Storia dello sviluppo delle piattaforme di camminata omnidirezionale nella realtà virtuale
Attualmente è possibile individuare quattro principali direzioni nello sviluppo delle piattaforme di locomozione omnidirezionale per l’utente in realtà virtuale (VR locomotion platforms). La maggior parte delle soluzioni esistenti trae origine dalle ricerche scientifiche condotte dagli specialisti del VR Lab dell’Università di Tsukuba (Giappone), che hanno avuto un ruolo chiave nello sviluppo delle tecnologie di movimento virtuale.
Di seguito analizzeremo in modo sistematico ciascuna direzione di sviluppo delle piattaforme VR omnidirezionali, il loro stato attuale e le ragioni per cui la maggior parte di questi dispositivi non è ancora in grado di offrire una locomozione confortevole, realistica e fisiologicamente corretta in realtà virtuale.
Al termine di questa pagina abbiamo preparato una selezione di video YouTube che mostrano il funzionamento di tutti i dispositivi qui analizzati, presentati nello stesso ordine in cui vengono citati nel testo.
1. Tapis roulant omnidirezionali
La prima categoria comprende dispositivi che, dal punto di vista costruttivo, ricordano i tapis roulant tradizionali, ma che dispongono di gradi di libertà aggiuntivi che consentono all’utente di muoversi non solo avanti e indietro, ma anche lateralmente. La superficie di camminata è solitamente suddivisa in segmenti o moduli in grado di modificare il proprio orientamento, mentre l’intero sistema è progettato per riportare dinamicamente l’utente al centro dell’area di lavoro.
I principi di questo approccio sono stati introdotti nel 1997 con i dispositivi Torus Treadmill e Omni-Directional Treadmill (ODT).
Il Torus Treadmill è stato sviluppato presso l’Università di Tsukuba (Giappone), mentre l’ODT è stato progettato da ingegneri statunitensi della Virtual Space Devices. Una descrizione dettagliata della struttura è disponibile nel brevetto USA US5562572A, “Omni-Directional Treadmill”.
Torus Treadmill 1997
Virtual Space Devices 1997
Uno dei più ambiziosi tentativi di sviluppo commerciale di questa tecnologia è stato il progetto europeo CyberWalk. La sua evoluzione moderna può essere rappresentata dalla piattaforma INFINADECK, una versione ridotta e tecnologicamente migliorata di questi sistemi, destinata ad applicazioni professionali e industriali.
Limiti e svantaggi
I principali svantaggi dei tapis roulant omnidirezionali di questo tipo includono:
- elevata complessità strutturale e ingombro;
- un gran numero di componenti meccanici soggetti a attrito;
- necessità di sistemi di azionamento potenti;
- peso elevato, alto consumo energetico e manutenzione complessa.
I tentativi di ridurre le dimensioni di tali dispositivi sono stati realizzati nei progetti Cybercarpet e StriderVR, ma non hanno eliminato le limitazioni fondamentali del principio.
In entrambi i casi viene utilizzato un meccanismo classico di tapis roulant integrato con uno strato di sfere:
- in Cybercarpet ruota il nastro sotto il blocco di sfere;
- in StriderVR ruota il blocco di sfere sopra il nastro.
Nonostante le differenze di implementazione, il principio di funzionamento di base e le relative limitazioni rimangono invariati.
Disney Holotile
All’interno della categoria dei tapis roulant omnidirezionali merita una menzione particolare il Disney Holotile. In questo dispositivo la superficie di appoggio è composta da una matrice di rulli meccanizzati con azionamento individuale, che compensano in tempo reale i movimenti dell’utente e lo riportano verso il centro della piattaforma.
Questo approccio consente movimenti a passo in qualsiasi direzione restando all’interno dell’area operativa. Il concetto è descritto in dettaglio nel brevetto USA US20180217662A1 (2017), “Floor system providing omnidirectional movement of a person walking in a virtual reality environment”.
Nonostante la sofisticazione tecnologica e l’originalità della soluzione, questo approccio conserva le tipiche limitazioni dei tapis roulant, tra cui l’elevata complessità meccanica, i costi e la difficoltà di implementare movimenti naturali.
Limiti di realismo
Un ulteriore svantaggio significativo di tutti i dispositivi di questa categoria è l’impossibilità di riprodurre in modo realistico la salita e la discesa delle scale, così come scenari di movimento complessi su terreni irregolari. Ciò riduce notevolmente il livello di immersione e limita l’utilizzo di queste piattaforme in scenari VR realistici.
Cybercarpet StriderVR
2. Piattaforme con scorrimento ed effetto antifrizione
La seconda direzione si basa sull’utilizzo dell’effetto di riduzione dell’attrito.
In tali sistemi vengono impiegati:
• rulli montati sulla suola delle calzature dell’utente;
• rulli o elementi sferici sulla piattaforma;
• rivestimenti speciali antifrizione.
Questo approccio trae origine dal progetto sperimentale "Virtual Perambulator", presentato nel 1995 alla conferenza SIGGRAPH dai ricercatori dell'Università di Tsukuba. Si trattava di una delle prime interfacce di locomozione VR progettate per simulare la deambulazione dell'utente. Il dispositivo utilizzava una superficie liscia in plastica e scarpe scivolose, consentendo ai piedi di scivolare liberamente durante i movimenti.
La fase successiva nello sviluppo di questa direzione è stata la piattaforma
Omni-direction Ball-bearing Disc Platform (OBDP) (1999), nella quale veniva utilizzato un grande numero di rulli a sfera collocati direttamente sulla superficie di supporto.
Analoghi moderni
I dispositivi commerciali moderni di questo tipo (Virtuix Omni, Wizdish ROVR, WalkMouse, Cyberith Virtualizer, Kat Walk, ecc.) differiscono in modo minimo dai loro primi prototipi. I miglioramenti riguardano principalmente i sistemi di sicurezza e di imbracatura, senza aumentare il realismo della camminata.
Il problema principale risiede nel principio stesso dello scorrimento: l’utente è costretto a “far scivolare” i piedi sulla superficie, il che soggettivamente ricorda il camminare sul ghiaccio e non corrisponde alla biomeccanica naturale dell’essere umano.
Virtual Peranbulator
OBDP
3. Calzature con azionamento elettrico (Powered Shoes)
La terza direzione si basa sull’utilizzo di rulli ad azionamento elettrico fissati direttamente alle calzature dell’utente. Il primo dispositivo di questo tipo sono state le Powered Shoes, sviluppate presso il VR Lab della University of Tsukuba.
Gli analoghi moderni, incluso il progetto Freeaim VR Shoes, non si sono discostati in modo sostanziale dal concetto originale e continuano a presentare una serie di problemi oggettivi:
• urti tra gli elementi delle calzature durante la camminata;
• elevato livello di rumore;
• carichi d’urto significativi sulle articolazioni;
• impossibilità di realizzare la salita delle scale e il movimento su terreni irregolari.
Il posizionamento dei meccanismi di sollevamento direttamente sulle gambe dell’utente rende tali sistemi ingombranti e ne riduce l’applicabilità pratica.
Powered Shoes
Freeaim VR Shoes
4. Piattaforme con superfici indipendenti per i piedi
La quarta direzione comprende dispositivi con piattaforme separate per ciascun piede. La maggior parte di queste soluzioni è esistita esclusivamente sotto forma di pubblicazioni scientifiche e prototipi.
Una delle prime realizzazioni di questo tipo è stata descritta nel lavoro «A foot following locomotion device with force feedback capabilities». La struttura consiste in una piattaforma con due bracci mobili e quattro gradi di libertà; a causa delle elevate sollecitazioni operative, il dispositivo richiede l’impiego di attuatori ad alta potenza, il che rappresenta il suo principale svantaggio.
A questa direzione appartengono anche i dispositivi Gait Master:
• Gait Master 1 — due piattaforme mobili su meccanismi telescopici;
• Gait Master 2 e Gait Master 5 — descritti in pubblicazioni scientifiche del VR Lab della University of Tsukuba. La seconda e la quinta versione sono state sviluppate per l’uso nella riabilitazione medica.
Dispositivi fuori classificazione
È opportuno menzionare separatamente CirculaFloor e VirtuSphere, che non rientrano in nessuna delle direzioni elencate.
CirculaFloor è un sistema composto da più piattaforme robotizzate che vengono posizionate alternativamente sotto i piedi dell’utente.
VirtuSphere è una sfera trasparente rotante con un diametro di circa 2 metri, all’interno della quale si trova l’utente.
Il principio di funzionamento di VirtuSphere è stato descritto per la prima volta nel brevetto RU2109336C1 (1995)
«Metodo di immersione di un utente nella realtà virtuale e dispositivo per la sua realizzazione».
Conclusione
Dopo aver studiato e testato i dispositivi esistenti per la locomozione pedonale omnidirezionale in VR, siamo giunti alla conclusione che nessuna delle soluzioni disponibili garantisce simultaneamente un elevato livello di realismo, comfort e sicurezza.
Siamo convinti che il Radix Omnidirectional Treadmill, fondamentalmente diverso dagli analoghi esistenti, sia in grado di portare le tecnologie di locomozione VR a un nuovo livello. Il concetto alla base di questo dispositivo consente di semplificare significativamente la struttura, ridurre i costi di produzione industriale e rendere la locomozione virtuale realistica accessibile a un pubblico più ampio.
