DE10060466A1

DE10060466A1 - Vorrichtung zur Messung der Beinbewegung und zur Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation

Info

Publication number: DE10060466A1
Application number: DE10060466A
Authority: DE
Inventors: Jan Horbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-06

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Erfassung einer Geh-/Lauf-Bewegung sowie die Simulation einer virtuellen Umgebung und virtuellen Untergrundes am sich letztendlich nicht fortbewegenden Benutzer zu verbinden. DOLLAR A Der Benutzer befindet sich im Gestell (1), seine Füße sind jeweils auf den Trittflächen (2a, b) fixiert. An den Gelenken (3 bis 8a/b) befinden sich Winkelmesser und dosierbare Bremsen oder Motoren, die die Kräfte, die aus den Gegebenheiten einer virtuellen Umgebung resultieren, an die Beine des Benutzers übertragen. Die Auswertung der Daten der Winkelmessung sowie die Steuerung der Bremsen oder Motoren erfolgt auf einem Steuergerät oder dem Computer, der die sonstige Simulation der virtuellen Umgebung übernimmt. DOLLAR A Simulation der Bewegung in einer virtuellen Umgebung mittels der Beine sowie Fitness- und Rehabilitations-Übungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Beinbewegung und zur Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Die Messung einer Geh-/Lauf-Bewegung erfolgt bekannterweise zum Beispiel über mechanische Sensoriksysteme oder mittels optischer Systeme am gehenden Benutzer, etwa auf einem Laufband. Systeme zur Simulation einer Gehbewegung in virtuellen Räumen sind in anderer Form bekannt (vgl. US 5,583,407; US 6,102,832; US 5,792,031; US 5,562,572).

Kritik zum Stand der Technik

Die Simulation einer uneingeschränkten Laufbewegung in einer virtuellen Umgebung ist derzeit nicht zweckmäßig und unter akzeptablem Aufwand möglich.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Erfassung einer Geh-/Lauf-Bewegung sowie die Simulation einer virtuellen Umgebung und Untergrundes am sich letztendlich nicht fortbewegenden Benutzer zu verbinden, wobei das volle Spektrum der Bewegungsmöglichkeiten erhalten bleiben soll. Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei der Realisierung von jeglicher Bewegung in virtuellen Welten, die mittels Beine erfolgen kann, sowie bei Rehabilitationsmaßnahmen, da die Geh-/Laufbewegung in all ihren Parametern beeinflußt werden kann, sowie für Fitnessübungen.

Lösung

Die Abstände zwischen Trittflächen (2a, 2b), Gelenken seitlich des Knies (3a, 3b) und den Gelenken (4a, 4b) an der Hüfte werden der Länge von Unter- und Oberschenkel so angepaßt, daß die Gelenke der Mechanik in Höhe der entsprechenden Gelenke des Benutzers plaziert werden können. Diese Anpassung erfolgt über die längenmäßige Einstellung der Verbindungen (9a, 9b und 10a, 10b).

Das Gestell (1) ist zweckmäßig mit Stützen (16) versehen, die einen stabilen Stand gewährleisten, die Bewegungsfreiheit des Benutzers aber nicht einschränken. Das kann zum Beispiel ein Dreibein sein, dessen Stützen (16) ausreichend schräg nach außen stehend angebracht sind. Der Benutzer befindet sich im Gestell (1), wobei er entweder frei mit jeweils einem Fuß auf den Trittflächen (2a bzw. 2b) steht oder auf einem Sitz sitzt oder in einem Sitzgurt (11) hängt und ebenfalls die Füße auf den Trittflächen (2a bzw. 2b) stehen hat. Die gesamte Mechanik zur Bewegungsmessung befindet sich momentan in gestrecktem Zustand, parallel zum Beinverlauf des Benutzers. Sofern ein Sitz oder Sitzgurt (11) verwendet wird, ist dieser in der Höhe so zu verstellen, daß sich das Hüftgelenk des Benutzers in der Höhe der zugehörigen Gelenke (4 bis 6a/b) befindet. Dies geschieht über längenmäßige Einstellung der Befestigungen (15a/b) des Sitzgurtes. Ein Sitz kann in der selben Weise befestigt werden. Das Gestell (1) kann um den Benutzer herum in Hüfthöhe geschlossen sein, um ihm Halt zu geben. Das Gestell kann mit Polsterung und zweckmäßiger Öffnung (12) zum Be- und Entsteigen ausgestattet sein. Die Füße des Benutzers werden auf den Trittflächen (2a bzw. 2b) zweckmäßig, zum Beispiel mit Riemen, fixiert. Um die Oberschenkel des Benutzers werden die Gurte am Oberschenkel (19a/b) fixiert, um besseren Kraftfluß zu erreichen. Diese Gurte sind zweckmäßig an der Verbindung parallel zum Oberschenkel (9a, 9b) befestigt. Durch anlegen eines zweckmäßigen Schultergurtes (17a/b) ist es möglich, stärkere mechanische Widerstände an den Beinen zu überwinden, als das Körpergewicht des Benutzers als Gegenkraft aufbieten kann. Dies kann bei Fitness-Übungen von Vorteil sein.

In Hüfthöhe befinden sich seitlich des linken und rechten Hüftgelenks jeweils drei Gelenke (4, 5, 6a/b), die die Bewegungsfreiheit der Hüfte in Vorwärts- und Seitwärts- Richtung sowie die Rotation des Beines im Hüftgelenk ermöglichen. Rotationsbewegung des Kniegelenks wird durch das Drehgelenk (8a/b) seitlich unterhalb des Knies zugelassen. An den Trittflächen (2a, 2b) ist ein Gelenk (7a, 7b) seitlich des Sprunggelenkes angebracht, das an der Verbindung parallel des Unterschenkels (10a, 10b) ansetzt.

Die Winkellagen aller Gelenke der Anordnung werden in zweckmäßigen kurzen zeitlichen Abständen oder kontinuierlich über Winkelmesser bestimmt und an ein Steuergerät weitergegeben. Sofern eine virtuelle Umgebung simuliert wird, kann das Steuergerät mit dem Computer identisch sein, der die virtuelle Umgebung optisch darstellt und simuliert. Mittels dieser Werte kann in einem mathematischen Modell der Beine deren Position in einem virtuellen Raum insbesondere bezüglich eines virtuellen Bodens bestimmt werden. In diesem mathematischen Modell können jetzt Berührungspunkte der Beine mit der simulierten Umgebung sowie die auf die Beine wirkenden Kräfte ermittelt werden. Dies kann durch bekannte Algorithmen realisiert werden. Durch entsprechende Signale des Steuergeräts kann mittels zweckmäßiger dosierbarer Bremsen an allen Gelenken (3 bis 8a/b) der Anordnung die momentan wirkende Gegenkraft auf den Benutzer erzeugt werden, als ob er wirklich auf einem echten Untergrund steht und/oder sich fortbewegt. Um realistische Kräfte etwa bei der Bewegung des Treppensteigens zu erzeugen, muß das Gewicht des Benutzers in etwa bekannt sein. Wenn der Benutzer ein Bein anhebt, wird der Widerstand, den die Reibung des Fußes auf dem virtuellen Boden erzeugt, weggenommen, das Bein ist frei bewegbar, sofern der Fuß nicht auf das Niveau des virtuellen Bodens kommt oder mit Hindernisse im virtuellen Raum kollidiert, die analog zu Hindernissen in der Realität einen Widerstand mittels der Bremsen hervorrufen. Mittels des mathematischen Modells der Beinposition und der Simulation von Kräften auf die Beine kann jede Bewegung des Benutzers im Raum simuliert werden. Für den außenstehenden Betrachter sieht etwa die Bewegung, die für den Benutzer als reales Gehen wirkt, aus, als würde der Benutzer in der Luft hängend gehen.

Statt der Realisierung mittels dosierbarer Bremsen ist auch eine Realisierung mittels elektrischer oder hydraulischer Motoren denkbar. Diese Motoren erzeugen an den Gelenken (3 bis 8a/b) ein variables definiertes Drehmoment, entsprechend der Ansteuerung durch das Steuergerät. Bei Verwendung von Motoren kann das Eigengewicht der Apparatur durch Arbeit der Motoren kompensiert werden, damit der Benutzer nicht das Gefühl hat, schwerere Beine zu haben. Zudem kann die Bewegung in die Hocke gehen simuliert werden.

Erzielbare Vorteile

Durch Visualisierung der virtuellen Umgebung (und der Bewegung in ihr) auf einem Computer mittels Bildschirm oder Videobrille hat der Benutzer den Eindruck, sich wirklich zu bewegen.

Da alle Freiheitsgrade der Beinbewegung erhalten bleiben und an allen Gelenken Gegenkräfte simuliert werden können, ist jegliche Bewegung der Beine (die man aufrecht ausführen kann) und die damit verbundene Fortbewegung, simulierbar. Dies Umfasst zum Beispiel auch Drehungen (sofern diese von einer Beinbewegung ausgeht) um die senkrechte Körperachse, seitwärts gehen, Kurven laufen, Bewegung auf geneigten Flächen und Treppensteigen. Hindernisse in der Virtuellen Umgebung werden dadurch fühlbar, daß ein großer Widerstand an den Gelenken der Apparatur erzeugt wird, wenn man beispielsweise durch eine virtuelle Wand gehen möchte oder sich in Positionen bewegt, wo sich virtuelle Gegenstände befinden. Die Art des Untergrundes, zum Beispiel Eis oder weicher Boden, können simuliert werden. Für Rehabilitationsübungen kann das wirkende Gewicht des Benutzers bei einer Ausführung mit Sitzgurt (11) oder Sitz reduziert werden, in dem die Gegenkräfte der Mechanik reduziert werden. Ein Einsatz für Fitness-Übungen ist ebenfalls denkbar, wobei diese Anwendungsmöglichkeit mit der Simulation einer virtuellen Umgebung verknüpft werden kann. Durch Benutzung der Schultergurte (17a/b) kann man auch mit Kräften arbeiten, die die durch das Körpergewicht erzeugte Gegenkraft übersteigen.

Aufstellung der Bezugszeichen

a Teil an Mechanik für linkes Bein
b Teil an Mechanik für rechtes Bein

1

Gestell

2

a/b Trittflächen

3

a/b Gelenk/Bremse/Winkelmesser am Knie

4, 5, 6

a/b Gelenke/Bremsen/Winkelmesser an Hüfte

7

a/b Gelenk/Bremse/Winkelmesser am Sprunggelenk

8

a/b Gelenk/Bremse/Winkelmesser unterhalb des Knies

9

a/b Verbindung parallel zum Oberschenkel

10

a/b Verbindung parallel zum Unterschenkel

11

Sitzgurt

12

Klappbarer Teil des Gestells zum Besteigen und Entsteigen

13

a/b Verschraubung zum Einstellen des Abstandes der linken und rechten Beinmechanik

14

Scharnier zum Bewegen des klappbaren Teils des Gestells (

12

)

15

a/b Befestigungen des Sitzgurtes (

11

) am Gestell (

1

)

16

Stützen des Gestells

17

a/b Schultergurt

18

a/b Befestigungen des Schultergurtes (

17

) am Gestell (

1

)

19

a/b Gurt am Oberschenkel

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Beinbewegung und Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik zur Messung der Beinbewegung des Benutzers gleichzeitig den Kontakt mit einer virtuellen Bodenfläche und/oder Kräfte simuliert, die aus den Gegebenheiten der virtuellen Umgebung resultieren, mittels mechanischen Widerständen in Gelenken (3 bis 8a/b) der Vorrichtung, die zweckmäßig neben Hüft-, Knie- und Sprunggelenk, Ober- und Unterschenkel plaziert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik zur Messung der Beinbewegung und Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation das gesamte Körpergewicht aufnimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik zur Messung der Beinbewegung und Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation das gesamte Körpergewicht nur teilweise aufnimmt und das restliche Körpergewicht von einem zweckmäßigen Sitzgurt (11) oder Sitz aufgenommen wird, der am Gestell (1) mittels der Befestigungen (15a/b) befestigt ist und die Mechanik nicht behindert.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik zur Messung der Beinbewegung und Bewegungs-, Umgebungs- und Untergrundsimulation mit einem zweckmäßigen Gurtsystem (17a/b) ausgestattet ist, damit die an den Beinen wirkenden Kräfte die durch das Körpergewicht wirkende Gegenkraft übersteigen können.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Benutzers bei Fehlfunktion der Vorrichtung und/ oder nach den Bedürfnissen des Benutzers der Winkelbereich der Gelenkbewegung der Mechanik über einstellbare winkelbegrenzende Anschläge an den Gelenken beschränkt werden kann.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Gestänge an Oberschenkel (9a, 9b) und Unterschenkel (10a, 10b) variabel einstellbar sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsmessung der Beine durch Messung der Winkellage der Gelenke (3 bis 8a/b) erfolgt.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulation des Kontakts mit einer virtuellen Bodenfläche und/ oder von Kräften, die aus den Gegebenheiten der virtuellen Umgebung resultieren, mittels zweckmäßigen dosierbaren Bremsen erfolgt, die an den Gelenken (3 bis 8a/b) einen definierbaren variablen mechanischen Widerstand erzeugen, abhängig von den Befehlen eines Steuergerätes, das die resultierenden Kräfte auf den Benutzer in Abhängigkeit von seiner Bewegung und Position in einer simulierten Umgebung errechnet.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät zur Berechnung der Position der Beine und Steuerung der Bremsen gemäß den zu simulierenden Kräften mit dem Computer identisch sein kann, der die sonstige Simulation der virtuellen Umgebung übernimmt.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nicht zwingend jedes Gelenk (3 bis 8a/b) vorhanden sein muß.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der linken und der rechten Bein-Mechanik der Hüftbreite des Benutzers angepaßt werden kann.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Bremsen auch elektrische oder hydraulische Motoren Verwendung finden können, die definierte variable Drehmomente an den Gelenken (3 bis 8a/b) entsprechend der Ansteuerung durch das Steuergerät verursachen sowie die wirkenden Drehmomente messen und an das Steuergerät weiterleiten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Motoren das Eigengewicht der Mechanik kompensiert wird und nicht auf den Benutzer wirkt.