CyberWalk – ungehindertes Gehen in virtuellen Welten
Ziel des Projekts „CyberWalk“ ist die Entwicklung einer vollkommen neuartigen virtuellen Laufumgebung, die es der Versuchsperson ermöglicht, sich aktiv und ungehindert in verschiedene Richtungen durch virtuelle Welten zu bewegen. Als erste Anwendung ist ein Spaziergang durch die antike, ehemals persische Stadt Sagalossa geplant.
Kernstück der CyberWalk-Laufumgebung wird der so genannte CyberCarpet (Cyberteppich) sein. Am Antrag zum Forschungsprojekt war angedacht, den CyberCarpet als eine Plattform mit einem Durchmesser von etwa 5 Metern zu konstruieren. Diese Plattform soll aus tausenden von kleinen, beweglich gelagerten Bällen - ähnlich einem überdimensionalen Kugellager - bestehen. Die Bälle werden durch ein Laufband, das auf einem Drehtisch montiert ist, von unten her angetrieben. Auf diese Weise ist es möglich, eine auf dem CyberCarpet laufende Person quasi unbemerkt immer wieder zur Plattformmitte zurück zu bringen. Von diesem Prinzip wurde auch ein Prototyp gefertigt (siehe Links oben).
Der CyberCarpet wird in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen, Abteilung Kognitive Humanpsychophysik (Prof. Heinrich Bülthoff), und der Technischen Universität München, Institut für Angewandte Mechanik (Prof. Heinz Ulbrich), entwickelt. Der Lehrstuhl für angewandte Mechanik übernimmt dabei die Entwicklung des Prototyps und die endgültige Konstruktion der Plattform.
Damit sich das Laufen auf der Plattform nachher auch natürlich anfühlt, werden von den Max-Planck-Wissenschaftlern Richtlinien erstellt, so dass die Plattform auf das menschliche Verhalten und deren Wahrnehmung abgestimmt ist. Entscheidend wird dabei hauptsächlich sein, wie sich die Kräfte, die bei der Beschleunigung der Plattform auftreten, auf die Wahrnehmung und Handlung des Menschen auswirken.
Weitere Partner des Projektes sind die Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich, Institut für Bildverarbeitung (Prof. Luc van Gool), deren Aufgabe darin besteht, durch Bildaufnahmen der laufenden Versuchsperson ein Signal zu erzeugen, das sich zur Steuerung der Plattform eignet – anderenfalls würde die Versuchsperson nach drei Schritten über den Rand der Plattform abstürzen. In dieser Aufgabe werden die Züricher Wissenschaftler unterstützt von der Universität Rom, Abteilung für Informatik (Prof. Alessandro De Luca), die geeignete Software zur Bewegungssteuerung entwickeln wird und dem Lehrstuhl für Steuerungs- und Reglungstechnik (Prof. Martin Buss) an der Technischen Universität München mit ihrer Expertise im Bereich optimierte Steuerungstechniken von komplexen Robotersystemen. Managementpartner in diesem Projekt ist die Agentur für Forschungsförderung AFWO GmbH (Tübingen, Dr. Friederike Wolf-Oberhollenzer).
Cyberwalk
The cyberwalk is an omidirectional motion platform which enables the compensation of any motion of the user which stands on it.
Video 1: Person walking on Cyberwalk, no active control (person reacts to platform), slow speed
Video 2: Cyberwalk speeds up to 80% of maximum velocity (belt direction, main chain will also achieve this speed after extension)
Basically the platform consists of several belts which form an endless torus. The belts can be actuated and generate motion in one direction (X), the whole torus can rotate and generates motion an a second direction (Y). As the two motions can be controlled independently, any resulting motion can be generated to recenter a person.
The actual implementation offers 3.5 to 4.6 meters of walking space and will be sized up to 5.5 times 4.6 meters by december 07 speeding up to 2 m/s (person starts jogging). As far as known this is the lagest and fastest implementation wordlwide at the moment (Stated Oct 07).
The plaform can be easily sized up by its modularity. The theoretical span is almost unlimited by an innovative construction (patend pending). As size matters with regard to the maximum allowable accelerations on a human on the platform, this implementation can be considered as a major breakthough in the history of motion platform construction.
Fields of application:
- The "holodeck": The user is equipped with a Head Mounted Device (HMD) which shows the virtual reality. The HMD is trackes with a motion tracking system, on the one hand to generate the video data for the stereo vision of the HMD, on the other side to calculate the deviation of the user from the platforms center. This deviation is used to recenter the user. By respecting acceleration limitations and other restrictions, this process will not be noticed by the user. Many different applications are possible, from a walk to a new designed urban area to the research of an order picking process in an innovative environment. Within this project, it is possible to walk around in the ancient Pompeij using the city engine.
- Research of walking parameters and perception
- The platform can help to research the acceleration restrictions which are given in certain standing and walking phases. Also the effects of the sensorfusion in the brain can be studied.
- Many other fields of application are available from training of security personnel or therapy of disabled persons.
Cybercarpet
The Cybercarpet is a small scale implementation of a ball bearing platform. The basic principle has been outlined in patent applications and could also be seen in the hollywood movie "Disclosure" (1994) in an artistic representation. We were able to implement the platform in a way that it is now able to really walk on the platform and execute perceptual studies about the ball array and its behaviour. Moreover a small test vehicle was built to carry out downscaled trajectories which were recorded via GPS and accelerometers. The platform is able to speed up to 2m/s on the belt system and 2 rad/s on the rotational DOF, including a walking area of approximately 0,8m in a hexagonal shape. Up to now (Oct 07) the fastet and biggest implementation of this platform type.
Watch the videos:
Experiment with vehicle showing closed controll loop: the executed path would have been a quare in real word (most unconvenient trajectory for the control because of singularities occuring)
Walking experiment: The velocity of the platform is accelerated up to the point where the balls get unstable in the holding grid. This occurs at approximately 1.4 m/s. Measures to avoid this flipout are described in the paper.
Publications:
"Cyberwalk: Implementation of a ball bearing platform for humans"
published at the "Conference on Human Computer Interaction", Beijing, China, July 2007
"A 2D-Motion Platform: The Cybercarpet"
published at the "World Haptics Conference", Tsukuba, Japan, March 2007
Foot Following Device
Many foot following devices were published in the recent years, many prototypes have been built. The thing which lacks these devices is the possibility to make sudden turns. The proposed device consists of of three degrees of freedom (1-3) per foot which provide the foot following capabilities. Moreover, a fourth degree of freedom (4) is added to rotate the whole system in case of curved walking or turns.
Links:
- Project official website
- Press information (workshop)
- Pictures free for publication (by Tina Weidgans)
Project Partners
- AFWO Agentur Friederike Wolf-Oberhollenzer (management)
- DIS Robotics laboratory (higl level control tracker->velocity commands)
- ETH Zürich Vision Lab (Visualisierung / Pose Tracker) / Procedural
- Max Plack Institute for Biological Cybernetics (project management, perception)
Credits:
We like to thank the companies which helped us to realize the project by providing good conditions and/or free samples
- Ultratronik (Human-Machine-Interface)
- GGB Bearings (chain bearings)
- Maschinenbau Kitz / Reichenbach (belt systems)
- Metallbau Pröbst (framework)
- tw-photography (photo and video)