WO2005002677A2

WO2005002677A2 - Simulations- und trainingskugel zur aufnahme von personen

Info

Publication number: WO2005002677A2
Application number: PCT/IB2004/051110
Authority: WO
Inventors: Adrián Carlos GONZÀLEZ DE MENDOZA Y KÄDING
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2006-01-02
Also published as: US20060134583A1; WO2005002677A3; WO2005002677A8

Abstract

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde die Antriebs steuerung einer mittels schwenkbarer Reibräder elektromot orisch angetriebenen Simulations- und Trainingskugel mit Informat ionen über die tatsächlichen Bewegungen der Kugel selbst, sowie gegebenenfalls über die Bewegungen eines in der Kugel befindlichen Benutzers zu versorgen, und sie somit in die Lage zu versetzen die Kugelbewegungen unter Berücksichtigung dieser Informationen zu steuem. Diese Aufgabe wird gelöst indem die Kugel alternativ oder in Kombination mit Kraftwert aufnehmern, Peilsendern (26) und Empfängern (28), Drehratensensoren sowie Kameras (32) und Referenzmarkierungen (31) ausgestattet wird. Zusätzlich können auch am Benutzerkörper Peilsender (25) und Referenzmarkierungen angebracht sein. Die Erfindung beschreibt die Wir kungsweise der Einzelsysteme und deren optionales zusammenspiel.

Description

Beschreibung SIMULATIONS- UND TRAININGSKUGEL ZUR AUFNAHME VON PERSONEN Technisches Umfeld

[001] Die vorliegende Erfindung betrifft mittels schwenkbarer Reibrollen elektromotorisch angetriebene raumfest gelagerte Hohlkugeln, die für ein oder mehrer Benutzer zugänglich sind und deren Antriebe von einer elektronischen Steuerung kontrolliert werden.

[002] Solche Kugeln sind in der Lage um jede beliebige ihren Zentrumspunkt schneidende Achse um 360° zu rotieren. Sie werden im folgenden als Simulations- und Trainingskugeln bezeichnet.

[003] Simulations- und Trainingskugeln finden vor allem Anwendung als Flugsimulatoren und Vergnügungsgeräte, wobei ein Benutzer in der Regel in einer Art Kanzel im Inneren der Kugel sitzt und mittels Steuerädern, Joysticks und ähnlichem die Bewegungen der Kugel kontrolliert. (z.B. US 2,344,454). Neuere Veröffentlichungen beschreiben Simulations- und Trainingskugeln, mit denen ein Benutzer in die Lage versetzt wird sich mit Hilfe moderner computergesteuerter Anzeigegeräte durch virtuelle Räume zu bewegen. (z.B. EP 0839 559 AI; US 5,980,256; NL 9000722 u.a.). Weitere Veröffentlichungen beschreiben Geräte der vorgenannten Art in der sich Benutzer auf der Kugelinnenfläche oder in einem in der Kugel befindlichen Gestell relativ frei bewegen können. Die Bewegungen von einzelnen Gliedmaßen des Benutzers oder seines gesamten Körpers werden dabei erfasst und dienen der Darstellung des Benutzers in der virtuellen Umgebung sowie der Manipulierbarkeit virtueller Gegenstände durch den Benutzer . Hierzu werden verschiedene Verfahren angewendet. Bei einem dieser Verfahren werden Referenzmarkierungen in Form von Lichtquellen am Körper des Benutzers angebracht. Mehrere fest installierte Photosensoren errechnen aufgrund von Intensitätsmessungen die Position der Referenzmarkierungen im Raum. Ein offensichtlicher Nachteil dieses Systems ist es, daß die Positionen nur dann erfasst werden können, wenn die Signalstrecke zwischen Referenzmarkierung zu Photosensor frei von undurchsichtigen Hindernissen ist, was in der Praxis nicht immer gewährleistet werden kann. (z.B. EP 0839 559 AI; US 5,980,256). Weiterhin sind antriebslose, luftgelagerte Hohlkugeln bekannt, deren Innenfläche begehbar ist (GB 2312273; Zeitschrift EUREKA (GB), April 1998, „VR is having a Ball"). Die Kugel wird dabei entsprechend dem Prinzip eines Hamsterlaufrades bewegt. Die resultierenden Bewegungen der Kugel werden von einem Sensor erfasst, der einer Computermaus ähnelt und an der Kugeloberfläche anliegt. Mit Hilfe der Sensorinformationen und eines Anzeigegerätes kann sich der Benutzer in einer virtuellen Umgebung frei bewegen. Ein Nachteil dieses Systems ist es, dass eine ausreichend große und tragfähige Kugel ein hohes Eigengewicht und somit eine hohe Mas- senträgheit aufweist. Die Kugel in Bewegung zu setzen, die Bewegungsrichtung zu ändern und wieder abzustoppen erfordert einen hohen Kraftaufwand und entspricht nicht dem Gefühl natürlichen Gehens. Darüber hinaus birgt die Bewegung in einer solchen Kugel einige Gefahren, z. B. im Fall eines Sturzes des Benutzers bei einer sich schnell bewegenden Kugel (Waschtrommeleffekt).

[004] Geräte mit ähnlichen Bewegungsmöglichkeiten sind die bekannten Human Gyroscopes. Diese bestehen aus drei Kreiselementen die ineinander angeordnet sind, wobei jedes Kreiselement um eine durch den Mittelpunkt des Kreises gehende Achse drehbar gelagert ist, und die jeweiligen Achsen der drei Kreiselemente orthogonal zueinander stehen, so dass ein im Bereich des inneren Kreiselementes angeordneter Körper, vorzugsweise eine Person, frei um seine drei Rotationsfreiheitsgrade in einem raumfesten Koordinatensystem bewegt werden kann (z.B. US 4,799,667; WO 98/15382 u.a.). Beim Human Gyroscope liegt der Schwerpunkt der Verwendung vor allem im Sport- und Freizeitbereich. Es wird jedoch auch zu Therapie- und Trainingszwecken eingesetzt. In der gebräuchlichen passiven Variante eines Human Gyroscopes dienen die Gewichtsverlagerungen des Benutzers bzw. Manipulationen eines außenstehenden Bedieners zur Einleitung der Rotationsimpulse. Offenbarung der Erfindung Technisches Problem

[005] Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde die Antriebssteuerung einer mittels schwenkbarer Reibräder elektromotorisch angetriebenen Simulations- und Trainingskugel mit Informationen über die tatsächlichen Bewegungen der Kugel selbst, sowie gegebenenfalls über die Bewegungen eines in der Kugel befindlichen Benutzers zu versorgen, und sie somit in die Lage zu versetzen die Kugelbewegungen unter Berücksichtigung dieser Informationen zu steuern.

[006] Ein grundlegendes Ziel der vorliegenden Erfindung war es insbesondere die notwendigen Systemkomponenten und deren Zusammenspiel zu beschreiben mit denen eine solche Kugel als Sportgerät verwendet werden kann. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Ermöglichung von Sport in virtuellen Umgebungen.

[007] Mitgelöst werden sollte das Problem der Rückführung der Kugel nach erfolgter Bewegung in eine definierte Ausgangslage in der ein Ein- und Ausstieg aus der Kugel möglich ist. Technische Lösung

[008] Eine zentrale Bedeutung kommt hierbei dem sensorischen Apparat zu mit dem sich diese Erfindung in erster Linie beschäftigt. Zur Erfassung der erforderlichen Informationen werden unterschiedliche sensorische Konzepte verwendet, die sich idealerweise gegenseitig ergänzen. Diese können jedoch auch unabhängig voneinander eingesetzt werden.

[009] Mithilfe des ersten erfindungsgemäßen Konzeptes werden die aufgrund der Bewegungen des Benutzers und der Kugel entstehenden Kraftwirkungen erfasst. Dazu wird das Kugelgestell, dass die Antriebseinheiten und die Kugel selbst trägt auf ein Untergestell gesetzt, dass fest auf dem Boden steht oder sogar mit diesem verankert ist. Das Kugelgestell ist mit dem Untergestell durch eine Anordnung von Bauelementen verbunden, die in der Lage sind die auf sie in allen drei Raumdimensionen wirkenden Kräfte zu messen. Die Kugel wird dann entsprechend der ermittelten Kräfte und Kraftrichtungen durch die Antriebe bewegt.

[010] Der Vorteil der Verwendung solcher Kraftwertaufhehmer liegt darin, dass die tatsächlich auftretenden Kraftwirkungen direkt erfasst werden. Diese sind es ja auch, die ein passives System wie ein Human Gyroscope oder ein Rhönrad in Bewegung setzen.

[011] Überdies können mit Hilfe von Kraftwertaufhehmer Überlastsituationen und Systemstörungen erkannt bzw. vermieden werden.

[012] Eine ausreichend hohe Auflösung vorausgesetzt sind die Daten der Kraftwertaufhehmer ausreichend für die Kontrolle der Kugel. Bei schnelleren Bewegungen der Kugelhülle entstehen jedoch durch Schwingungen, Unwuchten in der Kugelhülle und durch die Schwenkbewegungen der Antriebe Störeinflüsse. Diese können durch entsprechend programmierte Software zwar teilweise als Störsignale erkannt und vom Nutzsignal unterschieden werden, dennoch ist zu erwarten, dass bei höheren Geschwindigkeiten die Empfindlichkeit mit der die Steuerung auf die von den Kraftwertaufnehmer gelieferten Signale reagiert herabgesetzt werden muss.

[013] Ein weiteres Problem von Kraftwertaufhehmer die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten ist, dass nach gegenwärtigem Stand der Technik der Messbereich in maximal 15000 Messinkremente zerfallen kann. Aufgrund der theoretisch möglichen Spitzenwerte bei voll bewegter Kugel kann ein Messbereich von ±7500N sinnvoll sein. Dabei ist dann selbst bei idealen Bedingungen eine Kraft unterhalb von IN nicht mehr zweifelsfrei zu erkennen. Unter realen Bedingungen und insbesondere bei voll bewegter Kugel kann diese Auflösung sich noch sehr stark verringern. Das bedeutet, dass nur solche Bewegungen des Benutzers erkannt werden, die oberhalb der Auflösungsgrenze liegen.

[014] Bestandteil der Erfindung ist eine Ausführungsform für einen geeigneten Kraftwertaufhehmer und dessen Integration in das Kugelgestell. Dieser Teil der Erfindung wird in den Patentansprüchen, den Zeichnungen und den Zeichnungserläuterungen weiter ausgeführt.

[015] Mithilfe des zweiten erfindungsgemäßen Konzeptes werden mit Hilfe von Laufzeitmessungen elektromagnetischer Wellen die Positionsänderungen von Peilsendern erfasst. Diese Peilsender dienen entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform dazu die Lage und Orientierung der Kugel zu bestimmen. Sie sind an festen Positionen in der Kugelhülle befestigt. Die der Laufzeitmessung dienenden Empfänger sind dabei an festgelegten, der Steuerung bekannten und möglichst weit voneinander entfernten Punkten im Kugelgestell angeordnet. [016] Diese Anordnung kann auch umgekehrt werden, so daß die Empfänger sich im Kugelinneren und die Sender sich in der Kugelhülle befinden. Diese Anordnung bietet für eine weiter unten dargestellte Ausfiüirungsform der Erfindung besondere Vorteile.

[017] Dabei sind mindestens drei Empfänger für eine eindeutige Positionsbestimmung im Raum erforderlich, jeder weitere erhöht aber die Messgenauigkeit und verringert den Einfluss von Störfaktoren.

[018] Durch die genaue Erfassung der Kugellage und -Orientierung ergibt sich ein weiteres Werkzeug zur Erhöhung der Messempfmdlichkeit. Unwuchten und Abweichungen von der idealen Kugelform, die bei bewegter Kugel unerwünschte Kraftwirkungen erzeugen, können so von der Steuerung erkannt und berücksichtigt werden.

[019] Die Erfassung der Kugellage und -Orientierung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Kugel automatisch in ihre Ausgangsposition zurückgefahren werden kann.

[020] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind weitere Peilsender (25) an festgelegten Positionen am Benutzerkörper angebracht. Durch diese Anordnung sind die tatsächlichen Bewegungen (und nicht nur die aus diesen Bewegungen resultierenden Kraftwirkungen) des Benutzers in der Kugel durch die Steuerung erfassbar. Dabei können die Signale dieser Peilsender von denselben Empfängern aufgenommen werden, die auch der Erfassung der Kugelposition dienen.

[021] Vorzugsweise befindet sich zur genauen Erfassung der Benutzerbewegungen jeweils ein Peilsender rechts und links am Schädel, an jeder Schulter, an beiden Ellbogen, an beiden Handgelenken, auf beiden Handrücken, an beiden Hüften, an beiden Kniegelenken, an beiden Fußknöcheln und auf beiden Fußrücken. Dem Peilsignal jedes Senders ist eine Kennung aufmoduliert, die es für die Steuerung unverwechselbar macht und einer der vorgenannten Positionen am Körper eindeutig zuweist. Werden Benutzerbewegungen mittels Peilsendern erfasst, ist die Anordnung der Empfanger in der Kugelhülle sinnvoll, da die metallische Strukturen in der Kugelhülle nicht zwischen die Peilsender am Körper des Benutzers und die Empfänger geraten können, somit eine höhere Signalqualität erwartet werden kann.

[022] Die Bewegungen der Einzelsender werden in Echtzeit erfasst und an einen Computer übergeben. Dieser stellt die Position jedes einzelnen Peilsenders in Form eines Punktes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dar. Jedem dieser Punkte wird dabei ein Massewert zugewiesen, der der real bewegten Masse möglichst entsprechen soll. Aus der Bewegung dieser Massepunkte im Raum leitet der Computer nach den Gesetzen der Massenträgheit Kraftvektoren ab. Die Summe der so ermittelten Einzelkräfte ergibt die auf die Kugel theoretisch wirksame Gesamtkraft und deren wirksame Richtung.

[023] Um das System auf die spezielle Körpermasseverteilung jedes Benutzers abzustimmen, führt dieser vor der ersten Benutzung im Stillstand der Kugel eine festgelegte Bewegungssequenz aus, die das System auf diesen Benutzer kalibriert. Das Ergebnis dieser Kalibrierung kann gespeichert werden, so dass eine erneute Ka- librierung nur erfolgen muss, wenn die Körpermasseverteilung sich deutlich verändert hat. Auch ist es möglich diese Kalibrierung außerhalb der Kugel auf einem speziell dafür ausgerüsteten Messstand auszuführen oder auch auf eine Kalibrierung vollständig zu verzichten und mit Erfahrungswelten zu arbeiten. So ist es theoretisch möglich eine Kugel ohne Kraftwertsensoren allein aufgrund der Peilsendersignale zu steuern.

[024] Werden aber beide sensorische Konzepte in einem Gerät vereint, können diese sich ergänzen. Die Koppelung des peilsenderbasierten Massemodells mit den von den Kraftwertaufhehmer gelieferten Werten erlaubt es zwischen zwei Inkrementen zu interpolieren und damit die Empfindlichkeit stark zu erhöhen.

[025] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform werden die beiden sensorischen Systeme so aufeinander abgestimmt, dass Fehler des einen Systems vom anderen erkannt und kompensiert werden. Tritt beispielsweise eine hohe Kraftwirkung auf, ohne dass diese mit einer entsprechenden starken Bewegung des Benutzers verbunden ist, bleibt diese entweder unberücksichtigt oder wird als Systemstörung erkannt und führt zu einem Abstoppen der Kugel. Liefern die Peilsender unklare Informationen bleibt die Kugel über die Kraftwertaufnehrner kontrollierbar.

[026] Die mittels der Peilsender erfassten Bewegungen des Benutzers können auch der Erkennung von Stürzen und somit der Sicherheit des Benutzers dienen und die Kugel in diesem Fall abstoppen.

[027] Ein großer Vorteil der peilsenderbasierten Erfassung der Benutzerbewegungen ist es, dass aufgrund der gelieferten Daten ein Körper im virtuellen Raum sichtbar gemacht werden kann, der sich analog zu den tatsächlichen Bewegungen des Benutzers verhält. Bewegt sich der Benutzer durch einen virtuellen Raum, kann er von anderen Besuchern dieses Raumes gesehen werden. So wird es möglich Sport in einem virtuellen Raum über weite Distanzen mit Gegnern zu treiben, die für den Benutzer voll sichtbar sind. Auch werden die Bewegungssequenzen des Benutzers speicherbar und können später angesehen und analysiert werden.

[028] Trägt der Benutzer in der Kugel eine Datenbrille (HMD) wird er aufgrund dieses Systems in die Lage versetzt trotz der Brille an sich selbst herunterzusehen. Er kann somit seine eigenen Bewegungen auch optisch kontrollieren. In Verbindung mit Datenhandschuhen wird sogar die Manipulation virtueller Gegenstände möglich.

[029] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verfügt das System über Referenzpeilsender, die sich in festem und bekanntem Abstand zu den Empfängern befinden. Diese dienen dazu, das System zu referenzieren und Nutzsignale von Störsignalen zu unterscheiden.

[030] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind in der Kugelhülle und am Benutzer Drehratensensoren und Neigungswinkelsensoren befestigt. Diese dienen dazu, die von den Peilsendern gelieferten Informationen zu verifizieren bzw. zu ergänzen. [031] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ersetzen drei Drehratensensoren (für jede Raumachse eine) die Peilsender für die Bestimmung der Kugellage vollständig. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass diese einer vernachlässigbar kleinen Nullpunktsdrift unterliegen. Wird in der Kugelhülle ausschließlich mit Drehratensensoren gearbeitet, muß das System ebenfalls referenziert werden können. Eine automatische Referenzierung geschieht hierbei erfindungsgemäß über mindestens eine Referenzmarkierung, die an der Kugelhülle an einer der Steuerung bekannten Stelle angebracht ist und durch eine Kamera mit einer angeschlossenen Bildverarbeitung erfasst wird.

[032] Erfordert eine Anwendung bzgl. der Kugellage keinen lückenlosen Datenstrom und bleibt der Zentrumspunkt der Kugel relativ zum umgebenden Gestell in engen Grenzen gleichbleibend, kann die Kugellage und Orientierung vollständig über Referenzmarkierungen auf der Kugelhülle erfasst werden.

[033] Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet ein solches System auf der Basis mehrerer, gleichmäßig auf der Kugelhülle verteilter und voneinander unterscheidbarer Referenzmarkierungen. Die einzelnen Referenzmarkierungen sind so gestaltet, dass sie einen eindeutigen Rückschluss auf ihre jeweilige Position und auf die Orientierung der Kugelhülle erlauben. Ein Ausschnitt der Kugelhülle wird dabei von einer ortsfesten, im Kugelgestell angeordneten (Hochgeschwindigkeits-) Videokamera in regelmäßigen zeitlichen Abständen fotografiert. Die Aufnahmen werden von einem elektronischen Bildverarbeitungssystem analysiert. Die Referenzmarkierungen im Bildausschnitt werden erkannt und aufgrund ihrer Lage und Orientierung im Bild wird auf die Lage und Orientierung der Kugelhülle geschlossen. Dieses System bietet dann Vorteile, wenn nicht ohnehin für andere Aufgaben Peilsender verwendet werden, und wenn aus den Bewegungen der Antriebe in allen Betriebssituationen hinreichend genau auf die Kugellage geschlossen werden kann und lediglich die aufgrund von Antriebsschlupf auftretende Nullpunktsdrift in regelmäßigen zeitlichen Abständen kompensiert werden soll. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für dieses System keine elektrischen Komponenten im Inneren der Kugel angeordnet sein müssen, deren zuverlässige Stromversorgung immer ein Problem darstellt.

[034] Einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform folgend kann auf spezielle Referenzmarkierungen auf der Kugeloberfläche verzichtet werden, unter der Voraussetzung, dass die Kugeloberfläche eine ausreichende Anzahl gleichmäßig verteilter und optisch unterscheidbarer Merkmale trägt. Solche Merkmale können beispielsweise die Nahtstellen der Schalenelemente sein, aus denen die Kugel zusammengesetzt ist. Dieses System zur Erfassung der Kugellage geht von einer bekannten Ausgangsstellung der Kugel aus. Wird die Kugel nun mit Hilfe der Antriebe in eine bestimmte Richtung bewegt, so wird entsprechend der von der Steuerung intendierten Lageänderung ein virtuelles Modell der Kugel mit bewegt, das die selben optisch un- terscheidbaren Merkmale trägt wie die tatsächliche Kugel. Mit Hilfe einer ortsfesten, im Kugelgestell angeordneten (HochgeschwindigkeitsJKamera wird ein Ausschnitt der Kugelhülle in kurzen zeitlichen Abständen fotografiert. Ein virtuelle Kamera, die den selben Ausschnitt der Kugelhülle zum selben Zeitpunkt am virtuellen Kugelmodell „fotografiert" liefert nun ein Vergleichsbild. Werden diese beiden Bilder mit Hilfe einer geeigneten Software miteinander verglichen, kann die z.B. schlupfbedingte Abweichung der Ist-Position von der Sollposition ermittelt werden und die Steuerung auf die neue Ist-Position hin referenziert werden. Wiederholt sich dieser Vorgang in ausreichend kurzen Abständen kann jederzeit eine sichere Aussage über die aktuelle Kugellage getroffen werden, die bei entsprechender Auslegung eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von wenigen Winkelminuten zulässt. Hierfür sind hardwareseitig lediglich ein leistungsstarker Computer und eine Kamera erforderlich. In ähnlicher Weise lassen sich auch die Bewegungen eines Benutzers in der Kugel erfassen und zur Steuerung der Kugelbewegungen heranziehen. Hierzu wird der Benutzer in der Kugel von mindestens drei, besser aber von sechs und mehr aufhahme- synchronen Kameras beobachtet, die ihn aus möglichst unterschiedlichen Blickwinkeln vollständig erfassen. Diese Kameras können sich außerhalb der Kugel befinden und durch die transparente Hülle der Kugel hindurch den Benutzer aufnehmen, oder sie sind in der Kugelhülle selbst angeordnet und nehmen den Benutzer ohne jede Sichtbehinderung direkt auf. Jede der Kameras verfügt dabei über ein eigenes computergestütztes Bildverarbeitungssystem. Die in rascher Folge aufgenommenen Bilder (vorzugsweise 30 und mehr pro Sekunde) werden von diesem Bildverarbeitungssystem analysiert und einem Mustervergleich unterzogen. Der Mustervergleich basiert dabei auf einer dem Bildverarbeitungssystem zugänglichen Datenbank mit digitalen Bildern unterschiedlichster Körperhaltungen, die wiederum aus unterschiedlichsten Blickwinkeln aufgenommen wurden. Kann das Bildverarbeitungssystem einer Kameraaufnahme ein bestimmtes Muster zuordnen, wird dieses freigegeben und an einen zentralen Computer weitergegeben, an den auch alle anderen Kameras angeschlossen sind. Liefern mindestens zwei der an die Kameras angeschlossenen Bildverarbeitungssysteme an den zentralen Computereine auf den selben Aufnahmezeitpunkt bezogene Musterauswahl, die sich auf die gleiche oder eine sich stark ähnelnden Körperhaltung bezieht, kann dieser bereits über genügend Informationen verfügen um daraus die Haltung und die Position des Benutzers in der Kugel in drei Dimensionen näherungsweise zu interpolieren. Um eine höhere Sicherheit hinsichtlich des Ergebnisses zu erhalten, kann das Ergebnis der jeweils aktuellen Aufnahmen mit dem der vorangegangenen verglichen werden. Die aktuell ermittelte Körperhaltung und -läge wird nur dann als gültig erachtet, wenn sie aus der vorangegangenen Situation im zwischenliegenden Zeitraum theoretisch hervorgegangen sein kann. Dem dreidimensionalen Modell des Benutzerkörpers wird im Computer aufgrund von Erfahrungswerten oder tatsächlichen Messungen (z.B. über die obengenannten Kraftwertaufhehmer) eine Gesamtmasse und davon ausgehend auf der Basis von Erfahrungswerten eine Masseverteilung zugeordnet. Bezogen auf eine Reihe zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen können Bewegungen des Benutzers in der Kugel erfasst werden und über das zuvor genannte Massenmodell lassen sich auf der Basis der Kraftwirkungen der bewegten Massen Daten gewinnen mit Hilfe derer die Kugelbewegungen gesteuert werden können. Jedoch können nicht nur die theoretischen Kraftwirkungen zur Steuerung der Kugelbewegungen herangezogen werden, sondern alternativ oder ergänzend können bestimmte Kö erhaltungen oder Bewegungsabläufe auch als gestische Befehle oder Signale interpretiert werden, die die Antriebssteuerung zu einer Verhaltensänderung bewegen. Solche Befehle könnten z.B. sein: Start, Stop, Zurück zur Ausgangsstellung, Schneller, Langsamer etc. Dies bietet den Vorteil, das u.U. auf zusätzliche Eingabegeräte verzichtet werden kann.

[036] Der wesentliche Vorteil dieses Systems besteht darin, dass der Computer theoretisch ein bis in die Fingerspitzen genaues Modell des Benutzerkörpers ermitteln kann, ohne dass der Benutzer dafür spezielle Markierungen oder besondere Kleidung am Körper tragen müsste (wenn auch spezielle Markierungen oder besondere Kleidung den Erkennungsprozess unterstützen können). Ein erwünschter Nebeneffekt ist es, dass auf diese Weise der Benutzerkörper in virtuellen Räumen nicht nur sichtbar gemacht wird, sondern dass er darüber hinaus auch virtuelle Gegenstände manipulieren kann.

[037] Nachteile dieses Systems sind die sehr hohen Anforderungen an die Hard- und Software. Darüber hinaus dürfte das System an seine Grenzen stoßen, wenn die Bewegungen von mehreren Benutzern erfasst werden sollen. Kurze Beschreibung von Zeichnungen

[038] Es zeigen:

[039] Fig.l: Eine dem Oberbegriff in Anspruch 1 entsprechende Simulations- und Trainingskugel mit Kraftwertaufnehmern

[040] Fig.2: Kraftwertaufhehmer im Gestell (ohne Antriebseinheit)

[041] Fig.3: Kraftwertaufhehmer geschnitten

[042] Fig.4: die Verformung der Kraftwertaufhehmer bei vertikaler Krafteinwirkung

[043] Fig.5: die Verformung der Kraftwertaufnehmer bei horizontaler Krafteinwirkung

[044] Fig.6: das Zusammenwirken von drei Kraftwertaufhehmern im Gestell

[045] Fig.7: Lagebestimmung von Kugel und Benutzer mittels Peilsendern - Empfänger außenliegend

[046] Fig.8: Lagebestimmung von Kugel und Benutzer mittels Peilsendern - Empfänger innenliegend

[047] Fig.9: Lagebestimmung der Kugel mittels Referenzmarkierungen

[048] Fig.10: Optische Lagebestimmung der Kugelhülle

[049] Fig.H : Vergleich von Soll- und Ist-Position

[050] Fig.12: Optische Ermittlung der Körperhaltung und der Körperlage des Benutzers

[051] Fig. 1 zeigt im oberen Teil eine dem Oberbegriff in Anspruch 1 entsprechende Si- mulations- und Trainingskugel. Hierbei sind hervorgehoben: die Kugelhülle 1, die schwenkbaren Antriebseinheiten 2 mit den Reibrollen 3, durch die die Kugelhülle 1 bewegt wird und auf denen Sie gleichzeitig aufliegt und das die Kugelhülle 1 umfangende Gestell 6. Zwischen dem unterem Gestellring 5 der die Antriebseinheiten 2 trägt und dem auf dem Untergrund aufstehenden Basisring 4 sind erfmdungsgemäß Kraftwertaufnehmer angeordnet. Diese Anordnung ist vergrößert im unteren Teil der Zeichnung dargestellt.

[052] Fig. 2 zeigt dasselbe Detail aus einer anderen Ansicht. Die Antriebseinheit 2 ist dabei entfernt. Die Komponenten des dargestellten Kraftwertaufhehmers befinden sich dabei zwischen dem Fuß 7 und dem die Antriebseinheit 2 tragenden Aufhahmeblock 14. Der Kraftwertaufhehmer besteht im Einzelnen aus dem Basisblock 8, der die beiden V-förmig aufragenden elastischen Biegeschenkel 9 trägt. Auf jedem der Biegeschenkel 9 ist ein Dehnungsmessstreifen 15 aufgebracht, der über eine Signalleitung 16 mit dem Messverstärker und der Steuerung verbunden ist. Wirken nun auf den Verbindungsblock 13 Kräfte in Y oder Z-Richtung, werden diese über die Achse 12 an die Übertragungsschenkel 11 weitergegeben, die sie ihrerseits über die Achse 10 auf die Biegeschenkel 9 übertragen. Aufgrund der eingeleiteten Kräfte werden die Biegeschenkel 9 verformt. Der Grad der Verformung wird anhand der Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen 15 ermittelt. Von dieser Widerstandsänderung kann auf die eingeleiteten Kräfte rückgeschlossen werden. Um eine Überbeanspruchung der Dehnungsmessstreifen 15 zu vermeiden ist der Weg der Biegeschenkel 9 durch eine einstellbare Überlastsicherung 17 begrenzt.

[053] Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftwertaufnehmer. Gegenüber Fig. 2 wird die Arbeitsweise der Überlastsicherung 17 sichtbar. Im oberen Teil der Überlastsicherung 17 befindet sich ein Langloch, durch das die Achse 10 geführt ist. Dadurch kann sich der Biegeschenkel 9 nur innerhalb der durch das Langloch 21 gegebenen Grenzen verformen. Die Überlastsicherung 17 kann mit Hilfe der Exzenterwelle 18 eingestellt werden. Die Einstellung kann mit der Sicherungsschraube 19 fixiert werden. Außerdem zeigt der Schnitt, dass die Achsverbindungen wälzgelagert 20 sind. Dies verringert den unter hoher Last verstärkt auftretenden Stick-Slip-Effekt und erhöht damit die Messgenauigkeit.

[054] Die Fig. 4 und 5 zeigen die an den Kraftwertaufhehmern auftretenden Ver- formumgen bei vertikal 23 und horizontal 24 eingeleiteten Kräften. Die strichlinierte Kontur 22 zeigt den unverformten Kraftwertaufhehmer. Aus dieser Darstellung wird deutlich auf eiche Weise der Kraftwertaufnehmer vertikale von horizontalen Kräften unterscheiden kann: Vertikale Kräfte führen zu einer gleichgroßen Dehnung der Dehnungsmessstreifen 15. Horizontale Kräfte fuhren zu einer Dehnung des einen und einer Stauchung des anderen Dehnungsmessstreifens. Mit anderen Worten: steigen die Absolutwerte beider Kraftwertaufnehmer gleichmäßig liegt eine vertikale Krafteinwirkung vor. Verändern sich die Absolutwerte beider Kraftwertaufhehmer un- gleichmäßig liegt eine horizontale Krafteinwirkung vor.

[055] Fig. 6 zeigt beispielhaft die Verteilung dreier Kraftwertaufhehmer im Kugelgestell. Aus dieser Verteilung wird deutlich, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kraftwertaufnehmer Rotationsimpulse in allen drei Raumachsen erkannt werden können.

[056] Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit Peisendern und Empfängern zur Lagebestimmung von Benutzer und Kugel. Im Kugelgestell angeordnete Empfanger 28 messen die Laufzeiten der Signale von Peilsendern in der Kugelhülle 26 und von Peilsendern am Benutzerkörper 25 und leiten diese an einen Computer 29 weiter, der daraus die Lage und Orientierung der Kugel und die Körperstellung des Benutzers ableitet. Diese Informationen werden als Steuersignale an die Antriebssteuerung und an den die virtuelle Umgebung aktualisierenden Computer weitergeleitet. Das aktualisierte Bild wird über den Sender 33 an den vom Benutzer mitgeführten Empfänger 34 weitergeleitet und auf den Displays des Head- Mounted-Displays 35 wiedergegeben. Fest im Kugelgestell installierte Referenzpeilsender 27 helfen Nutzsignale von (reflektierten) Störsignalen zu unterscheiden.

[057] Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Peisendern und Empfängern zur Lagebestimmung von Benutzer und Kugel. In der Kugelhülle 1 angeordnete Empfänger 37 messen die Laufzeiten der Signale von Peilsendern im Kugelgestell 26 und von Peilsendern am Benutzerkörper 25 und leiten diese an einen in der Kugelhülle 1 befindlichen Computer 38 weiter, der daraus die Lage und Orientierung der Kugel und die Körperstellung des Benutzers ableitet. Zur Verifizierung der ermittelten Kugellage dienen ebenfalls in der Kugelhülle 1 befestigte Drehra- ^■ tensensoren 30. Die ermittelten Positionsdaten werden mittels der Sende- und Empfangseinheit 39 an einen außenstehenden Computer gesendet. Diese Informationen werden als Steuersignale an die Antriebssteuerung und an den die virtuelle Umgebung aktualisierenden Computer weitergeleitet. Das aktualisierte Bild wird über den Sender 33 an den vom Benutzer mitgeführten Empfänger 34 weitergeleitet und auf dem HMD dargestellt. Fest in der Kugelhülle 1 installierte Referenzpeilsender 36 helfen Nutzsignale von (reflektierten) Störsignalen zu unterscheiden. Eine Referenzmarkierung 31 auf der Kugelhülle 1 dient der Nullpunktreferenzierung und wird von einer Kamera 32 mit angeschlossenem Bildverarbeitungssystem aufgenommen.

[058] Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei der die Kugellage und Orientierung mithilfe mehrerer, gleichmäßig auf der Kugelhülle 1 verteilter und voneinander unterscheidbarer Referenzmarkierungen 40 ermittelt wird. Die einzelnen Referenzmarkierungen 40 sind so gestaltet, dass sie einen eindeutigen Rückschluss auf ihre jeweilige Position und auf die Orientierung der Kugelhülle 1 erlauben. Ein Beispiel für eine solche Markierung zeigt der vergrößerte Ausschnitt unten im Bild. Die Umrandung 41 ist pfeilförmig gestaltet und erlaubt so einen Rückschluss auf die Orientierung. Im Innenfeld befinden sich neun Felder 42, die wahlweise ausgefüllt oder leer sein können. Durch Ausschöpfung aller Möglichkeiten ergeben sich dadurch maximal 512 unterscheidbare Markierungen. Die Steuerung kennt die Lage und Orientierung jeder einzelnen Markierung und kann so Rückschlüsse auf die Lage und Orientierung der Kugel ziehen. Die Referenzmarkierungen 40 sollten die Kugeloberfläche so dicht bedecken, dass sich in jeder Kugellage mindestens eine Markierung im Bildausschnitt 43 der Videokamera 32 befindet. Die Aufnahmen werden an den Computer 29 weitergeleitet und von einer Bildverarbeitungssoftware ausgewertet.

[059] Fig. 10 zeigt eine dem Anspruch 30 entsprechende Ausführungsform der Erfindung. Gezeigt werden die optisch unterscheidbare Merkmale 44 der Kugelhülle, dargestellt sind hier die Nahtstellen der Schalenelemente. Zum Zweck der genauen Lageermittlung der Kugelhülle 1 wird ein Ausschnitt der Kugeloberfläche von einer ortsfesten Kamera 32 in regelmäßigen zeitlichen Abständen aufgenommen. Die genaue Position und Ausrichtung der Kamera, die Größe und Form des Bildausschnitts 43 sowie der genaue Zeitpunkt jeder Aufnahme die die Kamera schießt sind dem Computer 29 bekannt, an den die Kamera 32 ihre Bilder weitergibt.

[060] Fig.H zeigt beispielhaft ein von der Kamera 32 in Fig.11 geliefertes Bild 45, welches die Ist-Position darstellt und das vom virtuellen Modell abgeleitete Bild 46, das die Soll-Position darstellt. Durch einen Vergleich der Bildinformationen kann eine auf dem Computer 29 installierte Software die Abweichung der Ist- von der Sollposition ermitteln und die Antriebssteuerung veranlassen Ist- und Sollposition miteinander abzugleichen.

[061] FigJ2 zeigt eine dem Anspruch 31 entsprechende Ausführungsform der Erfindung. Gezeigt werden die hier in der Kugelhülle angeordneten Kameras 47, die den Benutzer aus unterschiedlichen Perspektiven aufnehmen. Die Bildinformationen aller Kameras 47 werden in diesem Beispiel an einen in der Kugel befindlichen Computer 38 weitergeleitet, der die gewonnenen Bildinformationen komprimiert, und über eine Sende- und Empfangseinheit 39 an einen außenstehenden Computer 29 weiterleitet der zum Empfang der Daten ebenfalls über eine Sende- und Empfangseinheit 33 verfügt. Dieser Computer 29 wertet die Bildinformationen aus und generiert aus den erkannten Benutzerbewegungen Befehle die der Steuerung der Kugelbewegungen dienen. Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzen

[062] Der beste Weg zur Ausführung der Erfindung hängt von dem konkreten Verwendungszweck der Simulations- und Trainingskugel ab. Wird die Kugel nicht direkt durch die Benutzerbewegungen gesteuert, sondern beispielsweise programmgesteuert oder vermittels eines Joysticks, eines Trackballs oder eines ähnlichen Eingabegerätes, werden nur die dargestellten Möglichkeiten zur Lagebestimmung der Kugel benötigt und gegebenenfalls die Kraftwertaufhehmer zur Erkennung von Überlastsituationen und Systemstörungen. Die verschiedenen dargestellten Möglichkeiten zur Lagebestimmung der Kugel - optisch über Referenzmarkierungen oder Merkmalserkennung, sowie funktechnisch über Laufzeitmessungen - können einzeln verwendet, aber auch zum Zwecke der Erhöhung der Redundanz beliebig kombiniert werden. Welche Auswahl für den konkreten Einzelfall ideal erscheint, hängt von denkbar vielen Faktoren ab und soll hier nicht erörtert werden Werden hingegen die Benutzerbewegungen erfasst und die gewonnenen Daten zur

Steuerung der Antriebe zu Hilfe genommen, erscheint es in jedem Fall sinnvoll Kraftwertaufhehmer zumindest ergänzend zur Analyse der Benutzerbewegungen einzusetzen. Die Kraftwirkungen können zwar näherungsweise auch durch die dargestellten optischen oder peilsenderbasierten Systeme ermittelt werden, jedoch haben diese Systeme mit gewissen Schwierigkeiten zu kämpfen. Betrachtet man zum Beispiel einen in der Kugel laufenden Benutzer, so ist einem optischen oder peilsenderbasierten System nur schwer beizubringen zu welchem genauen Zeitpunkt der Fuß des Benutzers die Kugelhülle berührt, und ob er dabei auf der Kugelinnenwand eine gute Traktion hat oder auf ihr entlang rutscht. Die optischenoder peilsenderbasierten Systeme sind dagegen jedoch unanfällig gegen Störeinflüsse wie Vibrationen, von außen einwirkende Kräfte oder Kraftwirkungen aufgrund der Kugelbewegung selbst. Da die Fehlerquellen des einen Systems durch das jeweils andere System ausgeglichen werden können ist die Kombination beider Systeme der beste Weg zur Erfassung der Benutzerbewegungen zum Zweck der Antriebssteuerung.

Claims

Ansprüche

[001] Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme von Personen mit einem elektromotorischen schwenkbaren Reibradantrieb undeiner elektronischen Antrieb ssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Kugel und der Antriebe auf mindestens drei Punkten aufliegt, von denen mindestens zwei Punkte mit Kraftwertaufhehmer versehen sind, die in der Lage sind Gewichtsverlagerungen eines Benutzers in der Kugel zu erfassen.

[002] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der drei Punkte mit Kraftwertaufhehmer versehen sind die Kräfte in senkrechter Richtung erfassen und zusätzlich mindestens ein Punkt mit einem waagerechten Kraftwertaufhehmer versehen ist, der Rotationsbewegungen erfasst, deren Rotationsachse senkrecht zu der durch die drei Punkte aufgespannten Ebene steht.

[003] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung unter mindestens einem der Auflagepunkte aus zwei Kraftwertaufhehmer besteht, die so angeordnet sind, dass sie beide Kraftkomponenten messen und unterscheiden können.

[004] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwertaufnehmer auf Dehnungsmessstreifen (15) basieren.

[005] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15) durch Wegbegrenzer gegen Überlast geschützt sind.

[006] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung durch einen massiven Basisisockel (8)gebildet wird von dem zwei mit diesem fest verbundene und je mit einem Dehnungsmessstreifen (15) versehenen Biegeschenkel (9) in V-förmiger Anordnung aufragen, wobei am obenliegenden Ende der beiden Biegeschenkel (9) zwei Übertragungsschenkel (11) gelagert sind, die zueinander dachförmig angeordnet sind und im Giebel des Daches mit einer Achse (12) verbunden sind, so dass Biegeschenkel (9) und Übertragungsschenkel (11) zusammen eine Raute bilden, auf die die darüber liegende Konstruktion alle auftretenden Kräfte über die im Dachgiebel befindliche Achse (12) auf die Kraftmesseinrichtung überträgt, so dass eine senkrecht eingeleitete Kraft dabei bei beiden Dehnungsmessstreifen zu Messwertänderungen mit gleichem Vorzeichen und seitlich wirkende Kräfte zu Messwertänderungen mit ungleichem Vorzeichen führen.

[007] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Kraftwertaufnehmer erfassten Gewichtsverlagerungen zur Steuerung der Kugelbewegungen herangezogen werden.

[008] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Kraftwertaufhehmer erfassten Informationen über die Ge- Wichtsverlagerungen des Benutzers durch einen Computer gespeichert und ausgewertet werden können.

[009] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Computer über eine Ausgabeschnittstelle verfügt, über die die gespeicherten Informationen, insbesondere Leistungsdaten ausgegeben und so dem Benutzer zugänglich gemacht werden können.

[010] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Computer über eine Internetanbindung verfügt und benutzerspezifische Daten über das Internet zugänglich macht.

[011] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Computer über ein Benutzeridentifikationssystem verfügt, das in der Lage ist, benutzerspezifische Daten zu speichern und diese auf Anforderung einzuladen oder auszugeben.

[012] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antriebssteuerung ein kinematisches Modell der bewegten Komponenten hinterlegt ist und die Antriebssteuerung dadurch in die Lage versetzt wird, Ausschläge der Kraftwertaufhehmer aufgrund von Trägheitsmomenten herauszufiltera.

[013] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Modell als selbstlernendes System ausgeführt wird, so dass Veränderungen im System nach einer Referenzfahrt erfasst und berücksichtigt werden können.

[014] Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme von Personen mit einem elektromotorischen schwenkbaren Reibradantrieb und einer elektronischen Antriebssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass diese über ein System zur Positionsbestimmung bewegter Komponenten der Kugel verfügt, das auf der Basis des elektronischen Vergleichs von Laufzeitmessungen elektromagnetischer Wellen arbeitet und aus mindestens einem Peilsender (26) und mindestens zwei Empfängern (28) besteht, wobei der Peilsender (26) im beweglichen und die Empfänger (28) im unbeweglichen Teil des Gerätes untergebracht sind oder umgekehrt.

[015] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Peilsender (26) an der Kugelhülle (1) befestigt sind, somit also die Kugellage erfasst werden kann.

[016] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sofern mehrere Peilsender (26) verwendet werden, die Signale dieser Peilsender für die Empfänger (28) unterscheidbar gemacht werden, wobei dies durch unterschiedliche Sendefrequenzen, oder durch mittels Amplituden- oder Frequenz-Modulation mitübertragener Kennungen erfolgt.

[017] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der innenbefindliche Benutzer mit Peilsendern (25) ausgestattet ist, die an für eine Positionsbestimmung geeigneten Punkten an seinem Körper befestigt sind.

[018] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese Peilsender (25) mindestens an Kopf, Schultern, Ellbogen, Handgelenken, Hüften, Kniegelenken, Fußgelenken und Füßen befestigt sind, so dass eine weitgehende Bestimmung der Körperlage des Benutzers zu einem beliebigen Moment möglich wird.

[019] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kugellagebestimmung zusätzlich ein in der Kugelhülle fest installierter Drehratensensor herangezogen wird.

[020] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Drehratensensor ausgegebenen Messwerte digital codiert werden und einem Peilsendersignal aufmoduliert werden, so dass eine zusätzliche Sende-/Empfangseinheit für die Drehratenmesswerte entfallen kann.

[021] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich außerhalb des bewegten Teils des Gerätes fest installierte Referenzpeilsender (27) befinden, deren genaue Lage im Raum der Auswerteelektronik bekannt ist, und die geeignet sind den Einfluss von Störfaktoren zu reduzieren.

[022] Simulations- und Trainingskugel nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Kugeloberfläche mindestens eine Referenzmarkierung (31) befindet, die der Referenzierung der für die Lagerfassung der Kugel zuständigen Peilsender und/oder Drehratensensoren dient und deren Position der Auswerteelektronik bekannt ist, wobei die Referenzmarkierung so gestaltet ist, dass durch sie auch die Winkellage der Kugel um die Achse herum bestimmt werden kann, die durch das Kugelzentrum und die Referenzmarkierung auf der Kugeloberfläche gebildet wird.

[023] Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Orientierung dieser Referenzmarkierung (31) von einem automatischen Bildverarbeitungssystem erfasst und der Auswerteelektronik zugänglich gemacht werden.

[024] Simulations- und Trainingskugel nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die so gewonnenen Informationen über Lage und Bewegung der Kugel und des Benutzers durch elektronische Kopplung Einfluss auf die Antriebssteuerung nehmen können.

[025] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Laufzeitmessungen hervorgegangenen Positionsdaten der am Körper des Benutzers befindlichen Peilsender (25) dazu herangezogen werden, ein virtuelles Körpermodell des Benutzers in einem Computer zu erzeugen, um so die tatsächlichen Bewegungen des Benutzers in der Kugel interpretieren und speichern zu können.

[026] Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme von Personen mit einem elektromotorischen schwenkbaren Reibradantrieb und einer elektronischen Antriebssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass diese über ein System zur Positionsbestimmung der Kugelhülle verfügt, dass auf der Basis einer auf der beweglichen Kugelhülle angeordneten Referenzmarkierung (40) arbeitet, die zu einem außerhalb der Kugel ortsfest angebrachten Bauelement in einen Lagebezug gesetzt werden kann und der ermittelte Lagebezug der Antriebssteuerung mitteilbar ist.

[027] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Bauelement ein optischer Sensor und insbesondere eine Kamera (32) ist.

[028] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dieser Referenzmarkierungen (40) auf der Kugeloberfläche angeordnet sind.

[029] Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 26 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass jede Referenzmarkierung (40) so gestaltet ist, dass sie einen eindeutigen Rückschluss auf ihre jeweilige Position und/oder auf die Orientierung der Kugelhülle (1) erlaubt.

[030] Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme von Personen mit einem elektromotorischen schwenkbaren Reibradantrieb und einer elektronischen Antriebssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülle optisch unterscheidbare Merkmale (44) aufweist, und dass mindestens eine Kamera (32), deren genaue Position und Ausrichtung sowie deren Bildausschnitt (43) bekannt sind und die auf die Kugelhülle (1) gerichtet ist diese unterscheidbaren Merkmale (44) aufnimmt und das aufgenommene Bild (45) an einen Computer weiterleitet, sowie einer auf diesem Computer laufende Software, die ein virtuelles Modell der Kugeloberfläche und der darauf unterscheidbaren Merkmale beinhaltet und dieses Modell entsprechend den von der Antriebssteuerung intendierten Kugelbewegungen mitbewegt und einen Vergleich zwischen dem von der Kamera gelieferten Bild und einem identischen Bildausschnitt (46) des virtuellen Modells anstellt und auf diesem Vergleich basierend eine Aussage über die tatsächliche Lage der Kugelhülle treffen kann und dass diese Information zur Steuerung der Kugelbewegungen verwertet wird.

[031] Simulations- und Trainingskugel zur Aufhahme von Personen mit einem elektromotorischen schwenkbaren Reibradantrieb und einer elektronischen Antriebssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass der Benutzer in der Kugel von mindestens drei Kameras (47) in engen periodischen Abständen aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wird, wobei alle Kameras (46) immer zum gleichen Zeitpunkt ein Bild aufnehmen, und dass die zu jedem Aufhahme- Zeitpunkt gehörende Bildergruppe zur Analyse an einen Computer (29) weitergeleitet wird, auf dem eine Software befindlich ist, die auf der Basis eines Vergleichs der Bildinformationen untereinander und gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Mustervergleich mit digitalisierten Bildern oder einem virtuellen Modell eines Benutzerskörpers ein dreidimensionales virtuelles Abbild des Benutzerkörpers erzeugen kann und die so gewonnenen Informationen über Haltung und Position des Benutzers in der Kugel von dieser Software als Steuerbefehle interpretiert und an die Antriebsteuerung weitergeleitet werden, so dass der Benutzer durch seine Bewegungen auf diesem Weg Einfluss auf die Bewegungen der Kugel nehmen kann.