Einrichtung zum Stabilisieren des Benutzers. Eine so einfache Struktur wie ein kreisförmiges Geländer kann genügen. Vom Standpunkt der Transparenz ist die Verwendung einer Gleichgewichtsmanschette 10 bevorzugter, die nahe des Gleichgewichtszentrums des Benutzers befestigt ist. Eine Gleichgewichtsmanschette 10 kann mit dem X-Y-Nachführungsmechanismus 13 verbunden sein. Ein Gelenk 11 am Kreuz des Benutzers verbindet die Manschette 10 mit einer Trägerstrebe 12, die zum Verbinden des Benutzers mit dem X-Y-Nachführungsmechanismus 13 des Trägerrahmens 14 dient. Unter normalen Umständen ermöglicht die Manschette 10 eine aktive X-Y-Verfolgung des Benutzers, da die Trägerstrebe 12 aktiv eine vertikale Position aufrechterhält. In dieser Weise merkt der Benutzer kaum, daß die Manschette 10 vorhanden ist. Wenn der Benutzer instabil wird, dient jedoch die Manschette 10 zum Unterstützen bei der Wiedererlangung des Gleichgewichts.
Damit die Manschette 10 und die Strebe 12 den Benutzer in einer beliebigen Orientierung aktiv verfolgen, ist die Strebe 12 vorzugsweise mit einer Trägerstruktur 14 direkt über dem Kopf des Benutzers verbunden, welche durch mindestens drei vertikale Stützelemente 15 abgestützt wird. Zwei Motoren 16, 17 betätigen die X- Y-Nachführungseinrichtung jeweils, um die Strebe 12 in einer vertikalen Position bezüglich des Benutzers zu halten. Die Motoren werden durch Feststellen der Abweichung der Strebe 12 von der Vertikalen gesteuert. Ein Paar von X- und Y- Potentiometern 18 stellen den Winkelfehler der Strebe 12 in der XZ-Ebene bzw. der YZ-Ebene fest. Ein XZ-Fehler zeigt beispielsweise an, daß der X-Motor 16 den Mechanismus in der Richtung zum Verringern des Fehlers auf Null antreiben muß. Ebenso für einen Fehler in der YZ-Ebene, der den Y-Motor 17 steuert. Die Drehungen um Z, die durch die Benutzerdrehung verursacht werden, werden durch eine Gleitringanordnung 19 weitergeleitet. Die Gleitringanordnung 19 verhindert eine Verdrehung oder Verdrillung der Strebe 12 und ermöglicht auch den Durchgang von elektrischer Leistung und Signalen durch elektrische Drehkontakte, so daß eine Verbindung mit der vom Benutzer getragenen Ausrüstung aufrechterhalten werden kann. Gleitringanordnungen sind jenen, die mit elektrischen Drehkontakten vertraut sind, gut bekannt. In ähnlicher Weise wird die vertikale Bewegung des Benutzers durch einen Ausdehnungsmechanismus 20 gestattet. Der Ausdehnungsmechanismus 20 ermöglicht nur eine geradlinige Bewegung und ermöglicht den Durchgang von elektrischen Signalen zu dem und vom Benutzer.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist ein kombiniertes ODT/VR-System, wie in Fig. 1 offenbart. Es ermöglicht eine enge Kopplung der physischen Richtung und Geschwindigkeit des Benutzers mit jener der virtuellen Welt, in der der Benutzer navigiert. Ein solches System könnte typischerweise eine am Kopf montierte Anzeige (HMD) 21 mit Lautsprechern und einem Mikrophon, (einen) Datenhandschuh(e) 22, einen Körperabtastanzug (nicht dargestellt), Außenskelettgelenk-Winkelsensoren und/oder eine andere zugehörige Vorrichtung umfassen. Das VR-System würde wahrscheinlich einen Computer 23 zur Bilderzeugung, Tonerzeugung und Verarbeitung von zugehörigen Daten wie z. B. der Kopf- und Handposition umfassen. Obwohl nicht explizit gezeigt, sind vom Benutzer getragene Peripheriegeräte mit dem Computersystem über Drähte, die die Strebe 12 hinauf, durch den X-Y-Nachführungsträger 13 und das vertikale Stützrahmenelement 15 hinab verlaufen, festverdrahtet verbunden. Drahtlose Verbindungen sind unter Verwendung einer elektromagnetischen oder Infrarot- Einrichtung auch möglich.
Das ODT arbeitet synchron mit dem VR-System durch Senden von Geschwindigkeits- und Richtungssignalen zum Bilderzeugungscomputer. Der Computer verwendet den so bereitgestellten Geschwindigkeitsvektor, um das zu aktualisieren, was dem Benutzer gezeigt wird, so daß der Benutzer ein visuelles Bild sieht, das diesen Vektor berücksichtigt. Wenn die Geschwindigkeit des Benutzers beispielsweise 1/2 Meters in der X-Richtung beträgt, wie durch die X-Richtungs-Bewegung des Laufbandes angegeben, beobachtet der Benutzer Objekte innerhalb der virtuellen Welt, die mit 1/2 Meters in der Minus-X-Richtung vorbeiziehen.
Veränderungen des kombinierten ODT/VR-Systems umfassen die Fähigkeit, die Plattform zu kippen, um ein Bergauflaufen zu simulieren, und vernetzte VR- Erfahrungen, bei denen sich ein Benutzer eine virtuelle Welt mit anderen teilt.
Zusätzliche Veränderungen am ODT/VR-System umfassen die Integration von Wahrnehmungs- und Stimulationssystemen. Beispiele von zusätzlicher Wahrnehmung könnten gegebenenfalls eine vollständige oder teilweise menschliche Oberflächenabbildung, Videoerfassung oder ihre Kombination umfassen, die dann als virtuelles Bild des Benutzers behandelt und transportiert werden können. Ein Weggefährte in einem virtuellen Raum würde dann ein Echtzeit-Faksimile des Benutzers sehen.
Eine weitere Verbesserung der Vertieftheit und des Realismus innerhalb der virtuellen Umgebung kann vielmehr durch Hinzufügen einer Kraftrückkopplung für den gesamten Körper des Benutzers als nur für eine spezielle Gliedmaße erreicht werden. Ein Hauptziel einer Bergabrichtung ebenso.
Ein Benutzer auf einem Laufband ohne Kraftrückkopplung leistet keine signifikante Arbeit. Durch die grundlegende Definition, daß Arbeit gleich Kraft mal Weg ist, sehen wir, daß ein Benutzer ohne eine extern aufgebrachte Kraft keine Arbeit leisten kann. Die einzige Anstrengung durch den Benutzer besteht darin, die Beine anzuheben und abzustellen und im allgemeinen durch die Anordnung der Arme und die Körperbewegung das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Durch Aufbringen einer externen Kraft typischerweise im oder nahe dem Massenzentrum des Benutzers ermöglicht das System dem Benutzer, Arbeit zu leisten. Eine auf den Benutzer aufgebrachte Kraft wird durch eine mittlere gleiche und entgegengesetzte Kraft der Füße auf dem Laufband ausgeglichen. Wenn sich die Laufbandoberfläche bewegt, wird der Benutzer veranlaßt, Arbeit durch die Grundgleichung zu leisten: Arbeit ist gleich der Summe der aufgebrachten Kräfte jedes Fußes mal der zurückgelegten Strecke, wenn die Kraft aufgebracht wird. Die Geschwindigkeit, mit der diese Arbeit geleistet wird, ist durch die Geschwindigkeit der Wirkungsfläche bestimmt und ist gleich der vom Benutzer aufgebotenen Leistung.
Mit Bezug auf Fig. 1 geht der Benutzer 3 auf der aktiven ODT-Oberfläche 2 und ist mit einem Kraftrückkopplungssystem über eine zentral angeordnete Manschette 10 gekoppelt. Die Manschette ist an einer Strebe 12 befestigt, die veranlaßt werden kann, geeignete Mengen an Kraft in einer ausgewählten Höhe in einer Richtung im allgemeinen entgegengesetzt zur geradlinigen Laufrichtung aufzubringen. Eine im allgemeinen gleiche und entgegengesetzte Kraft wird vom Benutzer auf der Oberfläche des Laufbandes erzeugt, und diese Kraft tritt entlang derselben geradlinigen Richtung wie der Richtung der Oberflächengeschwindigkeit des Laufbandes auf. Eben diese Anstrengungskraft entlang der Bewegungsrichtung mit der Geschwindigkeit V erfordert die Anstrengung vom Benutzer.
Eine extern aufgebrachte Kraft, wie vorstehend beschrieben, kann problemlos mit einer geneigten aktiven Oberfläche kombiniert werden, um die Illusion eines Bergauflaufs zu verstärken. Außerdem kann der Winkel der aufgebrachten Kraft verändert werden, um verschiedene Belastungsbedingungen zu simulieren.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm für die Steuerung eines einzelnen Motors. Dieser Motor und seine angegliederte Steuerschleife können entweder die X- oder Y- Steuerung für entweder die aktive Oberfläche oder die Trägermanschetten- Nachführungseinrichtung betätigen.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird für eine einzelne Achse der aktiven Oberfläche das Steuersignal in der Mitte der Oberfläche auf Null festgelegt. Wenn das Positionssignal außermittig ist, erzeugt der Summierpunkt ein Fehlersignal, das zum Fehler proportional ist. Eine PID- (Proportional-Integral-Differential) Steuereinheit, die für jene, die mit der Technik der Bewegungssteuerung vertraut sind, gut bekannt und gut charakterisiert ist, wird abgestimmt, um das Fehlersignal über die Zeit zu interpretieren, wobei sie ein Signal ausgibt, das die Motorgeschwindigkeit entlang einer Achse steuert. Die Motorgeschwindigkeit und seine zugehörige Richtung werden vom VR-System als Geschwindigkeit und Richtung interpretiert, und das dem Benutzer präsentierte Bild wird dementsprechend aktualisiert. Die Motorgeschwindigkeit bewirkt auch, daß die aktive Oberfläche in einer Richtung angetrieben wird, die den Fehler verringert. Die Anlage stellt die Systemkomponenten einschließlich des Benutzers dar, die für die Erzeugung eines Positionssignals verantwortlich sind. In diesem Fall umfaßt die Anlage die aktive Oberfläche, wenn sie zum Zentrum zurückgetrieben wird, den Benutzer, der durch die Bewegung der Oberfläche zum Zentrum zurückgetrieben wird, und die Positionswandler, die die absolute Position des Benutzers bezüglich der Nullbezugsposition feststellen und das Positionssignal erzeugen, das durch den Summierpunkt aufgelöst werden kann.
Die Steuerung eines Trägermanschetten-Nachführungsmotors geschieht in ähnlicher Weise. Mit Bezug auf Fig. 2 wird das Steuersignal auf Null eingestellt, wenn die Trägerstrebe bezüglich ihrer aktiven Achse vertikal ist. Wenn das Positionssignal einen anderen Winkel als Null zeigt, wird ein Fehlersignal erzeugt, das zum Winkelfehler proportional ist. Die PID-Steuereinheit gibt ein Signal für den Motor aus, der die interessierende Achse steuert und der sich mit der festgelegten Geschwindigkeit dreht. Die Motorgeschwindigkeit treibt den Mechanismus der Anlage in der Richtung zum Verringern des Fehlers auf Null an, und der nächste Zyklus wird erneut begonnen. In der Vorrichtung von Fig. 1 könnte das Positionssignal durch ein Drehpotentiometer 17 erzeugt werden, das an die interessierende Achse angegliedert ist.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Manschettenträgers ist in Fig. 3 gezeigt. Der Benutzer 101 ist als ein Geschirr 102 anstelle einer Manschette 10 der in Fig. 1 gezeigten Art tragend dargestellt. In diesem Fall ist das Geschirr über ein Gelenk 103 flexibel mit einem starren horizontalen Element 104 verbunden. Das Element ist gelenkig mit einem vertikalen Element 105 verbunden, das gelenkig mit einem sich drehenden Haltering 106 verbunden ist. Der Ring 106 wird drehbar innerhalb der Grundplatte 107 gehalten. In der Schnittansicht sehen wir, daß der Haltering an einem Zahnkranz 108 befestigt ist, der auf einer Doppellagerlaufbahn 109 liegt, die durch einen Lagerring 110 getragen wird. Das Getriebe wird durch die Lagerlaufbahnnuten von einer Querbewegung abgehalten und ist durch Walzenkontakte 111 in der Aufwärtsrichtung eingeschränkt. Der Ring 106 wird durch einen verzahnten Kontakt mit einem Spurrad 112 um sein Zentrum angetrieben, welches durch den Antriebsmotor 113 über eine Untersetzungsgetriebeeinrichtung 114 angetrieben wird.
Schersensoren innerhalb der Manschente 115 am Gelenk 103 erzeugen ein Signal, das zum Fehlersignal von Fig. 2 analog ist. Der Motor 113 treibt den Ring in einer Richtung an, um das Schersensor-Ausgangssignal in Richtung Null zu verringern. In dieser Weise verfolgen die Manschette und die Trägerstreben die Position des Benutzers, wobei sie eine Abstützungs- und Gleichgewichtshilfe für den Benutzer zusammen mit einer festverdrahteten Verbindung mit der HMD und dem Tonsystem vorsehen. In allen anderen Hinsichten verhält sich die aktive Oberfläche 116 des ODT genauso wie jene in Fig. 1. Der Deutlichkeit halber sind die Positionssensoren, die Motorantriebe und die Computer aus Fig. 3 weggelassen.
Eine noch bessere Abstützung kann für den Benutzer vorgesehen werden, indem die Gelenkstütze 117 des horizontalen Elements 104 und die Gelenkstütze 118 des vertikalen Elements zu aktiven Elementen gemacht werden, d. h. sie aktiv gedämpft werden können. Die aktive Dämpfung würde die Geschwindigkeit feststellen, mit der sich der Benutzer bewegt, und würde die Dämpfung im Verhältnis zur Bewegungsgeschwindigkeit erhöhen. Wenn der Benutzer fallen oder das Gleichgewicht verlieren sollte, würde die schnelle Änderung der Geschwindigkeit in dieser Weise eine stark erhöhte Dämpfung an den Gelenken bewirken und würde die Stütze vorsehen, die erforderlich ist, um das Gleichgewicht wieder zu erlangen.
Eine nicht motorisierte Version des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 würde einen Handgriff für die Stabilisierung des Gleichgewichts, wie in Fig. 4 gezeigt, anstatt der aktiv nachführenden Manschette der Fig. 1 und 3 verwenden. Der Handgriff 201 befestigt über ein horizontales Element 202 über ein Gelenk 203 an einem vertikalen Element 204. Das vertikale Element 204 ist über ein Gelenk 205 an einem Ring 206 der in Fig. 3 dargestellten Art befestigt, welcher drehbar an der Grundplatte 207 befestigt ist. Da sich der Ring um den Benutzer (nicht dargestellt) unter der Leistung des Benutzers dreht, ist kein Motor vorhanden. Der Benutzer hätte immer mindestens eine Hand am Handgriff und würde eine Vorwärts- und Rückwärtskraft und ein Drehmoment auf den Griff aufbringen, um ihn korrekt zu positionieren, wenn er sich um die aktive Oberfläche 208 bewegen würde. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung wäre, obwohl es in den Merkmalen reduziert ist, kostengünstiger herzustellen und würde weniger Deckenhöhe erfordern. Die Einheit könnte bequem zu Hause oder in einem Büro ohne spezielle Höhen- oder Leistungsanforderungen installiert werden. Der Deutlichkeit halber sind der Benutzer, die Positionssensoren und die Computer aus Fig. 4 weggelassen.
Eine taktile Wechselwirkung kann durch die Verwendung von passiven oder dynamischen "interaktiven Körpern", die auch im allgemeinen als "taktile Anzeigen" bezeichnet werden, erreicht werden. Die Fig. 5a und 5b zeigen, wie solche taktilen Anzeigen mit dem Benutzer in Wechselwirkung treten könnten. Fig. 5a stellt einen Benutzer im realen Raum dar. Hier sehen wir den Benutzer 301 auf dem ODT 302 stehend, wobei er wie vorher durch eine Manschetten- und Strebenanordnung 303 abgestützt wird. Der Benutzer greift nach einer ebenen, horizontalen Oberfläche 304, auf der er gleich sitzen wird, und berührt diese. Die Oberfläche 304 wird durch eine motorisierte Strebenanordnung, die aus einem horizontalen Element 305, einem vertikalen Element 306 und Gelenksteuermotoren 307, 308, 309 besteht, steuerbar plaziert. Diese Positionierungsanordnung ist fest an einem sekundären Montagering 310 der zuerst in Fig. 3a gezeigten Art montiert. Der Ring 310 wird durch einen Motor 311 in einer Weise ähnlich zu jener des in Fig. 3 dargestellten Motors angetrieben und positioniert. Die Oberfläche 304 kann durch eine geeignete Drehung des Rings 310 und Drehung der Gelenkmotoren 307-309 steuerbar angeordnet werden.
Fig. 5b stellt eine visuelle Realität dar, wie sie vom Benutzer von Fig. 5a gesehen wird. Im virtuellen Raum von Fig. 5b sieht der Benutzer 401 die Oberfläche von Fig. 5a und steht physisch mit dieser in Wechselwirkung, wobei sie als Stuhl 402 erscheint. Dies ist ein Beispiel eines dynamischen interaktiven Körpers, da er passiv mit dem Benutzer in Wechselwirkung steht, um die synthetische visuelle Realität zu festigen. Wenn der Körper einmal seinen Platz im realen und virtuellen Raum des Benutzers findet, bleibt er ortsfest. Ein zweiter Stuhl 403, der sich innerhalb der virtuellen Welt des Benutzers befindet, steht auch zur Verfügung, um auf ihm zu sitzen. Wenn der Benutzer den zweiten, niedrigeren Stuhl wählen würde, würde er sich einfach umdrehen und zu diesem Stuhl gehen. Der Ring 310 von Fig. 5a schwenkt den interaktiven Körper 304, so daß er der erwarteten Oberfläche des zweiten Stuhls entspricht, und der Benutzer kann ihn berühren und auf diesem sitzen.
Ein dynamischer interaktiver Körper unterscheidet sich vom vorstehend beschriebenen passiven insofern, als er auf die Eingabe eines Benutzers, eine Eingabe von einem Benutzer, der sich denselben virtuellen Raum teilt, oder eine Bedienperson vollständig außerhalb der virtuellen Umgebung aktiv reagiert. Ein dynamischer interaktiver Körper, der auf einen Benutzer reagiert, könnte wie beim vorherigen Beispiel eine horizontale Oberfläche sein, die die Oberseite eines schwimmenden Surfbretts darstellt. Wenn der Benutzer nach unten drückt, sieht die Oberfläche unter der Steuerung eines externen Computers in einer geschlossenen Schleife dieselbe Schwankungs- und Schwimmreaktion vor, die ein reales Surfbrett vorsehen würde. Ein vollständigerer dynamischer interaktiver Körper könnte eine mechanische Hand sein, die vom Benutzer gespürt wird, aber von einem anderen innerhalb der virtuellen Umgebung gesteuert wird. Der Benutzer könnte die Hand drücken und schütteln, und sie drückt und schüttelt als Reaktion zurück, da der parallele Benutzer eine identische Hand in seiner eigenen virtuellen Umgebung drückt und schüttelt.
Passive und dynamische interaktive Körper sind nicht auf die Ausführungsbeispiele des kreisförmigen Rings von Fig. 3 bis 5 eingeschränkt. Sie können genau so leicht innerhalb des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 und seinen zugehörigen Änderungen implementiert werden. Ein Beispiel eines solchen Hybridsystems würde die vorstehend erwähnte Manschettenstütze, passive und dynamische interaktive Körper umfassen.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer Gleichgewichtsmanschette eingeschränkt. ODTs mit größeren Oberflächen und sanfter Zentrierwirkung können keine Manschette benötigen, um einen Benutzer abzustützen und im Gleichgewicht zu halten. Eine große aktive Oberfläche ermöglicht, daß Rückstellkräfte sanft genug sind, um eine Störung des Gleichgewichts des Benutzers zu vermeiden.
Interaktive Körper werden in der Literatur als "taktile Anzeigen" oder "Roboxel" bezeichnet. Die zugehörige Arbeit hat interaktive Oberflächen wie z. B. kreisförmige Platten und Wellen mit einer Drehmomentrückkopplung entwickelt (Good, US- Pat. Nr. 5 185 561). Es liegt im Schutzbereich der Erfindung, gegebenenfalls sowohl passive als auch dynamische, interaktive, die Realität verstärkende Einrichtungen als in die Funktion des ODT integriert einzuschließen.

ANWENDUNGEN

Allein ist das ODT nützlich als:
1. Übungsvorrichtung
2. Bewegungsanalysevorrichtung für eine Bewegung in willkürlichen Richtungen
3. Trainingsvorrichtung für seitliche Bewegungen in willkürlichen Richtungen
In Kombination mit dem VR-System ist das ODT nützlich für:
1. Navigation im virtuellen Raum
2. Training
3. Fernpräsenz
4. Unterhaltung
5. Übung
6. Erholung
7. Bewegungsanalyse
8. Erziehung
9. Psychologische Analyse und Therapie

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Grundlegender Mechanismus

Damit eine aktive Oberfläche eine daraufstehende Masse in einer beliebigen Richtung bewegt, müssen ihr zwei aktive Vektorbewegungskomponenten zur Verfügung stehen, plus und minus X, und plus und minus Y. Ein geradliniges Laufband weist nur +/- X auf. Das ODT weist beide auf.
Das ODT verwendet einen "Vektorschubantrieb", der die zwei Bewegungskomponenten mechanisch trennt, so daß sie durch zwei separate Motoren angetrieben und gesteuert werden können. Der Vektorschub ist die Vektorsumme der X- Bewegungskomponente und der Y-Bewegungskomponente.
Wie in Fig. 6 gezeigt, besteht die aktive Oberfläche 501 des ODT, die nachstehend als Walzenband bezeichnet wird, aus einer Vielzahl von identischen Walzensegmenten 502. Ein Walzensegment besteht aus einer starren Welle 503, an der eine sich frei drehende Walze 504 montiert ist, die innerhalb ihrer seitlichen Grenzen durch Federklemmen 505 gehalten wird, die an den Enden der Welle befestigt sind. Die Enden der Welle sind zu Ösenhaken 506 ausgebildet, die wiederum durch eine Gelenkstange 507 um eine gemeinsame Gelenkachse gehalten werden. Kontaktpunkte von einzelnen Ösenhaken sind durch Abstandshalter 508 getrennt, um sie korrekt zu positionieren und eine seitliche Bewegung zu verhindern. Jede Walze liegt mit Reibung an einer Oberfläche 509 an, vorzugsweise einem biegsamen Band, das sich in rechten Winkeln zur Bewegung der Walzensegmente entlang einer Kontaktlinie 510 bewegt, die zum Erzeugen einer selektiven Drehbewegung 511 für die Walze dient. Das biegsame Band liegt abgestützt an einer starren Trägerplatte 512 an, die im wesentlichen die Last des Gewichts des Benutzers aufnimmt und sicherstellt, daß die aktive Oberfläche eben bleibt.
Die X-Richtungs-Bewegung 513 des Walzenbandes 501 wird durch den X- Richtungs-Motor 7 von Fig. 1 gesteuert. Die Y-Richtungs-Bewegung 514 des biegsamen Bandes 509 wird durch den Y-Richtungs-Motor 8 gesteuert.
Fig. 7 zeigt den vollständigen Mechanismus zum Erreichen einer vollständigen Bewegung in allen Richtungen und zeigt, daß die Gelenkstange 601 dem Walzenband 602 ermöglicht, sich um die Walzen 603, 604 an den Bandkanten zu biegen. Sechskantwalzen betätigen die Walze in der +/- X-Vektorrichtung 605. Wie gezeigt, weisen die Walzen eine sechseckige Form auf, um der gelenkigen Art des Walzenbandes gerecht zu werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 wird ein Sechskant durch einen Motor 606 angetrieben, während der andere eine Spannwalze 607 ist, obwohl leicht beide Walzen angetrieben werden könnten. Die geradlinig betätigte ebene Oberfläche 608, die die obere Oberfläche eines ebenen Antriebsbandes 609 in einer geschlossenen Schleife ist, steht mit der unteren Oberfläche des Walzenbandes 610 in innigem Kontakt und ist so orientiert, daß seine Bewegung in rechten Winkeln zur Bewegung des Walzenbandes stattfindet. Es wird an seinen Enden durch Walzen 611, 612 getragen und gelenkt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nur eine Walze durch einen Motor 613 betätigt; die andere ist eine Spannwalze.
Die Walzen werden durch ein Lager 614 oder durch eine Motorantriebswelle 615 gelagert. Die untere Oberfläche des ebenen, biegsamen Antriebsbandes 609 liegt abgestützt an einer starren Trägerplatte 616 an, die an jeder ihrer vier Ecken durch Trägerbeine 617 abgestützt wird. Die Trägerbeine, Lager und Motoren sind sicher an einer starren Trägerfläche 618 befestigt, die als Boden dient.
Wenn das Walzenband allein betätigt wird, sieht die Oberseite der Walze eine +/- X-Bewegung vor. Wenn das ebene Band allein betätigt wird, steht es mit der unteren Oberfläche der Walzen in Reibungskontakt, wobei somit bewirkt wird, daß sie sich um ihre freie Achse drehen. Wenn sich das Band in der -Y-Richtung 619 bewegt, bewegt sich somit die obere Oberfläche der Walzen in der +Y-Richtung 620. Da sich die Kontaktlinien an der Oberseite jeder Walze zusammen bewegen, wird eine Masse, die auf der aktiven Oberfläche 621 steht, die durch die Summe der Kontaktlinien definiert ist, in der Richtung der kombinierten X- und Y- Bewegungsvektoren bewegt. Die aktive Oberfläche 621 dieser Figur kann mit den aktiven Oberflächen 2, 116 und 208, die in Fig. 1, 3 und 4 gezeigt sind, identifiziert werden.
Durch gleichzeitiges Betätigen des Wulstbandes und des ebenen kann veranlaßt werden, daß die Oberflächenkontaktünien der Walzen eine beliebige Kombination der X- und Y-Bewegung verleihen. In Fig. 8 sehen wir beispielsweise ein Walzensegment 701, das sich mit plus 1 Fuß/Sekunde in der Minus-Y-Richtung 702 bewegt, und das ebene Band 703 bewegt sich mit minus 1 Fuß/Sekunde in der Minus-Y-Richtung 704. Die sich frei drehende Walze wandelt die -Y-Bewegung des Bandes in eine +Y-Bewegung an der Kontaktlinie 705 um. Der kombinierte Schubvektor 706 ist gleich der Vektorsumme der zwei Bandbewegungen, d. h. 1,414 Fuß/Sekunde in einem Winkel von 45 Grad im ersten Quadranten.
Für eine bessere Stabilität wird die Unterseite des ebenen Bandes durch eine glatte, ebene, starre Oberfläche 707 abgestützt. Die Grenzfläche zwischen dem ebenen Band 703 und der Trägeroberfläche 707 ist vorzugsweise in der Reibung durch eine Beschichtung mit einer rutschigen Substanz wie z. B. Teflon verringert.
Ein Spannmechanismus wird vorteilhafterweise an einer der zwei Walzen in der X-Richtung und einer der Walzen in der Y-Richtung, vorzugsweise der Spannwalze verwendet, so daß irgendein Durchhängen oder eine Entspannung der Bänder ausgeglichen werden kann.
Die Walzen können willkürlich klein oder willkürlich groß sein. Sinnvolle Grenzen werden jedoch der Walzengröße durch Faktoren wie z. B. eine leichte Montage auferlegt. Außerdem ist die Größe der sechseckigen Walzen durch die Länge der Walzen und das Gelenksegment, das sie definiert, festgelegt. Offensichtlich besteht ein optimaler Walzengrößenbereich für die Anordnung.
Eine Sechseckform wurde willkürlich gewählt, um die Walzenband- Betätigungseinrichtung darzustellen. Die Walze ist nicht auf diese Form eingeschränkt, obwohl vernünftigerweise erwartet wird, daß die Walze zwischen sechs und acht Seiten aufweist, um das Gleichgewicht zwischen der Größe und der Herstellbarkeit zu optimieren.

Alternative aktive Oberflächenmechanismen

Das Vektorverschiebungsprinzip kann mit diskreten Komponenten einer anderen Form ebenso verwendet werden. In Fig. 9 ist eine Ecke der aktiven Oberfläche des ODT 801 zu sehen, die aus einer Vielzahl von identischen Kugelsegmenten 802 besteht. Ein Kugelsegment besteht aus einem biegsamen Seil 803, auf dem eine Anzahl von Kugeln 804 aufgereiht ist. Das Seil ist mit einem Ende am anderen befestigt, um eine geschlossene Schleife zu bilden. Die Kugeln sind durch Abstandhalter 805 getrennt. Die Abstandhalter dienen zwei Zwecken. Zum einen stellen sie einen gleichmäßigen Kugelabstand sicher. Zweitens verleihen sie den Kugeln 804 eine geradlinige Kraft, wenn das Seil in einer Richtung gezogen wird. Ohne die Abstandhalter 805, die am Seil 803 befestigt sind, würde das Seil 803 gewöhnlich vielmehr durch die Kugeln 804 hindurch gezogen werden als sie in der gewünschten Richtung zu treiben.
Die Walzen 806 (nur eine dargestellt) tragen und lenken die Rückführungsschleifen 807 an den Segmentenden. Benachbarte Segmente sind durch die Abstandsmechanismen 805 aneinander befestigt. Die Kombination von benachbarten Kugelsegmenten und ihrer zugehörigen Abstandhalter bildet eine gleichmäßige Oberfläche für die Kugeln, die zur gleichmäßigen Oberfläche des Walzenbandes direkt analog ist. Wie bei dem Walzenbandsystem werden die Kugeln in der +/- X-Richtung durch einen Satz von Walzen betätigt und werden in der +/- Y- Richtung durch Kontakt mit einem ebenen Band 808 betätigt.
Anstelle des Aufreihens von Komponenten auf einem Draht und Befestigens derselben aneinander ist es auch möglich, eine einzige sich wiederholende Konstruktionseinheit herzustellen, die dieselbe Funktion erfüllt wie die Draht- und Kugel- Anordnung. Fig. 10 stellt eine solche sich wiederholende Einheit dar. Eine Kugel 901 oder eine Walze ist drehbar an einer Welle 902 montiert, die ein Steckerende 903, ein Buchsenende 904 sowie eine Verbindungsstrebe 905 aufweist. Die Kugeln werden durch Befestigen des Steckerteils der Anordnung in dem Buchsenteil zu Ketten in einer geschlossenen Schleife verbunden. Die Verbindungen zwischen den Ketten von Kugeln werden durch Montieren des Lochs der Strebe 906 über dem Steckerteil der benachbarten Kette durchgeführt. Es ist selbstverständlich, daß die sich weiderholenden, in Komponenten aufgeteilten Strukturen auch zur Konstruktion einer Einheit vom Walzentyp geeignet sind, die die Funktion des vorstehend beschriebenen Walzenbandes verdoppelt.
Im Anschluß an die Montage aller Kugelsegmente, die ein Walzenband umfassen, sieht die Anordnung genauso wie jene aus, die in Fig. 9 dargestellt ist, außer daß die Abstandhalter 805 ein einteiliger Teil jeder Einheitsanordnung 905 als separate Verbindungsstreben sind.
Fig. 11 offenbart noch eine weitere Oberflächenbetätigungseinrichtung für alle Richtungen, die ein Rad 1001 mit Spannwalzen 1002 verwendet, die um seinen Umfang angeordnet sind. Eine Spannwalzeneinheit 1003 ist in die entsprechende Aufnahmekerbe im Rad 1001 eingefügt. Jede Spannwalzenachse 1004 ist senkrecht zur angetriebenen Achse 1005 des Rades orientiert. Das Vektorverschiebungsrad 1001 weist die einzigartige Eigenschaft auf, daß es eine Kraft nur über eine Linie übertragen kann, die zur angetriebenen Achse 1006, zur x-Achse, senkrecht ist. Eine beliebige Bewegung, die das Rad 1001 in der y-Achse erfährt, läuft über die Spannwalzen 1007.
Fig. 12 zeigt, daß durch Kombinieren des vorstehend beschriebenen Vektorverschiebungsrades in einer Anordnung von X-orientierten Rädern 1101 und Yorientierten Rädern 1102 ein kombinierter Richtungsvektor durch selektive Betätigung der X- und Y-Anordnung erreicht werden kann. Die Räder 1102 werden in der y-Richtung durch einen Satz von Bändern 1103 und in der X-Richtung durch einen anderen Satz von Bändern 1104 betätigt, die die Unterseiten der Räder berühren. Diese Bänder werden durch eine Grundplatte 1105 mit Führungsnuten und Halterungen für die Radanordnungen gehalten und gelenkt. Das Rad 1106 ist ein typisches X-Richtungs-Rad mit der Konstruktion von Fig. 11. Es wird durch Einschnappen seiner Achse 1107 in Schnappnuten eines Paars von Montageständern 1107 auf der Grundplatte gehalten, wobei nur ein Ständer dargestellt ist. Jedes Rad wird in derselben Weise auf der Grundplatte gehalten.
Da die X-Räder 1001 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Y-Räder 1102, kommen die Kontaktbänder nicht miteinander in Kontakt. Wie bei der Kugelbanderfindung betätigt die Betätigung der X-Rad-Anordnung die Bewegung in der +/- X-Richtung, die leicht ohne Behinderung über die Spannwalzen der Y- Vektorverschiebungsräder geht. Eine reine Y-Bewegung ist ebenso ungehindert durch die X-Anordnung. Solange eine daraufstehende Masse eine angemessene Anzahl von X- und Y-Walzen berührt, ermöglicht die Kombination der X- und Y- Radanordnungen eine aktive Oberfläche, die die daraufstehende Masse in einer beliebigen Richtung durch Kombination der X- und Y-Vektoren linear betätigen kann.
Die Antriebsbänder 1103, 1104 sind durchgehende Bänder, die durch Walzen (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Walzen werden durch Motoren in einer Weise ähnlich zur Walzen/Motor-Kombination der Fig. 1 bis 4 und Fig. 7 angetrieben und gesteuert.
Ergotech, Inc., stellt ein Sortiment von großen Walzen her, die geformte Spannriemenscheiben an ihrem Äußeren verwenden, die in dieselbe Klasse fallen wie das Vektorverschiebungsrad. Ihre Verwendung dient als passive Bewegungsvorrichtungen für Kästen und andere Gegenstände mit ebenem Boden.
Martin-Marietta hat einen Vektorverschiebungsantrieb an einem Monderkundungsfahrzeug 7 verwendet. Ihre Spannwalzen sind in 45 Grad zur Haupt- Radantriebsachse orientiert. Der Schub liegt daher immer in 45 Grad zur Haupt- Radantriebsachse. Durch zweckmäßige Kombination der vier Schubvektoren, die von den vier Rädern zur Verfügung stehen, kann das Erkundungsfahrzeug in irgendeiner willkürlichen ebenen Richtung navigieren.
Ein Vorteil des Verfahrens der diskreten Konstruktionseinheiten besteht darin, daß ihre gelenkige Art eine bessere Steuerung der aktiven Oberflächentopographie ermöglicht. Indem das Material des ebenen Bandes biegsam und verformbar gemacht wird, und indem die Unterseite des ebenen Bandes mit einer Vielzahl von einzeln steuerbaren Spannwalzen abgestützt wird, kann jeder Stützpunkt selektiv angehoben oder abgesenkt werden. Durch selektives Anheben oder Absenken von Spannwalzenstützpunkten an der biegsamen Unterseite des ebenen Bandes und durch gelenkiges Verbinden von diskreten Konstruktionseinheiten, um die aktive Kugeloberfläche auszubilden, kann die aktive Oberfläche mit steuerbaren Höckern und Vertiefungen verformt werden. Die Höcker und Vertiefungen könnten vorteilhafterweise als entsprechende Höcker und Vertiefungen in der virtuellen Umgebung gezeigt werden, wobei somit die Realität der vertieften Erfahrung verbessert wird.
In einer vergleichbaren Weise können die Vektorverschiebungsräder von Fig. 11 und 12 einzeln angehoben und abgesenkt werden, um eine Oberfläche mit veränderlicher Textur zu simulieren. Da die Vektorverschiebungsräder vielmehr diskrete Einheiten als mit einem Band verbunden sind, können sie im wesentlichen weiter angehoben und abgesenkt werden als ihre Walzen oder Kugel-Gegenstücke. Da die Vektorverschiebungsräder bei diesem Ausführungsbeispiel potentiell von ihrer Trägerfläche abgekoppelt sind, ist es nicht mehr möglich, sie unter Verwendung von Bändern anzutreiben, wie in Fig. 12 gezeigt. Jedes Rad muß einzeln unter Verwendung einer separaten Antriebseinrichtung betätigt werden. Obwohl sie komplexer ist, ist diese Anordnung die einzige der vorstehend erwähnten Systeme, die eine Simulation von komplexen Aufgaben, wie z. B. Erklimmen von Stufen, ermöglicht, während der Vorteil eines ODT aufrechterhalten wird.
Fig. 13 offenbart noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ODT, das eine bewegliche, durchgehende aktive Oberfläche 1201 verwendet, die sich um ein abgeflachtes Sphäroid 1202 windet. Die aktive Oberfläche 1201 wird auf der Oberfläche des Sphäroids durch ihre eigene Elastizität gehalten und die Kontaktzone zwischen dem starren Sphäroid und der sich bewegenden Oberfläche 1203 ist relativ reibungslos. Durch Verschieben der aktiven Oberfläche um das Sphäroid durch ihre eigene Elastizität ist die Kontaktzone zwischen dem starren Sphäroid und der sich bewegenden Oberfläche 1203 ist relativ reibungslos. Durch Verschieben der aktiven Oberfläche 1201 um das Sphäroid dient der flache Teil an der Oberseite des Sphäroids 1204 derselben Funktion wie die aktive Oberfläche von früheren Figuren.
Fig. 14 ist ein Querschnitt der vollständig implementierten Sphäroidkonstruktion von Fig. 13. Das ODT 1301 zeigt eine aktive Oberfläche 1302, die streckbar das starre Sphäroid 1303 umgibt, wobei sie durch eine relativ reibungslose Schicht 1304 getrennt ist. Das Gehäuse 1305 hält die aktive Oberfläche und das Sphäroid durch Montieren von passiven Lenkrädern, die die obere 1306 und die untere 1307 Kontur der grundsätzlich kugelartigen Form im wesentlichen halten, und durch Aufweisen eines leichten Überhangs, um die Bewegung der Anordnung in der Aufwärtsrichtung zu halten.
Die aktive Oberfläche wird durch einen Reibungskontakt mit einer lenkbaren Walze 1308 steuerbar betätigt. Die Walze 1308 ist um zwei Achsen lenkbar. Achse eins 1309 wird von einem Motor 1310 um die Walze selbst angetrieben, wobei somit die Unterseite der aktiven Oberfläche durch einen Reibungskontakt angetrieben wird. Die Achse zwei 1311, die durch einen Motor 1312 angetrieben wird, sieht eine Lenkbarkeit der Walze vor, so daß die Walze ihren Schubvektor in einem vollen Kreis lenken kann. Ein von der Walze bereitgestellter Schubvektor bewirkt, daß die aktive Oberfläche um das Sphäroid gleitet. Wenn die Walze einen Schub an der unteren Oberfläche im wesentlichen in der +X-Richtung 1313 vorsieht, reagiert die obere Oberfläche in der -X-Richtung 1314, wie dargestellt.
Fig. 15 stellt ein potentielles Ausführungsbeispiel einer kleinen Fläche der aktiven Oberfläche 1401 ausführlich dar. Ein Muster von starren Platten ist angeordnet, um eine Anordnung von Sechsecken 1402 und Fünfecken 1403 zu bilden, genauso wie die Oberfläche eines Fußballs. Die Ecken der Platten werden elastisch zusammengehalten 1404, so daß sich die Oberfläche entsprechend ausdehnen und zusammenziehen kann, wenn sie das Sphäroid überquert. Die Unterseite jeder Platte ist durch eine Anordnung von Lenkrädern 1405, die in das starre Material der Platte gepreßt sind, geeignet abgestützt. Die Lenkräder 1405 ermöglichen, daß ein Kontakt zwischen der Platte und dem Sphäroid eine geringe Reibung aufweist, wie für eine korrekte Funktion erforderlich.
Eine Verbesserung am Ausführungsbeispiel der angetriebenen Walze 1308 von Fig. 14 würde darin bestehen, die Walzenfunktion auf zwei Walzen aufzuteilen, die durch eine Differentialgetriebeeinheit betätigt werden. Sie kann dann immer noch durch zwei Motoren angetrieben werden, wie vorstehend offenbart, sie würde jedoch den Vorteil erlangen, die Drehreibung während der Lenkung zu minimieren, genauso wie ein Autodifferential ermöglicht, daß sich die Antriebsräder eines wendenden Autos mit ihrer eigenen Geschwindigkeit drehen.
Es ist selbstverständlich, daß die Oberflächenkonstruktion von Fig. 15 beispielhaft ist und nur eine von einer Klasse von Oberflächenkonstruktionen darstellt, die die Funktion einer biegsamen aktiven Oberfläche mit geringer Reibung erfüllt, die mit einem enthaltenen, abgeflachten Sphäroid in Wechselwirkung steht.

Fortgeschrittene Systemgestaltungen

Obwohl die grundlegende Systemgestaltung eine Einrichtung zum Verfolgen der Benutzerorientierung umfaßt, weist sie auch das Potential auf, den Benutzer vollständig zu führen und abzustützen. Eine verstärkte und voll betätigte Trägerstrebe, die mit einer vollständig abstützenden Manschette und einem Geschirr verbunden ist, ermöglicht, daß ein Benutzer von der aktiven Oberfläche abgehoben wird und sich innerhalb der Grenzen der mechanisch begrenzten Bewegungshüllkurve bewegt. Ein System dieser Art würde einem Benutzer ermöglichen, zwischen der Fortbewegung auf der aktiven Oberfläche und einem Freikörperflug überzugehen.
In ähnlicher Weise kann die gesamte aktive Oberfläche und der zugehörige Mechanismus auf einer Bewegungsplattform montiert werden, die verschiedene Kombinationen von geradlinigen und Winkelbewegungen der Oberfläche ermöglicht. Eine gekippte Oberfläche ist zum Simulieren einer geneigten Oberfläche im virtuellen Raum nützlich, wie ein Benutzer sie antreffen könnte, wenn er einen virtuellen Hügel hinaufgeht. Eine Oberfläche, die sich auf und ab sowie in einem Winkel bewegt, kann das Deck eines Schiffs oder den Kabinengang eines Flugzeugs simulieren.
Fig. 16 stellt die Kombination des vereinfachten ODT von Fig. 4 1501 mit einer Standard-Sechsstangen-Bewegungsplattform 1502 mit 6 Freiheitsgraden dar. Die Grundplatte des ODT 1503 dient als Befestigungspunkt für die sechs linearen Stellglieder 1504, die die Sechsstangenvorrichtung umfassen. Die Steuerung der Zylinder sieht eine volle Bewegung mit 6 DOF vor und die Steuerung der Sechsstangenstruktur ist Fachleuten der Bewegungssteuerung gut bekannt. Die Zylinder sind durch Kugelgelenke am Boden 1505 und durch Kugelgelenke an der Grundplatte 1503 befestigt. Die Zylinder können typischerweise durch eine Hydraulik, Pneumatik oder durch einen Kugelumlaufspindelmechanismus betätigt werden. Die Antriebs- und Steuereinrichtung für die Sechsstangenvorrichtung und das ODT sind aus der Figur weggelassen, es ist jedoch selbstverständlich, daß sie eine Leistungsaufbereitungseinrichtung, eine Positionsfeststellungseinrichtung, einen Steuercomputer und eine Steuerschleife der in Fig. 2 beschriebenen Art umfassen. Es ist auch selbstverständlich, daß das ODT, das an der Sechsstangenvorrichtung befestigt, genau so leicht die Konstruktion der Fig. 1, 3, 5, 9, 10, 12, 13 oder 14 aufweisen könnte.
Die Kombination des ODT mit einem eingeschlossenen Simulator wie z. B. der Kugelbewegungsumgebung, die von Virtual Space Devices, Inc., entwickelt wurde, würde ermöglichen, daß nicht nur 3 bis 6 DOF auf die aktive Oberfläche des ODT aufgebracht werden, sondern würde auch einen Übergang zwischen Gehen, Freikörperflug und Fahrzeugsimulation ermöglichen.
Ein ODT muß nicht die Hauptschnittstellenvorrichtung für ein Eintauchsystem sein. Es könnte beispielsweise zu einem Fahrzeugsimulator komplementär sein. Ein Standardsimulator für ein Fahrzeug wie z. B. einen Jeep, das an einer Sechsstangen-Bewegungsplattform montiert ist, könnte benachbart zu einem ODT angeordnet werden. Wenn der Benutzer aus dem Fahrzeugsimulator aussteigt, würde das ODT am virtuellen Boden angeordnet sein, so daß der Benutzer einen sanften Übergang zwischen dem Fahrzeugtransport und der Bodenbewegung erfährt.
Die einzigartigen Qualitäten in allen Richtungen von einer aktiven Oberfläche wie z. B. den hierin offenbarten können in noch einer anderen Weise verwendet werden. Als taktile Anzeigevorrichtung kann eine aktive Oberfläche eine Wahrnehmung von Reibung an einen Benutzer übermitteln, wenn er seine Hand entlang einer Oberfläche verschiebt. Fig. 17 stellt ein Ausführungsbeispiel für eine taktile Anzeige 1601 einer aktiven Oberfläche dar. Wenn die Hand 1602 des Benutzers auslangt, um ein virtuelles Objekt zu berühren, wird die aktive Oberfläche 1603, die nur geringfügig größer ist als der Hauptdurchmesser des Handflächenabdrucks des Benutzers, durch einen Robotermechanismus 1604 dort angeordnet, wo der Benutzer erwartet, daß sich die Oberfläche befindet. Wenn der Benutzer seine Hand entlang der Oberfläche in der Richtung 1605 eines Vektors bewegt, spiegelt die taktile Anzeige die Bewegung der Hand 1606 wider, während die aktive Oberfläche einen gleichen und entgegengesetzten Gegenvektor 1607 durch Bewegen ihrer Oberfläche entgegen der Bewegung der Hand erzeugt. Der Benutzer fühlt folglich die Reibung der Oberfläche des virtuellen Körpers, wenn die Hand über die sich bewegende Oberfläche gerieben wird. Aufgrund der in allen Richtungen gehenden Art der aktiven Oberfläche kann die Hand einem willkürlichen Weg folgen.
In ihrer grundlegenden Form ist die aktive Oberfläche eben sowohl weil die Trägerfläche hinter der Aktivierungseinrichtung am leichtesten als ebene Oberfläche hergestellt wird, als auch weil die verkettete Art der aktiven Einrichtung gewöhnlich eine Erzeugung einer Oberflächenkontur verhindert. Eine ebene Oberfläche ist zum Simulieren eines ebenen virtuellen Körpers wirksam, sie kann jedoch einen gekrümmten Körper nur annähern. Ein mäßiges Ausmaß an Krümmung kann jedoch erzielt werden, Verbiegen könnte unter Verwendung von Druckluft hinter einer dünnen und biegsamen Trägerfläche erreicht werden. Das Ausmaß an Verbiegung kann so gesteuert werden, daß es der mittleren Krümmung am Kontaktpunkt des Benutzers mit dem virtuellen Körper entspricht.
Die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels als mit einer HMD, Handschuhen, einem Körperanzug usw. schließt nicht andere anwendbare Systemgestaltungen aus. Es gibt eine Anzahl von zusätzlichen Anzeigeoptionen, die vorteilhaft ein ODT verwenden können. Das ursprüngliches Anzeigeverfahren von Myron Krueger verwendet beispielsweise große Anzeigebildschirme, die den Benutzer umgeben. Kugelförmige Anzeigeflächen wurden für eine Anzahl von Jahren von verschiedenen Firmen wie z. B. IMAX-Theater oder Evans & Sutherland verwendet. In letzter Zeit offenbarte Evans & Sutherland, Inc., eine kugelförmige Betrachtungsstruktur, die den Benutzer im wesentlichen umgibt, um eine fast vollständig kugelförmige Betrachtungsfläche bereitzustellen. Ein projiziertes Bild verfolgt den Blickkegel des Benutzers und zeigt die entsprechende Szene an. Ein fortgeschrittenes Anzeigeverfahren, das von Human Interface Technology Lab entwickelt wird, bringt Licht direkt auf die Netzhaut des Auges unter Verwendung eines schwachen Laserstrahls. Irgendeines dieser Anzeigesysteme und ihre zugehörigen Schnittstellen können von der Verwendung des ODT profitieren.

Fernpräsenz

Die Erörterung eines VR-Systems wäre ohne Erwähnung der Fernpräsenz nicht vollständig. Obwohl das VR-System im wesentlichen die Wahrnehmungserfahrung des Benutzers synthetisiert, gewinnen Fernpräsenzsysteme ihre Wahrnehmungsinformation von einer realen, entfernten Quelle und übertragen sie zu den Sinnen des Benutzers. Im einfachsten Beispiel könnte ein Paar von Videokameras an einer Freiheitsgradplattform montiert sein, deren Bewegung mit dem Kopf des Benutzers mitgeführt wird. Eine HMD am Kopf des Benutzers empfängt die Stereobilder von den gepaarten Videokameras, wobei somit die visuelle Illusion erzeugt wird, daß der Kopf des Benutzers auf der Plattform anstelle der zwei Kameras sitzt. Ein System dieser Art, das auch Ton umfaßt, ist von Telepresence Research, Inc., kommerziell erhältlich.
Mit Bezug auf das ODT ist es durchführbar, die Gehbewegung des Benutzers mit der seitlichen Bewegung einer entfernten Abtastvorrichtung zu koppeln. Die Verwendung der natürlichen Geh- und Drehbewegung, um eine entfernte Vorrichtung zu lenken und zu führen, hat den Vorteil der Befreiung beider Hände, um andere Aufgaben durchzuführen, anstatt auf eine Lenkvorrichtung wie einen Steuerhebel eingeschränkt zu sein. Eine Kopplung der Fernpräsenz-Ferneinrichtung mit dem Benutzer würde wahrscheinlich abgesehen vom ODT ein Video, eine Video- und eine Tonverbindung enthalten. Andere Systemgestaltungen könnten ein oder zwei handbetätigte Stellglieder umfassen, die die Bedienperson verwendet, um Bedienaufgaben am entfernten Ort durchzuführen.
Die Fig. 18a und 18b zeigen ein System, bei dem ein Benutzer an einem Ort, Fig. 18a, die Ferneinrichtung an einem fernen Ort, Fig. 18b, steuert. Diese fortgeschrittene Form einer ODT- und Fernpräsenzkopplung würde nicht nur die vorstehend erwähnten Systeme, sondern auch eine Einrichtung zum Übermitteln der physischen Orientierung der Ferneinrichtung verwenden. Dies wird unter Verwendung der Gleichgewichtsmanschette 1701, um den Benutzer 1702 in die Orientierung 1703 der Ferneinrichtung 1704 zu zwingen, durchgeführt. Die Rückkopplung an der Manschette durch den Benutzer bringt wiederum auch die Ferneinrichtung in die Orientierung des Benutzers. Durch Kombinieren dieses Orientierungszusammenspiels mit einer zweibeinigen Ferneinrichtung und einer Außenskelettstruktur 1705, die die Beine der Ferneinrichtung mit den Beinen des Benutzers verbindet, ist es möglich, daß sich die Ferneinrichtung sowohl in der Stand- als auch der Gehbetriebsart selbst ins Gleichgewicht bringt. Die Kombination der obigen Strukturen, um eine Fortbewegung der Ferneinrichtung zu ermöglichen, wird möglich gemacht, da der Benutzer auf einer aktiven ODT-Oberfläche 1706 steht, die dem Benutzer ermöglicht, seine natürlichen Gleichgewichtsfähigkeiten zu verwenden, wenn er unter Verwendung der elektronischen Augen der Ferneinrichtung navigiert.
Fig. 19 ist eine weitere Modifikation der Nachführungsanordnung für ein Laufband für alle Richtungen, das im allgemeinen mit 1800 angegeben ist, zum Erzeugen einer Oberfläche für alle Richtungen auf einem durchgehenden oder Endlosband 1801. Das Band 1801 wird um Antriebswalzen 1802 und 1803 gezogen, die durch Motoren 1804 und 1805 angetrieben werden. Die relativen Geschwindigkeiten der Motoren 1804 und 1805 können eingestellt werden, um die obere Bahn des Bandes 1801 in Spannung zu halten. Die Motoren 1804 und 1805 sind reversible Elektromotoren, die betätigbar sind, um das Band 1801 in der Längsrichtung in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu bewegen, die durch den Pfeil 1806 dargestellt sind. Ein einzelnes Motorantriebs-Schneckengetriebe, das antreibbar mit den Walzen 1802 und 1803 verbunden ist, kann verwendet werden, um die Walzen 1802 und 1803 gleichzeitig anzutreiben, um das Band 1801 selektiv in entgegengesetzten Längsrichtungen zu bewegen.
Das Band 1801 umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Querelementen oder - segmenten 1807, die entlang der Länge des Bandes 1801 nebeneinander angeordnet sind. Wie in Fig. 20 gezeigt, weist jedes Segment 1807 ein Endlosquerband 1808 auf, das um zylindrische Elemente oder Walzen 1809 und 1810 gezogen wird. Die Walzen 1809 und 1810 sind drehbar an einer Plattform 1813 montiert. Eine der Walzen 1809 oder 1810 kann an der Plattform 1813 durch einen Federmechanismus befestigt sein, um die Spannung am Band aufrechtzuerhalten. Die Walzen 1809 und 1810 können drehbar an Endlosketten oder -seilen 1811 und 1812 montiert sein, die sich um die Antriebswalzen 1802 und 1803 erstrecken. Eine Trägerplattform 1813, die mit einem rutschigen Material wie z. B. Teflon beschichtet ist, befindet sich unterhalb der oberen Bahn des Bandes 1808. Das Band 1808 kann sich frei auf der Plattform 1813 bewegen und eine Person, die auf dem Band 1801 geht oder läuft, tragen. Die Plattform 1813 weist entgegengesetzte Enden auf, die drehbar die Walzen 1809 und 1810 abstützen, um den Abstand zwischen den Walzen aufrechtzuerhalten.
Die untere Bahn des Bandes 1808 befindet sich in Antriebseingriff mit einer Vielzahl von Radanordnungen 1814, 1815 und 1817. Ein Beispiel der detaillierten Struktur einer Radanordnung ist in Fig. 11 gezeigt. Ein Motor 1818 dreht gleichzeitig alle Radanordnungen, um das Band 1808 quer in ausgewählten entgegengesetzten Richtungen und mit regulierten Geschwindigkeiten anzutreiben. Drei Radanordnungen 1814, 1816 und 1817 sind in Antriebskontakt mit dem Band 1808 dargestellt. Zusätzliche Radanordnungen können verwendet werden, um die untere Bahn des Bandes 1808 abzustützen und anzutreiben. Die Radanordnungen 1814, 1816 und 1817 sind Vektorverschiebungsräder, die eine Betätigung um die Mittelachse des Rades ermöglichen, während sie eine Querbewegung um die Mittelachse aufgrund der Bewegungen der mehreren Walzen oder Hülsen, die um jedes Rad angeordnet sind, ermöglichen. Diese Walzen können sich um jede ihrer eigenen Achse frei drehen. Die Abstützung der einzelnen Walzen durch Vektorverschiebungsräder ermöglicht eine freie Bewegung des Bandes 1808 entlang der Y-Richtung und ermöglicht einen Antrieb des Bandes 1808 in der X-Richtung durch aktives Antreiben von einem oder mehreren Vektorverschiebungsrädern, die wiederum ihre Drehbewegung auf die geradlinige Bewegung des Bandes 1808 im allgemeinen über den Reibungskontakt mit diesem Band übertragen. Entgegengesetzt zu jeder Radanordnung 1814, 1815 und 1817 befindet sich ein Paar von Spannwalzen 1820 und 1821, die eine relativ reibungslose Übertragung einer Scherkraft zwischen der Radanordnung und dem Band 1808 ermöglichen.
Wie in Fig. 21 gezeigt, ist die Plattform 1813 ein umgekehrt U-förmiges oder Kanalelement mit einer ebenen oberen Oberfläche zum Abstützen der oberen Bahn des Bandes 1808. Die Spannwalzen 1821 sind an den nach unten verlängerten Seitenwänden der Plattform 1813 gelagert. Die untere Bahn des Bandes 1808 läuft auf Spannwalzen 1821 während der Querbewegung des Bandes 1808 bei der Drehung der Vektorschubräder 1814, 1816 und 1817. Benachbarte Plattformen sind gelenkig mit Gelenken 1822 und 1823 verbunden, um zu ermöglichen, daß sich die Bandanordnung 1801 um die Antriebswalzen 1802 und 1803 bewegt.
Das Band 1808 bewegt sich quer oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bandes 1801. Durch gleichzeitige Bewegungen der Bänder 1801 und 1808 kann die aktive Oberfläche oder die Oberseite des Bandes 1801 eine Bewegung in einer beliebigen Richtung durch die Vektorsumme der einzelnen X- und Y- Bewegungen vorsehen, wie bei 1819 in Fig. 19 dargestellt. Die Vorteile des Laufbandes 1800 für alle Richtungen umfassen eine minimale Anzahl von Teilen und weniger Gewicht als Walzenband-Laufbänder. Das Laufband ist wirtschaftlich herzustellen und kann in einem vernünftigen Zeitraum zusammengefügt werden. Es ist haltbar und zuverlässig im Betrieb, um eine große aktive Oberfläche bereitzustellen, die in den Richtungen aller zwei Dimensionen wirksam beweglich ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Laufbandmechanismus für alle Richtungen, der im allgemeinen mit 1900 angegeben ist, ist in Fig. 23 bis 24 gezeigt. Ein erstes Band 1901 weist eine Vielzahl von Walzen 1902 auf, die drehbar an U- förmigen Gestellen 1903 montiert sind. Die Gestelle 1903 sind mit Längsdrehachsenelementen oder -bolzen zu einem Endlosband mit einer Vielzahl von Walzen 1902 verbunden. Benachbarte Walzen 1902 überlappen einander, wie in Fig. 22 gezeigt. Das Band 1901 ist an einem Trägerendlosband montiert, das über Längsantriebswalzen gezogen wird, die an einem Rahmen gelagert sind. Ein mit mindestens einer Antriebswalze verbundener Motor arbeitet, um das Trägerband und das Band 1901 quer zu bewegen. Jede Walze 1902 weist Umfangszähne 1904 auf, die in Fig. 24 gezeigt sind. Die Zähne 1904 erstrecken sich auf dem Umfang um die Walze. Die Gestelle 1903 sind am Endlosträgerband, das als Reaktion auf eine Steuerung, die auf Bewegungen des Benutzers reagiert, in einer Querrichtung angetrieben wird, festgehalten oder befestigt.
Ein zweites Band 1906 weist eine Vielzahl von in Längsrichtung orientierten Walzen 1907 auf. Jede Walze 1907 ist drehbar an einer Längsstange 1908 montiert. Entgegengesetzte Enden jeder Stange 1908 werden um Querstangen 1909 und 1910 gedreht. Dies ordnet die Walzen 1907 nebeneinander in Querreihen an. Die Stangen 1909 und 1910 verbinden drehbar die Querreihen der Walzen 1907, um das zweite Endlosband 1906 zu bilden. Die entgegengesetzten Enden des Bandes 1906 werden über Querrollen oder -trommeln gezogen. Mindestens eine Walze wird mit einem mit der Steuerung gekoppelten Motor kraftgetrieben. Die Steuerung betätigt selektiv die Motoren für das erste und das zweite Band als Reaktion auf die Bewegung des Benutzers auf der aktiven Oberfläche des ersten Bandes. Wie in Fig. 24 gezeigt, weist die Walze 1907 Längszähne 1911 auf, die mit den Zähnen 1904 der Walze 1902 in Eingriff stehen. Die Querbewegung des ersten Bandes 1901 bewirkt, daß sich die Walzen 1907 auf Stangen 1908 drehen. Bei der Verwendung stehen die unteren Walzen 1902 mit dem unteren Teil der oberen Walzen 1907 in Reibungskontakt, wobei ihre Y-Bewegung durch Ignorieren irgendeiner X-Bewegungskomponente übertragen wird. Die oberen Walzen 1907 verlaufen durch die Y-Bewegung vom unteren oder ersten Band 1901 und tragen ihre eigene X-Bewegung bei. Das zweite Band 1906, das sich in der X- Richtung bewegt, trägt zum Oberflächenbewegungsvektor nur in der X-Richtung bei. Das erste Band 1901 mit Gestellwalzen 1902 trägt zum Oberflächenbewegungsvektor nur in der Y-Richtung bei. Die kombinierte Bewegung der zwei Bänder 1901 und 1906 ermöglicht eine Erzeugung eines vollständigen Kreises von Bewegungsvektoren.
Fig. 23 zeigt eine detailliertere Beschreibung der Wechselwirkung der zwei einzelnen Walzen 1902 und 1907 des Mechanismus. Eine Walzenbandwalze 1907, die sich mit der Geschwindigkeit V in der X-Richtung bewegt, 1902 und 1907 weist eine Geschwindigkeit V in der Minus-Y-Richtung auf. Die geradlinige Wirkung der oberen Walze in der X-Richtung wird ohne Reibung an die untere Stützwalze weitergegeben und bewirkt, daß sich die untere Walze um ihre Achse dreht. Gleichzeitig treibt die untere Walze die obere Walze 1907 aktiv an, so daß sie sich um ihre eigene Achse dreht.
Durch Wählen eines globalen Koordinatensystems mit 0, 0, 0 am Punkt 1912 sehen wir, daß der Punkt einen kombinieren Oberflächenvektorsatz aufweist, der die Kombination der geradlinigen Wirkung in der X- und der Drehwirkung um X ist. Im Vektordetail sehen wir, daß die momentane Geschwindigkeit V von 1912 die Vektorsumme der geradlinigen Geschwindigkeit V und der drehend übertragenen geradlinigen Geschwindigkeit V, die nun in der Richtung umgekehrt ist, ist.
Die gesamte Kontaktlinie entlang X an der Oberseite der oberen Walze enthält den erforderlichen Vektorsatz, der den Vektor V erzeugt. Alle anderen Walzen, die die obere Oberfläche des Walzenbandes umfassen, enthalten ebenso diesen Vektorsatz.
Da die Kontaktlinien an der Oberseite jeder Walze 1907 sich gemeinsam bewegen, wird eine Masse, die auf der aktiven Oberfläche steht, die durch die Summe der Kontaktlinien definiert ist, in der Richtung der kombinierten X- und Y- Bewegungsvektoren bewegt.
Eine Walzenband-ODT-Konstruktion ist leicht herstellbar, wird leicht angetrieben und ist relativ kompakt.
Da der Grundmechanismus einen Linienkontakt an der aktiven Oberfläche ermöglicht und die Linien minimal in der Größenordnung von 1,5 cm beabstandet sind und da jede Kontaktlinie sowohl X- als auch Y-Vektorkomponenten enthält, gibt es wenig Einschränkungen für die Arten der Belastung oder der Art der Kontaktfläche der Last. Ein Benutzer kann ebenso krabbeln wie gehen. Ein Schuh mit einer Wabensohlenkonstruktion geht ebenso wie ein Halbschuh mit ebener Unterseite.
Der Laufbandmechanismus 1900 arbeitet synchron mit dem VR-System durch Senden von Geschwindigkeits- und Richtungssignalen zum Bilderzeugungscomputer. Der Computer verwendet den so bereitgestellten Geschwindigkeitsvektor, um das Bild zu aktualisieren, das dem Benutzer gezeigt wird, so daß der Benutzer ein visuelles Bild sieht, das diesen Vektor berücksichtigt. Wenn die Geschwindigkeit des Benutzers beispielsweise 1/2 Meters in der X-Richtung ist, wie durch die X-Richtungs-Bewegung des Laufbandes angegeben, beobachtet der Benutzer Objekte innerhalb der virtuellen Welt, die mit 1/2 Meters in der Minus-X-Richtung vorbeiziehen.

Claims

1. Vorrichtung, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt:

eine Trägereinrichtung (512, 707, 1813);

eine aktive Benutzeroberfläche (2), die auf der Trägereinrichtung (512, 707, 1813) montiert ist, zum Tragen des Benutzers (3), der auf dieser geht oder läuft; wobei die aktive Benutzeroberfläche (2) in einer Längsrichtung beweglich ist und eine Vielzahl von Trägerelementen (502, 804, 1807) umfaßt, die jeweils mit einer Bewegungskomponente in einer Querrichtung beweglich sind;

eine erste Antriebseinrichtung (606, 1804, 1805), die mit der aktiven Benutzeroberfläche (2) zusammenwirkt, um die aktive Benutzeroberfläche (2) in der Längsrichtung zu bewegen;

eine zweite Antriebseinrichtung (613, 1818), die mit der aktiven Benutzeroberfläche (2) zusammenwirkt, um den Trägerelementen (502, 804, 1807) ihre Bewegungskomponente in der Querrichtung zu verleihen, wobei die Kombination der Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche (2) in der Längsrichtung und der Bewegungskomponente der Trägerelemente (502, 804, 1807) in der Querrichtung eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt;

wobei eine Einrichtung (10) dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer (3) gekoppelt zu werden und mit einem Nachführungsmechanismus (13) verbunden zu werden, wobei der Nachführungsmechanismus (13) die Einrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer (3) gekoppelt zu werden, aktiv verfolgt, um die Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) zu ermitteln; und

wobei eine Steuereinrichtung auf die Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) reagiert, um den Betrieb der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung selektiv zu steuern, wodurch die Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen so gesteuert wird, daß sie der Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Benutzeroberfläche (2) ein Band (621) in einer geschlossenen Schleife bildet, das um ein Paar von Walzen (603, 604) gezogen wird, und die erste Antriebseinrichtung ein Motor (606) ist, der mit mindestens einer der Walzen (603, 604) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Trägerelemente Bänder (1807) in einer geschlossenen Schleife sind, die jeweils um ein Paar von zylindrischen Elementen (1809, 1810) gezogen werden, wobei die zylindrischen Elemente (1809, 1810) biegsame Elemente (1811, 1812) zum Verbinden der Enden von benachbarten zylindrischen Elementen (1809, 1810) umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die aktive Benutzeroberfläche (2) ferner eine Vielzahl von Stangen (503) umfaßt und wobei die Trägerelemente zylindrische Hülsen (502) oder kugelförmige Elemente (804) sind, die drehbar an den Stangen (503) montiert sind.

5. Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die zweite Antriebseinrichtung folgendes umfaßt:

einen Motor (613);

ein Paar von Walzen (611, 612); und

ein Antriebsband (509, 609) in einer geschlossenen Schleife, das um die Walzen (611, 612) gezogen wird, wobei der Motor (613) mit mindestens einer der Walzen (611, 612) verbunden ist, um das Antriebsband (509, 609) in einer geschlossenen Schleife zu bewegen, wobei das Antriebsband (509, 609) in einer geschlossenen Schleife eine obere Bahn mit einer oberen Oberfläche (608), die betriebsfähig mit den Trägerelementen (502, 804) in Eingriff steht, aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Antriebseinrichtung folgendes umfaßt:

einen Motor (1818); und

eine Vielzahl von Walzen (1814, 1816, 1817), wobei der Motor (1818) mit den Walzen (1814, 1816, 1817) verbunden ist, wobei die Walzen betriebsfähig mit den Trägerelementen (1808) in Eingriff stehen.

7. Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung eine Positionssteuerung (4) in einer geschlossenen Schleife umfaßt, um die Position des Benutzers (3) in Richtung des Zentrums der aktiven Benutzeroberfläche (2) als Reaktion auf die Benutzerdurchschreitung der aktiven Benutzeroberfläche (2) aufrechtzuerhalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung ferner eine Einrichtung für eine virtuelle Realität umfaßt, die auf die Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) reagiert, wobei die Einrichtung für die virtuelle Realität folgendes umfaßt:

eine am Kopf montierte Bildanzeige (21) zum Anzeigen von visuellen Bildern;

eine Anzeigesteuereinrichtung (23) zum Projizieren der visuellen Bilder;

eine Lautsprechereinrichtung zum Erzeugen von Tönen;

ein Mikrophon für den Benutzer (3);

eine Einrichtung (5, 6) zum Feststellen der Position des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2); und

eine Einrichtung zum Verbinden der am Kopf montierten Bildanzeige, der Anzeigesteuereinrichtung und der Lautsprechereinrichtung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung für die virtuelle Realität ferner interaktive Körper (304) zum Versehen des Benutzers (3) mit einer taktilen Rückkopplung umfaßt.

10. Vorrichtung, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt:

eine Grundplatte (1105);

eine aktive Benutzeroberfläche, die auf der Grundplatte (1105) montiert ist, zum Tragen des Benutzers (3), der auf dieser geht oder läuft; wobei die

aktive Benutzeroberfläche eine Vielzahl von ersten Elementen (1101) und eine Vielzahl von zweiten Elementen (1102) umfaßt;

eine erste Antriebseinrichtung (1104), die mit den ersten Elementen zusammenwirkt, um die ersten Elemente in einer ersten Richtung zu drehen;

eine zweite Antriebseinrichtung (1103), die mit den zweiten Elementen zusammenwirkt, um die zweiten Elemente in einer zweiten Richtung zu drehen, wobei die kombinierte Drehung der ersten Elemente (1104) und der zweiten Elemente (1103) eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt;

11. Vorrichtung, um einem Benutzer zu ermöglichen, in irgendeiner willkürlichen Richtung zu gehen oder zu laufen, welche folgendes umfaßt:

ein Gehäuse (1305);

GEKENNZEICHNET DURCH einen abgeflachten, kugelartigen, starren Träger (1303);

eine aktive Benutzeroberfläche (1302), die verschiebbar an dem starren Träger (1303) montiert ist und diesen vollständig umgibt;

eine lenkbare Antriebseinrichtung (1308), die mit der aktiven Benutzeroberfläche (1302) zusammenwirkt, um die aktive Benutzeroberfläche (1302) in irgendeiner Richtung über die Oberfläche des starren Trägers (1303) zu verschieben, was eine Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen ergibt;

eine Einrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer (3) gekoppelt zu werden und mit einem Nachführungsmechanismus (13) verbunden zu werden, wobei der Nachführungsmechanismus (13) die Einrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, mit dem Benutzer (3) gekoppelt zu werden, aktiv verfolgt, um die Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) zu ermitteln; und

eine Steuereinrichtung, die auf die Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) reagiert, um den Betrieb der lenkbaren Antriebseinrichtung selektiv zu steuern, wodurch die Bewegung der aktiven Benutzeroberfläche in allen Richtungen so gesteuert wird, daß sie der Position und Orientierung des Benutzers (3) auf der aktiven Benutzeroberfläche (2) entspricht.