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Die Erfindung betrifft ein Seilrobotersystem zur Bewegungssimulation bzw. einen Bewegungssimulator mit einem Seilroboter.
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Bewegungssimulatoren werden in Industrie und Forschung eingesetzt und dienen unter anderem der Simulation von bewegten Systemen, wie beispielsweise Fahrzeugen, Flugzeugen oder Ähnlichem. Mit dem Bewegungssimulator sollen die Bewegungen des bewegten Systems möglichst wirklichkeitsnah simuliert werden. Der Bewegungssimulator erzeugt hierzu Beschleunigungen bzw. Kräfte, die auf einen Benutzer des Bewegungssimulators wirken und die den wahrgenommenen Kräften, die auf einen Benutzer des realen Systems wirken würden, möglichst nahe kommen sollen. Dem Benutzer, der sich in einem Hohlkörper oder einer Kabine befindet, kann ferner über eine Vielzahl an künstlich erzeugten Sinneswahrnehmungen eine virtuelle Realität vorgespiegelt werden, beispielsweise über visuelle Reize, die über ein Bildwiedergabesystem dem Benutzer zugeführt werden. Durch die Kombination aus visuellen und physikalischen Sinneseindrücken interpretiert das menschliche Gehirn virtuelle Bewegungszustände.
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Des Weiteren sind Bewegungssimulatoren bekannt, bei denen der Benutzer über Parametereingabeeinheiten die Bewegungen des bewegten Systems in der virtuellen Welt steuern kann.
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Die aus der Praxis bekannten Bewegungssimulatoren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Parallele Systeme – der verbreiteste Typ ist die Stewart-Plattform – weisen große Nutzlasten auf, besitzen eine hohe Steifigkeit, weisen kaum Vibrationen und Schwingungen auf und erlauben hohe Beschleunigungen.
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Serielle Systeme, wie beispielsweise der in der
WO 2011/144228 A1 offenbarte und auf einem Roboterarm basierende Bewegungssimulator, weisen größere Arbeitsräume auf und haben einen großen Dynamikumfang, neigen aber aufgrund ihrer Konstruktionsweise zu Schwingungen und Vibrationen.
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Aus der
WO 2012/160022 A1 ist ferner ein Bewegungssimulator bekannt, bei dem eine kardanisch aufgehängte Haltevorrichtung für zumindest eine Person um zwei unterschiedliche Raumachsen drehbar ist und wahlweise auf einer Stewart-Plattform, einem linear verfahrbaren Heave-Schlitten oder einer Ein-Arm-Zentrifuge angeordnet werden kann. Hierbei weist die Haltevorrichtung gegenüber der Bildwiedergabefläche zumindest einen Drehfreiheitsgrad auf.
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In der
US 2010/0279255 A1 wird ferner vorgeschlagen, einen Bewegungssimulator auf Basis eines Seilroboters bereitzustellen, umfassend eine an Seilen aufgehängte Plattform, auf der ein Fahrzeug angeordnet ist. Aus der Veröffentlichung Tadokoro, S.; Murao, Y.; Hiller, M.; Murata, R.; Kohkawa, H.; Matsushima, T.: A motion base with 6-DOF by parallel cable drive architecture, in Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, Vol. 7, Nr. 2, S. 115–123, Jun 2002, ist ein weiterer Bewegungssimulator auf Basis eines Seilroboters bekannt, in dem ein Käfig zur Aufnahme einer Person über eine Längenänderung eines der Seile bewegbar ist. Nachteilig hieran ist jeweils der im Vergleich zu den vorgenannten Systemen eingeschränkte Dynamikumfang.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Bewegungssimulator bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Bewegungssimulatoren vermieden werden. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, einen Bewegungssimulator bereitzustellen, der einen großen Arbeitsraum, hohen Dynamikumfang und kaum Neigung zu Schwingungen und Vibrationen bei gleichzeitig hoher Nutzlast ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden durch ein Seilrobotersystem zur Bewegungssimulation mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung wird ein Seilrobotersystem zur Bewegungssimulation bereitgestellt, d. h. eine Vorrichtung zur räumlichen Bewegung von Personen, insbesondere einen Bewegungssimulator, auf Basis eines Seilroboters.
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Das Seilrobotersystem umfasst eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme mindestens einer Person, eine die Aufnahmeeinrichtung umgebende Hülle und einen Seilroboter, dessen Seile an der Hülle angreifen, so dass die Hülle über eine Längenänderung mindestens eines der Seile kontinuierlich innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsraums bewegbar ist. Der besondere Vorzug eines Bewegungssimulators auf Basis eines Seilrobotersystems liegt darin, dass ein Seilroboter einen großen Arbeitsraum und eine hohe Nutzlast ermöglicht und dabei kaum Neigung zu Schwingungen und Vibrationen zeigt. Der Seilroboter ist vorzugsweise ein paralleler Seilroboter.
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Der Begriff „Seile” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht eng, sondern breit auszulegen und soll allgemein biegeschlaffe Verbindungselemente, insbesondere Seile, Bänder oder Kabel, umfassen.
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Ferner ist der Begriff „Hülle” im Sinne der vorliegenden Erfindung in einem allgemeinen Sinn zu verstehen und wird verwendet, um offene oder geschlossene Strukturen bzw. Hohlkörper zu beschreiben, die einerseits geeignet sind, die Aufnahmeeinrichtung und damit die Person (Fahrer, Pilot etc.) sowie die ggf. benötigen Eingabegeräte und Anzeigevorrichtungen in ihrem Innenraum aufzunehmen, und an denen andererseits die Seile des Seilroboters befestigt werden können. Unter dem Begriff „Hülle” sollen beispielsweise offene oder geschlossene Kabinen oder ähnliche Bauformen fallen sowie Rahmenstrukturen, dreidimensionale Fachwerkstrukturen, insbesondere Stabwerke.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Hülle als ein die Aufnahmeeinrichtung räumlich umgebendes Stabwerk bzw. umgebende Fachwerkstruktur aus Stäben und Knotenelementen ausgeführt sein, wobei die Enden der Stäbe an den Knotenelementen befestigt sind. Zur Führung des Stabwerks durch den Seilroboter greifen die Seile des Seilroboters an zumindest einigen der Knotenelemente des Stabwerks an. Das Stabwerk bietet den Vorteil, dass es eine stabile und zugleich leichte Rahmenkonstruktion zur Aufnahme der Aufnahmeeinrichtung ermöglicht. Ferner können flexibel unterschiedliche Seilkonfigurationen durch Variation der Knoten, an denen die Seile befestigt werden, realisiert werden. Da die Seile prinzipiell an jedem Knotenpunkt verankert werden können, ergeben sich viele mögliche Konfigurationen, die den Arbeitsraum und die Dynamik des Seilroboters beeinflussen und somit optimal an die jeweiligen Vorhaben (Fahr-, Flugsimulation oder Grundlagenforschung) angepasst werden können. Die offene Stabwerksstruktur ermöglicht ferner eine einfache Montage und Anpassung der im Innenraum des Stabwerks befindlichen Komponenten des Seilrobotersystems.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stabwerks ist dieses konvex polyederförmig, um eine gute Stabilität zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Stabwerk, das hexaeder-, dodekaeder- oder ikosaederförmig ausgeführt ist, da diese Formen eine ausreichende Anzahl von Ecken zur Befestigung der Seile und einen großen nutzbaren Innenraum bieten.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Stabwerks ist das Stabwerk ikosaederförmig ausgeführt. Versuche im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass das ikosaederförmige Stabwerk einen optimalen Kompromiss aus Anzahl von Knoten und Kanten ermöglicht, die einerseits eine ausreichend flexible Anordnung der Seile ermöglichen und andererseits einen nicht zu hohen Montage- und Materialaufwand erfordern. Ferner sind die durch die Stäbe und Knoten gebildeten Dreiecksstrukturen statisch stabil, und das Ikosaeder besitzt von allen regelmäßigen Polyedern mit gegebenem Durchmesser das größte Volumen, das zur Anordnung der Rotationseinheit und/oder der Aufnahmeeinrichtung genutzt werden kann.
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Um ein Stabwerk hoher Stabilität bei geringem Gewicht bereitzustellen, ist es vorteilhaft, die Stäbe des Stabwerks als Carbon- oder carbonfaserverstärkte Kunststoff(CFK)-Stäbe mit eingebrachten metallischen Krafteinleitungselementen oder als Aluminiumstäbe auszuführen und/oder die Knotenelemente des Stabwerks aus Aluminium zu fertigen, beispielsweise als Aluminium-Frästeile.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Stabwerks weisen die Knotenelemente des Stabwerks jeweils ein Außenstück und ein Innenstück auf. Hierbei weist das Außenstück umfangsseitig Kontaktflächen mit Durchgangsbohrungen auf, an denen die dem Knotenelement zugeordneten Stäbe verschraubt sind. Dies ermöglicht eine schnelle Montage des Stabwerks. Ferner kann gemäß dieser Ausführungsform eine Halterung zur Befestigung eines Seils des Seilroboters am Innenstück um zwei zueinander senkrechte Drehachsen verschwenkbar befestigt sein, um eine vorteilhafte Krafteinleitung bei Bewegung des Stabwerks durch den Seilroboter zu ermöglichen.
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Eine weitere vorteilhafte Variante dieser Ausführungsform sieht vor, dass das Innenstück mit einem konusförmigen Abschnitt in eine konusförmige Ausnehmung des Außenstücks gesteckt ist und mit einer Spannschraube in die Ausnehmung gezogen ist, was eine automatische Selbstzentrierung beim Befestigen der Seile bewirkt. Durch das Vorspannen des Innenkonus wird eine form- und reibschlüssige Verbindung erzeugt, die eine zuverlässige Krafteinleitung bei gleichzeitiger Stabilisierung des Außenkonus gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Stabwerks schneiden sich die Längsachsen der Stäbe eines Knotens, d. h. die Wirkungslinien des Stabwerks, im selben Punkt, wodurch eine vorteilhafte Krafteinleitung ermöglicht wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wirkungslinie des Seildrehpunktes die Wirkungslinien des Stabwerks im gleichen Punkt treffen, um Drehmomente im Stabwerk zu vermeiden. Zur Maximierung der möglichen Seilwinkel kann der Seildrehpunkt jedoch in Richtung der Kegelachse des konusförmigen Abschnitts des Innenstücks nach außen verschoben sein, so dass zumindest die Kegelachse des konusförmigen Abschnitts des Innenstücks ebenfalls den Schnittpunkt der Längsachsen der Stäbe schneidet.
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Die Halterung zur Anbringung der Seile kann mittels einer Schraube am Innenstück befestigt sein, derart, dass die Halterung an einem aus dem Innenstück und dem Außenstück herausragenden Endbereich der Schraube relativ zum Gewindeschaft der Schraube um die zwei Drehachsen verschwenkbar befestigt ist. Dadurch kann sich die Halterung immer optimal an die jeweilige Wirkungslinie der Seilzugkraft anpassen.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung kann das Seilrobotersystem ferner eine Rotationseinheit aufweisen, mittels der die Aufnahmeeinrichtung im Innenraum der Hülle relativ zur Hülle drehbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass unabhängig vom Betrieb des Seilroboters mindestens ein rotatorischer Freiheitsgrad bereitgestellt wird, um den Dynamikumfang des Bewegungssimulators zu erhöhen. Je nach Ausführung des Seilroboters ist es zwar möglich, mit diesem neben der Position auch die Orientierung der Kabine im niedrigen zweistelligen Gradbereich zu variieren. Für viele Simulationsszenarien ist dies jedoch nicht ausreichend (beispielsweise Rundkurs in der Fahrsimulation, Autorotationstraining beim Helikopter, Kunstflugtrainer, Upset-Recovery Training für Piloten etc.).
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass die Aufnahmeeinrichtung mittels der Rotationseinheit im Innenraum der Hülle kardanisch aufgehängt ist, so dass die Aufnahmeeinrichtung Drehbewegungen um mindestens zwei, vorzugsweise um drei unterschiedliche Raumachsen ausführen kann. Bei einer kardanischen Aufhängung um drei unterschiedliche Raumachsen können unabhängig von der Bewegung des Seilroboters alle gewünschten Rotationsbewegungen für die Bewegungssimulation durchgeführt werden. Ferner ist es möglich, eine in der Aufnahmeeinrichtung befindliche Person in allen Punkten des Bewegungsraumes des Seilroboters stets in eine z. B. waagrechte Position zu bringen, so dass der Bewegungsraum optimal ausgenutzt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Rotationseinheit weist diese zur Ausbildung von n Rotationsfreiheitsgraden, n = 2 oder 3, n ineinander geschachtelte Trägerelemente auf, die über jeweilige Drehachsen miteinander drehbar verbunden sind und die jeweils mit einer Antriebseinheit in Wirkverbindung stehen, mittels der sie um ihre jeweilige Drehachse drehbar sind. Das äußere Trägerelement ist an der Hülle drehbar befestig. Am inneren Trägerelement bzw. in dessen Innenraum ist die Aufnahmeeinrichtung gehaltert.
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Mit anderen Worten kann die Rotationseinheit als ein zweidimensionales oder dreidimensionales Gimbal-System ausgeführt sein. Zur Vermeidung des sog. Gimbal-Lock-Effektes kann das dreidimensionale Gimbal-System statt drei auch vier ineinander geschachtelte Trägerelemente aufweisen, die über jeweilige Drehachsen miteinander drehbar verbunden sind.
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Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Realisierung sieht hierbei vor, dass die Antriebseinheit jedes der Trägerelemente einen Antriebsring und einen Motor aufweist. Der Antriebsring ist hierbei drehfest mit dem jeweiligen Trägerelement verbunden und konzentrisch zur Drehachse des jeweiligen Trägerelements angeordnet. Der Antriebsring steht ferner an seinem äußeren Umfangsbereich mit dem Motor, der eingerichtet ist, eine Drehbewegung des Antriebsrings um die jeweilige Rotationsachse zu erzeugen, in Wirkverbindung. Eine Rotation des Antriebsring um die Drehachse bewirkt somit eine korrespondierende Rotation desjenigen Trägerelements, an dem der Antriebsring drehfest befestigt ist, um diese Drehachse. Der Motor kann hierbei beispielsweise über einen am äußeren Umfangsbereich des Antriebsrings angreifenden Seiltrieb, Riementrieb oder ein Antriebsrad mit dem Antriebsring in Wirkverbindung stehen. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die umfangsseitige Krafteinleitung vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse realisieren lassen und die Antriebseinheit platzsparend ausgeführt sein kann, da die Tragstruktur selbst als Antriebsstruktur genutzt wird.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Antriebskraft für ein Tragelement jeweils direkt an der Aufhängung bzw. Drehachse des Tragelements einzubringen und die Antriebseinheit an dieser Stelle anzuordnen. Gemäß einer weiteren Variante besteht die Möglichkeit, dass das Trägerelement selbst ringförmig ist oder zumindest einen ringförmigen Abschnitt aufweist, der an zwei gegenüberliegenden Lagerstellen die Drehachse des Trägerelements schneidet und an zwei Anbindungsstellen mit dem zugeordneten Antriebsring, der vorzugsweise den gleichen Durchmesser aufweist, drehfest verbunden ist.
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Der Seilroboter kann in an sich bekannter Weise Antriebe, vorzugsweise Seilwinden, umfassen, die die Längenveränderlichkeit der ausschließlich Zugkräfte übertragenden Seile des Seilroboters bewirken, wobei jedes an der Hülle angreifende Seil anderenends mit einem der Antriebe verbunden ist und wobei die Seile über die Antriebe gegeneinander verspannbar und/oder verspannt sind.
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Der Seilroboter kann ferner an einer Befestigungsstruktur angeordnete und um mindestens eine Achse schwenkbare Umlenkrollen und/oder Flaschenzüge aufweisen, über die die Seile vom jeweiligen Antrieb zur einer Anbindungsstelle der Hülle geführt sind und die die Eckpunkte eines dreidimensionalen Bewegungsraumes festlegen, innerhalb dessen die die Aufnahmeeinrichtung umgebende Hülle mittels des Seilroboters räumlich frei schwebend positionierbar ist.
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Der Seilroboter kann ferner eine Steuerung aufweisen, die eingerichtet ist, zur Durchführung einer vorgegebenen Bewegung die entsprechenden Längen der Seile zu berechnen und die Antriebe aufeinander abgestimmt anzusteuern, um die Hülle in ihrer Position und/oder Orientierung relativ zur Befestigungsstruktur zu verändern, so dass sich die Hülle und die darin befindlichen Komponenten zeitlich und räumlich definiert bewegen lassen.
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Es wird betont, dass die Anzahl der Seile des Seilroboters, die zur Bewegung der Hülle verwendet werden, nicht auf eine bestimmte Anzahl beschränkt ist und an das jeweilige Simulationsproblem angepasst werden kann. Die Anzahl der Seile liegt vorzugsweise im Bereich zwischen sechs und zehn.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der acht Seile verwendet werden, die jeweils endseitig an der Hülle und an einer von acht Seilwinden angreifen. Jedes Seil wird über eine schwenkbare Umlenkrolle zur Hülle geführt, wobei die entsprechenden acht schwenkbaren Umlenkrollen zur Ausbildung von acht äußeren Ecken eines vorzugsweise quaderförmigen Bewegungsraumes um die Hülle, z. B. das Stabwerk, verteilt angeordnet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst das Seilrobotersystem eine Energiezuführungskette zur Versorgung der Rotationseinheit und zur Versorgung von in der Aufnahmeeinrichtung angeordneten strombetriebenen Komponenten. Um zu verhindern, dass die Energiezuführungskette die Seilbewegungen behindert, kann die Energiezuführungskette an einem mittigen Bereich einer oberen Grenzfläche des Bewegungsraums gehaltert sein und/oder an dieser Stelle in den Bewegungsraum eintreten und der bewegliche Anschlusspunkt der Energiezuführungskette kann über einen oberen Bereich der Hülle in den Innenraum der Hülle geführt sein. Eine Energiezuführungskette dient zur Führung von Kabeln, Schläuchen oder dergleichen Leitern zwischen einem ortsfesten und einem beweglichen Anschlusspunkt zur externen Versorgung von Anwendungsinstallationen und umfasst eine Anzahl gelenkig miteinander verbundener Kettenglieder, die einen Aufnahmeraum für die Kabel und/oder Schläuche bilden.
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Die Aufnahmeeinrichtung des Seilroboters kann eine offene oder geschlossene Kabine und/oder einen Sitz aufweisen. Ferner kann in der Aufnahmeeinrichtung eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, mittels der für eine durch die Aufnahmevorrichtung aufgenommene Person eine zu simulierende Bewegung visuell darstellbar ist, wobei die Anzeigevorrichtung vorzugsweise als ein auf dem Kopf tragbares visuelles Ausgabegerät (engl. Head Mounted Display) oder als eine Projektionsvorrichtung mit einer zugeordneten Projektionsfläche 65 ausgeführt ist. In der Aufnahmeeinrichtung kann ferner eine manuell betätigbare Steuereinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein Lenkrad, ein Pedal und/oder ein Steuerknüppel, mittels der die von der Vorrichtung ausgeführte räumliche Bewegung von der Person, die sich in der Aufnahmeeinrichtung befindet, beeinflussbar und/oder steuerbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Seilrobotersystem, insbesondere dessen Steuerung, eingerichtet sein, die zu simulierende Bewegung mittels sog. „Motion Cueing”-Algorithmen an den verfügbaren Bewegungsraum anzupassen. Beispielsweise kann eine zu simulierende langanhaltende Linearbeschleunigung durch Kippungen der Aufnahmeeinrichtung simuliert werden, die mittels des Seilroboters und/oder der Rotationseinheit durchgeführt wird.
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Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Es wird insbesondere betont, dass das Seilrobotersystem der vorliegenden Erfindung gemäß dem ersten Gesichtspunkt das Stabwerk, wie in diesem Dokument beschrieben, umfassen kann, mit der oder ohne die Rotationseinheit. Gemäß dem ersten Gesichtspunkt ist es nicht erforderlich, das das Stabwerk aufweisende Seilrobotersystem mit einer Rotationseinheit zu kombinieren. Ebenfalls besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Seilrobotersystem gemäß dem zweiten Gesichtspunkt die Rotationseinheit, wie in diesem Dokument beschrieben, umfassen kann, mit oder ohne dem in diesem Dokument beschriebenen Stabwerk. Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt ist es somit nicht erforderlich, dass die Hülle des die Rotationseinheit aufweisenden Seilrobotersystems als Stabwerk ausgeführt ist.
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Ein Seilrobotersystem gemäß dem ersten Aspekt und ein Seilrobotersystem gemäß dem zweiten Aspekt sollen somit auch unabhängig voneinander offenbart und beanspruchbar sein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Seilrobotersystem zur Bewegungssimulation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein Stabwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 das Stabwerk der 2 mit einer einbeschriebenen Kugel zur Illustration des Innenvolumens;
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4 einen Knotenpunkt des Stabwerks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Explosionsdarstellung des Knotenpunkts;
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6 das Stabwerk aus 2 und ein 3D-Gimbal-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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7 eine Innenkugel im Stabwerk mit Projektionsfläche und Projektor.
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Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht gesondert beschrieben.
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1 zeigt ein Seilrobotersystem 1 zur Bewegungssimulation, nachfolgend auch als Bewegungssimulator bezeichnet. Das Seilrobotersystem 1 umfasst in der in 1 dargestellten Ausführungsvariante einen Seilroboter 10, dessen acht Seile 11 an einem ikosaederförmigen Stabwerk 20 angreifen, was nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
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Der Seilroboter umfasst ferner acht Seilwinden 12 als Antriebe mit je 55 kW maximaler Leistung, die die Längenveränderlichkeit der ausschließlich Zugkräfte übertragenden Seile 11 des Seilroboters 10 bewirken. Jedes am Stabwerk 20 angreifende Seil 11 ist anderenends an einer der Seilwinden 12 befestigt. Die Seile 11 werden über die Seilwinden gegeneinander verspannt.
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Die verwendeten Drahtseile 11 mit 14 mm Querschnitt bieten zehnfache Sicherheit bei einer maximalen Zugkraft von 14,4 kN pro Seilwinde 12. Die Drahtseile werden über Umlenkrollen 14, die an einer äußeren Rahmenkonstruktion 4 aus Stahl befestigt sind, in die acht Raumecken geführt, von denen sie über acht Schwenkrollen 13 (in 1 sind nur sechs davon sichtbar) zu dem Stabwerk 20 des Bewegungssimulators 1 geführt werden.
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Über eine Längenänderung der Seile 11 kann das Stabwerk 20 kontinuierlich innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsraums 5 bewegt werden, wobei die äußeren Eckpunkte des Bewegungsraums 5 durch die Position der acht Schwenkrollen 13 festgelegt werden.
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Eine nicht dargestellte Steuerung ist programmtechnisch eingerichtet, zur Durchführung einer vorgegebenen Bewegung die entsprechenden Längen der Seile 11 zu berechnen und die Seilwinden 12 aufeinander abgestimmt anzusteuern, um das Stabwerk 20 in seiner Position und/oder Orientierung relativ zur äußeren Rahmenkonstruktion 4 zu verändern.
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Im Innenraum des Stabwerks 20 befindet sich eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme mindestens einer Person, z. B. in Form einer geschlossenen Kabine 70, die drehfest am Stabwerk 20 befestigt ist. Alternativ kann die im Innenraum des Stabwerks befindliche Aufnahmeeinrichtung auch mittels einer Rotationseinheit 50 im Innenraum des Stabwerks relativ zum Stabwerk drehbar aufgehängt sein, was in 6 noch detaillierter beschrieben wird.
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Die Energieversorgung der im Stabwerk 20 befindlichen Aufnahmeeinrichtung und einer Rotationseinheit, mittels der die Aufnahmeeinrichtung relativ zum Stabwerk 20 drehbar ist, erfolgt über eine Energiezuführungskette 3. Um zu verhindern, dass die Energiezuführungskette 3 die Seilbewegungen behindert, ist diese an einem mittigen Bereich 2 der oberen Grenzfläche des Bewegungsraums 5 ortsfest gehaltert und tritt an dieser Stelle in den Bewegungsraum 5 ein. Der bewegliche Anschlusspunkt der Energiezuführungskette 3 befindet sich im oberen Bereich des Stabwerks 20.
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2 zeigt ein Stabwerk 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Stabwerk 20 wird aus Stäben 21 und Knotenelementen 22 gebildet, wobei die Enden der Stäbe 21 an den Knotenelementen 22 befestigt sind. Das Stabwerk 20 ist ikosaederförmig, d. h. besteht aus 20 Knotenelementen 22 und aus 30 Stäben 21. Die Stäbe 21 sind als carbonfaserverstärkte Kunststoff(CFK)-Stäbe ausgeführt, in die endseitig ein Aluminiumgewinde mit Schraubenlöchern als Krafteinleitungs- und Befestigungselement eingebracht ist, und besitzen bei hoher Steifigkeit ein geringes Gewicht. Bei diesen Stäben werden Zugkräfte von dem eingebrachten Aluminiumgewinde und Druckkräfte von den Carbonfasern aufgenommen. Derartige Stäbe werden beispielsweise von der Fa. Schütze GmbH & Co. KG, 38110 Braunschweig, Deutschland angeboten.
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Die Knotenelemente 22 sind als Aluminiumfrästeile gefertigt und weisen jeweils ein Außenstück 23 und ein Innenstück 24 auf. In 2 ist nur das Außenstück 23 gezeigt. Das Außenstück hat an seiner Unterseite eine Durchgangsbohrung 28, über die eine Spannschraube (nicht gezeigt) eingeführt werden kann, um das Innenstück 24 am Außenstück 23 zu befestigen.
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Das ikosaederförmige Stabwerk 20 bietet einen optimalen Kompromiss aus Anzahl von Knoten 22 und Kanten 21, so dass einerseits eine ausreichend flexible Anordnung der Seile an dem Stabwerk 20 ermöglicht wird und andererseits der Montage- und Materialaufwand gering bleibt. Das Ikosaeder besitzt von allen regelmäßigen Polyedern mit gegebenem Durchmesser das größte Volumen, das zur Anordnung der Rotationseinheit und/oder der Aufnahmeeinrichtung genutzt werden kann.
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Dies ist anhand von 3 illustriert, die das Stabwerk der 2 mit einer einbeschriebenen Kugel 70 zur Illustration des Innenvolumens zeigt. Die Kugel 70 kann auch als geschlossene Kabine dienen, in der der Benutzer des Bewegungssimulators sitzt.
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4 zeigt in einer perspektivischen Detailansicht einen Knotenpunkt 22 des Stabwerks 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Knotenelemente 22 weisen, wie vorstehend erwähnt, jeweils ein Außenstück 23 und ein Innenstück 24 auf. Dies ist in 5 deutlicher anhand einer Explosionsdarstellung zu erkennen.
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Das Außenstück 23 hat fünf umfangsseitige Kontaktflächen 26 mit Durchgangsbohrungen 25, wobei die Durchgangsbohrungen 25 jeder Kontaktfläche 26 kreisförmig angeordnet sind. Das in die CFK-Stäbe eingebrachte Aluminiumgewinde weist hierzu entsprechend eine korrespondierende kreisförmige Anordnung von Gewindebohrungen auf, so dass ein CFK-Stab 21 über die Durchgangsbohrungen 25 an einer der Kontaktflächen 26 verschraubt werden kann.
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Das Innenstück 24 hat einen konusförmigen Abschnitt 24a, der in eine formkorrespondierende konusförmige Ausnehmung 23a des Außenstücks 23 gesteckt ist. Mit einer Spannschraube (nicht gezeigt), die durch die untere Öffnung 28 (siehe 2) in ein Innengewinde im unteren Teil des konusförmigen Abschnitts 24 eingreift, wird das Innenstück 24 in die Ausnehmung 23a gezogen. Dieses Vorspannen des Innenkonus 24a erzeugt eine form- und reibschlüssige Verbindung, die eine zuverlässige Krafteinleitung bei gleichzeitiger Stabilisierung des Außenkonus 23 gewährleistet.
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An dem aus dem Außenstück 24 herausragenden Abschnitt des Innenstücks ist eine Halterung 30 zur Befestigung eines Seils 11 des Seilroboters befestigt. Die Halterung 30 ist am Innenstück 24 um zwei zueinander senkrechte Drehachsen D1, D2 verschwenkbar befestigt. Die Halterung 30 ist mittels einer Schraube 27 am Innenstück 24 befestigt, wobei die Halterung 30 an einem aus dem Innenstück 24 und dem Außenstück 23 herausragenden Endbereich der Schraube 27 relativ zum Gewindeschaft der Schraube 27 um die zwei Drehachsen D1, D2 verschwenkbar befestigt ist. Hierzu ist die Hülse 28, an der die Halterung 30 schwenkbar um die Achse D2 befestigt ist, über ein Gleit- oder Wälzlager an der Schraube 27 befestigt. Die Halterung 30 hat eine Durchgangsöffnung, durch die ein gebogener Haken 15 geführt ist, der am stabwerkseitigen Endbereich des Seils 11 befestigt ist.
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Die Längsachsen der Stäbe 21 eines Knotens 22 schneiden sich im selben Punkt. Die Achse D1 des konusförmigen Abschnitts des Innenstücks 24 schneidet diesen Schnittpunkt der Längsachsen ebenfalls.
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6 zeigt das Stabwerk aus 2 und ein 3D-Gimbal-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Im Innern des Stabwerks 20 befindet sich eine Aufnahmeeinrichtung 8, 8a, 9 zur Aufnahme mindestens einer Person 7. Die Aufnahmeeinrichtung umfasst einen Sitz, der auf einer Stützstruktur 8, 8a gehaltert ist. Die Aufnahmeeinrichtung 8, 8a, 9 ist mittels einer Rotationseinheit 50 im Innenraum des Stabwerks 20 kardanisch aufgehängt, derart, dass die Aufnahmeeinrichtung 8, 8a, 9 Drehbewegungen um drei unterschiedliche Raumachsen G1, G2, G3 ausführen kann (3D-Gimbalsystem).
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Zur Ausbildung von drei Rotationsfreiheitsgraden weist die Rotationseinheit 50 drei ineinander geschachtelte Trägerelemente (erste Trägerelement 51, zweites Trägerelement 53, dritte Trägerelement 55a, 55b, 55c, 55d) auf, die über jeweilige Drehachsen G1, G2, G3 miteinander drehbar verbunden sind und die jeweils mit einer Antriebseinheit in Wirkverbindung stehen, mittels der sie um ihre jeweilige Drehachse drehbar sind.
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Das äußere Trägerelement 51 umfasst einen ringförmigen Bügel und ist an den Stellen 51a drehbar am Stabwerk 20 aufgehängt, so dass sich das äußere Trägerelement 51 um die erste Drehachse G1 drehen kann.
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Die Antriebseinheit des ersten Trägerelements 51 umfasst den Antriebsring 52, der drehfest an den beiden Stellen 59 mit dem ersten Trägerelement 51 verbunden und senkrecht und konzentrisch zur Drehachse G1 des ersten Trägerelements angeordnet ist. Der Antriebsring 51 steht an seinem äußeren Umfangsbereich mit einem Elektromotor in Wirkverbindung, der über einen Riementrieb am Antriebsring 52 angreift. Der Elektromotor kann z. B. ebenfalls am Antriebsring gehaltert sein. Der Elektromotor und der Riementrieb sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Innenliegend zum ersten Trägerelement 51 ist zur Ausbildung eines weiteren Rotationsfreiheitsgrades ein zweites ringförmiges Trägerelement 53 vorgesehen. Das zweite Trägerelement 53 ist an der Innenseite des Verbindungsbereichs 53a des ersten Trägerelements 51 mit dem ersten Antriebsring 52 drehbar zum ersten Trägerelement 51 gelagert, so dass sich das zweite Trägerelement 53 um eine zweite Drehachse G2 drehen kann. Die Lage der zweite Drehachse G2 hängt von der aktuellen Drehstellung des ersten Trägerelements 51 ab.
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Die Antriebseinheit des zweiten Trägerelements 53 umfasst den zweiten Antriebsring 54, der drehfest an den beiden Stellen 60 mit dem zweiten Trägerelement 53 verbunden und konzentrisch und senkrecht zur Drehachse G2 des zweiten Trägerelements 53 angeordnet ist. Der zweite Antriebsring 54 steht wiederum mit einem Elektromotor in Wirkverbindung, der über einen Riementrieb am äußeren Umfangsbereich des Antriebsring 54 angreift (wiederum in 6 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
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Das Trägerelement des dritten Rotationsfreiheitsgrades (Drehachse G4) wird aus einer Ringstruktur aus den zwei Ringpaaren 55a, 55b und 55c und 55d gebildet, die jeweils über Stabilisierungsstreben 62 miteinander verbunden sind, und die an den Bereichen 55c, an denen sich die beiden Ringpaare treffen, drehbar an dem zweiten Trägerelement 52 aufgehängt sind. In der in 6 gezeigten momentanen relativen Verdrehstellung der Trägerelemente zueinander ist das Trägerelement des dritten Rotationsfreiheitsgrades so gedreht, dass die erste Drehachse G1 und die dritte Drehachse G3 gerade zusammenfallen.
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Als Antriebselement für das Trägerelement des dritten Rotationsfreiheitsgrades dient ein Paar von Antriebsringen 56a, 56b, die an den Stellen 61 drehfest mit den Ringpaaren 55a, 55b und 55c und 55d verbunden sind. Die Antriebsringe 56a, 56b stehen ebenfalls umfangsseitig in Wirkverbindung mit einem Elektromotor (wiederum nicht dargestellt).
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Über die Antriebseinheit jedes Trägerelements kann jedes Trägerelement um seine Drehachse gedreht werden. Die Antriebseinheit bzw. der jeweilige Elektromotor kann entsprechend von einer Steuerung des Seilrobotersystem 1 angesteuert werden, so dass die Aufnahmevorrichtung 8, 8a, 9 und die Person 7 eine vorgegebene Rotationsbewegung ausführen.
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Die Stromversorgung und Signalübertragung zwischen den einzelnen Drehebenen des 3D-Gimbalsystem erfolgt über Schleifringe, die jeweils zwischen den Trägerelementen angeordnet sind. In 6 ist beispielhaft ein Paar von Schleifringen 63 dargestellt.
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Der annähernd kugelförmige Innenraum der Rotationseinheit 50 ist ferner gut zur Integration einer Projektionsfläche geeignet, was in 7 dargestellt ist.
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Das in 6 dargestellte 3D-Gimbalsystem auf Basis dreier ineinander geschachtelter Trägerelemente und zugeordneter Antriebsringe, die umfangsseitig angetrieben werden, ermöglicht eine baulich besonders kompakte Realisierung dreier Rotationsfreiheitsgrade. Es wird betont, dass prinzipiell auch andere aus dem Stand der Technik bekannte 3D-Gimbalsysteme bzw. kardanische Aufhängungen zur Realisierung dreier Rotationsfreiheitsgrade verwendet werden können.
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7 illustriert eine Innenkugel im Stabwerk mit Projektionsfläche und Projektor. Als Aufnahmeeinrichtung für eine Person ist am Stabwerk eine geschlossene kugelförmige Kabine 70 gehaltert.
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Ferner besteht die Möglichkeit, die Kabine 70 über die Rotationseinheit 50 am Stabwerk 20 kardanisch auszuhängen (in 7 nicht dargestellt). In diesem Fall wäre die Kabine 70 am inneren Trägerelement der Rotationseinheit 50 befestigt und in dessen Innenraum angeordnet.
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Dem Benutzer 7, der sich während der Bewegungssimulation in dem Sitz 9 befindet, kann über eine Anzeigevorrichtung eine zu simulierende Bewegung visuell dargestellt werden. Die Anzeigevorrichtung kann als eine Projektionsvorrichtung 64 mit einer zugeordneten Projektionsfläche oder als ein auf dem Kopf tragbares visuelles Ausgabegerät (engl. Head Mounted Display) ausgeführt sein.
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In der Kabine können ferner manuell betätigbare Steuerelemente angeordnet sein, beispielsweise ein Lenkrad, ein Pedal und/oder ein Steuerknüppel, mittels derer die von dem Seilrobotersystem ausgeführte räumliche Bewegung beeinflussbar und/oder steuerbar ist (nicht dargestellt).
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Trotz des großen Arbeitsraumes des Bewegungssimulators 1 werden die Bewegungen des zu simulierenden Objektes den Arbeitsraum 5 des Simulators 1 in vielen Fällen überschreiten, so dass die Bewegungen – wie bei allen Simulatoren – über „Motion Cueing Algorithmen” an den Arbeitsraum 5 des Simulators angepasst werden müssen. Um die Wahrnehmung der Bewegung innerhalb des Simulators möglichst realistisch erscheinen zu lassen, wird oft die Methode der sogenannten „tilt-coordination” verwendet.
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Dabei werden langanhaltende Linearbeschleunigungen durch Kippungen des Simulators ersetzt. Dieser „Trick” funktioniert nur, solange die Kippung des Simulators nicht über das visuelle System wahrgenommen wird. Aus diesem Grund erfolgt die visuelle Darstellung der Simulation entweder über ein „Head Mounted Display (HMD)” (durch die geschlossene Form des „HMD” ist dies auch mit einer offenen Fachwerkstruktur 20 der Simulatorkabine möglich) oder über eine Projektion mittels eines Beamers 67 auf eine Projektionsfläche innerhalb der Kabine (geschlossene Kabine nötig). Im zweiten Fall ist eine möglichst große, kugelförmige Struktur der Kabine zur Integration der Projektion vorteilhaft.
