AT513201A1

AT513201A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und Einstellung einer Position eines bewegbaren Teiles

Info

Publication number: AT513201A1
Application number: ATA872/2012A
Authority: AT
Original assignee: Krainer Thomas
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-15
Also published as: AT513201B1; DE102013108503A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und Einstellung einer Position eines bewegbaren Teiles (3, 20, 27) zu einem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil (2,19, 26) wobei sich der bewegbare Teil zu jeder Zeit in einer geometrisch eindeutigen und bestimmbaren Relation zum in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil befindet (2). Sie ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (5, 5'), insbesondere Neigungssensor, sowie ein Steuerungsgerät (7) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Sensor (5, 5') über das Steuerungsgerät (7) mit einem Antrieb (6) eines Teiles verbunden ist. Derartige Systeme lassen sich besonders vorteilhaft bei Simulatoren einsetzen.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und Einstellung einer Position eines bewegbaren Teiles zu einem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil wobei sich der bewegbare Teil zu jeder Zeit in einer geometrisch eindeutigen und bestimmbaren Relation zum in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil befindet.

Derartige Systeme sind schon z.B. aus der DE 298 01 687 U1 bekannt, die eine bewegbare Cockpit-Anordnung für Simulationssysteme beschreibt. Dieses System weist einen Stuhl auf, der bei Betätigung einer Eingabeeinrichtung (Joystick o.dgl.) vom Benutzer um zwei zueinander rechtwinkelige Achsen bewegbar ist. Durch den Steuerknüppel werden Signale gegeben, die die Soll-Orientierung des Stuhls in den Achsen angeben. Weiters ist ein Fühler vorgesehen, der ein Signal über die IST-Orientierung des Stuhls in den Achsen angibt. Die Verstellung des Sitzes erfolgt im Wesentlichen durch Druckluftzylinder.

Weiters zeigt die WO 2009/082489 einen Renn- und Flugsimulator, der eine Reihe von Verstelleinrichtungen aufweist. Hier wird im Wesentlichen die Position der beweglichen Einheit der Verstelleinrichtung als Maß für die Lage des Sitzes herangezogen.

Diese Systeme haben den Nachteil, dass eine schnelle und genaue Regelung der Sitzposition nicht möglich ist.

Moderne Computer-Simulationen für beispielsweise Autorennen (oder auch Flugzeug Simulatoren) benötigen für eine realistische Darstellung der Fahrphysik eine Berechnung der auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte. Diese Kräfte werden mit komplexen Rechenmodellen in den Spielen sehr genau und detailliert erfasst, um das Fahrerlebnis so realitätsnah wie möglich ab zu bilden.

Die meisten der derzeit am Markt erhältlichen Spiele geben genau diese Kräfte als Skalarwerte in den einzelnen Beschleunigungsrichtungen aus.

Diese Kraft-/Beschleunigungswerte können nun dafür genutzt werden, die auf den Fahrer bzw. das Fahrzeug wirkenden Kräfte zu simulieren. Die Simulation der Kräfte wird durch „Verwendung“ der Erdbeschleunigung realisiert, indem der Spieler in einer sich bewegenden Gondel sitzt, die je nach Längs- oder Querbeschleunigung bewegt bzw. geneigt wird. Somit neigt sich beispielsweise die Gondel beim

Dirvse δτ 2/19 • ·

Abbremsen des Fahrzeuges im Computerspiet nach vome oder bei einer Linkskurve nach rechte. Dadurch entsteht der Eindruck, die auftretenden Kräfte wirklich zu verspüren.

Die Erfindung will die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und ein einfaches und sicheres System schaffen, das darüber hinaus auch kostengünstig umsetzbar ist.

Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor, insbesondere ein Neigungssensor, sowie ein Steuerungsgerät vorgesehen ist, wobei der, mindestens eine Sensor über das Steuerungsgerät mit einem Antrieb einer Verstelleinheit verbunden ist. Durch diese Anordnung lässt sich sehr günstig die Lage eines Teiles wie z.B. Platte, Sitz oder Gondel bestimmen und an einen vorgegebenen Sollwert anpassen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Teil eine Mutter und das in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehende Teil eine Spindel sind, wobei Mutter und Spindel als Kugelgewindetrieb (Kugelumlaufspindel) oder als Planetenrollengewindetrieb ausgebildet sein können. Durch diese Ausführung lassen sich Lageänderungen sehr schnell durchführen, was bei Simulatoren zu Bewegungen in „Echtzeit“ führt.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Teil mit dem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil gemeinsam einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder bilden kann. Eine derartige Ausführung führt zu einer günstigen Umsetzung der Signale in eine Längenänderung.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Teil mit dem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil einen Linearantrieb bildet. Durch diese Variante kann die Steuerung ohne Dämpfung und mit geringen mechanischen Verlusten erfolgen.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Plattform, insbesondere ein Sitz mit dem bewegbaren Teil verbunden ist, wobei mehrere bewegbare Teile mit der Platte, insbesondere dem Sitz verbunden sein können. Besonders günstig hat sich der Einsatz der Kombination Sensor, Antrieb

Dime ΔΤ 3/19 ···· · · · · · · ····· ·· · . ····· ··· ·· Μ ·· · ·· ···· ·* und Steuerungseinheit bei Simulatoren erwiesen, die Sitze für die bedienende Person aufweisen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ein Schwerkraftsensor ist, wobei der Schwerkraftsensor als Mehrachsensensor ausgebildet sein kann. Durch einen Schwerkraftsensor lässt sich sehr günstig die genaue Lage beispielsweise eines Sitzes bestimmen, wobei bei einem Mehrachsensensor auch die Raumlage einfach bestimmbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwerkraftsensor, insbesondere Neigungssensor, nach gravimetrischen und/oder gyroskopischem Prinzip arbeitet oder als Air Flow TiHsensor ausgebildet ist.

Sind mehrere Sensoren vorgesehen, können diese redundant und/oder in Kombination betrieben werden. So kann das System günstig an die gegebenen Anforderungen angepasst werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei

Fig. 1 das Prinzip der Messung und Regelung gemäß der Erfindung

Fig. 2 eine Ausführung der Erfindung

Fig. 3 eine Rückenansicht der Ausführung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Ausführung nach Fig.2,

Fig. 5 ein Regeldiagramm,

Fig. 6 einen Kugelgewindetrieb und

Fig. 7 einen Planetenrollengewindetrieb darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung der Einstellmittel 1 beispielhaft als Kugel- bzw. Planetenumlaufspindel. Der Aufbau einer Kugelspindel ist beispielhaft in Fig. 6, der einer Planetenumlaufspindel in Fig. 7 dargestellt. Diese Kugel- bzw. Planetenumlaufspindel besteht im Wesentlichen aus einer Spindel 2 und einer Mutter 3, die im Verhältnis zur Position auf der Spindel 2 verschoben wird. Mit der Mutter 3 ist eine Plattform, d.h. eine Ebene z.B. eine Sitzes verbunden. Durch die Verschiebung der Mutter 3 auf der Spindel 2 wird die Plattform, d.h. die Ebene z.B. eine Sitzes verstellt. Durch diese Verstellung verändert sich die Lage der fiktiven Hebel a bzw. b

Dirvae δτ 4/19 ···· ·· ·· · • · · · · ··· · · ····· ·· · _ . ····· · · · · · .. ·· · ·· ···· ·· bezüglich eines Drehpunkts 4. Hebel a kann dabei eine Achse eines Sitzes z.B. eines Simulators definieren. Die Winkellage α dieses Hebels a wird durch einen Sensor 5 registriert. Die Positionsbestimmung kann daher durch die eindeutige geometrische Zuordnung des (Lage-)Winkels α und der Länge x (Entfernung der Mutter 3 vom Drehpunkt 4) erfolgen.

Der Sensor 5 kann dabei ein Neigungssensor nach gravimetrischem oder gyroskopischem Prinzip oder auch als Air Flow Tiltsensor ausgebildet sein. Es können auch mehrere Sensoren 5, 5‘ vorgesehen sein, die dieselbe Achse messen, wobei vorzugsweise unterschiedliche Sensoren bzw. Meßprinzipien zur Anwendung kommen. Mehrere Sensoren 5, 5‘ können dabei redundant oder in Kombination eingesetzt werden.

Die Kugelspindel kann dabei durch einen Elektromotor, beispielsweise einen Gleichstrommotor angetrieben werden. Auch pneumatische bzw. hydraulische Antriebe sind denkbar, wobei der äußere Zylinder feststehend und der innere Zylinder linear verschiebbar ausgebildet sein können, es kann allerdings auch umgekehrt vorgesehen sein. Weiters kann auch ein elektrischer Linearmotor oder ein Antrieb mittels Seilzügen oder Riemen eingesetzt werden.

Dabei misst z.B. der Sensor 5 bzw. die Sensoren 5, 5‘ die Neigung α des Hebels a gegenüber der Horizontalen. Der Hebel a kann dabei eine Platte bzw. ein Sitz eines Simulators sein. Diese Platte bzw. der Sitz ist mittels eines linear verschiebbaren Teils z.B. einer Mutter 3 auf einem in Bewegungsrichtung der Mutter oder des Zylinders feststehenden Teil, z.B. einer Spindel 2 verbunden. Der Antrieb 6 des Teils 2 erhält nun übereine Steuereinheit 7 einen Steuerimpuls z.B. zur Drehung der Spindel 2, sodass die Neigung α des Hebels auf einen durch das Soilsignal aus den aus dem Spiel ausgegebenen Skalarwerte der Kräfte in den einzelnen Beschleunigungsrichtungen eingestellt wird. Durch den Winkel α sowie die aus der Vorrichtung gegebenen Längen a und b ergibt sich der Abstand x des linear verschiebbaren Teils z.B. einer Mutter 3 vom Drehpunkt 4. G- Kraftsimulatoren für Verwendung in Computerspielen/Spielkonsolen spielen mit schwerkraftbezogenem Inhalt. Das können sein: • Autosimulation/Autorennsimulation • Bootsimulationen D-IfVSfi ΔΤ 5/19 • · • Roller Coaster Simulationen • Jet Ski • Seitenwagen • Flugsimulationen

Durch das Gewicht seines eigenen Körpers verspürt ein Mensch, der sich in einer Vorrichtung (kann ein sich in zwei Achsen drehbarer Sitz sein), die relativ zur Horizontalen geneigt ist oder sich relativ zur Horizontalen dynamisch neigt, befindet, so eine Neigung als Zentrifugal- und/oder Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskraft. Nach diesem Prinzip arbeiten sogenannte Fahr- aber auch Flugsimulatoren.

Wie in Fig. 2 ist beispielhaft ein Sitz 6 gezeigt. Auf diesen wirkt eine Drehung in Richtung des Pfeiles 9 um die Achse 8 (entspricht einem Drehpunkt 4 für die Längsrichtung) wie eine Beschleunigung auf die sich in derdargestettten Vorrichtung (im Sitz 6) befindliche Person, eine Drehung um die Achse 8 in die andere Richtung (Pfeil 10) wie eine Verzögerung. Nach demselben Prinzip wirkt eine Drehung in Richtung 12 um die Achse 11 auf die sich in der Vorrichtung befindende Person wie eine Rechtskurve, eine Drehung in die Gegenrichtung (Pfeil 13) wie eine Linkskurve. Der Sensor 5 ist dabei vorteilhafterweise auf dem drehbar aufgehängten Sitz 6 befestigt bzw. direkt mit diesem verbunden. Alternativ können aber auch ein Sensor pro Achse verwendet werden, wobei hier der Bauaufwand größer ist. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können auch zwei oder mehrere Sensoren (nach gleichem oder verschiedenem Messprinzip arbeitend), deren Signal überlagert wird, verwendet werden. Vor dem Sitz 6 ist ein Bildschirm 14 angeordnet, der insbesondere fest mit dem Sitz 6 verbunden ist, wobei auf diesem das Spiel bzw. der Spielverlauf bildlich darstellbar ist. Durch die feste Verbindung des Bildschirms 14 mit dem Sitz 6 bewegt sich der Horizont des Fahrzeuges mit. Der Sitz 6 ist in einer bewegbaren Gondel angeordnet, wobei eine besonders günstige Ausgestaltung auch dann gegeben ist, wenn sich der Gesamtschwerpunkt der bewegbaren Gondel in den Schnittpunkten (bzw. in der Nähe der Schnittpunkte) der Drehachsen 8,11 befindet um die Stellkräfte zum Verstellen der Gondel gering zu halten.

Fig. 3 zeigt eine Rückenansicht der Vorrichtung nach Fig. 2, wobei hier die Achse 11 gut erkennbar ist. Eine Drehung in Richtung 12 um die Achse 11 auf die sich in der Vorrichtung befindende Person wirkt wie eine Rechtskurve, eine Drehung in die DUViß ΔΤ 6/19 ·· ····

Gegenrichtung (Pfeil 13) wie eine Linkskurve. Man erkennt auch gut den vor dem Sitz 6 angebrachten Bildschirm 14.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 2. Hier ist insbesondere die Achse 8 erkennbar, um die der Sitz 6 geschwenkt wird um Brems- und Beschleunigungskräfte zu simulieren. Neben dem Bildschirm 14 erkennt man auch ein Lenkrad 16 und Pedale 17 (es können aber auch andere Eingabegeräte, beispielsweise Joysticks verwendet werden), die für einen Fahrsimulator (oder auch anderer Art von Simulatoren) vorgesehen sind. Weiters erkennt man auch einen Sensor 5. Es ist nun möglich statt eines Mehrachsensensors z.B. auf beiden Seiten des Sitzes Sensoren 5, 5‘ anzubringen, die entweder redundant oder auch in Kombination betrieben werden können.

Fig. 5 stellt ein Flussdiagramm der Regelung dar. Ausgehend von einem Sollwert für einen Beschleunigungsskalar (einer Richtung), der aus der Simulation entnommen wird, wird ein Sollwert a1 für die Neigung z.B. des Sitzes errechnet. Dieser Wert a1 wird mit dem durch den Sensor 5 gemessenen Neigungswinkel α verglichen. Je nach Ergebnis (α1> a, a1= a, a1< a) wird die Spindel im Uhrzeigersinn angetrieben, stoppt oder dreht gegen den Uhrzeigersinn. Dann wird erneut der IST Neigungswinkel α gemessen und mit einem im Wesentlichen geänderten neuen Sollwert af verglichen, woraus sich die dann erforderliche Bewegung der Spindel ergibt. Diese Berechnung wird für alle Richtungen getrennt durchgeführt, so dass auch zeitlich parallele Drehungen unabhängig voneinander um die verschiedenen Achsen erfolgen.

Fig. 6 zeigt nun einen Kugelgewindetrieb, wie er vorteilhafter Weise im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommt. Wobei die Darstellung des Kugelgewindetriebs eine Spindel mit einstellbarer Doppelmutter zeigt, diese aber durchaus auch als Einfachmutter ausgeführt werden kann. Der Kugelgewindetrieb 18 besteht im Wesentlichen aus einer Kugelgewindespindel 19 und einer Kugelgewindemutter 20. Die Kugelgewindespindel 19 weist dabei Nuten 21 auf, in denen Kugeln 22 laufen können. Diese Kugeln 22 laufen im Bereich der Kugelgewindemutter 20 in den Nuten 21 der Kugelgewindespindel 19 und werden innerhalb der Kugelgewindemutter 20 durch Kanäle 23 weitergeleitet. Durch die geringe Reibungskraft der Kugeln 22 in den Nuten 21 lässt sich eine einfache und schnelle Verstellung der Kugelgewindemutter 20 in Längsrichtung gegenüber der in Längsrichtung feststehenden Kugelgewindespindel erreichen. Zur Befestigung und D-irvae δτ Ή 19 • · ** ····

Vorspannung weist die Kugelgewindemutter 20 beispielsweise einen Distanzring 24 auf. Die Erfindung kann auch ohne diesen ausgeführt werden (Einfachmutter).

Fig. 7 zeigt einen Planetenrollengewindetrieb 25 mit einer Gewindespindel 26 und einer Rollenumlaufmutter 27. Hier rollen speziell geschliffene Planetenrollen 28 in 5 entsprechend geformten Nuten 29 der Gewindespindel 26, wodurch sich die

Mutter 27 linear entlang der Spindel 26 bewegt. Dabei werden Spindel-, Rollen- und Mutterdurchmesser so gewählt, dass die Umfangsgeschwindigkeiten von Spindel 26 und Rollen 28 übereinstimmen. Die Synchronisation übernimmt ein in die Mutter 27 integrierter Ring mit einer Innenverzahnung, der die Rollen 28 antreibt. Da sich die io Wälzkörper im Unterschied zum Kugelgewindetrieb oder dem Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung nicht relativ zur Mutter bewegen, ist kein Rückführmechanismus notwendig. Dies ermöglicht höhere Drehzahlen als beispielsweise mit Kugelumlaufspindeln möglich wären. 15 Die Darstellungen sind beispielhaft wobei die Erfindung nicht nur für Simulatoren, sondern auch als kostengünstiger Ersatz in Anwendungen bei denen Stellantriebe zum Einsatz kommen, verwendet werden kann. Speziell kommt es darauf an, die Lage eines Teils zu bestimmen und entsprechend einem Sollwert zu regeln, wobei sich der Sollwert auch laufend ändern kann. In diesem Fall muss die 20 Verstellmechanik sehr rasch und positionsgenau reagieren. Dies kann z.B. durch eine Verstellung mittels Kugelgewindetrieb oder Planetenrollengewindetrieb erfolgen. D1IY3« ΔΤ 8/19

Claims

···*· · ... . • ··· · · ». ·· · ·· ···· ·· Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung und Einstellung einer Position eines bewegbaren Teiles zu einem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil wobei sich der bewegbare Teil zu jeder Zeit in einer geometrisch eindeutigen und bestimmbaren Relation zum in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil befindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (5, 5‘), insbesondere Neigungssensor, sowie ein Steuerungsgerät (7) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Sensor (5, 5‘) überdas Steuerungsgerät (7) mit einem Antrieb (6) eines Teiles verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Teil eine Mutter (3, 20,27) und das in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehende Teil eine Spindel (2,19, 26) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mutter (20) und Spindel (19) als Kugelgewindetrieb (18) ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mutter (27) und Spindel (26) als Planetenrollengewindetrieb (25) ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Teil (3) mit dem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil (2) gemeinsam einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Teil (3) mit dem in Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils feststehenden Teil (2) einen Linearantrieb bildet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plattform, insbesondere ein Sitz (6) mit dem bewegbaren Teil verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dass mehrere bewegbare Teile mit der Platte, insbesondere dem Sitz (6) verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (5, 5‘) ein Schwerkraftsensor und/oder ein gyroskopischer Sensor ist. Dime ΔΤ a 9/19 A
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerkraftsensor (5, 5‘) und/oder gyroskopische Sensor als Mehrachsensensor ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Neigungssensor (5, 5‘) nach gravimetrischem und/oder gyroskopischem Prinzip arbeitet oder als Air Flow Tiltsensor ausgebitdet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dass mehrere Sensoren (5, 5‘) vorgesehen sind, die redundant betrieben werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dass mehrere Sensoren (5, 5‘) vorgesehen sind, die in Kombination betrieben werden.