DE19733231A1 - Vorrichtung zum elektromotorischen Antrieb einer Kugel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugel, die in einem Stator drehbar mit zwei Freiheits­ graden gelagert ist, und die unmittelbar elektromagnetisch angetrieben wird. Derart gelagerte und angetriebene Kugeln können vorteilhaft Verwendung in "Computermäusen" mit Kraftrückmeldung, in omnidirektionalen Fahrzeugen und in Fördereinrichtungen für Stückgut Verwendung finden.

Elektromotorische Antriebe, deren Rotor einen Freiheitsgrad hat, sind in vielen verschiedenen Ausführungen bekannt. Je nach Wirkprinzip enthält dabei der Rotor oder der Stator oder sowohl Rotor als auch Stator Materialien, die weich­ magnetische oder permanentmagnetische Eigenschaften aufweisen. Dafür kommen neben Metallen und gesinterten Materialien aus Metalloxiden und selte­ nen Erden jetzt auch thermoplastische Kunststoffe zur Anwendung, die mit einem ferromagnetischen Pulver gefüllt sind und mittels Spritzgießen verarbeitet werden können [WO 95/34902]. Auch duroplastische, ferromagnetisch gefüllte Kunst­ stoffe sind bekannt. Es wurden bereits Rollkugeln (sogenannte Trackballs oder Traceballs) [WO 96 28 777] und "Mäuse" [EP 0 489 469] als Eingabegeräte für Computersysteme vorgeschlagen, die mit einer Vorrichtung zur Kraftrückmeldung ausgestattet sind. Dabei werden die Kräfte von zwei elektrisch betriebenen Bremsvorrichtungen oder von zwei Elektromotoren mit je einem Freiheitsgrad erzeugt und mittels Reibrädern auf die Kugel übertragen. Für Mäuse wird, ebenfalls in EP 0 489 469, auch vorgeschlagen, eine Bremskraft unmittelbar zwi­ schen der Maus und einer ferromagnetischen Unterlage zu bewirken, indem die Reibung der Maus auf der Unterlage durch eine steuerbare Anziehungskraft zwi­ schen einem in der Maus enthaltenen Elektromagneten und der Unterlage variiert wird.

WO 96/07965 beschriebt allgemein die Möglichkeit, eine Mensch-/Maschine­ schnittstelle mittels Kraftrückmeldung um einen haptisch wahrnehmbaren, virtuellen Arbeitsbereich zu erweitern.

Zum Antrieb von omnidirektionalen Fahrzeugen sind sogenannte MECANUM- Räder bekannt, die am Radumfang mit frei drehbaren Rollen ausgestattet sind, deren Drehachsen zur Radachse um 45° verdreht sind. In Transportvorrichtun­ gen, auf denen Stückgüter bewegt werden, kommen neben frei drehbaren Rollen und Kugeln auch motorisch getriebene Rollen zur Anwendung, um Einfluß auf Größe und Richtung der Geschwindigkeit der Güter zu nehmen.

Eine Kraftrückmeldung, die ausschließlich auf Bremskräften beruht, ist einer Kraftrückmeldung mittels aktiver Krafterzeugung ergonomisch deutlich unterle­ gen. Die Kopplung des Trackballs oder der Maus-Rollkugel an zwei Elektromo­ tore mittels Reibrädern beansprucht relativ viel Platz. Wenn die Bewegung der Kugel ohnehin mittels Reibrädern und Winkelencodern gemessen wird, ist der mechanische Mehraufwand für die zusätzlichen Motore gering. Wenn jedoch statt dessen die Position der Kugel oder der Maus auf andere Weise gemessen wird, zum Beispiel durch optoelektronische Abtastung eines Musters auf der Kugel oder auf der Mausunterlage, so ist der Mehraufwand zur Kopplung der Motore beträchtlich.

Das MECANUM-Rad enthält eine Vielzahl beweglicher Teile; seine Herstellung ist aufwendig. Kleine Hindernisse, wie zum Beispiel Höhenversätze durch Bodenbeläge oder Schwellen, können nur bei tangential abrollende Rädern, nicht jedoch bei axialer Radbewegung überwunden werden.

Das multidirektionale Bewegen von Stückgut mittels angetriebener Rollen ist nur möglich durch Heben und Senken von Rollen mit unterschiedlicher Laufrichtung. Dadurch wird die Fördereinrichtung mechanisch komplex.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromotorischen Direktantrieb einer Kugel, die mit zwei Freiheitsgraden drehbar gelagert ist, bereitzustellen, der sich durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Herstellung der Kugel und ihres Antriebs zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung werden die Kugel und der sie teilweise umfassende Stator ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Material gefertigt, das sich ferromagnetisch verhält und einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist. In den Stator sind elektrische Leiter eingelegt, deren räum­ liche Anordnung und elektrische Ansteuerung die Ausbildung eines magnetischen Wanderfeldes ermöglichen, das eine Kraft auf die Kugel ausübt, deren Richtung so variiert werden kann, daß die Kugel zu jeder im Rahmen ihrer zwei Freiheits­ grade möglichen Bewegung angeregt wird. Die Kugel kann aus einer Kugel­ schale aus einem ferromagnetischem Material gebildet werden, die innen hohl oder mit einem nicht ferromagnetischen Material gefüllt ist und außen mit einem Material beschichtet ist, dessen Eigenschaften den Anforderung der jeweiligen Anwendung entsprechen.

Eine mögliche Ausprägung des Kugelantriebs wird durch die Zeichnungen ver­ deutlich. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die angetriebene Kugel und den Stator, Fig. 2 zeigt denselben Stator ohne Kugel.

Die in Fig. 1 dargestellte Kugel 1 wird von einem Stator 2 umgeben und liegt im Betriebszustand auf einer Unterlage 3 auf. Der Stator stützt sich mittels einer zentralen Kugelrolle 4 auf der Kugel ab. Die Kugelrolle 4 sollte aus einem Mate­ rial mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sein, um Energieverluste durch Wirbelströme weitgehend zu verhindern. Drei Führungsräder 5 gewährleisten die Zentrierung der Kugel 1 innerhalb des Stators 2. Eine Abdeckung 6 verhindert das Herausfallen der Kugel 1 aus dem Stator 2, wenn die Kugel nicht auf einer Unterlage 3 aufliegt. Wenn die Anwendung dies erfordert, kann die Abdeckung 6, die in Fig. 1 die Kugel 1 nicht berührt, mit einer Dichtung versehen werden, die im Betriebszustand an der Kugel 1 anliegt und das Eindringen von Fremdkörpern in den Raum zwischen Kugel 1 und Stator 2 verhindert. Der Stator 2 trägt eine zentrale Spule 7 und drei weitere Spulen 8, die gleichmäßig auf dem Innenkreis des Stators 2 angeordnet sind.

Die elektrische Steuerung beaufschlagt die Spule 7 und die Spulen 8 derart mit Strom, daß die Summe der magnetischen Flüsse im Innern der Spulen 7 und 8 stets nahezu verschwindet. Durch einen geeigneten zeitlichen Verlauf der vier Ströme kann das Magnetfeld derart wandern, daß die Kraft, die es auf die ferro­ magnetische Kugel 1 ausübt, die Kugel 1 auf der Unterlage 3 in jede gewünschte Richtung beschleunigt.

Bei Anwendungen in Fördervorrichtungen für Stückgut werden die Verhältnisse im allgemeinen so sein, daß sich die Kugel 1 auf der Kugelrolle 4 abstützt und das Stückgut, das nun den Platz der Unterlage 3 einnimmt, sich auf der Kugel 1 abstützt. Das Prinzip des Antriebs bleibt jedoch unverändert.

Claims (2)

1. Vorrichtung, die eine in zwei Freiheitsgraden drehbar gelagerte Kugel enthält, die mittels eines Stators, der die Kugel teilweise umschließt, elektromagnetisch direktangetrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel und der Stator ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Material gefertigt ist, daß sich ferromagnetisch verhält und einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Eingabegerät an der Benutzerschnittstelle eines Datenverarbeitungssys­ tem dazu benutzt wird, dem Benutzer mittels Kraftrückmeldung die Manipulation der an der Schnittstelle jeweils verfügbaren Objekte zu erleichtern.