Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugsystem mit aktuierten Schlagflügeln und einem aktuierten Leitwerk.

Aus der DE-PS 652 170 ist ein durch Muskelkraft antreibbares Schwingensegelflugzeug bekannt, bei welchem durch Muskelkraft bewegte Schwingen durch Gummisei- le mit dem Rumpf verbunden sind, wodurch die Kräfte des Fliegers unterstützt wer- den sollen, wobei die Schwingen mittels von Hand einschaltbarer Klinken festgestellt werden können und das Flugzeug ohne Kraftaufwand als Segelflugzeug weiter be- nutzt werden kann.

Aus der DE-PS 173 926 ist ein Flugapparat mit Schlagflügeln bekannt, die über ein Rahmengestell durch die Arme des Piloten bei gebeugtem Arm betätigbar sind, wobei die Ellbogen jeweils in einem Widerlager ruhen und die Hände jeweils an einem gebogenen Handgriff angreifen, dessen verschiedenen Angriffsbereiche unterschied- liche Hebelarme zum Antrieb der Flügel ermöglichen.

Ein Schwebegleiter mit motorisch unterstützten Schwingen ist aus der WO 2014/028083 A2 bekannt. Die Schwingen können unter Verwendung von Hand- klauen bzw. -kardanringen, die an einem inneren Flügelholmabschnitt angeordnet sind, betätigt und gesteuert werden. Ein fächerartiges Ruder kann mit dem Fuß be- dient werden.

Keines der theoretisch erdachten Schlagflüglersysteme konnte bisher zur Praxistaug- lichkeit gebracht werden. Alternativ haben Gleitdrachen bzw. -schirme und Ultra- leicht-Flugsysteme eine gewisse Verbreitung gefunden. Gleitdrachen/-schirme sind sind jedoch aus eigener Kraft nicht steigfähig, sondern zum Höhengewinn auf die Ausnutzung von Aufwinden bzw. Thermiken angewiesen, und gleichen darin Segel- flugzeugen, weisen aber deutlich geringere Gleitzahlen auf. Dem Segelflugzeug, mit dem gleitend beträchtliche Strecken zurückgelegt werden können, fehlen dagegen die Dynamik und das unmittelbare Erlebnis, welches den Gleitdrachen und - schirmen zu eigen ist. Ultraleicht-Flugsysteme nutzen eine Luftschraube zum Antrieb und können als motorisierte Gleitdrachen-/schirm ausgeführt sein oder eine Kabine und Starrflügel aufweisen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein praxistaugliches Flugsys- tem mit Schlagflügeln bereitzustellen. Das Flugsystem soll auch ein ergonomisches, sicheres und ermüdungsarmes Fliegen ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vor- teilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteran- sprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 beschreibt somit ein Flugsystem aus aktuierten bzw. aktuierbaren Schlagflügeln und einem aktuierten bzw. aktuierbaren Leitwerk, welche von einem Piloten gesteuert werden können. In der erfindungsge- mäßen Ausführung benutzt der Pilot hierfür ein Exoskelett, welches funktional mit Flügeln und Leitwerk gekoppelt ist, aber unabhängig davon beweglich ist. Die funkti- onale Kopplung wird durch das Steuergerät erreicht, das die Bewegungen der Schlagflügel und/oder des Leitwerks anhand der Bewegungen des Exoskeletts steu- ert. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 kann das Steuergerät auch Rückkopplung auf das Exoskelett anhand der an den Schlagflügeln und/oder dem Leitwerk vorherrschenden Wirkungen wie etwa Kräfte, Beschleunigungen, Ge- schwindigkeiten steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 können die Freiheitsgrade der Schlagflügel den Armen und/oder Händen des Piloten zugeordnet sein und können die Freiheitsgrade des Leitwerks den Beinen und/oder Füßen des Piloten zugeordnet sein.

Die Schlagflügel können dabei äußerlich denen der Vögel oder Fledermäuse ähnlich sein. Das heißt, sie können eine bewegliche, tragende Struktur und eine passende, aerodynamisch gestaltete Oberfläche neben Sensoren und Aktoren aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 13 können die Schlagflügel mehrere zueinander bewegliche und aktuierte Flügelglieder aufweisen, und wobei vorzugsweise an Grenzen zwischen zwei Flügelgliedern und/oder zwischen einem Flügelglied und einem Geräteträger dehnbares Material und/oder überlappende räumliche Flächen vorgesehen sind. Als Geräteträger ist dabei eine zentrale Struktur zu versehen, an welchem die Schlagflügel bzw. deren jeweils erste Flügelglieder und/oder das Leitwerk angelenkt sind. Der Geräteträger kann beispielsweise die Form eines von dem Piloten zu tragenden Rucksacks aufweisen. Der Geräteträger kann auch Subsysteme des Flugsystems wie etwa Energiespeicher und -wandler, Steuergeräte, Schnittstellen, Ventile, Sensoren, Leitungen, Hilfsaggregate etc. auf- nehmen.

Das Leitwerk kann ebenfalls äußerlich vergleichbar den Schwanzfedern der Vögel ausgeführt sein bzw. solche Schwanzfedern aufweisen, wie es in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 14 vorgesehen ist. Andere Konfigurationen, wie etwa in der Form eines herkömmlichen Flugzeugleitwerks, sind allerdings auch denkbar.

Das Exoskelett ist im Sinne der Erfindung ein System, welches in der Lage ist, Kräfte und Bewegungen des in ihm befindlichen Körpers zu messen, und seinerseits auf den Körper Kräfte auszuüben. Seine aktuierten Freiheitsgrade sind deshalb als Steuerelement mit Force-Feedback einsetzbar.

Die Erfindung beschreibt eine Kombination von aktuierten Flügeln/Leitwerk und ei- nem Exoskelett unter Einbeziehung einer Flugsteuerung bzw. eines Steuergeräts: Zustandsgrößen, wie z.B. Kräfte und Positionen der Gliedmaßen und deren Gelenke, die allgemein als Bewegungssensorsignale bezeichnet werden können, werden über das Exoskelett aufgenommen, um als Reglereingangsgrößen zu dienen. Das Steu- ergerät verarbeitet diese Größen dann mit einem Algorithmus weiter zu Regleraus- gangsgrößen, welche den Bewegungen des Flügel- und Leitwerksystems in Form von Bewegungsvorgabesignalen als Sollwert-Signale dienen. Im Gegenzug können Zustandsgrößen des Flügelsystems in Form von Bewegungswirkungssignalen sen- siert werden, welche dem Exoskelettsystem als Reglereingangsgrößen dienen. Das Steuergerät generiert daraus Sollwert-Signale für die Exoskelettaktoren in Form von Rückkopplungsvorgabesignalen. Es entsteht ein neuartiges Flugsystem, welches auch die Konzepte aus der Telepräsenz und Telerobotik nutzen kann. Mit ihm kann der Pilot die Flügel und somit den Flug kontrollieren, sowie die Fluglage„erspüren“. In der Konsequenz kann es dem Piloten voraussichtlich ermöglicht werden, das Fliegen intuitiv zu erlernen. Exoskelett und Flügelsystem sind dabei im bevorzugten Fall körperlich miteinander verbunden, können sich jedoch auch wie in der Telerobotik üblich an physisch getrennten Orten aufhalten. Da aber jedenfalls das Exoskelett und die Schlagflügel/das Leitwerks unabhängig voneinander beweglich sind, d.h. mecha- nisch entkoppelt sind, kann der Pilot stets eine angenehme Körperhaltung bzw. eine solche, in der seine Bewegungen optimiert sind, einnehmen. Außerdem kann eine Kraftübersetzung der Bewegungen des Piloten in Bewegungen der Schlagflügel/des Leitwerks sowie eine Rückkopplung an den Piloten an die tatsächliche Körperkraft des Piloten angepasst werden.

Es versteht sich, dass neben den erwähnten Komponenten auch Subsysteme vor- handen sein können oder müssen, wie beispielsweise Energiequelle (Batterie, Turbi- ne o.a.), Energiewandler (Hydraulikmotoren, Kompressoren o.a.), Verteilungssystem, usw. Das Exoskelett kann physisch von den Schlagflügeln trennbar sein, sodass man z.B. die Schlagflügel fernsteuern kann, oder sie in einer Notsituation in der Luft abwerfen kann.

Die Hauptflügel bzw. Schlagflügel sollen mit den Armen und Händen steuerbar sein. Die Schwanzfedern bzw. das Leitwerk sollen mit den Beinen oder den Füßen steuer- bar sein. Außerdem kann jede Kopplung einzeln ad hoc deaktivierbar sein.

Die Flügel und das Leitwerk könnten auch anders als durch das Exoskelett gesteuert werden, bzw. die Steuerung der Flügel muss nicht ausschließlich über das Exoske- lett erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 6 kann beispielsweise eine weitere Eingabeeinrichtung vorgesehen sein, um Bewe- gungen von Schlagflügeln und/oder Leitwerk vorzugeben, wobei die weitere Eingabeeinrichtung insbesondere Analog-sticks, Schalter und Tasten und/oder eine Ge- hirn-Computer-Schnittstelle aufweist. Denkbar wäre z.B. ein Controller ganz ähnlich einem Spielecontroller. Er hätte beispielsweise zwei Analog-Sticks, mit denen vor und zurück, sowie nicken und rollen kontrolliert würde. Außerdem könnte er einen Knopf aufweisen, um einen Flügelschlag zu veranlassen. Fliegen könnte man dann ähnlich wie bei Flappybird. Gehirn-Computer-Schnittstellen sind ebenfalls bereits in der Entwicklung. Wenn die Bewegungen von Schlagflügeln und/oder Leitwerk nicht oder nicht nur durch ein Exoskelett vorgegeben werden, sondern mit einer anderen Eingabemethode, wie Analog-Sticks, Schaltern und Tasten und/oder einem Gehirn- Computer-Schnittstelle, eingegeben werden, können die Bewegungsvorgaben für die Systembauteile in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 5 auch automatisch anhand einer für das Gesamtsystem vorgegebenen Bewegungs- richtung oder eines Bewegungsmusters berechnet werden. Der spezielle Mechanismus der Handschwingen in einer weiteren bevorzugten Aus- führungsform gemäß Anspruch 4 kann auch bei Vögeln beobachtet werden. Wenn sie senkrecht starten, erzeugen sie mit den Handschwingen auch beim Aufschlag Schub. Dazu wird ein Flügelendglied bzw. die einzelne Handschwinge nach hin- ten/oben geschlagen/geklappt, und die Luft wird dadurch nach hinten unten weggedrückt bzw. beschleunigt.

Mit einer Einstellung der Verhältnisse von Reglereingangsgrößen und Regleraus- gangsgrößen in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 7 kann auch die Stärke der Feedbackkraft eingestellt werden, und die Winkelge- schwindigkeiten von Armen und Flügeln müssen nicht immer gleich sein. Außerdem können die Bewegungen von Exoskelett und Flügeln entkoppelt werden, damit man „die Hände frei hat“. Es können zudem Vereinfachungen möglich sein, z.B. indem manche Freiheitsgrade zusammengefasst werden, sodass nur einer gesteuert wer- den muss. D.h., Sollwert und Regelgröße müssen keinen direkten Bezug zueinander haben.

Durch die in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 10 vor- gesehenen Gyroskope können zusätzlich zu den Luftkräften, Momente erzeugt wer- den. Dadurch kann der Pilot vermutlich andere Manöver fliegen. Außerdem könnte das für die Flugregelung nützlich sein.

Eine Notfall-Konfiguration, wie sie in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 11 vorgesehen ist, kann das Flugsystem gegenüber technischen Problemen oder körperlichen und/oder geistigen Ausfällen des Piloten sicherer machen. Zu diesem Zweck können beispielsweise vorgespannte Energiespeicher mit den Aktoren des Flugsystems verbunden sein, oder Airbags, Retrorockets, Spreng- fallschirme oder dergleichen zum Einsatz kommen.

Zusätzliche Antriebselemente, wie sie in einer weiteren bevorzugten Ausführungs form gemäß Anspruch 12 vorgesehen sind, können beispielsweise für den Schnellflug, oder zur Erholung des Piloten verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Vorderansicht eines Flugsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Figur 2 zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines Teils des Flugsystems von Fig. 1 ;

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Skelettstruktur des Flugsystems von Fig. 2;

Figur 4 zeigt eine Rückansicht des Ausschnitts von Fig. 3;

Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Flugsystems gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Im Folgenden wird ein bevorzugtes, nicht ausschließliches Ausführungsbeispiel des Patentinhalts beschrieben. In den Fign. 1 bis 4 ist das bevorzugte Ausführungsbei- spiel schematisch dargestellt. Verbindungselemente, Sensoren, Leitungen und ande- re Details sind nicht dargestellt. In Fign. 3 und 4 ist die Darstellung der Übersichtlich- keit halber auf die Skelettstruktur und die bevorzuge Ausführung der Mechanik der Flügel reduziert. Fig. 5 zeigt eine mögliche Blockdarstellung der Einzelsysteme im Gesamtsystem.

Das Flugsystem dieses Ausführungsbeispiels weist ein Exoskelett 1 , eine Schlagflü- gelanordnung mit zwei Schlagflügeln 2 sowie ein Leitwerk 9 auf (Fig. 1 ).

Das Exoskelett 1 weist einen Geräterucksack 11 , ein Brustgeschirr 12, einen Leibgurt 13, eine Oberschenkelmanschette 14 für jeden Oberschenkel eines hier nicht näher dargestellten Piloten, ferner für jeden Arm des Piloten eine Oberarmmanschet- te 15, eine Unterarmmanschette 16 und einen Handschuh 17 und für jeden Fuß des Piloten einen Stiefel 18 auf. Das Brustgeschirr 12 und der Leibgurt 13 sind am Gerä- terucksack 11 befestigt und sind ausgebildet, um Brustkorb und Unterleib des Piloten aufzunehmen. Die Oberschenkelmanschetten 14 sind am Geräterucksack 11 ange- lenkt und sind ausgebildet, um die Oberschenkel des Piloten aufzunehmen. Die Oberarmmanschetten 15 sind am Geräterucksack 11 angelenkt und sind ausgebil- det, um die Oberarme des Piloten aufzunehmen. Die Unterarmmanschetten 16 sind an der jeweiligen Oberarmmanschette 15 angelenkt und sind ausgebildet, um die Unterarme des Piloten aufzunehmen. Die Handschuhe 17 sind an der jeweiligen Un- terarmmanschette 16 angelenkt und sind ausgebildet, um die Hände oder nur die Handflächen des Piloten zu aufzunehmen. Die Stiefel 18 sind an der jeweiligen Oberschenkelmanschette 14 angelenkt und sind ausgebildet, um die Unterschenkel und/oder die Füße des Piloten aufzunehmen. Die Gelenke zwischen dem Geräte- rucksack 11 und jeder Oberschenkelmanschette 14, zwischen dem Geräterucksack 11 und jeder Oberarmmanschette 15, zwischen den Oberarmmanschetten 15 und der jeweiligen Unterarmmanschette 16, zwischen den Unterarmmanschetten 16 und den jeweiligen Handschuhen 17, zwischen den Oberschenkelmanschetten 14 und den jeweiligen Stiefeln 18 sowie ggf. innerhalb der Stiefel 18 zwischen Schaft- und Fußteil und/oder innerhalb der Handschuhe 17 an den Fingergelenken sind mit Sen- soren (nicht näher ausgestattet bzw. 521 in Fig. 5) ausgestattet, welche die jeweilige Gelenkstellung bezüglich jeweils mindestens einer Achse erfassen, und sind ferner mit Aktoren (nicht näher dargestellt bzw. 522 in Fig. 5), ausgestattet, welche ausge- bildet sind, um an den jeweiligen Gelenkachsen eine Reaktionskraft darzustellen. Die Sensoren und Aktoren des Exoskeletts sind signaltechnisch mit einem Steuergerät (nicht näher dargestellt bzw. 53 in Fig. 5), welches in dem Geräterucksack 11 aufge- nommen ist, verbunden und können von dem Steuergerät 53 auch mit Energie ver- sorgt werden, sofern sie nicht eine eigene Energiequelle aufweisen. Eine Signalüber- tragung kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Auch Gelenkstellungen können mit herkömmlichen Sensoren oder berührungslos über die Erfassung der relativen Stellungen verschiedener Sende- und Empfangspunkte am Exoskelett 11 zueinander sensiert werden.

Der Auftrieb des Gesamtsystems wird hauptsächlich von den Schlagflügeln 2 er- zeugt. Sie bestehen aus mindestens zwei, in der bevorzugten Ausführung jedoch aus drei Abschnitten bzw. Flügelgliedern, welche gelenkig miteinander verbunden sind. Die Lagesteuerung des Flugsystems erfolgt auch über das Leitwerk 9, das mehrere Schwanzfedern 91 aufweist.

Die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 sind ebenfalls am Geräterucksack 11 befestigt bzw. angelenkt (Fig. 2). Die einzelnen Bestandteile der Schlagflügel 2 werden nach- stehend, soweit sinnfällig, in Anlehnung an ihr anatomisches Vorbild am Vogelflügel bezeichnet. Jeder Schlagflügel 2 weist als ein erstes Flügelglied einen Oberarmab- schnitt 21 , als ein zweites Flügelglied einen Unterarmabschnitt 22 und als ein drittes Flügelglied einen Handabschnitt 23 auf. Ein Schultergelenk 24 verbindet den Ober- armabschnitt 12 mit dem Geräterucksack 11. Ein Ellbogengelenk 25 verbindet den Oberarmabschnitt 12 mit dem Unterarmabschnitt 22. Ein Handgelenk 26 verbindet den Unterarmabschnitt 22 mit dem Handabschnitt 23. Der Oberarmabschnitt 21 , der Unterarmabschnitt 22 und der Handabschnitt 23 weisen jeweils eine Verkleidung 27 auf, welche jeweils wenigstens eine Anströmkante ausbilden. Im in Strömungsrich- tung rückwärtigen Bereich der Abschnitte 21 , 22, 23 sind jeweils mehrere Arm- schwingen 28 vorgesehen. Die Armschwingen 28 können starr oder wenigstens zum Teil um eine, zwei oder drei Achsen (in und/oder senkrecht zur Flügelebene und/oder um die Federachse) beweglich an den jeweiligen Abschnitten 21 , 22, 23 befestigt sein. Am distalen Ende der Handabschnitte 23 sind jeweils mehrere Handschwingen 29 vorgesehen. Die Handschwingen 29 können wie die Armschwingen 28 um eine, zwei oder drei Achsen beweglich am Handabschnitt 23 befestigt sein oder können wenigstens zum Teil auch starr befestigt sein. Die Verkleidungen 27 und Armschwin- gen 28 bilden aerodynamisch wirksame Tragflächen. Die Flächen (Verkleidungen 27, Schwingen 28, 29) sind derart ausgeführt und gelagert, dass die Flügelgelenkfrei- heitsgrade nicht behindert werden. Obschon hier nicht näher dargestellt, können im Bereich der Gelenke 24, 25, 26 jeweils elastische Verkleidungen vorgesehen sein, um Spalte zwischen den Verkleidungen 27, an welchen Verwirbelungen entstehen könnten, zu vermeiden, oder können die Verkleidungen 27 jeweils so, beispielsweise ineinandergreifend und/oder abschnittweise elastisch verbunden, ausgebildet sein, dass bei jeder Gelenkstellung der Gelenke 24, 25, 26 kein oder nur ein sehr geringer Spalt zwischen den Verkleidungen 27 entsteht. In einer Ausführungsvariante eines fledermausartigen Flügels, kann die ganze Flügelfläche aus dehnbarem Material be- stehen.

Optional können auch kleine Federn bzw. federartige Elemente vorgesehen sein, die sich in Stromrichtung auf der Oberfläche der Flügel anlegen. Kommt es zum Strö- mungsabriss, kehrt sich bekanntlich die Strömungsrichtung in der Grenzschicht um. Die kleinen Federn stellen sich in diesem Fall durch die Strömung auf, womit die Rückströmung behindert oder gar unterbunden wird. Dieser Mechanismus kann für die instationären Strömungsprozesse am Schlagflügel nützlich sein.

Die Skelettstruktur der Schlagflügel 2 wird nun genauer beschrieben. Die Fig. 3 ent- spricht der Fig. 2 aus einer anderen Perspektive, wobei zur Veranschaulichung inne- rer Strukturen ein Schlagflügel 2, Verkleidung 27 und Schwingen 28, 29 des darge- stellten Schlagflügels 2 sowie Teile des Exoskeletts 1 weggelassen sind. Fig. 4 ent- spricht der Fig. 3 von hinten. In Anlehnung an ihr biologisches Vorbild werden die Skelettteile des Oberarmabschnitts 21 , des Unterarmabschnitts 22 und des Handab- schnitts 23 nachstehend als Humerus 31 , Ulna 32 und Digitus 33 bezeichnet. (Ein Radius entfällt, da Unterarmtorsion technisch anders umgesetzt wird.) Im Sinne die- ser Beschreibung beziehen sich Bezeichnungen wie proximal, distal etc. auf die Richtung oder Lage in Bezug auf den Geräterucksack 1 1 bzw. dessen Mitte. Die Gelenke 24, 25, 26 sind durch Drehsteller 35, Linearsteller 36, Hebel 37 und Riementriebe 38 mit Drehrädern 39 verwirklicht und aktuierbar.

Insbesondere ist das Schultergelenk 24 wie folgt aufgebaut: Ein Drehsteller 35 dreht einen an dem Geräterucksack 1 1 gelagerten Ring um eine Achse 40. Auf dem Ring ist ein Hebel 37 gelagert, dessen im Inneren des Rings liegendes (proximales) Ende durch einen ebenfalls am Geräterucksack 1 1 gelagerten Linearsteller 36 entlang der Achse 40, d.h. von dem Geräterucksack 1 1 weg und zu diesem hin, linear bewegt wird. Hierdurch kann der Hebel 37 in dem Lagerpunkt auf dem Ring um eine Achse 41 schwenken. Es versteht sich, dass der Hebel 37 mit dem Ring auch um die Achse 40 schwenken kann. Das außerhalb des Rings liegende (distale) Ende des Hebels 37 trägt einen weiteren Drehsteller 35, dessen beweglicher Teil am Humerus 31 an- greift und diesen gegenüber dem Hebel 37 um dessen Achse 42 dreht. Der Humerus 31 kann im Inneren des Hebels 37 weiter nach proximal verlaufen und dort wenigs- tens radial gelagert sein, was Biegemomente im Drehsteller 35 bzw. im Hebel 37 re- duziert. Ersichtlich definiert, in Analogie zu einer Flügelkonfiguration eines Vogels oder auch Flugzeugs, eine Winkellage um die Achse 40 einen Pfeilungswinkel, defi- niert eine Winkellage um die Achse 41 einen Schlagwinkel und definiert eine Winkel- lage um die Achse 42 einen Anstellwinkel des Schlagflügels 2.

Das Ellbogengelenk 25 weist einen Hebel 37 auf, der am äußeren (distalen) Ende des Humerus 31 um eine Achse 43 schwenkbar gelagert ist. Ein Linearsteller 36 greift am Humerus 31 und am proximalen Ende des Hebels 37 an und schwenkt die- sen somit um die Achse 43. Am distalen Ende des Hebels 37 ist ein weiterer Dreh- steller 35 vorgesehen, dessen beweglicher Teil an der Ulna 32 angreift und diese und gegenüber dem Hebel 37 um dessen Achse 44 dreht. Die Ulna 32 kann im Inne- ren des Hebels 37 weiter nach proximal verlaufen und dort wenigstens radial gela- gert sein, was Biegemomente im Drehsteller 35 bzw. im Hebel 37 reduziert. Ersicht- lich definiert, in Analogie zu biologischen Gegebenheiten, eine Winkellage um die Achse 43 einen Flexionswinkel des Ellbogengelenks 25 und definiert eine Winkellage um die Achse 44 einen Unterarm-Torsionswinkel.

Das Handgelenk 26 ist wie folgt aufgebaut: Am distalen Ende der Ulna 32 ist ein Kreuzgelenk mit zwei Achsen 45, 46 angebracht, welches nach distal in den Digitus 33 übergeht. Die auf der Seite der Ulna 32 gelagerte Achse 45 trägt auch ein Rad 49, welches über einen Riemen 38 mit einem an der Ulna 32 angebrachten Drehstel- ler 35 angetrieben wird. Ein Linearsteller 36 greift einerseits an der Achse 45 an und schwenkt mit dieser mit, und greift andererseits am Digitus 33 an, um diesen um die Achse 46 zu schwenken. Ersichtlich definiert, wieder in Analogie zu biologischen Gegebenheiten, eine Winkellage um die Achse 45 einen Abduktionswinkel und defi- niert eine Winkellage um die Achse 46 einen Flexionswinkel des Handgelenks 26.

Der Humerus 31 hat somit 3 Freiheitsgrade der Rotation, welche effektiv erlauben, die Flügel zu schlagen (41 ), zu schwenken bzw. zu pfeilen (40), und anzustellen bzw. zu drehen (42). Die Ulna 32 hat zwei Freiheitsgrade, mit denen die Schlagflügel 2 gefaltet (43), und verschränkt (44) werden können. Der Digitus 33 kann ebenfalls falten (46), und zusätzlich noch hängen (45). Die Achse 45 ist eine Achse, die senk- recht auf der Faltachse 46 und der Längsachse des Digitus steht.

Das Leitwerk 9 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ebenfalls den Vögeln nachempfunden. Mehrere Schwanzfedern 91 sind wie ein Fächer an einer gelenkigen Basis 94 fixiert. Die Basis 94 besitzt zwei Freiheitsgrade: drehen um die Winkel- halbierende 47 des Fächers mittels eines Drehstellers 35, und kippen um eine durch den Fußpunkt der Basis 94 verlaufende Querachse 48 mittels eines weiteren Dreh- stellers 35 und Riementriebs 38. Optional können auch die einzelnen Schwanzfedern 91 um die eigene Achse tordierbar und/oder gegenüber der Basis 94 schwenkbar sein. Die Aktoren und Sensoren sind vergleichbar denen der Schlagflügel 2.

Relativbewegungen zwischen den einzelnen Gliedern 21 , 22, 23, 94 bzw. gegenüber dem Geräterucksack 11 werden direkt oder indirekt durch die genannten Steller oder Aktoren hervorgerufen. Mit Aktoren sind arbeitsfähige Bauelemente gemeint. Bei- spiele sind Elektromotoren, Pneumatik-, oder Hydraulikzylinder. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies vor allem Hydraulik-Linearzylinder (Linearsteller 36) und Hydraulik-Drehzylinder (Drehsteller 35). Wie beschrieben, können auch weitere Elemente der Kraftübertragung und -Umwandlung verwendet werden, wie ein Rie- mentrieb 38, 39.

Positionen, Kräfte, und andere relevante Größen, werden mit diversen Sensoren aufgenommen. Das sind zum Beispiel Kraftmessdosen, Dehnungsmessstreifen (DMS), Positionssensoren, Thermometer, Druckmessdosen, usw.

Sofern einzelne Schwingen 28, 29 oder Schwanzfedern 91 individuell aktuierbar sind, sind hierfür weitere entsprechende Aktoren und ggf. Sensoren vorzusehen. Das Exoskelett 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine festen Struktur 11- 13 für den Rumpf und eine bewegliche Struktur 14-18 für die Arme und für die Füße und/oder Beine des Piloten auf. In Fig. 1 ist das Exoskelett 11 nur symbolisch als Arm- und Fußumrisse dargestellt. Es versteht sich, dass die dargestellte Anordnung rein beispielhaft ist und im Rahmen der hier vorgestellten Funktionalität nach Belie- ben abwandelbar ist. Beispielsweise steht der Geräterucksack für eine beliebige Form von Geräteträger, an welchem die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 angelenkt sein können. Ferner kann beispielsweise anstelle von Brustgeschirr 12 und Leibgurt 13 ein Harnisch oder eine Weste vorgesehen sein, an welcher die Oberarmman- schetten 15 und die Oberschenkelmanschetten 14 angelenkt sind. Der Geräteruck- sack 11 kann gesondert ausgebildet und an dem Harnisch bzw. der Weste montier- bar sein. Es kann eine Rückenplatte vorgesehen sein, an welcher Brustgeschirr 12, Leibgurt 13 und Manschetten 14, 15 angebracht bzw. angelenkt sind und an welcher ein Geräteträger anbringbar ist. Es kann als Exoskelett 1 auch ein Ganzkörperanzug vorgesehen sein, der die Funktionen von Brustgeschirr 12, Leibgurt 13, Manschetten 14-16, Handschuhen 17 und Stiefeln 18 sowie aller Gelenke dazwischen integriert. Im letzteren Fall kann beispielsweise der Geräterucksack 11 mit den Schlagflügeln 2 und dem Leitwerk 9 über den Ganzkörperanzug gezogen werden. Alle denkbaren Kombinationen der oben genannten Abwandlungen sind nach Bedarf und Einsatz- zweck möglich.

Zum weiteren Verständnis wird das Flugsystem nun noch aus Systemsicht anhand der Blockdarstellung in Fig. 5 beschrieben. Das Flugsystem oder Gesamtsystem 50 weist ein Flügelsystem 51 , ein Exoskelettsystem 52 und ein zentrales Steuergerät 53, welches auch als Flugkontrollrechner bezeichnet werden kann, auf. Optional können eine Piloten-Informationsschnittstelle 54, ein Alternativeingabesystem 55 und ein Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 vorgesehen sein. Das Flügelsys- tem 51 weist Steuerbauteile 511 der Flugaktoren 35, 36 (Fign. 3, 4), ein Notfall- Stabilisierungssystem 512 sowie eine Vielzahl von Sensoren 513 auf. Das Exoske- lettsystem 52 weist Sensoren und Eingabeschnittstellen 521 für die einzelnen Glieder bzw. Gelenke des Exoskeletts 1 (Fig. 1 ), Steuerbauteile 522 von Feedback-Aktoren des Exoskeletts 1 und ein Reglersystem 523 auf. Das optionale Alternativeingabesystem 55 kann beispielsweise analoge Sticks und Schalter 551 , eine Gehirn- Computer-Schnittsteile 552 oder andere Eingabeeinrichtungen 553 aufweisen. Das optionale Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 kann beispielsweise ein o- der mehrere Gyroskope 561 , einen oder mehrere Zusatzantriebe 562 oder weitere Module 563 aufweisen. Das Steuergerät 53 kann auch als Teil des Flügelsystems 51 behandelt werden. Ebenso kann das Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 auch als Teil des Flügelsystems 51 behandelt werden. Das Reglersystem 523 des Exoskelettsystems 52 kann auch ganz oder teilweise in dem Steuergerät 53 integriert sein. Das Steuergerät 53 kann auch verteilt in anderen Systemen verwirklicht sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 53 mit Ventilen, usw. phy- sisch im Geräterucksack 11 untergebracht, der somit als Geräteträger dient.

Alle sieben aktuierten Freiheitsgrade 40-46 der Schlagflügel 2 sollen in diesem Aus- führungsbeispiel von den Armen kontrolliert werden, weshalb beispielsweise eben- falls sieben sensierte Freiheitsgrade an den Armen als Reglereingangsgrößen für das zentrale Steuergerät 53 zur Steuerung der Schlagflügel 2 dienen. Es können auch mehr oder weniger Freiheitsgrade an den Armen sensiert werden, die in die aktuierten Freiheitsgrade der Schlagflügel umgerechnet werden. Die (wenigstens) zwei Freiheitsgrade der Schwanzfedern 91 sollen mit den Sprunggelenken und/oder Knien gesteuert werden. Das Neigen des Fächers um die Querachse 48 kann bei- spielsweise durch den mittleren Winkel der beiden Gelenke kontrolliert werden, wäh- rend das Drehen des Fächers um die Längsachse 47 durch die Winkeldifferenz der beiden Gelenke kontrolliert werden kann. Ein Drehen des Rumpfs oder ein Beugen einer Hüfte kann zur Lagesteuerung, etwa einer Rollsteuerung, verwendet werden, wobei das Rollen beispielsweise über einen Anstellwinkel der Schlagflügel 2 eingelei- tet werden kann. Die Regelung der aktuierten Freiheitsgrade kann zum Beispiel in an sich bekannter Weise durch Impedanz- oder Admittanzregelung erfolgen.

Ergänzend zum Exoskelett 1 kann optional auch eine andere Eingabemethode für die Reglereingangsgrößen genutzt werden. Denkbar ist, die Bewegungen der Flügel 2 in Form von Bewegungsmustern zu abstrahieren. Diese Muster könnten mit Schal- tern, Tasten und/oder Analog-Sticks abgerufen und kontrolliert werden. Denkbar wä- re, den Flügelschlag auf Tastendruck auszulösen, und dabei die Vorwärts-, Seit- wärts- und Rollbewegungen des Gesamtsystems durch Analog-Sticks zu steuern. Die Stabilisierung der Fluglage könnte in einem solchen Fall komplett automatisch vom Flugsteuerungssystem übernommen werden. Hierdurch könnte auch eine Autopilotfunktion oder Notfallübernahmefunktion verwirklicht werden.

Das Steuergerät bzw. die Flugsteuerung 53 kontrolliert das gesamte Flügelsystem 51 und kann auch das Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem 56 kontrollieren. Es nimmt die Zustände und Messgrößen des Flügelsystems 51 , sowie die Signale der Eingabemethoden 521 des Exoskelettsystems 52 wie auch optional des Alterna- tiveingabesystems 55 auf. Sie werden mit gängigen Methoden verarbeitet und dann zum Beispiel als Stellgrößen für die Aktoren des Flügelsystems 51 , als Eingangsgrö- ßen für den Exoskelettregler 523 und als Informationen für den Piloten über die Schnittstelle 54 wieder ausgegeben. In Fig. 5 ist eine Übersicht über die Informati- onsflüsse zu sehen. Solcherart Steuerungssysteme sind an sich in vielfältigen An- wendungen und Variationen bekannt, und häufig in quadruplex Ausführung in Flug- zeugen vorhanden. Bezüglich der Verknüpfung von Exoskelett und Flügeln kann bei- spielsweise ein Vier-Kanal bilaterales Telemanipulationssystem eingesetzt werden.

Alle vorher genannten Subsysteme sind mit dem Geräterucksack 1 1 verbunden. Er stellt die zentrale Struktur zwischen Schlagflügeln 2, Leitwerk 9 und Pilot bzw. Exos- kelett 1 dar. Der Geräterucksack 1 1 wurde vorstehend als zum Exoskelett 1 bzw. Exoskelettsystem 52 zugehörig beschrieben. Diese Zugehörigkeit ist jedoch nicht zwingend. Der Geräterucksack 11 kann auch als zum Flügelsystem 51 zugehörig betrachtet werden, wobei lediglich eine Rückenplatte oder -Struktur des Geräteruck- sacks 1 1 , an welcher die Oberarm- und Oberschenkelmanschetten 15, 14 angelenkt sind, zum Exoskelettsystem 52 gehörig betrachtet werden kann.

In dem Geräterucksack 1 1 befinden sich alle weiteren Aggregate und Einrichtungen, welche für den Betrieb erforderlich sind und nicht an einer anderen Struktur ange- bracht sind. Dies sind zum Beispiel Energiespeicher wie Batterien, Druckbehälter und Treibstofftanks sowie etwa Energiewandler wie Elektromotoren, Wellenleistungs- triebwerke, Verbrennungsmotoren und Hydraulikpumpen. Weiterhin enthält er das Steuergerät 53, Schalter und Ventile für die Aktoren des Flügelsystems 51 , und eventuell Gyroskope. Weitere in der Luftfahrt übliche Hilfssysteme wie Feuerlösch- systeme sind auch denkbar. In der bevorzugten Ausführung enthält er auch Regler, Schalter und Ventile, usw. für die Versorgung und Regelung des Exoskelettsystems 52. Der Pilot ist an ihm bevorzugt über das Gurtzeug 12, 13 ähnlich jenen der Fall- schirmspringer befestigt. Die Oberarmmanschetten 15 und Oberschenkelmanschet- ten 14 sind an ihm beweglich befestigt. In einer Ausführungsvariante benötigt das Exoskelett 1 um die Füße/Knie keine strukturelle Befestigung. Zu ihm führen in die- sem Fall nur die benötigten Verbindungen für die Aktoren und Sensoren.

Für den Fall, dass der Flug außer Kontrolle geraten sollte, ist das Notfallsystem 512 vorgesehen. Hierdurch werden zum Beispiel die Schlagflügel 2 und das Leitwerk 9 in eine tragfähige Konfiguration gebracht, wenn das Exoskelett 1 den Dienst versagt. In Zylinder/Kolbenaktoren 35, 36 kann dies eine vorgespannte und arretierte Feder sein. Wird die Arretierung gelöst, bewegt sie den Flügel derart, dass das Gesamtsys- tem in den Gleitflug übergehen kann, oder beispielsweise eine Konfiguration ähnlich dem Löwenzahn-Samen einnimmt, die die Sinkgeschwindigkeit begrenzt. Auch ein Druckgasbehälter mit manuellem Ventil, mit dessen Hilfe die Kolben manuell bewegt werden können, wäre denkbar. Auch könnte ein explosiv ausgeworfener Fallschirm, der auch in kleinen Höhen wirksam ist, genutzt werden. Denkbar ist auch, dass die Einheit von Exoskelett 1 und Pilot vom Flügelsystem getrennt werden kann und einen separaten Fallschirm besitzt. Um in die Notfallkonfiguration zu gelangen, kann das Notfallsystem beispielsweise von der Flugsteuerung oder direkt vom Piloten akti- viert werden.

Für die Navigation und andere Zwecke kann die Schnittstelle 54 an die Flugsteue- rung vorgesehen sein, welche diverse Informationen wie z.B. Fluglage und - geschwindigkeit, Treibstoffmenge, Flughöhe, etc. weitergibt. Diese können von In- strumenten, einem Head- Up-Display-(HUD)- oder Head-Mounted-Display-(HMD)- System und anderen Modulen verwendet werden.

Es ist denkbar, zusätzliche Antriebssysteme am Flügelsystem anzubringen. Möglich wäre zum Beispiel, Strahlantriebe an dem Geräterucksack 1 1 anzubringen, oder Propeller samt Antrieb an den Flügeln 2 oder dem Geräterucksack 1 1 anzubringen. Auf diese Weise wäre es möglich, höhere Fluggeschwindigkeiten zu erzielen.

N utzu ngsko nze pte

Eine erste, nicht ausschließliche Anwendung wäre eine Art verbesserter Hängeglei- ter. Im Unterschied zu Gleitschirmen und Drachen wäre jedoch eine sehr viel agilere und präzisere Bewegung in der Luft möglich. Zum Beispiel kann ein Strömungsabriss an einem Flügel durch Schlagen des Flügels beendet werden. Abhängig von der Leistungsfähigkeit der mitgeführten Energiespeicher ist es zudem möglich, durch Schlagen der Flügel Höhe zu gewinnen. Bei entsprechender Konstruktion und Ener- giequelle ist ein Senkrechtstart mit den Flügeln möglich.

Weil die Flügel faltbar sind, ist es möglich, an verwinkelten Orten zu fliegen und Engstellen mit angezogenen Flügeln zu passieren. In der Summe ist ein Flugsystem nach der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die freie Beweglichkeit in der Luft derjenigen anderer Fluggeräte überlegen.

In der bevorzugten Ausführung ist der Pilot mit dem Flügelsystem verbunden und fliegt mit. Eine weitere Möglichkeit ist, die Verbindung zwischen Eingabemethode und Flügelsystem per Funk herzustellen. Auf diese Weise entsteht ein Telepräsenz-, bzw. Telerobotiksystem, welches größere freie Transportkapazitäten hat. Der Pilot könnte so beispielsweise mit seinem Exoskelett in einem Geschirr schweben, wäh- rend das Flügelsystem an einem entfernten Ort in der Art einer Drohne agiert. Mög- licherweise ist ein derartiges Flügelsystem auch allein mit Hilfe alternativer Eingabe- methoden oder Flugmustern steuerbar.

Liste der Bezugszeichen

1 Exoskelett

2 Schlagflügel

9 Leitwerk

11 Geräterucksack

12 Brustgurt

13 Leibgurt

14 Oberschenkelgurt

15 Oberarmmanschette

16 Unterarmmanschette

17 Handschuh

18 Stiefel

21 Oberarmabschnitt

22 Unterarmabschnitt

23 Handabschnitt

24 Schultergelenk

25 Ellbogengelenk

26 Handgelenk

27 Verkleidung

28 Armschwinge

29 Handschwinge

31 Humerus

32 Ulna

33 Digitus

35 Drehsteller

36 Linearsteller

37 Hebel

38 Riementrieb

40-46 Freiheitsgrade des Schlagflügels 47,48 Freiheitsgrade des Leitwerks

50 Gesamtsystem

51 Flügelsystem

511 Steuerbauteile der Flugaktoren 512 Notfall-Stabilisierungssystem

513 Sensoren

52 Exoskelettsystem

521 Sensoren und Eingabeschnittstellen

522 Steuerbauteile der Exoskelett-Aktoren

523 Reglersystem

53 Zentrales Steuergerät

54 Informationsschnittstelle für Pilot (optional)

55 Alternativeingabesystem

551 Analoge Sticks und Schalter

552 Gehirn-Computer-Schnittsteile

553 Andere Eingabeeinrichtungen

56 Unterstützungs- und Zusatzantriebssystem (optional) 561 Gyroskop(e)

562 Zusatz-Antrieb(e)

563 Weitere Module

91 Schwanzfeder

94 Basis

Die vorstehende Liste ist integraler Bestandteil der Beschreibung