DE10330994A1

DE10330994A1 - Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme von Personen

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Publication number: DE10330994A1
Application number: DE10330994A
Authority: DE
Inventors: Adrian Gonzalez De Mendoza
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2005004082A2; WO2005004082A3

Abstract

Mittels schwenkbarer Reibrollen elektromotorisch angetriebene, raumfest gelagerte Hohlkugel, die für ein oder mehrere Benutzer zugänglich ist und deren Antriebe von einer gemeinsamen Steuerung kontrolliert werden, die einen Kugelkörper aufweist, der aus mehreren schalenartigen Einzelelementen mit einer dem Kugelradius entsprechend gewölbten, weitgehend glatten Außenfläche und einem innenliegenden selbsttragenden Gitterwerk gebildet wird, an dem die Schalenelemente befestigt sind. Die Kugel ist von einem Sicherheitsgestell umgeben und weist Notöffnungen auf.

Description

Technisches Gebiet, Stand der Technik, Aufgabenstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft mittels schwenkbarer Reibrollen (3) elektromotorisch angetriebene raumfest gelagerte Hohlkugeln, die für ein oder mehrere Benutzer zugänglich sind und deren Antriebe von einer elektronischen Steuerung kontrolliert werden.

Solche Kugeln sind in der Lage um jede beliebige ihren Zentrumspunkt schneidende Achse um 360° zu rotieren. Sie werden im folgenden als Simulations- und Trainingskugeln bezeichnet. Sie finden vor allem Anwendung als Flugsimulatoren und Vergnügungsgeräte, wobei ein Benutzer in der Regel in einer Art Kanzel im Inneren der Kugel sitzt und mittels Steuerädern, Joysticks und ähnlichem die Bewegungen der Kugel kontrolliert. (z.B. US 2,344,454 ). Neuere Veröffentlichungen beschreiben Simulations- und Trainingskugeln, mit denen ein Benutzer in die Lage versetzt wird sich mit Hilfe moderner computergesteuerter Anzeigegeräte durch virtuelle Räume zu bewegen. (z.B. EP 0839 559 A1 ; US 5,980,256 ; NL 9000722 u.a.). Weitere Veröffentlichungen beschreiben Geräte der vorgenannten Art in der sich Benutzer auf der Kugelinnenfläche oder in einem in der Kugel befindlichen Gestell relativ frei bewegen können. Die Bewegungen von einzelnen Gliedmaßen des Benutzers oder seines gesamten Körpers werden dabei erfasst und dienen der Kontrolle der Kugelbewegungen. Hierzu werden verschiedene Verfahren angewendet.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde eine mittels schwenkbarer Reibräder elektromotorisch angetriebenen Simulations- und Trainingskugel zur Aufnahme einer oder mehrerer Personen zu entwickeln, die geeignet ist den vielschichtigen Anforderungen, die an ein solches Gerät gestellt werden können zu genügen. Im Vordergrund stehen dabei insbesondere eine hohe Benutzersicherheit, hohe Ergonomie, geringe Herstellungskosten, geringe Geräuschentwicklung, Wartungsfreundlichkeit, Wartungsarmut, geringes Gewicht und große Steifigkeit der Kugelhülle (im Interesse einer hohen Dynamik) sowie eine gute Transportfähigkeit.

Im Ergebnis soll eine solche Kugel als Trainings- und Simulationsgerät möglichst universell einsetzbar sein. Die Simulationen sollen möglichst realitätsnah sein. Die Kugel sollte dem Benutzer ausreichend Bewegungsfreiheit geben, um sich in der Kugel in ähnlicher Weise sportlich zu betätigen, wie dies in Rhönrädern oder Human Gyroscopes der Fall ist.

Aufgaben im Einzelnen:

Aus der Anforderung eine Person aufnehmen zu können und dieser eine gewisse Bewegungsfreiheit zu verschaffen leitet sich die Mindestgröße einer solchen Kugel ab. Um auch großgewachsenen Menschen die Möglichkeit zu geben aufrecht in der Kugel zu stehen, und die Arme frei nach oben auszustrecken soll eine Kugel gebaut werden, die einen Innendurchmesser von mindestens 2,5 m aufweist.

Auch sollte die Kugel möglichst transparent sein, um dem drohenden Gefühl der Beklemmung im Inneren der Kugel entgegenzuwirken, weiterhin um Außenstehenden den Einblick in die Kugel zu ermöglichen, bzw. dem Benutzer zu erlauben zu erfassen, was außerhalb der Kugel vor sich geht. Ein weiterer Grund, der für eine Transparenz der Kugel spricht, ist die Tatsache, dass sich das Innere der Kugel im laufenden Betrieb nur schwer mit Energie versorgen lässt, somit eine Beleuchtung nach Möglichkeit von außen erfolgen können sollte. Auch kann ein Benutzer in einer transparenten Kugel seine eigene Lage im Raum besser erfassen, indem er sich an außenstehenden Objekten orientiert.

Die Kugelhülle soll zugleich leicht und steif sein. Eine leichte Kugelhülle stellt geringere Anforderungen an die Antriebsleistung und die Lagerung.

Um für ein angenehmes Klima im Inneren der Kugel zu sorgen muss für eine ausreichende Frischluftzufuhr gesorgt werden.

Des weiteren erfordert eine solche Kugel einen Zugang für den Benutzer, der groß genug sein sollte um für einen bequemen Ein- und Ausstieg zu sorgen. Dieser Zugang muss passgenau verschlossen werden können, um den Antriebsrollen ein Überrollen des Zugangs zu ermöglichen.

Für den Fall, dass die Kugel nach einem Stromausfall oder einer Betriebsstörung in einer Stellung stehen bleibt in der die normale Zugangsöffnung unzugänglich oder versperrt liegt, sollten auf der Kugeloberfläche in regelmäßigen Abständen von innen und außen zu öffnende Notausstiege bereitgestellt werden.

Die Kugel sollte so konstruiert sein, dass das Abrollen der Antriebsrollen auf der Kugeloberfläche eine möglichst geringe Geräuschentwicklung zur Folge hat. Dies erfordert eine möglichst homogene Oberfläche und eine steife schwingungsdämpfende Konstruktion.

Für den Fall, dass der Benutzer in der Kugel den Halt verliert, sollte das Innere der Kugel so ausgekleidet sein, dass es das Verletzungsrisiko für den Benutzer minimiert. Die Kugelhülle muss außerdem so steif sein, dass sie einen harten Stoss von innen her, wie er aufgrund eines solchen Sturzes entstehen kann schadlos übersteht.

Die Kugelhülle sollte möglichst aus gleichartigen, kostengünstig herstellbaren Elementen bestehen. Diese Elemente sollten sich leicht montieren und demontieren lassen. Dies ist nicht nur sinnvoll um eine kostengünstige Montage zu gewährleisten sondern auch um im Falle einer punktuellen Beschädigung der Kugel vor Ort eine schnelle Reparatur durch Austausch des betroffenen Elementes zu ermöglichen.

Die Kugelhülle soll leicht in Montageeinheiten zerlegbar sein, die durch Türen durchschnittlicher Größe passen. Somit kann die Kugel auch in Innenräumen aufgestellt werden, die kein großes Tor besitzen. Außerdem wird die Kugel dadurch besser transportabel.

Die Formtreue der Kugel sollte aus sehr unterschiedlichen Gründen in engen Grenzen gehalten werden. Eine Formtoleranz von kleiner als ±10mm bei einem Außenradius von etwa 1350 mm wird angestrebt. Ferner wird gefordert, dass Stufen wie sie etwa zwischen benachbarten Formelementen auftreten kleiner als 0,5 mm sein sollen.

Die Formtreue und Stabilität der Kugel soll in einem Temperaturbereich von etwa –10° bis + 50° gewährleistet bleiben. Dies stellt bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien in der Außenhülle, wie Sie hier vorgeschlagen werden, gewisse Anforderungen an die Verbindung der Einzelelemente, denn Sie müssen die auftretenden ungleichen Größenänderungen der Einzelelemente zulassen. Auch darf die Funktion der Tür oder der Notöffnungen von Temperaturänderungen nicht beeinträchtigt werden.

Das Kugelinnere soll eine Vielzahl universeller Adapterstellen aufweisen, um die Inneneinbauten leicht dem jeweiligen Anwendungszweck anpassen zu können.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung löst die beschriebenen Aufgaben, indem Sie den zu umschließenden kugelförmigen Innenraum mit einem hochgenauen und gleichzeitig hochfesten wabenartigen Tragwerk überzieht, das vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Die Waben werden nach außen durch vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellte Schalenelemente abgedeckt. Diese Schalenelemente bilden nach außen die Kugeloberfläche auf der die Antriebsrollen abrollen. Zur Innenseite hin können sie mitgegossene Verrippungen aufweisen um dem starken Auflagedruck der Rollen zu widerstehen. Sie bestehen vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoff, z.B. PMMA. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform liegen die Schalenelemente nicht unmittelbar auf dem Tragwerk auf, sondern werden durch ein zwischenliegendes elastisches Bauelement von diesem getrennt, dass die Aufgabe hat die Geräuschentwicklung zu hemmen, die Anforderungen an die Passgenauigkeit der Schalenelemente zu reduzieren und die unterschiedliche Wärmeausdehnung eines metallischem Tragwerks und der Kunststoffschalenelemente zu kompensieren.

Ein solches Tragwerk besteht vorteilhafterweise aus sternförmigen Knotenelementen, die durch Bleche miteinander verbunden sind.

Durch das Zentrum der Knotenelemente geht dabei entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ein Durchbruch, der zur Aufnahme des Knotenelements bei verschiedenen Fertigungsschritten und später zur Einbringung von Gewindehülsen oder ähnlichem dienen kann und somit ein gleichmäßiges im Inneren der Kugel verteiltes universelles Netz von Adapterstellen für Inneneinbauten ergibt. Diese Durchbrüche können gleichzeitig zur Aufnahme von z.B. Notausschaltern genutzt werden oder der Befestigung außenliegender Traghaken dienen.

Der Größe spritzgegossener Schalenelemente sind Grenzen gesetzt. Diese resultieren aus Wirtschaftlichkeitsüberlegungen bei der Gestaltung der Spritzgussform und aus Formtoleranzproblemen, die beim Spritzen großer Formteile zunehmen. Ein im Spritzgussverfahren hergestelltes Schalenelement mit einer maximalen Ausdehnung von weniger als 600mm ergibt eine sinnvolle Formgröße. Eine Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin eine Segmentierung der Kugeloberfläche zu erreichen, die möglichst gleichartige Schalenformen unter Einhaltung dieser 600mm-Grenze ergibt.

Eine weitere Forderung bestand darin für den Fall einer Störung und insbesondere eines Stromausfalls einen sicheren Ausstieg aus der Kugel zu ermöglichen. Dabei kann die eigentliche Zugangsöffnung aber so ungünstig liegen, dass sie nicht zu öffnen ist. Für diesen Fall ist es sinnvoll die Kugelhülle mit einer ausreichenden Anzahl gleichmäßig auf der Kugelhülle verteilten Notöffnungen zu versehen.

Die so an die Struktur der Kugelhülle gestellten Forderungen lassen sich besonders vorteilhaft durch eine Segmentierung der Kugeloberfläche erfüllen, die sich von der Projektion der Kanten eines platonischen Körpers auf die Kugeloberfläche ableitet. Geeignete Segmentierungen gelingen auf der Basis des Dodekaeders oder des Ikosaeders.

Die dabei auf der Kugeloberfläche projizierten 12 Fünfecksflächen des Dodekaeders oder die 20 Dreiecksflächen des Ikosaeders sind aber noch bei weitem zu groß und werden deshalb weiter unterteilt.

Die auf die Kugeloberfläche projizierten 20 Dreiecksflächen des Ikosaeders können in je 9 dreieckige Einzelelemente unterteilt werden, bei denen 3 und 6 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus insgesamt 120 und 60 jeweils gleichen Schalenelementen zusammensetzen lässt.

Die auf die Kugeloberfläche projizierten 12 Fünfecksflächen des Dodekaeders können in je 15 rhombenförmige Einzelelemente unterteilt werden, von denen 5 und 10 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus ebenfalls insgesamt 60 und 120 jeweils gleichen Schalenelementen zusammensetzen lässt.

Um eine bessere Vorstellung vom Aussehen der Kugeloberfläche zu erhalten kann man sich einen klassischen Fußball vorstellen. Dieser besteht aus 12 schwarzen fünfeckigen und 20 weißen sechseckigen Flächen, wobei alle Kanten (Nähte) die gleiche Länge aufweisen. Teilt man die Fünf- und Sechsecke in fünf bzw. sechs jeweils gleichgroße Dreiecke erhält man die ikosaederbasierte Variante. Teilt man die Fünf- und Sechsecke in fünf bzw. sechs jeweils gleichgroße Rhomben erhält man die dodekaederbasierte Variante.

Beide Varianten haben besondere Vorzüge und Nachteile. Die ikosaederbasierte Aufteilung der Kugeloberfläche bildet ein dichtes und sehr tragfähiges Metallgerüst. Die Zugangsöffnung kann eine günstige türähnliche Form erhalten und entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ergeben sich zusätzlich zur Zugangsöffnung an den Knotenpunkten des Ikosaeders 10 fünfeckige Notausstiegsluken (diese entsprechen den schwarzen Flächen des Fußballs, zwei davon werden von der Zugangsöffnung geschluckt). Die ikosaederbasierte Variante kann in 32 vorgefertigte Montageeinheiten aufgeteilt werden (20 sechseckige und 12 fünfeckige), die leicht durch eine Tür gehen und den Montageaufwand am Aufstellort stark reduzieren.

Die dodekaederbasierte Aufteilung der Kugeloberfläche bildet ein weniger tragfähiges dafür aber auch weniger materialintensives Metallgerüst. Die Zugangsöffnung hat eine ungünstigere fünfeckige Form und entspricht in ihrer Größe einem der 12 Fünfecke des zugrundeliegenden Dodekaeders. Die Notöffnungen liegen im Zentrum der 12 Fünfecke des Dodekaeders. Wieder entsprechen sie den schwarzen Flächen des Fußballs, diesmal wird aber nur eine von der Zugangsöffnung geschluckt.

Die dodekaederbasierte Aufteilung der Kugeloberfläche erlaubt es größere vorgefertigte Montageeinheiten zu bilden, die den 12 Fünfecken des Dodekaeders entsprechen. Diese gehen leicht durch eine Tür und können den Montageaufwand am Aufstellort gegenüber der ikosaederbasierten Variante weiter reduzieren.

Die Rippen und Knotenelemente, aus denen das Tragwerk besteht, sind entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung lösbar und formschlüssig so miteinander verbunden, dass ihre Raumlage zueinander eindeutig bestimmt ist. Dies wird durch eine geeignete Form der Verbindungsflächen oder durch die zusätzliche Verwendung von Passelementen (z.B. Stiften, Nutensteinen o.ä.) erreicht. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich eine ausreichend genaue Kugelform des Tragwerks bei der Montage zwangsläufig ergibt, sofern die Einzelelemente genau genug gefertigt sind. Die Notwendigkeit von Formkorrekturen am fertigen Tragwerk entfällt damit. Auch sind hochgenaue Montagelehren nicht erforderlich.

An den Kanten von Montageeinheiten, Notausstiegsluken und Zugangsöffnungen entstehen Nahtstellen. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Bleche und Knotenelemente des Tragwerkes an diesen Stellen zweigeteilt, so dass sich an beiden Kanten der beteiligten Elemente eine stabile geschlossene Wabenstruktur ergibt.

Um Nähte zwischen zwei Montageeinheiten dauerhaft miteinander zu verbinden, werden die benachbarten Rippen mittels Passschrauben lagegenau miteinander verbunden. An Nähten, die an den Not- und Zugangsöffnungen trennbar bleiben sollen, werden Verriegelungen verwendet. An den fünfeckigen Notöffnungen kommt eine rein mechanische Verriegelungsvariante zum Einsatz, bei der pro Rippe jeweils zwei Riegel so angeordnet sind, dass sie das Fünfeck insge samt zum Kugelzentrum hinziehen, und gleichzeitig die benachbarte Rippe zu sich heranziehen. Die Bewegung zum Kugelzentrum hin wird dabei durch Anschlagleisten begrenzt. Diese übertragen auch die von außen einwirkende Auflagelast der Rollen auf das umgebende Tragwerk. Die 10 Riegel jeder Notöffnung sind entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bowdenzugbetätigt und können von einem zentralen Auslösemechanismus gleichzeitig entriegelt werden. Dieser ist aus Sicherheitsgründen sowohl von innen und als auch von außen betätigbar. Zusätzlich zum Auslösemechanismus weist die Notöffnung einen innenliegenden Griff auf, mit der der Benutzer verhindern kann, dass die gelöste Notöffnung herausfällt, hart auf den Boden aufschlägt und dabei evtl. beschädigt wird. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Griff mit dem Auslösemechanismus verbunden. Wird der Griff dann in eine bestimmte Stellung gebracht, lösen sich automatisch die Riegel. So wird sichergestellt, dass der Benutzer den Griff auch tatsächlich in der Hand hält, wenn er die Verriegelung löst. Der Auslösemechanismus kann durch geeignete Maßnahmen gegen unbeabsichtigte Auslösung gesichert werden.

Die Zugangsöffnung ist bedeutend größer als die Notöffnungen und verfügt deshalb über eine größere Anzahl von Riegeln. Diese sollen durch einen zentralen Mechanismus auf möglichst einfache Weise betätigt werden können. Um die Verriegelungskraft auf alle Riegel gleichmäßig zu verteilen werden diese entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durch einfachwirkende parallelgeschaltete Hydraulikzylinder angetrieben, die von einer gemeinsamen Druckquelle gespeist werden. Diese Druckquelle kann manuell oder elektrisch angetrieben werden. Für den elektrischen Antrieb spricht, dass die zur Betätigung der vielen Riegel erforderliche erhebliche Arbeit nicht manuell aufgebracht werden muss, außerdem, dass die Ver- und Entriegelung durch die Kugelsteuerung ausgelöst werden kann.

Zusätzlich zu den umlaufenden Hauptriegeln weist die Zugangsöffnung entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine rein mechanische Schnappverriegelung auf, die mit dem Türgriff verbunden ist. Wird die Tür zugezogen rastet der Schnappriegel federbetätigt ein. Die Zugangsöffnung wird auf diese Weise für die Hauptverriegelung vorpositioniert.

Die Schnappverriegelung verhindert überdies bei einem Versagen der Hauptverriegelung (z.B. durch ein Leck in der Versorgungsleitung) die selbsttätige Öffnung der Zugangsöffnung im laufenden Betrieb.

Die Schnappverriegelung ist entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einem Sensor verbunden, der das Einschnappen des Riegels registriert. Bei einer elektrisch betätigten Hauptverriegelung kann der eingeschnappte Riegel so als notwendige Vorbedingung für die Hauptverriegelung gesetzt werden.

Die Zugangsöffnung sollte von außen und innen geöffnet werden können, sie erhält deshalb von außen und innen betätigbare Bedienelemente für die Hauptverriegelung sowie einen außen und innen liegenden Türgriff. Während der außenliegende Türgriff den Schnappriegel direkt betätigt, dient der innenliegende Türgriff nur zum Zuziehen der Tür, während der Schnappriegel in der Schnappstellung verbleibt. Der Schnappriegel ist dabei zum Öffnen der Tür durch einen separaten Hebel entriegelbar.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die Riegel der Zugangsöffnung als auch die Riegel der Notöffnungen mit Sensoren verbunden, die prüfen ob die Riegel offen oder geschlossen sind. Die Antriebssteuerung erhält nur dann eine Freigabe zur Bewegung der Kugel, wenn sich alle Riegel in der Verriegelungsstellung befinden.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erhält die Kugel neben der Außenverschalung zusätzlich eine Innenverschalung. Diese dient der inneren Begehbarkeit der Kugel sowie dem Unfallschutz. Sie ist entsprechend einer Vorteilhaften Ausführungsform durch elasti sche Zwischenelemente mit der Außenschale verbunden, so dass im Falle eines Sturzes des Insassen gegen die Innenverschalung diese den Sturz abfedern kann.

Eine entsprechend gestaltete Innenverschalung kann durch glatte Oberflächen und ggf. eingearbeitete Abflussrinnen auch die Reinigung des Kugelinnenraums erleichtern.

Sofern die Kugel ausschließlich auf Lagerungen unterhalb ihrer Äquatorialebene gelagert ist besteht potenziell die Gefahr eines Herausspringens der bewegten Kugel etwa aufgrund einer Unwucht oder einer Fehlfunktion der Antriebe. Zur Vermeidung dieser Gefahr wurde in vorangegangenen Veröffentlichungen vorgeschlagen eine zusätzliche Lagerstelle oberhalb der Äquatorialebene in Form einer weiteren Schwenkrolle oder eines Luftlagers anzuordnen.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kugel zur Vermeidung dieser Gefahr von einem Gestell umgeben, das einen oberhalb der Äquatorialebene angeordneten, die Kugel umschließenden Sicherungsring trägt, der ein Herausspringen der Kugel verhindert. Zwischen diesem Ring und der Kugeloberfläche befindet sich ein Luftspalt, so dass die Kugel diesen Ring tatsächlich nur im Ausnahmefall berührt. Um Beschädigungen der Kugeloberfläche aufgrund der Kollision mit dem Ring zu vermeiden, ist der Ring auf seiner Innenseite mit einem Reibbelag versehen. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht dieser Reibbelag aus einem elastischen Grundmaterial mit einem textilen Überzug oder aus einem bürstenartigen Belag.

Zur Vermeidung von Staubablagerungen auf der Kugeloberfläche kann dieses Gestell zusätzlich eine schirmartige Kappe tragen, die einen großen Teil der oberen Kugelhülle abdeckt.

Um die Frischluftzufuhr sicherzustellen werden Außen- und Innenverschalung mit Öffnungen versehen. Diese werden bei der Außenverschalung möglichst klein gehalten um die Geräuschentwicklung beim Überrollen zu minimieren und die Stabilität der Verschalung zu erhalten. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befinden sich zur Unterstützung der Luftzirkulation im Inneren der Kugel elektrisch angetriebene Ventilatoren. Diese werden vorzugsweise zwischen Außen- und Innenverschalung in dem normalerweise unten befindlichen Teil der Kugel angeordnet, wo sie die kühle Bodenluft ansaugen und ins Innere der Kugel leiten. Durch Austrittsöffnungen im oberen Teil der Kugel kann die verbrauchte Luft entweichen.

Abhängig vom Anwendungsfall der Kugel sind unterschiedliche Innenausbauten der Kugel denkbar. Wird die Kugel als omnidirektionales „Laufband" genutzt, muss die Innenverschalung die gesamte Innenfläche der Kugel bedecken und ausreichend stabil sein um der Trittlast zu widerstehen, aber auch um einen eventuellen Sturz des Benutzers unbeschadet zu überstehen. Omnidirektionale Laufbänder können beispielsweise verwendet werden um virtuelle Räume begehbar zu machen.

Für andere Anwendungsfälle der Kugel können mit Hilfe der oben erwähnten Adapterstellen unterschiedlichste Einbauten befestigt und gegebenenfalls auch schnell wieder gelöst werden. Im Folgenden werden einige Anwendungsfälle mit ihren Einbauten und Bedienelementen beispielhaft beschrieben. Das klassische Anwendungsfeld der Trainings- und Simulationskugeln sind die Fahrzeugsimulationen (Jet, Hubschrauber, Schnellboot o.ä.). Hierbei sitzt der Nutzer i.d.R. in einem Sitz der dem jeweiligen Fahrzeugsitz nachempfunden ist und steuert sein virtuelles Fahrzeug mittels Steuerrädern, Joysticks, Steuerhebeln, Pedalen und Ähnlichem. Es kann bei anspruchsvollen Simulationen sogar sinnvoll sein das gesamte Interieur einer Kontrollkanzel bereitzustellen. Durch eine exzentrische Anordnung des Sitzes können bei entsprechender Rotation der Kugel Beschleunigungskräfte entlang aller drei Raumachsen erzeugt werden. Die Möglichkeiten dieser Anordnung kann durch die Bereitstellung direkt auf den Sitz einwirkender Aktuatoren (Linear- und Drehantriebe, Vibrationsgeneratoren) noch erheblich erweitert werden. Diese setzen jedoch eine große mitzuführende Energiereserve voraus.

Eine andere Geräteklasse, die es ebenfalls erlaubt eine Person frei um seine drei Rotationsfreiheitsgrade in einem raumfesten Koordinatensystem rotieren zu lassen, sind die bereits eingangs erwähnten Human Gyroscopes. Die Anwendungsgebiete dieser Geräte liegen in erster Linie im Sport- und Freizeitbereich, sie werden jedoch auch zu Therapie- und Trainingszwecken eingesetzt. Human Gyroscopes dienen in Ausbildungszentren für Piloten der Schulung des Gleichgewichtssinns und der Orientierungsfähigkeit. Im medizinischen Bereich werden sie zur Behandlung von Rückenleiden eingesetzt. Diese und ähnliche Anwendungsfelder (auch psychotherapeutische Anwendungen sind denkbar) können auch von einer Simulations- und Trainingskugel in der hier dargestellten Form bedient werden. Die Simulations- und Trainingskugel bietet dabei gegenüber dem Human Gyroscope den Vorteil aktiver Antriebe, die beim Human Gyroscope nur sehr schwer in die Achsen implementierbar sind und erhebliche technische Probleme mit sich bringen. Mit Hilfe aktiver Antriebe und einer Steuerung können programmierte Bewegungsabläufe abgefahren werden. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform steht dem Therapeuten oder Trainer eine externe Bedieneinrichtung zur Verfügung (Joystick, Trackball o.ä.) mit der er die Bewegungen der Kugel unmittelbar und in Interaktion mit dem Nutzer steuern oder beeinflussen kann. Die Inneneinbauten bestehen bei diesen Anwendungen dabei in der Regel aus Gestellen, die den Benutzer in einer bestimmten Körperhaltung – sitzend, stehend oder liegend – fixieren.

Ein neues Anwendungsfeld bilden die sportlich orientierten Simulationen, bei denen ganzkörperliche Bewegungen und insbesondere Gewichtsverlagerungen zur Kugelsteuerung herangezogen werden. Ein Beispiel sind die Sportgerätesimulationen, bei denen die für das jeweilige Sportgerät typische Benutzerumgebung in der Kugel nachgebildet ist, z.B. der Sprossenring eines Rhönrades oder die Griffe und die höhenverstellbare Standplattform eines Human Gyroscopes aber auch die unbequeme Sitzfläche eines Hexenbesens. Dabei bietet die Kugelsteuerung die Möglichkeit die simulierten Eigenschaften des Sportgerätes sehr flexibel dem Können und den Bedürfnissen des Benutzers anzupassen. Auch kann z.B. bei der Simulation eines Human Gyroscopes ein wesentlich höherer Sicherheitsstandard bei gleichzeitig erhöhter Bewegungsfreiheit gegenüber dem Originalgerät erzielt werden. Dies gilt natürlich erst recht für den Hexenbesen.

Zu den sportlich orientierten Simulationen gehören auch Schwebesimulationen, bei denen der Benutzer in einem Geschirr im Zentrum der Kugel hängt, das mittels eines Gestells und/oder an der Kugelinnenhülle angebrachter Halteseile in Position gehalten wird. Hierbei können die Seile auch mit Sensoren versehen und zur Bewegungserfassung genutzt werden.

Sportlich orientierte Simulationen erfordern eine innenbefindliche Bedieneinheit mit der der Benutzer die Kugel mindestens starten und stoppen können muss. Vorteilhaft ist dabei eine mobile, vorzugsweise drahtlose Bedieneinheit, die der Benutzer am Körper trägt, z. B. am Handgelenk oder auf der Brust. Verfügt diese Bedieneinheit über ein Display, kann die Steuerung dem Benutzer Informationen z. B. über den Betriebszustand zur Verfügung stellen.

Eine andere Möglichkeit Steuerbefehle an die Antriebssteuerung zu übermitteln besteht darin akustische Befehle durch Rufen oder Klatschen zu erteilen. Dazu muss ein Mikrofon im Inneren der Kugel installiert werden, dass an einen Computer mit Klang- bzw. Sprachanalysefähigkeiten angeschlossen ist.

Viele Anwendungen werden nur dann sinnvoll, wenn sich der Benutzer damit durch eine virtuelle Realität bewegen kann. Eine wesentliche Voraussetzung dafür sind geeignete Anzeigegeräte. Über die bereits in vorangegangenen Veröffentlichungen beschriebenen Anzeigegeräte (Datenbrillen, innenliegende Leinwände und Displays) hinaus, erlaubt die Transparenz der Kugelhülle mindestens zwei weitere Anzeigemöglichkeiten. Zum einen kann die Kugel mehr oder weniger vollständig von außenliegenden feststehenden Displays umgeben sein, zum anderen können sich in der Kugelhülle hinter der transparenten Innenverschalung angeordnete (und damit begehbare) LED- oder LCD-basierte Displays befinden, die den Benutzer bei Bedarf vollständig umgeben. Zur Erzeugung eines dreidimensionalen Eindrucks seiner Umgebung kann der Benutzer zusätzlich eine Brille tragen, deren Gläser wechselseitig in schneller Folge abgedunkelt werden. Abhängig davon, welches Glas gerade abgedunkelt ist erscheint auf den Displays das Bild für das rechte oder das linke Auge. Durch eine zusätzliche Erkennung der Blickrichtung des Benutzers durch Sensoren, die die Kopfstellung ermitteln, kann die Anzeige auf das momentane Blickfeld des Benutzers eingeschränkt werden, um so Rechenleistung und Energie zu sparen. Die Ermittlung der Kopflage und Blickrichtung ist u.U. auch für die Bilderzeugung von Bedeutung.

Die Auskleidung der Kugelinnenfläche mit Displays bietet dem Nutzer eine noch höhere Realitätsnähe als dies mit Datenbrillen möglich ist. Es wird gegenüber den Datenbrillen eine höhere Auflösung erzielt und außerdem behält der Benutzer die Selbstsicht. Die Übertragung der Videosignale per Kabel oder Funkstrecke zur Datenbrille entfällt, der Nutzer muss weniger schwere und hinderliche Technik mit sich führen.

Um einem Benutzer die virtuelle Umgebungen auch akustisch erlebbar zu machen, wurde in anderen Anmeldungen die Verwendung von Kopfhörern vorgeschlagen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass das Richtungshören auf die Verortung rechts und links beschränkt bleibt. Außerdem sind sie bei sportlicher Betätigung in der Kugel hinderlich. Deshalb wird entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in die Kugelhülle ein mehrkanaliges Beschallungssystem eingebaut, dass dem Benutzer ein dreidimensionales Klangerlebnis ermöglicht. Dieses besteht vorzugsweise aus einem Tieftöner für Frequenzen unterhalb von 150 Hz und mindestens sechs weiteren Lautsprechern, die das darüber liegende Frequenzspektrum abdecken und so auf der Kugelinnenseite verteilt sind, das die Klangrichtungen oben, unten, vorne, hinten, rechts und links unterscheidbar werden. Vorteilhafterweise wird diese Anordnung durch eine Klangsteuerung ergänzt, die einen von der Kugellage unabhängigen und in Relation zur tatsächlichen oder einer virtuellen Umgebung stabilen Richtungseindruck zulässt. Dies setzt eine Koppelung der Antriebssteuerung und der Klangsteuerung voraus, bei der die Antriebssteuerung die Klangsteuerung permanent über die aktuelle Lage der Kugel und ggf. der virtuellen Referenzumgebung informiert.

Bei einigen Anwendungen wie z.B. bei Fahrzeugsimulationen und sportlich orientierten Simulationen liegt es nahe mehrere Kugeln miteinander zu vernetzten um die Benutzer in die Lage zu versetzen Wettkämpfe miteinander auszutragen. Um auch weit voneinander entfernt stehende Kugeln zu vernetzen bietet es sich an, das Internet für die Vernetzung zu benutzen. Auch für Anwendungen bei denen es um die gemeinsame Begehung virtueller Räume geht ist eine Vernetzung mehrerer Kugeln über das Internet sinnvoll. So könnte z.B. ein Architekt gemeinsam mit einem Bauherren ein geplantes Gebäude durchschreiten und Einzelheiten des Planes besprechen, auch wenn sich die beiden Teilnehmer tausende Kilometer voneinander entfernt befinden. Eine Internetanbindung bietet darüber hinaus den Vorzug eine Verbindung zwischen der Kugel und einer Servicestelle herzustellen, die auf dieser Basis Fernwartungen durchführen könnte.

Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind im Kugelinneren eine oder mehrere auf den Benutzer gerichtete Kameras installiert. Das von den Kameras gelieferte Bild kann dabei unterschiedlichen Zwecken dienen. Das Bild kann über eine drahtlose Verbindung nach außen weitergeleitet werden, um einem Außenstehenden (z.B. dem Trainer) zu ermöglichen den Nutzer zu beobachten.

Die von der Kamera erfassten Bilder können aber auch einem Computer mit Bildanalysefähigkeiten zur Verfügung gestellt werden. Dieser erfasst und analysiert die Bewegungen und Gesten des Benutzers und kann die gewonnenen Informationen zur Steuerung der Kugelantriebe nutzen.

Zur Vereinfachung dieser Aufgabe trägt der Benutzer an seinem Körper von der Software leicht zu erkennende Referenzmarkierungen.

Aus den vorangegangenen Betrachtungen wird deutlich, dass die Kugel eine erhebliche Energiereserve mit sich führen muss um die innenliegenden elektrischen Verbraucher zu versorgen.

Die Energieversorgung wird dabei vorteilhafterweise von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie übernommen.

Diese wird entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform durch mindestens eine zweite Batterie ergänzt, die im Falle einer Störung oder während eines Batteriewechsels die im Kugelinneren befindlichen Verbraucher und hier besonders die sicherheitsrelevanten Komponenten mit Energie versorgt.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung lassen sich die wiederaufladbaren Batterien über eine Kontaktstelle an der äußeren Kugelhülle mit der Ladespannung versorgen. Die Kontaktstelle kann dabei manuell über eine Steckverbindung oder durch einen automatisierten Mechanismus mit der Energiequelle verbunden werden.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung speisen die Batterien ein im Inneren der Kugel befindliches Notbeleuchtungssystem, das im Falle eines Stromausfalls die Sicht in der Kugel gewährleistet, und somit das Auffinden und Öffnen der Notöffnungen erleichtert.
Zeichnungen
1 zeigt die ikosaederbasierte Aufteilung der Kugeloberfläche. Die 20 Dreiecksflächen des Ikosaeders werden dabei in je 9 dreieckige Einzelelemente unterteilt, bei denen 3 und 6 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus insgesamt 120 größeren Schalenelementen 2 und 60 kleineren Schalenelementen 1 zusammensetzen lässt. Die fünfeckigen Notöffnungen 4 sind einfach schraffiert dargestellt, eine mögliche Form der Zugangsöffnung 3 ist kreuzschraffiert dargestellt.
2 zeigt die auf die Kugeloberfläche projizierten Dreiecksflächen des Ikosaeders.
3 zeigt die dodekaederbasierte Aufteilung der Kugeloberfläche. Die 12 fünfeckigen Flächen des Ikosaeders werden dabei in je 9 rhombenförmige Einzelelemente unterteilt, bei denen 3 und 6 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus insgesamt 120 größeren Schalenelementen 5 und 60 kleineren Schalenelementen 6 zusammensetzen lässt. Die fünfeckigen Notöffnungen 8 sind einfach schraffiert dargestellt, eine mögliche Form der Zugangsöffnung 7 ist kreuzschraffiert dargestellt.
4 zeigt die auf die Kugeloberfläche projizierten fünfeckigen Flächen des Dodekaeders.
5 zeigt die Hauptbestandteile einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragwerks. Ein sternförmiges Knotenelement 9 ist formschlüssig mit den abgehenden Rippen 10 verbunden. Der Formschluss wird durch ein zylinderförmiges Passelement 11 erreicht. Die Rippen 10 sind zusätzlich mit dem Knotenelement 9 verschraubt. Im Zentrum des Knotenelements befindet sich ein Durchbruch 12 der zur Aufnahme des Knotenelements bei verschiedenen Fertigungsschritten und später zur Einbringung von Gewindehülsen oder ähnlichem dienen kann und somit ein gleichmäßiges im Inneren der Kugel verteiltes universelles Netz von Adapterstellen für Inneneinbauten ergibt. Diese Durchbrüche 12 können gleichzeitig zur Aufnahme von z.B. Notausschaltern genutzt werden oder der Befestigung außenliegender Traghaken dienen.
6 und 7 zeigen die fünf- und sechseckigen separierten Montageeinheiten der ikosaederbasierten Variante. Dargestellt ist das aus 5 bekannte Knotenelement 9 mit den verbundenen Rippen 10. Der Rahmen des Fünfecks wird durch geteilte Knotenelemente 14 und Rippen 13 gebildet, die direkt an den Rippen 19 und geteilten Knotenelementen 14 der in 7 dargestellten sechseckigen Montageeinheit anliegen. Die Verbindung zwischen den Rippen 13 und 19 erfolgt über die mechanischen Riegel 16, die über Bowdenzüge 17 mit dem im Zentrum des Knotenelements 9 befindlichen Auslösemechanismus verbunden sind. Die an die fünfeckigen Montageeinheiten angrenzenden Rippen 19 der sechseckigen Montageeinheit wechselen sich im Rahmen des Sechsecks mit den Rippen 20 ab, die an andere sechseckige Montageeinheiten angrenzen und mit diesen durch Passschrauben 21 formschlüssig verbunden sind. Ebenfalls sichtbar sind die äußeren Schalenelemente 15 und 18, die die Abrollfläche für die Antriebe bilden.
8 zeigt eine vollständige Kugelhülle der ikosaederbasierten Variante mit einer abgesprengten Notöffnung 22 und der geöffneten Zugangsöffnung 23.
9 zeigt das Tragwerk der in 8 gezeigten Zugangsöffnung. Das Tragwerk der Zugangsöffnung besteht aus zwei sechseckigen und zwei fünfeckigen Montageeinheiten, die sich in mehrerer Hinsicht von den in 6 und 7 gezeigten Montageeinheiten unterscheiden. Die Sechsecke sin in der mitte geteilt und tragen auf der einen Seite die Türscharniere 24 und auf der anderen Seite die Elemente der elektrohydraulischen und der manuellen Verriegelung. Die Fünfecke unterscheiden sich von den Fünfecken der Notöffnungen dadurch, dass sie mit den Sechsecken der Zugangsöffnung durch Passschrauben 21 fest verbunden sind.
Dargestellt sind weiterhin im Ausschnitt X das von außen und innen betätigbare Mini-Hydraulikaggregat 27 für die Hauptverriegelung das von dem Elektromotor 28 angetrieben wird und das über die Taster 29 und 30 betätigt werden kann. Das Tasterpaar ist doppelt angelegt, das in 9 sichtbare Tasterpaar kann von innen bedient werden, ein auf der Rückseite des Mini-Hydraulikaggregats befindliches zweites Tasterpaar ist von außen bedienbar. Das Mini-Hydraulikaggregat versorgt über die Druckleitung 25 die gleichmäßig über den Türrahmen verteilten hydraulisch betriebenen Riegelmechaniken.
Ebenfalls im Ausschnitt X dargestellt, ist die manuelle Verriegelung. Diese besteht u.a. aus einem außen und innen liegenden Türgriff Während der außenliegende Türgriff 31 den Schnappriegel 34 direkt betätigt, dient der innenliegende Türgriff 32 nur zum Zuziehen der Tür, während der Schnappriegel 34 in der Schnappstellung verbleibt. Der Schnappriegel 34 ist dabei zum Öffnen der Tür von innen durch einen separaten Entsperrhebel 33 entriegelbar.
10 zeigt beispielhaft einen Schnitt durch eine hydraulisch betriebene Riegelmechanik, wie sie in 9 zur Verriegelung der Zugangsöffnung verwendet wird. Über die Hydraulikleitung 35 wird der einfachwirkende Hydraulikzylinder 36 mit Druckflüssigkeit versorgt. Der Kolben des Hydraulikzylinders 36 betätigt den federbelasteten Riegel 37, so dass die zur Tür gehörende Rippe 19 gegen die zum Kugeltragwerk gehörende Rippe 20 und gleichzeitig gegen den Anschlag 38 gezogen wird. Fällt der hydraulische Druck ab, bewirken die Rückstellfedern 40 das Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikleitung 35. Der Verriegelungszustand wird durch den Sensor 39 erfasst.
11 zeigt beispielhaft einen Schnitt durch eine bowdenzugbetätigte Riegelmechanik, wie sie in 6 zur Verriegelung der Notöffnung verwendet wird. Über den Bowdenzug 41 wird der federbelastete Riegel 37 betätigt, so dass die zur Notöffnung gehörende Rippe 19 gegen die zum Kugeltragwerk gehörende Rippe 20 und gleichzeitig gegen den Anschlag 38 gezogen wird. Der Verriegelungszustand wird durch den Sensor 39 erfasst.
12 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Auslösemechanismus für die Notöffnungsverriegelung der sich im zentralen Knotenelement 9 einer jeden Notöffnung befindet. Die von den in 6 und 11 dargestellten Riegelmechaniken kommenden Bowdenzüge 41 werden durch diesen gemeinsam bedient. Dabei werden die Innenzüge über den Umleitradius 43 umgelenkt und vom Aufnahmekranz 45 gegen die von der in 11 dargestellten Rückstellfeder 40 erzeugten Spannung gehalten. Der Aufnahmekranz selbst ist in vertikaler Richtung beweglich und wird durch den Federring 48 fixiert. Wird der innere Auslöseknopf 42 betätigt, bewegt sich der innere Auslösekonus 46 entgegen der von der Feder 49 erzeugten Kraft nach unten. Auf seinem Weg nach unten drückt er die Übertragungskugeln 47 gegen den Federring 48, der daraufhin den Aufnahmekranz 45 freigibt. Dieser bewegt sich durch die von den in 11 dargestellten Rückstellfeder erzeugte Rückstellkraft schlagartig nach oben und gibt so die Verriegelung der Notöffnung frei. Die Fixierung des Aufnahmekranzes kann auch durch den äußeren Auslöseknopf 52 gelöst werden. Wird dieser eingedrückt übertragen die Druckbolzen 51 die Bewegung auf den äußeren Auslösekonus, der auf seinem Weg nach oben die Übertragungskugeln 47 gegen den Federring 48 drückt, der daraufhin wiederum den Aufnahmekranz 45 freigibt.
Der dargestellte Auslösemechanismus muss nach einer Entriegelung durch ein nichtdargestelltes Hilfswerkzeug neu gespannt werden. Hierzu muss der innere Auslösekonus entfernt werden. Dies geschieht bei dem dargestellten Auslösemechanismus indem eine Münze in den dafür vorgesehenen Schlitz des Auslöseknopfes 42 gesteckt wird und dieser um 90 Grad verdreht wird. Hierdurch wird ein entsprechend geformter Durchbruch im Auslösekonus 46 in eine Stellung gedreht, die es erlaubt diesen von den sich am Führungsbolzen 44 befindlichen Haltenasen abzuziehen.
13 zeigt einen Schnitt durch die Kugelhülle an einer Nahtstelle. Dargestellt ist insbesondere ein Beispiel für die Befestigung der inneren und äußeren Schalenelemente. Das gegossene äußere Schalenelement 53 weist einen mitgegossenen hinterschnittenen Bereich auf der von einem geteilten Halteelement 56 umgriffen und von diesem durch ein elastisches Zwischenelement getrennt wird. Das elastische Zwischenelement dient dabei der akustischen Dämpfung und dem Ausgleich von Formtoleranzen sowie ungleicher Längenausdehnung unter Wärmeeinwirkung. Die geteilten Halteelemente sind dabei mit einer der Rippen 19 und 20 verschraubt. Ebenfalls dargestellt ist eine mitgegossene Verrippung 55 des äußern Schalenelementes, die diesem zusätzliche Formstabilität verleiht. Die ebenfalls mit den Rippen verschraubten Halteelemente für die innere Verschalung tragen in diesem Beispiel elastische Dämpfungselemente, die die selben Aufgaben wie auch die elastischen Zwischenelemente der äußeren Verschalung erfüllen, zusätzlich jedoch ein Einfedern der inneren Schalenelemente 54 erlauben. Dies dient dazu das Verletzungsrisiko bei einem Sturz des Benutzers auf die innere Verschalung zu reduzieren. Die inneren Schalenelemente 54 sind in diesem Beispiel von innen aufgesteckt, die Verbindung erfolgt über die mitgegossenen Schnapphaken 59.
14 zeigt eine Simulations- und Trainingskugel in einem erfindungsgemäßen Gestell. Das aus dem Basisring 61 und dem unteren Gestellring 64 bestehende Untergestell steht auf höhenverstellbaren Gummifüssen 62. Das Untergestell trägt die Antriebseinheiten auf denen die Kugelhülle 63 aufliegt. Diese wird von drei vom Untergestell aufragenden Bogenholmen 65 umfangen die einen oberhalb der Äquatorialebene angeordneten Sicherungsring 66 tragen, der ein Herausspringen der Kugel aus ihrer Lagerung verhindert. Dieser ist auf seiner zur Kugeloberfläche hinweisenden Seite mit einem Reibbelag 67 versehen. Wenn die Kugelhülle 63 aufgrund einer Fehlfunktion der Antriebe oder einer zu hohen Unwucht der Kugel mit dem Sicherungsring 66 kollidiert, verhindert der Reibbelag 67 eine Beschädigung der Kugeloberfläche.
15 zeigt eine beispielhafte Anordnung elektrischer Komponenten in der Kugelhülle und deren Verbindung mit der Kugelsteuerung. Im unteren Teil der Kugel saugen 8 Ventilatoren 69 frische Luft von außen durch die Lufteinlassöffnungen 68 in den Innenraum. Die verbrauchte Luft tritt durch die Luftauslassöffnungen 70 im oberen Teil der Kugel wieder aus. Gespeist werden die Ventilatoren, wie auch alle anderen elektrischen Komponenten im Kugelinneren, durch die wiederaufladbaren Batterien 74. Der dreidimensionalen Beschallung des Kugelinnenraums dienen die 6 gleichmäßig über die Kugelhülle verteilten Lautsprecher 71. Diese werden von der Zentralelektronik 75 gespeist, in deren Gehäuse sich ein Rechner befindet, der abhängig von der Kugellage und den Erfordernissen der virtuellen Umgebung die Klanginformationen bereitstellt. Wird die Kugellage extern ermittelt, können dem Rechner die Lageinformation der Kugel drahtlos über die Sende- und Empfangseinheit 76 von außen übermittelt werden. In der Kugelhülle befinden sich weiterhin auf den Benutzer gerichtete Kameras 72 und Mikrofone 73. Die von den Kameras und den Mikrofonen gelieferten Bilder und Töne werden ebenfalls an die Zentralelektronik weitergeleitet, in der sie entweder interpretiert oder direkt mit Hilfe der internen Sende- und Empfangseinheit 76 an die mit einem externen Rechner 78 verbundene externe Sende- und Empfangseinheit 79 übermittelt werden können. Der externe Rechner ist mit dem Leistungsteil der Antriebssteuerung verbunden, so dass Steuerbefehle aus dem Kugelinneren die Antriebe beeinflussen können. Der externe Rechner 78 ist mit dem Internet verbunden und dient als Webserver, so dass Betriebszustandsparameter, Videodaten, Tonsignale und anderes über das Internet verbreitet werden können. So wird eine Fernwartung und u.U. sogar eine Fernsteuerung der Kugel möglich. Die Internetanbindung dient aber auch dazu Benutzer verschiedener Kugeln miteinander zu vernetzen, so dass sie in einer gemeinsamen virtuellen Umgebung miteinander interagieren können. Über ein im Kugelinneren befindliches, an die Zentralelektronik angeschlossenes Display lassen sich für den Benutzer interessante Daten z.B. über den Betriebszustand der Kugel darstellen.
16 zeigt ein Beispiel eines Innenausbaus der Kugel für eine sportlich orientierte Anwendung, bei der der Benutzer die Kugel über seine Körperbewegungen steuert. Der gezeigte Innenausbau lehnt sich an Benutzerumgebung eines Human Gyroscopes an. Die hierzu erforderliche höhenverstellbare Standplattform 88 mit der Fußfixierung 89 sowie die Griffstangen 81 sind in den im Innenraum der Kugel gleichmäßig verteilten o.g. Adapterstellen verankert. Um den Benutzer vor Stürzen zu bewahren, trägt er ein Haltegeschirr 84, daß über mehrere Halteseile 85 mit der Kugelhülle verbunden ist. Die Halteseile begrenzen den Bewegungsspielraum des Benutzers auf einen Bereich in dem Verletzungen unwahrscheinlich sind. Wird eines der Halteseile belastet, wird dies durch einen Sensor in der Nähe des Halteseils registriert. Diese Information kann an die Antriebssteuerung weitergeleitet werden, die die Information auswertet und gegebenenfalls mit Informationen abgleicht, die von anderen Sensoren mit Informationen geliefert werden. So wird die Steuerung in die Lage versetzt einen Sturz oder eine Bewusstlosigkeit des Benutzers zu erkennen und die Kugel anzuhalten.
Der dargestellte Benutzer ist mit einer Datenbrille (HMD) 82 ausgestattet, die es ihm erlaubt sich mit einer virtuellen Realität zu umgeben. Die Videodaten werden von einem externen mit der Antriebssteuerung verbundenen Rechner 78 generiert, und über die Funkstrecke zwischen externer Sende- und Empfangseinheit 79 und einer mobilen Sende- und Empfangseinheit 83, die der Benutzer mit sich führt, an die Datenbrille (HMD) 82 übermittelt.
Zeichnungsliste
1 Kugelaufbau (Basis: Ikosaeder)
2 Projektion der Flächen des Ikosaeders auf eine Kugel
3 Kugelaufbau (Basis: Dodekaeder)
4 Projektion der Flächen des Dodekaeders auf eine Kugel
5 Verbindungselemente zwischen Rippen und Knotenelementen
6 Fünfeckige Montageeinheit (Notöffnung)
7 Sechseckige Montageeinheit
8 Kugel komplett mit geöffneter Tür und abgesprengter Notöffnung
9 Ausschnitt Tür (ohne Verschalung)
10 Schnitt durch Notöffnungsverriegelung mit Sensor
11 Schnitt durch Türverriegelung (hydraulisch) mit Sensor
12 Zentralauslösung Notöffnung (Schnitt)
13 Aufhängung der Schalenelemente
14 Kugel im Gestell
15 Elektrische Komponenten
16 Benutzer in der Kugel
Bezugszeichenliste

Claims

Mittels schwenkbarer Reibrollen elektromotorisch angetriebene, raumfest gelagerte Hohlkugel, die für ein oder mehrere Benutzer zugänglich ist und deren Antriebe von einer gemeinsamen Steuerung kontrolliert werden dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkörper aus mehreren schalenartigen Einzelelementen mit einer dem Kugelradius entsprechend gewölbten, weitgehend glatten Außenfläche und einem innenliegenden selbsttragenden Gitterwerk gebildet wird, an dem die Schalenelemente befestigt sind.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gitterwerk wabenartig ausgebildet ist und im wesentlichen aus Knotenelementen und Rippen gebildet wird, wobei die Rippen flache Ringausschnitte bilden, deren Ringzentren im oder mindestens nahe dem Kugelzentrum liegen.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Knotenelement mit einer Rippe formschlüssig so miteinander verbunden ist, dass ihre Lage zueinander im Raum eindeutig bestimmt ist.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formtreue des zusammengesetzten Gitterwerks allein auf der Form- und Passgenauigkeit der Einzelelemente basiert, so dass diese zusammengefügt zwangsläufig die Gesamtform in den geforderten Toleranzen bilden, ohne dass Korrekturmaßnahmen erforderlich sind.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kugelwand mehrere Gewinde oder andere universell verwendbare Adapterstellen aufweist, die zur Befestigung von Inneneinbauten, Haltegriffen u.a. verwendet werden können.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Adapterstellen in Durchbrüchen im Zentrum der Knotenelemente des Gitterwerks angeordnet sind.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitterwerk zur Ableitung elektrostatischer Energie aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigem Material besteht.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung der Oberfläche sich von der Projektion der Kanten eines platonischen Körpers auf die Kugeloberfläche ableitet. Die entstehenden Flächen können weiter gleichmäßig unterteilt werden, um eine Segmentierung zu erhalten, die eine für den Herstellungsprozess geeignete Größe der Einzelelemente ergibt.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei diesem platonischen Körper um einen Ikosaeder handelt.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Kugeloberfläche projizierten 20 Dreiecksflächen des Ikosaeders in 9 dreieckige Einzelelemente unterteilt werden, bei denen 3 und 6 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus insgesamt 120 und 60 jeweils gleichen Schalenelementen zusammensetzt.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei diesem platonischen Körper um einen Dodekaeder handelt.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Kugeloberfläche projizierten 12 Fünfecksflächen des Dodekaeders in 15 viereckige Einzelelemente unterteilt werden, von denen 5 und 10 Elemente von jeweils gleicher Form und Größe sind, so dass sich die Kugelhülle aus insgesamt 60 und 120 jeweils gleichen Schalenelementen zusammensetzt.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülle zum Zwecke der besseren Transportfähigkeit in Montageeinheiten zerlegt werden kann, die jeweils mehrere Schalenelemente tragen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitterwerk eine bündig verschließbare Zugangsöffnung aufweist.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese Zugangsöffnung von innen ver- und entriegelbar ist.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese Zugangsöffnung von außen entriegelbar ist.
Simulations- und Trainingskugel nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus elektromotorisch angetrieben wird, und somit über einen mechanisch oder elektrisch betriebenen Schalter geöffnet oder verschlossen werden kann.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel mehrere gleichmäßig auf der Kugeloberfläche angeordnete von innen zu öffnende Notausstiegsluken erhält.
Simulations- und Trainingskugel nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Zugangs- und Notausstiegsöffnungen mit Sensoren versehen sind, die den Zustand der Öffnung – also offen oder geschlossen – überprüfen und diese Information mittels zusätzlicher Komponenten dem Benutzer und/oder der Steuerung zur Verfügung stellen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 2 sowie einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an den Nahtstellen des Gitterwerks, die an der Zugangsöffnung, den Notausstiegsöffnungen und zwischen den Montageeinheiten entstehen je zwei Rippen verwendet werden, die aneinander liegen, so dass die an diese Nahtstellen angrenzenden Waben bei einer Trennung an der Naht vollständig bleiben.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenelemente im Spritzgussverfahren herstellbar sind.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenelemente aus einem transparenten Material bestehen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenelemente Formelemente aufweisen, die lösbare Verbindungen mit einem benachbarten Schalenelement oder dem Gitterwerk erlauben.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenelemente nicht direkt mit dem benachbarten Schalenelement oder dem Tragwerk verbunden sind sondern von diesen durch Zwischenelemente aus einem elastischen Werkstoff getrennt sind, die schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzen und/oder in der Lage sind Formänderungen der Schalenelemente zu kompensieren.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass diese elastischen Zwischenelemente zur Ableitung elektrostatischer Energie aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülle eine äußere und mindestens partiell eine innere Verschalung aufweist, die einen Zwischenraum erzeugen, der zur Aufnahme unterschiedlicher für die bestimmungsgemäße Nutzung der Kugel erforderlicher mechanischer und elektrischer Komponenten genutzt werden kann.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Schalenelemente so verstärkt ausgeführt sind, dass sie begehbar werden.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Schalenelemente mit Hilfe von Dämpfungselementen so befestigt sind, dass sie einen Sturz des Insassen abfedern können.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalung kleine überrollbare Öffnungen aufweist, die einen Gasaustausch mit der Umgebung zulassen.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Kugel mindestens ein Ventilator installiert ist, der den Gasaustausch mit der Umgebung unterstützt.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen im Inneren der Kugel befindlichen Computer verfügt der über eine drahtlose Verbindung mit der Antriebssteuerung, anderen Computern oder dem Internet kommunizieren kann, wobei dieser Computer von außen oder innen kommende Signale auswertet und zentrales Glied in der Kommunikationskette zwischen dem Kugelinneren und dem Kugeläußeren und somit also auch zwischen Benutzer und Antriebssteuerung ist.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Computer dem Insassen Informationen über den Betriebszustand und/oder die virtuelle Umgebung über mindestens ein optisches oder akustisches Ausgabegerät zur Verfügung stellt.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Insassen mittels Halteseilen oder -gurten mit bestimmten Punkten auf der Innenfläche der Kugel verbunden sind, wobei diese Halteseile dabei an Armen, Beinen oder im Bereich von Brust und Rücken des Insassen an geeigneten Geschirren eingehakt werden und geeignet sind die Bewegungsfreiheit des oder der Insassen zu begrenzen und so das Verletzungsrisiko bei Stürzen zu verringern.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Halteseile elastisch ist.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Halteseile mit einem Kraftwertaufnehmer oder einem federbelasteten Schalter verbunden ist, der eine Überlastsituation und somit einen evtl. Sturz des Insassen in der Lage ist zu erkennen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülle zur Ableitung elektrostatischer Energie zumindest temporär (mindestens im Stillstand) über eine Kontaktstelle geerdet werden kann.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kontaktstelle durch die Antriebsrollen gebildet wird, die hierzu einen elektrisch leitfähigen Reibbelag aufweisen.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Kugelinneren mindestens eine wiederaufladbare Batterie zur Versorgung elektrischer Komponenten befindet.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel über ein Notbeleuchtungssystem verfügt, dass es dem Benutzer erlaubt sich nach einer Störung oder bei einem Stromausfall im Kugelinneren zu orientieren.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Notbeleuchtungssystem auf selbstleuchtenden Werkstoffen basiert und somit stromlos arbeitet.
Simulations- und Trainingskugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell, das die Antriebe und die Kugel trägt, die Kugel soweit umfängt, dass bei einer Fehlfunktion oder aufgrund einer starken Unwucht ein Herausspringen der Kugel aus den durch die Antriebsrollen gebildeten Basislagern und im Extremfall ein Herausrollen der Kugel aus dem Gestell unmöglich wird.
Simulations- und Trainingskugel nach dem vorangegangenen Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass an diesem Gestell zur Kugeloberfläche hinweisende Reibbeläge angebracht sind, die die Gefahr einer Beschädigung der Kugeloberfläche verringern, wobei diese Reibbeläge in geringem Abstand zur Kugeloberfläche angebracht sind oder diese sogar berühren.