Omnidirectional Treadmill Systems

Abstract

Kahden vapausasteen juoksumatto (omnidirectional treadmill) on eräs virtuaalitodellisuuden käyttökohteisiin kehitetty teknologia. Toisin kuin tavallinen juoksumatto, kahden vapausasteen juoksumatto kykenee liikkumaan sekä x- että y-suunnassa samanaikaisesti. Juoksumaton kiihtyvyyttä ohjataan x-y-tasossa PID-säädöllä käyttäjän sijainnin poikkeaman perusteella, jolloin käyttäjä kyetään pitämään juoksumaton keskellä riippumatta tämän nopeudesta tai liikkeen suunnasta. Parhaimmillaan teknologia voisi mahdollistaa luontevan ja lähes rajoittamattoman kävelemisen virtuaalitodellisuudessa.

Kahden vapausasteen juoksumatto on monimutkainen järjestelmä, jonka toteutuksessa hyödynnetään mm. tehokkaita servomoottoreita, erilaisia sensoreita sekä ohjausalgoritmeja. Laite koostuu y-suunnassa liikkuvasta jaokkeisesta kuljetinhihnasta, joka vuorostaan rakentuu x-suunnassa liikkuvista pienemmistä hihnoista. Sekä y-suunnassa liikkuvaa kuljetinta, että x-suunnassa liikkuvia hihnoja ohjataan omilla, negatiivisesti takaisinkytketyillä servojärjestelmillä. Laitteen mekaaninen rakenne mahdollistaa voimanvälityksen samanaikaisesti kummassakin liikesuunnassa.

Rinnakkaiset servojärjestelmät vastaanottavat ohjaussignaalinsa erillisiltä PID-säätimiltä. Toinen säätimistä vastaa x- ja toinen y-suunnan ohjauksesta. Servojärjestelmien ohjaus perustuu juoksumaton sijainnin negatiiviseen takaisinkytkentään. Säätimen virityksellä voidaan vaikuttaa juoksumaton vasteeseen suhteessa käyttäjän liikkeisiin.

Tässä kandidaatintyössä käsitellään kahden vapausasteen juoksumattojen mekaanista rakennetta sekä niissä käytettäviä toimilaitteita. Lisäksi työssä tarkastellaan juoksumaton ohjaus-järjestelmän toimintaa algoritmisestä näkökulmasta. Lopuksi työssä arvioidaan millä tavoin kahden vapausasteen juoksumattoja voitaisiin kehittää tulevaisuudessa paremman käyttäjäkokemuksen saavuttamiseksi.

An omnidirectional treadmill, or a two-degree-of-freedom treadmill, is a technology developed for virtual reality applications. Unlike a conventional treadmill, an omnidirectional treadmill can move simultaneously in both x and y directions. Its acceleration is controlled in the x-y plane using PID regulation based on the deviation of the user’s position, enabling the user to be maintained at the center of the treadmill regardless of their speed or direction of movement. This technology could enable natural and nearly unrestricted walking in a virtual environment.

The omnidirectional treadmill is a complex system that utilizes high-performance servomotors, various sensors, and control algorithms. The device consists of a segmented conveyor belt that moves in the y-direction, which, in turn, is composed of smaller belts that move in the x-direction. Both the y-direction conveyor and the x-direction belts are controlled by separate, closed-loop servo systems. The system's mechanical design allows simultaneous force transmission in both movement directions.

The parallel servo systems receive their control signals from individual PID controllers. One controller manages the x-direction, while the other governs the y-direction. The control of these servo systems is based on negative feedback of the treadmill’s position. By adjusting the parameters of the controllers, the system’s response to the user's movement can be optimized.

This bachelor’s thesis examines the mechanical structure of omnidirectional treadmills and their actuators. Additionally, the thesis explores the control system from an algorithmic perspective. Finally, it evaluates how the performance of these treadmills could be further improved to enhance the overall user experience.