Wer sich schon einmal mit einer Virtual Reality (VR)-Brille bewegt hat, kennt es: Läuft man im virtuellen Raum auf ein Hindernis zu, etwa auf eine Wand oder ein Möbelstück, hindert einen das nicht an der Fortbewegung. Man geht einfach hindurch. Nur reale Wände sind Hindernisse, die einen im virtuellen Raum aufhalten können. Mit einem omnidirektionales Laufband ist es jedoch möglich, sich im virtuellen Raum unendlich weit zu bewegen, da man mittels kleiner Rollen immer wieder zum Mittelpunkt zurückgebracht wird.
Omnidirektionales Laufband für grenzenlose Bewegung
Auf einem omnidirektionalen Laufband kann man nicht nur vorwärts gehen, sondern sich in alle Richtungen bewegen, sich drehen und wieder zurück gehen. Es besteht aus 16 trapezförmigen Elementen, die zu einem Kreis mit fünf Metern Durchmesser angeordnet sind. Jedes Element hat viele kleine Aluminiumrollen, auf denen man gehen kann und die einen immer wieder zum Mittelpunkt zurückbringen. So bewegt man sich in der Realität fast auf der Stelle, kann sich jedoch im virtuellen Raum unbegrenzt bewegen, ohne auf eine echte Wand im Raum zu stoßen.
Als einzige Forschungseinrichtung in Süddeutschland verfügt die Universität Stuttgart über ein omnidirektionales Laufband, finanziert durch den Exzellenzcluster „Daten-integrierte Simulationswissenschaft (SimTech)“. Die Investition in diese hochmoderne Virtual-Reality-Plattform bietet Wissenschaftler*innen die einzigartige Möglichkeit innovative immersive Technologien zu erforschen und mit der virtuellen Welt zu interagieren. SimTech ist mit dem Projektnetzwerk 7 (Adaptive Simulation und Interaktion) Vorreiter auf diesem Forschungsgebiet und nutzt das omnidirektionale Laufband um bereits entwickelte Konzepte experimentell zu evaluieren.
Kann man sich grenzenlos bewegen, hält einen im virtuellen Raum nichts mehr auf. Das ist für Nutzer von VR-Brillen jedoch seltsam. Deshalb forscht Alexander Achberger, Postdoktorand am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart, auf dem omnidirektionalen Laufband an einer Lösung für dieses Problem: „Ich möchte ein haptisches Feedback-System entwickeln, so dass man physisch an einer Wand oder einem Gegenstand im virtuellen Raum gestoppt wird. Man spürt die Kollision mit dem Hindernis und kann nicht mehr weiterlaufen.“
Dafür hat er bereits erste haptische Feedback-Systeme entwickelt und selbst gebaut. Diese Systeme bestehen aus mehreren Boxen, die mit einem intelligenten Seilzugsystem ausgestattet sind. Diese Boxen sind wiederum jeweils an einem Gerüst befestigt und fest im Boden verankert. Der Seilzug ist an der Stelle des Körpers befestigt, an der der Widerstand zu spüren sein soll. Zudem sind die Feedback-Systeme über eine Schnittstelle mit der VR-Software verbunden.
Nähert man sich virtuell einem Hindernis, stoppt ein Mechanismus den Seilzug, sobald man dagegen stoßen würde. Man kann dann einfach nicht mehr weitergehen. „Blaue Flecken holt man sich also nicht,“ meint Alexander Achberger lachend. „Und das Besondere an diesem System ist, dass man das nicht nur an der Hand befestigen kann, sondern überall, wo man es möchte, zum Beispiel an der Hüfte.“
Flexible haptische Feedback-Systeme
Das statische System ist für viele Anwendungen geeignet, bei denen man sich nicht viel bewegen muss, zum Beispiel in einer Simulation der Montage von Produkten, bei der geprüft wird, ob Monteure mit ihrem Schrauber eine schwer zugängliche Schraube erreichen können. Dank des Systems spürt man, ob Nutzer sich hier den Kopf anstoßen würden, oder ob sie die Schraube auch tatsächlich berühren. Bewegt man sich jedoch viel im virtuellen Raum, kann sich das Seil dabei verheddern.
Deshalb entwickelt Alexander Achberger ein neues, flexibles System. „Das ist ein Ring, den man sich anzieht und der wie ein Hula-Hoop-Reifen um die Hüfte liegt.“ Anstatt direkt an der Hüfte, sind die Seile an dem Ring befestigt und fahren bei einer Drehung sozusagen mit. Man kann sich frei bewegen und wird gestoppt, wenn ein Hindernis im Weg ist.
Einen Prototyp hat Alexander Achberger mit seinem Team bereits gebaut und getestet. Taucht zum Beispiel ein Tisch auf, spürt man es an der Hüfte, wenn man gegen den Tisch läuft. Den Widerstand spürt man immer dort, wo der Ring sitzt. Theoretisch könnte man so ein System auch am Kopf befestigen, dann würde man merken, wenn man sich den Kopf anstößt. Allerdings wäre der Hüftring für den Kopf noch nicht geeignet, weil er zu groß ist.
Auch wäre das haptische Feedback-System mit den festen Verankerungen im Boden für das omnidirektionale Laufband ungeeignet, weil das Seil nicht mit der Person mitgeht. Der Ring dagegen erlaubt das Drehen in alle Richtungen. „Eine weitere Idee ist es, den Ring nicht am Menschen anzubringen, sondern außen um das Laufband herum. Das wäre dann ein Ring mit fünf Metern Durchmesser, der sich dreht. Das heißt, wenn ich mich nach rechts drehe, dreht sich auch der gesamte Ring, sodass die Seile immer gleich sind“, so Achberger. Das sei besser für die Benutzer, weil sie nichts tragen müssen und so wäre auch das Problem mit dem Kopf gelöst. Doch das sei Arbeit für die Zukunft, fügt er hinzu.
Das omnidirektionale Laufband ist Teil des Immersion Lab an der Universität Stuttgart. Eingerichtet wurde es als gemeinsames Labor von SimTech und dem Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme, um Studien für Simulationen im virtuellen Raum durchzuführen. Neben dem Projekt von Alexander Achberger werden im Immersion Lab weitere Forschungsvorhaben in SimTech verfolgt – etwa im Rahmen des Projekts PN7‑1(II) „PerSiVal“, das sich mit biomechanischen Simulationen in Verbindung mit haptischer Rückmeldung befasst, oder im Projekt PN6‑8, das immersive Visualisierungen für die Zusammenarbeit von Mensch und KI untersucht.
Kommunikation zwischen den Systemen ist Herausforderung
Die größte Herausforderung besteht nun darin die Kommunikation zwischen dem omnidirektionalen Laufband und dem haptischen Feedback-System abzustimmen. „Man kann sich das so vorstellen: Wenn ich laufe, ein Hindernis auftaucht und die haptischen Feedback-Systeme mich stoppen, dann könnte ich trotzdem mit der gleichen Geschwindigkeit einfach weiterlaufen“, erklärt Alexander Achberger.
Das heißt, auch das omnidirektionale Laufband muss gestoppt werden. Die Frage ist jedoch, zu welchem Zeitpunkt? Und zu welchem Zeitpunkt muss dann das haptische Feedback-System die Bewegung stoppen? „Das ist die große Herausforderung, dass man das gut hinbekommt, so dass es sich natürlich anfühlt. Es hängt davon ab, wie schnell man läuft und wo man sich befindet“, erklärt Achberger. Die nächste Frage sei dann: „Wie startet man das omnidirektionale Laufband wieder?“
Diese Herausforderungen sind exemplarisch für Fragestellungen, die im Exzellenzcluster SimTech bearbeitet werden: Wie lassen sich physikalisch realistische Rückmeldungen und adaptive Simulationen in virtuellen Umgebungen effizient modellieren, steuern und bewerten? Die Arbeiten von Alexander Achberger leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Gemeinsam mit Michael Sedlmair – Participating Researcher in SimTech – hat er innovative Konzepte zum haptischen Feedback publiziert.
Alexander Achberger baut alle haptischen Feedback-Systeme selbst und programmiert die Kommunikation zwischen den Feedback-Systemen und dem omnidirektionalen Laufband. Der Informatiker hat sich dabei viel selbst beigebracht. „Im Studium hatten wir ein bisschen Elektrotechnik. Außerdem lernt man da auch, wie man als Autodidakt arbeitet und sich die Dinge selbst beibringt. Es gibt im Internet ganz viele Tutorials dazu, und ich lerne auch viel von Kolleg*innen“, erzählt er.
Virtuell Produkte testen
Zudem hat Alexander Achberger ein Start-up, die Haptive GmbH, gegründet, um mit den haptischen Feedback-Systemen Unternehmen bei ihrer Digitalisierung zu unterstützen. „Bei der Entwicklung eines Fahrzeugs beispielsweise wird mittlerweile viel mit VR getestet, etwa wie der Kofferraumdeckel designt sein muss, damit man sich beim Aus- und Einladen nicht den Kopf anschlägt“, erklärt er, „oder ob bestimmte Fahrzeugteile kollisionsfrei eingebaut werden können“. Man könnte auch virtuell testen, ob ein Schreibtisch ergonomisch gebaut ist oder mit Hilfe eines virtuellen Küchenplaners, ob man die Schränke oben noch erreichen kann.
„Oder was ich mir auch vorstellen kann, ist eine virtuelle Höhlenexpedition, wo man nicht weiß, komme ich durch diese Gänge oder nicht? Das wäre viel realistischer, wenn man dann wirklich auch mal anstößt, gerade wenn es eng wird und man Probleme hat, durchzukommen“, so Alexander Achberger. Man könnte virtuelle Schulungen durchführen, wie man sich verhalten muss, um Höhlen sicher zu erkunden. „Das wäre mit einer haptischen VR viel realistischer.“ Noch in diesem Jahr sollen die Feedback-Systeme auf den Markt gebracht werden.
In einer neuen Version haben die haptischen Feedback-Systeme einen aktiven Motor. „Bisher konnten sie nur stoppen“, erklärt er weiter. „Mit der neuen Version können sie auch ziehen und das heißt, auch Widerstände und aktive Kräfte simulieren. Damit kann man zum Beispiel den Widerstand von Wasser spüren, wenn man die Hand eintaucht. Oder wenn ein Objekt magnetisch ist, dann zieht es einen an.“ Die Feedback-Systeme hätten bereits viel Interesse von Seiten der Industrie hervorgerufen, freut sich Alexander Achberger. Trotzdem will er lieber in der Forschung bleiben und Produkte entwickeln, die in ein paar Jahren verkauft werden und die bei der Lösung eines Problems helfen können.
Manuela Mild | SimTech Science Communication
Zum Weiterlesen
Achberger, P. Gebhardt, and M. Sedlmair, “An Exploratory Expert-Study for Multi-Type Haptic Feedback for Automotive Virtual Reality Tasks,” IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 30, Art. no. 11, Sep. 2024, doi: 10.1109/tvcg.2024.3456203
Achberger, “Moving haptics research into practice: four case studies from automotive engineering,” 2023. [Online]. Available: https://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/13922
Achberger, A., Arulrajah, P., Sedlmair, M. and Vidackovic, K., "STROE: An ungrounded string-based weight simulation device." IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR). IEEE, 2022.
Achberger, A., Aust, F., Pohlandt, D., Vidackovic, K. and Sedlmair, M.,"STRIVE: String-based force feedback for automotive engineering." ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST). 2021.
Achberger, A., Heyen, F., Vidakovic, K. and Sedlmair, M., “PropellerHand: A hand-mounted, propeller-based force feedback device.” International Symposium on Visual Information Communication and Interaction. 2021.
Über den Wissenschaftler
Alexander Achberger hat an der Universität Stuttgart studiert und einen Bachelor- und Masterabschluss in Informatik. Promoviert hat er im Virtual Reality Center bei der Firma Mercedes-Benz, wo die VR hauptsächlich für die Entwicklung der Fahrzeuge genutzt wird. Haptisches Feedback in Virtual Reality war dann auch sein Promotionsthema, um Interaktionen oder Kollisionen mit Fahrzeugen spürbar und damit realistischer zu machen.
Seit zwei Jahren entwickelt er am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart in der Arbeitsgruppe von SimTech Participating Researcher Michael Sedlmair die haptischen Feedback-Systeme weiter. Daneben hat er das Start-up Haptive GmbH gegründet. Sein Herz schlägt für die Forschung, es ist ihm jedoch wichtig, dass sie einen „Real-World-Impact“ hat. Deshalb ist die Kombination von Forschung und Praxis für ihn ideal.
