DE19821453C1 - Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung des Gehenden/Laufenden - Google Patents
Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung des Gehenden/LaufendenInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderungen des Gehenden/Laufenden weist eine Bodeneinrichtung mit einer betretbaren Oberfläche und mit Elektromagneten (6, 7) sowie eine Steuereinrichtung (8, 9, 10) zur Ansteuerung der Elektromagnete (6, 7) auf. Die Elektromagnete (6, 7) sind derart angeordnet und können durch die Steuereinrichtung (8, 9, 10) derart angesteuert werden, daß eine mit magnetisch wechselwirkenden Schuhen (12) versehene Person (3) auf der Bodeneinrichtung eine Geh- und/oder Lauftätigkeit, die motorisch vom Gehen und/oder Laufen auf der Stelle verschieden ist, ausführen kann, ohne eine wesentliche Ortsveränderung zu erfahren.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation von
Geh- und Lauftätigkeit ohne wesentliche Ortsveränderung des
Gehenden/Laufenden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Simulation von virtuellen Umwelten ist es zur
Durchführung von Forschungsarbeiten oftmals notwendig, daß
sich der Proband im Versuchsaufbau durch Gehen oder Laufen
fortbewegt. Dies wird nach dem Stand der Technik durch mecha
nische Laufbänder ermöglicht. Häufig ermöglichen die Laufbän
der nach dem Stand der Technik jedoch nur eine geradlinige
Bewegung in einer Richtung, was besonders nachteilig ist.
Vorrichtungen zur Simulation von Geh- und/oder Lauftätig
keit, bei denen ein Richtungswechsel während des Gehens/Lau
fens möglich ist, sind aus den Druckschriften DE 195 17 052 C1,
DE 195 07 507 A1 und US 5 562 572 bekannt. Die Vorrichtun
gen gemäß der DE 195 17 052 C1 und der US 5 562 572 verwenden
komplizierte Systeme aus sehr vielen elektromechanisch ange
steuerten Rollen oder Kugeln, auf denen sich der Gehende/-
Laufende bewegt. Aufgrund der Vielzahl sich drehender mechani
scher Teile in diesen Vorrichtungen ist die Gefahr relativ
groß, daß aufgrund der starken mechanischen Belastung öfter
einzelne dieser Teile ausfallen und so die Betriebsbereit
schaft der gesamten Vorrichtung gefährden. Ein ähnliches
Problem ergibt sich bei der aus der DE 195 07 507 A1 bekannten
Vorrichtung, bei der ständig zwei Stehplatten mechanisch mehr
oder weniger schnell bewegt müssen. Dabei ist die mechanische
Beanspruchung der Bewegungseinrichtung derart hoch, daß allein
aufgrund der mechanischen Belastung ein relativ hohes Ausfall
risiko angenommen werden muß.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit
ohne wesentliche Ortsveränderung des Gehenden/Laufenden, bei
der ein Richtungswechsel während des Gehens/Laufens möglich
ist, zu schaffen, die möglichst wenige eine mechanische Bewe
gung ausführende Teile aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine
Vorrichtung nach Anspruch 1.
Bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 wird die im Stand der
Technik durch zum Teil geradlinige mechanische Laufbänder er
füllte Aufgabe durch ein in spezieller Weise angesteuertes
veränderliches Magnetfeld übernommen, was den Vorteil bietet,
daß der Proband nicht nur auf eine Bewegungsrichtung festge
legt ist, da das Magnetfeld so angesteuert werden kann, daß es
die bisherige Laufbandfunktion zeitlich veränderlich in jeder
beliebigen Richtung übernimmt. Sich mechanisch bewegende Teile
werden an der Bodeneinrichtung überhaupt nicht mehr benötigt.
Der sich jeweils auf der Bodeneinrichtung befindende Fuß des
Probanden wird mit Hilfe magnetischer Kräfte verschoben. Da
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich drehende oder
anderweitig bewegte mechanische Teile in der Bodeneinrichtung
nicht notwendig sind, besteht auch keine Gefahr des Ausfalls
solcher Teile durch mechanischen Verschleiß mehr. Folglich hat
die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gegenüber den aus dem
Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Simulation von
Geh- und Lauftätigkeit mit Möglichkeit des Richtungswechsels
erhöhte Betriebszuverlässigkeit.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
16.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Ausführungsform einer er
findungsgemäßen Vorrichtung mit einem Laufenden,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Bodenplatte der Vorrich
tung von Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3 eine Sohlenansicht eines Schuhs des Laufenden von
Fig. 1 und
Fig. 4 einen Ausschnitt der Bodenplatte der Vorrichtung von
Fig. 1 in Seitenansicht.
Kernstück einer in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Bodeneinrichtung
eine kreisrunde Bodenplatte 1 von ca. 2 m2 Fläche. In diese
mit einer sehr glatten betretbaren Oberfläche versehene Platte
ist eine Vielzahl von länglichen Elektromagneten 6, 7 einge
arbeitet. Dies kann man genauer in den Fig. 2 und 4 erkennen.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt 2 aus der Bodenplatte 1 in
Draufsicht, und die Fig. 4 bietet eine Seitenansicht dieses
Ausschnitts.
Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, sind die Elek
tromagnete 6, 7 wabenartig innerhalb einer einzigen, sich
lateral im wesentlichen parallel zur betretbaren Oberfläche
erstreckenden Schicht angeordnet. Jeweils sechs Elektromagnete
7 sind so gegeneinander geneigt gruppiert, daß ihre vonein
ander abgewandten Enden Eckpunkte ein und desselben regulären
Hexagons markieren und diese Elektromagnete 7 auf Seitenkanten
eines gedachten Pyramidenstumpfes mit dem regulären Hexagon
als Grundfläche verlaufen. Diese Elektromagnete 7 sollen im
folgenden als "Vektormagnete" bezeichnet werden. Zur Bezeich
nungsweise wird außerdem klargestellt, daß die Bezeichnung
"wabenartige" Anordnung im vorliegenden Zusammenhang nicht auf
Grundflächen in Form eines regulären Hexagons beschränkt sein
soll. Die Elektromagnete 7 können bei anderen Ausführungsbei
spielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesem Sinne
wabenartig auch so angeordnet sein, daß sie auf Seitenkanten
eines gedachten Pyramidenstumpfes oder sogar allgemeiner auf
Seitenkanten irgendeines anderen gedachten Körpers mit einem
Dreieck oder einem Viereck oder irgendeiner anderen Fläche als
Grundfläche verlaufen.
Auf einer gedachten zentralen Achse jeder Elektromagnet
pyramide ist jeweils ein weiterer länglicher Elektromagnet 6
angeordnet. Diese Elektromagnete 6 sollen im folgenden als
"Abstoßmagnete" bezeichnet werden. Es sei jedoch klargestellt,
daß die gewählten unterschiedlichen Bezeichnungen für die
Elektromagnete 6, 7 rein formaler Natur sind. Technische
Unterschiede zwischen den einzelnen Elektromagneten 6, 7 gibt
es, abgesehen von der unterschiedlichen räumlichen Anordnung,
bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nicht. Insbesondere können die "Abstoßmagnete" 6
auch so betrieben werden, daß sie auf einen in ihr Magnetfeld
gelangenden Permanentmagneten eine anziehende Kraft ausüben.
Bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung sind die Elektromagnetpyramiden so an
geordnet, daß ihre gedachte Grundfläche jeweils im wesentli
chen parallel zur betretbaren Oberfläche verläuft. Es sind
genau zwei Arten von Elektromagnetpyramiden vorhanden, die
sich durch ihre um 180° versetzte Orientierung in Bezug auf
die betretbare Oberfläche unterscheiden. Fig. 4 zeigt einen
Teilschnitt durch die Bodenplatte 1 in einer Richtung, in der
sich die beiden Arten von Elektromagnetpyramiden alternierend
abwechseln.
Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört weiterhin
eine Steuereinrichtung 8, 9, 10 zur Ansteuerung der Elektroma
gnete 6, 7. Diese Steuereinrichtung 8, 9, 10 weist ein Trac
kingsystem 8, 9 und einen Steuercomputer 10 auf. Das Trac
kingsystem arbeitet auf der Basis von Beschleunigungssensoren
8, die an einem Gürtel 4, der einem Probanden 3 umgebunden
wird, befestigt sind. Die Beschleunigungssensoren detektieren
die Bewegungen des Probanden 3 und senden mittels zugeordneter
kleiner Sender entsprechende Detektionssignale an Empfänger 9,
von denen aus die Signale an den Steuercomputer 10 weiterge
leitet werden. Die Beschleunigungssensoren können im übrigen
auch anderweitig am Probanden 3 befestigt werden. Es erscheint
jedoch günstig, die Messung der Probandenbewegung in der Nähe
des Körperschwerpunktes durchzuführen. So würden z. B. bei der
Verwendung der Kopfposition als Bezugspunkt schnelle Kopfbe
wegungen und damit verbundene starke Beschleunigungssignale
über den unten noch genauer zu erörternden Steuerungsmechanis
mus zu einer sehr schnellen Änderung des von den Elektromagne
ten 6, 7 erzeugten Magnetfeldes führen, woraufhin der Proband
3 sein Gleichgewicht verlieren könnte.
Der mit einer Sicherungsleine 11 gegen einen Sturz gesi
cherte Proband 3 trägt ein Paar Schuhe 12, deren Sohle 5 je
weils mit starken Permanentmagneten 14 bestückt ist. Die
Permanentmagneten 14 können auf oder in der Sohle 5 angeordnet
sein und weisen bevorzugterweise alle eine gleichsinnige
magnetische Ausrichtung auf. Die Schuhe 12 können auch auf
jede andere geeignete Weise zur magnetischen Wechselwirkung
mit einem von den Elektromagneten 6, 7 erzeugten Magnetfeld
hergerichtet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in jedem Falle
die Elektromagnete 6, 7 derart angeordnet und können die
Elektromagnete 6, 7 durch die Steuereinrichtung 8, 9, 10
derart angesteuert werden, daß eine mit magnetisch wechselwir
kenden Schuhen 12 versehene Person 3 auf der Bodenplatte 1
eine Geh- und/oder Lauftätigkeit, die motorisch vom Gehen
und/oder Laufen auf der Stelle verschieden ist, ausführen
kann, ohne eine wesentliche Ortsveränderung zu erfahren. Dies
funktioniert folgendermaßen: Sobald die erfindungsgemäße
Vorrichtung betriebsbereit geschaltet ist und der Proband 3
beginnt, sich vorwärtszubewegen, wird dies vom Trackingsystem
8, 9 erkannt, und es werden Richtungs- und Geschwindigkeits
daten an den Steuercomputer 10 gemeldet. Der Steuercomputer
10, der mit einem entsprechend geeigneten Datenverarbeitungs
programm versehen ist, verarbeitet diese Daten und steuert auf
der Grundlage der verarbeiteten Daten die von den einzelnen
Elektromagneten 6, 7 zu jedem Betriebszeitpunkt entsprechend
der jeweiligen Aufgabenstellung zu erzeugenden Magnetfelder.
So können mittels der Abstoßmagnete 6 z. B. Abstoßfelder zur
Reibungskraftverminderung erzeugt werden. Die Vektormagnete 7
werden so angesteuert, daß ihr resultierendes Magnetfeld den
jeweils auf der Bodenplatte 1 befindlichen Fuß des Probanden 3
entgegengesetzt zur vom Probanden 3 eingeschlagenen Bewegungs
richtung verschiebt, so daß der Proband 3 auf der Bodenplatte
1 eine Geh- und/oder Lauftätigkeit, die motorisch vom Gehen
und/oder Laufen auf der Stelle verschieden ist, ausführen
kann, ohne eine wesentliche Ortsveränderung zu erfahren. Dabei
kann das von den Elektromagneten 6, 7 erzeugte resultierende
Magnetfeld durch die Steuereinrichtung 8, 9, 10 so angesteuert
werden, daß der Proband in der Wahl seiner Geh- bzw. Laufrich
tung und -geschwindigkeit frei ist und diese auch zeitlich
ändern kann. Richtung und Stärke der durch die einzelnen
Elektromagnete 6, 7 erzeugten Magnetfelder werden durch den
Steuercomputer 10 ständig überwacht und so geregelt, daß der
Proband 3 während seiner Geh- bzw. Laufaktivität auf der .
relativ kleinen Bodenplatte 1 verbleibt.
Durch unterschiedliche Voreinstellungen der Elektromagne
te 6, 7 können verschiedene Bodenarten simuliert werden, z. B.:
Nur Abstoßmagnete 6 ohne Richtungsvektor = Glatteis
Abstoßmagnete 6 auf Anziehung gepolt = Lehm ("klebt")
Richtungsvektor und schwache Abstoßung = Beton ("hart")
Richtungsvektor und starke Abstoßung = Gras ("weich")
Richtungsvektor und unterschiedliche Abstoßung = Schotter ("uneben")
Nur Abstoßmagnete 6 ohne Richtungsvektor = Glatteis
Abstoßmagnete 6 auf Anziehung gepolt = Lehm ("klebt")
Richtungsvektor und schwache Abstoßung = Beton ("hart")
Richtungsvektor und starke Abstoßung = Gras ("weich")
Richtungsvektor und unterschiedliche Abstoßung = Schotter ("uneben")
In dieser Aufstellung bedeutet "Richtungsvektor" stets
das durch die Vektormagnete 7 erzeugte Magnetfeld.
Durch eine Neigung der Bodenplatte 1 können Steigungen
simuliert werden. Insbesondere ist es möglich, die Bodenplatte
1 mit einer Einrichtung zu versehen, die es ermöglicht, in
Bezug auf eine Unterlage die Bodenplatte 1 in mindestens zwei
verschiedenen Neigungswinkeln aufzustellen.
Die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und das beschriebene Paar Schuhe 12 bilden ein
System und sind funktionell genau aufeinander abgestimmt. Die
betretbare Oberfläche und die Schuhe 12 sind so gestaltet, daß
die Haftreibungszahl jedes Schuhs 12 auf der betretbaren
Oberfläche kleiner als 0,2 und die Gleitreibungszahl jedes
Schuhs 12 auf der betretbaren Oberfläche kleiner als 0,1 ist.
Das beschriebene System kann durch weitere Paare von
Schuhen 12 erweitert werden, wobei sich mindestens zwei Paare
durch die Größe ihrer Schuhe voneinander unterscheiden. Eine
Erweiterung des genannten Systems durch mehrere Paare von
Schuhen 12 ist auch dahingehend möglich, daß sich mindestens
zwei Paare durch die Haftreibungszahl und/oder die Gleitrei
bungszahl ihrer Schuhe 12 auf der betretbaren Oberfläche
voneinander unterscheiden.
Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung oben mit Bezug
auf eine Ausführungsform, bei der die Bodenplatte 1 eine ebene
Scheibe ist, beschrieben wurde, sind auch Ausführungsformen
mit einer nicht ebenen Topologie der betretbaren Oberfläche
möglich.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Simulation von Geh- und Lauftätigkeit ohne
wesentliche Ortsveränderung des Gehenden/Laufenden (3) mit
einer Bodeneinrichtung mit betretbarer Oberfläche,
gekennzeichnet durch
- 1. in der Bodeneinrichtung angeordnete Elektromagnete (6, 7),
- 2. eine Steuereinrichtung (8, 9, 10) zur Ansteuerung der Elektromagnete (6, 7) und
- 3. mindestens ein Paar von magnetisch wechselwirkenden Schu hen (12),
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bodeneinrichtung eine Bodenplatte (1) mit glatter
betretbarer Oberfläche aufweist und die Elektromagnete (6,
7) in die Bodenplatte (1) eingearbeitet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bodenplatte (1) mit einer Einrichtung versehen ist, die
es ermöglicht, in Bezug auf eine Unterlage die Bodenplatte
(1) in mindestens zwei verschiedenen Neigungswinkeln auf
zustellen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenplatte (1) kreisrund ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (1) ungefähr 2 m2 groß
ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch mehrere wabenartig angeordnete längliche
Elektromagnete (7), wobei jeweils sechs dieser Elektromag
nete (7) so gegeneinander geneigt gruppiert sind, daß ihre
voneinander abgewandten Enden Eckpunkte ein und desselben
regulären Hexagons markieren und die Elektromagnete (7) auf
Seitenkanten eines gedachten Pyramidenstumpfes mit dem
regulären Hexagon als Grundfläche verlaufen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
auf einer gedachten zentralen Achse mindestens einer Elek
tromagnetpyramide ein weiterer länglicher Elektromagnet (6)
angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromagnetpyramiden so angeordnet sind, daß ihre
gedachte Grundfläche jeweils im wesentlichen parallel zur
betretbaren Oberfläche verläuft.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeich
net durch mehrere der genannten Elektromagnetpyramiden,
wobei genau zwei Arten von Elektromagnetpyramiden vorhanden
sind, die sich durch ihre um 180° versetzte Orientierung in
Bezug auf die betretbare Oberfläche unterscheiden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß alle Elektromagnetpyramiden in einer
einzigen, sich lateral im wesentlichen parallel zur be
tretbaren Oberfläche erstreckenden Schicht angeordnet
sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung (8, 9,
10) ein Trackingsystem (8, 9) und einen Steuercomputer
(10) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Trackingsystem (8, 9) an der Person (3) anzuordnende
Beschleunigungssensoren (8) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem der
Schuhe (12) ein Permanentmagnet (14) oder mehrere Perma
nentmagnete (14) auf oder in seiner Sohle (5) angeordnet
ist bzw. sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch mehrere Paare von Schuhen (12), wobei
sich mindestens zwei Paare durch die Größe ihrer Schuhe
voneinander unterscheiden.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Haftreibungszahl jedes
Schuhs (12) auf der betretbaren Oberfläche kleiner als 0,2
und/oder die Gleitreibungszahl jedes Schuhs (12) auf der
betretbaren Oberfläche kleiner als 0,1 ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch mehrere Paare von Schuhen (12), wobei
sich mindestens zwei Paare durch die Haftreibungszahl
und/oder die Gleitreibungszahl ihrer Schuhe (12) auf der
betretbaren Oberfläche voneinander unterscheiden.
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