DE102008032231A1

DE102008032231A1 - Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität

Info

Publication number: DE102008032231A1
Application number: DE102008032231A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: DE102008032231B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität mit einer zur Aufnahme einer Person geeigneten außen kugelsegmentförmig ausgebildeten Kapsel (1), die um zwei zueinander vertikale Achsen (2, 3) schwenkbar in einem Gestell (4) gelagert ist, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Antriebe (5, 6) zur Bewegung der Kapsel (1), einen Sitz (24) mit Sitzfläche und Sitzlehne und mindestens einen Bildschirm (16-17) zur Visualisierung der Simulation aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Sitz (24) sich nur teilweise innerhalb der Kapsel (1) befindet, eine zumindest teilweise außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel (1) angeordnete, jedoch fest mit der Kapsel (1) verbindbare, Beinablage (25) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Bildschirm (16-17) ebenfalls außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel (1) und von der im Sitz (24) sitzenden Person einsehbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art dienen dazu, Bewegungen oder Kräfte zu simulieren, um in Verbindung mit einer Computeranimation bei dem Anwender eine realitätsnahe Wahrnehmung der auf ihn beispielsweise in einem Fahrzeug einwirkenden Einflüsse zu erzeugen. Vorrichtungen, wie sie im professionellen Einsatz bereits bekannt und zum Beispiel für die Schulung von Piloten verwendet werden, weisen bis zu sechs Freiheitsgrade auf und ermöglichen Bewegungen um alle drei Raumachsen sowie Verschiebungen entlang dieser Achsen. Ihr Aufbau sowie ihre Steuerung sind jedoch sehr kompliziert. Einfachere Vorrichtungen sind aus dem Bereich der Unterhaltungsindustrie bekannt. Derartige Spielgeräte führen im Allgemeinen einfache Bewegungen mit wenigen Freiheitsgraden aus.
Aus der EP 1 439 512 A1 ist eine Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität mit einer zur Aufnahme mindestens einer Person geeigneten Kapsel bekannt. Die Kapsel ist um zumindest zwei zueinander vertikale Achsen schwenkbar in einem Gestell aufgenommen und weist zwei Antriebe zur Bewegung der Kapsel auf. Die kugelförmige Kapsel nach der EP 1 439 512 A1 wird dabei mittels eines ersten Antriebs um eine erste Raumachse schwenkbar in einer Halterung gelagert. Da dieser erste Antrieb unmittelbar koaxial auf der ersten Raumachse angeordnet ist, wird für die Lagerung der kugelförmigen Kapsel ein Ringelement verwendet, das einen erheblichen Bauraum erfordert, da es die kugelförmige Kapsel bis über die Hälfte ihres Umfanges umschließt. Zur Abdeckung der sich bewegenden Teile ist zudem bei der bekannten Lösung eine aufwändige Verkleidung erforderlich, die ihrerseits einen erheblichen Bauraum erfordert. Insgesamt stellt die Lösung nach der EP 1 439 512 A1 zwar eine Möglichkeit dar, auf einen Körper einwirkende Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität zu simulieren und die kugelförmige Kapsel mit dem Benutzer um wenigstens zwei Achsen schwenkbar zu lagern, aber der zur Ausführung dieser Lösung erforderliche Bauaufwand ist derart erheblich, dass beispielsweise eine Nutzung im privaten Bereich oder in Fahrschulen nicht möglich ist.
Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 37 884 A1 ist ein Simulator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Auch ein solcher dort offenbarter Simulator erfordert großen Bauaufwand und bindet erheblichen Bauraum zur Aufstellung des Simulators.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine in ihrem Aufbau vereinfachte Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass eine Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität mit einer zur Aufnahme einer Person geeigneten außen kugelsegmentförmig ausgebildeten Kapsel, die um zwei zueinander vertikale Achsen schwenkbar in einem Gestell gelagert ist, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Antriebe zur Bewegung der Kapsel, einen Sitz mit Sitzfläche und Sitzlehne und mindestens einen Bildschirm zur Visualisierung der Simulation aufweist, in vorteilhafter Weise dahingehend weitergebildet werden kann, dass der Sitz sich nur teilweise innerhalb der Kapsel befindet, eine zumindest teilweise außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel angeordnete, jedoch fest mit der Kapsel verbindbare, Beinablage vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Bildschirm ebenfalls außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel und von der im Sitz sitzenden Person einsehbar angeordnet ist.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Simulators reduziert sich der bauliche Aufwand drastisch und auch die räumlichen Anforderungen zur Aufstellung eines solchen Simulators liegen nun in einem Bereich, der auch problemlos von Privatpersonen oder kleinen Fahr- oder Flugschulen geleistet werden kann.
Vorteilhaft kann das Gestell zur beweglichen Lagerung der Kapsel Kugeln aufweisen, die mit den kugelförmigen Abschnitten der als Kugelsegment oder Kugelkalotte ausgebildeten Außenoberfläche der Kapsel Kugellager bilden, da hierdurch eine sehr leichtgängige Lagerung erzeugt werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht der Erfinder darin, dass die Kugellager Topfrollenlager sind. Derartige Topfrollenlager sind baulich sehr einfach und damit kostengünstig herstellbar. Sie bestehen zumeist aus einfachen Wälzkörpern, die im vorliegenden Fall Kugeln sind, und im Kontaktbereich zwischen dem Gestell und der Außenoberfläche der Kapsel angeordnet werden, wobei zur Lagerung der Kugeln in den Endabschnitten des Gestells zu den Kugeln korrespondierende Aufnahmen (Kugelkäfige) vorhanden sind. Durch die Kontaktpaarung zwischen Kugeln und Außenoberfläche der Kapsel ist eine sehr reibungsarme und zudem geräuscharme Lagerung der Kapsel möglich, so dass die Simulation einer virtuellen Realität nicht durch Laufgeräusche bei der Bewegung der Kapsel gestört wird.
Die Kugeln der zwischen Gestell und Außenoberfläche der Kapsel gebildeten Kugellager können Stahlkugeln sein. Jedoch sind auch Kugeln aus Materialien einsetzbar, die eine begrenzte Eigenelastizität aufweisen, also beispielsweise Kunststoffkugeln oder Kugeln aus anderen, alternativen Materialien, mit denen sich die entstehenden Geräusche noch weiter senken lassen und die zudem einen verbesserten Komfort der gesamten Laufeigenschaften der Vorrichtung mit sich bringen können.
Obwohl die Ausführung mit Kugellagern wegen der nahezu reibungsfreien Lagerung bevorzugt wird, ist darüber hinaus eine weitere Möglichkeit zur Lösung der Aufgabenstellung darin zu sehen, dass das Gestell zur beweglichen Lagerung der Kapsel Gleitflächen aufweist, die mit den kugelförmigen Abschnitten der als Kugelsegment oder Kugelkalotte ausgebildeten Außenoberfläche der Kapsel Gleitlager bilden. Dabei sollte insbesondere auf reibungsarme Werkstoffpaarungen geachtet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung ist es erstmals gelungen, eine sehr einfache Bauvariante einer Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität bereit zu stellen. Die bisher sehr aufwändigen Gestaltungen, deren Kapsellagerung jeweils nach der Bauart eines Kreuzgelenkes funktioniert, können mit der hier vorgestellten Lösung vermieden werden. Vielmehr bilden das Gestell und die Außenoberfläche der Kapsel Kugellager oder Gleitlager, die eine Bewegung der Kapsel in mehreren Freiheitsgraden gestatten.
Diese Ausführung ist nicht nur baulich einfach, sie ermöglicht zudem eine geräuscharme und sehr reaktionsfreudige Lagerung der Kapsel, was für eine wirklichkeitsgetreue Simulation von Kräften und Bewegungen von entscheidendem Vorteil ist. Insbesondere lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vor richtung auch einander überlagerte, also sehr komplexe Bewegungen ohne Weiteres ausführen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kapsel eine halbe Hohlkugel ist. Eine derartige Gestaltung der Kapsel gestattet es, die kompletten Lasten des Benutzers, der Vorrichtung sowie sämtlicher Aufbauten auf engstem Raum anzuordnen und aufzunehmen. Dadurch kann die gesamte Vorrichtung sehr kompakt ausgeführt werden. Die Außenoberfläche der Kapsel ist insgesamt kugelförmig, so dass das mit dem Gestell gebildete Kugellager beziehungsweise Gleitlager auf der gesamten freien Außenoberfläche der Kapsel besteht.
Zur Erreichung der für den festen Stand erforderlichen Stabilität der gesamten Vorrichtung ist es erforderlich, dass das Gestell mindestens drei Lagerpunkte zur Lagerung der Kapsel aufweist. Die Anordnung dieser drei Lagerpunkte kann beispielsweise auf einen Umfang der Kapsel bezogen um jeweils 120° versetzt zueinander erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Gestell ein Kranzgestell ist. Ein derartiges Kranzgestell lässt sich einfach fertigen und ermöglicht eine optimale Lagerung der darin aufgenommenen Kapsel. Durch seine hohe Stabilität und Standfestigkeit vermeidet ein Kranzgestell das Entstehen von Eigenschwingungen.
Der Erfinder hat jedoch auch erkannt, dass es für die Ausführbarkeit der erfindungsgemäßen Lösung von entscheidendem Vorteil ist, wenn sich der Schwerpunkt der Vorrichtung nahe dem Mittelpunkt der Kapsel befindet. Auch dieses Merkmal ermöglicht eine sehr kompakte Ausführung der gesamten Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte. Gemeint ist hierbei der Schwerpunkt sämtlicher Anbauten an der Vorrichtung sowie des die Vorrichtung nutzenden Benutzers. Das heißt mit anderen Worten, dass der Schwerpunkt der Vorrichtung insgesamt recht tief liegt und damit eine zusätzliche Stabilisierung der Vorrichtung mit sich bringt.
Zur Simulation der am häufigsten auftretenden Kräfte und Bewegungen ist es ausreichend, zwei Antriebe zum Einsatz zu bringen, die bevorzugt um 90° zueinander versetzt an der Kapsel angreifend angeordnet sind. Mittels dieser um 90° zueinander versetzt angeordneten Antriebe können sämtliche Bewegungen um zwei zueinander orthogonal im Raum ausgerichtete Achsen realisiert werden. Ein dritter Antrieb, der beispielsweise für vertikale Bewegungen genutzt werden könnte, ist optional möglich, jedoch bei der hier genannten Weiterbildung der Erfindung im Sinne einer Vereinfachung und Kostenreduzierung bei der Herstellung der Vorrichtung nicht vorgesehen.
Zur Übertragung der Bewegung von den Antrieben sind diese mit je einem Zahnstangenmechanismus gekoppelt. Zwar lassen sich an dieser Stelle auch andere Zug- und Druckbewegungen übertragende Übertragungsmechanismen zum Einsatz bringen, wie beispielsweise Bowdenzüge oder Hebelmechanismen, jedoch hat der Erfinder festgestellt, dass Zahnstangenmechanismen sehr robust und wenig störanfällig und daher für die vorliegende Vorrichtung optimal geeignet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass die Zahnstangenmechanismen entsprechend dem Radius der Kapsel gekrümmt sind. Mit einer derartigen Gestaltung der Zahnstangenmechanismen, die sich der kugelförmigen Außenkontur der Kapsel anpassen, ist ein kompakter Aufbau der Gesamtvorrichtung möglich.
Die Führung der für die Antriebe erforderlichen Zuleitungen ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich einfacher, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsvarianten, weil insbesondere bei der Verwendung von Zahnstangenmechanismen die Antriebe nicht mit der Kapsel mitbewegt werden müssen. Insofern konnten mit dieser Lösung auch entscheidende Nachteile beseitigt werden, die in der hohen Störanfälligkeit bislang bekannter Vorrichtungen zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte auftraten.
Bei der Verwendung einer hohlen Halbkugel als Kapsel ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Kapsel einen Haltering an ihrem größten Durchmesser aufweist. Dieser Haltering verbessert nicht nur die Stabilität der Kapsel, sondern kann auch dazu verwendet werden, für den Betrieb der Vorrichtung erforderliche Anbauten in diesem Bereich der Kapsel anzubringen. So geht ein Lösungsvorschlag dahin, dass die Antriebe über lose Lagerpunkte an dem Haltering befestigt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebe einen festen Lagerpunkt im Zentrum der an den Zahnstangenmechanismen vorhandenen Zahnkränze aufweisen. Dieser feste Lagerpunkt bildet den Kreuzungspunkt der um 90° zueinander versetzt angeordneten Antriebe an der Außenmantelfläche der Kapsel.
Um Schwingungen, die aus den auf die Kapsel einwirkenden Bewegungen resultieren, optimal dämpfen zu können und damit dem Benutzer eine komfortable und anwenderfreundliche Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, wird vorgeschlagen, dass die Antriebe unmittelbar oder mittelbar über Gummi-Metall-Verbundlagerelemente mit der Kapsel verbunden sind. Dabei führen die elastischen Eigenschaften derartiger Gummi-Metall-Verbundlagerelemente zu einer Dämpfung der von den Antrieben herrührenden Schwingungen. Diese Schwingungen werden demzufolge nicht an den Innenraum der Kapsel und damit den Benutzer der Vorrichtung weitergegeben. Zudem ermöglichen die Gummi-Metall-Verbundlagerelemente den Ausgleich von Relativbewegungen, wie sie in begrenztem Umfang während der Bewegung der Kapsel zwischen den Bauelementen entstehen können.
Ein voneinander unabhängiger Betrieb der Antriebe ist für den reibungslosen Funktionsablauf der erfindungsgemäßen Vorrich tung von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grunde schlagen die Erfinder vor, dass die Vorrichtung zumindest eine Steuerung für die Antriebe aufweist. Mittels einer derartigen Steuerung können die Antriebe sowohl gemeinsam, als auch unabhängig voneinander betrieben werden. Die Steuerung kann dabei ihre Eingangsgröße unmittelbar vom Computer der Einrichtung erhalten. Von der Qualität dieser Steuerung ist in erheblichem Maße auch die Qualität der Simulation der virtuellen Realität abhängig.
Für die meisten denkbaren Einsatzfälle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ausreichend, dass die Kapsel um ± 20° aus ihrer Neutrallage heraus verschwenkbar ausgeführt ist. Demgemäß ist es von Vorteil, wenn eine Ausführungsvariante der Erfindung diesen Schwenkbereich aufweist. Selbstverständlich sind auch größere Schwenkbereiche mit der erfindungsgemäßen Lösung realisierbar, jedoch erhöht sich dabei der konstruktive Aufwand.
Die Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte kann mit unterschiedlichen Antriebsarten betrieben werden. Neben den bekannten Hydraulik- oder Pneumatikantrieben sind bevorzugt elektrische Antriebe einsetzbar. Elektrische Antriebe weisen den Vorzug auf, dass hier beispielsweise Servomotoren als Antriebe verwendet werden können. Diese gestatten den Betrieb der Vorrichtung und insbesondere der Antriebe mit einer Spannung im Bereich von 210 Volt bis 240 Volt. Damit kann die Vorrichtung in gängigen Stromnetzen, wie sie auch bei Privatanwendern zur Verfügung stehen, zum Einsatz kommen. Die erwähnten Servomotoren als Antriebe reagieren sehr flexibel und mit kurzer Ansprechzeit, so dass sie für den hier gegebenen Einsatzzweck prädestiniert sind. Zudem erbringen Servomotoren einen optimalen Leistungsbereich.
Zur Visualisierung der von der Vorrichtung erzeugten Simulation wird von dem Erfinder vorgeschlagen, dass die Vorrich tung mindestens einen Bildschirm aufweist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden vorzugsweise mehrere Bildschirme in einer räumlichen Anordnung zur wirklichkeitsnahen Visualisierung einer mehrdimensionalen Simulation verwendet. Die Zahl der Bildschirme richtet sich nach dem Anspruch des Anwenders und stellt letztlich einen Kostenfaktor dar.
Um der eingangs genannten Aufgabenstellung gerecht zu werden, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn jeder Bildschirm ein Flachbildschirm ist. Diese sind Gewicht sparend und qualitativ hochwertig.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner darin, dass die Vorrichtung drei Flachbildschirme aufweist, wobei jeweils ein seitlich eines mittleren Bildschirmes angeordneter Bildschirm eine winklige Einstellung von 15° bis 20° zum Betrachter aufweist, so dass die drei Bildschirme insgesamt eine annähernd konkave Gesamtbildfläche darstellen. Der Benutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält mit einer derartigen Anordnung ein räumliches Sehgefühl. Mit dieser Anordnung der Flachbildschirme kann der Sichtbereich des menschlichen Auges nahezu vollständig abgedeckt werden, so dass auch seitlich auf den Benutzer der Vorrichtung einwirkende optische Reize erzeugt und dargestellt werden können.
Zur Untermauerung der akustischen Situation innerhalb der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens einen Lautsprecher zur Simulation der akustischen Eindrücke aufweist. Bevorzugt wird jedoch eine Vorrichtung verwendet, die eine Surround-Beschallung zur wirklichkeitsnahen Simulation der akustischen Eindrücke ermöglicht. Somit kann mittels der drei, das Sichtfeld des menschlichen Auges ausfüllenden Flachbildschirme ein optischer Raumeindruck geschaffen und darüber hinaus auch eine akustische Raumwirkung mittels der Surround-Beschallung erreicht werden, so dass insgesamt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine nahezu optimale virtuelle Realität erzeugbar ist. Durch die Möglichkeit, die Kapsel um zwei orthogonal zueinander im Raum verlaufende Achsen zu verschwenken, können zudem die auf den Benutzer einwirkenden Kräfte und Bewegungen im Zusammenhang mit den optischen und akustischen Eindrücken erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt für Schulungszwecke oder im Privatbereich einsetzbar, insbesondere kann der Simulator in Verbindung mit einem, vorzugsweise PC-gesteuerten, Fahrsimulator, einem Flugsimulator oder einem Schiffsimulator eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind.
Es zeigen im Einzelnen:
1: eine perspektivische Ansicht eines speziellen Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Neutralposition;
2: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ausgelenkten Position;
3: die Ansicht gemäß Pfeil III aus 2 auf die erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung und
4: einen Teilzusammenbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
In der 1 ist beispielhaft eine mögliche Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität dargestellt. Wesentliches Element der Vorrichtung ist eine Kapsel 1, die die Form einer hohlen Halbkugel aufweist. Die Kapsel 1 ist um zwei senkrecht zueinander im Raum angeordnete Achsen, die in der 2 als X-Achse 2 sowie als Y-Achse 3 gezeigt sind, schwenkbar in einem Gestell 4 aufgenommen und verfügt an ihrer Außenmantelfläche über eine kugelförmige Kontur. Wie aus der 1 anschaulich erkennbar wird, ist die Kapsel 1 als halbe Hohlkugel ausgeführt. Im Kontaktbereich zu dem Gestell 4 sind Topfrollenlager mit Kugeln vorhanden, so dass das Gestell 4 und die Außenmantelfläche der Kapsel 1 gemeinsam Kugellager 7 bilden. Durch diese Kugellager 7 ist die Kapsel 1 extrem reibungsarm und damit leicht beweglich in dem Gestell 4 aufgenommen. Es wird damit ferner eine geräuscharme Bewegung der Kapsel 1 innerhalb des Gestells 4 erreicht, sodass keine Störgeräusche auftreten. An ihrem Öffnungsrand verfügt die Kapsel 1 über einen Haltering 10, an dem zwei Zahnstangenmechanismen 8, 9 befestigt sind. Die Zahnstangenmechanismen 8, 9 werden durch die Antriebe 5 und 6 bewegt. Die Verbindung zwischen den Zahnstangenmechanismen 8, 9 und der Kapsel 1 erfolgt im Bereich des Halteringes 10, so dass die Antriebe 5, 6 mittelbar über die Zahnstangenmechanismen 8, 9 an der Kapsel 1, genauer gesagt am Haltering 10 der Kapsel 1 angreifen. Die Zahnstangenmechanismen 8, 9 weisen ferner eine zu der als hohle Halbkugel ausgeführten Kapsel 1 angepasste, also bogenförmige Geometrie auf. Damit kann die Vorrichtung insgesamt sehr kompakt ausgeführt werden. Die dem Haltering 10 gegenüberliegende Seite der Zahnstangenmechanismen 8 und 9 bildet ein gemeinsames Zentrum 11 der Zahnstangenmechanismen 8, 9. In dem Zentrum 11 wird ein fester Lagerpunkt für die an den Zahnstangenmechanismen 8, 9 vorhandenen Zahnkränze 12 und 13 gebildet. Die Befestigung der Zahnstangenmechanismen 8 und 9 am Haltering 10 der Kapsel 1 erfolgt hingegen über eine lose Lagerung. Hierzu kommen Gummi-Metall-Verbundlagerelemente 14, 15 zum Einsatz. Durch die Verwendung von Gummi-Metall-Verbundlagerelementen 14, 15 ist es möglich, eventuell an den Antrieben oder während der Bewegung der Kapsel 1 entstehende Schwingungen zu dämpfen, so dass damit insgesamt eine Komfortverbesserung für die Vorrichtung erreicht werden kann. Der Übergangsbereich zwischen den Zahnkränzen 12, 13 der Zahnstangenmechanismen 8, 9 und dem jeweiligen Be festigungspunkt des Gummi-Metall-Verbundlagerelementes 14, 15 ist als Bogen 26 beziehungsweise 27 gestaltet.
Bei den Antrieben 5 und 6 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um Servomotoren, die mit einer Betriebsspannung von circa 220 Volt betrieben werden können. Dabei greift jeweils ein geeignetes Ritzel auf der Welle der Antriebe 5, 6 in einen der korrespondierenden Zahnkränze 12 beziehungsweise 13 der Zahnstangenmechanismen 8, 9 ein, so dass eine Bewegungsübertragung von dem Antrieb 5 beziehungsweise 6 auf die Zahnstangenmechanismen 8 beziehungsweise 9 erfolgen kann.
Innerhalb der als hohle Halbkugel ausgebildeten Kapsel 1 ist ein Sitz 24 angeordnet. Dieser Sitz 24 dient in an sich bekannter Weise dazu, einen Benutzer aufzunehmen. Um eine bequeme Sitzhaltung zu ermöglichen, wird der Sitz 24 durch eine Beinablage 25 komplettiert. Die Beinablage 25 ist im vorliegenden Beispiel als ein Rahmengestell ausgeführt. Hierzu werden bevorzugt leichtmetallische Werkstoffe oder Kunststoffe, wie Teflon, eingesetzt, um Gewicht zu sparen. An dem Rahmengestell der Beinablage 25 sind ferner zwei nicht näher bezeichnete Halterungen vorgesehen, die zur Aufnahme von drei Flachbildschirmen 16, 17 und 18 dienen. Die Flachbildschirme sind in einer räumlichen Anordnung an dem Rahmengestell angebracht. Dabei ist der mittlere Flachbildschirm 17 gegenüberliegend der Lehne des Sitzes 24 angeordnet. Die beiden seitlich des mittleren Bildschirmes 17 vorhandenen Flachbildschirme 16 und 18 weisen im Vergleich zu dem mittleren Bildschirm 17 eine Winkelstellung von 15° bis 20° zum Betrachter auf. Damit kann eine räumliche Sichtfläche geschaffen werden.
Während die Darstellung in der 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Neutralposition zeigt, ist in der 2 eine aus der Neutrallage ausgelenkte Vorrichtung dargestellt. Die Kapsel 1 wurde hierbei um die Y-Achse 3 verschwenkt, so dass die Lehne des Sitzes 24 in einer nahezu aufrechten Stellung steht. Hierzu wurde der Antrieb 5 akti viert, der über sein Ritzel in den Zahnkranz 12 des Zahnstangenmechanismus 8 eingegriffen hat. Der Zahnstangenmechanismus 8 wurde daraufhin in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, so dass die beschriebene Bewegung der Kapsel 1 um die Y-Achse 3 ermöglicht wurde. Durch die extrem reibungsarme Lagerung der Kapsel 1 in dem Gestell 4 über die Kugellager 7 ist es möglich, Servomotoren geringer Leistung zum Einsatz zu bringen.
Aus der Darstellung in 3 sind weitere Merkmale erkennbar, die in den 1 und 2 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind. Die Perspektive in 3 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Sicht in Richtung des Pfeils III aus 2. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Darstellungen im Zusammenhang mit den 1 und 2 sind hier am Sitz 24 seitlich zwei Lautsprecher 22 und 23 angebracht, mit denen weitere Lautsprecher 19, 20 und 21 im Bereich der Bildschirme 16, 17 und 18 korrespondieren. Die Lautsprecher 19 bis 23 bilden dabei insgesamt ein Surround-System, so dass ein räumlich-akustisches Hörerlebnis erzeugt werden kann. Aus der Darstellung in 3 ist auch noch einmal in anschaulicher Weise die Anordnung der Bildschirme in Relation zueinander und zum Betrachter erkennbar. So sind die seitlichen Bildschirme 18 und 16 im Vergleich zum mittleren Bildschirm 17 mit einem eingeschlossenen Winkel von 165° angeordnet. Anzumerken ist ferner, dass die X-Achse 2 durch das Gummi-Metall-Verbundlagerelement 14 und die Y-Achse 3 durch das Gummi-Metall-Verbundlagerelement 15 der jeweiligen Antriebsbefestigung an der Kapsel 1 verläuft.
Die 4 zeigt einen Teilzusammenbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung. Der Antrieb 5 wurde dabei derart betätigt, dass der Zahnstangenmechanismus 8 sich in einem ausgefahrenen Zustand befindet. Deutlich erkennbar ist hierbei der am Zahnstangenmechanismus 8 vorhandene Zahnkranz 12. Die Position der Kapsel 1 entspricht weitgehend der Position in 1, also einer Neut ralposition, allerdings wurde im gezeigten Beispiel in 4 der Sitz 24 nicht mit eingezeichnet. Die X-Achse 2 verläuft durch das am Haltering 10 angebracht Gummi-Metall-Verbundlagerelement 14. Um dieses Gummi-Metall-Verbundlagerelement 14 kann die Kapsel 1 verschwenkt werden. Der Antrieb 5 dient allerdings der Verschwenkung der Kapsel 1 um die hier nicht dargestellte Y-Achse 3. Am Ende des Zahnstangenmechanismus 8 ist ein Kreuzungspunkt 11 als Festlager der beiden in einem Winkel von 90° zueinander an der Kapsel 1 angebrachten Zahnstangenmechanismen 8 und 9 vorhanden. Zwischen dem Gestell 4 und der kugelförmigen Außenoberfläche der Kapsel 1 werden mittels der in dem Gestell 4 vorhandenen Topfrollenlager Kugellager 7 gebildet. Eine Besonderheit der Befestigung des Zahnstangenmechanismus 8 besteht darin, dass dieser ausgehend von dem Zahnkranz 12 in einen Bogen 26 übergeht, an dessen Ende das Gummi-Metall-Verbundlagerelement 14 montiert ist, welches seinerseits unmittelbar am Haltering 10 der Kapsel 1 befestigt wird. Einen analogen Aufbau weist auch der zweite, in der 4 nicht dargestellte Zahnstangenmechanismus 9 auf.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente zu bewirken.

1: Kapsel
2: X-Achse
3: Y-Achse
4: Gestell
5: Antrieb
6: Antrieb
7: Kugellager
8: Zahnstangenmechanismus
9: Zahnstangenmechanismus
10: Haltering
11: Zentrum
12: Zahnkranz
13: Zahnkranz
14: Verbundlagerelement
15: Verbundlagerelement
16: Bildschirm
17: Bildschirm
18: Bildschirm
19: Lautsprecher
20: Lautsprecher
21: Lautsprecher
22: Lautsprecher
23: Lautsprecher
24: Sitz
25: Beinablage
26: Bogen
27: Bogen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1439512 A1 [0003, 0003, 0003]
- DE 19637884 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Simulation der auf einen Körper einwirkenden Kräfte in Korrelation zu einer mittels eines Computers erzeugten virtuellen Realität mit einer zur Aufnahme einer Person geeigneten außen kugelsegmentförmig ausgebildeten Kapsel (1), die um zwei zueinander vertikale Achsen (2, 3) schwenkbar in einem Gestell (4) gelagert ist, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Antriebe (5, 6) zur Bewegung der Kapsel (1), einen Sitz (24) mit Sitzfläche und Sitzlehne und mindestens einen Bildschirm (16–17) zur Visualisierung der Simulation aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (24) sich nur teilweise innerhalb der Kapsel (1) befindet, eine zumindest teilweise außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel (1) angeordnete, jedoch fest mit der Kapsel (1) verbindbare, Beinablage (25) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Bildschirm (16–17) ebenfalls außerhalb des Kugelsegmentes der Kapsel (1) und von der im Sitz (24) sitzenden Person einsehbar angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) zur beweglichen Lagerung der Kapsel (1) Gleitflächen aufweist, die mit den kugelförmigen Abschnitten der als Kugelsegment oder Kugelkalotte ausgebildeten Außenoberfläche der Kapsel (1) Gleitlager bilden.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) zur beweglichen Lagerung der Kapsel (1) Kugeln aufweist, die mit den kugelförmigen Abschnitten der als Kugelsegment oder Kugelkalotte ausgebildeten Außenoberfläche der Kapsel (1) Kugellager (7) bilden.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellager (7) Topfrollenlager sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (1) eine halbe Hohlkugel ist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) mindestens drei Lagerpunkte zur Lagerung der Kapsel (1) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) ein Kranzgestell ist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schwerpunkt der Vorrichtung nahe dem Mittelpunkt der Kapsel (1) befindet.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) um 90° versetzt zueinander an der Kapsel (1) angreifend angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) mit je einem Zahnstangenmechanismus (8, 9) gekoppelt sind.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenmechanismen (8, 9) entsprechend dem Radius der Kapsel (1) gekrümmt sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (1) einen Haltering (10) am größten Durchmesser der hohlen Halbkugel aufweist.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) über lose Lagerpunkte an dem Haltering (10) befestigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) einen festen Lagerpunkt im Zentrum (11) der an den Zahnstangenmechanismen (8, 9) vorhandenen Zahnkränze (12, 13) aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) unmittelbar oder mittelbar über Gummi-Metall-Verbundlagerelemente (14, 15) mit der Kapsel (1) verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerung für die Antriebe (5, 6) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (1) um ± 20° aus ihrer Neutrallage heraus verschwenkbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) Servomotoren sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (5, 6) mit einer Spannung von 210 V bis 240 V betreibbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Bildschirme (16, 17, 18) in räumlicher Anordnung zur wirklichkeitsnahen Visualisierung einer mehrdimensionalen Simulation aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bildschirm (16, 17, 18) ein Flachbildschirm ist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drei Flachbildschirme (16, 17, 18) aufweist, wobei jeweils ein seitlich eines mittleren Bildschirmes (17) angeordneter Bildschirm (16, 18) eine winklige Anstellung von 15° bis 20° zum Betrachter aufweist, sodass die drei Bildschirme (16, 17, 18) insgesamt eine annähernd konkave Gesamtbildfläche bilden.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Lautsprecher (19, 20, 21, 22, 23) zur Simulation akustischer Eindrücke aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Surround-Beschallung zur wirklichkeitsnahen Simulation akustischer Eindrücke aufweist.