AT502521B1 - Vorrichtung zum flexibel steuerbaren bewegen von menschen oder gegenständen - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum flexibel steuerbaren Bewegen von Menschen oder Gegenständen. Anwendungsfälle sind beispielsweise das Bewegungen von Menschen zu spielerischen, sportlichen, pädagogischen oder therapeutischen Zwecken, das Bewegen von Bauteilen zu Prüfzwecken und das Bewegen von Gefäßen um darin angeordnete flüssige oder/und pulverförmigen Substanzen zu vermischen.

[0002] Es gibt verschiedenartige, relativ einfache Wippen oder Schaukeln, welche typischerweise in Praxen von Physiotherapeuten, manchmal auch in Fitnessräumen aufgestellt sind, auf welche sich Menschen stellen, um damit Übungen zu machen. Als Beispiele für derartige Geräte seien die AT 411 015 B und die DE 100 047 85 B4 genannt.

[0003] Entsprechend der AT 411 015 B steht die übende Person auf einer Platte, welche mittels zwei in einer vertikalen Ebene gebogenen Kufen am Boden aufliegt, sodass die Platte über diese Kufen wippen kann. Die Kufen können in ihrer Lage verstellt werden, womit das Wippverhalten der Platte sanfter oder abrupter wird. Die auf der Platte stehende Person wird dazu angeregt, so zu balancieren, dass die Platte horizontal bleibt.

[0004] Vorteilhaft an dieser Vorrichtung ist, dass sie einfach, kostengünstig und raumsparend ist. Nachteilig ist, dass sie nur einen einzigen Freiheitsgrad der Bewegung zulässt, nämlich Wippbewegung in einer vertikalen Ebene. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die charakteristische Kurve der Wippbewegung während des Betriebes der Vorrichtung nicht verstellt werden kann.

[0005] Die DE 100 04 785 B4 zeigt eine Standfläche, welche um zwei im Abstand dazu darüber befindliche, aufeinander normal stehende horizontale Achsen in einem beschränkten Winkelbereich geschwenkt werden kann. Bewegung der Platte kann mit einer mechanischen Dämpfung beaufschlagt werden. Die Höhe der Achsen über der Standfläche und die Bewegungsdämpfung sind einstellbar. Die Winkelauslenkung kann dem Benutzer visualisiert werden.

[0006] Auch diese Vorrichtung ist relativ einfach und auch noch kostengünstig. Gegenüber der zuvor genannten Vorrichtung bietet sie einen weiteren Freiheitsgrad der Bewegung und eine einstellbare Dämpfung. Nachteilig ist, dass sie relativ Platz in Anspruch nimmt, und dass sie nur geringe Herausforderungen an das Balancegefühl bietet.

[0007] Darüber hinaus gibt es Vorrichtungen, welche in Zusammenarbeit mit Computern und aktiven Antriebselementen, Flächen auf denen sich ein Mensch befindet, in bis zu allen sechs Freiheitsgraden im Raum bewegen können, und darüber hinaus noch auf Bildschirmen dazupassende Bilder zeigen, beispielsweise von Fahrten in virtuellen Räumen, oder informative Anzeigen über Bewegungszustände. Bewegung und Bilder können wahlweise interaktiv durch die, die Anlage benutzende Person beeinflusst werden, oder sie laufen nach Art eines Filmes einfach ab und üben so ihre Wirkung auf die Person aus. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise für Ausbildungszwecke verwendete Simulatoren von Fahrzeugen. In etwas sparsamer Ausführung gibt es sie auch als immer noch sehr aufwendige Spielgeräte mit denen beispielsweise in Spielsalons oder auf Jahrmärkten eine so genannte "Virtual reality" gegen Bezahlung einer Gebühr für einige Minuten gut erlebbar wird.

[0008] Als Beispiele für derartige Geräte seien die US 5 629 594, die DE 199 12 281 A1 und die DE 19846337 C2 genannt.

[0009] Die US 5 629 594 zeigt eine Vorrichtung, welche in Verbindung mit einem Computer, eine Fläche auf welcher sich ein Mensch befindet, innerhalb eines begrenzten Bereiches in beschleunigte Bewegung versetzen kann, um damit Bewegungen, welche in der im Computer simulierten Realität stattfinden, in der gegenständlichen Realität des Computerbenutzers fühlbar zu machen. Die Bewegung wird mittels Elektromotoren, Zahnrädern und Zahnstangen erzwungen. Das ist extrem teuer. Zudem erfordern die dynamisch gesteuerten Elektromotoren Frequenzumrichter, welche in normalen Stromversorgungsnetzen erhebliche Probleme verursachen. 1/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 [0010] In der Veröffentlichung US 2003/0199374 A1 wird eine Maschine zum Propriozep-tionstraining beschrieben, bei der eine Basisplatte mit Hilfe von Linearaktoren mit Servomotoren und Spindeltrieb und geeigneten Schwenkhebeln um eine beliebige in der Basisplatte liegende Achse verkippbar ist. Eine derartige Vorrichtung bringt ähnliche Probleme mit sich, wie die in der oben erwähnte Vorrichtung aus der US 5 629 594.

[0011] Die DE 199 12 281 A1 zeigt einen Reitsimulator, welcher eine Pferdeattrappe in drei lineare Richtungen und in drei Drehrichtungen bewegen kann. Die Bewegung erfolgt mittels Pneumatikzylindern. Wegen der Haftreibung zwischen Zylinder und Kolben, gekoppelt mit der Volumenelastizität von Gasen, ist es damit praktisch unmöglich feine Bewegungsverläufe mit wechselnden Richtungen ohne Rucken nachzuführen. Insgesamt ist die Anordnung nur unter Verwendung von sehr hochwertigen mechanischen Komponenten und einer extrem intelligenten und hochdynamischen Steuerung annähernd in jener Qualität herstellbar, wie in der Schrift angegeben. Damit ist die Anlage sehr teuer.

[0012] Würde man die Bauweise entsprechend der DE 199 12 281 A1 mit hydraulischen Antriebselementen anstatt pneumatischen Elementen verwirklichen, so könnte damit zwar das Problem der Volumenelastizität des Druckmittels vermieden werden. Mit der Hydraulikanlage sind aber auch hohe Kosten, hohes Gewicht, unter Umständen Geruchsbelästigung und im Fall von Undichtheiten Gefahr von Verschmutzung verbunden.

[0013] Sowohl entsprechend der US 5 629 594, als auch entsprechend der DE 199 12 281 A1 werden Bauweisen vorgeschlagen, bei denen auf einem, in eine Richtung bewegbaren, Grundschlitten ein weiterer Schlitten, welcher darauf in eine andere Richtung bewegbar ist, montiert wird, usw. bis auf dem letzten Schlitten die zu bewegende Fläche befestigt ist. Diese Bauweise führt zwar dazu, dass die kinematischen Verhältnisse jederzeit gut verständlich sind, ist aber sehr schwer und teuer.

[0014] Demgegenüber wird in der DE 198 46 337 C2 eine Bauweise dargestellt, entsprechend welche die zu bewegende Fläche an drei Punkten drehbar an einem Ende von längenverstellbaren Stellelementen gehalten ist. Mit dem anderen Ende sind die Stellelemente ebenfalls drehbar an einer unbeweglichen Basisfläche befestigt. Alle Bewegungen der zu bewegenden Fläche werden durch entsprechend koordiniertes Ändern der Länge der Stellelemente bewirkt. Gegenüber einer Bauweise mit verschachtelten Schlitten, ist diese Bauweise wesentlich kostengünstiger, auch wenn sie etwas mehr Computer- Rechenleistung erfordert. Dadurch entsteht jedoch ein sehr voluminöser Aufbau, der sich in zusammengebauten Zustand nur sehr schwer transportieren lässt.

[0015] Die längenverstellbaren Stellelemente gemäß der DE 198 46 337 C2 sind in der Schrift nicht näher beschrieben. Aus der Zeichnung und aus der Anordnung ergibt sich aber, dass es pneumatische oder hydraulische Zylinder-Kolbenanordnungen sind. Mit diesen ergeben sich wiederum die schon zuvor erwähnten Probleme.

[0016] In der Publikation WO 2004/096112 wird ein Gestell mit einer Basisplatte und einer bewegbaren Plattform beschrieben, wobei dazwischen ein fluidgetriebener Balg angeordnet ist, der die Plattform heben, senken und kippen kann. Ein derartiger Antrieb mit Hilfe von einfachen Bälgen ist jedoch regelungstechnisch schwer zu handhaben, da nur Druckkräfte aufgebracht werden können. Eine Kraftregelung wäre nur eingeschränkt möglich.

[0017] Die Druckschriften US 4 615 260 betrifft allgemein einen Aktor auf Basis pneumatischer Luftmuskeln, dessen Aufbau an die Struktur eines menschlichen Armes angelehnt ist. Dabei wirkt jeweils ein Luftmuskelpaar quasi als Armbeuger und Armstrecker. Die Publikationen EP 1 607 636 A1 und US 2004/0267331 A1 betreffen jeweils Anwendungen der oben beschriebenen Luftmuskeln in Trainings- oder Rehabilitationsgeräten für Arme oder Beine.

[0018] Von diesem Stand der Technik ausgehend hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Bewegen von Menschen oder anderen Objekten zur Verfügung zu stellen, welche selbst an einem Ort steht, und eine bewegte Fläche aufweist, auf welcher sich der Mensch oder das Objekt befindet. Der Bewegungsbereich soll in der Größenordnung von Zen- 2/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 timetem bis Dezimetern liegen, der Frequenzbereich bei periodischen Bewegungen soll bei kleinen Amplituden bis zu einigen Hertz reichen. Die Vorrichtung soll verschiedene voreinstellbare Bewegungsabläufe in mehreren Freiheitsgraden der Bewegung aktiv durchlaufen können. Es soll die Möglichkeit bestehen, die Bewegungsabläufe durch einen Computer zu steuern, und es soll die Möglichkeit gegeben sein, den Jeweiligen Bewegungszustand zu messen und das Messergebnis datentechnisch weiter zu verarbeiten.

[0019] Gegenüber bekannten Vorrichtungen die es zu diesem Zweck schon gibt, soll die neue Vorrichtung markant kostengünstiger sein. Darüber hinaus soll es möglich sein sie so auszulegen, dass sie (im zusammengebauten Zustand) weniger Platz beansprucht, und dass sie sehr viel weniger wiegt, als das Gewicht, welches sie bestimmungsgemäß bewegen kann. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für einen möglichen Einsatz als Heimtherapiegerät.

[0020] Erfindungsgemäß wird vorgesehen, als aktive, steuerbar längenveränderliche Stellelemente, welche zwischen fixem und bewegtem Teil der Vorrichtung wirken, kolbenlose pneumatische Stellglieder zu verwenden. Die aktiven, steuerbaren, mechanische Stellorgane umfassen einen flexiblen, schlauchartigen Mittelteil und starre Abschlussstücke und wirken zwischen einer Basisfläche sowie einer bewegbaren Fläche. Erfindungsgemäß sind zwischen ruhender und zu bewegender Fläche Federelemente vorgesehen, die derart elastisch vorgespannt sind, dass die Vorspannkraft gegen die von den pneumatischen Stellgliedern erzeugte Kraft wirkt, um so eine rückführende Bewegung zu ermöglichen.

[0021] Mit "kolbenlose pneumatische Stellglieder" werden in diesem Sinne Stellglieder verstanden, welche aus einem schlauchartigen, flexiblen Mittelteil und zwei starren, platten- oder hülsenartigen Abschlussstücken bestehen, von denen zumindest eines mit einem Luftdurchlass versehen ist. Der schlauchartige Mittelteil besteht aus einer luftdichten Mantelfläche, in welche Elemente, beispielsweise in Form von Netzen, Gurten oder Drähten, eingebaut sind, welche sich bei Zugspannung kaum Dehnen. Je nachdem wie diese zugsteifen Elemente ausgerichtet sind, gibt es kolbenlose pneumatische Stellglieder welche sich beim Aufblasen verkürzen (z.B. GB 1331756, Trish Energetics, veröffentlicht 1973), also nach außen eine Zugkraft aufbringen, oder sich verlängern, also nach außen eine Druckkraft aufbringen. Kolbenlose pneumatische Stellglieder, welche nach außen eine Zugkraft aufbringen werden auch als "Luftmuskel" bezeichnet. Kolbenlose pneumatische Stellglieder, welche nach außen eine Druckkraft aufbringen werden oft als Balgzylinder bezeichnet.

[0022] Diese kolbenlosen pneumatischen Stellglieder weisen keine Haftreibung auf.

[0023] Da kolbenlose pneumatische Stellglieder in ihrer Längsrichtung nur jeweils in eine Richtung eine Kraft ausüben können, also entweder nur eine Zugkraft oder nur eine Druckkraft, werden je Bewegungsrichtung entweder zwei entgegengesetzt wirkende derartige Stellglieder verwendet, oder es wird eine Kombination aus einem kolbenlosen pneumatischen Stellglied und einer entgegengesetzt wirkenden, vorgespannten elastischen Feder verwendet.

[0024] Um Platz zu sparen, werden die im Verhältnis zu ihrem Arbeitshub relativ langen ziehenden kolbenlosen pneumatischen Stellglieder einer Vorrichtung möglichst so gelegt, dass ihre Längsrichtung parallel zur Basisebene der Vorrichtung liegt. Die Wirkungslinie dieser kolbenlosen pneumatischen Stellglieder wird erforderlichenfalls mittels Übersetzungen, beispielsweise mit Seilen und Umlenkrollen passend umgelenkt.

[0025] Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, welche Prinzipskizzen von beispielhaften Ausführungsformen zeigen, anschaulicher: [0026] Fig. 1: zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht. Die Darstellung ist auf die für das Verständnis wesentlichen Bauelemente beschränkt. Als aktive, steuerbar längenveränderliche Stellelemente dienen ausschließlich ziehende kolbenlose pneumatische Stellglieder. Die Kraftübertragung von den kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern auf die zu bewegende Fläche erfolgt mittels Schwenkhebeln.

[0027] Fig. 2: zeigt wesentliche Elemente einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht, bei welcher als aktive, steuerbar längenveränderliche Stellelemente wiederum 3/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 nur ziehende kolbenlose pneumatische Stellglieder verwendet werden. Die Kraftübertragung von den kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern auf die zu bewegende Fläche erfolgt mittels Seilen und Umlenkrollen.

[0028] Fig. 3: zeigt wesentliche Elemente einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht, wobei als aktive, steuerbar längenveränderliche Stellelemente wiederum nur ziehende kolbenlose pneumatische Stellglieder verwendet werden. Die Kraftübertragung von den kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern auf die zu bewegende Fläche erfolgt hierbei ebenfalls mittels Seilen und Umlenkrollen. Gegenüber der Vorrichtung von Fig. 2 kann die zu bewegende Fläche in weiteren Freiheitsgraden bewegt werden.

[0029] Fig. 4: zeigt eine im Aufbau sehr einfache vierte erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht. Als aktive steuerbar längenveränderliche Stellelemente werden drückende kolbenlose pneumatische Stellglieder verwendet. In die Gegenrichtung wird mit ziehenden, vorgespannten elastischen Federn gewirkt.

[0030] Fig. 5: zeigt einen möglichen Ablauf der Informationsverarbeitung bei der Anpassung der Iststellung der zu bewegenden Fläche an eine Sollstellung. In den einzelnen Feldern sind Zwischenergebnisse der Informationsverarbeitung angegeben. Die mit Pfeilspitzen versehen Linien bedeuten die Aufnahme von Daten von Sensoren, oder Berechungsvorgänge.

[0031] Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist die gegenüber der Basis 2 zu bewegende Fläche 1 durch Kontraktion der ziehenden kolbenlosen pneumatischen Stellglieder 3 über Schwenkhebel 4, 14 an den jeweiligen Angriffspunkten senkrecht auf bzw. ab bewegbar. Die kolbenlosen pneumatischen Stellglieder 3 sind an Leitungen 5 angeschlossen. Dabei ist eine Leitung ein Schlauch für die Luftzufuhr von einem Kompressor in das kolbenlose pneumatische Stellglied. Eine weitere Leitung führt elektrische Signale von einer Steuereinheit zu dem steuerbaren Ventil 3.1, welches dementsprechend wahlweise Luft in die Stellglieder bzw. Luft vom Stellglied ins Freie strömen lässt, oder alles dichtet. Eine dritte Leitung überträgt elektronisch dargestellte Messdaten bezüglich Länge des Stellgliedes und Gasdruck im Stellglied, eventuell auch bezüglich angreifender Kraft an die Steuereinheit.

[0032] Kolbenlose pneumatische Stellglieder, welche mit den entsprechenden Sensoren für Länge, Druck und Kraft ausgestattet sind, sind heutzutage in standardisierter Qualität erhältliche Serienprodukte.

[0033] Wenn die Fläche 1 gemäß Fig. 1 an drei voneinander entfernt liegenden Orten mit derartigen Angriffsstellen zur vertikalen Bewegung ausgestattet ist, so kann die Fläche in zwei Freiheitsgraden der Rotation (um horizontale Achsen) und linear in vertikaler Richtung bewegt werden. Um Undefinierte weitere Bewegungskomponenten zu vermeiden, kann die Vorrichtung mit einer Führung 6 versehen sein, welche gegen derartige Bewegungen einen Anschlag bildet.

[0034] Entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist die gegenüber der Basis 2 zu bewegende Fläche 1 durch Kontraktion der ziehenden kolbenlosen pneumatischen Stellglieder 3 über ein Seil 13 und Umlenkrollen 2.4. an den jeweiligen Angriffspunkten senkrecht auf bzw. ab bewegbar. Auf Grund der Flexibilität des Seiles ergibt sich damit gegenüber der Bauweise von Fig. 1 ein geringerer Aufwand für die bei Schwenkbewegung erforderliche winkelflexible Befestigung der Fläche 1 an den jeweiligen Kraftübertragungsteilen. Damit die Fläche 1 auch nach oben bewegt werden kann, muss ein Seilstück vom Kraftangriffspunkt 1.1 nach oben weg verlaufen. Deshalb ist es erforderlich, eine Seilrolle 2.4 über der Fläche 1 an einem nach oben über die Fläche 1 hinausragenden Fortsatz 2.1 der Basis 2 anzubringen. Damit sich das an diesem Seilstück ziehende kolbenlose pneumatische Stellglied unter der zu bewegenden Fläche 1.1 und parallel zu dieser ausgerichtet befinden kann, ist eine weitere Seilrolle erforderlich, durch welche das Seil am richtigen Ort in die richtige Richtung umgelenkt wird. Es wäre auch möglich, das die Fläche 1 nach oben ziehende Stellglied über der Fläche 1 anzubringen; wenn er parallel zur Fläche 1 ausgerichtet sein soll, ist dann nur eine Seilrolle erforderlich. Wenn er vertikal ausgerichtet sein darf, braucht man dafür überhaupt keine Seilrolle; der emporragende Basisteil 2.1 - und mit ihm die gesamte Vorrichtung - wäre dann aber beträchtlich höher. 4/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 [0035] Bei der Bauweise entsprechend Fig. 3 ist die Vorrichtung von Fig. 2 um ein am Kraftangriffspunkt 1.1 für die zu bewegende Platte 1 horizontal ausgerichtetes Seil erweitert, bei welchem an beiden Enden wiederum ziehende kolbenlose pneumatische Stellglieder angeordnet sind. Damit sind auch lineare Bewegungen in horizontaler Richtung möglich.

[0036] Entsprechend Fig. 3 ist die zu bewegende Platte 1 über der obersten Umlenkrolle angeordnet. Der Angriffspunkt 1.1 für die von den Seilen 13 ausgeübten Kräfte an die zu bewegende Platte 1 ist an einem starr von dieser nach unten ragenden Teil 1.2 festgelegt. Damit liegt die zu bewegende Platte 1 bezüglich der Basis 2 zwar relativ hoch, braucht aber nicht von irgendwelchen anderen Teilen der Vorrichtung überragt zu werden.

[0037] Entsprechend der Bauweise von Fig. 4 sind zwischen dem Umfang der zu bewegenden Platte 1 und der Basisplatte 2 in abwechselnder Reihenfolge drückende kolbenlose pneumatische Stellglieder 7 und ziehende elastische Federn 8, weiche idealerweise etwas vorgespannt sind, angeordnet. Optional kann eine Führung 6 vorgesehen sein, welche Bewegung der zu bewegenden Platte parallel zur Basisplatte 2 verhindert. An dieser Führung 6 kann auch der Anschlag für die tiefstmögliche Stellung der zu bewegenden Platte ausgebildet sein. Diese Bauweise ist sehr einfach, und kann auch sehr niedrig ausgeführt sein. Allerdings müssen die drückenden kolbenlosen pneumatischen Stellglieder 7 gegenüber einer Bauweise bei der die elastischen Federn 8 durch steuerbare, ziehende kolbenlose pneumatische Stellglieder ersetzt sind, etwas stärker ausgeführt werden, da sie nicht nur die auf der zu bewegenden Platte befindliche Last zu heben haben, sondern zusätzlich auch Zugkraft der Federn 8 überwinden müssen. Wenn man mit etwas eingeschränkter Dynamik das Auslangen finden kann, kann man die ziehenden, elastischen Federn 8 auch einfach weglassen.

[0038] Bei einer sehr schlichten und schönen Bauform werden zwischen Basisplatte und im Abstand darüber angeordneter zu bewegender Platte drei drückende kolbenlose pneumatische Stellglieder, die zueinander an den Ecken eines gedachten - beispielsweise gleichseitigen -Dreiecks positioniert sind, angeordnet. Ein Gummiseil verläuft in einem Zickzack aus vielen Maschen am Umfang zwischen den beiden Platten, und zieht sie zusätzlich zum Gewicht der auf der zu bewegenden Platte befindlichen Last gegeneinander.

[0039] Es ist noch eine Vielzahl weiterer Bauweisen unter der Verwendung von kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern denkbar und sinnvoll. Beispielsweise können Schwenkbewegungen um eine vertikale Achse ermöglicht werden, indem die Basis zweigeteilt ausgeführt ist, wobei ein oberer Teil an dem unteren Teil an einer vertikalen Achse drehbar gelagert ist.

[0040] Da kolbenlose pneumatische Stellglieder und auch elastische Federn bei ihrer Bewegung keine aneinander reibenden Teile, insbesondere keine gleitende Dichtfläche aufweisen und damit keine Haftreibung aufweisen, können trotz der Volumenelastizität des antreibend Druckmediums Luft, auch kleine sanfte Bewegungen ohne Rucken ausgeführt werden.

[0041] Auf Grund der Volumenelastizität von Gasen gibt es bei der Verwendung von kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern als Antriebselemente stärkere Einschränkung in der Regelbarkeit von Bewegungsabläufen als beispielsweise bei der Verwendung von hydraulischen Zylindern. Diese Einschränkungen betreffen vor allem die Schnelligkeit mit der ein Sollzustand der Länge der Stellglieder genau erreicht wird. Bei den beschriebenen Anwendungszwecken für die Bewegung von Menschen spielen diese Einschränkungen keine Rolle, da die temporären Ungenauigkeiten in Bereichen von so kurzer Dauer und so kleinen Längenmaßen gehalten werden können, dass es für Menschen nicht störend, manchmal auch gar nicht fühlbar ist.

[0042] Vor allem um das Einschwingverhalten des Regelkreises der Bewegungsabläufe optimal einzustellen, ist es sinnvoll Regelungsparameter wie z.B. Verstärkung, oder Dämpfungskonstanten auf die Masse abzustimmen, welche sich auf der zu bewegenden Platte befindet. Die damit erforderliche Massenbestimmung kann zur Laufzeit, ohne Erfordernis von zusätzlichen Sensoren erfolgen, indem aus der Messung der Länge der kolbenlosen pneumatischen Stellglieder und der Messung des in ihnen herrschenden Drucks auf die an ihnen anliegende Kraft und damit auf das auf die Platte drückende Gewicht geschlossen wird. 5/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 [0043] Zum mechanischen Arbeiten werden die kolbenlosen pneumatischen Stellglieder durch einen - hier nicht dargestellten - Kompressor mit Druckluft versorgt. Zum Entspannen wird die Luft einfach abgelassen. Die genaue Ansteuerung eines kolbenlosen pneumatischen Stellglieds erfolgt über das einstellbare Ventil 3.1. Idealerweise ist der Kompressor mit einem kleinen Speichervolumen für Druckluft ergänzt, weil er dann für eine problemlos geringe Leistung ausgelegt werden kann. Auch der Kompressor ist damit von einer Person transportierbar. Zum Betrieb wird lediglich die haushaltsübliche elektrische Netzspannung benötigt.

[0044] In Fig. 5 ist ein möglicher Ablauf der Informationsverarbeitung bei der Anpassung der Iststellung der zu bewegenden Fläche an eine Sollstellung gezeigt. Dieser Ablauf muss bei einer kontrollierten Stellungsänderung der zu bewegenden Fläche 1, pro Sekunde einige Male, beispielsweise etwa 100 mal, durchlaufen werden. Der größte Teil dieser Informationsverarbeitung betrifft zum einen die Umrechnungen zwischen der Lage der zu bewegenden Fläche und den Längen der einzelnen kolbenlosen pneumatischen Stellglieder, und zum anderen die Bestimmung der erforderlichen Druckänderungen in den einzelnen kolbenlosen pneumatischen Stellgliedern für erwünschte Längenänderungen. Die dafür notwendige Hardware, also Sensoren und Datenverarbeitungseinrichtungen sind in der erforderlichen Leistungsfähigkeit problemlos erhältlich. Nur einmalig je Bauweise von erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist einiger Programmieraufwand erforderlich, um den diesbezüglichen richtigen Ablauf sicherzustellen.

[0045] Der Sollwert der Lage der zu bewegenden Platte 1 kann durch ein übergeordnetes Programm vorgegeben werden, welches den für den Benutzer fühlbaren Charakter der Vorrichtung bestimmen soll. Beispielsweise sind durch das übergeordnete Programm folgende Verhaltensweisen einstellbar: [0046] - zyklische lineare Bewegungen (mit sich einstellbar ändernden Frequenzen und Hüben) [0047] - zyklische Schwenkbewegungen (mit sich einstellbar ändernden Frequenzen und Hüben) [0048] - Imitation der Beweglichkeit einer Platte, welche auf einer Rolle aufliegt [0049] - Imitation der Beweglichkeit einer Platte, welche auf einer Kugel aufliegt [0050] - Imitation des bei einem Erdbeben fühlbaren Rüttelns [0051] - Imitation des Beschleunigungszyklus', den ein Reiter auf einem Pferd fühlt [0052] - Imitation der Erschütterungen, welcher ein Schifahrer fühlt, wenn er bei einer Abfahrt über Bodenunebenheiten gleitet [0053] - Imitation der Beweglichkeit eines an mehreren Seilen aufgehängten Brettes [0054] - Imitation des Gehens in Matsch usw.

[0055] Sofern nur vorgegebene Bewegungsabläufe durchfahren werden müssen, braucht das übergeordnete Programm keine aktuellen Messergebnisse über den Zustand der Vorrichtungen verarbeiten. Sofern interaktiv Simulationen erlebbar werden sollen, muss das übergeordnete Programm auch aktuelle Messergebnisse über den Zustand der Vorrichtungen verarbeiten und das in die Vorgabe der Sollwerte für die Stellung der zu bewegenden Fläche miteinbeziehen. Auf diese Weise ist es auch möglich, dass die Vorrichtung ein Feedback auf Kräfte gibt, welche die benutzende Person, das bewegte Objekt darauf ausübt. Das kann bei therapeutischen Anwendungen, beispielsweise zum Training der Standfestigkeit von ansonsten sturzgefährdeten Patienten, oder beim Prüfen von Bauteilen bis zur Belastungsgrenze sehr wertvoll sein.

[0056] Für einfachere Anwendungen kann es ausreichen, nicht die Längen der einzelnen kolbenlosen pneumatischen Stellglieder zu regeln, sondern nur den an ihnen anliegenden Druck, bzw. den an einem gegeneinander ziehenden Stellgliedpaar anliegenden Mittendruck.

[0057] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hervorragend als Spiel-, Trainings- und Therapiegerät geeignet. Sie kann so einfach, kostengünstig, sicher, leicht und klein gefertigt werden, dass sie sich nicht nur für die gewerbliche Nutzung anbietet, sondern auch für eine erhebliche 6/13

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15 Anzahl von privaten Anwendern in deren Wohnung leistbar und benutzbar wird. Alternativ ist sie so leicht transportierbar, dass sie als kurzfristiges Leihgerät verwendet werden kann. [0058] Es bietet sich an, die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einem auch unabhängig davon verwendbaren Computer zu verwenden, auf welchem das oben erwähnte übergeordnete Programm laufen kann, und welcher auf dem zu ihm gehörigen Bildschirm auch die passenden Bilder zu den Bewegungssituationen liefert. Bei entsprechend modulartiger Programmierweise ist es damit einfach möglich, für verschiedene Bewegungssimulationen verschiedene, separat zu beziehende und einzuspielende Programmmodule vorzusehen. [0059] Es ist sinnvoll auf der bewegten Fläche 1 Befestigungsmöglichkeiten für Geräte oder Gegenstände vorzusehen, welche mitbewegt werden sollen. Es können dies Geräte wie beispielsweise Sitzmöglichkeiten oder Haltegestelle sein, welche gemeinsam mit einem Menschen mitbewegt werden sollen. Es können dies aber auch Geräte oder Gegenstände sein, welche ohne Menschen auf der Vorrichtung - beispielsweise für Testzwecke oder zum Mischen von Substanzen - bewegt werden sollen. Dadurch erhöht sich die Breite des möglichen Einsatzgebietes der erfindungsgemäßen Vorrichtung, womit sich wiederum die erreichbaren Verkaufsstückzahlen erhöhen, und die Einzelstückpreise niedriger werden können. Bei Anwendungen, bei denen es vor allem um rüttelnde Beschleunigungen geht, reicht die gegenüber anderen Stellgliedern geringere Positionsgenauigkeit der kolbenlosen pneumatischen Stellglieder völlig aus. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum flexibel steuerbaren aktiven Bewegen von Menschen oder Gegenständen, welche - eine ruhende Basisfläche (2), - eine bewegte Fläche (1), auf welcher sich der zu bewegende Mensch bzw. der zu bewegende Gegenstand befindet, und - als aktive, steuerbare, mechanische Stellorgane kolbenlose pneumatische Stellglieder (3, 7) aufweist, welche aus einem flexiblen schlauchartigen Mittelteil und starren Abschlussstücken bestehen und zwischen ruhender und zu bewegender Fläche wirken, gekennzeichnet durch - zwischen ruhender und zu bewegender Fläche angeordnete Federelemente (8), die derart elastisch vorgespannt sind, dass die Vorspannkraft gegen die von den pneumatischen Stellgliedern (3, 7) erzeugte Kraft wirkt, um eine rückführende Bewegung zu ermöglichen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zum Heben der zu bewegenden Platte (1) drückende kolbenlose pneumatische Stellglieder (3, 7) verwendet werden, und zum Senken ziehende elastische Federn (8).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass drei drückende kolbenlose pneumatische Stellglieder (3, 7) verwendet werden, welche zueinander an den Ecken eines gedachten Dreiecks angeordnet sind, und dass eine Vielzahl von elastischen, auf Zug wirkenden Federn zwischen dem Umfang der Basisplatte (2) und dem Umfang der zu bewegenden Platte (1) wirkt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Vielzahl der auf Zug wirkenden Federn, durch ein in vielen Maschen verlaufendes, durchgehendes Seil aus einem gummi-artigen Werkstoff gebildet wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass ein Regelkreis die Längen der einzelnen kolbenlosen pneumatischen Stellglieder (3, 7) vom jeweiligen Istwert aus, einem Sollwert, welcher sich aus einer gewünschten Stellung der zu bewegenden Fläche (1) durch geometrische Berechnung ergibt, nachregelt. 7/13 österreichisches Patentamt AT 502 521 B1 2011-12-15
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung mit einem dem Regelkreis übergeordneten Programm die jeweiligen Sollwerte für die Stellung der zu bewegenden Fläche (1) vorgibt.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass sie ein Bewegungsverhalten der zu bewegenden Fläche (1) entsprechend Vorbildern in der realen Welt nachbildet.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass das übergeordnete Programm in einem auch unabhängig von der Bewegungsvorrichtung verwendbaren Computer läuft, welcher für die Zwecke der Bewegung mit der Bewegungsvorrichtung interagiert.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, gekennzeichnet dadurch, dass in dem in der Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführten und dem Regelkreis übergeordneten Programm aus der als Kraft oder Wegänderung messbaren Reaktion der Last auf der zu bewegenden Fläche auf eine voreingestellte Bewegung bzw. Kraftänderung der Vorrichtung, Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Last gezogen werden, und dass diese Rückschlüsse den weiteren Programmablauf mitbestimmen.
10. 10. Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass auf der zu bewegenden Fläche (1) Mittel zum Befestigen von weiteren Gegenständen, welche durch die Fläche (1) mitbewegt werden sollen, vorgesehen sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass damit der Bruch eines auf der Vorrichtung angeordneten Objektes erkannt wird, und darauf reagiert wird.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass damit die auf Änderung der Haltung eines auf der Vorrichtung befindlichen Menschen rückgeschlossen und darauf reagiert wird.
13. 13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch - Sensoren zur Messung der Längen der Stellglieder (3, 7) sowie des in ihnen herrschenden Druckes, und - eine Steuereinheit, an die die Messwerte der Sensoren übertragen werden und die mit einem Regelkreis die Längen der einzelnen Stellglieder (3, 7) vom jeweiligen Istwert aus, einem Sollwert, welcher sich aus einer gewünschten Stellung der zu bewegenden Fläche (1) durch geometrische Berechnung ergibt, nachregelt, wobei Regelungsparameter auf die Masse abgestimmt sind, welche sich auf der zu bewegenden Platte (1) befindet, und die erforderliche Bestimmung der Masse zur Laufzeit erfolgt, indem aus der Messung der Länge der Stellglieder und der Messung der in ihnen herrschenden Drücke auf die von ihnen erzeugte Kraft und damit auf das auf die Platte (1) drückende Gewicht geschlossen wird.
14. 14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die des weiteren eine Führung (6) aufweist, die für bestimmte Bewegungsfreiheitsgrade einen Anschlag bildet, um Undefinierte Bewegungskomponenten zu vermeiden. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 8/13