DE102007005747B4

DE102007005747B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur

Info

Publication number: DE102007005747B4
Application number: DE200710005747
Authority: DE
Inventors: Gerd Monath; Pavel Mayer; Joachim Sauter; Simon Schießl; David Siegel
Original assignee: Art and Com AG; ART+COM AG
Current assignee: Art and Com AG; ART+COM AG
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2027-02-02
Also published as: DE102007005747A1

Abstract

Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur, mit einer Vielzahl von Visualisierungskörpern (3), welche jeweils mittels mindestens eines Verbindungselements (2) mit einer Antriebsvorrichtung (13) verbunden sind, wobei eine durch die Antriebsvorrichtung (13) vermittelte Bewegung des jeweils mindestens einen Verbindungselements (2) eine Bewegung des damit verbundenen Visualisierungskörpers (3) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Verbindungselement (2) derart flexibel ausgestaltet ist, dass es auf ein Aufnahmeelement (12) der zugeordneten Antriebsvorrichtung (13) unter Krümmung aufbringbar ist, und dass die Vorrichtung mindestens eine zentrale Steuerungseinheit (4) mit mindestens einem Datenspeicher (5) aufweist, die Steuerbefehle zur Steuerung zumindest eines Teils der Antriebsvorrichtungen (13) gemäß eines Algorithmus berechnet und/oder aus dem Datenspeicher (5) abruft, wobei die zentrale Steuerungseinheit Bahnstützpunkte als Steuerungsbefehle an untergeordnete Steuerungseinheiten übermittelt, die eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen steuern, wozu die untergeordneten Steuerungseinheiten die Bahnstützpunkte in Antriebssteuersignale umsetzen, welche zwischen den Bahnstützpunkten interpolierte Datenwerte darstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 31.
Aus der KR 1020020084470 A ist eine 3D-Anzeigetechnologie bekannt, die auf einem flächigen Ausgabegerät in Form eines TFT-Displays mit Prismenvorsatz beruht. Auch sind 3D-Anzeigetechnologien bekannt, die eine Projektion mit polarisiertem Licht ausführen. Diese Technologien stellen aber nicht wirklich eine dreidimensionale Ansicht dar, die gleichzeitig aus allen Richtungen betrachtet werden kann, sondern haben den Charakter eines Fensters, durch das man auf eine räumliche Situation blickt.
Aus der KR 1020030080763 A ist eine Technologie zur echten räumlichen Darstellung, welche allseitig betrachtet werden kann, bekannt. Diese Technologie arbeitet mittels schnell rotierender oder vor und zurück wandernder planarer Displays, die in einem räumlichen Volumen Schichten zweidimensionaler Bilder legen, welche sich im Auge des Betrachters zu einer räumlichen Figur verbinden. Diese Technologie ist aber durch die erforderlichen schnellen mechanischen Bewegungen in ihrer Größe begrenzt und ermöglicht somit nur die Darstellung innerhalb eines kleinen Volumens. Außerdem ist die erreichte Bildhelligkeit sehr gering, da die Leuchtkraft des flachen Bildes über die Abtastbewegung verteilt wird und damit an einer bestimmten Raumstelle nur zu einem kleinen Anteil zur Verfügung steht. Als Konsequenz können solche Displays nur unter abgedunkelten Lichtverhältnissen genutzt werden.
Einzeln mechanisch bewegte Bildpunkte sind bisher mit bewegten Stäben realisiert worden. So zeigt das US-Patent 5,793,918 beispielsweise eine räumlich konfigurierbare Oberfläche, die aus eng benachbarten beweglichen Glasfaserbündeln besteht. Der Nachteil solcher Ansätze ist die erforderliche relativ aufwändige Antriebstechnik für die Linearbewegung der Stäbe sowie die Tatsache, dass sich auf einer Seite der bewegten Endpunkte ein massiver Block aus Haltestäben bildet, der visuell sehr dominant ist; im Wesentlichen kann die dargestellte Oberfläche nur von oben bzw. von vorne betrachtet werden. Für lange Verfahrwege, wie sie für die Darstellung großer Objekte erforderlich sind, wird der Platzbedarf einer solchen Apparatur problematisch hoch, da die Stäbe in ihrer ganz eingefahrenen Position mit ihrer vollen Länge in den rückseitigen Raum ragen. Außerdem ist es mechanisch sehr schwierig, die mit der Darstellungsgröße wachsenden absoluten Verfahrgeschwindigkeiten der Stäbe zu realisieren.
Aus der DE 1 906 968 A ist ein bewegliches Mobile bekannt, das mittels eines Motors und dadurch angetriebene Federn in Bewegung versetzt werden kann. Die einzelnen Elemente des Mobiles sind zum Teil mit Torsionsfäden verbunden. Das Mobile weist auch einen Drahtbügel auf, der die seitens des Motors aufgebrachte Bewegung in das eigentliche Mobile einleitet. Dieser Drahtbügel ist als unflexibles Verbindungselement anzusehen.
In dem im Internet unter http://www.greyworld.org veröffentlichten Artikel – greyworld: ”The Source”, London, UK, 27.07.2004 wird eine Vorrichtung mit 162 Seilen beschrieben, an denen jeweils neun beleuchtete Kugeln befestigt sind, die mittels individueller Motoren an diesen Seilen auf und ab bewegt werden können. Damit sind bestimmte Figuren oder Schriftzüge, wie beispielsweise die Namen gerade an der Londoner Börse gehandelter Wertpapiere, darstellbar. Die Seile der Vorrichtung sind dabei gespannt und verändern ihre Position nicht. Vielmehr fahren die Kugeln an den Seilen auf und ab.
In dem im Internet unter http://www.claru.edu/activelearning/present/asd/2006posters/1523rschenk.pdf veröffentlichten Artikel – Ryan Schenk: „Interactive Sculpture”, 2006 wird eine Vorrichtung aus mehreren Kugeln beschrieben, die an einzelnen Seilen von einer Decke hängen und durch Anziehen oder Herablassen dieser Seile herauf oder herunter bewegt werden können. Ein entsprechendes Anziehen oder Herablassen der Seile erfolgt durch eine angelrutenartige Konstruktion, die eine dem Hebelarm der Aufhängvorrichtung entsprechende Veränderung der relativen Position der Kugeln gegenüber der Decke ermöglicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur zu schaffen, die auch außerhalb abgedunkelter Räume einsetzbar ist und deren Antriebstechnik einen geringen Platzbedarf aufweist. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gleichermaßen vorteilhaftes Verfahren zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine solche Vorrichtung weist eine Vielzahl von Visualisierungskörpern auf, die jeweils mittels mindestens eines Verbindungselements mit einer Antriebsvorrichtung verbunden sind, wobei eine durch die Antriebsvorrichtung vermittelte Bewegung des jeweils mindestens einen Verbindungselements eine Bewegung des damit verbundenen Visualisierungskörpers bewirkt, und zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Verbindungselement derart flexibel ausgestaltet ist, dass es auf ein Aufnahmeelement der zugeordneten Antriebsvorrichtung bzw. Antriebsvorrichtungen unter Krümmung aufbringbar, insbesondere aufrollbar, ist. Damit die einzelnen Visualisierungskörper der Vorrichtung gemeinsam gesteuert werden können, weist die Vorrichtung mindestens eine zentrale Steuerungseinheit mit mindestens einem Datenspeicher auf. Dabei berechnet die zentrale Steuerungseinheit die Steuerbefehle zur Steuerung zumindest eines Teils der Antriebsvorrichtungen gemäß einem Algorithmus und/oder ruft entsprechende Steuerbefehle aus dem Datenspeicher ab. Als Steuerungsbefehle übermittelt die zentrale Steuerungseinheit Bahnstützpunkte an untergeordnete Steuerungseinheiten, die eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen steuern. Dazu setzen die untergeordneten Steuerungseinheiten die Bahnstützpunkte in Antriebssteuersignale, welche zwischen den Bahnstützpunkten interpolierte Datenwerte darstellen, um.
Dadurch, dass die Verbindungselemente flexibel ausgestaltet und nicht als Stäbe realisiert sind, wird der rückseitige Platzbedarf, das heißt, der Platzbedarf zu der Seite hin, die der der Visualisierung dienenden Vorderseite abgewandt ist, erheblich erniedrigt. Gleichzeitig wird die aus dem Stand der Technik bekannte massive blockartige Erscheinungsform der Verbindungselemente umgangen, so dass die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellte dreidimensionale Struktur allseitig einsehbar ist. Da darüber hinaus die Bildhelligkeit nicht dadurch erniedrigt wird, dass die darzustellende Struktur in zahlreiche zweidimensionale Bildebenen aufgeteilt werden muss, ist zudem eine Darstellung in einem nicht abgedunkelten Raum möglich. Somit ist eine großformatige Darstellung von statischen und bewegten dreidimensionalen Strukturen, insbesondere in einem Ausstellungskontext, möglich.
Die Visualisierungskörper bilden dabei Abtastpunkte, die sich auf der Oberfläche eines virtuellen Objekts befinden. Dieses virtuelle Objekt kann das Abbild eines realen Objekts, etwa einer menschlichen Hand, oder eine mathematisch beschriebene Fläche im Raum sein. Die dargestellten virtuellen Objekte werden passend größenskaliert, so dass eine ausreichende Anzahl von Visualisierungskörpern bzw. Abtastpunkten an der Abbildung dieser Objekte beteiligt ist.
Um eine gezielte Ansteuerung eines jeden Visualisierungskörpers besonders einfach erreichen zu können, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung jeder Visualisierungskörper mit genau einer individuellen Antriebsvorrichtung verbunden und kann mittels dieser Antriebsvorrichtung angetrieben bzw. bewegt werden. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann einem einzelnen Visualisierungskörper auch mehr als eine Antriebsvorrichtung zugeordnet sein. Ebenso ist es denkbar, dass eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb mehrerer Visualisierungskörper dient, wodurch sich clusterförmige Bewegungen mehrerer Visualisierungskörper besonders leicht erreichen lassen. Die beiden letztgenannten Alternativen können auch miteinander kombiniert werden.
Da die Verbindungselemente, wenn sie auf das Aufnahmeelement der zugeordneten Antriebsvorrichtung unter Krümmung aufgebracht oder von diesem Aufnahmeelement abgelassen (insbesondere abgerollt) werden, in der Regel auch eine Bewegung ausführen, die im Wesentlichen senkrecht zu der durch das eigentliche Aufbringen oder Ablassen (insbesondere Auf- oder Abrollen) ausgeführten Bewegung liegt, ist vorzugsweise ein Führungsmittel vorgesehen, durch das hindurch ein jedes Verbindungselement geführt ist, wobei das Führungsmittel eine Bewegung der Verbindungselemente auf Bewegungen entlang ihrer Längsersteckungsrichtung begrenzt. Das heißt, dass das Führungsmittel dazu dient, Bewegungen des Verbindungselements quer zu dessen Längserstreckungsrichtung, die im Bereich zwischen dem Führungsmittel und der Antriebsvorrichtung auftreten können, im Bereich zwischen dem Führungsmittel und dem Visualisierungskörper zu unterbinden.
Für eine vorteilhafte Gesamterscheinung der Vorrichtung sowie für eine gute Flexibilität und eine damit verbundene gute krümmungsvermittelte Aufbringbarkeit (insbesondere Aufrollbarkeit) handelt es sich bei den Verbindungselementen vorzugsweise um Seile.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungselemente Edelstahl auf, das heißt, es handelt sich bei den Verbindungselementen beispielsweise um Edelstahlseile.
Um einerseits eine hohe Flexibilität und andererseits die Möglichkeit zur elektrischen Energie- und Signalübertragung zu realisieren, ist vorzugsweise zumindest ein Teil der Verbindungselemente mehradrig ausgestaltet.
Um bei einer mehradrigen Ausgestaltung der Verbindungselemente eine kurzschlussfreie elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, sind die Adern der Verbindungselemente vorzugsweise voneinander elektrisch getrennt. Dies kann beispielsweise durch Isolierlack, der die einzelnen Adern der Verbindungselemente umgibt, realisiert sein.
Um ein homogenes äußeres Erscheinungsbild der Vorrichtung zu erreichen, sind die Visualisierungskörper vorzugsweise gleichartig ausgestaltet. Alternativ ist es auch möglich, dass die Visualisierungskörper in Form und/oder Farbe differieren, um so spezifischen Darstellungsanforderungen besser gerecht werden zu können.
Bevorzugterweise weisen die Visualisierungskörper eine kugelförmige Gestalt auf. Alternativ können sie insbesondere auch Würfel-, quader-, kegel- oder zylinderförmig ausgestaltet sein.
Zur Erzeugung weiterer Darstellungsvarianten weisen die Visualisierungskörper in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zumindest teilweise mindestens eine Anzeigevorrichtung auf ihrer Oberfläche auf. Als entsprechende Anzeigevorrichtungen bieten sich insbesondere Flüssigkristalldisplays (LCDs) an. Auf diesen Displays können bestimmte Muster oder einzelne Bereiche eines Bilds dargestellt werden, die bei einer Betrachtung der gesamten Vorrichtung ein vollständiges Bild ergeben. Statt eines Bildes können auch Filmausschnitte oder Echtzeitaufnahmen dargestellt werden.
Die Visualisierungskörper sind vorzugsweise in einem zweidimensionalen Raster angeordnet, damit eine einfache gerasterte Darstellung der zu visualisierenden Struktur ermöglicht wird. Das zweidimensionale Raster ist dabei vorzugsweise horizontal angeordnet und erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Verbindungselemente. Das heißt, durch eine Bewegung der Verbindungselemente können die einzelnen Visualisierungskörper senkrecht zur Ebene des Rasters bewegt werden.
Die Rasterweite des Rasters beträgt dabei vorzugsweise weniger als das Zehnfache, insbesondere weniger als das Fünffache und ganz besonders weniger als das Vierfache des Durchmessers eines einzelnen Visualisierungskörpers. Auf diese Weise kann eine Visualisierung der darzustellenden dreidimensionalen Struktur ohne die Anwesenheit größerer Lücken realisiert werden.
Damit sich die einzelnen Visualisierungskörper im Auge des Betrachters zu einer zusammenhängenden Fläche im dreidimensionalen Raum verbinden – was immer dann der Fall ist, wenn der Höhenunterschied zwischen benachbarten Visualisierungskörpern gering ist und sie sich zudem in ähnlichen Bahnen bewegen – sind die jeweiligen Antriebsvorrichtungen mittels mindestens einer zugeordneten Steuerungseinheit derart ansteuerbar, dass sie synchronisierte Bewegungen der Verbindungselemente und damit der Visualisierungskörper bewirken können.
Um die Bewegungen der Antriebsvorrichtungen zu kontrollieren, weisen die Antriebsvorrichtungen vorzugsweise jeweils mindestens ein Markierungselement an einem bewegten Teil, beispielsweise dem Aufnahmeelement, auf.
Ferner ist vorzugsweise mindestens ein Sensor vorgesehen, der die Lage des Markierungselements optisch und/oder mechanisch erfasst. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise eine Nullpunktfindung durchzuführen. Dazu wird der Visualisierungskörper bei stromloser Antriebsvorrichtung in maximale Entfernung zu der Antriebsvorrichtung (tiefste Lage) verbracht, und anschließend wird eine Referenzfahrt bis zur ersten sensorischen Erfassung des Markierungselements durchgeführt. Dabei ist das Markierungselement so auf der Antriebsvorrichtung angebracht, dass es vom Sensor etwa dann erfasst wird, wenn die Antriebsvorrichtung etwa eine halbe Umdrehung ausgeführt hat, um den Visualisierungskörper aus seiner tiefsten Lage hochzuziehen. Beim weiteren Bewegungsvorgang der Antriebsvorrichtung wird das Markierungselement pro Umdrehung des Aufnahmeelements der Antriebsvorrichtung einmal oder mehrere Male durch den Sensor erfasst. So lassen sich auch Schrittverluste der Antriebsvorrichtungen ausgleichen. Alternativ können Drehgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutdrehgeber, zur Lageerkennung des Aufnahmeelements verwendet werden.
Vorzugsweise sind der Sensor, das Markierungselement, das Aufnahmeelement und die eigentliche Antriebsvorrichtung aus Gründen der Kompaktheit und einfacheren Handhabung. in einen Antriebsvorrichtungsmodul untergebracht, das zusammen mit den anderen Antriebsvorrichtungsmodulen entsprechend dem gewünschten Raster der Visualisierungskörper rasterförmig in einem Rahmen angeordnet ist.
Zur Erfassung der bereits geleisteten Bewegungen der einzelnen Verbindungselemente weist die Vorrichtung vorzugsweise insbesondere softwaretechnisch realisierte Mittel auf. Damit ist es möglich, verschleißbedingte Wartungsintervalle frühzeitig bestimmen zu können. Dies ist insbesondere deswegen wichtig, da nicht alle Verbindungselemente die gleiche Bewegungsleistung erbringen.
Damit nicht nur die absoluten Bewegungen eines Verbindungselements erfasst werden, sondern auch die Bewegungen einzelner Abschnitte der Verbindungselements, sind die Mittel zum Erfassen der geleisteten Bewegung der Verbindungselemente vorzugsweise derart ausgestaltet, dass jedes Verbindungselement in einzelne Abschnitte aufgeteilt wird und die Bewegung der einzelnen Verbindungselementabschnitte einzeln erfasst werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein häufig bewegter Abschnitt, der beispielsweise durch das Hindurchgleiten durch ein Führungsmittel einem besonderen Verschleiß unterliegt, bereits einen Wartungsfall auslösen kann, obwohl die gesamte geleistete Bewegung des Verbindungselements, dessen Teil der Verbindungselementabschnitt ist, für sich genommen relativ niedrig ist. Die logischen Verbindungselementabschnitte können beispielsweise eine Länge von 5 cm aufweisen. Statt einen Wartungsfall zu melden, können die Mittel auch derart ausgelegt sein, dass sie das zum entsprechenden Verbindungselement zugehörige Antriebsmodul außer Betrieb nehmen, um ein Auswechseln des Verbindungselements vor dessen Reißen zu ermöglichen. Eine vereinfachte Methode, die Verbindungselementnutzung zu protokollieren, besteht darin, die gesamte absolute Bewegung der einzelnen Verbindungselemente in Metern zu erfassen, die das Verbindungselement bereits bewegt wurde.
Da die hängenden Visualisierungskörper physikalische Pendel darstellen, welche horizontale Schwingungen ausführen können, die jedoch unerwünscht sind, ist vorzugsweise zumindest für einen Teil der Visualisierungskörper mindestens ein Stützelement zusätzlich zum Verbindungselement optional vorgesehen.
Dabei ist das Stützelement vorzugsweise im Wesentlichen parallel zum Verbindungselement ausgerichtet und weist eine feste Spannung auf. Damit dient es zur Stabilisierung der Visualisierungskörper gegen horizontale Schwingungen und führt die Visualisierungskörper stabil auf der von der Verschiebung der Verbindungselemente vorgegebenen gewünschten Bahn.
Das Stützelement ist dabei vorzugsweise baugleich zu dem Verbindungselement ausgestaltet, um so ein einheitliches Erscheinungsbild der gesamten Vorrichtung zu erreichen. Alternativ kann das Stützelement auch einen größeren oder kleineren Querschnitt als das Verbindungselement aufweisen.
Um die Darstellungsmöglichkeiten der Vorrichtung zu steigern, können die Visualisierungskörper vorzugsweise derart angesteuert werden, dass sie in Teilgruppen jeweils unterschiedliche Objekte darstellen. Diese Teilgruppenbildung kann beispielsweise so erfolgen, dass jedes zweite Visualisierungskörper, entsprechend dem Schachbrettmuster ein anderes Objekt darstellt. Dadurch verringert sich die räumliche Auflösung der Darstellung der dreidimensionalen Struktur entsprechend. Das heißt, bei zwei gleichzeitig dargestellten räumlichen Strukturen ist die Auflösung nur noch halb so groß wie bei einem Objekt (doppelte Rasterweite pro Struktur). Bei drei gleichzeitig dargestellten Strukturen entspricht die Auflösung nur noch einem Drittel der Auflösung bei Darstellung eines Objekts etc.
Um aktive Illuminationseffekte zu erreichen, weist vorzugsweise zumindest ein Teil der Visualisierungskörper Beleuchtungsmittel auf. Auf diese Weise können auch zusätzliche Farbeffekte dargestellt werden.
Vorzugsweise sind die Beleuchtungsmittel im Inneren der Visualisierungskörper angeordnet. Dabei erfolgt die Strom- und Steuersignalzufuhr vorzugsweise durch ein mehradriges Verbindungselement, das mehrere durch Isolierlack elektrisch voneinander getrennte Adern enthält.
Als Alternative können die Beleuchtungsmittel auch auf der Außenseite der Visualisierungsmittel angeordnet sein. Dabei ist insbesondere eine Anordnung direkt neben dem Verbindungspunkt zwischen dem Verbindungselement und dem Visualisierungskörper von Vorteil. Bei einer solchen Anordnung werden die Visualisierungskörper von oben angestrahlt, wobei eng strahlende Leuchtkörper zur individuellen Beleuchtung eines einzelnen Visualisierungskörpers bevorzugt werden.
Als Beleuchtungsmittel eignen sich vorzugsweise Leuchtdioden, insbesondere dreifarbige Leuchtdioden. Dabei kann eine derart realisierte vielkanalige Beleuchtung mit den Bewegungen der Visualisierungskörper synchronisiert werden und diese dadurch visuell verstärken.
Um den Ausfall einzelner Visualisierungskörper detektieren zu können, weist die Vorrichtung vorzugsweise ein Detektionsmittel zu Erfassung der Unversehrtheit der Verbindungselemente auf. Dieses Detektionsmittel ist derart ausgestaltet, dass es ein Reißen eines Verbindungselementes an die zentrale Steuerungseinheit übermitteln kann, durch die dann automatisiert ein Wartungsfall gemeldet wird. Gleichzeitig kann das entsprechende Antriebsmodul, das mit einem neuen Verbindungselement versehen werden muss, beispielsweise mit einer dort angebrachten und adressierbaren Leuchtdiode markiert werden.
Ein entsprechendes Detektionsmittel kann vorzugsweise derart als Seilrisssensor ausgestaltet sein, dass es eine elektrisch leitfähige Hülse aufweist, durch die das Verbindungselement läuft und die durch das Verbindungselement in einer aufrechten Lage gehalten wird. Reißt das Verbindungselement und fällt demnach die entsprechende Stütze der Hülse weg, fällt die leitfähige Hülse gegen einen umlaufenden, ebenfalls elektrisch leitfähigen Ring, wodurch ein elektrischer Kontakt beispielsweise zu einer geerdeten, elektrisch leitfähigen Bodenplatte geschlossen wird. Eine entsprechende Auswertelektronik detektiert dann den Riss des Verbindungselements. Solange das Verbindungselement intakt ist, wird jedoch kein elektrischer Kontakt zwischen der Hülse und dem umlaufenden Ring bzw. Element geschlossen und demzufolge kein Seilriss bzw. keine Verbindungselementversehrtheit angezeigt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 31 gelöst. Ein solches Verfahren verwendet eine Vielzahl von Visualisierungskörpern, von denen jedes durch ein Verbindungselement mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist, wobei jedes Verbindungselement derart flexibel ausgestaltet ist, dass es auf ein Aufnahmeelement der zugeordneten Antriebvorrichtung unter Krümmung aufbringbar, insbesondere aufrollbar, ist. Die Antriebsvorrichtungen sind mittels einer Steuerungseinheit derart ansteuerbar, dass sie synchronisierte Bewegungen ausführen können. Damit wird die Möglichkeit zur flächigen Wahrnehmung der Visualisierungskörper in bewegtem Zustand ermöglicht. Um zumindest einen Teil der Antriebsvorrichtungen zu steuern, wird eine zentrale Steuerungseinheit verwendet, die mindestens einen Datenspeicher aufweist, wobei die zentrale Steuerungseinheit die Steuerbefehle gemäß einem Algorithmus berechnet und/oder aus dem zugeordneten Datenspeicher abruft. Als Steuerungsbefehle übermittelt die zentrale Steuerungseinheit Bahnstützpunkte an untergeordnete Steuerungseinheiten, die eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen steuern. Dazu setzen die untergeordneten Steuerungseinheiten die Bahnstützpunkte in Antriebssteuersignale, welche zwischen den Bahnstützpunkten interpolierte Datenwerte darstellen, um.
Die Bahnstützpunkte sind insbesondere Zielgeschwindigkeiten und Zielpositionen der jeweiligen Antriebsvorrichtungen in einem bestimmten Zeitraster. Durch die Interpolation zwischen diesen Bahnstützpunkten werden den einzelnen Antriebsvorrichtungen in einem feinen, quasi kontinuierlichen Zeitraster abgestufte Steuersignale übermittelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die entsprechenden Bahnstützpunkte mittels einer dreidimensionalen Animationssoftware erstellt und in den Datenspeicher der zentralen Steuerungseinheit eingelesen. Dabei bietet sich insbesondere die Speicherung der Bahnstützpunkte in einer XML-Textdatei an. Nachdem die zentrale Steuerungseinheit die entsprechenden Daten eingelesen hat, erzeugt sie Fahrprofile für die jeweiligen Antriebsvorrichtungen, um die Visualisierungskörper auf die entsprechenden Startpositionen zu bringen und anschließend den gewünschten Bewegungsablauf zu starten.
Die Bahnstützpunkte werden dabei vorzugsweise mit einer Zeitauflösung von besser als 50 Hz, insbesondere besser als 10 Hz und ganz besonders besser als 5 Hz übermittelt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sollen anhand nachstehender Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Detailansicht der in der 1 dargestellten Vorrichtung und
3 eine schematische Darstellung der Steuerung einzelner Antriebsvorrichtungen der in den 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur mit einem Rahmen 1, in dem eine Vielzahl in der 2 näher dargestellten Antriebsvorrichtungen untergebracht ist, die jeweils zum Antrieb eines als Verbindungselement dienenden Seils 2 vorgesehen sind. Jedes der zahlreichen Seile 2 ist mit einem Sichtkörper 3 als Visualisierungskörper verbunden. Mittels einer durch die entsprechende Antriebsvorrichtung vermittelten Bewegung des Seils 2 wird der entsprechende Sichtkörper 3 in der Richtung R auf und ab bewegt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jeweils nur einzelne der Seile 2 und der Sichtkörper 3 mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Darüber hinaus sind aus Vereinfachungsgründen nicht alle Seile 2 dargestellt. Tatsächlich ist jeder Sichtkörper 3 durch ein Seil 2 mit einer entsprechenden Antriebsvorrichtung, die im Raster 1 angeordnet ist, verbunden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei den Seilen 2 um Edelstahlfäden. Die Sichtkörper 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 35 mm ausgeführt. Sie sind dabei in einem Raster von 10 × 10 cm positioniert. Statt Kugeln könnten alternativ auch Würfel, Quader oder sonstige geometrische Formen als Sichtkörper 3 eingesetzt werden.
Durch eine unterschiedlich starke Bewegung der einzelnen Sichtkörper 3 entlang der Richtung R ist die Darstellung einer dreidimensionalen Struktur möglich. Dabei kann diese Struktur durch andauernde oder unterbrochene Bewegung der Sichtkörper 3 dynamische Veränderungen erfahren. Dadurch, dass nur relativ dünne Seile 2 eingesetzt werden, sind die Sichtkörper 3 nicht nur von der in der 1 unten dargestellten Vorderseite aus sichtbar, sondern auch – wie in der Darstellung der 1 gezeigt – von der Seite, wobei sich der Betrachtungswinkel nahezu beliebig verändern lässt. Lediglich aus der in der 1 oben dargestellten Rückseite der Vorrichtung, die durch die Oberseite des Rahmens 1 definiert wird, ist eine Betrachtung der Sichtkörper 3 nicht möglich. In der Regel ist der Rahmen 1 mit der Decke eines Raumes verbunden, so dass die Seile 2 und die Sichtkörper 3 vertikal nach unten in den Raum hinein hängen.
Die 2 zeigt eine Ausschnittsdarstellung eines Teils der in der 1 dargestellten Vorrichtung. In dieser Darstellung lässt sich im Rahmen 1 eine Vielzahl von Seilzugmodulen 10 als Antriebsmodulen erkennen, von denen nur eines mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen ist.
Das in der 2 vorne rechts angeordnete Seilzugmodul 10 ist zur besseren Erläuterung der im Innern der Seilzugmodule 10 angeordneten Elemente teilweise geschnitten dargestellt. So weist jedes Seilzugmodul 10 einen Schrittmotor 11 und eine damit verbundene Seiltrommel 12 als Aufnahmeelement auf, auf die jeweils eines der Seile 2 aufgewickelt werden kann. Der Schrittmotor 11 und die Seiltrommel 12 bilden zusammen die eigentliche Antriebsvorrichtung 13. Die Seiltrommel 12 weist eine schneckenförmige Nut auf, die das Seil 2 präzise führt. Eine Öse 14 als Führungsmittel führt das Seil 2 durch einen festen, exakt definierten Punkt und verhindert, dass auf das Seil von der Seiltrommel 12 bzw. deren Nut beim Auf- oder Abrollen wirkende wechselnde horizontale Kräfte auf Seilabschnitte jenseits der Öse 14 übertragen werden. Diese Konstruktion erlaubt einen präzisen, hochdynamischen und verschleißfreien Antrieb der Sichtkörper 3.
An der Seiltrommel 12 ist ein Markierungspunkt 15 als Markierungselement angebracht, dessen Lage mittels eines nicht dargestellten Sensors erfasst werden kann. Die Nullpunktfindung erfolgt durch das Abrollenlassen des Sichtkörpers 3 bei stromlosem Schrittmotor 11 und anschließender Referenzfahrt bis zu einem ersten Indeximpuls, der dadurch ausgelöst wird, dass beim Hochziehen des Sichtkörpers 3 aus seiner tiefsten Lage der Markierungspunkt 15 etwa nach einer halben Umdrehung der Seiltrommel 12 vom zugeordneten Sensor erfasst wird. Im weiteren Verlauf der Bewegung der Seiltrommel 12 entsteht der Indeximpuls einmal pro Trommelumdrehung mittels mechanischer und/oder optischer Abtastung des Markierungspunkts 15. Neben seiner Verwendung bei der Referenzfahrt dient der Indeximpuls auch zum Aufspüren und Korrigieren von Schrittverlusten des Schrittmotors 11.
Der Rahmen 1, in dem die einzelnen Seilzugmodule 10 rasterförmig angeordnet sind, kann beispielsweise in einen Ausschnitt einer Hohldecke eingesetzt werden. Um ein engeres Raster der Sichtkörper 3, verglichen mit dem Raster der Seilzugmodule 10, erreichen zu können, ist es auch denkbar, die Seile 2 jeweils durch die Verwendung eines weiteren, der Öse 14 vergleichbaren Führungsmittels enger zusammenzuführen, als dies durch die Anordnung der Seilzugmodule 10 selbst möglich ist.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des Steuerungsprozesses der einzelnen Seilzugmodule 10 des in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind wiederum nur einzelne Seilzugmodule 10 mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen, um für eine gute Übersichtlichkeit der Darstellung zu sorgen.
Kernstück der Steuerung ist ein zentraler Steuercomputer 4, der als zentrale Steuerungseinheit die zur Bewegung der Sichtkörper 3 erforderlichen Daten aus einen mit ihm verbundenen Datenspeicher 5 abrufen kann. Alternativ berechnet der zentrale Steuercomputer 4 die für die Bewegungsabläufe der Sichtkörper 3 erforderlichen Daten anhand eines Algorithmus. Der zentrale Steuercomputer 4 ist über einen CAN-Bus 6 (CAN = controller area network) mit einem CAN-fähigen Gateway 7 verbunden. Das Gateway 7 vermittelt eine Verbindung zwischen dem zentralen Steuercomputer 4 und einer Vielzahl von Steuermodulen 8 als untergeordneten Steuerungseinheiten, von denen in der 3 nur zwei dargestellt sind und die jeweils acht Bahngeneratoren bündeln. So sind an jedem Steuermodul 8 jeweils acht Seilzugmodule 10 angeschlossen.
Der CAN-Bus 6 und das Gateway 7 sind dabei optionale Verbindungselemente einer Steuerungsvorrichtung, die eine oder mehrere Steuerungseinheiten umfasst. Es könnten alternativ auch andere üblicherweise für diese Zwecke eingesetzte Verbindungselemente zur Verbindung mehrerer Steuerungseinheiten untereinander oder zur Verbindung einer oder mehrerer Steuerungseinheiten mit den Seilzugmodulen 10 verwendet werden.
Die im Ausführungsbeispiel der 3 dargestellte Bündelung von jeweils acht Seilzugmodulen an einem Steuermodul 8 ist nur beispielhaft zu verstehen und könnte auch durch die Bündelung einer anderen Anzahl von Seilzugmodulen 10 an entsprechenden Steuermodulen 8 ersetzt werden.
Vom zentralen Steuercomputer 4 werden zur Steuerung vorzugsweise in digital kodierter Form Bahnstützpunkte über das CAN-Gateway 7 zu den Steuermodulen 8 übermittelt. Die Bahnstützpunkte stellen dabei die Zielgeschwindigkeit und Zielpositionen eines jeden Schrittmotors 11 mit einem Zeitraster von 5 Hz dar. Die Bahnsteuerung der Steuermodule 8 interpoliert zwischen diesen Bahnstützpunkten und berechnet die Momentangeschwindigkeit für jeden Motor in einem feinen, quasi-kontinuierlichen Zeitraster und erzeugt so die Steuersignale für die jeweiligen Motorendstufen, die als Schrittmotoren 11 in den Seilzugmodulen 10 integriert sind.
Im Ausführungsbeispiel der 3 werden die Bahnstützpunkte in einer 3D-Animationssoftware erstellt und mittels eines Exportwerkzeugs in einer XML-Textdatei gespeichert. Der zentrale Steuercomputer 4 liest diese Daten ein, erzeugt entsprechende Fahrprofile für die Schrittmotoren 11, um die Sichtkörper 3 auf die entsprechenden Startpositionen zu bringen, und startet dann den gewünschten Bewegungsablauf der Sichtkörper 3.
Der zentrale Steuercomputer 4 dient darüber hinaus zur Verwaltung der Signale, die von einem Seilrisssensor übermittelt werden, wenn ein Seil 2 gerissen ist. Ferner kann der zentrale Steuercomputer 4 dafür eingesetzt werden, als Zähler für die geleistete Seilbewegung zu fungieren.

1: Rahmen
10: Seilzugmodul
11: Schrittmotor
12: Seiltrommel
13: Antriebsvorrichtung
14: Öse
15: Markierungspunkt
2: Seil
3: Sichtkörper
4: zentraler Steuercomputer
5: Datenspeicher
6: CAN-Bus
7: CAN-Gateway
8: Steuermodul

Claims

Vorrichtung zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur, mit einer Vielzahl von Visualisierungskörpern (3), welche jeweils mittels mindestens eines Verbindungselements (2) mit einer Antriebsvorrichtung (13) verbunden sind, wobei eine durch die Antriebsvorrichtung (13) vermittelte Bewegung des jeweils mindestens einen Verbindungselements (2) eine Bewegung des damit verbundenen Visualisierungskörpers (3) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement (2) derart flexibel ausgestaltet ist, dass es auf ein Aufnahmeelement (12) der zugeordneten Antriebsvorrichtung (13) unter Krümmung aufbringbar ist, und dass die Vorrichtung mindestens eine zentrale Steuerungseinheit (4) mit mindestens einem Datenspeicher (5) aufweist, die Steuerbefehle zur Steuerung zumindest eines Teils der Antriebsvorrichtungen (13) gemäß eines Algorithmus berechnet und/oder aus dem Datenspeicher (5) abruft, wobei die zentrale Steuerungseinheit Bahnstützpunkte als Steuerungsbefehle an untergeordnete Steuerungseinheiten übermittelt, die eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen steuern, wozu die untergeordneten Steuerungseinheiten die Bahnstützpunkte in Antriebssteuersignale umsetzen, welche zwischen den Bahnstützpunkten interpolierte Datenwerte darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Visualisierungskörper (3) genau eine individuelle Antriebsvorrichtung (13) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Führungsmittel (14) vorgesehen ist, das die Bewegung der Verbindungselemente (2) außerhalb der Antriebsvorrichtung (13) im Wesentlichen auf eine translatorische Bewegung entlang einer durch die Längserstreckungsrichtung (R) der Verbindungselemente (2) definierten Achse begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (2) Seile sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (2) Edelstahl aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Verbindungselemente (2) mehradrig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern der Verbindungselemente (2) voneinander elektrisch getrennt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Visualisierungskörper (3) untereinander gleichartig sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Visualisierungskörper (3) Kugeln sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Oberflächen zumindest eines Teils der Visualisierungskörper (3) mindestens eine Anzeigevorrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Visualisierungskörper (3) im Ausgangszustand in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasterweite des Rasters kleiner als das Zehnfache, insbesondere kleiner als das Fünffache und ganz besonders kleiner als das Vierfache des Durchmessers eines einzelnen Visualisierungskörpers (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtungen (13) mittels mindestens einer Steuerungseinheit (4, 8) derart ansteuerbar sind, dass sie synchronisierte Bewegungen ausführen können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtungen (13) jeweils mindestens ein Markierungselement (15) aufweisen, mittels dessen der Bewegungsvorgang der Antriebsvorrichtung (13) kontrollierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle des Bewegungsvorgangs der Antriebsvorrichtung (13) ein Sensor vorgesehen ist, der die Lage des Markierungselements (15) optisch und/oder mechanisch erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor, das Markierungselement (15), das Aufnahmeelement (12), die Antriebsvorrichtung (13) und das Führungsmittel (14) in einem Antriebsmodul (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Antriebsmodule (10) rasterförmig in einem Rahmen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung insbesondere softwaretechnisch realisierte Mittel zum Erfassen der geleisteten Bewegung der Verbindungselemente (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der geleisteten Bewegung der Verbindungselemente (2) derart ausgestaltet sind, dass sie jedes Verbindungselement (2) in einzelne Abschnitte aufteilen und die Bewegung der einzelnen Verbindungselementsabschnitte einzeln erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für einen Teil der Visualisierungskörper (3) jeweils mindestens ein Stützelement vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement im Wesentlichen parallel zum Verbindungselement (2) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement baugleich zum Verbindungselement (2) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Darstellung zweier dreidimensionaler Strukturen ein erstes Visualisierungskörper (3) Teil einer ersten dreidimensionalen Struktur ist und die jeweils benachbart zum ersten Visualisierungskörper (3) angeordneten Visualisierungskörper (3) Teil einer zweiten dreidimensionalen Struktur sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Visualisierungskörper (3) zumindest teilweise Beleuchtungsmittel aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsmittel im Innern der Visualisierungskörper (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsmittel auf der Außenseite der Visualisierungskörper (3), insbesondere auf der Oberseite der Visualisierungskörper (3) im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Verbindungselement (2) und dem entsprechenden Visualisierungskörper (3), angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsmittel Leuchtdioden, insbesondere dreifarbige Leuchtdioden, sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Detektionsmittel zur Erfassung der Unversehrtheit der Verbindungselemente (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmittel eine elektrisch leitfähige Hülse, in deren Inneren das Verbindungsmittel (2) angeordnet ist, und einen um die Hülse umlaufendes elektrisch leitfähiges Element aufweist, wobei kein elektrischer Kontakt zwischen der Hülse und dem umlaufenden Element besteht, solange das Verbindungsmittel (2) intakt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Signalisierungsmittel aufweist, das durch einen elektrischen Kontakt zwischen der Hülse und dem umlaufenden Element aktiviert wird.
Verfahren zur Darstellung mindestens einer dynamisch veränderbaren dreidimensionalen Struktur mittels einer Vielzahl von Visualisierungskörpern (3), von denen jeder durch ein Verbindungselement (2) mit einer Antriebsvorrichtung (13) verbunden ist, wobei jedes Verbindungselement (2) derart flexibel ausgestaltet ist, dass es auf ein Aufnahmeelement (12) der zugeordneten Antriebsvorrichtung (13) unter Krümmung aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerungseinheit (4) mit mindestens einem Datenspeicher (5) Steuerbefehle zur Steuerung zumindest eines Teils der Antriebsvorrichtungen (13) gemäß einem Algorithmus berechnet und/oder aus dem Datenspeicher abruft, wobei die zentrale Steuerungseinheit (4) Bahnstützpunkte als Steuerungsbefehle an untergeordnete Steuerungseinheiten (8) übermittelt, welche zwischen den Bahnstützpunkten interpolierte Antriebssteuerungssignale an die Antriebsvorrichtungen (13) übermitteln.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtungen (13) mittels mindestens einer Steuerungseinheit (4, 8) derart angesteuert werden, dass sie synchronisierte Bewegungen ausführen können.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnstützpunkte mittels einer dreidimensionalen Animationssoftware erstellt werden und in den Datenspeicher (5) der zentralen Steuerungseinheit (4) eingelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnstützpunkte eine Zeitauflösung von größer als 50 Hz, insbesondere größer als 10 Hz und ganz besonders größer als 5 Hz aufweisen.