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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugsystem mit aktuierten Schlagflügeln und einem aktuierten Leitwerk.
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Aus der
DE-PS 652 170 ist ein durch Muskelkraft antreibbares Schwingensegelflugzeug bekannt, bei welchem durch Muskelkraft bewegte Schwingen durch Gummiseile mit dem Rumpf verbunden sind, wodurch die Kräfte des Fliegers unterstützt werden sollen, wobei die Schwingen mittels von Hand einschaltbarer Klinken festgestellt werden können und das Flugzeug ohne Kraftaufwand als Segelflugzeug weiter benutzt werden kann.
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Aus der
DE-PS 173 926 ist ein Flugapparat mit Schlagflügeln bekannt, die über ein Rahmengestell durch die Arme des Piloten bei gebeugtem Arm betätigbar sind, wobei die Ellbogen jeweils in einem Widerlager ruhen und die Hände jeweils an einem gebogenen Handgriff angreifen, dessen verschiedenen Angriffsbereiche unterschiedliche Hebelarme zum Antrieb der Flügel ermöglichen.
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Ein Schwebegleiter mit motorisch unterstützten Schwingen ist aus der
WO 2014/028083 A2 bekannt. Die Schwingen können unter Verwendung von Handklauen bzw. -kardanringen, die an einem inneren Flügelholmabschnitt angeordnet sind, betätigt und gesteuert werden. Ein fächerartiges Ruder kann mit dem Fuß bedient werden.
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Keines der theoretisch erdachten Schlagflüglersysteme konnte bisher zur Praxistauglichkeit gebracht werden. Alternativ haben Gleitdrachen bzw. -schirme und Ultraleicht-Flugsysteme eine gewisse Verbreitung gefunden. Gleitdrachen/-schirme sind sind jedoch aus eigener Kraft nicht steigfähig, sondern zum Höhengewinn auf die Ausnutzung von Aufwinden bzw. Thermiken angewiesen, und gleichen darin Segelflugzeugen, weisen aber deutlich geringere Gleitzahlen auf. Dem Segelflugzeug, mit dem gleitend beträchtliche Strecken zurückgelegt werden können, fehlen dagegen die Dynamik und das unmittelbare Erlebnis, welches den Gleitdrachen und - schirmen zu eigen ist. Ultraleicht-Flugsysteme nutzen eine Luftschraube zum Antrieb und können als motorisierte Gleitdrachen-/schirm ausgeführt sein oder eine Kabine und Starrflügel aufweisen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein praxistaugliches Flugsystem mit Schlagflügeln bereitzustellen. Das Flugsystem soll auch ein ergonomisches, sicheres und ermüdungsarmes Fliegen ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 beschreibt somit ein Flugsystem aus aktuierten bzw. aktuierbaren Schlagflügeln und einem aktuierten bzw. aktuierbaren Leitwerk, welche von einem Piloten gesteuert werden können. In der erfindungsgemäßen Ausführung benutzt der Pilot hierfür ein Exoskelett, welches funktional mit Flügeln und Leitwerk gekoppelt ist, aber unabhängig davon beweglich ist. Die funktionale Kopplung wird durch das Steuergerät erreicht, das die Bewegungen der Schlagflügel und/oder des Leitwerks anhand der Bewegungen des Exoskeletts steuert. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 kann das Steuergerät auch Rückkopplung auf das Exoskelett anhand der an den Schlagflügeln und/oder dem Leitwerk vorherrschenden Wirkungen wie etwa Kräfte, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 können die Freiheitsgrade der Schlagflügel den Armen und/oder Händen des Piloten zugeordnet sein und können die Freiheitsgrade des Leitwerks den Beinen und/oder Füßen des Piloten zugeordnet sein.
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Die Schlagflügel können dabei äußerlich denen der Vögel oder Fledermäuse ähnlich sein. Das heißt, sie können eine bewegliche, tragende Struktur und eine passende, aerodynamisch gestaltete Oberfläche neben Sensoren und Aktoren aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 13 können die Schlagflügel mehrere zueinander bewegliche und aktuierte Flügelglieder aufweisen, und wobei vorzugsweise an Grenzen zwischen zwei Flügelgliedern und/oder zwischen einem Flügelglied und einem Geräteträger dehnbares Material und/oder überlappende räumliche Flächen vorgesehen sind. Als Geräteträger ist dabei eine zentrale Struktur zu versehen, an welchem die Schlagflügel bzw. deren jeweils erste Flügelglieder und/oder das Leitwerk angelenkt sind. Der Geräteträger kann beispielsweise die Form eines von dem Piloten zu tragenden Rucksacks aufweisen. Der Geräteträger kann auch Subsysteme des Flugsystems wie etwa Energiespeicher und -wandler, Steuergeräte, Schnittstellen, Ventile, Sensoren, Leitungen, Hilfsaggregate etc. aufnehmen.
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Das Leitwerk kann ebenfalls äußerlich vergleichbar den Schwanzfedern der Vögel ausgeführt sein bzw. solche Schwanzfedern aufweisen, wie es in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 14 vorgesehen ist. Andere Konfigurationen, wie etwa in der Form eines herkömmlichen Flugzeugleitwerks, sind allerdings auch denkbar.
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Das Exoskelett ist im Sinne der Erfindung ein System, welches in der Lage ist, Kräfte und Bewegungen des in ihm befindlichen Körpers zu messen, und seinerseits auf den Körper Kräfte auszuüben. Seine aktuierten Freiheitsgrade sind deshalb als Steuerelement mit Force-Feedback einsetzbar.
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Die Erfindung beschreibt eine Kombination von aktuierten Flügeln/Leitwerk und einem Exoskelett unter Einbeziehung einer Flugsteuerung bzw. eines Steuergeräts: Zustandsgrößen, wie z.B. Kräfte und Positionen der Gliedmaßen und deren Gelenke, die allgemein als Bewegungssensorsignale bezeichnet werden können, werden über das Exoskelett aufgenommen, um als Reglereingangsgrößen zu dienen. Das Steuergerät verarbeitet diese Größen dann mit einem Algorithmus weiter zu Reglerausgangsgrößen, welche den Bewegungen des Flügel- und Leitwerksystems in Form von Bewegungsvorgabesignalen als Sollwert-Signale dienen. Im Gegenzug können Zustandsgrößen des Flügelsystems in Form von Bewegungswirkungssignalen sensiert werden, welche dem Exoskelettsystem als Reglereingangsgrößen dienen. Das Steuergerät generiert daraus Sollwert-Signale für die Exoskelettaktoren in Form von Rückkopplungsvorgabesignalen. Es entsteht ein neuartiges Flugsystem, welches auch die Konzepte aus der Telepräsenz und Telerobotik nutzen kann. Mit ihm kann der Pilot die Flügel und somit den Flug kontrollieren, sowie die Fluglage „erspüren“. In der Konsequenz kann es dem Piloten voraussichtlich ermöglicht werden, das Fliegen intuitiv zu erlernen. Exoskelett und Flügelsystem sind dabei im bevorzugten Fall körperlich miteinander verbunden, können sich jedoch auch wie in der Telerobotik üblich an physisch getrennten Orten aufhalten. Da aber jedenfalls das Exoskelett und die Schlagflügel/das Leitwerks unabhängig voneinander beweglich sind, d.h. mechanisch entkoppelt sind, kann der Pilot stets eine angenehme Körperhaltung bzw. eine solche, in der seine Bewegungen optimiert sind, einnehmen. Außerdem kann eine Kraftübersetzung der Bewegungen des Piloten in Bewegungen der Schlagflügel/des Leitwerks sowie eine Rückkopplung an den Piloten an die tatsächliche Körperkraft des Piloten angepasst werden.
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Es versteht sich, dass neben den erwähnten Komponenten auch Subsysteme vorhanden sein können oder müssen, wie beispielsweise Energiequelle (Batterie, Turbine o.a.), Energiewandler (Hydraulikmotoren, Kompressoren o.a.), Verteilungssystem, usw. Das Exoskelett kann physisch von den Schlagflügeln trennbar sein, sodass man z.B. die Schlagflügel fernsteuern kann, oder sie in einer Notsituation in der Luft abwerfen kann.
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Die Hauptflügel bzw. Schlagflügel sollen mit den Armen und Händen steuerbar sein. Die Schwanzfedern bzw. das Leitwerk sollen mit den Beinen oder den Füßen steuerbar sein. Außerdem kann jede Kopplung einzeln ad hoc deaktivierbar sein.
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Die Flügel und das Leitwerk könnten auch anders als durch das Exoskelett gesteuert werden, bzw. die Steuerung der Flügel muss nicht ausschließlich über das Exoskelett erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 6 kann beispielsweise eine weitere Eingabeeinrichtung vorgesehen sein, um Bewegungen von Schlagflügeln und/oder Leitwerk vorzugeben, wobei die weitere Eingabeeinrichtung insbesondere Analog-sticks, Schalter und Tasten und/oder eine Gehirn-Computer-Schnittstelle aufweist. Denkbar wäre z.B. ein Controller ganz ähnlich einem Spielecontroller. Er hätte beispielsweise zwei Analog-Sticks, mit denen vor und zurück, sowie nicken und rollen kontrolliert würde. Außerdem könnte er einen Knopf aufweisen, um einen Flügelschlag zu veranlassen. Fliegen könnte man dann ähnlich wie bei Flappybird. Gehirn-Computer-Schnittstellen sind ebenfalls bereits in der Entwicklung. Wenn die Bewegungen von Schlagflügeln und/oder Leitwerk nicht oder nicht nur durch ein Exoskelett vorgegeben werden, sondern mit einer anderen Eingabemethode, wie Analog-Sticks, Schaltern und Tasten und/oder einem Gehirn-Computer-Schnittstelle, eingegeben werden, können die Bewegungsvorgaben für die Systembauteile in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 5 auch automatisch anhand einer für das Gesamtsystem vorgegebenen Bewegungsrichtung oder eines Bewegungsmusters berechnet werden.
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Der spezielle Mechanismus der Handschwingen in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 4 kann auch bei Vögeln beobachtet werden. Wenn sie senkrecht starten, erzeugen sie mit den Handschwingen auch beim Aufschlag Schub. Dazu wird ein Flügelendglied bzw. die einzelne Handschwinge nach hinten/oben geschlagen/geklappt, und die Luft wird dadurch nach hinten unten weggedrückt bzw. beschleunigt.
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Mit einer Einstellung der Verhältnisse von Reglereingangsgrößen und Reglerausgangsgrößen in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 7 kann auch die Stärke der Feedbackkraft eingestellt werden, und die Winkelgeschwindigkeiten von Armen und Flügeln müssen nicht immer gleich sein. Außerdem können die Bewegungen von Exoskelett und Flügeln entkoppelt werden, damit man „die Hände frei hat“. Es können zudem Vereinfachungen möglich sein, z.B. indem manche Freiheitsgrade zusammengefasst werden, sodass nur einer gesteuert werden muss. D.h., Sollwert und Regelgröße müssen keinen direkten Bezug zueinander haben.
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Durch die in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 10 vorgesehenen Gyroskope können zusätzlich zu den Luftkräften, Momente erzeugt werden. Dadurch kann der Pilot vermutlich andere Manöver fliegen. Außerdem könnte das für die Flugregelung nützlich sein.
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Eine Notfall-Konfiguration, wie sie in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 11 vorgesehen ist, kann das Flugsystem gegenüber technischen Problemen oder körperlichen und/oder geistigen Ausfällen des Piloten sicherer machen. Zu diesem Zweck können beispielsweise vorgespannte Energiespeicher mit den Aktoren des Flugsystems verbunden sein, oder Airbags, Retrorockets, Sprengfallschirme oder dergleichen zum Einsatz kommen.
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Zusätzliche Antriebselemente, wie sie in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 12 vorgesehen sind, können beispielsweise für den Schnellflug, oder zur Erholung des Piloten verwendet werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Vorderansicht eines Flugsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines Teils des Flugsystems von 1;
- 3 zeigt einen Ausschnitt einer Skelettstruktur des Flugsystems von 2;
- 4 zeigt eine Rückansicht des Ausschnitts von 3;
- 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Flugsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes, nicht ausschließliches Ausführungsbeispiel des Patentinhalts beschrieben. In den 1 bis 4 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Verbindungselemente, Sensoren, Leitungen und andere Details sind nicht dargestellt. In 3 und 4 ist die Darstellung der Übersichtlichkeit halber auf die Skelettstruktur und die bevorzuge Ausführung der Mechanik der Flügel reduziert. 5 zeigt eine mögliche Blockdarstellung der Einzelsysteme im Gesamtsystem.
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Das Flugsystem dieses Ausführungsbeispiels weist ein Exoskelett 1, eine Schlagflügelanordnung mit zwei Schlagflügeln 2 sowie ein Leitwerk 9 auf (1).
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Das Exoskelett 1 weist einen Geräterucksack 11, ein Brustgeschirr 12, einen Leibgurt 13, eine Oberschenkelmanschette 14 für jeden Oberschenkel eines hier nicht näher dargestellten Piloten, ferner für jeden Arm des Piloten eine Oberarmmanschette 15, eine Unterarmmanschette 16 und einen Handschuh 17 und für jeden Fuß des Piloten einen Stiefel 18 auf. Das Brustgeschirr 12 und der Leibgurt 13 sind am Geräterucksack 11 befestigt und sind ausgebildet, um Brustkorb und Unterleib des Piloten aufzunehmen. Die Oberschenkelmanschetten 14 sind am Geräterucksack 11 angelenkt und sind ausgebildet, um die Oberschenkel des Piloten aufzunehmen. Die Oberarmmanschetten 15 sind am Geräterucksack 11 angelenkt und sind ausgebildet, um die Oberarme des Piloten aufzunehmen. Die Unterarmmanschetten 16 sind an der jeweiligen Oberarmmanschette 15 angelenkt und sind ausgebildet, um die Unterarme des Piloten aufzunehmen. Die Handschuhe 17 sind an der jeweiligen Unterarmmanschette 16 angelenkt und sind ausgebildet, um die Hände oder nur die Handflächen des Piloten zu aufzunehmen. Die Stiefel 18 sind an der jeweiligen Oberschenkelmanschette 14 angelenkt und sind ausgebildet, um die Unterschenkel und/oder die Füße des Piloten aufzunehmen. Die Gelenke zwischen dem Geräterucksack 11 und jeder Oberschenkelmanschette 14, zwischen dem Geräterucksack 11 und jeder Oberarmmanschette 15, zwischen den Oberarmmanschetten 15 und der jeweiligen Unterarmmanschette 16, zwischen den Unterarmmanschetten 16 und den jeweiligen Handschuhen 17, zwischen den Oberschenkelmanschetten 14 und den jeweiligen Stiefeln 18 sowie ggf. innerhalb der Stiefel 18 zwischen Schaft- und Fußteil und/oder innerhalb der Handschuhe 17 an den Fingergelenken sind mit Sensoren (nicht näher ausgestattet bzw. 521 in 5) ausgestattet, welche die jeweilige Gelenkstellung bezüglich jeweils mindestens einer Achse erfassen, und sind ferner mit Aktoren (nicht näher dargestellt bzw. 522 in 5), ausgestattet, welche ausgebildet sind, um an den jeweiligen Gelenkachsen eine Reaktionskraft darzustellen. Die Sensoren und Aktoren des Exoskeletts sind signaltechnisch mit einem Steuergerät (nicht näher dargestellt bzw. 53 in 5), welches in dem Geräterucksack 11 aufgenommen ist, verbunden und können von dem Steuergerät 53 auch mit Energie versorgt werden, sofern sie nicht eine eigene Energiequelle aufweisen. Eine Signalübertragung kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Auch Gelenkstellungen können mit herkömmlichen Sensoren oder berührungslos über die Erfassung der relativen Stellungen verschiedener Sende- und Empfangspunkte am Exoskelett 11 zueinander sensiert werden.
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Der Auftrieb des Gesamtsystems wird hauptsächlich von den Schlagflügeln 2 erzeugt. Sie bestehen aus mindestens zwei, in der bevorzugten Ausführung jedoch aus drei Abschnitten bzw. Flügelgliedern, welche gelenkig miteinander verbunden sind. Die Lagesteuerung des Flugsystems erfolgt auch über das Leitwerk 9, das mehrere Schwanzfedern 91 aufweist.
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Die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 sind ebenfalls am Geräterucksack 11 befestigt bzw. angelenkt (2). Die einzelnen Bestandteile der Schlagflügel 2 werden nachstehend, soweit sinnfällig, in Anlehnung an ihr anatomisches Vorbild am Vogelflügel bezeichnet. Jeder Schlagflügel 2 weist als ein erstes Flügelglied einen Oberarmabschnitt 21, als ein zweites Flügelglied einen Unterarmabschnitt 22 und als ein drittes Flügelglied einen Handabschnitt 23 auf. Ein Schultergelenk 24 verbindet den Oberarmabschnitt 12 mit dem Geräterucksack 11. Ein Ellbogengelenk 25 verbindet den Oberarmabschnitt 12 mit dem Unterarmabschnitt 22. Ein Handgelenk 26 verbindet den Unterarmabschnitt 22 mit dem Handabschnitt 23. Der Oberarmabschnitt 21, der Unterarmabschnitt 22 und der Handabschnitt 23 weisen jeweils eine Verkleidung 27 auf, welche jeweils wenigstens eine Anströmkante ausbilden. Im in Strömungsrichtung rückwärtigen Bereich der Abschnitte 21, 22, 23 sind jeweils mehrere Armschwingen 28 vorgesehen. Die Armschwingen 28 können starr oder wenigstens zum Teil um eine, zwei oder drei Achsen (in und/oder senkrecht zur Flügelebene und/oder um die Federachse) beweglich an den jeweiligen Abschnitten 21, 22, 23 befestigt sein. Am distalen Ende der Handabschnitte 23 sind jeweils mehrere Handschwingen 29 vorgesehen. Die Handschwingen 29 können wie die Armschwingen 28 um eine, zwei oder drei Achsen beweglich am Handabschnitt 23 befestigt sein oder können wenigstens zum Teil auch starr befestigt sein. Die Verkleidungen 27 und Armschwingen 28 bilden aerodynamisch wirksame Tragflächen. Die Flächen (Verkleidungen 27, Schwingen 28, 29) sind derart ausgeführt und gelagert, dass die Flügelgelenkfreiheitsgrade nicht behindert werden. Obschon hier nicht näher dargestellt, können im Bereich der Gelenke 24, 25, 26 jeweils elastische Verkleidungen vorgesehen sein, um Spalte zwischen den Verkleidungen 27, an welchen Verwirbelungen entstehen könnten, zu vermeiden, oder können die Verkleidungen 27 jeweils so, beispielsweise ineinandergreifend und/oder abschnittweise elastisch verbunden, ausgebildet sein, dass bei jeder Gelenkstellung der Gelenke 24, 25, 26 kein oder nur ein sehr geringer Spalt zwischen den Verkleidungen 27 entsteht. In einer Ausführungsvariante eines fledermausartigen Flügels, kann die ganze Flügelfläche aus dehnbarem Material bestehen.
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Optional können auch kleine Federn bzw. federartige Elemente vorgesehen sein, die sich in Stromrichtung auf der Oberfläche der Flügel anlegen. Kommt es zum Strömungsabriss, kehrt sich bekanntlich die Strömungsrichtung in der Grenzschicht um. Die kleinen Federn stellen sich in diesem Fall durch die Strömung auf, womit die Rückströmung behindert oder gar unterbunden wird. Dieser Mechanismus kann für die instationären Strömungsprozesse am Schlagflügel nützlich sein.
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Die Skelettstruktur der Schlagflügel 2 wird nun genauer beschrieben. Die 3 entspricht der 2 aus einer anderen Perspektive, wobei zur Veranschaulichung innerer Strukturen ein Schlagflügel 2, Verkleidung 27 und Schwingen 28, 29 des dargestellten Schlagflügels 2 sowie Teile des Exoskeletts 1 weggelassen sind. 4 entspricht der 3 von hinten. In Anlehnung an ihr biologisches Vorbild werden die Skelettteile des Oberarmabschnitts 21, des Unterarmabschnitts 22 und des Handabschnitts 23 nachstehend als Humerus 31, Ulna 32 und Digitus 33 bezeichnet. (Ein Radius entfällt, da Unterarmtorsion technisch anders umgesetzt wird.) Im Sinne dieser Beschreibung beziehen sich Bezeichnungen wie proximal, distal etc. auf die Richtung oder Lage in Bezug auf den Geräterucksack 11 bzw. dessen Mitte.
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Die Gelenke 24, 25, 26 sind durch Drehsteller 35, Linearsteller 36, Hebel 37 und Riementriebe 38 mit Drehrädern 39 verwirklicht und aktuierbar.
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Insbesondere ist das Schultergelenk 24 wie folgt aufgebaut: Ein Drehsteller 35 dreht einen an dem Geräterucksack 11 gelagerten Ring um eine Achse 40. Auf dem Ring ist ein Hebel 37 gelagert, dessen im Inneren des Rings liegendes (proximales) Ende durch einen ebenfalls am Geräterucksack 11 gelagerten Linearsteller 36 entlang der Achse 40, d.h. von dem Geräterucksack 11 weg und zu diesem hin, linear bewegt wird. Hierdurch kann der Hebel 37 in dem Lagerpunkt auf dem Ring um eine Achse 41 schwenken. Es versteht sich, dass der Hebel 37 mit dem Ring auch um die Achse 40 schwenken kann. Das außerhalb des Rings liegende (distale) Ende des Hebels 37 trägt einen weiteren Drehsteller 35, dessen beweglicher Teil am Humerus 31 angreift und diesen gegenüber dem Hebel 37 um dessen Achse 42 dreht. Der Humerus 31 kann im Inneren des Hebels 37 weiter nach proximal verlaufen und dort wenigstens radial gelagert sein, was Biegemomente im Drehsteller 35 bzw. im Hebel 37 reduziert. Ersichtlich definiert, in Analogie zu einer Flügelkonfiguration eines Vogels oder auch Flugzeugs, eine Winkellage um die Achse 40 einen Pfeilungswinkel, definiert eine Winkellage um die Achse 41 einen Schlagwinkel und definiert eine Winkellage um die Achse 42 einen Anstellwinkel des Schlagflügels 2.
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Das Ellbogengelenk 25 weist einen Hebel 37 auf, der am äußeren (distalen) Ende des Humerus 31 um eine Achse 43 schwenkbar gelagert ist. Ein Linearsteller 36 greift am Humerus 31 und am proximalen Ende des Hebels 37 an und schwenkt diesen somit um die Achse 43. Am distalen Ende des Hebels 37 ist ein weiterer Drehsteller 35 vorgesehen, dessen beweglicher Teil an der Ulna 32 angreift und diese und gegenüber dem Hebel 37 um dessen Achse 44 dreht. Die Ulna 32 kann im Inneren des Hebels 37 weiter nach proximal verlaufen und dort wenigstens radial gelagert sein, was Biegemomente im Drehsteller 35 bzw. im Hebel 37 reduziert. Ersichtlich definiert, in Analogie zu biologischen Gegebenheiten, eine Winkellage um die Achse 43 einen Flexionswinkel des Ellbogengelenks 25 und definiert eine Winkellage um die Achse 44 einen Unterarm-Torsionswinkel.
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Das Handgelenk 26 ist wie folgt aufgebaut: Am distalen Ende der Ulna 32 ist ein Kreuzgelenk mit zwei Achsen 45, 46 angebracht, welches nach distal in den Digitus 33 übergeht. Die auf der Seite der Ulna 32 gelagerte Achse 45 trägt auch ein Rad 49, welches über einen Riemen 38 mit einem an der Ulna 32 angebrachten Drehsteller 35 angetrieben wird. Ein Linearsteller 36 greift einerseits an der Achse 45 an und schwenkt mit dieser mit, und greift andererseits am Digitus 33 an, um diesen um die Achse 46 zu schwenken. Ersichtlich definiert, wieder in Analogie zu biologischen Gegebenheiten, eine Winkellage um die Achse 45 einen Abduktionswinkel und definiert eine Winkellage um die Achse 46 einen Flexionswinkel des Handgelenks 26.
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Der Humerus 31 hat somit 3 Freiheitsgrade der Rotation, welche effektiv erlauben, die Flügel zu schlagen (41), zu schwenken bzw. zu pfeilen (40), und anzustellen bzw. zu drehen (42). Die Ulna 32 hat zwei Freiheitsgrade, mit denen die Schlagflügel 2 gefaltet (43), und verschränkt (44) werden können. Der Digitus 33 kann ebenfalls falten (46), und zusätzlich noch hängen (45). Die Achse 45 ist eine Achse, die senkrecht auf der Faltachse 46 und der Längsachse des Digitus steht.
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Das Leitwerk 9 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ebenfalls den Vögeln nachempfunden. Mehrere Schwanzfedern 91 sind wie ein Fächer an einer gelenkigen Basis 94 fixiert. Die Basis 94 besitzt zwei Freiheitsgrade: drehen um die Winkelhalbierende 47 des Fächers mittels eines Drehstellers 35, und kippen um eine durch den Fußpunkt der Basis 94 verlaufende Querachse 48 mittels eines weiteren Drehstellers 35 und Riementriebs 38. Optional können auch die einzelnen Schwanzfedern 91 um die eigene Achse tordierbar und/oder gegenüber der Basis 94 schwenkbar sein. Die Aktoren und Sensoren sind vergleichbar denen der Schlagflügel 2.
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Relativbewegungen zwischen den einzelnen Gliedern 21, 22, 23, 94 bzw. gegenüber dem Geräterucksack 11 werden direkt oder indirekt durch die genannten Steller oder Aktoren hervorgerufen. Mit Aktoren sind arbeitsfähige Bauelemente gemeint. Beispiele sind Elektromotoren, Pneumatik-, oder Hydraulikzylinder. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies vor allem Hydraulik-Linearzylinder (Linearsteller 36) und Hydraulik-Drehzylinder (Drehsteller 35). Wie beschrieben, können auch weitere Elemente der Kraftübertragung und -umwandlung verwendet werden, wie ein Riementrieb 38, 39.
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Positionen, Kräfte, und andere relevante Größen, werden mit diversen Sensoren aufgenommen. Das sind zum Beispiel Kraftmessdosen, Dehnungsmessstreifen (DMS), Positionssensoren, Thermometer, Druckmessdosen, usw.
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Sofern einzelne Schwingen 28, 29 oder Schwanzfedern 91 individuell aktuierbar sind, sind hierfür weitere entsprechende Aktoren und ggf. Sensoren vorzusehen.
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Das Exoskelett 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine festen Struktur 11-13 für den Rumpf und eine bewegliche Struktur 14-18 für die Arme und für die Füße und/oder Beine des Piloten auf. In 1 ist das Exoskelett 11 nur symbolisch als Arm- und Fußumrisse dargestellt. Es versteht sich, dass die dargestellte Anordnung rein beispielhaft ist und im Rahmen der hier vorgestellten Funktionalität nach Belieben abwandelbar ist. Beispielsweise steht der Geräterucksack für eine beliebige Form von Geräteträger, an welchem die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 angelenkt sein können. Ferner kann beispielsweise anstelle von Brustgeschirr 12 und Leibgurt 13 ein Harnisch oder eine Weste vorgesehen sein, an welcher die Oberarmmanschetten 15 und die Oberschenkelmanschetten 14 angelenkt sind. Der Geräterucksack 11 kann gesondert ausgebildet und an dem Harnisch bzw. der Weste montierbar sein. Es kann eine Rückenplatte vorgesehen sein, an welcher Brustgeschirr 12, Leibgurt 13 und Manschetten 14, 15 angebracht bzw. angelenkt sind und an welcher ein Geräteträger anbringbar ist. Es kann als Exoskelett 1 auch ein Ganzkörperanzug vorgesehen sein, der die Funktionen von Brustgeschirr 12, Leibgurt 13, Manschetten 14-16, Handschuhen 17 und Stiefeln 18 sowie aller Gelenke dazwischen integriert. Im letzteren Fall kann beispielsweise der Geräterucksack 11 mit den Schlagflügeln 2 und dem Leitwerk 9 über den Ganzkörperanzug gezogen werden. Alle denkbaren Kombinationen der oben genannten Abwandlungen sind nach Bedarf und Einsatzzweck möglich.
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Zum weiteren Verständnis wird das Flugsystem nun noch aus Systemsicht anhand der Blockdarstellung in 5 beschrieben. Das Flugsystem oder Gesamtsystem 50 weist ein Flügelsystem 51, ein Exoskelettsystem 52 und ein zentrales Steuergerät 53, welches auch als Flugkontrollrechner bezeichnet werden kann, auf. Optional können eine Piloten-Informationsschnittstelle 54, ein Alternativeingabesystem 55 und ein Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 vorgesehen sein. Das Flügelsystem 51 weist Steuerbauteile 511 der Flugaktoren 35, 36 (3, 4), ein Notfall-Stabilisierungssystem 512 sowie eine Vielzahl von Sensoren 513 auf. Das Exoskelettsystem 52 weist Sensoren und Eingabeschnittstellen 521 für die einzelnen Glieder bzw. Gelenke des Exoskeletts 1 (1), Steuerbauteile 522 von Feedback-Aktoren des Exoskeletts 1 und ein Reglersystem 523 auf. Das optionale Alternativeingabesystem 55 kann beispielsweise analoge Sticks und Schalter 551, eine Gehirn-Computer-Schnittstelle 552 oder andere Eingabeeinrichtungen 553 aufweisen. Das optionale Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 kann beispielsweise ein oder mehrere Gyroskope 561, einen oder mehrere Zusatzantriebe 562 oder weitere Module 563 aufweisen. Das Steuergerät 53 kann auch als Teil des Flügelsystems 51 behandelt werden. Ebenso kann das Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 auch als Teil des Flügelsystems 51 behandelt werden. Das Reglersystem 523 des Exoskelettsystems 52 kann auch ganz oder teilweise in dem Steuergerät 53 integriert sein. Das Steuergerät 53 kann auch verteilt in anderen Systemen verwirklicht sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 53 mit Ventilen, usw. physisch im Geräterucksack 11 untergebracht, der somit als Geräteträger dient.
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Alle sieben aktuierten Freiheitsgrade 40-46 der Schlagflügel 2 sollen in diesem Ausführungsbeispiel von den Armen kontrolliert werden, weshalb beispielsweise ebenfalls sieben sensierte Freiheitsgrade an den Armen als Reglereingangsgrößen für das zentrale Steuergerät 53 zur Steuerung der Schlagflügel 2 dienen. Es können auch mehr oder weniger Freiheitsgrade an den Armen sensiert werden, die in die aktuierten Freiheitsgrade der Schlagflügel umgerechnet werden. Die (wenigstens) zwei Freiheitsgrade der Schwanzfedern 91 sollen mit den Sprunggelenken und/oder Knien gesteuert werden. Das Neigen des Fächers um die Querachse 48 kann beispielsweise durch den mittleren Winkel der beiden Gelenke kontrolliert werden, während das Drehen des Fächers um die Längsachse 47 durch die Winkeldifferenz der beiden Gelenke kontrolliert werden kann. Ein Drehen des Rumpfs oder ein Beugen einer Hüfte kann zur Lagesteuerung, etwa einer Rollsteuerung, verwendet werden, wobei das Rollen beispielsweise über einen Anstellwinkel der Schlagflügel 2 eingeleitet werden kann. Die Regelung der aktuierten Freiheitsgrade kann zum Beispiel in an sich bekannter Weise durch Impedanz- oder Admittanzregelung erfolgen.
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Ergänzend zum Exoskelett 1 kann optional auch eine andere Eingabemethode für die Reglereingangsgrößen genutzt werden. Denkbar ist, die Bewegungen der Flügel 2 in Form von Bewegungsmustern zu abstrahieren. Diese Muster könnten mit Schaltern, Tasten und/oder Analog-Sticks abgerufen und kontrolliert werden. Denkbar wäre, den Flügelschlag auf Tastendruck auszulösen, und dabei die Vorwärts-, Seitwärts- und Rollbewegungen des Gesamtsystems durch Analog-Sticks zu steuern. Die Stabilisierung der Fluglage könnte in einem solchen Fall komplett automatisch vom Flugsteuerungssystem übernommen werden. Hierdurch könnte auch eine Autopilotfunktion oder Notfallübernahmefunktion verwirklicht werden.
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Das Steuergerät bzw. die Flugsteuerung 53 kontrolliert das gesamte Flügelsystem 51 und kann auch das Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 kontrollieren. Es nimmt die Zustände und Messgrößen des Flügelsystems 51, sowie die Signale der Eingabemethoden 521 des Exoskelettsystems 52 wie auch optional des Alternativeingabesystems 55 auf. Sie werden mit gängigen Methoden verarbeitet und dann zum Beispiel als Stellgrößen für die Aktoren des Flügelsystems 51, als Eingangsgrößen für den Exoskelettregler 523 und als Informationen für den Piloten über die Schnittstelle 54 wieder ausgegeben. In 5 ist eine Übersicht über die Informationsflüsse zu sehen. Solcherart Steuerungssysteme sind an sich in vielfältigen Anwendungen und Variationen bekannt, und häufig in quadruplex Ausführung in Flugzeugen vorhanden. Bezüglich der Verknüpfung von Exoskelett und Flügeln kann beispielsweise ein Vier-Kanal bilaterales Telemanipulationssystem eingesetzt werden.
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Alle vorher genannten Subsysteme sind mit dem Geräterucksack 11 verbunden. Er stellt die zentrale Struktur zwischen Schlagflügeln 2, Leitwerk 9 und Pilot bzw. Exoskelett 1 dar. Der Geräterucksack 11 wurde vorstehend als zum Exoskelett 1 bzw. Exoskelettsystem 52 zugehörig beschrieben. Diese Zugehörigkeit ist jedoch nicht zwingend. Der Geräterucksack 11 kann auch als zum Flügelsystem 51 zugehörig betrachtet werden, wobei lediglich eine Rückenplatte oder -struktur des Geräterucksacks 11, an welcher die Oberarm- und Oberschenkelmanschetten 15, 14 angelenkt sind, zum Exoskelettsystem 52 gehörig betrachtet werden kann.
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In dem Geräterucksack 11 befinden sich alle weiteren Aggregate und Einrichtungen, welche für den Betrieb erforderlich sind und nicht an einer anderen Struktur angebracht sind. Dies sind zum Beispiel Energiespeicher wie Batterien, Druckbehälter und Treibstofftanks sowie etwa Energiewandler wie Elektromotoren, Wellenleistungstriebwerke, Verbrennungsmotoren und Hydraulikpumpen. Weiterhin enthält er das Steuergerät 53, Schalter und Ventile für die Aktoren des Flügelsystems 51, und eventuell Gyroskope. Weitere in der Luftfahrt übliche Hilfssysteme wie Feuerlöschsysteme sind auch denkbar. In der bevorzugten Ausführung enthält er auch Regler, Schalter und Ventile, usw. für die Versorgung und Regelung des Exoskelettsystems 52. Der Pilot ist an ihm bevorzugt über das Gurtzeug 12, 13 ähnlich jenen der Fallschirmspringer befestigt. Die Oberarmmanschetten 15 und Oberschenkelmanschetten 14 sind an ihm beweglich befestigt. In einer Ausführungsvariante benötigt das Exoskelett 1 um die Füße/Knie keine strukturelle Befestigung. Zu ihm führen in diesem Fall nur die benötigten Verbindungen für die Aktoren und Sensoren.
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Für den Fall, dass der Flug außer Kontrolle geraten sollte, ist das Notfallsystem 512 vorgesehen. Hierdurch werden zum Beispiel die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 in eine tragfähige Konfiguration gebracht, wenn das Exoskelett 1 den Dienst versagt. In Zylinder/Kolbenaktoren 35, 36 kann dies eine vorgespannte und arretierte Feder sein. Wird die Arretierung gelöst, bewegt sie den Flügel derart, dass das Gesamtsystem in den Gleitflug übergehen kann, oder beispielsweise eine Konfiguration ähnlich dem Löwenzahn-Samen einnimmt, die die Sinkgeschwindigkeit begrenzt. Auch ein Druckgasbehälter mit manuellem Ventil, mit dessen Hilfe die Kolben manuell bewegt werden können, wäre denkbar. Auch könnte ein explosiv ausgeworfener Fallschirm, der auch in kleinen Höhen wirksam ist, genutzt werden. Denkbar ist auch, dass die Einheit von Exoskelett 1 und Pilot vom Flügelsystem getrennt werden kann und einen separaten Fallschirm besitzt. Um in die Notfallkonfiguration zu gelangen, kann das Notfallsystem beispielsweise von der Flugsteuerung oder direkt vom Piloten aktiviert werden.
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Für die Navigation und andere Zwecke kann die Schnittstelle 54 an die Flugsteuerung vorgesehen sein, welche diverse Informationen wie z.B. Fluglage und - geschwindigkeit, Treibstoffmenge, Flughöhe, etc. weitergibt. Diese können von Instrumenten, einem Head- Up-Display-(HUD)- oder Head-Mounted-Display-(HMD)-System und anderen Modulen verwendet werden.
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Es ist denkbar, zusätzliche Antriebssysteme am Flügelsystem anzubringen. Möglich wäre zum Beispiel, Strahlantriebe an dem Geräterucksack 11 anzubringen, oder Propeller samt Antrieb an den Flügeln 2 oder dem Geräterucksack 11 anzubringen. Auf diese Weise wäre es möglich, höhere Fluggeschwindigkeiten zu erzielen.
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Nutzungskonzepte
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Eine erste, nicht ausschließliche Anwendung wäre eine Art verbesserter Hängegleiter. Im Unterschied zu Gleitschirmen und Drachen wäre jedoch eine sehr viel agilere und präzisere Bewegung in der Luft möglich. Zum Beispiel kann ein Strömungsabriss an einem Flügel durch Schlagen des Flügels beendet werden. Abhängig von der Leistungsfähigkeit der mitgeführten Energiespeicher ist es zudem möglich, durch Schlagen der Flügel Höhe zu gewinnen. Bei entsprechender Konstruktion und Energiequelle ist ein Senkrechtstart mit den Flügeln möglich.
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Weil die Flügel faltbar sind, ist es möglich, an verwinkelten Orten zu fliegen und Engstellen mit angezogenen Flügeln zu passieren. In der Summe ist ein Flugsystem nach der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die freie Beweglichkeit in der Luft derjenigen anderer Fluggeräte überlegen.
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In der bevorzugten Ausführung ist der Pilot mit dem Flügelsystem verbunden und fliegt mit. Eine weitere Möglichkeit ist, die Verbindung zwischen Eingabemethode und Flügelsystem per Funk herzustellen. Auf diese Weise entsteht ein Telepräsenz-, bzw. Telerobotiksystem, welches größere freie Transportkapazitäten hat. Der Pilot könnte so beispielsweise mit seinem Exoskelett in einem Geschirr schweben, während das Flügelsystem an einem entfernten Ort in der Art einer Drohne agiert. Möglicherweise ist ein derartiges Flügelsystem auch allein mit Hilfe alternativer Eingabemethoden oder Flugmustern steuerbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Exoskelett
- 2
- Schlagflügel
- 9
- Leitwerk
- 11
- Geräterucksack
- 12
- Brustgurt
- 13
- Leibgurt
- 14
- Oberschenkelgurt
- 15
- Oberarmmanschette
- 16
- Unterarmmanschette
- 17
- Handschuh
- 18
- Stiefel
- 21
- Oberarmabschnitt
- 22
- Unterarmabschnitt
- 23
- Handabschnitt
- 24
- Schultergelenk
- 25
- Ellbogengelenk
- 26
- Handgelenk
- 27
- Verkleidung
- 28
- Armschwinge
- 29
- Handschwinge
- 31
- Humerus
- 32
- Ulna
- 33
- Digitus
- 35
- Drehsteller
- 36
- Linearsteller
- 37
- Hebel
- 38
- Riementrieb
- 40-46
- Freiheitsgrade des Schlagflügels
- 47,48
- Freiheitsgrade des Leitwerks
- 50
- Gesamtsystem
- 51
- Flügelsystem
- 511
- Steuerbauteile der Flugaktoren
- 512
- Notfall-Stabilisierungssystem
- 513
- Sensoren
- 52
- Exoskelettsystem
- 521
- Sensoren und Eingabeschnittstellen
- 522
- Steuerbauteile der Exoskelett-Aktoren
- 523
- Reglersystem
- 53
- Zentrales Steuergerät
- 54
- Informationsschnittstelle für Pilot (optional)
- 55
- Alternativeingabesystem
- 551
- Analoge Sticks und Schalter
- 552
- Gehirn-Computer-Schnittstelle
- 553
- Andere Eingabeeinrichtungen
- 56
- Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem (optional)
- 561
- Gyroskop(e)
- 562
- Zusatz-Antrieb(e)
- 563
- Weitere Module
- 91
- Schwanzfeder
- 94
- Basis
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Die vorstehende Liste ist integraler Bestandteil der Beschreibung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 652170 [0002]
- DE 173926 [0003]
- WO 2014/028083 A2 [0004]
