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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine haptische Schnittstelle, insbesondere
in deren Ausbildung als ein haptisches Eingabegerät zur Interaktion Mensch-Maschine
sowie in deren Ausbildung als eine haptische Bewegungsplattform
für virtuelle
Umgebungen.
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Haptische
Eingabegeräte
zur Interaktion Mensch-Maschine sowie haptische Bewegungsplattformen,
insbesondere für
virtuelle Umgebungen ermöglichen
dem Bediener bzw. Benutzer die (intuitive) Wahrnehmung mechanischer
Reize, wodurch dem Bediener bzw. Benutzer durch haptische Rückkopplung
in Form von Kräften
und taktilen Reizen (,Force Feedback') eine Interaktion mit einer Maschine
bzw. in einer virtuellen Umgebung (,Virtual Reality' = ,VR') entscheidend erleichtert
wird. Die haptische Wahrnehmung von Informationen ermöglicht dabei
realistische und intuitive Wahrnehmungen.
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Haptische
Eingabegeräte,
in deren Ausbildung als VR-Eingabegeräte, vermitteln einem Benutzer
bzw. Anwender Informationen durch haptische Reize, die bei der Manipulation
von Objekten notwendig sind und dienen daher als Schnittstelle zwischen Mensch
und Maschine (,Mensch-Maschine-Interface'), insbesondere als Bedien- und Steuerelemente.
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Heutige
Bedien- und Steuerelemente stellen demgegenüber meistens maximal zwei Freiheitsgrade
für die
Steuerung zur Verfügung.
Beispiele hierfür sind
das Lenkrad eines Autos (mit einem Rotationsfreiheitsgrad), das
Seitenruder eines Flugzeuges bzw. Hubschraubers (mit einem Rotationsfreiheitsgrad)
oder deren Steuerknüppel
(mit zwei Rotationsfreiheitsgraden, abgesehen von der Trimmung,
welche meistens integraler Bestandteil des Steuerknüppels ist).
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Daher
sind bei diesen Bedien- und Steuerelementen zur Ermöglichung
einer Steuerung um mehrere Rotationsachsen auch mehrere Eingabegeräte notwendig
(beispielsweise Steuerknüppel
und Seitenruderpedale). Meistens kommen dann noch weitere Funktionen
hinzu, so daß Hände und
Füße mehrere
Funktionen synchron bedienen müssen.
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Bewegungsplattformen
werden im Bereich der Medizintechnik, der Rehabilitation bzw. der
Fitnessgeräte
und als (Flug-)Simulatoren eingesetzt.
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Auf
dem Sektor der Rehabilitation (zum Beispiel nach chirurgischen Eingriffen)
gibt es dabei eine Vielzahl von Trainingsgeräten, welche jeweils auf bestimmte
Bewegungsabläufe
spezialisiert sind. So gibt es jeweils für eine beschränkte Gruppe
von Übungen ein
entsprechend spezialisiertes Gerät.
Der mechanische Aufbau dieser Trainingsgeräte beschreibt dabei die auszuführende Bewegungsbahn.
Mittels Gewichten oder Dämpfungselementen
kann ein Schwierigkeitsgrad der Bewegung eingestellt werden. Vergleichbar
hierzu werden heute übliche
Fitnessgeräte speziell
zur Ausübung
eines bestimmten Bewegungsablaufes konzipiert. Der Schwierigkeitsgrad der
Bewegungen der Fitnessgeräte
wird auch hier durch variable Gewichte eingestellt.
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Nachteile
ergeben sich hierbei aus der Vielzahl an Geräten mit unterschiedlichen Funktionen und
aus dem meist sperrigen Aufbau, bedingt durch die Anordnung der
kinematischen Elemente.
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Heutige
Geräte
zur Interaktion Mensch-Maschine mit haptischer Kraftrückkopplung
mit meist sechs Freiheitsgraden bestehen normalerweise aus einer
seriellen Anordnung von Antrieben und Hebelarmen, welche mit Hilfe
von Servomotoren gesteuert werden. Das hat den Nachteil, daß durch
die langen Hebelarme nur geringe Kräfte vom Interaktionsgerät übertragen
werden können.
Auf dem Gebiet der Bewegungsplattformen für virtuelle Umgebungen sind die
Hexapodplattformen für
Flugsimulatoren am bekanntesten. Sie ermöglichen die Bewegung der Flugzeugkabine
in sechs Richtungen (drei Translationen und drei Rotationen), und
weisen dementsprechend sechs Freiheitsgrade auf, wodurch die Beschleunigungskräfte des
Fluges simulierbar sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine haptische Schnittstelle
zu schaffen, welche insbesondere in ihrer Ausbildung als haptisches Eingabegerät bzw. als
haptische Bewegungsplattform die Sinneswahrnehmung bestimmter mechanischer
Reize in Abhängigkeit
einer Interaktion von Mensch und Maschine auf einfache Weise ermöglicht und
flexibel an die jeweilige Aufgabe anpaßbar ist.
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Die
vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine haptische Schnittstelle
mit zumindest zwei voneinander unabhängig betätigbaren und zur aktiven oder
passiven haptischen Rückkopplung
in Form von Kräften
und/oder taktilen Reizen vorgesehenen Parallelkinematiken.
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Mit
der vorliegenden haptischen Schnittstelle wird eine Kraftrückkopplungsvorrichtung
(,Forcefeedback-Gerät') geschaffen, mit
der auch eine zweihändige
Interaktion mit virtuellen Objekten ermöglicht ist. Daneben kann die
haptische Schnittstelle aber auch als Kraftrückkopplungsvorrichtung mit
sechs Freiheitsgraden zur Kraftrückkopplung
durch Dämpferelemente
ausgebildet sein.
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Die
Parallelkinematiken der vorliegenden haptischen Schnittstelle können vorzugsweise
dazu angepaßt
sein, mit den Extremitäten
eines Benutzers, insbesondere mit dessen Füßen, zu interagieren. Jede
der Parallelkinematiken kann zudem in drei translatorische und drei
rotatorische Richtungen bewegbar sein.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weisen die Parallelkinematiken jeweils ein Gestell und einen relativ
hierzu verlagerbaren Träger auf,
die über
zumindest zwei Streben miteinander verbunden sind, wobei ein Abstand
zwischen Gestell und Träger
veränderbar
ist. Dabei können
die Streben am Gestell und/oder am Träger gelenkig, insbesondere über Kreuzgelenke,
angeordnet sein. Weiterhin können
die Streben längenveränderlich
ausgebildet sein und jeweils zumindest zwei zueinander verlagerbare
Segmente aufweisen. Alternativ hierzu können die Streben längenunveränderlich
und die Streben an den Verbindungsstellen zum Gestell und/oder zum
Träger
verschieblich ausgebildet sein.
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Die
Streben der vorliegenden haptischen Schnittstelle können zudem
jeweils ein absolutes oder inkrementales Meßsystem zur Erfassung der Längen und/oder
der Längenänderungen
der Streben und/oder eines Abstandes und/oder einer Abstandsänderung
zwischen Gestell und Träger
aufweisen. Außerdem
können
diese jeweils zumindest eine Dämpfungseinrichtung
und/oder eine Antriebseinrichtung aufweisen.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Parallelkinematiken jeweils als Hexapoden ausgebildet,
wobei Gestell und Träger über jeweils
sechs längenveränderliche
oder längenunveränderliche
Streben miteinander verbunden sind.
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Die
vorliegende haptische Schnittstelle kann zudem eine Steuereinrichtung
aufweisen, mit der Signale des Meßsystems erfaßbar und
Dämpfungsraten
der Dämpfungseinrichtungen
und/oder Steuerbefehle für
die Antriebseinrichtungen berechenbar und einstellbar sind. Die
Dämpfungsraten
der Dämpfungseinrichtung
und/oder Steuerbefehle für
die Antriebseinrichtungen können
dabei abhängig
von einer Verlagerung der Träger
der Parallelkinematiken berechenbar sein.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Schnittstelle als haptisches Eingabegerät zur Bedienung und/oder Steuerung von
Maschinen ausgebildet, wobei ein taktiles Feingefühl in Händen und/oder
Füßen zur
Interaktion mit der Maschine verwendbar ist. Insbesondere kann das
haptische Eingabegerät
als Steuerinterface für Luftfahrzeuge
ausgebildet sein.
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Das
vorliegende haptische Eingabegerät
ermöglicht
daher die Steuerung, z.B. von Hubschraubern oder Flugzeugen insbesondere
nur mit den Füßen. Die
Hände des
Bedieners bleiben dann für
andere Bedienhandlungen frei. Durch das größere Feingefühl in den
Füßen lassen
sich auf Grund der Kraftrückkopplung
mehrere Informationen (z.B. über Fluglage
und Geschwindigkeit) besser erfühlbar
gestalten. Dies gelingt insbesondere durch die Anordnung von mindestens
zwei Hexapod-Kinematiken, welche voneinander unabhängig agieren
können.
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Gemäß einem
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle
als haptische Bewegungsplattform für virtuelle Umgebungen ausgebildet.
Dabei kann die Steuereinrichtung mit einer Einrichtung zur Erzeugung
einer virtuellen Umgebung verbunden sein, wobei von der Steuereinrichtung
berechnete Dämpfungsraten und/oder
erzeugte Steuerbefehle für
die Antriebseinrichtungen, abhängig
sowohl von einer von einem Benutzer erzeugten Verlagerung der Träger der
Parallelkinematiken als auch der erzeugten virtuellen Umgebung berechenbar
sind. Die haptische Bewegungsplattform kann insbesondere als Bewegungssimulator,
insbesondere Flugsimulator oder Laufsimulator, ausgebildet sein.
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Die
haptische Schnittstelle weist zudem bevorzugterweise eine graphische
Einheit auf, welche ein dreidimensionales Modell einer virtuellen
Umgebung visualisiert.
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Der
Bewegungssimulator kann auch als Laufsimulationsmechanik ausgebildet
sein, wobei Bewegungsradi der Träger
der Parallelkinematiken durch haptisches Rendering so gedämpft sind,
daß ein
natürliches
Laufen simulierbar ist.
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Die
haptische Bewegungsplattform kann ebenso als Fitnessgerät, insbesondere
als Gerät
zur aktiven oder passiven Rehabilitation, ausgebildet sein.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele sind
Gegenstand weiterer abhängiger
Patentansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. In diesen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Laufsimulationsmechanik (CAVE),
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden haptischen Schnittstelle als haptisches Eingabegerät mit zwölf Freiheitsgraden
(degree of freedom = DOF) für
Seitenruderpedale eines Helikopters,
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3 eine
schematische Darstellung von Bewegungsplattformen der vorliegenden
haptischen Schnittstelle.
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4 eine
schematische räumliche
Darstellung eines Ausführungsbeispieles
der haptischen Schnittstelle,
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5 eine
schematische Darstellung der Schnittstelle nach 4 in
Draufsicht,
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6 eine
weitere schematische räumliche Darstellung
des Ausführungsbeispieles
nach 4 und
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7 eine
weitere schematische räumliche Darstellung
des Ausführungsbeispieles
nach 4.
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In 1 ist
eine vereinfachte Darstellung einer Laufsimulationsmechanik wiedergegeben,
wobei in der Darstellung zwei haptische Bewegungsplattformen dargestellt
sind. Jede der haptischen Bewegungsplattformen weist vorliegend
zwei haptische Parallelkinematiken 110, 120 und 210, 220 auf,
die in einer Kammer (CAVE) angeordnet sind.
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Jede
der Parallelkinematiken 110, 120 und 210, 220 der
vorliegenden häptischen
Bewegungsplattformen weist sechs Freiheitsgrade auf. Entsprechend
umfaßt
jede der beiden haptischen Bewegungsplattformen insgesamt 12 Freiheitsgrade.
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Die
Parallelkinematiken weisen (wie nachstehend im Zusammenhang mit
den 4 bis 7 noch eingehend erläutert) jeweils
ein Gestell und einen Träger
auf, welche über
Streben verbunden sind. Der Träger
ist relativ zum Gestell verlagerbar und stellt daher die eigentliche „Bewegungsplattform" der Parallelkinematik
dar.
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Die
zwischen Träger
und Gestell angeordneten Streben sind vorliegend als Aktivstreben
(d.h. als angetriebene Streben) ausgebildet. Die Antriebe sind,
wie in 1 dargestellt, gestellseitig (d.h. in der Nähe der Verbindungsstellen
zwischen längenveränderlichen
Streben und Gestell) angeordnet.
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Den
in 1 skizzierten Benutzern 300, 301 wird über eine
(nicht dargestellte) graphische Einheit ein dreidimensionales Modell
einer virtuellen Umgebung visualisiert.
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Die
Benutzer stehen auf den Trägern
der Hexapoden der haptischen Bewegungsplattformen. Die Bewegungsradi
der Träger
der Parallelkinematiken sind durch „haptisches Rendering" (d.h. durch die Berechnung
von Kräften
aus Modellen für
die Erzeugung der Rückkopplungskraft,
welche abhängig
von der Zahl der Freiheitsgrad ist) so gedämpft, daß ein natürliches Laufen simulierbar
ist.
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Das
im Zusammenhang mit 1 erläuterte Prinzip als Laufsimulator
läßt sich
auch als Ersatz vieler Fitnessgeräte bzw. Rehabilitationsgeräte einsetzen.
Die Ansteuerung der zwei Hexapodstrukturen entscheidet dann, ob
das Gerät
als Laufband, als Stepper oder als Crosstrainer einsetzbar ist.
Dazu können
in einer Steuereinrichtung entsprechende Modelle hinterlegt sein,
die dann vom Benutzer ausgewählt
werden. Der kinematische Aufbau der Trainingsgeräte ist dabei immer derselbe.
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Durch
die zwölf
Freiheitsgrade der vorliegenden haptischen Schnittstelle ist eine
optimale, ergonomische und den Anforderungen angepasste Kraftsteuerung
für Maschinen
im Rehabilitationsbereich ermöglicht.
Das Gleiche gilt für
Fitnessgeräte
zum Training der Ausdauer. Dementsprechend gelingt es mit der vorliegenden
haptischen Schnittstelle, die Funktionen sämtlicher Fitnessgeräte (wie
Laufband, Stepper, Elipsentrainer oder sonstige Kraftmaschinen)
in einer Maschine zu vereinigen. Die Steuerung der einzelnen Dämpfungselemente
wird durch das vorgenannt beschriebene haptische Rendering einer virtuellen
Umgebung (Virtual Reality Szene) oder durch eine feste (ggf. wählbare)
Steuerung eines bestimmten Bewegungsablaufes realisiert.
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Mit
der vorliegenden haptischen Schnittstelle wird also insbesondere
auch eine Interaktion mit einer virtuellen Umgebung (VR-Interaktion)
ermöglicht. Dabei
kann die haptische Schnittstelle als eine universale Plattform ausgebildet
sein, um in einer virtuellen Welt zu gehen (durch die Konfiguration
von zwei Hexapoden, wie in 1 dargestellt).
Zudem kann die haptische Schnittstelle als Kraftrückkopplungsvorrichtung
mit zwölf
Freiheitsgraden mit größerer Kraftübertragung,
z.B. für
ein beidhändiges
Agieren in einer virtuellen Umgebung, ausgebildet sein.
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Weiterhin
ermöglicht
die vorliegende haptische Schnittstelle durch die zwölf Freiheitsgrade
eine optimale, ergonomische und den Anforderungen angepasste Kraftsteuerung.
Gerade für
Maschinen, welche zur Rehabiliation nach chirurgischen Eingriffen
dienen, ist dies von besonderer Bedeutung.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden haptischen Schnittstelle als haptisches Eingabegerät mit zwölf Freiheitsgraden
für Seitenruderpedale
eines Helikopters gezeigt.
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Eine
wesentliche Fähigkeit
des Menschen ist es, auf zwei Beinen unter ständiger Kontrolle des Gleichgewichtes
zu laufen, zu rennen und zu stehen. Diese Fähigkeit erlernt der Mensch
im Laufe seiner Kindheitsphase. In dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird dieses erlernte taktile Feingefühl in den Füßen zur intuitiven Steuerung
von Luftfahrzeugen, z.B. eines Helikopters, genutzt.
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Ähnlich wie
ein Skifahrer mit seinen beiden Füßen die Kontrolle über beide
Ski hat (fünf
Freiheitsgrade oder sechs Freiheitsgrade, wenn er nach oben springt),
können
diese kognitiven Fähigkeiten
für komplexe
Steuerungen (auch von Militärjets)
eingesetzt werden. Im Ausführungsbeispiel
nach 2 (Anwendung als Seitenruderpedale für Helikopter
mit zwölf
Freiheitsgraden) bedeutet dies, daß der Pilot alle Funktionen
der Lageregelung (Kurvenflug, Steigflug, Schwebeflug usw.) ausschließlich mit
seinen Füßen steuern
kann. Der Steuerknüppel
ist dementsprechend nicht mehr notwendig. Vielmehr bleiben die Hände für wichtige
Aufgaben im Cockpitbereich frei.
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Dabei
sind im Fußbereich
vor dem Piloten zwei Pedale 310, 320 angeordnet,
die zusammen die haptische Schnittstelle (das vorliegende haptische Eingabegerät) darstellen.
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Jedes
dieser Pedale ist als ein Hexapod ausgebildet. Jeder Hexapod weist
ein Gestell und ein relativ hierzu verlagerbaren Träger auf,
die über
in ihrer Länge
verstellbare Streben miteinander verbunden sind. Dabei ist das Gestell
am Rahmen des Helikopters angeordnet, und der verlagerbare Träger („Bewegungsplattform") stellt die Fußauftrittsfläche für den Piloten
dar.
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Eine
vergrößerte Darstellung
der Seitenruderpedale für
Helikopter mit zwölf
Freiheitsgraden, d.h. der als Hexapode ausgebildeten Pedale, ist
in 3 gezeigt. Dabei ist insbesondere die Fußaufstandsfläche (Bewegungsplattform)
für den
Piloten (der Träger
der Parallelkinematiken) in Verbindung mit drei der insgesamt sechs
längenveränderlichen und
aktiven oder passiven Streben und Gestell ersichtlich.
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Zur
klareren Darstellung des mechanischen Grundaufbaus der Parallelkinematiken
ist das Längenmeßsystem
nicht dargestellt.
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Vorliegend
sind passive Streben eingesetzt, d.h. die Streben sind als Dämpfungseinrichtungen (vorliegend
als Hydraulik- oder Pneumatikzylinder) ausgebildet.
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In
den 4 bis 7 ist der mechanische Aufbau
eines Ausführungsbeispieles
der haptischen Schnittstelle 1 mit zwei Parallelkinematiken 10, 20 näher dargestellt.
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Die
haptische Schnittstelle 1 weist, wie dargelegt, zwei Parallelkinematiken 10, 20 auf.
Die vorliegende haptische Schnittstelle 1 kann jedoch grundsätzlich auch
mehr als zwei Parallelkinematiken aufweisen.
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Die
Parallelkinematiken 10, 20 sind vorliegend jeweils
als Hexapoden mit einem (nicht näher dargestellten)
Gestell und einem Träger 11, 21 ausgebildet,
die über
sechs Streben 12, 22 miteinander verbunden sind.
Grundsätzlich
können
die Parallelkinematiken 10, 20 jedoch mindestens
zwei und maximal sechs Streben aufweisen.
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Jede
der Streben 12, 22 ist am Gestell und am beweglichen
Träger
mit zumindest einem Gelenk 13, 14, 23, 24 befestigt.
Die Gelenke sind vorliegend als Kreuzgelenk ausgebildet.
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Dabei
sind jeweils zwei der insgesamt sechs Streben 12, 22 im
Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und greifen an im Wesentlichen
parallelen Seitenflächen
des Trägers 11, 21 an.
Der Träger 11, 21 ist
im Wesentlichen eben aufgebaut.
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Die
Streben 12, 22 sind vorliegend längenveränderlich
aufgebaut und bestehen jeweils aus mindestens zwei Segmenten (vergleichbar
Teleskopstangen). Grundsätzlich
können
die Streben 12, 22 jedoch auch eine feste Länge aufweisen,
wobei dann die „Fußpunkte" der Streben, d.h.
die Verbindungsstellen zwischen Gestell und Streben und/oder die „Kopfpunkte", d.h. die Verbindungsstellen
zwischen Träger
und Streben verlagerbar zueinander aufgebaut sind. Beispielsweise
können
zwischen den Gelenken 13, 14, 23, 24 und
dem Gestell bzw. dem Träger
Linearaktoren angeordnet werden.
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Jede
Strebe 12, 22 kann einen aktiver Antrieb (insbesondere
Pneumatikzylinder, Spindeltrieb, Magnetdirektantrieb) und/oder eine
passive Dämpfung
aufweisen (beispielsweise ein Pneumatikventil o.ä.).
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Jede
Strebe 12, 22 ist zudem mit einem absoluten oder
inkrementalen Meßsystem
(nicht gezeigt) zur Erfassung einer Länge und/oder einer Längenänderung
der Streben 12, 22 und/oder eines Abstandes und/oder
einer Veränderung
des Abstandes zwischen Gestell und Träger 11, 21 ausgestattet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Längenmeßsystem
jeweils an den Streben 12, 22 gestellseitig an
den Halterungen angeordnet. Die Längenmessung erfolgt dabei in
Echtzeit.
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Durch
die aus den 1 bis 7 entnehmbare
Anordnung von zwei Hexapodstrukturen 10, 20 nebeneinander
entsteht ein Mechanismus mit insgesamt zwölf Freiheitsgraden, da sich
die beiden Träger 11, 21 jeweils
in sechs Richtungen bewegen lassen (drei Translationen und drei
Rotationen).
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Zur
Steuerung der haptischen Schnittstelle 1 wird aus den aktuellen
Strebenlängen
oder entsprechenden Abstandswerten Gestell zu Träger die Position des Trägers 11, 21 (3x
Translation, 3x Rotation) berechnet, d.h. zur Einstellung einer
bestimmten Position der Träger 11, 21 werden
die entsprechenden Strebenlängen
berechnet und angesteuert. Dadurch stellen sich die Träger 11, 21 auf
die gewünschte
Position ein bzw. wird in der Position gestoppt (bei der Dämpfungsvariante).
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Als
Grundlage für
das Verfahren zur haptischen Ansteuerung dient ein 3D Modell, bestehend aus
Polygonen, Dreiecken und Raumpunkten. Die Bewegungen der Träger 11, 21 (auf
denen zumeist die Füße stehen)
werden in das 3D Modell übertragen
und dort wird berechnen, wann theoretisch die Träger 11, 21 an
die Polygone, Dreiecke usw. stoßen würden. Wenn
das der Fall ist, wird der Träger 11, 23 gebremst,
entweder sehr abrupt (wenn der simulierte Untergrund sehr hart ist)
oder sehr langsam (für
weichen Boden).
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Die
Steuerung weist vorliegend aktive oder passive Elemente 12, 22 auf,
welche die Strebenlängen
einstellen (z.B. durch Ausfahren eines Pneumatikzylinders). Die
Steuerung umfaßt
zudem ein Meßsystem
(absolut oder inkremental), welches die aktuelle Strebenlänge misst.
Außerdem
weist die Steuerung eine Rechnereinheit auf, welche aus einem 3D Modell
die notwendigen Strebenlängen
aller Streben berechnet. Zudem weist die Steuerung abhängig vom
Anwendungsfall eine graphische Einheit auf, welche das 3D Modell
visualisiert. Dann ist es möglich,
auf dem Träger
zu laufen und beispielsweise auf einem Monitor oder in einer Virtual
Reality Umgebung die entsprechende „Welt" wahrzunehmen.