Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer in zwei Raumrichtungen bewegbaren Oberfläche, insbesondere ein omnidirektionales Laufband.

Herkömmliche Laufbänder weisen eine Oberfläche auf, auf der man sich in einer Raumrichtung bewegen kann. Die Laufbänder werden im Fitness- und Heimbereich zum Joggen verwendet. Sie ermöglichen es, ohne Ortsveränderung beliebig lange Strecken vorwärts oder rückwärts zurück zu legen.

Für Virtual-Reality (VR)-Anwendungen bewegt sich der Benutzer virtuell in der

Anwendung bzw. im Spiel. In einer häufigen Ausprägung trägt der Benutzer zur

Simulation der Spielumgebung eine VR-Brille, mit der der Benutzer visuell und auditiv die Spielumgebung und den Spielverlauf dargestellt bekommt. In diesen VR- Anwendungen ist es erforderlich, dass sich der Spieler ohne Ortsveränderung, d. h. ohne wesentliche Veränderung seiner räumlichen Position, in beliebige horizontale Raumrichtungen (omnidirektional) virtuell bewegen beispielsweise gehen oder laufen kann.

Es wird hier darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht auf VR- Anwendungen und nicht auf horizontale Raumrichtungen allein beschränkt. Unter Berücksichtigung des bevorzugten Anwendungsbereichs wird in der Folge jedoch der Schwerpunkt der Darstellung auf eine Ermöglichung der Bewegung insbesondere des Gehens oder Laufens ohne wesentliche Veränderung der räumlichen Position des Benutzers in VR-Anwendungen gelegt.

Zur Ermöglichung des virtuellen Gehens oder Laufens in beliebigen horizontalen Raumrichtungen ohne wesentliche Veränderung der räumlichen Position existieren bereits mehrere bekannte Ausführungen.

Ausführungen mit Laufbändern sind aus nachstehend angeführten Dokumenten bekannt.

EP 0 948 377 Bl schlägt eine Vielzahl von Lösungen für omnidirektionale Laufbänder vor. Die Mehrzahl der Lösungen bedarf vieler Kleinteile und gibt dem Läufer

Laufoberflächen mit unzureichenden Eigenschaften. In der Beschreibung (0081) - (0085) werden umlaufende aneinander gekoppelte Bandeinheiten beschrieben, die eine gute Laufoberfläche bilden und mit denen die Bewegung der Laufoberfläche in der ersten Raum chtung durchgeführt wird. Für die Bewegung in der zweiten Raumrichtung werden Endlosbänder auf den Bandeinheiten im Bereich der Lauffläche einzeln durch spezielle Walzen mittels Reibung bewegt. Da die Bewegung der Endlosbänder nur indirekt über Reibung gekoppelt ist, ergeben sich bei höherer Belastung Differenzen in der Bewegung von benachbarten Endlosbändern. Die Endlosbänder sind außerhalb des Bereichs der Lauffläche nicht angetrieben und werden erst bei Eintritt in den Bereich der Lauffläche gekoppelt. Während des Einkopplungsvorganges treten Belastungsstöße und zusätzlicher Verschleiß auf.

US 6,123,647 A schlägt eine Mehrzahl von Bandeinheiten vor, die von einem großen, quer geführten Hauptband bewegt werden. Die einzelnen Bandeinheiten bilden nebeneinander angeordnet eine Fläche. Zur Bewegung der Bänder auf den

Bandeinheiten wird vorgeschlagen, jedes Band über mit zwei Zahnrädern versehene Rollen anzutreiben. Die Zahnräder werden von einer Zahnwelle angetrieben. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Zahnräder der Bandeinheiten in der Umlenkphase ohne Kontakt zur Zahnwelle stehen und in plötzlichen Eingriff mit der Zahnwelle gebracht werden, wenn eine Bandeinheit wieder in den Kontakt mit der Zahnwelle tritt. Es treten in der Übergangsphase Stöße auf, die zu Verzögerungen, Geräuschen und auch in weiterer Folge zu erhöhtem Verschleiß führen. Des Weiteren sind die einzelnen Bandeinheiten nicht mit einem stabilen Tragrahmen mit Gleitfläche versehen, was sich nachteilig auswirkt, da mit den Bänder allein nur eine wenig stabile Oberfläche erreicht wird.

DE 10 2006 040 485 AI schlägt ebenfalls einzelne Bandeinheiten auf einem Hauptband vor. Die einzelnen Bandeinheiten sind mit Hydraulikmotoren und Stützstruktur versehen. Alle Hydraulikmotoren der Bandeinheiten sind hydraulisch in Serie verbunden und haben damit gleiche Fördergeschwindigkeit. Nachteilig dabei sind die aufwändige und teure Konstruktion mit Hydraulikmotoren sowie das eher träge Ansprechverhalten einer Vielzahl von Hydraulikelementen.

US 7,780,573 Bl schlägt einzelne Bandeinheiten vor, die in der ersten Raumrichtung mittels Kettenrädern und Kette bewegt werden und die in der zweiten Raumrichtung durch Reibung über Kontaktelemente, die als Omni-Räder ausgebildet sind, angetrieben werden. Die Bandeinheiten sind nur an einer Stelle drehbar mit der kleingliedrigen Kette für die Übertragung der Bewegung in der ersten Raumrichtung verbunden. Eine zweite Verbindung zur Kette weist eine Verschiebemöglichkeit auf und erzeugt daher eine asymmetrische Lage der Bandeinheiten in der Kurve. Die Bewegung der Bänder auf den einzelnen Bandeinheiten wird über Kopplungselemente wie Gleichlaufgelenke, Wellrohre oder Kardangelenke gekoppelt. Zur Berücksichtigung der Längenveränderung bei der Kopplung sind Verschiebelemente vorgesehen. Wellrohre ohne

Verschiebelemente weisen nur eine kurze Lebensdauer auf. Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass die Bandeinheiten nur indirekt über die Kette und nicht direkt miteinander verbunden sind und damit die Kopplungselemente aufwändig in die erforderliche Lage gebracht werden müssen. Zum Längenausgleich sind zusätzliche Verschiebelemente beiderseits eines Kopplungselementes erforderlich und die

Verschiebelemente neigen zu Verklemmungen, da nicht vorgesehen ist, die

Kopplungselemente im Schnittpunkt der Rotationsachsen der Rollen zu halten.

US 8,790,222 B2 schlägt ebenfalls einzelne Bandeinheiten vor, die auf einem Hauptband befestigt sind und bewegt werden. Die Bandeinheiten haben ein gemeinsames sehr langes Endlosband, das durch Schrägführungen auf der Unterseite von einer

Bandeinheit zur nächsten geführt wird. Damit haben alle Förderoberflächen der Bandeinheiten die gleiche Fördergeschwindigkeit. Der Antrieb des Endlosbandes erfolgt über ballenförmige Walzen durch Reibung. Nachteilig bei dieser Ausführung ist das lange Endlosband, das bei raschen Geschwindigkeitsänderungen durch Trägheitskräfte zu lokalen Dehnungen und damit zu Verwerfungen des Endlosbandes führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung erreicht, die die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein omnidirektionales Laufband zur Verfügung gestellt, welches das Laufen in jeder Richtung einer Ebene ermöglicht. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitansicht einer umlaufenden Bandeinheit in einer möglichen Ausbildung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 Rollen von Bandeinheiten einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in mehreren Positionen des Umlaufs in Seitansicht,

Fig. 3 eine Schrägansicht mit den Hauptfunktionen der Vorrichtung in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Seitansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Ausführungsform von Zähnen eines Kronenzahnradgetriebes der

vorliegenden Erfindung

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform von Zähnen eines Kronenzahnradgetriebes der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 eine Schrägansicht einer Ausführung eines Kronenradgetriebes mit integriertem Antriebszahnrad

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausbildung einer Bandeinheit 1 mit einem in der zweiten Raumrichtung auf Rolle 3 und Rolle 21 umlaufenden endlosen Hauptband 2 in

Seitansicht. Die Rollen 3 und 21 sind auf einem Tragrahmen 4 der Bandeinheit 1 drehbar gelagert. Am Tragrahmen 4 ist eine Lasche 5 befestigt. Die Lasche 5 ist bei einer Achse 6 mit der Lasche 5, die am Tragrahmen der benachbarten Bandeinheit 1 befestigt ist, schwenkbar verbunden.

Die benachbarte Bandeinheit 1 ist wiederum mit der nächsten Bandeinheit 1 über eine Lasche 5 schwenkbar verbunden und so fort, sodass alle Bandeinheiten 1 eine umlaufende endlose Kette bilden.

Auf derselben Achse 6, die durch die Verbindung von benachbarten Bandeinheiten 1 gegeben ist, ist eine Laufrolle 7 angeordnet, die auf einer raumfesten Schiene 8 läuft. Die Schiene 8 ist an den Enden mit halbkreisförmigen Schienen (Fig.2) versehen, sodass ein kompletter Umlauf der Bandeinheiten 1 in der ersten Raumrichtung durchführbar ist.

Die Fig. 2 zeigt mehrere Rollen 3 von aneinander geketteten Bandeinheiten 1 in einem Teil des Umlaufs. Im Umlauf werden die Bandeinheiten mit Laufrollen 7 auf der raumfesten Schiene 8 geführt. Die Rotationsbewegung einer Rolle 3 um ihre Achse ist mittels eines in der Folge beschriebenen Kronenradgetriebes 15 mit der

Rotationsbewegung der Rolle 3 der benachbarten Bandeinheit 1 gekoppelt. Der Winkel 27 zwischen den Rotationsachsen von benachbarten Rollen 3 wird dabei mit

Mittelpunkt Achse 6 über einen weiten Bereich geändert. Ein Kronenrad des

Kronenradgetriebes 15 ist jeweils mit der zugehörigen Rolle 3 fest verbunden und bildet mit der Rolle 3 eine feste Dreheinheit. Die Kopplung der Rotationsbewegung von benachbarten Rollen 3 kann mit Kronenradgetrieben in direktem Kontakt erfolgen und durch den Kontakt im Bereich der Achse 6 sind keine weiteren Elemente, wie

Schiebeelemente, für einen Längenausgleich erforderlich.

Die Achse 6 zur Winkeländerung 27 von Rotationsachsen von benachbarten Rollen 3 wird durch eine Schwenkverbindung gebildet. Die Achse 6 ist lagegleich mit der Drehachse der Laufrolle 7, die auf der Schiene 8 läuft.

Die Fig. 3 zeigt in einer vereinfachten Gesamtübersicht die Hauptfunktionen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Bandeinheiten 1 sind nebeneinander so angeordnet, dass die im oberen, begehbaren Teil befindlichen Bandeinheiten 1 mit den Endlosbändern 2 eine Ebene bilden. Die Bandeinheiten 1 rollen mit Rollen 7 auf raumfesten Schienen 8 (Fig. 2), wodurch eine Bewegung in der ersten Raumrichtung erfolgt. Durch Bewegung der Endlosbänder 2 der Bandeinheiten 1 erfolgt eine

Bewegung in der zweiten Raumrichtung. In der Kombination der beiden

Hauptbewegungsrichtungen (symbolisiert durch die Doppelpfeile in Fig. 3) ist jede Bewegungsrichtung in der Ebene ausführbar.

Die Bewegung in der ersten Raumrichtung wird über das Antriebrad 11 ausgelöst, mit dem ein Treibmittel 9 bewegt wird, das seinerseits die Bandeinheiten 1 in der ersten Raumrichtung bewegt. Der Antrieb in der zweiten Raumrichtung erfolgt in der dargestellten Ausführung über Zahnräder 12, die jeweils mit einer Rolle 3 der Bandeinheit 1 verbunden sind,. Die Zahnräder 12 sind von einer Zahnwelle 13, die parallel zur ersten Hauptachse liegt, antreibbar. Die Zahnwelle 13 ist über ein Antriebsrad 14 antreibbar. Durch Rotation der Zahnräder 12 wird die durch die Endlosbänder 2 gebildete Oberfläche in der zweiten Raumrichtung bewegt.

Die Fig. 4 zeigt in seitlicher Darstellungsrichtung mehrere Bandeinheiten 1, die sich mit den Laufrollen 7 auf der Schiene 8 im Umlauf in der ersten Raumrichtung befinden. Am Ende der geraden Schiene 8 werden die Bandeinheiten 1 in einer Kurve geführt und weiter zu einer endlosen Kette zusammengeführt. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass der Abstand zwischen den Laufrollen 7, bedingt durch die Breite einer Bandeinheit 1, groß im Verhältnis zum Radius der halbkreisförmigen Schiene am Ende des geraden Teils der Schiene 8 ist. In der Kurve würde bei Antrieb mit einem Kettenrad ein starker Polygoneffekt auftreten. Dieser wird vermieden, indem in der bevorzugten Ausführung der Antrieb in der ersten Raumrichtung mittels eines endlosen Treibmittels 9 erfolgt. Das Treibmittel 9 besteht aus einem flexiblen Band, bevorzugt als Zahnriemen ausgeführt. Das Treibmittel 9 hat einen eigenen ovalen Umlauf und ist mit Mitnehmern 10 ausgestattet, die im geraden Teil des Umlaufs mit den Bandeinheiten 1 in Kontakt treten und die Bewegung der Bandeinheiten 1 in der ersten Raumrichtung bewirken.

In Fig. 5 zeigt in einem Detailausschnitt eine Ausführungsform der Zähne eines

Kronenzahnradgetriebes der gegenständlichen Erfindung.

Für die Erfindung ist ein Kronenradgetriebe 15 vorteilhaft, das die Rotationsbewegung einer Rolle 3 einer Bandeinheit 1 auf die Rolle 3 der benachbarten Bandeinheit 1 unter den folgenden Bedingungen überträgt:

(i) Für eine geringe Bauhöhe der Vorrichtung soll die Übertragung über einen weiten Winkelbereich 27 der Rotationsachsen der Rollen 3 erfolgen, beispielsweise zwischen 0° und 60°.

(ii) Die Rotationsbewegung um die Achse 18 des treibenden Kronenrads soll auf das getriebenen Kronenrad mit Achse 19 bei allen Betriebsbedingungen kontinuierlich und ohne merklichen Zeitverzug übertragen werden. Dies gilt insbesonders für Drehgeschwindigkeitsänderungen und

Drehrichtungswechsel,

(iii) Die Achse 6 der Winkeländerung 27 der Rotationsachsen der Rollen 3 soll so weit außerhalb des Schnittpunkts der Rotationsachsen 18 und 19 liegen, dass eine Kollision der Bandeinheiten bei größtem Winkel 27 vermieden wird.

Die oben angeführten Bedingungen an die Übertragung werden erfindungsgemäß mit einem Kronenradgetriebe ausgeführt, dessen Kronenräder eine aus Teilkegeln gebildete Zahnform aufweisen, wobei das angetriebene und das getriebene Kronenrad bevorzugt mit gleicher Zahnform ausgestattet sind. Ein Zahn 16, 17 kann aus einem vollständigen rotationssymmetrischen Kegelstumpf bestehen (Fig. 5) oder aus zwei Teilkegeln zusammengesetzt sein (Fig.6). Die Teilkegel oder der Kegelstumpf haben eine

Kegelachse parallel zur Rotationsachse des Kronenrads. Die Kegelflächen werden bevorzugt durch Rotation einer Erzeugenden um die Kegelachse erzeugt, womit Schnitte normal auf die Kegelachse kreis- oder kreissegmentförmige Querschnitte ergeben.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform mit vollständig rotationssymmetrischem Kegelstumpf mit gerader Kegelerzeugenden dargestellt. Der Kegel 16 des treibenden Rades berührt den Kegel des getriebenen Rades im Kontaktpunkt 20. Über die Achse 6 werden die Kronenräder mit Rotationsachsen 18 und 19 mit einem Schwenkwinkel 27 geschwenkt. Die Drehachse 24 der Kegelerzeugenden liegt parallel zur Rotationsachse 18 des treibenden Kronenrads.

Die gerade Kegelerzeugende ist unter einem Verjüngungswinkel 25 zur Drehachse 24 geneigt. Der Verjüngungswinkel liegt zwischen 8,5° und 13°, bevorzugt zwischen 8,5° bis 10,5°. Der bevorzugte Verjüngungswinkelbereich ergibt besonders günstige Lösungen hinsichtlich der genannten Anforderungen (i) und (ii), er erfordert jedoch geringe Zahnhöhen, um Hinterschnitt zu vermeiden. Der Hinterschnitt kann ohne

Zahnhöhenverringerung vermieden werden, indem eine Fase 28 an der Kante des Kegelstumpfs angebracht wird. Die zweite Kegelzeugende für die Fase 28 ist eine Gerade mit einem Verjüngungswinkel 29.

Die Verbindung des Kegel mit Verjüngungswinkel 25 zum Kegel mit Verjüngungswinkel 29 erfolgt bevorzugt mit einer Abrundung. Der dadurch entstehende Drehkörper, hat bevorzugt einen Bogen als Erzeugende mit Verjüngungswinkeln, die im Verlauf des Bogens zwischen den Verjüngungswinkel der beiden geraden Kegelerzeugenden liegen.

Die Länge mindestens einer der Kegelerzeugenden kann in einer möglichen

Ausführungsform gegen Null gehen, womit nur der Endwinkel des Bogens festgelegt ist und die Fase 28 als einfache Abrundung aufscheint.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel von aus zwei Teilkegeln zusammengesetzten Kronenradzähnen 16 und 17 dargestellt. Der Kronenradzahn 16 besteht aus einem Teilkegel 22 und einen spiegelsymmetrisch dazu anordneten Teilkegel 23. Der spiegelsymmetrische Teilkegel 23 übernimmt den Antriebskontakt nach Umkehr der Drehrichtung bei Rotationsachse 18. Für den Teilkegel 22 sind die Drehachse 24 und der Verjüngungswinkel 25 eingezeichnet. Die Drehachse 24 liegt parallel zur Rotationsachse 18 des treibenden Kronenrads. Die Oberfläche des Teilkegels wird durch Drehung einer geraden Erzeugenden, die um den Verjüngungswinkel 25 zur Drehachse 24 geneigt ist, erzeugt. Gleiche Verjüngungswinkelbereiche wie für den vollständigen Kegelstumpf unter Fig. 5 beschrieben gelten auch für die Teilkegel in Fig. 6.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Kronenradgetriebes, bei der ein Kronenrad des Kronenradgetriebes 15 mit einem Antriebszahnrad 12 kombiniert ist. Wenn die Endlosbänder 2 der Bandeinheiten 1 sich im geraden begehbaren Teil der Vorrichtung befinden, bilden sie eine ebene Fläche. Der von den Endlosbändern 2 bedeckte Teil der ebenen Fläche weist konstruktionsbedingt Spalten auf, die sich durch die Anordnung von Kronenräder-, Antriebs- und/oder Unterstützungskonstruktionen ergeben. Eine vorteilhafte Ausführung ist daher die Kombination eines Kronenrades innerhalb des Antriebszahnrads 12. Bei Bandeinheiten 1, die sich im oberen geraden Teil des Umlaufs befinden, liegen die Rotationsachsen der Rollen 3 in gestreckter Lage vor. In dieser Position wird in einer bevorzugten Ausführung das Kronenradgetriebe 15 völlig innerhalb des Antriebszahnrades 12 untergebracht. Damit ist der konstruktionsbedingte Spalt zwischen den Laufbändern 2 klein und nur durch die Breite des Antriebszahnrades 12 bestimmt.

Das Laufband gemäß der Erfindung vermittelt dem Läufer eine in allen Richtungen bewegbare Gesamtfläche. Zwischen den Endlosbändern 2 der Bandeinheiten 1 bleiben zwar schmale Flächen, die nur die Bewegungen der ersten Raumrichtung übernehmen. Diese schmalen Flächen stören im praktischen Betrieb jedoch nicht, weil sie um die Dicke des Endlosbandes tiefer liegen und damit vom Auftritt des Benutzers nicht erreicht werden.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein omnidirektionales Laufband, welches über mehrere verbundene Bandeinheiten (1) mit Tragrahmen (4) und Endlosbändern (2) verfügt, die in der ersten Raumrichtung umlaufend bewegt werden. In der zweiten Raumrichtung werden die Endlosbänder (2) der Bandeinheiten (1) bewegt. Der Antrieb der Endlosbänder (2) in zweiter Raumrichtung erfolgt bevorzugt über auf Rollen (3) befestigten Zahnrädern (12) und eine Zahnwelle (13). Der Gleichlauf aller Endlosbänder (2) erfolgt durch Kopplung mit zwischen den Bandeinheiten (1) angeordneten

Kronenradgetrieben (15) mit spezieller Zahnform.