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Die Erfindung betrifft einen Simulator für die Bewegung von Personen im Raum, insbesondere für Trainingszwecke, mit einer kreisrunden Umlaufschiene, die um eine diametral verlaufende Achse drehbar an einander gegenüberliegenden Stützen gelagert ist.
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Im wachsenden Markt der Virtual-Reality-Anwendungen ist es zunehmend wichtig, dass neben der nahezu perfekten graphischen Nachahmung imaginärer Welten auch die virtuellen Bewegungen möglichst exakt nachgebildet werden. Gerade bei Anwendungen zu Trainings- und Unterhaltungszwecken ist dies äußerst wichtig. Werden diese Bewegungen nämlich nicht oder nur ungenau den visuellen Szenarien angepasst, führt dies zu Ungereimtheiten zwischen vestibulärer und visueller Wahrnehmung, und damit zu Schwindelgefühlen und Übelkeit der Personen in der Virtual-Reality-Anwendung.
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Ein Simulator der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
DE 10 2011 102 037 B4 offenbart. Bei diesem Simulator werden ein äußerer und ein innerer Arbeitskreis jeweils kreisrund, konzentrisch und orthogonal zu einander aufgebaut. Im inneren Arbeitskreis ist ein Cockpit fest am beweglichen Teil des inneren Arbeitskreises montiert. Durch diesen Aufbau ist es möglich, das Cockpit um alle drei Raumachsen zu rotieren. Durch die starre Befestigung des Cockpits im inneren Arbeitskreis lässt sich das Cockpit allerdings nur in einem festen Abstand um den Mittelpunkt des Systems drehen. Somit lassen sich die Kräfte, die auf Personen im Cockpit wirken, lediglich über die Rotationsgeschwindigkeit und -richtung variieren. Ein weiterer Nachteil eines solchen Simulators ist, dass es nicht möglich ist, translatorische Bewegungen und Beschleunigungen nachzubilden.
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Der in der
EP 2 572 344 B1 beschriebene Simulator nutzt zur Bewegung eines Cockpits einen industriellen Gelenkarmroboter. Um hohe Fliehkräfte zu simulieren muss das Cockpit möglichst weit entfernt vom Drehpunkt liegen. Daher wird hier zur Erzeugung solcher Kräfte als Drehachse die Roboterbasis gewählt, um einen möglichst großen bzw. variablen Radius und damit hohe bzw. variable Fliehkräfte zu erreichen. Zudem ist die Roboterbasis noch auf einer Linearachse am Boden gelagert. Durch diesen Aufbau wird das Cockpit auf einer langgestreckten Umlaufbahn gehalten und somit ist es möglich translatorische Bewegungen und Beschleunigungen nachzubilden. Der Aufwand und der benötigte Platzbedarf für den Aufbau eines solchen Simulators sind allerdings immens.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Bewegungssimulator der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Bewegungssimulator translatorische Bewegungen und Beschleunigungen entlang der drei Raumachsen darstellen kann und dass durch den Bewegungssimulator zudem höhere Fliehkräfte auf die Person ausgeübt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Bewegungssimulator der eingangs genannten Art ein Tragschienensystem vor, welches in Umfangsrichtung der Umlaufschiene um deren Mittelachse drehbar ist und welches mindestens eine Schiene aufweist, an welcher ein Personentragesystem verschiebbar geführt ist.
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Je nach Aufbau des Tragschienensystems kann das zusätzliche Personentragesystem entlang des Tragschienensystems translatorische Bewegungen und Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen vollziehen oder auch den Abstand zum Mittelpunkt des Gesamtsystems verändern, um so die Fliehkräfte bei Rotation zu variieren, die sich proportional mit dem Abstand zum Mittelpunkt verstärken.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Simulators gemäß der Erfindung sieht vor, dass die das Personentragesystem führende Schiene des Tragschienensystems geradlinig durch den Mittelpunkt der Umlaufschiene verläuft und einen das Personentragesystem tragenden Schlitten führt. Durch diese Anordnung des Tragschienensystems kann das Personentragesystem über den Schlitten mit der Schiene verbunden werden. Hierdurch lassen sich nun translatorische Bewegungen entlang der Schiene über nahezu den gesamten Durchmesser der kreisförmigen Umlaufschiene darstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Simulators gemäß der Erfindung ist das Personentragesystem als mehrteilige Andocksäule ausgebildet, an deren Ende ein Fahrzeug-Cockpit andockbar ist. Auf diese Weise lassen sich mit dem Simulator verschiedene Fahrzeugtypen, insbesondere Flugzeuge und Rennwagen, je nach angedocktem Fahrzeug-Cockpit nachbilden. Durch eine mehrteilige Andocksäule ist es möglich zusätzlich über drei unabhängige Lager in der Andocksäule die unabhängige Rotation des Fahrzeug-Cockpits um seine Längs-, Quer- und Hochachse zu realisieren.
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Daher ist es besonders vorteilhaft,
- – wenn die Andocksäule einen Fußteil aufweist, der starr mit dem Schlitten verbunden ist und ein Kopfteil trägt, welches relativ zu dem Fußteil um eine normal zur Ebene der Umlaufschiene verlaufende Drehachse drehbar gelagert ist,
- – zudem wenn am Kopfteil der Andocksäule eine Traggabel drehbar um eine orthogonal zur Drehachse des Kopfteils verlaufende Drehachse gelagert ist
- – und wenn das Fahrzeug-Cockpit an den Zinken der Traggabel drehbar um eine orthogonal zur Drehachse der Traggabel und orthogonal zur Drehachse des Kopfteils verlaufende Drehachse gelagert ist.
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Auf diese Weise wird über das Lager zwischen Fuß- und Kopfteil die Rotation um die Hochachse des Fahrzeug-Cockpits und damit das Gieren des Fahrzeugs ermöglicht. Über das Lager zwischen Kopfteil und Traggabel wird die Rotation um die Längsachse des Fahrzeug-Cockpits und damit das Rollen des Fahrzeugs ermöglicht. Schließlich wird über das Lager zwischen Traggabel und Flugzeug-Cockpit die Rotation um die Querachse und damit das Nicken ermöglicht. Somit sind drei Rotationsfreiheitsgrade gegeben.
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Alternativ kann der Simulator auch für die Nachbildung einer Umgebung dienen, in der eine Person zu Fuß laufend unterwegs ist, insbesondere für Ego-Shooter Anwendungen. Hierfür ist es sinnvoll, wenn an der Andocksäule eine Personenhebewinde mit Tragegeschirr angebracht ist und an der Umlaufschiene eine Plattform drehbar angeordnet ist. Die Plattform dient als Spielfeld, über das die Person in der virtuellen Welt läuft. Über die Personenhebewinde mit Tragegeschirr wird sichergestellt, dass die Person weder ungewollt stürzen noch über den Rand des Spielfeldes hinauslaufen kann. Des Weiteren können mit der Personenhebewinde Sprünge und kurze Flugdistanzen simuliert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass auf der Plattform ein Laufband installiert ist. Auf diese Weise kann die Person beliebig lange Strecken in der virtuellen Welt zurücklegen. In Kombination mit der oben beschriebenen Rotationsfähigkeit der Plattform und der Personenhebewinde lassen sich auch Richtungsänderungen und Kurven simulieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert:
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Es zeigt:
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1: Schematisch eine 3D-Ansicht eines Bewegungssimulators gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel
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2a: Schematisch eine Detailansicht der wichtigsten Funktionsteile der Andocksäule
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2b: Schematisch eine Ansicht der aus 2a hervorgehenden Traggabel
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2c: Schematisch eine Ansicht des Fahrzeugcockpits
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3: Schematisch eine 3D-Ansicht eines Bewegungssimulators gemäß der Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel aus einer ersten Perspektive
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4: Schematisch eine 3D-Ansicht eines Bewegungssimulators gemäß der Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel aus einer zweiten Perspektive
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In der Zeichnung ist eine kreisrunde Umlaufschiene mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Umlaufschiene 1 ist um eine diametral verlaufende Achse 2 drehbar an gegenüberliegenden Stützen 3 gelagert. Die Antriebe an den Stützen 3 sind nicht dargestellt. Ein Tragschienensystem 4 ist in Umfangsrichtung um den Mittelpunkt der Umlaufschiene 1 drehbar.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bewegungssimulators gemäß der Erfindung dargestellt. Das Tragschienensystem 4 besteht aus zwei parallel, geradlinig und durch die Mitte des Umlaufkreises verlaufenden Schienen 5. Somit lassen sich translatorische Beschleunigungen nahezu entlang des gesamten Durchmessers der Umlaufschiene 1 simulieren. Es sind aber auch andere Ausführungsformen des Tragschienensystems 4, z.B. kurvenförmige oder gewölbte, denkbar. Das Tragschienensystem 4 ist an seinen Enden an der Umlaufschiene 1 gelagert. Zusätzlich ist es über eine Stützstrebe 6 an zwei weiteren Stellen an der Umlaufschiene 1 gelagert. An den Lagerstellen des Tragschienensystems 4 an der Umlaufschiene 1 können auch die Antriebe zur Bewegung des Tragschienensystems 4 vorgesehen werden. Die Antriebe sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Durch diesen Aufbau kann das Tragschienensystem 4 nun entlang der Umlaufschiene 1 um deren Mittelachse 1a rotieren. Über die beiden Rotationsachsen ist es möglich, dass sich das geradlinige Tragschienensystem 4 in jegliche Raumrichtung ausrichten lässt. Auf dem Tragschienensystem 4 ist ein Schlitten 7 geführt, der entlang der Schienen 5 fahren kann und je nach momentaner Ausrichtung des Tragschienensystems 4 jedwede Richtung anfahren kann.
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Neben den drei translatorischen Freiheitsgraden muss der Simulator möglichst auch unabhängig um die drei Raumachsen rotieren können. Um dies zu realisieren, ist auf dem Schlitten 7 eine mehrteilige Andocksäule 8 angebracht. Die Andocksäule 8 besteht aus einem Fußteil 9, einem Kopfteil 10 und einer Traggabel 11. Zwischen den beiden Zinken der Traggabel 11 ist ein Fahrzeug-Cockpit 12 andockbar.
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Der Aufbau der Andocksäule 8 ist in den 2a, 2b und 2c im Einzelnen dargestellt. Das Fußteil 9 ist starr an dem Schlitten 7 befestigt. Das Kopfteil 10 ist drehbar um eine Drehachse 13 an dem Fußteil 9 gelagert. An dem Kopfteil 10 ist die Traggabel 11 um eine Drehachse 14 drehbar gelagert. Zwischen den beiden Zinken der Traggabel 11 ist ein Fahrzeug-Cockpit 12 um eine Drehachse 15 drehbar gelagert. Die drei Drehachsen 13, 14, 15 können jeweils über einen eigenen Antrieb unabhängig voneinander angesteuert werden. Die Antriebe sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Die Drehachse 13 bildet die Hochachse des Fahrzeug-Cockpits 12 nach. Über die Drehung um die Hochachse kann das Gieren eines Fahrzeuges nachgebildet werden. Die Drehachse 14 bildet die Längsachse des Fahrzeug-Cockpits 12 nach. Über die Drehung um die Längsachse kann das Rollen eines Fahrzeuges nachgebildet werden. Die Drehachse 15 bildet die Querachse des Fahrzeug-Cockpits 12 nach. Über die Drehung um die Hochachse kann das Nicken eines Fahrzeuges nachgebildet werden. Die drei Drehachsen 13, 14, 15 sind in den 2a, 2b und 2c einzeln dargestellt.
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Somit hat Fahrzeug-Cockpit 14 auch drei Rotationfreiheitsgrade und ist in der Lage unabhängig voneinander um die drei Raumachsen zu rotieren. Der gesamte Bewegungssimulator hat durch diesen Aufbau drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade und kann daher nahezu alle Bewegungen nachbilden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. An der Andocksäule 8 ist eine Personenhebewinde 16 in Form einer Seilwinde angebracht, an deren Ende eine Person über ein Personentragegeschirr 17 eingespannt ist. Über Streben 18 ist eine Plattform 19 drehbar an der Umlaufschiene 1 gelagert. Auf der Plattform 19 ist ein Laufband installiert. Durch diesen Aufbau kann die Person in der virtuellen Realität beliebig lange Strecken zurücklegen. Wie in 4 dargestellt ist auch Simulation beliebiger Steigungen möglich. Über die Personenhebewinde 16 können zusätzlich Sprünge simuliert werden. Des Weiteren kann die Person über die Personenhebewinde 16 gesichert werden und somit vor ungewollten Stürzen geschützt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umlaufschiene
- 1a
- Mittelachse der Umlaufschiene
- 2
- diametral verlaufende Achse
- 3
- Stütze
- 4
- Tragschienensystem
- 5
- Schiene
- 6
- Stützstrebe
- 7
- Schlitten
- 8
- Andocksäule
- 9
- Fußteil
- 10
- Kopfteil
- 11
- Traggabel
- 12
- Fahrzeug-Cockpit
- 13
- Drehachse
- 14
- Drehachse
- 15
- Drehachse
- 16
- Personenhebewinde
- 17
- Personentragegeschirr
- 18
- Streben
- 19
- Plattform
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011102037 B4 [0003]
- EP 2572344 B1 [0004]
