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DE102016117760A1 - Arrangement for a motion simulator in combination with a stationary whole body exoskeleton, a head-mounted display and a virtual space - Google Patents

Arrangement for a motion simulator in combination with a stationary whole body exoskeleton, a head-mounted display and a virtual space Download PDF

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Publication number
DE102016117760A1
DE102016117760A1 DE102016117760.1A DE102016117760A DE102016117760A1 DE 102016117760 A1 DE102016117760 A1 DE 102016117760A1 DE 102016117760 A DE102016117760 A DE 102016117760A DE 102016117760 A1 DE102016117760 A1 DE 102016117760A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
dof
ring
exoskeleton
head
mounted display
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102016117760.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Andre HERZOG
Frank Peters
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
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Publication of DE102016117760A1 publication Critical patent/DE102016117760A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00Simulators for teaching or training purposes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
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Abstract

Die Anordnung für einen Bewegungssimulator in Kombination mit einem stationären Ganzkörperexoskelett, einem Head-Mounted-Display und einem virtuellen Raum stellt eine neue Bauform für einen Bewegungssimulator dar.The arrangement for a motion simulator in combination with a stationary whole body exoskeleton, a head-mounted display and a virtual space represents a new design for a motion simulator.

Description

Die oben genannte Erfindung gehört zum technischen Hauptgebiet der Simulatoren oder auch sog. „Human-in-the-loop“ (HITL) Interaktions-Systeme; im Speziellen zum Gebiet der haptischen Ganzkörperschnittstellen für Anwendungen bei der Telerobotik und der virtuellen Realität (eng. Virtual Reality) und stellt eine neue Bauform für einen Bewegungssimulator dar. Die Erfindung stellt eine konstruktive Lösung dar zu den bereits beschriebenen Verfahren im Patent DE 10 2010 023 914 A1 und im PCT/USD2014/004735 . The above-mentioned invention belongs to the technical main field of simulators or so-called "human-in-the-loop" (HITL) interaction systems; in particular, the field of haptic whole-body interfaces for applications in telerobotic and virtual reality (virtual reality) and represents a new design for a motion simulator. The invention provides a constructive solution to the already described methods in the patent DE 10 2010 023 914 A1 and in PCT / USD2014 / 004735 ,

Der aktuelle technische Stand marktgängiger Simulatoren bzw. auch sog. „Human-in-the-loop“ (HITL) Interaktions-Systeme lässt sich wie folgt abgrenzen:

  • Gruppe 1: Benutzerinteraktionssysteme mit beschränkt physikalisch interagierender Simulationen
  • Gruppe 2: Benutzerinteraktionssysteme mit beschränkt physikalisch interagierender Simulationen und Anbindung an virtuelle Umgebungen
  • Gruppe 3: Benutzerinteraktionssysteme mit reinen Computersimulationen (virtuelle Räume). – Simulatoren der Gruppe 1 werden vorwiegend für Trainings- oder Testzwecke genutzt, bei denen die Ergebnisse als direkte physikalische Messwerte vorliegen müssen oder aber an konkreten Objekten nachgewiesen werden. Beispiele für Simulatoren der ersten Gruppe sind Crashtestsimulatoren, Wellen- und Windkanäle, Parabellflüge und Tauchbecken für das Weltraumtraining oder z. B. ein einfacher „Bull-ride-rodeo“-Simulator. – Simulatoren der Gruppe 2 finden vorwiegend Anwendung bei Trainingszwecken, wo eine direkte Aktions- / Reaktionskopplung auf den Menschen notwendig ist. Beispiele für Simulatoren der zweiten Gruppe sind Flug- und Fahrsimulatoren, Maschinensimulatoren für Arbeitsgeräte, bewegliche Trittplatten, omnidirektionale Laufbänder, Exoskelette innerhalb eines „CAVE-Projektorraumes“ und alle sonstigen Bewegungssimulatoren im Entertainmentbereich. – Die Gruppe 3 der reinen Computersimulationen stellt den größten Teil aller marktgängigen Simulatoren dar, da dies die derzeit einfachste und kostengünstigste Möglichkeit zur Simulation komplexer Vorgänge darstellt. Beispiele für Computersimulationen sind jederart von Computerspielen, sog. „CAVE-Projektionsräume“, Konstruktions- und Simulationsprogramme mit abstrakt physikalischen Modellen (z. B. Fahrzeug- / Flugzeugbau) oder aber jede Computersimulation mit einem mathematischen Vorhersagemodell.
The current technical state of commercially available simulators or so-called "human-in-the-loop" (HITL) interaction systems can be delimited as follows:
  • Group 1: User interaction systems with limited physically interacting simulations
  • Group 2: User interaction systems with limited physically interacting simulations and connectivity to virtual environments
  • Group 3: User interaction systems with pure computer simulations (virtual rooms). - Group 1 simulators are primarily used for training or testing purposes, where the results must be available as direct physical measurements or proven on concrete objects. Examples of simulators of the first group are crash test simulators, wave and wind tunnels, Parabell flights and diving tanks for space training or z. A simple "bull-ride-rodeo" simulator. - Group 2 simulators are primarily used for training purposes where a direct action / response coupling to humans is necessary. Examples of simulators of the second group are flight and driving simulators, machine simulators for implements, movable treadplates, omnidirectional treadmills, exoskeletons within a "CAVE projector room", and all other motion simulators in the entertainment field. - Group 3 of pure computer simulations represents the largest part of all marketable simulators, as this is currently the simplest and most cost-effective way to simulate complex operations. Examples of computer simulations are any of computer games, so-called "CAVE projection rooms," design and simulation programs with abstract physical models (eg, vehicle / aircraft construction), or any computer simulation with a mathematical prediction model.

Der Mangel des Standes der Technik stellt sich wie folgt dar:
Seit dem Jahr 2000 wird in der Forschung verstärkt nach Simulationssystemen gesucht, die es dem Menschen ohne Gefahren ermöglichen sollen, realitätsnah Vorgänge und Abläufe in gefährlichen und exponierten Bereichen zu trainieren oder die Steuerung von Geräten über eine VR-Telematik-Schnittstelle zu übernehmen. Die umfassendsten Forschungsprojekte dazu waren z. B. das „Proto 2“-Projekt der DARPA und der Sonderforschungsbereich 453 – „Wirklichkeitsnahe Telepräsenz und Teleaktion“ der DFG.
The deficiency of the prior art is as follows:
Since 2000, research has increasingly focused on the search for simulation systems that enable people to practice real-world processes and processes in hazardous and exposed areas without danger, or to take control of devices via a VR telematics interface. The most comprehensive research projects were z. For example, the "Proto 2" project of the DARPA and the Collaborative Research Center 453 - "Realistic Telepresence and Teleaction" of the DFG.

Innerhalb der letzten fünf Jahre ist im Bereich der Consumerelectronic und VR ein stetiges technisches Zusammenwachsen zu beobachten. Die großen Firmen der IT-Branche investieren teils erhebliche Summen in die Entwicklung und Bereitstellung digitaler Räume bzw. in VR-Anwendungen, um ihre Produktangebote weiter auszubauen. Firmen im Bereich der Herstellung von Consumerelectronic (z. B. Spielkonsolenhersteller oder Hersteller von Head-Mounted-Display´s) forcieren immer weiter den Ausbau ihrer Hardware in Richtung HITL-Simulatoren der zweiten Gruppe, um ihren Kunden eine stetig wachsende Realitätsnähe bieten zu können. Vordergründige F&E- bzw. Produktentwicklungen beschäftigen sich hier hauptsächlich mit der Schaffung neuer Interaktionsmöglichkeiten für den Menschen mit den jeweiligen VR bezogenen Computer-simulationen. Over the last five years, a steady technical convergence has been observed in the area of consumer electronics and VR. The big companies in the IT industry are investing considerable sums of money in the development and provision of digital rooms or in VR applications in order to further expand their product offerings. Companies in the field of manufacturing consumer electronics (eg game console manufacturers or manufacturers of head-mounted displays) are continuing to push their hardware development towards HITL simulators of the second group in order to be able to offer their customers a steadily growing realism , Outrageous R & D or product developments are mainly concerned with the creation of new ways of interacting with humans with the respective VR-related computer simulations.

Neben dem Bereich der Consumerelectronic, gibt es einen weiten Entertainmentbereich mit stetig wachsendem Marktpotential. Themenparks stellen ihre Unterhaltungsangebote ebenfalls immer mehr auf HITL-Simulatoren der Gruppe 2 um. Hierbei handelt es sich größtenteils um die Umstellung von passiven 3D- bzw. 4D-Kinos in Bewegungssimulatoren mit VR-Anbindung. Auch im Ausbildungssektor wird derzeit noch auf Simulationen gesetzt, welche per einfachem Joystick funktionieren und so nur ungenügend z. B. Gefahrensituationen abbilden können. In addition to the field of consumer electronics, there is a wide entertainment area with steadily growing market potential. Theme parks are also increasingly switching their entertainment offerings to Group 2 HITL simulators. Most of these involve the conversion of passive 3D or 4D cinemas into motion simulators with VR connection. Even in the education sector is currently still set to simulations that work with a simple joystick and so insufficiently z. B. can represent dangerous situations.

Die Einbindung des Menschen über eine Schnittstelle in eine VR-Computersimulation mit seinen gesamten natürlichen motorischen Fähigkeiten ist derzeit nur bedingt realisiert worden. Es gibt bereits erste Produkte, die hier Lösungen für Bewegungssimulatoren anbieten, jedoch vereinen diese noch nicht die folgenden vier charakteristischen Eigenschaften, die für ein weitgehend natürliches Präsenzempfinden notwendig sind:

  • 1. Bewegungsfreiheit im virtuellen Raum (entlang aller 6 Dimensionen),
  • 2. Handlungsfreiheit (Körperhaltung),
  • 3. Interaktion mit virtuellen Objekten (bilateral),
  • 4. Einbindung der motorischen Fähigkeiten des gesamten menschlichen Körpers.
The integration of humans via an interface into a VR computer simulation with all its natural motor skills has currently been realized only to a limited extent. There are already first products that offer solutions for motion simulators here, but they do not yet combine the following four characteristic features, which are necessary for a largely natural sense of presence:
  • 1. Freedom of movement in virtual space (along all 6 dimensions),
  • 2. freedom of action (posture),
  • 3. interaction with virtual objects (bilateral),
  • 4. Integration of the motor skills of the entire human body.

Um das Potential der virtuellen Realität auszuschöpfen, wurde von den Erfindern eine multimodale Ganzkörperschnittstelle entwickelt, die es dem Nutzer ermöglicht, sich vollständig körperlich und uneingeschränkt interaktorisch innerhalb der VR präsent zu fühlen. Eine weiträumige haptische Interaktion muss zusätzlich möglich sein. Bisherige Technologien erreichen nur einen beschränkten Grad an Immersion. Entweder werden nicht alle Sinne des Nutzers stimuliert, was schnell zur Simulatorkrankheit führt, oder technische Restriktionen der Simulatoren stören das Präsenzempfinden erheblich. In order to exploit the potential of virtual reality, the inventors have developed a multimodal full body interface that makes it possible allows the user to feel fully physically and fully interactively within the VR. An extensive haptic interaction must also be possible. Previous technologies only achieve a limited degree of immersion. Either not all the senses of the user are stimulated, which leads quickly to the simulator disease, or technical restrictions of the simulators disturb the sense of presence considerably.

Multimodale Schnittstellen zeichnen sich durch die Stimulation unterschiedlicher Sinne aus. Bei der vorliegenden Erfindung werden der visuelle, auditive, haptische und vestibuläre Sinn stimuliert. Für eine Erfahrung der Weiträumigkeit ist besonders der kinästhetische Teil der haptischen Wahrnehmung wichtig, weshalb auf eine aktive Stimulation der taktilen Sinneswahrnehmung verzichtet wird. Multimodal interfaces are characterized by the stimulation of different senses. The present invention stimulates the visual, auditory, haptic and vestibular sense. For an experience of spaciousness, especially the kinaesthetic part of the haptic perception is important, which is why an active stimulation of the tactile sensory perception is omitted.

Um das Gefühl der Immanenz zu verstärken, ist es wichtig, dem Nutzer einen, von ihm direkt gesteuerten, virtuellen Körper (Avatar) bereitzustellen. Der Avatar imitiert die Bewegungen des Nutzers nahezu synchron und alle auf den Avatar wirkenden virtuellen Einflüsse können vom Nutzer wahrgenommen werden (visuell, auditiv, haptisch und vestibulär). In order to increase the sense of immanence, it is important to provide the user with a direct virtual body (avatar). The avatar mimics the movements of the user almost synchronously and all virtual influences acting on the avatar can be perceived by the user (visual, auditory, haptic and vestibular).

Die technische Problemstellung besteht darin, einen GanzkörperVR Bewegungssimulator zu entwickeln, der einen sehr sicheren Betrieb ermöglicht, minimalen Platzbedarf aufweist und hohe Performance mit nur zwei rotatorischen Freiheitsgraden erreicht (engl. Degree of Freedom, kurz DoF). Alle Anordnungsvarianten der zwei rotatorischen DoF´s haben immer eine Gelenkkonfiguration, bei dem der Pitch und Roll des Nutzers nicht gleichzeitig vorliegen. Die vorliegende Idee verlagert diesen Punkt in eine Gelenkkonfiguration (auf der Seite liegen), die möglichst nicht alltäglich ist, besonders nicht bei aktiven Handlungen. The technical problem is to develop a GanzkörperVR motion simulator, which allows a very safe operation, has minimal space requirements and high performance achieved with only two rotational degrees of freedom (Degree of Freedom, short DoF). All arrangement variants of the two rotary DoFs always have a joint configuration in which the pitch and roll of the user are not present at the same time. The present idea shifts this point into a joint configuration (lying on the side) that is as far as possible from everyday life, especially not with active actions.

Die Aufgabe zur Behebung des Mangels des Standes der Technik besteht darin, einen HITL-Simulator der Gruppe 2 – Benutzerinteraktionssysteme mit beschränkt physikalisch interagierender Simulationen und Anbindung an virtuelle Umgebungen – zu bauen, der aus der Kombination von:

  • 1) einem Bewegungssimulator,
  • 2) einem Ganzkörperexoskelett,
  • 3) ein auf dem Kopf getragenes visuelles
  • Ausgabegerät (Head-Mounted-Display, HMD)
  • 4) einem virtueller Raum (Virtual Reality)
besteht und somit ein neuartiges Gesamtsystem ergibt. Die angestrebte Funktionalitätssteigerung dieser Kombination zeichnet sich durch die folgenden vier charakteristischen Eigenschaften aus:
  • 1) Bewegungsfreiheit im virtuellen Raum (entlang aller 6 Dimensionen),
  • 2) Handlungsfreiheit (Körperhaltung),
  • 3) Interaktion mit virtuellen Objekten (bilateral),
  • 4) Einbindung der motorischen Fähigkeiten des gesamten menschlichen Körpers.
The purpose of addressing the shortcoming of the prior art is to build a Group 2 HITL simulator - user interaction systems with limited physically interacting simulations and virtual environment connectivity - that consists of the combination of:
  • 1) a motion simulator,
  • 2) a whole body exoskeleton,
  • 3) a visual worn on the head
  • Output device (head-mounted display, HMD)
  • 4) a virtual space (virtual reality)
exists and thus results in a novel overall system. The desired increase in functionality of this combination is characterized by the following four characteristic properties:
  • 1) freedom of movement in virtual space (along all 6 dimensions),
  • 2) freedom of action (posture),
  • 3) interaction with virtual objects (bilateral),
  • 4) Integration of the motor skills of the entire human body.

Die beschriebene Anforderung der Sinnesstimulation kann nur durch ein umfangreiches technisches System erfüllt werden, dem ein ausgereiftes Konzept zu Grunde liegt. Für den vestibulären Sinneseindruck ist ein Bewegungssimulator erforderlich. Für den haptischen Sinneseindruck und die Interaktion mit der VR ist ein Ganzkörperexoskelett geeignet. Beide Teilsysteme, Bewegungssimulator und Exoskelett, werden zu einem System kombiniert. Visueller und auditiver Sinn werden über bereits etablierte Technologien, wie HMD 3D-Brille und Kopfhörer, stimuliert und zum System hinzugefügt. Die VR wird über handelsübliche Hard- und Software bereitgestellt und auf die spezielle Anwendung hin angepasst und erweitert. Insgesamt baut das System auf ausgereifte Technologien auf, welche durch ein innovatives Gesamtkonzept zusammengefügt werden. The described requirement of sensory stimulation can only be met by an extensive technical system, which is based on a mature concept. For the vestibular sensory impression, a movement simulator is required. For the haptic sensation and the interaction with the VR, a whole body exoskeleton is suitable. Both subsystems, motion simulator and exoskeleton, are combined into one system. Visual and auditive senses are stimulated and added to the system via established technologies such as HMD 3D glasses and headphones. The VR is provided via standard hardware and software and adapted to the specific application and expanded. Overall, the system is based on mature technologies, which are joined together by an innovative overall concept.

Der Bewegungssimulator besteht in der Anordnung eines durchdrehend gelagerten Rings mit ebenfalls drehend gelagerten Traverse auf einem Sockel (entspr. 1). Die Anordnung ermöglicht maximale Bewegungssimulation mit nur zwei rotatorischen DoF bei minimaler technischer Anforderung (und damit wirtschaftlichen Vorteilen).

  • 1) DoF 1: Achse 1, Rotation durch drehbar gelagerten Ring (endlos drehend), ändert die Orientierung von DoF 2 (Achse 2)
  • 2) DoF 2: Achse 2, Rotation durch klassisches Drehgelenk (endlos drehend), abhängig von DoF 1, steht orthogonal auf DoF 1. Gemeinsamer Schnittpunkt liegt im Ringmittelpunkt.
The motion simulator consists in the arrangement of a rotationally mounted ring with likewise rotatably mounted traverse on a pedestal (entspr. 1 ). The arrangement allows maximum motion simulation with only two rotary DoF with minimal technical requirements (and thus economic advantages).
  • 1) DoF 1: Axis 1, rotation by rotatably mounted ring (infinitely rotating), changes the orientation of DoF 2 (axis 2)
  • 2) DoF 2: Axis 2, rotation by classical swivel (infinitely rotating), dependent on DoF 1, is orthogonal to DoF 1. Common intersection point lies in the center of the ring.

Der Bewegungssimulator ist in den 1 bis 4 dargestellt. The motion simulator is in the 1 to 4 shown.

Der Sockel in den 4 und 5 sorgt für einen sicheren und stabilen Stand des Simulators. Er trägt die beiden Rollenträger gemäß 10. Diese sind mit dem Sockel gelenkig drehend gelagert, um Ringverformungen automatisch auszugleichen. Die Rollenträger sorgen dafür, dass der Ring laut 6 sich nur um DoF 1 drehen kann und sonst keine weiteren Translationen oder Rotationen durchführen kann. Die Tragrollen tragen dabei das Gewicht des Ringes und dienen gleichzeitig als Antriebsrollen. Die Spurkranzrollen sichern den Ring gegen ein Abheben oder eine axiale Verschiebung ab. Der Ring besteht aus 6 Segmenten, damit er demontiert werden kann. Er kann sich unendlich lange um DoF 1 drehen. An ihm ist die Traverse gemäß 9 gelenkig befestigt und unendlich um DoF 2 drehend gelagert. An der Traverse werden dann mittig das Exoskelett mit der Aktorikkammer befestigt. Die Plattform dient dem Ein- und Ausstieg aus dem Simulator. Der Nutzer wird vom Boden nach oben gefahren (vertikal, entgegen Gravitationsrichtung), bis die Hüfte des Nutzers mit der Hüfte des Exoskelettes in der Höhe übereinstimmt. Nach der Nutzeraufnahme und Exoskelettkalibrierung fährt die Plattform wieder in die Ausgangslage zurück, um den Betrieb nicht zu stören. The pedestal in the 4 and 5 ensures a safe and stable state of the simulator. He wears the two roll carriers according to 10 , These are hinged with the base pivoting to automatically compensate for ring deformations. The roller carriers ensure that the ring is loud 6 can only rotate around DoF 1 and otherwise can not perform any further translations or rotations. The support rollers carry the weight of the ring and also serve as drive rollers. The flange rollers secure the ring against lifting or axial displacement. The ring consists of 6 segments so that it can be dismantled. He can turn around DoF 1 for an infinite amount of time. At him the Traverse is according to 9 hinged and infinitely mounted to DoF 2 rotating. At the Traverse then the center Exoskeleton attached to the Aktorikkammer. The platform is used for entry and exit from the simulator. The user is driven up from the ground (vertically, against the direction of gravity) until the user's waist coincides with the height of the hip of the exoskeleton. After user acquisition and exoskeleton calibration, the platform returns to its original position so as not to disturb the operation.

Die Energieversorgung des Exoskelettes und der Motoren von DoF 2 wird über Schleifkontakte sichergestellt. Die Datenübertragung kann ebenfalls über Schleifkontakte oder über WLAN / Funk erfolgen. The power supply of the exoskeleton and the motors of DoF 2 is ensured by sliding contacts. The data transmission can also be made via sliding contacts or via WLAN / radio.

Der Sockel gemäß 5 sorgt für einen sicheren und stabilen Stand des Simulators. Er trägt die beiden Rollenträger. Diese sind mit dem Sockel gelenkig drehend gelagert, um Ringverformungen automatisch auszugleichen. Der Sockel ist demontierbar (durch Verschraubungen) und damit leicht zu transportieren. Er trägt zudem Baugruppen für Leistungselektronik und elektronische Datenverarbeitung. Die Befestigung eines Nutzerinterfaces ist möglich. Der Sockel besteht aus dem Rechteckrohr 1 1.1, Rechteckrohr 2 1.2, Knotenblech 1.3, Rechteckrohr 3 1.4, Sockelsäule A 1.5 und Sockelsäule B 1.6. The socket according to 5 ensures a safe and stable state of the simulator. He carries the two roll carriers. These are hinged with the base pivoting to automatically compensate for ring deformations. The base is removable (by screwing) and thus easy to transport. He also carries assemblies for power electronics and electronic data processing. The attachment of a user interface is possible. The base consists of the rectangular tube. 1 1.1 , Rectangular tube 2 1.2 , Gusset plate 1.3 , Rectangular tube 3 1.4 , Pedestal column A 1.5 and base column B 1.6 ,

Der Ring gemäß der 6, der 7 und der 8 besteht aus 6 gleichartigen Ringsegmenten, wobei zwei dieser Segmente zusätzliche Bohrungen aufweisen, um das Gelenk von DoF 2 daran befestigen zu können. Die Ringsegmente werden miteinander verschraubt, womit der Ring demontierbar und leicht zu transportieren ist. Der Ring verfügt über zwei Rollenlaufflächen für die Tragrollen an der Ringunterseite und über zwei Laufflächen für die Spurkranzrollen. Er besteht aus einem gebogenen Rechteckrohr mit angeschweißten Laufflächen und Versteifungsblechen. Er verfügt über mehrere Schleifkontaktbahnen für die Übertragung von elektrischer Leistung sowie elektrischen Daten. Das Material muss nicht zwingend Stahl sein, sondern kann auch Aluminium oder Ähnlich sein. An der Stahlkonstruktion werden später Verkleidungselemente angebracht. The ring according to the 6 , of the 7 and the 8th consists of 6 similar ring segments, with two of these segments have additional holes to attach the joint of DoF 2 can. The ring segments are bolted together, making the ring disassembled and easy to transport. The ring has two roller treads for the idlers on the underside of the ring and two treads for the flange wheels. It consists of a curved rectangular tube with welded treads and stiffening plates. It has several sliding contact tracks for the transmission of electrical power as well as electrical data. The material does not necessarily have to be steel, but can also be aluminum or similar. At the steel construction later cladding elements are attached.

Die Traverse gemäß 9 ist gelenkig am Ring drehend gelagert und wird sowohl durch DoF 1 als auch durch DoF 2 in ihrer Orientierung verändert. Sie besteht aus einer Stahlkonstruktion 3.1, welche über eine Bohrung und Lagerschale für das Lager vom Drehgelenk für DoF 2 verfügt 3.2 und welche über eine Bohrung für Befestigung des Exoskelettes und der Aktorikkammer verfügt 3.3. Die Rotationsachse DoF 2 ist mit eingezeichnet. The crossbar according to 9 is pivotally mounted on the ring rotating and is changed by both DoF 1 and DoF 2 in their orientation. It consists of a steel structure 3.1 , which has a bore and bearing shell for the bearing of the rotary joint for DoF 2 3.2 and which has a bore for attachment of the exoskeleton and Aktorikkammer 3.3 , The rotation axis DoF 2 is marked with.

Die Aufgabe der Traverse ist die Befestigung der Aktorikkammer und des Exoskelettes und die Übertragung der Rotationsbewegung auf diese Bauteile. In der Traverse werden Kabel für Energie- und Datentransport verlegt. Auch können die Motoren von DoF 2 in der Traverse untergebracht werden. The task of the traverse is the attachment of Aktorikkammer and the exoskeleton and the transmission of rotational movement to these components. In the traverse cables are laid for energy and data transport. Also, the engines of DoF 2 can be accommodated in the Traverse.

Eine Plattform 4 ist vertikal begrenzt verschiebbar und sorgt dafür, dass der Nutzer darauf stehen kann und angehoben wird, bis seine Hüfte auf der Hüfthöhe des Exoskelettes ist. Dann senkt sie sich wieder ab, um den Betrieb nicht zu stören. A platform 4 is vertically slidable and allows the user to stand on it and be lifted until its hip is at the hip level of the exoskeleton. Then it lowers again, so as not to disturb the operation.

Der Rollenträger gemäß 10 verfügt über eine Stahlkonstruktion 5.1, 4 Spurkranzrollen 5.2 und 4 Tragrollen 5.3. Die Stahlkonstruktion kann auch aus anderen Materialien, wie z. B. Aluminium, gefertigt sein. Die Spurkranzrollen sind nicht aktiv angetrieben und sichern den Ring gegen ein Umkippen, ein radiales Abheben und eine axiale Verschiebung ab. Die Tragrollen tragen das Gewicht des Ringes und sind gleichzeitig Antriebsrollen. Der Motor dazu ist z. B. ein Elektromotor, verbunden mit einem Kettenrad. The roller carrier according to 10 has a steel construction 5.1 , 4 flange rings 5.2 and 4 carrying rollers 5.3 , The steel structure can also be made of other materials, such. B. aluminum, be made. The wheel flange rollers are not actively driven and secure the ring against tipping, radial lifting and axial displacement. The carrying rollers carry the weight of the ring and are at the same time drive rollers. The engine is z. B. an electric motor connected to a sprocket.

DoF 1: DoF 1:

DoF 1 wird durch die Bewegung des Ringes in den Rollenträgern ermöglicht. Auf diese Weise wird eine Rotation entlang der Achse von DoF 1 erreicht. Diese Rotation ist unendlich möglich und wird somit durch keine technischen Restriktionen eingeschränkt. DoF 1 dreht den Ring, DoF 2 und die Traverse mit Aktorikkammer, Exoskelett und Nutzer. DoF 1 is made possible by the movement of the ring in the roll carriers. In this way, a rotation along the axis of DoF 1 is achieved. This rotation is infinitely possible and is therefore not restricted by any technical restrictions. DoF 1 turns the ring, DoF 2 and the traverse with actuator chamber, exoskeleton and user.

DoF 2: DoF 2:

DoF 2 wird durch das Drehgelenk zwischen Ring und Traverse erzeugt und dreht, ebenfalls unendlich durchdrehbar, die Traverse mit Aktorikkammer, Exoskelett und Nutzer. DoF 2 wird selbst durch DoF 1 in seiner Orientierung beeinflusst, hängt also von DoF 1 ab. DoF 2 is generated by the swivel joint between the ring and traverse and rotates, also infinitely twistable, the traverse with actuator chamber, exoskeleton and user. DoF 2 itself is influenced by DoF 1 in its orientation, so it depends on DoF 1.

An den Gelenken werden Sensoren angebracht. Verschiedene Positionssensoren sind denkbar. Die Antriebe werden rückstellbar gestaltet. Zusammen mit einer geplanten Außermittigkeit des Schwerpunktes von Ring, Traverse, Aktorikkammer, Exoskelett und Nutzer wird bei Energieausfall der Nutzer automatisch in eine aufrechte Position gedreht (Füße nach unten, aufrechter Stand). Über mechanische manuelle Feststellbremsen oder automatische Feststellbremsen, welche die Zielorientierung bei Stromausfall mechanisch fixieren, können ungewollte Bewegungen von Ring und Traverse beim Ausstieg des Nutzers vermieden werden. Sensors are attached to the joints. Various position sensors are conceivable. The drives are designed to be recoverable. Together with a planned eccentricity of the center of gravity of the ring, traverse, actuator chamber, exoskeleton and user, the user is automatically turned into an upright position (feet down, upright) in case of power failure. By mechanical manual parking brakes or automatic parking brakes, which mechanically fix the target orientation in case of power failure, unwanted movements of the ring and crossbar when leaving the user can be avoided.

Es ist möglich, den Bewegungssimulator komplett translatorisch beweglich zu lagern, um auch translatorische Beschleunigungen ohne Motion Cueing erzeugen zu können. Besonders die Bewegung in Gravitationsrichtung bietet sich als realisierungswürdig an. It is possible to store the motion simulator in a completely translatory manner in order to also be able to generate translatory accelerations without motion cueing. In particular, the movement in the direction of gravity offers itself as worthy of realization.

Die 11, 12, 13 und 14 zeigen die Arbeitsweise des Bewegungssimulators BS. The 11 . 12 . 13 and 14 show the operation of the motion simulator BS.

Es ist möglich, noch einen oder mehrere translatorische Freiheitsgrade vor, nach oder zwischen die beiden Freiheitsgrade DoF 1 und DoF 2 zu integrieren. It is possible to integrate one or more translatory degrees of freedom before, after or between the two degrees of freedom DoF 1 and DoF 2.

Weitere Vorteile sind:

  • 1) räumliche Begrenzung für derzeitige VR Anwendungen wird mit dem neuartigen Bewegungssimulator aufgehoben
  • 2) sicherer Simulatorbetrieb, auch bei Not-aus-Situationen: a. Nutzer bewegt sich nicht translatorisch, keine Möglichkeit, dass der Körper mit anderen Bauteilen kollidiert b. Der Durchmesser des Rings ist so groß, dass ein 95 Perzentil der Bevölkerung ihn nicht mit Händen oder Füßen berühren kann. c. Die Drehgelenke sind so weit vom Nutzer entfernt, dass er mit Körperteilen nicht hingelangt. Eine Quetschung ist damit ausgeschlossen. d. Alle weiter daran befestigten Bauteile, inklusive Nutzer, haben einen außermittig liegenden Schwerpunkt. Bei Stromausfall (z. B. durch Notaus) orientiert sich das Gerät durch die Schwerkraft so, dass der Nutzer aufrecht steht (die Beine zeigen nach unten).
  • 3) maximale Bewegungssimulation mit nur zwei rotatorischen DoF´s
  • 4) minimierter Platzbedarf gegenüber herkömmlichen Simulatoren
  • 5) günstige Einbaubedingung für Motor von DoF 1 dank hoher Drehzahlübersetzung
  • 6) höhere Wirtschaftlichkeit durch hohe Performance (unendliches Durchdrehen, Anordnung DoF) bei geringer Anlagenkomplexität.
Further advantages are:
  • 1) Spatial limitation for current VR applications is lifted with the novel motion simulator
  • 2) safe simulator operation, even in emergency stop situations: a. User does not translate, no possibility of body colliding with other components b. The diameter of the ring is so large that a 95 percentile of the population can not touch it with his hands or feet. c. The hinges are so far away from the user that he can not get away with body parts. A contusion is excluded. d. All further attached components, including users, have an off-centered center of gravity. In the event of a power failure (eg emergency stop), gravity directs the device so that the user stands upright (legs pointing downwards).
  • 3) maximum motion simulation with only two rotational DoF's
  • 4) minimized space requirements compared to conventional simulators
  • 5) favorable installation condition for engine of DoF 1 thanks to high speed ratio
  • 6) higher efficiency due to high performance (infinite spin, arrangement DoF) with low system complexity.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sockel  base
1.11.1
Rechteckrohr 1  Rectangular tube 1
1.21.2
Rechteckrohr 2  Rectangular tube 2
1.31.3
Knotenblech  gusset plate
1.41.4
Rechteckrohr 3  Rectangular tube 3
1.51.5
Sockelsäule A  Base column A
1.61.6
Sockelsäule B  Base column B
22
Ring  ring
2.12.1
Ringsegment  ring segment
2.22.2
Ringsegment  ring segment
2.32.3
Ringsegment  ring segment
2.42.4
Ringsegment  ring segment
2.52.5
Ringsegment  ring segment
2.62.6
Ringsegment  ring segment
33
Traverse  traverse
3.13.1
Stahlkonstruktion  steel construction
3.23.2
Bohrung und Lagerschale für Lager von Drehgelenk für DoF 2  Bore and bearing shell for bearings of swivel joint for DoF 2
3.33.3
Bohrungen für Befestigung des Exoskelettes und der Aktorikkammer, Achse von DoF 2  Holes for attachment of the exoskeleton and the actuator chamber, axis of DoF 2
44
Plattform  platform
55
Rollenträger  roller carrier
5.15.1
Stahlkonstruktion  steel construction
5.25.2
Spurkranzrolle auf Welle  Flange roller on shaft
5.35.3
Tragrollen auf Welle mit Kettenrad  Idlers on shaft with sprocket
BSBS
Bewegungssimulator  motion simulator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010023914 A1 [0001] DE 102010023914 A1 [0001]
  • US 2014/004735 [0001] US 2014/004735 [0001]

Claims (1)

Anordnung für einen Bewegungssimulator in Kombination mit einem stationären Ganzkörperexoskelett, einem Head-Mounted-Display und einem virtuellen Raum dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringkonstruktion des Bewegungssimulators (BS) in Verbindung mit einem Sockel (1) und einem an der Traverse (3) mittig angesetztem Exoskelett oder einem anderen Befestigungselement für einen Menschen ausgeführt ist und die Ringkonstruktion des Bewegungssimulators (BS) in Verbindung mit einem Head-Mounted-Display steht und die Ringanordnung der Ringkonstruktion einen rotatorischen DoF als Lineargelenk auf Kreisbahn und einen rotatorischen DoF als Drehgelenk aufweist und weiterhin eine höhenverstellbare Plattform (4) im Einstiegsbereich gegeben ist, um den Nutzer auf die Höhe des Exoskelettes anzuheben, sowie eine Außenmittigkeit des Gesamtschwerpunktes von Ring (2), Traverse (3) und allen an der Traverse (3) befestigten Teilsystemen plus menschlichem Nutzer vorliegt. Arrangement for a movement simulator in combination with a stationary whole body exoskeleton, a head-mounted display and a virtual space, characterized in that a ring construction of the movement simulator (BS) in conjunction with a pedestal ( 1 ) and one at the Traverse ( 3 ) is executed centrally attached exoskeleton or other fastener for a human and the ring structure of the motion simulator (BS) in conjunction with a head-mounted display and the ring assembly of the ring construction has a rotational DoF as a linear joint on circular path and a rotary DoF as a hinge and also a height-adjustable platform ( 4 ) in the entry area to raise the user to the level of the exoskeleton, as well as an external center of gravity of Ring ( 2 ), Traverse ( 3 ) and all at the Traverse ( 3 ) attached subsystems plus human user.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010023914A1 (en) 2010-03-02 2011-09-08 Marcel Reese Method and device for controlling a governor
US20140004735A1 (en) 2012-07-02 2014-01-02 Tyco Electronics Japan G.K. Card Connector

Patent Citations (2)

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