DE102010046511A1

DE102010046511A1 - Vehikel, insbesondere Spielzeug-Roboter mit Vibrationsantrieb

Info

Publication number: DE102010046511A1
Application number: DE102010046511A
Authority: DE
Inventors: David Anthony Greenville Norman; Robert H. Rowlett III Mimlitch; Douglas Michael Allen Galletti; Joel Reagan Argyle Carter
Original assignee: Innovation First Inc
Current assignee: Innovation First Inc
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2011-03-31
Also published as: US10688403B2; RU2012111347A; DE102010046509A1; DK2480301T3; CN102316948B; JP2013505787A; TW201116326A; PL2301638T3; US9017136B2; WO2011038274A1; US20110076914A1; DE102010046441A1; WO2011038266A1; RU2503479C1; DE202010013578U1; DK2301643T3; PT2484418E; HK1163002A1; DE202010013574U1; PT2480300E

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vehikel, insbesondere ein Spielzeugroboter mit mehreren Beinen und einen Vibrationsantrieb. Nach einem Aspekt der Erfindung kann das Vehikel eine federnde Nase bzw. ein federndes Vorderteil haben, so dass das Vehikel bei Auftreffen auf ein Hindernis zurückprallt. Die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil ist vorzugsweise aus Gummi ausgebildet. Außerdem ist die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil vorzugsweise spitz zulaufend ausgebildet. Auf diese Weise kann das Vehikel leichter einem Hindernis ausweichen, ohne Verwendung eines Sensors oder einer sonstigen Steuerung einer Lenkbewegung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Vehikel mit Vibrationsantrieb, insbesondere Spielzeug-Roboter mit Vibrationsantrieb und mehreren Beinen, wobei die Spielzeug-Roboter lebendigen krabbelnden Tierchen bzw. Käferchen gleichen.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind Vehikel mit Vibrationsantrieb bekannt, die vom Fachmann allgemein als „Vibrobots” bezeichnet werden.
Eine besondere Form von „Vibrobot” ist der sogenannte „Bristlebot”, der aus einem abgeschnittenen Zahnbürstenkopf, einer Batterie und einem Vibrationsantrieb besteht. Der „Bristlebot” stützt sich gegenüber dem Untergrund mit den Bürsten des Zahnbürstenkopfes ab; die Bürsten entsprechen also gewissermaßen den Beinchen eines „Bristlebots”. Sowohl die Batterie als auch der Vibrationsantrieb sind oberhalb des Zahnbürstenkopfes angeordnet. Durch die Vibration wird der gesamte Zahnbürstenkopf in Schwingung versetzt, so dass sich der „Bristlebot” fortbewegen kann.
Die Art der Fortbewegung und die mechanischen Eigenschaften des „Bristlebots” sind jedoch in vielfacher Hinsicht recht unbefriedigend. Dies führt dazu, dass ein „Bristlebot” aus der Sicht eines Benutzers oder einer anderen Person nicht gerade wie ein lebendiges Käferchen wirkt, sondern eben nur wie ein vibrierender Zahnbürstenkopf.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vehikel gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Das Vehikel der vorliegenden Erfindung hat mehrere Beine und einen Vibrationsantrieb. Mit „Vehikel” ist in der vorliegenden Erfindung jeglicher beweglicher Roboter gemeint, insbesondere Spielzeug-Roboter im allgemeinen und Spielzeugroboter, welche die Form eines Käfers oder eines sonstigen Tieres, eines Insektes oder eines Reptils aufweisen.
Nach einem Aspekt der Erfindung können die Beine des Vehikels gebogen und flexibel sein. Der Vibrationsantrieb kann eine nach unten gerichtete Kraft (Fv) erzeugen, die geeignet ist, wenigstens die vorderen Beine auszulenken, so dass sich das Vehikel nach vorne bewegt. Die Beine des Vehikels sind vorzugsweise in eine Richtung geneigt, die von der Vertikalen versetzt ist. Die Basis der Beine sind also am Vehikel gegenüber der Spitze der Beine weiter vorne angeordnet. Insbesondere die vorderen Beine sind angepasst, sich zu biegen, wenn das Vehikel aufgrund des Vibrationsantriebes vibriert. Umgekehrt kann der Vibrationsantrieb auch eine nach oben gerichtete Kraft (Fv) erzeugen, die geeignet ist, dass das Vehikel zum Hüpfen gebracht wird, oder dass die vorderen Beine sich von der Grundfläche abheben.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Geometrie der hinteren Beine derart ausgestaltet sein, dass eine unterschiedliche Brems- bzw. Schleppwirkung erzielt wird. Anders ausgedrückt kann die Geometrie der nachlaufenden Beine derart ausgestaltet sein, dass Tendenzen einer Drehung aufgrund der Vibration des Vibrationsantriebes entgegengewirkt wird. Das rotierende exzentrische Gewicht bewegt sich – in Bezug auf die Längsachse des Vehikels – während des Hüpfens der Vorderbeine in seitlicher Richtung, so dass sich das Vehikel ohne Gegenmaßnahmen entlang einer Kurve bewegen würde. Gegenmaßnahmen können auf verschiedene Weisen erreicht werden: Es kann mehr Gewicht auf ein Vorderbein im Vergleich zu dem anderen Vorderbein verlagert werden. Die Länge eines Hinterbeines kann im Vergleich zu dem anderen Hinterbein erhöht sein. Die Steifigkeit der Beine kann auf einer Seite im Vergleich zu den Beinen auf der anderen Seite erhöht sein. Ein Hinterbein kann im Vergleich zu den anderen Hinterbeinen auf der anderen Seite dicker ausgebildet sein. Eines der Hinterbeine kann weiter vorne angeordnet sein als das andere Hinterbein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Vehikel konstruiert sein, um durch die Wirkung des Rotationsdrehmoments des Vibrationsantriebes sich zu drehen und sich selbst aufzurichten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem der Körperschwerpunkt bzw. das Schwerkraftzentrum des Vehikels nahe oder auf der Rotationsachse des Vibrationsantriebes positioniert ist. Zusätzlich können die Seiten und die Oberseite des Vehikels konstruiert sein, um die Selbstaufrichtung des Vehikels während des Vibrierens zu erleichtern. So kann auf der Oberseite des Vehikels ein hoher Punkt vorgesehen sein, so dass das Vehikel nicht vollständig umgedreht auf dem Rücken liegen kann. Es können aber auch Finnen, Lamellen oder Flossen an den Seiten und/oder auf dem Rücken des Vehikels angeordnet sein, deren äußeren Punkte vorzugsweise nahe oder auf einem virtuellen Zylinder liegen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Beine in zwei Beinreihen angeordnet sein, wobei zwischen dem Körper des Vehikels und den Beinen des Vehikels ein Raum, insbesondere eine V-förmige Aussparung vorgesehen ist, damit sich die Beine während einer Aufrichtdrehung nach innen hin verbiegen können. Auf diese Weise wird die Aufrichtbewegung des Vehikels erleichtert, falls es einmal Umfallen sollte. Vorzugsweise sind die Beine in zwei Beinreihen sowie seitlich und oberhalb von der Rotationsachse des Vibrationsantriebes angeordnet.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Vehikel eine federnde Nase bzw. ein federndes Vorderteil haben, so dass das Vehikel bei Auftreffen auf ein Hindernis zurückprallt. Die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil ist vorzugsweise aus Gummi ausgebildet. Außerdem ist die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil vorzugsweise spitz zulaufend ausgebildet. Auf diese Weise kann das Vehikel leichter einem Hindernis ausweichen, ohne Verwendung eines Sensors oder einer sonstigen Steuerung einer Lenkbewegung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Vibrationsantrieb einen Motor und ein exzentrisches Gewicht aufweisen, wobei das exzentrische Gewicht vor den Vorderbeinen angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine verstärkte Hüpfbewegung der Vorderbeine erreicht, wobei die Hinterbeine möglichst am Boden verbleiben (jedoch auch leicht hüpfen dürfen). Insbesondere ist das exzentrische Gewicht vor dem Motor angeordnet. Außerdem ist eine Batterie vorzugsweise am Hinterteil des Vehikels angeordnet, um das Gewicht auf den Hinterbeinen zu erhöhen. Sowohl die Batterie als auch der Motor sind vorzugsweise zwischen den Beinen angeordnet. Die Rotationsachse des Motors kann entlang der Längsachse des Vehikels verlaufen.
Nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann das Vehikel also mit Vibrationsantrieb ausgestaltet sein, und eine organische Lebensform, insbesondere ein lebendiges Käferchen oder sonstiges Tierchen, in Bezug auf Fortbewegungsgeschwindigkeit, Stabilität der Vorwärtsbewegung, eine Tendenz zum Umherstreifen, Fähigkeit, sich wieder aufzurichten, und/oder Individualität nachzuahmen.
Die vorliegende Erfindung kann eine Vorrichtung, insbesondere ein Vehikel oder ein Spielzeugroboter mit Vibrationsantrieb sein, welche eine oder mehrere der folgenden Ziele verfolgt:

1. Vehikel mit Vibrationsantrieb mit flexiblen Beinen in variierter Konfiguration;
2. Maximierung der Vehikelgeschwindigkeit;
3. Veränderung der vorwiegenden Bewegungsrichtung des Vehikels;
4. Verhinderung des Umkippens des Vehikels;
5. Erzeugen von Vehikeln, die sich selbst aufrichten können;
6. Generieren einer Bewegung, die lebendigen Tieren, insbesondere Käfern, Insekten, Reptilien oder sonstigen Tierchen gleicht;
7. Generieren vielfacher Bewegungsmodi, so dass die Vehikel sich sichtbar in ihrer Bewegung unterscheiden, um vielfache verschiedene Vehikeltypen bereitzustellen;
8. Generieren einer scheinbaren Intelligenz, wenn Hindernisse angetroffen werden.

Diese Aspekte, und wie sie erreicht werden, werden in der folgenden detailierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren im Einzelnen erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a und 1b zeigen ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a bis 2f zeigen allgemeine Kräfte, die im Allgemeinen auf ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einwirken können (2c zeigt die Ansicht von vorne);
3a bis 3c zeigen Vehikel bzw. Spielzeugroboter gemäß verschiedenen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Konstruktion der Beine abgeändert wurde;
4a und 4b zeigen ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Hinterbeine verstellbar sind;
5 zeigt ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer flexiblen Nase;
6a und 6b zeigen das Vehikel bzw. den Spielzeugroboter der ersten Ausführungsform;
7 zeigt ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzliche Finnen, Lamellen bzw. Flossen angeordnet sind.
Detailierte Beschreibung der Erfindung
1a und 1b zeigen ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein Vibrations-angetriebenes Vehikel 100, wie z. B. ein Miniatur-Spielzeugroboter, kann einen Körper mit zwei oder mehr Beinen 104 aufweisen, die angepasst sind, sich zu biegen, wenn das Vehikel auf eine Weise vibriert, die in einer Tendenz resultiert, dass sich das Vehikel in eine bestimmte Richtung bewegt. Zum Beispiel können sich die Beine biegen oder in eine Richtung neigen, die etwas von der Vertikalen versetzt ist, und kann aus einem biegbaren bzw. ablenkbaren Material gefertigt sein. Der Körper des Vehikels kann einen Motor beinhalten, um Vibrationen zu erzeugen, und kann einen relativ niedrigen Schwerpunkt haben. Die Form der Oberseite des Körpers kann hervorstehen, um so die Selbstaufrichtung des Vehikels während des Vibrierens zu erleichtern. Die Geometrie der nachlaufenden (d. h. hinteren) Beine kann derart ausgestaltet sein (z. B. in Bezug auf Länge oder Dicke der Beine), dass eine unterschiedliche Brems- bzw. Schleppwirkung erzielt wird, um Tendenzen einer Drehung aufgrund der Vibration des Motors entgegenzuwirken, oder um eine Tendenz einer Drehung in eine bestimmte Richtung zu verursachen. Wenn vielfache Beine verwendet werden, können einige Beine (z. B. diejenigen, die zwischen den vorderen „Antriebs”-Beinen und den hinteren „Schlepp”-Beinen angeordnet sind) etwas kürzer ausgebildet sein, um eine weitere Brems- bzw. Schleppwirkung zu vermeiden.
2a bis 2f zeigen allgemeine Kräfte, die im Allgemeinen auf ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einwirken können (2c zeigt die Ansicht von vorne).
Der Motor rotiert ein exzentrisches Gewicht, das ein Drehmoment und Kraftvektoren erzeugt, wie in den 2a bis 2d dargestellt ist. Wenn die vertikale Kraft Fv negativ (d. h. nach unten gerichtet) ist, verursacht dies, dass die Beine, die gebogen sein können, ausgelenkt werden, und dass sich der Körper des Vehikels bis auf den Beinabschnitt, der die Oberfläche berührt, nach vorne bewegt. Wenn die vertikale Kraft Fv positiv (d. h. nach oben gerichtet) ist, verursacht dies, dass das Vehikel zum Hüpfen gebracht wird, so dass die Vorderbeine sich von der Grundfläche abheben, und es den Beinen erlauben, zu ihrer normalen geometrischen Gestalt (d. h. ohne weitere Verbiegung durch äußere Krafteinwirkung) zurückzukehren. Während dieser Bewegung werden einige Beine, insbesondere die beiden Hinterbeine, nur hinterher geschliffen, und werden dabei nicht hüpfen. Das oszillierende exzentrische Gewicht kann sich mehrere hundert Mal pro Sekunde drehen, so dass das Vehikel vibriert und sich in einer im Allgemeinen vorwärts gerichteten Richtung bewegt.
Die Rotation des Motors verursacht außerdem eine seitwärts gerichtete, vertikale Kraft Fh (siehe 2b und 2c), die in eine Richtung gerichtet ist (entweder nach rechts oder nach links), wenn die Nase des Vehikels abgehoben ist, und in die andere Richtung gerichtet ist, wenn die Nase des Vehikels nach unten gedrückt wird. Die Kraft Fh verursacht bzw. hat die Tendenz, dass sich das Vehikel weiter dreht, wenn die Nase des Vehikels abgehoben ist. Dieses Phänomen kann eine Drehbewegung verursachen; außerdem können verschiedene Bewegungscharakteristika manipuliert werden, insbesondere die Geschwindigkeit, die vorwiegende Bewegungsrichtung, ein Neigen und ein Selbstaufrichten.
Ein wichtiges Merkmal der Beingeometrie ist die relative Position der „Basis” eines Beines (d. h. dem Teil des Beines, der am Körper befestigt ist, also gewissermaßen das „Hüftgelenk”) gegenüber der Beinspitze (d. h. das undere Ende des Beines, das die Oberfläche des Bodens berührt). Durch Variation der Konstruktion der flexiblen Beine kann das Bewegungsverhalten des Vehikels verändert werden.
Das Vehikel bewegt sich in eine Richtung entsprechend der Position der Beinbasis, die vor der Position der Beinspitze angeordnet ist. Wenn die vertikale Kraft Fv negativ ist, wird der Körper des Vehikels nach unten gedrückt. Daher wird der Körper sich neigen, so dass sich die Beinbasis um die Beinspitze und hin zur Oberfläche dreht, so dass sich der Körper wiederum von der Beinspitze hin zur Beinbasis bewegt. Wenn dagegen die Beinbasis vertikal über der Beinspitzeangeordnet ist, dann wird das Vehikel lediglich hüpfen, und sich nicht in eine allgemeine (vertikale) Richtung bewegen.
Eine gebogene Ausgestaltung des Beines betont die Vorwärtsbewegung durch Erhöhung der Verbiegung des Beines im Vergleich zu einem geraden Bein.
Die Vehikelgeschwindigkeit kann auf verschiedene Weisen maximiert werden. Die Erhöhung der Vehikelgeschwindigkeit ist maßgeblich dafür, dass die visuelle Wahrnehmung des Produktes, das insbesondere einen Käfer, ein Insekt oder ein Reptil darstellen soll, derart verbessert ist, dass es tatsächlich wie ein Lebewesen wirkt. Faktoren, welche die Geschwindigkeit beeinflussen, sind die Vibrationsfrequenz und -amplitude, das Beinmaterial (z. B. bewirkt eine niedrigere Reibung der Hinterbeine eine höhere Geschwindigkeit), die Beinlänge, die Beinverbiegungseigenschaften, die Geometrie eines Beines gegenüber eines anderen Beines, und die Anzahl der Beine.
Die Vibrationfrequenz (d. h. die Rotationsgeschwindigkeit des Motors) und die Vehikelgeschwindigkeit sind direkt proportional. Das heißt, wenn die Oszillationsfrequenz des Motors erhöht wird und dabei alle anderen Faktoren konstant bleiben, wird sich das Vehikel schneller bewegen.
Das Material der Beine weist mehrere Eigenschaften auf, die zur Geschwindigkeit beitragen. Die Reibungseigenschaften der Beine bestimmen den Betrag der Brems- bzw. Schleppkraft, die auf das Vehikel wirkt. Da das Material der Beine den Reibungskoeffizienten gegenüber einer Oberfläche erhöhen kann, wird in diesem Fall auch die Brems- bzw. Schleppkraft des Vehikels erhöht, so dass das Vehikel langsamer wird. Daher ist es wichtig, ein Material mit geringem Reibungskoeffizienten für die Beine, insbesondere für die Hinterbeine auszuwählen. Beispielsweise ist Polystyren-Butadien-Styrol mit einem Durometer-Wert von etwa 65 geeignet. Die Eigenschaften des Materials für die Beine trägt außerdem – abhängig von der Beindicke und Beinlänge – zur Steifigkeit bei, was letztlich bestimmt, wie viel Hüpfwirkung ein Vehikel entfalten wird. Wenn die gesamte Steifigkeit der Beine ansteigt, wird auch die Geschwindigkeit des Vehikels höher sein. Längere und dünnere Beine reduzieren dagegen die Steifigkeit der Beine, so dass die Geschwindigkeit des Vehikels geringer sein wird.
Wenn man nun die Brems- bzw. Schleppkraft (bzw. den Brems-/Schleppkoeffizienten) der Hinterbeine – entsprechend den oben genannten Maßnahmen – insbesondere im Vergleich zu den Vorder- bzw. Antriebsbeinen reduziert, so wird die Geschwindigkeit erheblich ansteigen, da nur die Hinterbeine eine Brems- bzw. Schleppkraft entfalten.
Die vorwiegende Bewegungsrichtung des Vehikels kann auf verschiedene Weisen beeinflußt werden. Insbesondere kann durch das Gewicht, das auf bestimmten Beinen lastet, die Anzahl der Beine, die Anordnung der Beine, die Steifigkeit der Beine und den jeweiligen Brems- bzw. Schleppkoeffizienten die Bewegungsrichtung eingestellt werden.
Die natürliche seitlich wirkende Kraft Fh verursacht, dass das Vehikel sich dreht (siehe 2b, 2c und 2d). Wenn sich das Vehikel also geradeaus bewegen soll, dann muss diese Kraft ausgeglichen werden. Dies kann durch die Beingeometrie und durch eine geeignete Auswahl der Materialien für die Beine erreicht werden.
Wie in den 2c und 2d dargestellt ist, erzeugt der Motor mit seinem exzentrischen rotierenden Gewicht einen (etwas schief gerichteten) Geschwindigkeitsvektor Vmotor, dessen seitliche Komponente durch die seitlich wirkende Kraft Fh induziert wird (2c zeigt die Kraftwirkung aus der Vorderansicht des Vehikels). Wenn diese Bewegungsrichtung verändert werden soll, dann müssen eine oder mehrere der Reaktionskräfte F1 bis F4 (siehe 2d), die auf die Beine wirken, einen andersartigen Geschwindigkeitsvektor induzieren. Dies kann auf die folgenden Weisen (alleine oder in Kombination) erreicht werden:

(1) Beeinflussung des Antriebsvektors F1 bzw. F2 der Antriebsbeine, um den Geschwindigkeitsvektor Vmotor auszugleichen: Es kann – im Falle der Situation, die in 2d dargestellt ist – mehr Gewicht auf das rechte Vorderbein verlagert werden, um den Geschwindigkeitsvektor F2 zu erhöhen, und so dem Geschwindigkeitsvektor Vmotor seitlich entgegenzuwirken. (Bei umgekehrter Rotationsrichtung des Motors, die zu einem schräg nach rechts zeigenden Geschwindigkeitsvektor führt, muss umgekehrt mehr Gewicht auf das linke Vorderbein verlagert werden.)
(2) Beeinflussung des Brems- bzw. Schleppvektors F3 bzw. F4, um den Geschwindigkeitsvektor Vmotor auszugleichen: Dies wird erreicht, indem die Länge des rechten hinteren Beines erhöht wird, oder indem der Brems- bzw. Schleppkoeffizient des rechten hinteren Beines erhöht wird, um den in 2d dargestellten Geschwindigkeitsvektor F4 zu erhöhen. (Bei umgekehrter Rotationsrichtung des Motors, die zu einem schräg nach rechts zeigenden Geschwindigkeitsvektor führt, muss umgekehrt dementsprechend das linke hintere Bein abgeändert werden.)
(3) Erhöhung der Steifigkeit der Beine auf der rechten Seite (z. B. durch Erhöhung der Dicke der Beine), um die in 2d dargestellten Geschwindigkeitsvektoren F2 und F4 zu erhöhen. (Bei umgekehrter Rotationsrichtung des Motors, die zu einem schräg nach rechts zeigenden Geschwindigkeitsvektor führt, muss umgekehrt dementsprechend die Steifigkeit der Beine auf der linken Seite erhöht werden.)
(4) Veränderung der relativen Position der Hinterbeine, so dass der Brems- bzw. Schleppvektor in die selbe Richtung wie der Geschwindigkeitsvektor zeigt. Im Falle des in 2d dargestellten Geschwindigkeitsvektors Vmotor, muss das rechte Hinterbein weiter vorne als das linke Hinterbein angeordnet sein. (Bei umgekehrter Rotationsrichtung des Motors, die zu einem schräg nach rechts zeigenden Geschwindigkeitsvektor führt, muss umgekehrt das linke Hinterbein weiter vorne als das rechte Hinterbein angeordnet sein.)

Verschiedene Maßnahmen können verwendet werden, um ein Umkippen des Vehikels zu verhindern bzw. um die Gefahr des Umkippens (die gerade bei den „Vibrobots” nach dem Stand der Technik sehr groß ist) zu verringern:
Das Vehikel nach der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise einen möglichst niedrigen Körperschwerpunkt (d. h. Schwerkraftzentrum), siehe 2e. Außerdem sollten die Beine – insbesondere die rechte Beinreihe und die linke Beinreihe – relativ weit auseinander liegen. Erfindungsgemäß sind die Beine bzw. die Beinreihen seitlich vom Vehikel, insbesondere seitlich von der Rotationsachse des Motors angeordnet. Insbesondere sind die Beine bzw. die Beinreihen oberhalb des Schwerpunktes an dem Körper des Vehikels angebracht (siehe 2c, 2e und 2f), d. h., die Basis bzw. die Aufhängungspunkte der Beine sind jeweils oberhalb des Schwerpunktes an dem Körper des Vehikels angebracht (siehe auch 1). In Bezug auf die Rotationsachse des Motors sind die Beine seitlich und oberhalb dieser Rotationsachse angebracht bzw. aufgehängt (siehe 2c und 2e). Dies ermöglicht es also, sowohl den Motor als auch die Batterie (und ggf. einen Schalter) zwischen den Beinen anzuordnen. Der Körperschwerpunkt kann auf diese Weise sehr nahe am Untergrund angeornet werden, um ein Umkippen des Vehikels zu verhindern bzw. um die Gefahr des Umkippens zu verringern.
Weiter können verschiedene Maßnahmen verwendet werden, damit sich das Vehikel – sofern es auf dem Rücken oder auf einer Seite liegt – selbsttätig wieder aufrichten kann. Denn trotz der Maßnahmen zur Verhinderung eines Umkippens kann es passieren, dass ein Vehikel auf den Rücken oder auf eine Seite umfällt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen werden, dass das Rotationsdrehmoment des Motors verwendet wird, um das Vehikel zu drehen und so wieder aufzurichten. Dies kann erreicht werden, indem der Körperschwerpunkt (d. h. das Schwerkraftzentrum) nahe der oder auf der Rotationsachse positioniert wird (siehe 2f). Dadurch hat das Vehikel eine Tendenz, den gesamten Körper um diese Achse zu drehen. Die Drehung des Körpers bzw. des Vehikels findet dabei entgegengesetzt zur Drehung des Motors statt.
Wenn durch diese konstruktiven Maßnahmen eine Tendenz zum Drehen erreicht wurde, kann auch die äußere Form des Vehikels angepasst werden, so dass eine Drehung um die Körper- bzw. Motorrotationsachse nur dann stattfindet, wenn das Vehikel sich auf dem Rücken oder in einer Seitenlage befindet.
Daher kann ein hoher Punkt 120 (siehe 1) – beispielsweise eine Finne, Lamelle oder Flosse 902 (siehe 7) – auf der Oberseite, d. h. auf dem Rücken des Vehikels angeordnet werden, so dass das Vehikel nicht vollständig umgedreht – d. h. um 180° gedreht – liegen kann. Außerdem können Vorsprünge – beispielsweise Finnen, Lamellen oder Flossen 904a, 904b (siehe 7) – seitlich am Vehikel angeordnet sein, so dass sich das Vehikel leichter von der Seite wieder in seine normale aufgerichtete Lage drehen kann. Dadurch wird erreicht, dass die üblicherweise horizontal wirkende Kraft Fh und die üblicherweise vertikal wirkende Kraft Fv im umgefallenen Zustand des Vehikels nicht parallel zur Richtung Schwerkraft wirken. Damit kann die Kraft Fh bzw. Fv ein Wiederaufrichten des Vehikels bewirken.
Wie bereits ausgeführt, sollte der Abstand der Beine bzw. der Beinreihen voneinander möglichst breit sein, damit ein Umfallen möglichst verhindert wird. Dabei können die zwei Beinreihen ihren Abstand – wie in 2c und 2e dargestellt ist – von oben nach unten erhöhen, d. h. die Beinaufhängungen (bzw. die Basis der Beine) der beiden Beinreihen haben einen geringeren Abstand voneinander als die Beinenden (bzw. die Beinspitzen). Umgekehrt sollte ein Raum 404 (siehe 2e) vorgesehen sein, damit sich die Beine von der Seite nach Innen hin biegen können. Dieser Raum 404, der vorzugsweise zwischen dem Körper des Vehikels und den Beinen vorhanden ist, kann die Form von V-förmigen Aussparungen haben, d. h. der Körper des Vehikels ist – wie in 2e gezeigt – von oben nach unten hin verjüngt. Dieser Raum 404 erlaubt es den Beinen, sich während einer Aufrichtdrehung nach Innen hin zu verbiegen, um einen möglichst sanften Übergang von der Seitenlage hin zur stabilen aufgerichteten Normallage zu erreichen.
Das Vehikel nach der vorliegenden Erfindung soll sich derart bewegen, dass es möglichst lebendigen Tieren, insbesondere Käfern, Insekten, Reptilien oder sonstigen Tierchen gleicht.
Um ein möglichst lebensnahes Erscheinungsbild der Bewegung des Vehikels im Sinne eines lebendigen Tierchens zu erreichen, soll das Vehikel eine Tendenz zum Umherstreifen aufweisen oder in einem serpentinenartigem Muster wandern. Denn eine Bewegung nur entlang einer einzigen Richtung erscheint für den Benutzer oder für eine dritte Person nicht gerade lebendig.
Eine Willkürlichkeit bzw. Zufälligkeit der Bewegung kann einerseits erreicht werden durch Veränderung der Beinsteifigkeit, des Beinmaterials und/oder der Trägheit der exzentrischen Masse. Wenn die Beinsteifigkeit erhöht wird, wird der Betrag des Hüpfens reduziert, so dass eine zufällige Bewegung verringert wird. Umgekehrt wird sich das Vehikel in zufälligeren Richtungen bewegen, wenn die Beinsteifigkeit – insbesondere der vorderen Antriebsbeine im Vergleich zu den hinteren Beinen – niedriger ist. Während das Material der Beine die Steifigkeit der Beine beeinflusst, hat die Auswahl des Materials noch einen anderen Effekt. Denn das Material der Beine kann ausgewählt sein, um Schmutz an der Beinspitze anzuziehen, so dass sich das Vehikel durch die veränderte Haftreibung gegenüber dem Untergrund zufällig drehen bzw. in eine andere Richtung bewegen kann. Auch die Trägheit der exzentrischen Masse beeinflusst die Zufälligkeit des Bewegungsmusters. Denn bei größerer Trägheit hüpft das Vehikel mit größerer Amplitude und verursacht so, dass das Vehikel in anderen relativen Positionen gegenüber dem Untergrund auftreffen kann.
Eine Willkürlichkeit bzw. Zufälligkeit der Bewegung kann andererseits erreicht werden durch eine federnde Nase bzw. Vorderteil 108 (siehe 1 und 5) des Vehikels. Denn wenn das Vehikel mit einem anderen Gegenstand kollidiert, wird ein Zurückprallen in eine zufällige Richtung erreicht. Das Vehikel versucht also nicht konstant gegen das Hindernis anzukämpfen, sondern ändert durch das Zurückfedern seine Bewegungsrichtung und kann so dem Hindernis ausweichen.
Dabei sind keine Sensoren erforderlich; ein scheinbar intelligentes Verhalten wird stattdessen durch rein mechanische Maßnahmen erreicht.
Die Nase bzw. das Vorderteil 108 des Vehikels kann federnde Eigenschaften haben und insbesondere aus einem weichen Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten hergestellt sein. Ein Gummi mit einem Durometer-Wert von 65 (oder weniger) kann dabei verwendet werden, um eine flexible Nase zu erhalten, die relativ leicht eingedrückt werden kann. Außerdem sollte die Nase bzw. das Vorderteil 108 spitz zulaufend ausgebildet sein, damit die Nase leichter eingedrückt werden kann, und so das Zurückfedern fördert, und damit die Spitze des Vehikels bei einem erneuten Auftreffen möglichst seitlich auftrifft. Das Vehikel kann so durch die Form der Nase in eine andere Richtung umlenkt werden.
Zusätzlich spielen auch die Eigenschaften der Beine während des Auftreffens auf ein Hindernis eine Rolle. Denn wenn die Beine ausgestaltet sind, dass sich das Vehikel während eines Aufprallens leichter um eine vertikale Achse dreht, wird eine Ausweichbewegung schneller erreicht.
Schließlich ist auch die Geschwindigkeit des Vehikels für das Ausweichverhaltens bei Auftreffen auf ein Hindernis von Bedeutung. Denn bei höhrerer Geschwindigkeit ist der Rückpralleffekt größer, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Vehikel anschließend in einem anderen Winkel auftrifft und ausweichen kann, ist damit erhöht.
Verschiedene Beinkonfigurationen sind in den 3a bis 3c dargestellt. Die Vorwärtsbewegung weist bei allen Figuren nach rechts.
In der linken oberen Darstellung der 3a sind die Beine mit Streben verbunden. Die Streben dienen dazu, die Steifigkeit der Beine zu erhöhen, während das Erscheinungsbild eines langen Beines erhalten bleibt. Die Streben können beliebig entlang der Höhe eines Beines angeordnet werden. Eine verschiedene Einstellung der Streben, insbesondere die rechten Streben gegenüber den linken Streben, dient dazu, die Beincharakteristika zu verändern ohne dabei die Beinlänge verändern zu müssen. Auf diese Weise wird eine alternative Möglichkeit geschaffen, die Lenkung zu korrigieren.
Die Darstellung in der rechten oberen Seite der 3a zeigt eine allgemeine Ausführungsform mit vielfachen gebogenen Beinen. Man beachte dabei, dass die mittleren Beine, d. h. alle anderen Beine außer den beiden Vorderbeinen und außer den beiden Hinterbeinen, so ausgestaltet sein können, dass diese nicht den Untergrund berühren. Auf diese Weise wird die Herstellung der Beine leichter, da die mittleren Beine bei der Einstellung des Bewegungsverhaltens außer Betracht bleiben können. Lediglich das Gewicht der mittleren Beine kann gegebenenfalls verwendet werden, um das Bewegungsverhalten einzustellen.
Die unteren (linken und rechten) Darstellungen der 3a zeigen zusätzliche Anhänge bzw. Fortsätze, welche dem Vehikel ein lebensnahes Erscheinungsbild verleihen sollen. Diese Anhänge bzw. Fortsätze vibrieren zusammen, wenn sich das Vehikel bewegt. Eine Einstellung der Anhänge bzw. Fortsätze kann also ebenfalls verwendet werden, um ein gewünschtes Bewegungsverhalten bzw. ein gewünschtes Resonanzverhalten zu erzeugen, und um eine erhöhte Willkürlichkeit im Bewegungsverhalten zu erzeugen.
Weitere Beinkonfigurationen sind in der 3b dargestellt. Die oberen (linken und rechten) Darstellungen zeigen, dass die Verbindung der Beine am Körper an verschiedenen Positionen sein kann im Vergleich zu den Ausführungsformen, die in in der 3a dargestellt sind. Neben den Unterschieden des äußeren Erscheinungsbildes dient eine höhere Verbindung der Beine am Körper dazu, die Beine langer auszugestalten, ohne dabei den Körperschwerpunkt (d. h. das Schwerkraftzentrum) zu erhöhen. Längere Beine wiederum haben eine reduzierte Steifigkeit, was neben anderen Eigenschaften zu einem erhöhten Hüpfen führen kann. Die untere Darstellung der 3b zeigt eine alternative Ausführungsform der Hinterbeine, bei welcher zwei Beine miteinander verbunden sind.
Weitere Beinkonfigurationen sind in der 3c dargestellt. Die obere linke Darstellung zeigt eine Auführungsform mit einer minimalen Anzahl an Beinen, nämlich mit einem Hinterbein und zwei Vorderbeinen. Die Positionierung des Hinterbeines entweder nach links oder nach rechts wirkt wie eine Veränderung eines Ruders, dient also zum Steuern der Richtung des Vehikels. Wenn ein Hinterbein mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten verwendet wird, dann wird die Geschwindigkeit des Vehikels erhöht, wie oben beschrieben wurde.
Die untere linke Darstellung der 3c zeigt eine Auführungsform mit drei Beinen, wobei ein einziges Vorderbein und zwei Hinterbeine vorgesehen sind. Die Steuerung kann über die Hinterbeine eingestellt werden, indem ein Hinterbein vor dem anderen Hinterbein angeordnet wird.
Die obere rechte Darstellung der 3c zeigt ein Vehikel mit erheblich veränderten Hinterbeinen, welche wie die eine Grashüpfers aussehen. Die Hinterbeine liegen mit ihren unteren Seiten am Untergrund auf, so dass auch die Reibung gegenüber dem Untergrund verringert wird. Außerdem wird das Vehikel so weniger durch Unebenheiten oder Löcher im Untergrund beeinflußt. Das Vehikel kann also leichter über Unebenheiten oder Löcher im Untergrund hinweggleiten.
Die untere rechte Darstellung der 3c zeigt ein Vehikel, bei dem die mittleren Beine gegenüber den Vorder- und Hinterbeinen angehoben sind. Die mittleren Beine haben also hauptsächlich einen ästhetischen Zweck. Sie dienen aber auch der Beeinflussung des Überrollverhaltens. Außerdem kann über ihr Gewicht das Hüpfverhalten des Vehikels eingestellt werden.
Die 4a und 4b zeigen ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Hinterbeine unabhängig voneinander höhenverstellbar sind. Die Hinterbeine können aus einem steifen und/oder flexiblen Draht oder einem anderen geeigneten Material beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein. Die einstellbaren Hinterbeine dienen dazu, dass der Benutzer das Bewegungsverhalten des Vehikels einstellen kann. Insbesondere kann die Bewegungsrichtung eingestellt werden, beispielsweise von einer Linkskurve über eine gerade Bewegung hin zu einer Rechtskurve.
7 zeigt ein Vehikel bzw. einen Spielzeugroboter nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzliche Finnen, Lamellen bzw. Flossen 902, 904a, 904b angeordnet sind. Die Finnen, Lamellen bzw. Flossen können oben 902 und an der Seite 904a, 904b angeordnet sein, um das Überrollverhalten des Vehikels zu beeinflussen. Insbesondere können die Finnen, Lamellen bzw. Flossen 902, 904a, 904b derart ausgestaltet sein, dass die äußeren Punkte nahe oder auf einem virtuellen Zylinder liegen. Auf diese Weise kann sich das Vehikel ähnlich einem Zylinder drehen, wenn es auf dem Rücken oder auf einer Seite liegt. Das Vehikel kann sich so relativ schnell wieder selbst aufrichten.

Claims

Ein Vehikel, insbesondere ein Spielzeugroboter, umfassend: mehrere Beine und einen Vibrationsantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass das Vehikel eine federnde Nase bzw. ein federndes Vorderteil hat, so dass das Vehikel bei Auftreffen auf ein Hindernis zurückprallt.
Vehikel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil aus Gummi ausgebildet ist.
Vehikel gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die federnde Nase bzw. das federnde Vorderteil spitz zulaufend ausgebildet ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine des Vehikels in eine Richtung geneigt sind, die von der Vertikalen versetzt ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis der Beine am Vehikel gegenüber der Spitze der Beine weiter vorne angeordnet ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Beine, insbesondere die vorderen Beine, angepasst sind, sich zu biegen, wenn das Vehikel aufgrund des Vibrationsantriebes vibriert.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsantrieb eine nach oben gerichtete Kraft (Fv) erzeugen kann, die geeignet ist, dass das Vehikel zum Hüpfen gebracht wird, oder dass die vorderen Beine sich von der Grundfläche abheben.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsantrieb eine seitlich gerichtete Kraft (Fh) erzeugen kann, welche eine Tendenz erzeugt, dass sich das Vehikel dreht, wenn die Nase des Vehikels angehoben ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vehikel ausgestaltet ist, dass die hinteren Beine des Vehikels nur hinterhergeschliffen werden, jedoch nicht hüpfen.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der hinteren Beine derart ausgestaltet ist, dass eine unterschiedliche Brems- bzw. Schleppwirkung erzielt wird.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der nachlaufenden Beine derart ausgestaltet ist, dass Tendenzen einer Drehung aufgrund der Vibration des Vibrationsantriebes entgegengewirkt wird.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr Gewicht auf ein Vorderbein im Vergleich zu dem anderen Vorderbein verlagert ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Hinterbeines im Vergleich zu dem anderen Hinterbein erhöht ist
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Beine auf einer Seite im Vergleich zu den Beinen auf der anderen Seite erhöht ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hinterbein im Vergleich zu dem anderen Hinterbein auf der anderen Seite dicker ausgebildet ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Hinterbeine weiter vorne angeordnet ist als das andere Hinterbein.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine in zwei Beinreihen angeordnet sind.
Vehikel gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass pro Beinreihe zwei, drei, vier, fünf oder sechs Beine vorgesehen sind.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Beine mit Streben miteinander verbunden sind, um die Steifigkeit der Beine zu erhöhen.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hinterbeine vorgesehen sind, die unabhängig voneinander höhenverstellbar sind.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Vorderbeine im Vergleich zur Steifigkeit der Hinterbeine niedriger ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brems- bzw. Schleppkraft der Hinterbeine im Vergleich zu den Vorder- bzw. Antriebsbeinen reduziert ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vehikel sich selbst wieder aufrichten kann, wenn es auf dem Rücken oder auf einer Seite liegt.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vehikel konstruiert ist, um sich durch die Wirkung des Rotationsdrehmoments des Vibrationsantriebs zu drehen und selbst aufzurichten.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschwerpunkt bzw. das Schwerkraftzentrum des Vehikels nahe oder auf der Rotationsachse des Vibrationsantriebs positioniert ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Vehikels hervorsteht, um die Selbstaufrichtung des Vehikels während des Vibrierens zu erleichtern.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Vehikels ein hoher Punkt vorgesehen ist, so dass das Vehikel nicht vollständig umgedreht auf dem Rücken liegen kann.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rücken eine Finne, Lamelle oder Flosse angeordnet ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Firmen, Lamellen oder Flossen an den Seiten des Vehikels angeordnet sind.
Vehikel gemäß Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Finnen, Lamellen oder Flossen derart ausgestaltet sind, dass ihre äußeren Punkte nahe oder auf einem virtuellen Zylinder liegen.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Körper des Vehikels und den Beinen des Vehikels ein Raum, insbesondere eine V-förmige Aussparung vorgesehen ist, damit sich die Beine während einer Aufrichtdrehung nach innen hin verbiegen können.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine seitlich am Vehikel angeordnet sind, insbesondere seitlich von der Rotationsachse des Vibrationsantriebes.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine oberhalb des Schwerpunktes am Vehikel angebracht sind.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine seitlich und oberhalb der Rotationsachse des Vibrationsantriebs angebracht sind.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsantrieb eine nach unten gerichtete Kraft (Fv) erzeugen kann, die geeignet ist, wenigstens die vorderen Beine auszulenken, so dass sich das Vehikel nach vorne bewegt.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine des Vehikels gebogen und flexibel sind.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsantrieb einen Motor und ein exzentrisches Gewicht aufweist.
Vehikel gemäß Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das exzentrische Gewicht vor dem Motor angeordnet ist.
Vehikel gemäß Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass das exzentrische Gewicht vor den Vorderbeinen angeordnet ist.
Vehikel gemäß einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse des Motors entlang der Längsachse des Vehikels verläuft.
Vehikel gemäß einem der Ansprüche 37 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie am Hinterteil des Vehikels angeordnet ist.
Vehikel gemäß Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Batterie als auch der Motor zwischen den Beinen angeordnet ist.
Vehikel gemäß einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Motor und der Batterie ein Schalter angeordnet ist.
Vehikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vehikel die Form eines Käfers, eines Insektes, eines Reptils oder eines sonstigen Tieres aufweist.