Die Erfindung betrifft einen Bewegungs- und Orientierungssimulator mit einer karda- nischen Aufhängung für eine Kabine, die in einem Heave-Schlitten angeordnet ist, der in einem Schlittenkorb linear bewegbar ist.

Derartige Simulatoren werden zur Ausbildung und zum Sicherheitstraining von Piloten verwendet. Ziel solcher Simulatoren ist es, Flugzustände möglichst wirklichkeitsnah zu simulieren, wie sie auch in Extremfällen im Flugbetrieb vorkommen können, wie z.B. bei Hubschraubern und Flugzeugen im Kampfeinsatz. Ein Beispiel für Simulatoren beschreibt die US 2004/0197742 A1.

Ein Problem bei derartigen Simulatoren besteht darin, dass relativ große Massen stufenlos beschleunigt, abgebremst, gedreht oder anderwärtig bewegt werden müs- sen, sodass an die Antriebstechnik und die Statik der einzelnen Bauteile hohe Anforderungen zu stellen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen Simulator vorzusehen, der alle denkbaren Bewegungs- und Orientierungszustände simulieren kann und dabei funktionssicher ist, kompakte Abmessungen besitzt und mit vertretbaren Kosten herstellbar ist.

Bei der vorliegenden Erfindung des eingangs erwähnten Bewegungs- und Orientierungssimulator mit einer kardanischen Aufhängung für eine Kabine, die in einem Heave-Schlitten angeordnet ist, der in einem Schlittenkorb linear bewegbar ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schlittenkorb drehbar ist und dass zur Linearbewegung des Schlittens im Schlittenkorb ein Seilantrieb vorgesehen ist, wobei am Heave-Schlitten drehbare Heave-Scheibenanordnungen zur Verschiebung des Hea- ve-Schlittens vorgesehen sind, und der Seilantrieb am Heave-Schlitten angreifende Seilabschnitte aufweist, über die Verschiebekräfte auf den Heave-Schlitten übertrag- bar sind, wobei die Seilabschnitte in bevorzugter Weise als, um die Heave- Scheibenanordnungen gelegte Seilschlingen ausgeführt sind. Desweiteren sind die am Heave-Schlitten angreifenden Seilabschnitte paarweise gegeneinander wirkend angeordnet und die zur Verschiebung des Heave-Schlittens gegeneinander wirkendenden Paare von Seilabschnitten sind über eine Spannan- Ordnung gegeneinander vorgespannt. Zusätzlich ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Abstände zwischen den paarweise am Heave- Schlitten angreifenden Seilabschnitten und den zugehörigen, in Seilrichtung am nächsten liegenden Umlenkscheiben bei einer Verschiebung des Heave-Schlittens konstant ist, dass der Schlittenkorb drehbar gelagert ist und beidseitig der Drehachse auskragt und dass der Heave-Schlitten auf beide Seiten der Drehachse des auskragenden Schlittenkorbes bewegbar ist, dass der Seilantrieb Seile aufweist die mit einer Spannanordnung auf Zug gehalten sind, dass der Seilantrieb ein am oder mit dem Schlittenkorb befestigtes stehendes Seil aufweist, dass der Seilantrieb um eine am Schlittenkorb gelagerte vordere und hintere Umlenkscheibenanordnung, um eine am Schlitten gelagerte Heave-Scheibenanordnung sowie um eine Seilantriebsscheibe geführt ist und dass zum Antrieb der Drehung des Schlittenkorbs Motoren und Kupplungselemente zur Übertagung der Kräfte vorgesehen sind, wobei die Kupplungselemente in bevorzugter Weise als Reibringe ausgeführt sind. Weiters ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Antrieb der Seilantriebsscheibe Motoren und Kupplungselemente zur Übertagung der Kräfte vorgesehen sind, wobei die Kupplungselemente in bevorzugter Weise als Reibringe ausgeführt sind, dass die Motoren zum Antrieb des Schlittenkorbes und die Motoren zur Bewegung des Heave- Schlittens ortsfest angeordnet sind, dass das Seil zusätzlich noch um eine am Schlittenkorb angeordnete Spannscheibe geführt ist und dass die vordere und hintere Um- lenkscheibenanordnung je zwei Umlenkscheiben umfassen. Weitere Vorteilhafte Merkmale sind, dass die Heave-Scheibenanordnung vier Heave-Scheiben aufweist, die voneinander unabhängig am Schlitten drehbar angeordnet sind, dass je zwei Heave-Scheiben an einem Heave-Bolzen gelagert sind, dass die beiden von der Seilantriebsscheibe abgehenden Seilabschnitte über eine vordere und eine hintere Umlenkscheibe und von dort auf je eine der Heave-Scheiben geführt sind, dass die Spannscheibe eine fünfte Umlenkscheibe bildet und, dass der eine Befestigungspunkt des Endes des Seiles am vorderen Ende und der andere Befestigungspunkt am hinteren Ende des Schlittenkorbes angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Simulator zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Schlittenkorb als drehbar gelagerter, zweiseitiger Zentrifugenarm ausgebildet und durch eine Antriebseinheit in Drehung versetzbar ist, dass die am Schlitten angeordnete kardanische Aufhängung mit der darin aufgehängten Kabine durch einen Vertikallift vertikal bewegbar ist und dass die Längen des von der Umlenkscheibe zur Seilan- triebsscheibe reichenden Seilabschnittes V und des von der Seilantriebsscheibe zur Spannscheibe reichenden Seilabschnittes VI und von der Spannscheibe zur Umlenkscheibe reichenden Seilabschnittes VII unveränderlich vorgesehen sind.

Schließlich ist der Simulator auch dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehung der Antriebsscheibe die Seilabschnitte I, II, III und IV je nach Drehrichtung eine Verkürzung oder Verlängerung und die Seilabschnitte VIII, IX, X und Xl eine Verlängerung oder Verkürzung erfahren, wodurch die lineare Verschiebung des Heave- Schlittens erfolgt, wobei die Seilabschnitte I bis Xl in drei übereinander angeordneten Ebenen E1 bis E 3 angeordnet sind, wobei zum Wechseln der Ebene die Heave- Scheibenanordnungen und zwei der Umlenkscheiben schräggestellt sind, dass die Seilabschnitte Il und X in der obersten Ebene E1, die Seilabschnitte I ₁ IX, III, Xl in der mittleren Ebene E2 und die Seilabschnitte VIII, Vll/Vl, V und IV in der untersten Ebene E3 angeordnet sind, wobei die Seilabschnitte I und Xl in den Befestigungspunkten P1 und P2 enden und dass bei Drehung der Antriebsscheibe die Heave-Scheiben eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung zu den, der Richtung der Antriebsscheibe folgenden, Heave-Scheiben aufweisen.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Figur 1 ist die Schrägansicht des erfindungsgemäßen Bewegungs- und Orientierungssimulators. Die Figuren 2 und 3 sind Schnitte durch den Simulator gemäß den einander zugeordneten Schnittlinien. Figur 4 ist eine Aufsicht auf den Simulator. Die Figur 5 zeigt einen Schnitt durch den Seilantrieb. Figur 6 zeigt schematisch die Seilführung mit den Umlenkscheiben und Heave-Scheiben und Figur 7 die Zuordnung der Seilabschnitte zu einzelnen Ebenen mit den zugeordneten Scheiben.

Gemäß Figur 1 ist der Simulator auf einem bodenfesten Fundament 1 angeordnet, der in sich die Antriebseinheit beherbergt, die einen Schlittenkorb 2 in Drehung versetzen kann. Der Schlittenkorb ist verwindungssteif ausgeführt und kann hohe Kräfte aufnehmen. Die Wirkung des Schlittenkorbs ist jene eines zweiseitigen Zentrifugalarmes herkömmlicher Zentrifugen, wobei entlang des Schlittenkorbs ein Heave- Schlitten 3 verschiebbar ist, der eine kardanische Aufhängung 4 trägt. Im Zentrum der kardanischen Aufhängung 4 ist die Kabine 5 angeordnet, in der üblicherweise eine oder maximal zwei Testpersonen sitzen können. Diese Kabine 5 ist nur in Figur 3 strichpunktiert angedeutet. Die Kabine 5 kann z.B. eine Flugzeugkabine mit den entsprechenden audiovisuellen Einrichtungen, aber auch der Steuerbereich eines anderen Fahrzeuges, wie z.B. ein PKW sein. Der Heave-Schlitten 3 mit darauf be- findlicher kardanischer Aufhängung kann entlang des Schlittenkorbs zwischen zwei Endstellungen bewegt werden. In Figur 1 befindet sich der Schlitten in der linken Endstellung, die nachstehend als vordere Stellung bezeichnet wird. Wenn der Schlitten in die rechte Endstellung bewegt wird, befindet er sich in der hinteren Stellung, wobei die Bezeichnungen vordere und hintere nur zum Zweck der Unterscheidungs- möglichkeit willkürlich definiert sind. Die Figur 2 zeigt einen Längsschnitt nach der Linie AA-AA in Figur 4, wobei der Schnitt auch durch das Fundament 1 und die Antriebseinheit 23 für den Schlittenkorb 2 und den Seilantrieb 6 geht. An den beiden Enden des Bodenbereiches des Schlittenkorbs 2 befinden sich Umlenkräder, nämlich je zwei Umlenkräder für das Antriebsseil 7 für die Schlittenbewegung. Die vorderen Umlenkscheiben 8, 9 sind drehbar am vorderen Ende des Schlittenkorbs und die hinteren Umlenkscheiben 10, 11 sind am hinteren Ende des Schlittenkorbs drehbar angeordnet. Für den Antrieb dienen im wesentlichen zwei Antriebseinheiten, nämlich eine Antriebseinheit 23 für die Rotation des Schlittenkorbs und ein Seilantrieb 6 zur horizontalen Bewegung des Heave-Schlittens 3 entlang des Schlittenkorbes.

Die kardanische Aufhängung 4 umfasst in bekannter Weise zwei Kardanbögen, nämlich den Yaw-Ring 13, und den Roll-Ring 14, deren Stellung zueinander beliebig einstellbar und verdrehbar ist. Überdies ist die gesamte kardanische Aufhängung an einem Vertikallift 15 drehbar angeordnet, wodurch die in der kardanischen Aufhängung befindliche Kabine auch noch mit einer Bewegungskomponente in vertikaler Richtung beaufschlagt werden kann.

Die Antriebseinheit 23 für den Schlittenkorb umfasst mehrere - zum Beispiel acht - Motoren 24, die über Reibringe 25 den Abtriebsring 26 in Drehung versetzen können. Die Beschreibung zum Seilantrieb 6 folgt weiter unten zu Figur 5.

Der Schnitt in der Darstellung der Figur 3 verläuft nach der Linie AC - AC in Figur 2 und verdeutlicht den konstruktiven Aufbau des Simulators. Wie zu erkennen ist, ist der Schlittenkorb 2 wannenförmig ausgebildet und der Heave-Schlitten 3 ist auf Schienen des Schlittenkorbs geführt. An den beiden Seiten des Heave-Schlittens 3 sind vertikale Liftschienen 16 angeordnet, auf denen der Vertikallift 15 mit der kardanischen Aufhängung 4 und Kabine 5 vertikal bewegt werden kann. Im Boden 17 des Schlittens 3 sind zwei Heave-Scheibenanordnungen 18, 19 vorgesehen, wobei je zwei Heave-Scheiben 18.1 und 18.2 sowie 19.1 und 19.2 jeweils auf einen gemeinsamen Heave-Bolzen 22 drehbar angeordnet sind.

Die Figur 4 zeigt die Aufsicht auf den Simulator, wobei der Heave-Schlitten 3 in linker, also vorderer Stellung eingezeichnet ist. Erkennbar ist die zentrale Seilantriebsscheibe 12, durch die der Schlitten 3 innerhalb des Schlittenkorbs linear bewegt werden kann. Die beiden vorderen Umlenkscheiben 8, 9 und die hinteren Umlenkschei- ben 10, 11 für das Umlenken des Seiles 7 sind, wie schon oben gesagt, am Schlittenkorb 2 drehbar befestigt. Die Heave-Scheibenanordnungen 18, 19 sind drehbar und zwar unabhängig voneinander drehbar am Schlitten 3 befestigt. Weiters erkennt man noch eine Spannscheibe 20, die für das Seil 7 auch als Umlenkscheibe wirkt und die dazu dient, das Seil 7 in festgespanntem Zustand zu halten. Die beiden En- den 21 des Seiles 7 sind fest mit dem Schlittenkorb befestigt und zwar an den jeweils entgegengesetzten Enden des Schlittenkorbs. In Figur 4 ist eines der Seilenden mit der Seilfixierung 27 am Befestigungspunkt P2 erkennbar. Das andere Seilende und dessen Befestigungspunkt P1 ist vom Schlitten 3 verdeckt.

Anhand der Figur 5 wird der Seilantrieb 6 etwas näher beschrieben.

Es sind - hier fünf Stück - Motoren 28 mit Getriebe 29 und je drei Reibringen 30 an einer Motorkonsole 31 befestigt. Die Motorkonsolen sind drehbar aufgehängt und können mittels Pneumatik-Zylinder 32 die Reibringe 30 an den Abtriebsring 33 anpressen. Der Abtriebsring 33 ist unten an der Hohlwelle 34 befestigt und diese über- trägt die Rotation auf die Seilantriebsscheibe 12. Die Hohlwelle 34 ist im Seilantriebsgehäuse 37 mittels "Lager oben" 35 und "Lager unten" 36 gelagert. Außerdem ist in Figur 5 ein Schleifring 38 und ein Schleifring-Halter 39 eingezeichnet. Da die ganze Elektronik durch die Hohlwelle und über Schleifringe geführt werden muss, ist der Seilantriebsstrang mit einer hohlen Welle versehen worden.

Für die Bewegung des Heave-Schlittens 3 im Schlittenkorb 2 dient jedenfalls die motorbetriebene Seilantriebsscheibe 12 mit der Seilführung für das Seil 7.

Die Figur 6 zeigt schematisch die Führung des Seiles 7 zwischen den beiden Befes- tigungspunkten P1 und P2, den vorderen Umlenkscheiben 8, 9, den hinteren Umlenkscheiben 10, 11 , der Antriebsscheibe 12 und Spannscheibe 20, die alle drehbar am Schlittenkorb angeordnet sind, und den beiden Heave-Scheibenanordnungen 18, 19, die am Schlitten drehbar angeordnet sind und diesen linear bewegen können.

Die Heave-Scheibenanordnungen 18, 19 befinden sich in der dargestellten Lage in hinterer Endstellung. Um die Heave-Scheibenanordnungen und mit ihnen den Schlitten nach links in die vordere Lage zu bewegen, muss die Antriebsscheibe 12 entgegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, wobei sich die Seilabschnitte I und Il verkürzen und in gleichem Ausmaß die Seilabschnitte VIII und IX verlängern. In gleicher Weise verkürzen sich auch die Seilabschnitte III und IV und die Seilabschnitte X und Xl werden verlängert. Die Rotation der jeweils übereinanderliegenden Heave- Scheiben 18.1 und 18.2 sowie 19.1 und 19.2 erfolgt jeweils gegenläufig.

Die Figur 7 zeigt, dass die Seilabschnitte in verschiedenen Ebenen geführt sind, nämlich in den drei Ebenen E1 , E2 und E3. Diese Aufteilung in verschiedene Ebenen ist notwendig, damit sich die Seilführungen nicht gegenseitig behindern. Zum Wechseln der Ebenen sind die Heave-Scheibenanordnungen 18, 19 und zwei der Umlenkscheiben 8,11 schräg gestellt.

Die Seilabschnitte Il und X sind in der obersten Ebene E1 , die Seilabschnitte I, IX, III, Xl in der mittleren Ebene E2 und die Seilabschnitte VIII ₁ Vll/Vl, V und IV in der untersten Ebene E3 angeordnet, wobei die Seilabschnitte I und Xl in den Befestigungspunkten P1 und P2 enden.

In Fig.4 und Fig.6 sind weiters die am Heave-Sch litten angreifenden Seilabschnitte (XII) eingezeichnet.

Nachfolgend wird die zuvor beschriebene Erfindung hinsichtlich ihrer Wirkungsweise näher erläutert. Wie eingangs erwähnt, dient der Simulator der Simulation von be- wegten Systemen, wie beispielsweise Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder Ähnlichem. Dabei wird dem Benutzer, der sich in der Kabine 5 befindet, über eine Vielzahl an künstlich erzeugten Sinneswahrnehmungen eine virtuelle Realität vorgespiegelt, wobei dieser, wie weiter unten ausgeführt wird, auch aktiv Einfluss nehmen kann. Diese Sinnesreize sind einerseits audiovisuelle Reize, die über Bildwiedergabesys- teme sowie Tonwiedergabesysteme dem Benutzer zugeführt werden. Auf der anderen Seite werden von der erfindungsgemäßen Vorrichtung Beschleunigungen bzw. Kräfte erzeugt, die auf den Benutzer wirken. Durch die Kombination aus audiovisuellen und physikalischen Sinneseindrücken interpretiert das menschliche Gehirn virtuelle Bewegungszustände. Diese Interpretation wirkt für den Benutzer umso realisti- scher, je exakter die Sinneswahrnehmungen den realen Sinneswahrnehmungen solcher Situationen gleichen. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, diese Signale so realitätsnah wie möglich dem Benutzer zuzuführen. Des Weiteren ist bei dem vorliegenden Bewegungs- und Orientierungssimulator ein Bedienelement vorgesehen, über das der Benutzer die Bewegungen des bewegten Systems in der virtuellen Welt steuern kann.

Dieses Steuersignal des Benutzers und etwaige Umwelteinflüsse (z.B. Wind, Fahrbahn), die auch als Störgrößen bezeichnet werden können, werden einem physikalischen Simulationsmodell zugeführt. Dieses entspricht einer mathematischen Abbil- düng des realen Verhaltens des simulierten Objekts. Es beinhaltet Größen wie Mas- senträgheiten, Widerstände etc. Mit Hilfe dieses Modells werden die Beschleunigungen bzw. Kräfte und deren Orientierungen berechnet, die dem Benutzer in der virtuellen Welt zugeführt werden sollen.

Diese Beschleunigungen werden von dem erfindungsgemäßen Bewegungs- und Orientierungssimulator auf unterschiedliche Arten erzeugt.

Beschleunigung durch Drehung des Schlittenkorbs:

Dabei dreht sich der Schlittenkorb 2 um seine Drehachse, wobei er beidseitig über diese Drehachse hinausragt. Auf dem Schlittenkorb ist linear verschiebbar der Hea- ve-Schlitten 3 angeordnet. Befindet sich dieser Heave-Schlitten 3 genau über der Drehachse des rotierenden Schlittenkorbs, so wirken auf den Benutzer keinerlei Beschleunigungen. Obwohl sich der Benutzer um seine Körperachse dreht, empfindet er diesen Zustand als unbewegten Zustand, da ihm in der abgeschlossenen Kabine 5 die visuellen Reize der Drehung fehlen.

Entfernt sich nun der Heave-Schlitten von der Drehachse, so steigt mit dem Abstand zur Drehachse primär die Radialbeschleunigung. Die resultierende Beschleunigung aus Erdbeschleunigung und der Radialbeschleuπigung wird von dem Benutzer wahrgenommen. Bewegt sich der Heave-Schlitten wieder zurück und überquert er die Drehachse des Schlittenkorbs so erfährt der Benutzer einen Wechsel der Orientierung der Radialbeschleunigung. Ein Pendeln des Heave-Schlittens um die Drehachse entspricht beispielsweise den Beschleunigungen einer Slalomfahrt mit einem PKW.

Um diese resultierende Beschleunigung in ihrer Größe zu variieren, kann entweder die Winkelgeschwindigkeit des Schlittenkorbs variiert werden oder der Heave- Schlitten variabel weiter nach außen verfahren werden.

Beschleunigung durch Linearantriebe: Die lineare Geschwindigkeitsänderung des Heave-Schlittens 3 entlang des Schlittenkorbs 2 durch den erfindungsgemäßen Seilantrieb 6 sowie die lineare Geschwindigkeitsänderung 4 der Kardanaufhängung durch den Vertikallift 15 sind weitere Möglichkeiten, um Beschleunigungen auf den Benutzer auszuüben. Änderung der Richtung der Beschleunigung: Um die Richtung der resultierenden, auf den Körper wirkenden Beschleunigung zu verändern, ist es von Nöten, den Körper selbst zu bewegen, um damit den Eindruck einer Änderung der Beschleunigungsrichtung hervorzurufen. Dies geschieht mit Hilfe der kardanischen Aufhängung 4 der Kabine 5. Diese kardanische Aufhängung um- fasst zwei Kardanbögen, nämlich einen Yaw-Ring 13 und einen Roll-Ring 14, deren Stellung zueinander beliebig einstellbar und verdrehbar ist. Über diese insgesamt drei Drehfreiheitsgrade kann nun die Kabine 5 und damit der Körper des Benutzers beliebig gedreht werden. Zusätzlich ist die gesamte kardanische Aufhängung an einem Vertikallift 15 drehbar angeordnet.

Über diese Vielzahl an Freiheitsgraden sowie Beschleunigungsmöglichkeiten können dem Körper auf unterschiedlichste Weise Bewegungsabläufe vorgespiegelt werden. Diese Flexibilität ist ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Zur Bewegung der Komponenten des Bewegungs- und Orientierungssimulators sind eine Reihe von Antrieben vorgesehen. Die Stellgrößen für diese Antriebe werden entweder aus dem physikalischen Simulationsmodell berechnet oder können manuell von einer Steuerzentrale vorgegeben werden. Die Erzeugung der audiovisuellen Reize kann ebenfalls entweder aus einem physikalischen Simulationsmodell hervorge- hen oder einem fixen Ablauf folgen.

Definition der Bewegungsachsen der bevorzugten Ausführungsform:

Die Drehachse des Schlittenkorbs verläuft lotrecht.

Die Bewegung des Heave-Schlittens 3 im Schlittenkorb 2 erfolgt entlang einer Geraden, wobei die Gerade orthogonal zu der Drehachse des Schlittenkorbs 2 verläuft und mit ihr einen gemeinsamen Schnittpunkt hat.

Die Bewegungsrichtung des Vertikallifts ist wiederum normal auf die Bewegungsge- rade des Heave-Schlittens und somit parallel zu der Rotationsachse des Schlittenkorbs 2.

Die Drehachse der Kardanaufhängung 4 bezogen auf den Vertikallift 15 verläuft tangential auf die Kreisbahn des Schlittenkorbes und somit waagerecht und normal auf die Bewegungsrichtung des Vertikallifts 15.

Die Drehachse die im Yaw-Ring 13 vorgesehen ist verläuft normal auf die Drehachse der Kardanaufhängung im Vertikallift und die Rotationsachse der Kabine im Roll-Ring verläuft wiederum orthogonal zur Drehachse im Yaw-Ring 13.

Die Drehachsen des Yaw-Rings 13, des Roll-Rings 14 und der Aufhängung im Vertikallift haben also zu jedem Zeitpunkt einen Gemeinsamen Schnittpunkt.

In dieser bevorzugten Ausführungsform sind alle obengenannten Freiheitsgrade mit unabhängig voneinander arbeitenden Antrieben versehen und abgesehen von den Linearantrieben unbegrenzt bewegbar, also beliebig weit drehbar.