WO2017153333A1 - Vorrichtung und verfahren zur simulation von beschleunigungskräften - Google Patents

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WO2017153333A1 PCT/EP2017/055184 EP2017055184W WO2017153333A1 WO 2017153333 A1 WO2017153333 A1 WO 2017153333A1 EP 2017055184 W EP2017055184 W EP 2017055184W WO 2017153333 A1 WO2017153333 A1 WO 2017153333A1
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Christian K. Keul
Alexander Bertz
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Definitions

  • the invention relates to a device for simulating acceleration forces acting on the human head and to a method for simulating such acceleration forces.
  • Acceleration forces - also referred to as g-forces - are called loads acting on the human body (or other object) due to a change in magnitude and / or direction of velocity.
  • the acting on the head acceleration force is thus the force that acts against the direction of acceleration of the head due to the inertia of the head.
  • High acceleration forces or g-forces occur, for example, when traveling on a rollercoaster. Further, even in an acceleration operation, a braking operation or a cornering with a vehicle, acceleration forces or g-forces which act on the human body and which can be very large depending on the rate of change of the acceleration occur. For example, racing drivers such as Fl racers are exposed to very large g-forces.
  • the g-forces acting on the human body or on the head simulate to give the player an even more realistic driving experience. Further, it is desirable to provide a realistic simulation of body-to-head acceleration forces for "real" racing simulators, where professional racers as well as non-racers can simulate a race on a particular circuit.
  • FIG. 1 Such a device known from the prior art is shown in FIG.
  • This device essentially consists of a helmet 10 on which at least one, preferably at least four tension elements or hydraulic elements 1 1 are arranged.
  • the tension elements or hydraulic elements 11 are connected on the one hand with the helmet 10 and on the other hand with a stationary frame.
  • the tension elements or hydraulic elements 11 By means of the tension elements or hydraulic elements 11, the helmet 10 and thus the head can be moved two-dimensionally in any direction, whereby the action of an acceleration force on the head is to be simulated.
  • this known from the prior art device has the disadvantage that it has relatively large dimensions, for example, a width and a depth of about 150 cm. For domestic use, therefore, this device is not practical and is therefore used almost exclusively by professional racers for training purposes.
  • Object of the present invention is therefore to provide a device for simulating acceleration forces acting on the human body or on the human head, which at least partially avoids the disadvantages known from the prior art and on the one hand is space-saving, too be used in home use, and on the other hand, the natural freedom of movement of the head and the field of view is not limited and can also be used for training the neck and neck muscles if necessary.
  • a device for simulating acceleration forces acting on the human head, the device having
  • a base unit which can be arranged on the head
  • the weight system comprises a body which is displaceable relative to the base unit.
  • the device may further comprise a sensor device adapted to a rotation angle of the head or the base unit relative to a normal position of the head or the base unit, wherein the body of the weight system is displaceable relative to the base unit as a function of the angle of rotation (a).
  • "Normal position" means that the head or base unit is oriented forward relative to the human body and the angle of rotation of the head or base unit relative to this normal position is 0 °. If the head and thus the base unit rotated to the left or to the right, ie, rotated about the vertical axis HA (see Fig. 2), the rotation angle of the head or the base unit relative to this normal position changes, ie, the rotation angle is greater or less 0 °.
  • the displacement of the body relative to the base unit results in a weight shift of the body relative to the base unit, which causes the wearer of the base unit to feel a head-acting acceleration force, depending on which direction the body is displaced. If, for example, the body is displaced towards the front of the base unit, a negative acceleration is simulated which arises, for example, during a braking process in a vehicle. As a result, a forward g-force acts on the head which pushes the head forward or moves forward.
  • the body of the weight system is displaceable relative to a normal position of the head or base unit relative to the base unit depending on the angle of rotation of the head or base unit, it can be ensured that the acceleration to be simulated acts in the correct direction even with a rotated head.
  • a body of the weight system comprises within the meaning of the invention
  • a multi-part designed weight element which consists of several non-interconnected sub-elements, each sub-element another
  • Mass may have.
  • a body in the sense of the invention may thus be e.g. to be a single metal ball.
  • a body in the sense of the invention may consist of a plurality of metal balls which are connected to one another and thus form a complex body or are not connected to one another.
  • the body as a whole has a center of mass.
  • the weight system has at least one drive unit which is coupled to the body and which is adapted to displace the body, in particular the center of mass of the body. It is advantageous here if this displacement takes place in dependence on the angle of rotation relative to the base unit.
  • the at least one drive unit is adapted to displace the center of mass of the body at a predetermined speed and / or acceleration relative to the base unit.
  • a drive unit for example, one or more servomotors may be provided, which also different accelerations of the relative to the base unit allow to be displaced body, so that different strong acceleration forces or g-forces can be simulated.
  • the weight system i. the weight system as a whole, be rotatable relative to the base unit as a function of the angle of rotation. This is advantageous if the body of the weight system can be displaced relative to the base unit only within certain limits, but the rotation angle detected by the sensor device necessitates a displacement of the body beyond these limits, so that the acceleration to be simulated also applies to a rotated head works in the correct direction.
  • the base unit can be configured as a helmet, cap, cap or other headgear or as a voltage applied to the head surface frame.
  • the body may have a first weight and a second weight, wherein the first weight and the second weight are independently displaceable relative to the base unit.
  • the first and the second weight can each be configured as a bracket, preferably as a curved bracket, wherein the brackets are spaced apart from the base unit outside the base unit, wherein the brackets are each movable or pivotable about an axis of rotation relative to the base unit, wherein the axes of rotation each extend through the strap ends and wherein the axis of rotation of the first bracket parallel to the transverse axis of the base unit and the axis of rotation of the second bracket parallel to the longitudinal axis of the base unit.
  • the brackets are in this case arranged and configured so that they do not touch each other during a pivoting movement.
  • the body may additionally have a third weight and a fourth weight, wherein the four weights, preferably independently of one another, are movable or displaceable relative to the base unit.
  • Each of the four weights is movable or rotatable relative to the base unit about an axis of rotation substantially perpendicular to the base unit, wherein
  • the first weights are arranged to the left of the axis of rotation and the second weight to the right of the axis of rotation and the first and second weight about the axis of rotation at the same time forward or backward movable, and
  • the third weights are arranged in front of the axis of rotation and the fourth weight behind the axis of rotation and the third and fourth weights are simultaneously movable to the left or to the right about the axis of rotation.
  • Each of the four weights may be in the form of a spherical triangle, with each corner of the spherical triangles forming the axis of rotation.
  • the four weights may each also have the shape of a "hammer" or the like.
  • the four weights may each have a parallelepiped or cylindrical shape, wherein the first and second weights are movable along a first rail and the third and fourth weights are movable along a second rail.
  • the four weights may also be movable along a channel or along a cable.
  • the shape of the four weights can be chosen arbitrarily, as long as it is ensured that the four weights according to the invention can be displaced relative to the base unit.
  • the body may have the form of a hood, the inner circumferential surface has a predetermined distance to the base unit in a neutral position of the hood in the radial direction and within this distance in the radial direction relative to the base unit is movable.
  • the body may have a flexible pad filled with a fluid, which is designed such that a force acting on the wall of the pad causes a deformation of the pad and thus a displacement of the center of mass of the pad relative to the base unit.
  • the force acting on the wall of the pad can be effected with the drive unit.
  • the device according to the invention has a wireless or wired interface and a control unit coupled to the interface, wherein the control unit is adapted to receive control commands via the interface and to control the drive unit in accordance with the received control commands.
  • the device according to the invention can be coupled, for example, with a computer game, wherein the computer game transmits the control commands to the device.
  • control commands can thus be transmitted to the device, which instruct the control unit to initiate a predetermined displacement of the center of mass of the body.
  • the control commands can also be provided by a device connected to the computer game, such as a steering wheel, an accelerator pedal or a brake pedal.
  • a weight system which comprises a body and a drive unit, wherein the body is movable by the drive unit.
  • the weight system preferably detachably on a base unit can be arranged. It may be advantageous if the body, in particular the Mass center of the body, in dependence on a rotation angle of the base unit relative to a normal position of the base unit relative to the base unit is displaced. Also provided is a method for simulating acceleration forces acting on the human body, wherein the body, in particular the center of mass of the body, of a weight system, which is arranged on a base unit that can be arranged on the head, is displaced relative to the base unit. In this case, it can be advantageous if the displacement of the weight system takes place in dependence on a rotation angle of the base unit or of the head relative to a normal position of the base unit or of the head.
  • the displacement of the center of mass of the body relative to the base unit takes place with a drive unit which is coupled to the body, wherein the drive unit moves one or more weights of the body relative to the base unit, preferably about one or more axes of rotation ,
  • the weight system is rotated relative to the base unit, preferably about a vertical axis of the head or of the base unit.
  • the device according to the invention has the advantage that on the one hand it is very space-saving and can be arranged as an entire unit on the head or can be placed on the head and on the other hand hardly negatively influences the natural freedom of movement of the head.
  • FIG. 1 shows a device known from the prior art for simulating acceleration forces
  • Figure 2 is a configured as a helmet base unit of a device according to the invention in a side view and in a view from above.
  • FIG 3 shows a device according to the invention, the device being shown once in a neutral position and once in a position in which the center of mass is displaced relative to the base unit;
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a device according to the invention with two brackets arranged on the base unit;
  • FIG. 5 shows a further alternative embodiment of a device according to the invention with a hood arranged on the base unit;
  • FIG. 6 shows a further alternative embodiment of a device according to the invention with four weights arranged on the base unit, which are designed as spherical triangles;
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 6;
  • FIG. 8 shows a further alternative embodiment of a device according to the invention, wherein four weight bodies, which are movable in pairs along a rail, are arranged on the base unit; and
  • FIG. 9 shows an embodiment of a device according to the invention for clarifying the mode of operation, in which the angle of rotation of the head or of the
  • Base unit is taken into account.
  • the device according to the invention for simulating acceleration forces or g-forces acting on the human head consists essentially of a base unit which can be arranged on the head and of a weight system which is arranged on or on the base unit.
  • the device further comprises a sensor device, with which a rotation angle of the head or the base unit relative to a normal position of the head or the base unit can be detected.
  • the weight system in this case has a body which is displaceable relative to the base unit, wherein the displacement of the body causes a weight shift of the body relative to the base unit.
  • This shift in weight generates the acceleration forces or g-forces, which results in the head of the wearer of the device being moved in a certain direction, depending on the direction in which the center of mass is displaced relative to the base unit, and thus the head of one Acceleration in this direction is suspended. It is advantageous if, as a result of the displacement of the body, the center of mass of the body is displaced relative to the base unit. This simulates g-forces that occur, for example, when cornering.
  • the displacement of the center of mass of the body takes place relative to the base unit as a function of the rotation angle of the head, the angle of rotation being determined by the sensor device or is detected.
  • the device according to the invention can be coupled to a computer or to a racing simulator via an interface, which can be designed to be wired or wireless.
  • the racing simulator can control the device according to the invention via this interface, ie the device by means of To cause control commands to shift the center of mass of the body in a certain direction and with a certain acceleration relative to the base unit.
  • the racing simulator for example, when the driver drives into a right-hand bend, the racing simulator can cause the device according to the invention to shift the center of mass of the body into the region of the left hemisphere of the head. This simulates a g-force acting in the direction of the outside of the curve that acts on the driver's head.
  • the center of mass of the body may be shifted to the area of the back hemisphere of the head so that the head is moved backward.
  • the center of mass of the body may be displaced to the area of the front hemisphere of the head so that the head is moved forward.
  • the device according to the invention can also be supplied with data which includes information about the angle of rotation of the head or of the base unit. This information can then be taken into account in the displacement of the center of mass of the body. For example, if the driver is driving in a right turn in the racing simulator and the driver turns his head to the left, the device according to the invention can be made to shift the center of mass of the body relative to the base unit in such a way that it simulates a g-force acting in the direction of the curve becomes. Without consideration of the rotation angle, a g-force would be simulated with a rotated head, but the force vector would point in the wrong direction.
  • the information about the rotation angle may be provided by the above-mentioned sensor device.
  • the sensor device can be designed such that it can detect the rotational movements of the handle or the base unit from outside without contact, for example on the basis of the base unit arranged markers.
  • any type of sensor system with which a rotational movement of the head or of the base unit can be detected is suitable as the sensor device.
  • the sensor device can also be arranged on the device according to the invention.
  • the information about the rotation angle of a so-called VR glasses virtual reality glasses
  • the VR glasses virtual reality glasses
  • the device according to the invention can be used not only for computer games or racing simulators, in order to simulate therein acceleration forces acting on the human head.
  • the device can also be used, for example, in tank simulators or flight simulators in the military sector or in so-called virtual environments.
  • the device according to the invention can also be used in the medical or therapeutic field.
  • a targeted training of the neck and / or neck muscles of the wearer can be carried out here.
  • the head is forced in a certain direction, whereby the wearer can counteract this movement and thus strengthens the neck and neck musculature.
  • the device can also be used as a kind of "visual aid" for the blind and / or severely visually impaired
  • the device according to the invention can guide the wearer through road traffic, for example, in combination with a system that receives and interprets the environment
  • a current position finding (GPS) system the wearer can be notified of the direction in which he is moving by shifting the weight of the body relative to the base unit, or the wearer can be warned of obstacles, for example.
  • GPS current position finding
  • the device according to the invention is based on the principle of weight transfer by shifting the center of mass of a body relative to a base unit.
  • the invention accordingly comprises not only the embodiments of the device shown below, but also all devices with a base unit on which a body is arranged, the center of mass of which is displaceable relative to the base unit as a function of the angle of rotation of the head or of the base unit.
  • the mode of operation of the weight transfer or the displacement of the center of mass will be explained with reference to differently designed devices according to the invention. Referring to Fig. 9, the operation considering the rotation angle will be explained.
  • FIG. 2 shows a base unit 10 of a device according to the invention for simulating acceleration forces, wherein the base unit 10 is designed here as a helmet or as a helmet-like hood.
  • the base unit 10 is designed here as a helmet or as a helmet-like hood.
  • Figure (a) is a side view of the base unit 10 and in Figure (b) is a plan view of the helmet 10 is shown.
  • Fig. 2 Indicated in Fig. 2 are the three axes of the helmet 10, i. the longitudinal axis LA, the transverse axis QA and the vertical axis or vertical axis HA. Further, in Fig. 2, the four directions front, rear, left and right are shown. If reference is made in the following description to the axes of the base unit and / or to the orientation of the base unit, the axes or orientations shown in FIG. 2 are meant.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a device 1 according to the invention for simulating acceleration forces.
  • a weight system 20 On or on the base unit or helmet 10, a weight system 20 is arranged.
  • the weight system consists of a body 21 and a drive unit 22, wherein the body 21 is configured here as a cushion filled with a fluid.
  • the drive unit 22 is designed here as a plate, which rests on the cushion 21. Instead of the plate, a plate or bowl-shaped drive unit 22 may be provided.
  • the weight system 20 is shown in a neutral position with the plate resting substantially horizontally on the pad 21, with the pad 21 being substantially uniformly loaded over the entire surface of the plate 22.
  • the pillow itself is designed as a flexible pillow.
  • the center of mass M of the pad 21 in Figure (a) is located approximately in the center of the head above the head K.
  • the plate 22 is arranged on the helmet 10 so that it can advantageously be inclined in each direction.
  • FIG. 4 An inclined plate is shown in figure (b). Tilting the plate 22 forwardly causes a force to be applied to the front portion of the pad 21 while relieving the rear portion of the pad 21. As a result, the fluid accommodated in the cushion 21 is displaced into the rear region of the cushion 21, so that the center of mass M of the cushion also moves into the region of the rear hemisphere of the head.
  • the acceleration force or g-force caused by this displacement of the center of mass M or by this weight transfer is indicated by the arrow g.
  • the magnitude of the g-force depends on the acceleration or on the speed with which the weight shift or the displacement of the center of mass relative to the helmet 10 is made. As a result, a rapid shift in weight results in a higher g-force.
  • 4 shows a further alternative embodiment of a device according to the invention for simulating acceleration forces.
  • the device 1 here consists of a helmet-designed base unit 10 and a weight system arranged thereon, the body 21 of the weight system consisting of a first weight 21a and a second weight 21b.
  • the two weights 21a, 21b are configured here as curved brackets, the brackets being spaced apart from the helmet 10 and outside the helmet 10. Both brackets 21a, 21b are each movable or pivotable about a rotation axis DA1 and DA2.
  • the imaginary axis of rotation DAl of the first bracket 21a in this case extends transversely through the helmet 10 and the imaginary axis of rotation DA2 of the second bracket 21b extends substantially perpendicular to the first axis of rotation DAl. Accordingly, the two brackets 21a, 21b are arranged on the helmet so that the first bracket 21a can be pivoted to the front and to the rear and the second bracket 21b to the left and to the right.
  • a drive unit 22 can be arranged, with which the rotational movement of the respective bracket is accomplished.
  • the drive unit 22 is advantageously designed so that the rotational movement of the bracket can be performed at a predetermined speed or with a predetermined acceleration.
  • the first transverse bracket 21a is pivoted forwardly.
  • the turning or pivoting of the bracket 21a forward causes a shift of weight in the area of the front hemisphere of the head or a shift of the center of mass M of the two brackets in this area.
  • Forward acting acceleration force g the size of which depends on the speed or on the acceleration of the rotational movement of the first bracket 21a.
  • a negative acceleration force can be simulated, which acts for example when braking in a vehicle on the head.
  • the first bracket 21a can be pivoted rearward so as to simulate an upside-down acceleration force that arises when, for example, a vehicle is accelerated.
  • the second bracket 21b can be pivoted to the left or to the right to simulate corresponding acting to the left or to the right acceleration forces or g-forces.
  • both brackets 21a, 21b can be pivoted simultaneously in a certain direction.
  • an acceleration force can be simulated which acts on the head when an acceleration process is performed in a curve. If, for example, an acceleration operation is performed in a left-hand bend, the first bracket 21a is pivoted to the rear and the second bracket 21b is simultaneously pivoted to the right. After the pivoting process of the two brackets, the center of mass of the two brackets is then in the right section of the rear hemisphere of the head.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention.
  • the device here consists of a base unit 10, which is formed by a kind of frame and rests on the head surface of the head K.
  • the body of the weight system is formed here by a hood 21, whose inner circumferential surface in a neutral position of the hood (as shown in Figure (a) and (b)) in the radial direction has a predetermined distance from the base unit 10.
  • the hood 21 is coupled to the base unit 10.
  • the Drive unit 22 is designed here so that the hood 21 can be moved in the radial direction relative to the base unit 10.
  • the drive unit 22 is designed so that the movement of the hood 21 relative to the base unit 10 can be performed in any direction.
  • the device is shown in which the hood 21 is displaced radially relative to the base unit 10 to the rear.
  • the acceleration force acting on the head K during the displacement operation from the neutral position to the position shown in Figure (c) is indicated by the arrow g.
  • FIG. 6 shows a still further alternative embodiment of a device according to the invention for simulating acceleration forces.
  • the base unit 10 designed as a helmet, which are designed here as spherical triangles 21a to 21d and whose curvature corresponds essentially to the curvature of the helmet top.
  • the triangles 21a to 21d are rotatable or pivotable about a vertical axis of rotation DA, which runs perpendicularly through the center of the helmet.
  • DA vertical axis of rotation
  • Spherical triangles 21a to 21d or other spherical shapes have the advantage of being integrated into a helmet that they are substantially adapted to the shape of the helmet and so the space requirement can be minimized.
  • two triangles 21 a and 21 b are aligned toward the left side and the right side of the helmet 10, respectively.
  • the other two triangles 21c and 21d are directed toward the front and rear sides of the helmet, respectively.
  • drive units 22 arranged in the region of the axis of rotation DA, the triangles 21a and 21b can be pivoted forwards and backwards and the triangles 21c and 21d can be pivoted and pivoted to the left and to the right.
  • Each of the triangles can be assigned its own drive unit.
  • the drive units 22 may be configured such that each of the triangles 21a to 21d can be moved independently of each other.
  • a first drive unit can be provided for the triangles 21a and 21b, for example, and for the triangles 21c and 21d, a second drive unit may be provided, the respective drive unit moving the respective triangles in the same direction and at the same angular velocity and acceleration.
  • Servo motors may be provided, for example, as servomotors, wherein the triangles to be driven in each case may be coupled to one another via gears. The use of servomotors has the advantage that the triangles can be moved at a predetermined angular velocity and acceleration into a specific angular position relative to the neutral position.
  • a first servomotor can be provided, with which the left and right triangle 21a, 21b are moved forward and backward simultaneously, at the same speed and with the same acceleration.
  • Figure (c) shows the device in which the two forward and rearward facing triangles 21c and 21d are in a neutral position and in which the two in the neutral position to the left and to the right-facing triangles 21a and 21b were pivoted backwards.
  • the center of mass of the four triangles is therefore located centrally in the area of the rear hemisphere of the head.
  • the movement of the two triangles 21a and 21b to the rear causes a rearwardly acting acceleration force g, which occurs for example in an acceleration process of a vehicle.
  • the triangles 21a to 21d may be designed such that the majority of the mass of the triangles is in each case in the region which is farthest from the axis of rotation DA.
  • the triangles may each have a weight of between 100 and 500 g, preferably between 150 and 300 g.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the device shown in Fig. 6.
  • the triangles 21a to 21d are not arranged on a helmet, but on a frame resting against the head surface.
  • the operation is identical to the operation described with reference to FIG. 6.
  • FIG. 8 shows a further embodiment according to the invention of a device for simulating acceleration forces.
  • four weights 21a to 21d are arranged, which here have a cuboid basic shape.
  • two weights 21a, 21b on the left and right of the helmet 10 and two weights 21c, 21d front and rear of the helmet 10 are respectively arranged.
  • the left and right weight 21a, 21b are movable forward and backward along a first rail 23a.
  • the front and rear weights 21c and 21d are movable along a second rail 23b to the left and to the right.
  • the weights 21a to 21d, as well as the triangles 21a to 2 ld of the device shown in FIGS. 6 and 7, can be moved from their neutral position a maximum of 90 ° forwards and backwards or 90 ° to the left and to the right.
  • the respective angle of rotation can also be greater than 90 ° when moving weights or triangles on different tracks and during a weight shift do not abut each other.
  • drive units known per se For moving the bodies 21a to 21d on the rails 23a and 23b, drive units known per se can be provided in each case.
  • the figures (c) and (d) show the apparatus in which the left and right neutral weights 21a and 21b are moved backward so that the center of gravity of the weights 21a to 21d is centered in the rear hemisphere region Head is located. Moving the two left and right weights to the rear causes a rearwardly acting acceleration force g, which acts, for example, in an acceleration operation of a vehicle on the head of the driver.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a device according to the invention for clarifying the mode of operation of the device according to the invention, in which the angle of rotation of the head or of the base unit is taken into account.
  • the device according to the invention shown in FIG. 9 has a sensor device S with which the rotational angle .alpha. Of the head or the base unit 10 relative to a normal position of the head or the base unit is detected.
  • Such a sensor device also has the devices according to the invention shown in FIGS. 3 to 8.
  • Fig. 9 (a) of Fig. 9 is shown the device according to the invention shown in Fig. 8, in which the base unit is in a normal position, i. the rotation angle of the base unit is 0 °.
  • the rotational angle ⁇ of the base unit 10 or the head is taken into account when displacing the weights, the displacement of the weights can be corrected by this angle of rotation ⁇ so that an acceleration force is simulated due to the displacement of the weights whose force vector points in the correct direction (indicated in Figure (b) by the arrow g).
  • a simulation such as a car race, can be made even more realistic.
  • the information about the rotation angle of the head for example, be provided by a VR glasses, which has created the driver while driving on the head.
  • a VR glasses which has created the driver while driving on the head.
  • other sensor devices may also be used.
  • the weights along the two rails can be moved freely, so that even with a turned head or with a rotated base unit 10, the center of mass of the four weights can be displaced in any direction.
  • the body or the weights of the weight system can not be moved relative to the base unit in a rotated head or in a rotated base unit in such a way that the desired displacement of the mass midpoint is achieved, it is provided that the base unit 10 is arranged on the base unit 10 To rotate the weight system relative to the base unit, preferably about the vertical axis HA shown in Fig. 2.
  • a part of the rotation angle ⁇ can already be corrected by rotating the weight system relative to the base unit.
  • the remainder of the angle of rotation ⁇ is then corrected by the displacement of the weights by taking this remainder of the angle of rotation into account when displacing the weights relative to the base unit.
  • the weight system is rotated relative to the base unit so far that the rest of the rotation angle is sufficient to achieve the desired shift of the mass midpoint. If, for example, the angle of rotation by which the head is turned to the left, for example, is 45 ° and the displacement of the center of mass allows the body to rotate only one angle of 30 ° maximum, it is advantageous to also rotate the weight system by 15 ° relative to the base unit.
  • the weights or bodies 21a to 21d can only be rotated by a maximum angle of 90 ° about the axis of the respective drive unit 22, it can rotate at certain angles of rotation or rotation Angle ranges around which the head or base unit has been rotated relative to a normal position of the head or base unit means that the required position of the center of mass relative to the base unit for correct simulation of the acceleration force can not be achieved , This may be the case, for example, if one of the bodies 21a to 21d had to be rotated by more than 90 ° about the axis of its drive unit 22. To compensate for this, the entire weight system is also rotated by a certain angle relative to the base unit. The same applies to the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 7.
  • four cushions may be arranged on a base unit, with two cushions left and right on the base unit and two cushions on the front and rear of the base unit and with the four cushions interconnected by channels and with a fluid in the cushions is that can be pumped by means of a pump as a drive unit of a cushion in one or more other pillows, so as to the center of mass of the four pillows relative to Shift base unit.
  • the bodies or weights of the weight system may have different shapes.
  • the device according to the invention can advantageously be integrated into a conventional helmet, such as a motorcycle or racing helmet.
  • the device according to the invention is arranged in the helmet and preferably connected to the outer shell of the helmet.
  • the weight system is thus arranged in the space between the base unit and the outer shell of the helmet, so that the bodies of the weight system can be moved in this intermediate space relative to the base unit.
  • the device according to the invention is thus virtually indistinguishable from a conventional motorcycle or racing helmet.
  • the weight system is designed such that the bodies of the weight system can be exchanged or expanded.
  • bodies with different masses can be attached to the device according to the invention.
  • lighter weight bodies may be placed, while heavier bodies may be placed on adult computer gamers.
  • the device modular, wherein a first module, the base unit and a second module form the weight system.
  • the weight system and the base unit are advantageously designed such that the weight system can be detachably arranged on the base unit.
  • base unit e.g., helmet

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Abstract

Bereit gestellt wird eine Vorrichtung(1)zur Simulation von am menschlichen Kopf (K) wirkenden Beschleunigungskräften (g), wobei die Vorrichtung (1) aufweist -eine Basiseinheit (10), die am Kopf (K) anordenbar ist, und -ein Gewichtssystem (20), das an der Basiseinheit (10) angeordnet ist, wobei das Gewichtssystem (20) einen Körper (21) aufweist, derrelativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar ist. Der Körper kann hierbei in Abhängigkeit eines Drehwinkels(α) des Kopfes oder der Basiseinheit verlagerbar sein. Bereit gestellt wird ferner ein entsprechend ausgestaltetes Verfahren, um von am menschlichen Kopf(K) wirkenden Beschleunigungskräften (g) zu simulieren, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Simulation von Beschleunigungskräften
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation von am menschlichen Kopf wirkenden Beschleunigungskräften sowie ein Verfahren zur Simulation solcher Be- schleunigungskräfte .
Hintergrund der Erfindung Als Beschleunigungskräfte - auch als g-Kräfte bezeichnet - werden Belastungen genannt, die aufgrund einer Änderung von Größe und/oder Richtung der Geschwindigkeit auf den menschlichen Körper (oder einen anderen Gegenstand) einwirken. Die auf den Kopf wirkende Beschleunigungskraft ist also jene Kraft, die aufgrund der Trägheit des Kopfes entgegen der Beschleunigungsrichtung des Kopfes wirkt.
Hohe Beschleunigungskräfte bzw. g-Kräfte treten beispielsweise bei Fahrten mit einer Achterbahn auf. Ferner treten auch bei einem Beschleunigungsvorgang, bei einem Bremsvorgang oder bei einer Kurvenfahrt mit einem Fahrzeug Beschleunigungskräfte bzw. g-Kräfte auf, die auf den menschlichen Körper einwirken und die abhängig von der Änderungsrate der Beschleunigung sehr groß sein können. Sehr großen g-Kräften sind beispielsweise Rennfahrer, etwa Fl -Rennfahrer ausgesetzt.
Wünschenswert ist es, im Bereich der Computerspiele, etwa bei Rennsimulationen auch die auf den menschlichen Körper bzw. auf den Kopf wirkenden g-Kräfte zu simulieren, um dem Spieler ein noch realistischeres Fahrerlebnis zu vermitteln. Ferner ist es wünschenswert, eine realistische Simulation von auf den Körper bzw. auf den Kopf wirkenden Beschleunigungskräften auch für„echte" Rennsimulatoren bereitzustellen, in denen professionelle Rennfahrer aber auch Nicht-Rennfahrer ein Rennen auf einer bestimmten Rennstrecke simulieren können.
Aus dem Stand der Technik sind Einrichtungen zur Simulation von auf den menschlichen Kopf wirkenden Beschleunigungskräften bekannt. Eine solche aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Helm 10, an dem mindestens ein, vorzugsweise mindestens vier Zugelemente oder hydraulische Elemente 1 1 angeordnet sind. Die Zugelemente bzw. hydraulischen Elemente 11 sind einerseits mit dem Helm 10 und andererseits mit einem ortsfesten Gestell verbunden. Mittels der Zugelemente bzw. hydraulischen Elemente 11 kann der Helm 10 und damit der Kopf zweidimensional in eine beliebige Richtung bewegt werden, wodurch das Einwirken einer Beschleunigungskraft auf dem Kopf simuliert werden soll.
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung hat allerdings den Nachteil, dass sie relativ große Abmessungen, beispielsweise eine Breite und eine Tiefe von etwa 150 cm, aufweist. Für den Hausgebrauch ist daher diese Vorrichtung nicht praktikabel und wird deshalb nahezu ausschließlich von professionellen Rennfahrern zu Trainingszwecken verwendet.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass durch die an dem Helm 10 angeordneten Zugelemente bzw. hydraulischen Elemente 11 die natürliche Bewegungsfreiheit des Kopfes stark eingeschränkt ist. Ein Drehen des Kopfes ist meist nur unter großem Kraftaufwand möglich. Die eingeschränkte Bewegungsfreiheit des Kopfes wirkt sich nachteilig auf die Simulation aus, die möglichst realistisch sein soll. Ferner kann auch das Sichtfeld eingeschränkt sein. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften, die auf den menschlichen Körper bzw. auf den menschlichen Kopf wirken, bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet und die einerseits platzsparend ist, um auch im Heimgebrauch verwendet werden zu können, und die andererseits die natürliche Bewegungsfreiheit des Kopfes und das Sichtfeld nicht einschränkt und bei Bedarf auch für ein Training der Hals und Nackenmuskulatur verwendet werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Simulation von am menschlichen Kopf wirkenden Beschleunigungskräften sowie ein Verfahren zur Simulation dieser Beschleunigungskräfte nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Vorrichtung zur Simulation von am menschlichen Kopf wirkenden Beschleunigungskräften, wobei die Vorrichtung aufweist
- eine Basiseinheit, die am Kopf anordenbar ist, und
- ein Gewichtssystem, das an der Basiseinheit angeordnet ist,
wobei das Gewichtssystem einen Körper aufweist, der relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist.
Die Vorrichtung kann ferner eine Sensoreinrichtung aufweisen, die angepasst ist einen Drehwinkel des Kopfes oder der Basiseinheit relativ zu einer Normalposition des Kopfes oder der Basiseinheit zu detektieren, wobei der Körper des Gewichtssystems in Abhängigkeit des Drehwinkels (a) relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist. "Normalposition" bedeutet, dass der Kopf bzw. die Basiseinheit bezogen auf den menschlichen Körper nach vorne hin ausgerichtet ist und der Drehwinkel des Kopfes oder der Basiseinheit relativ zu dieser Normalposition 0° beträgt. Wird der Kopf und damit die Basiseinheit nach links oder nach rechts gedreht, d.h., um die Hochachse HA gedreht (siehe Fig. 2), ändert sich der Drehwinkel des Kopfes bzw. der Basiseinheit relativ zu dieser Normalposition, d.h. der Drehwinkel ist größer oder kleiner 0°.
Durch die Verlagerung des Körpers relativ zur Basiseinheit erfolgt eine Gewichtsverlagerung des Körpers relativ zur Basiseinheit, die beim Träger der Basiseinheit ein Gefühl von auf den Kopf wirkenden Beschleunigungskräften hervorruft, je nachdem in welche Richtung der Körper verlagert wird. Wird beispielsweise der Körper in den vorderen Bereich der Basiseinheit hin verlagert, wird eine negative Beschleunigung simuliert, die beispielsweise bei einem Bremsvorgang in einem Fahrzeug entsteht. Demzufolge wirkt auf den Kopf eine nach vorn gerichtete g- Kraft, die den Kopf nach vorne drückt bzw. nach vorne bewegt.
Weil der Körper des Gewichtssystems in Abhängigkeit des Drehwinkels des Kopfes oder der Basiseinheit relativ zu einer Normalposition des Kopfes oder der Basiseinheit relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist, kann sichergestellt werden, dass die zu simulierende Beschleunigung auch bei einem gedrehten Kopf in die korrekte Richtung wirkt.
Ein Körper des Gewichtssystems umfasst im Sinne der Erfindung
- ein einteilig ausgestaltetes Gewichtselement mit einer vorbestimmten, oder - ein mehrteilig ausgestaltetes Gewichtselement, das aus mehreren miteinander verbundenen Teilelementen besteht, wobei jedes Teilelement eine andere Masse aufweisen kann, oder
- ein mehrteilig ausgestaltetes Gewichtselement, das aus mehreren nicht miteinan- der verbundenen Teilelementen besteht, wobei jedes Teilelement eine andere
Masse aufweisen kann.
Ein Körper im Sinne der Erfindung kann also z.B. eine einzelne Metallkugel sein. Ebenfalls kann ein Körper im Sinne der Erfindung aus mehreren Metallkugeln be- stehen, die miteinander verbunden und somit einen komplexen Körper bilden oder nicht miteinander verbunden sind.
Unabhängig davon, ob ein Körper durch ein einzelnes Gewichtselement oder durch mehrere miteinander verbundene oder nicht miteinander verbundene Teilelemente besteht, weist der Körper als Ganzes einen Massenmittelpunkt. Bei Körpern, die aus mehreren Teilelementen bestehen, kann durch Veränderung der Lage der Teilelemente relativ zueinander der Massenmittelpunkt des Körpers als Ganzes verändert werden. Vorteilhaft ist es, wenn das Gewichtssystem zumindest eine Antriebseinheit aufweist, die mit dem Körper gekoppelt ist und die angepasst ist, den Körper, insbesondere den Massenmittelpunkt des Körpers zu verlagern. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn diese Verlagerung in Abhängigkeit des Drehwinkels relativ zur Basiseinheit erfolgt.
Vorteilhaft ist es, wenn die zumindest eine Antriebseinheit angepasst ist, den Massenmittelpunkt des Körpers mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung relativ zur Basiseinheit zu verlagern. Als Antriebseinheit können beispielsweise ein oder mehrere Servomotoren vorgesehen sein, die auch unterschiedliche Beschleunigungen des relativ zur Basiseinheit zu verlagernden Körpers ermöglichen, sodass unterschiedlich starke Beschleunigungskräfte bzw. g-Kräfte simuliert werden können.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Gewichtssystem, d.h. das Gewichts- System als Ganzes, in Abhängigkeit des Drehwinkels relativ zur Basiseinheit drehbar sein. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Körper des Gewichtssystems nur innerhalb bestimmter Grenzen relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist, der von der Sensoreinrichtung detektierte Drehwinkel aber eine Verlagerung des Körpers über diese Grenzen hinaus erforderlich macht, damit die zu simulierende Beschleuni- gung auch bei einem gedrehten Kopf in die korrekte Richtung wirkt.
Die Basiseinheit kann als Helm, Mütze, Kappe oder sonstige Kopfbedeckung oder als ein an der Kopfoberfläche anliegendes Gestell ausgestaltet sein. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper ein erstes Gewicht und ein zweites Gewicht aufweisen, wobei das erste Gewicht und das zweite Gewicht unabhängig voneinander relativ zur Basiseinheit verlagerbar sind. Damit kann eine Verlagerung des Massenmittelpunktes des Körpers in jede Richtung relativ zur Basiseinheit realisiert und damit eine Beschleunigungskraft in jede Richtung simuliert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können das erste und das zweite Gewicht jeweils als Bügel, vorzugsweise als gebogener Bügel ausgestaltet sein, wobei die Bügel beabstandet zur Basiseinheit außerhalb der Basiseinheit verlaufen, wobei die Bügel jeweils um eine Drehachse relativ zur Basiseinheit bewegbar bzw. schwenkbar sind, wobei die Drehachsen jeweils durch die Bügelenden verlaufen und wobei die Drehachse des ersten Bügels parallel zur Querachse der Basiseinheit und die Drehachse des zweiten Bügels parallel zur Längsachse der Basiseinheit verlaufen. Die Bügel sind hierbei so angeordnet und ausgestaltet, dass sie sich während einer Schwenkbewegung nicht gegenseitig berühren. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper zusätzlich ein drittes Gewicht und ein viertes Gewicht aufweisen, wobei die vier Gewichte, vorzugsweise unabhängig voneinander, relativ zur Basiseinheit bewegbar bzw. verlagerbar sind.
Jedes der vier Gewichte ist um eine im Wesentlichen senkrecht zur Basiseinheit stehenden Drehachse relativ zur Basiseinheit bewegbar bzw. drehbar, wobei
- in einer Neutralstellung das erste Gewichte links von der Drehachse und das zweite Gewicht rechts von der Drehachse angeordnet sind und das erste und zweite Gewicht um die Drehachse gleichzeitig nach vorne oder nach hinten bewegbar sind, und
- in einer Neutralstellung das dritte Gewichte vor der Drehachse und das vierte Gewicht hinter der Drehachse angeordnet sind und das dritte und vierte Gewicht um die Drehachse gleichzeitig nach links oder nach rechts bewegbar sind.
Die vier Gewichte können jeweils die Form eines sphärischen Dreiecks aufweisen, wobei jeweils ein Eckpunkt der sphärischen Dreiecke die Drehachse bildet. Alternativ können die vier Gewichte jeweils auch die Form eines "Hammers" oder der- gleichen aufweisen.
Alternativ können die vier Gewichte jeweils eine quader- oder zylinderförmige Form aufweisen, wobei das erste und zweite Gewicht entlang einer ersten Schiene und das dritte und vierte Gewicht entlang einer zweiten Schiene bewegbar sind. Alternativ können die vier Gewichte auch entlang einer Rinne oder entlang eines Kabels bewegbar sein.
Die Form der vier Gewichte kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, solange gewährleistet ist, dass sich die vier Gewichte gemäß der Erfindung relativ zu der Basiseinheit verlagern lassen. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper die Form einer Haube aufweisen, dessen innere Mantelfläche bei einer Neutralstellung der Haube in radialer Richtung einen vorbestimmten Abstand zur Basiseinheit aufweist und innerhalb dieses Abstandes in radialer Richtung relativ zur Basiseinheit bewegbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper ein mit einem Fluid gefülltes flexibles Kissen aufweisen, das derart ausgestaltet ist, dass eine Krafteinwirkung auf die Wandung des Kissens eine Verformung des Kissens und damit eine Verlagerung des Massenmittelpunktes des Kissens relativ zur Basiseinheit bewirkt. Die Krafteinwirkung auf die Wandung des Kissens kann mit der Antriebseinheit bewirkt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle und eine mit der Schnittstelle gekoppelte Steuerein- heit aufweist, wobei die Steuereinheit angepasst ist, über die Schnittstelle Steuerbefehle zu empfangen und gemäß der empfangenen Steuerbefehle die Antriebseinheit zu steuern. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise mit einem Computerspiel gekoppelt werden, wobei das Computerspiel die Steuerbefehle an die Vorrichtung überträgt. Bei einem Rennspiel können so Steuerbefehle an die Vorrichtung übertragen werden, die die Steuereinheit anweisen eine vorbestimmte Verlagerung des Massenmittelpunktes des Körpers zu veranlassen. Die Steuerbefehle können aber auch von einem an das Computerspiel angeschlossenes Gerät bereitgestellt werden, etwa von einem Lenkrad, einem Gaspedal oder einem Bremspedal.
Des Weiteren wird ein Gewichtssystem bereitgestellt, das einen Körper und eine Antriebseinheit aufweist, wobei der Körper von der Antriebseinheit bewegbar ist. Vorzugsweise ist das Gewichtssystem, vorzugsweise lösbar an einer Basiseinheit anordenbar. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der Körper, insbesondere der Massenmittelpunkt des Körpers, in Abhängigkeit eines Drehwinkels der Basiseinheit relativ zu einer Normalposition der Basiseinheit relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist. Bereitgestellt wird ferner ein Verfahren zur Simulation von am menschlichen Körper wirkenden Beschleunigungskräften, wobei der Körper, insbesondere der Massenmittelpunkt des Körpers, eines Gewichtssystems, das an einer Basiseinheit, die am Kopf anordenbar ist, angeordnet ist, relativ zur Basiseinheit verlagert wird. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn das Verlagern des Gewichtssystems in Abhängigkeit eines Drehwinkels der Basiseinheit oder des Kopfes relativ zu einer Normalposition der Basiseinheit oder des Kopfes erfolgt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verlagerung des Massenmittelpunktes des Körpers re- lativ zur Basiseinheit mit einer Antriebseinheit erfolgt, die mit dem Körper gekoppelt ist, wobei mit der Antriebseinheit ein oder mehrere Gewichte des Körpers relativ zur Basiseinheit, vorzugsweise um eine oder mehrere Drehachsen bewegt werden. Bei dem Verfahren ist es vorteilhaft, wenn in Abhängigkeit des Drehwinkels das Gewichtssystem relativ zur Basiseinheit gedreht wird, vorzugsweise um eine Hochachse des Kopfes bzw. der Basiseinheit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie einerseits sehr platz- sparend ist und als gesamte Einheit am Kopf angeordnet werden kann bzw. auf den Kopf aufgesetzt werden kann und andererseits die natürliche Bewegungsfreiheit des Kopfes nahezu gar nicht negativ beeinflusst.
Kurzbeschreibung der Figuren Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt: Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften;
Fig. 2 eine als Helm ausgestaltete Basiseinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht und in einer Ansicht von oben;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Vorrichtung einmal in ei- ner Neutralstellung und einmal in einer Stellung, bei der der Massenmittelpunkt relativ zur Basiseinheit verschoben ist, gezeigt sind;
Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei an der Basiseinheit angeordneten Bügel;
Fig. 5 eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung mit einer an der Basiseinheit angeordneten Haube;
Fig. 6 eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier an der Basiseinheit angeordneten Gewichten, die als sphärische Dreiecke ausgestaltet sind;
Fig. 7 eine alternative Ausgestaltung der in Fig. 6 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 8 eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei an der Basiseinheit vier Gewichtskörper angeordnet sind, die paarweise entlang einer Schiene bewegbar sind; und
Fig. 9 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdeutli- chung der Funktionsweise, bei der der Drehwinkel des Kopfes bzw. der
Basiseinheit berücksichtigt wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Simulation von am menschlichen Kopf wirkenden Beschleunigungskräften bzw. g-Kräften besteht im Wesentlichen aus einer Basiseinheit, die am Kopf angeordnet werden kann, und aus einem Gewichtssys- tem, das auf oder an der Basiseinheit angeordnet ist. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Sensoreinrichtung, mit der ein Drehwinkel des Kopfes oder der Basiseinheit relativ zu einer Normalposition des Kopfes oder der Basiseinheit detektiert werden kann. Das Gewichtssystem weist hierbei einen Körper auf, der relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist, wobei durch die Verlagerung des Körpers eine Gewichtsverlagerung des Körpers relativ zur Basiseinheit erfolgt. Diese Gewichtsverlagerung erzeugt hierbei die Beschleunigungskräfte bzw. g-Rräfte, was dazu führt, dass der Kopf des Trägers der Vorrichtung in eine bestimmte Richtung - je nachdem in wel- che Richtung der Massenmittelpunkt relativ zur Basiseinheit verlagert wird - bewegt wird und damit der Kopf einer Beschleunigung in diese Richtung ausgesetzt wird. Vorteilhaft ist es, wenn durch die Verlagerung des Körpers der Massenmittelpunkt des Körpers relativ zur Basiseinheit verlagert wird. Damit werden g-Rräfte simuliert, die beispielsweise bei einer Kurvenfahrt auftreten.
Damit auch bei einem gedrehten Kopf die simulierten g-Rräfte in die korrekte Richtung wirken, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verlagerung des Massenmittelpunktes des Rörpers relativ zur Basiseinheit in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Ropfes erfolgt, wobei der Drehwinkel von der Sensoreinrichtung ermit- telt bzw. detektiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann über eine Schnittstelle, die drahtgebunden oder drahtlos ausgestaltet sein kann, mit einem Computer oder mit einem Rennsimulator gekoppelt sein. Über diese Schnittstelle kann beispielsweise der Rennsi- mulator die erfindungsgemäße Vorrichtung steuern, d.h. die Vorrichtung mittels Steuerbefehle dazu veranlassen, den Massenmittelpunkt des Körpers in eine bestimmte Richtung und mit einer bestimmten Beschleunigung relativ zur Basiseinheit zu verlagern. Fährt der Fahrer in dem Rennsimulator beispielsweise in eine Rechtskurve kann der Rennsimulator die erfindungsgemäße Vorrichtung veranlas- sen, den Massenmittelpunkt des Körpers in den Bereich der linken Hemisphäre des Kopfes zu verlagern. Dadurch wird eine in Richtung zum Kurvenäußeren wirkende g-Rraft simuliert, die auf den Kopf des Fahrers wirkt.
Wird das Fahrzeug in dem Rennsimulator beispielsweise beschleunigt, kann der Massenmittelpunkt des Körpers in den Bereich der hinteren Hemisphäre des Kopfes verlagert werden, sodass der Kopf nach hinten bewegt wird. Umgekehrt kann bei einem Bremsvorgang in dem Rennsimulator der Massenmittelpunkt des Körpers in den Bereich der vorderen Hemisphäre des Kopfes verlagert werden, sodass der Kopf nach vorne bewegt wird.
Über die zuvor genannte Schnittstelle können der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Daten zugeführt werden, die eine Information über den Drehwinkel des Kopfes oder der Basiseinheit umfassen. Diese Information können dann bei der Verlagerung des Massenmittelpunktes des Körpers berücksichtigt werden. Fährt der Fah- rer in dem Rennsimulator beispielsweise in eine Rechtskurve und dreht der Fahrer hierbei den Kopf nach links kann die erfindungsgemäße Vorrichtung veranlasst werden, den Massenmittelpunkt des Körpers so relativ zur Basiseinheit zu verlagern, dass eine in Richtung zum Kurvenäußeren wirkende g-Rraft simuliert wird. Ohne Berücksichtigung des Drehwinkels würde bei einem gedrehten Kopf zwar auch eine g-Rraft simuliert werden, der Kraftvektor würde aber in die falsche Richtung zeigen.
Die Information über den Drehwinkel kann von der vorstehend genannten Sensoreinrichtung bereitgestellt werden. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie von außen berührungslos die Drehbewegungen des Rop- fes bzw. der Basiseinheit detektieren kann, etwa anhand von an der Basiseinheit angeordneten Markern. Grundsätzlich eignet sich als Sensoreinrichtung jede Art von Sensorsystem, mit dem eine Drehbewegung des Kopfes oder der Basiseinheit detektiert werden kann. Die Sensoreinrichtung kann auch an der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Information über den Drehwinkel auch von einer sogenannten VR-Brille (Virtual- Reality Brille) bereitgestellt werden, wobei in diesem Fall die VR-Brille selbst die Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nicht nur für Computerspiele bzw. Rennsimulatoren eingesetzt bzw. verwendet werden, um darin auf den menschlichen Kopf wirkende Beschleunigungskräfte zu simulieren. Verwendet werden kann die Vorrichtung beispielsweise auch in Panzersimulatoren oder Flugsimulatoren im militärischen Bereich oder in sogenannten virtuellen Umgebungen.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im medizinischen oder therapeutischen Bereich angewandt werden. Beispielsweise kann hier ein gezieltes Training der Nacken- und/oder Halsmuskulatur des Trägers durchgeführt werden. Durch die Verlagerung des Massenmittelpunktes des Körpers relativ zur Basiseinheit wird der Kopf in eine bestimmte Richtung gezwungen, wobei der Träger dieser Bewegung entgegenwirken kann und damit die Nacken- und Halsmuskulatur stärkt.
Ferner kann die Vorrichtung auch als eine Art„Sehhilfe" für Blinde und/oder stark sehbehinderte Menschen verwendet werden. In einer Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung den Träger beispielsweise durch den Straßenverkehr führen. In Kombination mit einem System, das die Umgebung aufnimmt und interpretiert und/oder in Kombination mit einem System zur Ermittlung der aktuellen Position (GPS) kann dem Träger durch die Gewichtsverlagerung des Körpers relativ zur Basiseinheit mitgeteilt werden, in welche Richtung er sich zu bewegen hat, oder der Träger kann beispielsweise vor Hindernissen gewarnt werden. Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt das Prinzip der Gewichtsverlagerung zugrunde, indem der Massenmittelpunkt eines Körpers relativ zu einer Basiseinheit verlagert wird. Im Folgenden werden mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben, wobei diese lediglich beispielhaft sind. Die Erfindung umfasst demnach nicht nur die nachfolgend gezeigten Ausgestaltungen der Vorrichtung, sondern sämtliche Vorrichtungen mit einer Basiseinheit, auf der ein Körper angeordnet ist, dessen Massenmittelpunkt in Abhängigkeit des Drehwinkels des Kopfes bzw. der Basiseinheit relativ zur Basiseinheit verlagerbar ist. Mit Bezug auf Fig. 3 bis Fig. 8 wird die Funktionsweise der Gewichtsverlagerung bzw. der Verlagerung des Massenmittelpunktes anhand unterschiedlich ausgestalteter erfindungsgemäßer Vorrichtungen erläutert. Mit Bezug auf Fig. 9 wird die Funktionsweise unter Berücksichtigung des Drehwinkels erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Basiseinheit 10 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften, wobei die Basiseinheit 10 hier als Helm bzw. als helmartige Haube ausgestaltet ist. In Abbildung (a) ist eine Seitenansicht der Basiseinheit 10 und in Abbildung (b) ist eine Draufsicht des Helmes 10 gezeigt.
Angegeben sind in Fig. 2 die drei Achsen des Helmes 10, d.h. die Längsachse LA, die Querachse QA und die Hochachse bzw. senkrechte Achse HA. Ferner sind in Fig. 2 die vier Richtungen vorne, hinten, links und rechts gezeigt. Sofern in der nachfolgenden Beschreibung auf die Achsen der Basiseinheit und/oder auf die Aus- richtung der Basiseinheit Bezug genommen wird, sind die in Fig. 2 gezeigten Achsen bzw. Ausrichtungen gemeint.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Simulation von Beschleunigungskräften. Auf bzw. an der Basiseinheit bzw. Helm 10 ist ein Gewichtssystem 20 angeordnet. Das Gewichtssystem besteht aus einem Körper 21 und aus einer Antriebseinheit 22, wobei der Körper 21 hier als ein mit einem Fluid gefülltes Kissen ausgestaltet ist. Die Antriebseinheit 22 ist hier als Platte ausgebildet, die auf dem Kissen 21 aufliegt. Anstelle der Platte kann auch eine teller- oder schüsseiförmige Antriebseinheit 22 vorgesehen sein.
In Abbildung (a) ist das Gewichtssystem 20 in einer Neutralstellung gezeigt, bei der die Platte im Wesentlichen waagrecht auf dem Kissen 21 aufliegt, wobei das Kissen 21 über die gesamte Fläche der Platte 22 im Wesentlichen gleichmäßig belastet wird. Das Kissen selbst ist als flexibles Kissen ausgestaltet. Der Massenmittelpunkt M des Kissens 21 in Abbildung (a) befindet sich in etwa kopfmittig oberhalb des Kopfes K. Die Platte 22 ist so an dem Helm 10 angeordnet, dass sie vorteilhafterweise in jede Richtung geneigt werden kann.
Eine nach vorne geneigte Platte ist in Abbildung (b) gezeigt. Das Neigen der Platte 22 nach vorne bewirkt, dass der vordere Bereich des Kissens 21 mit einer Kraft beaufschlagt wird, während der hintere Bereich des Kissens 21 entlastet wird. Dadurch wird das in dem Kissen 21 aufgenommene Fluid in den hinteren Bereich des Kissens 21 verdrängt, sodass sich auch der Massenmittelpunkt M des Kissens in den Bereich der hinteren Hemisphäre des Kopfes verlagert. Die durch diese Verlagerung des Massemittelpunktes M bzw. die durch diese Gewichtsverlagerung her- vorgerufene Beschleunigungskraft bzw. g-Rraft ist durch den Pfeil g gekennzeichnet. Die Größe der g-Kraft hängt von der Beschleunigung bzw. von der Geschwindigkeit ab, mit der die Gewichtsverlagerung bzw. die Verlagerung des Massenmittelpunktes relativ zum Helm 10 vorgenommen wird. Eine schnelle Gewichtsverlagerung hat demzufolge eine höhere g-Kraft zur Folge. Fig. 4 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften.
Die Vorrichtung 1 besteht hier aus einer als Helm ausgestalteten Basiseinheit 10 und einem daran angeordneten Gewichtssystem, wobei der Körper 21 des Gewichtssystems aus einem ersten Gewicht 21a und aus einem zweiten Gewicht 21b besteht. Die beiden Gewichte 21a, 21b sind hier als gebogene Bügel ausgestaltet, wobei die Bügel beabstandet zum Helm 10 und außerhalb des Helmes 10 verlaufen. Beide Bügel 21a, 21b sind jeweils um eine Drehachse DAl und DA2 bewegbar bzw. schwenkbar. Die gedachte Drehachse DAl des ersten Bügels 21a verläuft hierbei quer durch den Helm 10 und die gedachte Drehachse DA2 des zweiten Bügels 21b verläuft im Wesentlichen senkrecht zur ersten Drehachse DAl . Demgemäß sind die beiden Bügel 21a, 21b so an dem Helm angeordnet, dass der erste Bügel 21a nach vorne und nach hinten und der zweite Bügel 21b nach links und nach rechts geschwenkt werden können.
An den Bügelenden, durch die auch die Drehachsen DAl, DA2 verlaufen, kann jeweils eine Antriebseinheit 22 angeordnet sein, mit der die Drehbewegung des jeweiligen Bügels bewerkstelligt wird. Die Antriebseinheit 22 ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass die Drehbewegung des Bügels mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bzw. mit einer vorbestimmten Beschleunigung durchgeführt werden kann.
In den Abbildungen (a) und (b) ist die Vorrichtung 1 in einer Neutralstellung ge- zeigt.
In den Abbildungen (c) und (d) ist der erste, querverlaufende Bügel 21a nach vorne geschwenkt. Das Drehen bzw. Schwenken des Bügels 21a nach vorne bewirkt eine Gewichtsverlagerung in den Bereich der vorderen Hemisphäre des Kopfes bzw. eine Verlagerung des Massenmittelpunktes M der beiden Bügel in diesen Bereich. Während der Bewegung des Bügels 21a nach vorne wirkt auf den Kopf eine nach vorne wirkende Beschleunigungskraft g, dessen Größe von der Geschwindigkeit bzw. von der Beschleunigung der Drehbewegung des ersten Bügels 21a abhängt. Durch diese Drehbewegung des Bügels 21a nach vorne kann eine negative Beschleunigungskraft simuliert werden, die beispielsweise beim Bremsen in einem Fahrzeug auf den Kopf wirkt.
Entsprechend kann der erste Bügel 21a nach hinten geschwenkt werden, um so eine auf den Kopf wirkende Beschleunigungskraft zu simulieren, die entsteht, wenn beispielsweise ein Fahrzeug beschleunigt wird.
In entsprechender Weise kann auch der zweite Bügel 21b nach links oder nach rechts geschwenkt werden, um entsprechende nach links bzw. nach rechts wirkende Beschleunigungskräfte bzw. g-Kräfte zu simulieren. Ferner können auch beide Bügel 21a, 21b gleichzeitig in eine bestimmte Richtung geschwenkt werden. Damit kann beispielsweise eine Beschleunigungskraft simuliert werden, die auf den Kopf wirkt, wenn in einer Kurve ein Beschleunigungsvorgang durchgeführt wird. Wird beispielsweise ein Beschleunigungsvorgang in einer Linkskurve durchgeführt, wird der erste Bügel 21a nach hinten und der zweite Bü- gel 21b gleichzeitig nach rechts geschwenkt. Nach dem Schwenkvorgang der beiden Bügel befindet sich der Massenmittelpunkt der beiden Bügel dann im rechten Abschnitt der hinteren Hemisphäre des Kopfes.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht hier aus einer Basiseinheit 10, die durch eine Art Gestell gebildet wird und auf der Kopfoberfläche des Kopfes K aufliegt. Der Körper des Gewichtssystems wird hier durch eine Haube 21 gebildet, dessen innere Mantelfläche bei einer Neutralstellung der Haube (wie in Abbildung (a) und (b) gezeigt) in radialer Richtung einen vorbestimmten Abstand zur Basiseinheit 10 aufweist. Über eine Antriebseinheit 22 ist die Haube 21 mit der Basiseinheit 10 gekoppelt. Die Antriebseinheit 22 ist hier so ausgestaltet, dass die Haube 21 in radialer Richtung relativ zur Basiseinheit 10 bewegt werden kann. Vorteilhafterweise ist die Antriebseinheit 22 so ausgestaltet, dass die Bewegung der Haube 21 relativ zur Basiseinheit 10 in jede beliebige Richtung durchgeführt werden kann.
In den Abbildungen (c) und (d) ist die Vorrichtung gezeigt, bei der die Haube 21 relativ zur Basiseinheit 10 radial nach hinten verlagert ist. Die während des Verlagerungsvorgangs aus der Neutralstellung in die in Abbildung (c) gezeigte Stellung auf den Kopf K wirkende Beschleunigungskraft ist durch den Pfeil g angegeben.
Fig. 6 zeigt eine noch weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften.
An der als Helm ausgestalteten Basiseinheit 10 sind vier Gewichte angeordnet, die hier als sphärische Dreiecke 21a bis 21d ausgestaltet sind und deren Krümmung bzw. Wölbung im Wesentlichen der Wölbung der Helmoberseite entspricht. Die Dreiecke 21a bis 21d sind um eine senkrechte Drehachse DA, die senkrecht durch den Helmmittelpunkt verläuft, drehbar bzw. schwenkbar. Anstelle der sphärischen Dreiecke 21 a bis 21 d können auch andere Formen gewählt werden. Sphärischen Dreiecke 21a bis 21d oder andere sphärische Formen haben allerdings hinsichtlich der Integration in einen Helm den Vorteil, dass sie im wesentlichen an die Form des Helmes angepasst sind und so der Platzbedarf minimiert werden kann.
In einer Neutralstellung, wie in Abbildung (a) und (b) gezeigt, sind zwei Dreiecke 21a und 21b zur linken Seite bzw. zur rechten Seite des Helmes 10 hin ausgerichtet. Die beiden anderen Dreiecke 21c und 21d sind zur vorderen bzw. zur hinteren Seite des Helms hin ausgerichtet. Über im Bereich der Drehachse DA angeordnete An- triebseinheiten 22 sind die Dreiecke 21a und 21b nach vorne und nach hinten und die Dreiecke 21c und 21d nach links und nach rechts dreh- bzw. verschwenkbar. Jedem der Dreiecke kann eine eigene Antriebseinheit zugeordnet sein. Die Antriebseinheiten 22 können so ausgestaltet sein, dass jedes der Dreiecke 21a bis 21d unabhängig voneinander bewegt werden kann.
Vorteilhaft ist es allerdings, wenn die beiden nach links und nach rechts ausgerichteten Dreiecke 21a und 21b und die beiden nach vorne und nach hinten ausgerichteten Dreiecke 21c und 2 ld jeweils gleichzeitig mit der gleichen Geschwindigkeit und mit der gleichen Beschleunigung nach vorne oder nach hinten bzw. nach links oder nach rechts bewegt werden. Damit wird das auf den Kopf des Trägers wirkende Drehmoment beim Bewegen der Dreiecke minimiert. Um das gleichzeitige Bewegen der beiden nach links und nach rechts ausgerichteten Dreiecke 21a, 21b und der beiden nach vorne und nach hinten ausgerichteten Dreiecke 21c, 21d zu gewährleisten, kann beispielsweise für die Dreiecke 21a und 21b eine erste An- triebseinheit und für die Dreiecke 21c und 21d eine zweite Antriebseinheit vorgesehen sein, wobei die jeweilige Antriebseinheit die jeweiligen Dreiecke in die gleiche Richtung und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung bewegt. Als Antriebseinheiten können beispielsweise Servomotoren vorgesehen sein, wobei die jeweils anzutreibenden Dreiecke über Zahnräder miteinander gekoppelt sein können. Die Verwendung von Servomotoren hat den Vorteil, dass die Dreiecke mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung in eine bestimmte Winkelposition relativ zur Neutralstellung bewegt werden können.
In einer konkreten Ausführung kann beispielsweise ein erster Servomotor vorgese- hen sein, mit dem das linke und das rechte Dreieck 21a, 21b gleichzeitig, mit der gleichen Geschwindigkeit und mit der gleichen Beschleunigung nach vorne und nach hinten bewegt werden.
Abbildung (c) zeigt die Vorrichtung, bei der sich die beiden nach vorne und nach hinten ausgerichteten Dreiecke 21c und 21d in einer Neutralstellung befinden und bei der die beiden sich in der Neutralstellung nach links und nach rechts ausgerichteten Dreiecke 21a und 21b nach hinten geschwenkt wurden. Der Massenmittelpunkt der vier Dreiecke befindet sich demnach mittig im Bereich der hinteren Hemisphäre des Kopfes. Die Bewegung der beiden Dreiecke 21a und 21b nach hinten bewirkt eine nach hinten wirkende Beschleunigungskraft g, die beispielsweise bei einem Beschleunigungs Vorgang eines Fahrzeuges auftritt.
In Abbildung (d) sind die in der Neutralstellung nach links und nach rechts ausgerichteten Dreiecke 21a und 21b nach hinten geschwenkt worden. Die beiden in der Neutralstellung nach vorne und nach hinten ausgerichteten Dreiecke 21c und 21 d sind nach rechts geschwenkt worden. Der Massenmittelpunkt der vier Dreiecke 21a bis 21d befindet sich demnach im Bereich des rechten Abschnittes der hinteren Hemisphäre des Kopfes. Die Bewegung der vier Dreiecke aus der Neutralstellung in die in Abbildung (d) gezeigte Stellung bewirkt eine auf den Kopf wirkende Be- schleunigungskraft g, die beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang in einer Linkskurve auf den Kopf wirkt.
Die Dreiecke 21a bis 21d können so ausgestaltet sein, dass sich der Großteil der Masse der Dreiecke jeweils in dem Bereich befindet, der am weitesten von der Drehachse DA entfernt ist. In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Dreiecke jeweils ein Gewicht von zwischen 100 und 500g, vorzugsweise zwischen 150 und 300g, aufweisen.
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung. Im Unterschied zu der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung sind hier die Dreiecke 21a bis 21d nicht auf einem Helm, sondern auf einem an der Kopfoberfläche anliegenden Gestell angeordnet. Die Funktionsweise ist identisch zu der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Funktionsweise. Fig. 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften. An der Basiseinheit bzw. an dem Helm 10 sind vier Gewichte 21a bis 21d angeordnet, die hier eine quaderförmige Grundform aufweisen. In der Neutralstellung, wie in Abbildung (a) und (b) gezeigt, sind jeweils zwei Gewichte 21a, 21b links und rechts am Helm 10 und jeweils zwei Gewichte 21c, 21d vorne und hinten am Helm 10 angeordnet. Das linke und das rechte Gewicht 21a, 21b sind hierbei nach vorne und nach hinten entlang einer ersten Schiene 23a bewegbar. Das vordere und das hintere Gewicht 21c und 21d sind entlang einer zweiten Schiene 23b nach links und nach rechts bewegbar.
Die Gewichte 21a bis 21d, wie auch die Dreiecke 21a bis 2 ld der in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Vorrichtung, sind aus ihrer Neutralstellung jeweils maximal 90° nach vorne und nach hinten bzw. 90° nach links und nach rechts bewegbar. Der jeweilige Drehwinkel kann auch größer als 90° sein, wenn sich Gewichte bzw. Dreiecke auf unterschiedlichen Bahnen bewegen und während eine Gewichtsverlagerung nicht aneinander stoßen.
Für das Bewegen der Körper 21a bis 21d auf den Schienen 23a bzw. 23b können jeweils an sich bekannte Antriebseinheiten vorgesehen sein.
Die Abbildungen (c) und (d) zeigen die Vorrichtung, bei der die in der Neutralstellung nach links und nach rechts ausgerichteten Gewichte 21a und 21b nach hinten bewegt wurden, sodass sich der Massenmittelpunkt der Gewichte 21a bis 21d mittig im Bereich der hinteren Hemisphäre des Kopfes befindet. Das Bewegen der beiden linken und rechten Gewichte nach hinten bewirkt eine nach hinten wirkende Beschleunigungskraft g, die beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang eines Fahrzeuges auf den Kopf des Fahrers wirkt.
Fig. 9 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdeut- lichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Drehwinkel des Kopfes bzw. der Basiseinheit berücksichtigt wird. Die in Fig. 9 gezeigte erfindungsgemäß Vorrichtung weist eine Sensoreinrichtung S auf, mit der Drehwinkel α des Kopfes bzw. der Basiseinheit 10 relativ zu einer Normalposition des Kopfes bzw. der Basiseinheit detektiert wird. Eine solche Sen- soreinrichtung weisen auch die in Fig. 3 bis Fig. 8 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtungen auf.
In Abbildung (a) der Fig. 9 ist die in Fig. 8 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei der sich die Basiseinheit in einer Normalposition befindet, d.h. der Drehwinkel der Basiseinheit ist 0°.
In Abbildung (b) der Fig. 9 ist die Basiseinheit nach links gedreht, d.h. der Drehwinkel α der Basiseinheit relativ zur Basiseinheit in der Normalposition ist verschieden von 0°.
In Abbildung (a) sind die beiden linken und rechten Gewichte nach hinten verlagert worden, was eine nach hinten wirkende Beschleunigungskraft g bewirkt, die beispielsweise bei einem geradlinigen Beschleunigungsvorgang eines Fahrzeuges auf den Kopf des Fahrers wirkt, wenn der Fahrer nach vorne blickt bzw. wenn der Kopf des Fahrers nach vor hin ausgerichtet ist.
Soll allerdings eine geradlinige Beschleunigungskraft g simuliert werden, während der Fahrer den Kopf nach links dreht, wie in Abbildung (b) gezeigt, würden ohne Berücksichtigung des Drehwinkels α die vier Gewichte 21a, 21b, 21c und 21 d re- lativ zur Basiseinheit 10 die gleiche Position einnehmen, wie in Abbildung (a) gezeigt. Die Gewichte in dieser Position sind in Abbildung (b) gestrichelt wiedergegeben. Die Verlagerung der Gewichte in diese (gestrichelte) Position hat zur Folge, dass damit zwar eine Beschleunigungskraft simuliert wird, dessen Kraftvektor aber in die falsche Richtung zeigt (in Abbildung (b) durch den Pfeil g' angegeben). Wird hingegen beim Verlagern der Gewichte der Drehwinkel α der Basiseinheit 10 bzw. des Kopfes berücksichtigt, kann die Verlagerung der Gewichte um diesen Drehwinkel α korrigiert werden, sodass aufgrund der Verlagerung der Gewichte eine Beschleunigungskraft simuliert wird, dessen Kraftvektor in die korrekte Rich- tung zeigt (in Abbildung (b) durch den Pfeil g angegeben). Eine Simulation, beispielsweise eines Autorennens, kann so noch realistischer gestaltet werden.
Die Information über den Drehwinkel des Kopfes kann beispielsweise von einer VR-Brille zur Verfügung gestellt werden, die der Fahrer während der Fahrt am Kopf angelegt hat. Andere Sensoreinrichtungen können jedoch auch verwendet werden.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Gewichte entlang der beiden Schienen beliebig bewegbar, sodass auch bei ei- nem gedrehten Kopf bzw. bei einer gedrehten Basiseinheit 10 der Massenmittelpunkt der vier Gewichte in jede beliebige Richtung verschoben werden kann.
Können hingegen bei einem gedrehten Kopf bzw. bei einer gedrehten Basiseinheit die Körper bzw. die Gewichte des Gewichtssystems nicht oder nicht mehr so relativ zur Basiseinheit bewegt werden, dass die gewünschte Verlagerung des Massenmittpunktes erreicht wird, ist es vorgesehen, das an der Basiseinheit 10 angeordnete Gewichtssystem relativ zur Basiseinheit zu drehen, vorzugsweise um die in Fig. 2 gezeigte Hochachse HA. Damit kann ein Teil des Drehwinkels α bereits durch Drehen des Gewichtssystems relativ zur Basiseinheit korrigiert werden. Der Rest des Drehwinkels α wird dann durch die Verlagerung der Gewichte korrigiert, indem dieser Rest des Drehwinkels bei der Verlagerung der Gewichte relativ zur Basiseinheit berücksichtigt wird. Das bedeutet, dass das Gewichtssystem soweit relativ zur Basiseinheit gedreht wird, dass der Rest des Drehwinkels ausreicht, um die gewünschte Verlagerung des Massenmittpunktes zu erreichen. Beträgt beispielsweise der Drehwinkel , um den der Kopf beispielsweise nach links gedreht wird, 45° und kann durch die Verlagerung des Massenmittpunktes der Körper nur ein Drehwinkel von maximal 30° ausgeglichen werden, ist es vorteilhaft, das Gewichtssystems ebenfalls um 15° relativ zu Basiseinheit zu drehen.
Können beispielsweise bei der in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung der erfmdungsge- mäßen Vorrichtung die dort gezeigten Gewichte bzw. Körper 21a bis 21d jeweils nur um einen maximalen Winkel von 90° um die Achse der jeweiligen Antriebseinheit 22 gedreht werden, kann es bei bestimmten Drehwinkeln bzw. Drehwinkel- bereichen, um den der Kopf oder die Basiseinheit relativ zu einer Normalposition des Kopfes oder der Basiseinheit gedreht wurde, vorkommen, dass die erforderliche Position des Massenmittelpunktes relativ zur Basiseinheit für eine korrekte Simulation der Beschleunigungskraft nicht erreicht wird bzw. nicht eingenommen werden kann. Dies kann etwa dann der Fall sein, wenn einer der Körper 21a bis 21d um mehr als 90° um die Achse seiner Antriebseinheit 22 gedreht werden müsste. Um dies Auszugleichen wird das gesamte Gewichtssystem ebenfalls um einen bestimm- ten Winkel relativ zur Basiseinheit gedreht. Entsprechendes gilt auch für die in Fig. 7 gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die vorstehend genannten mit Bezug auf Fig. 3 bis Fig. 9 gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungs- kräften sind lediglich Beispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sämtliche Vorrichtungen, die auf dem erfindungsgemäßen Prinzip der Gewichtsverlagerung eines Körpers eines Gewichtssystems, das auf einer Basiseinheit angeordnet ist, relativ zur Basiseinheit basieren, sind von der vorliegenden Erfindung ebenfalls um- fasst, auch wenn sie in den vorstehenden Beispielen nicht erwähnt wurden. Bei- spielsweise können an einer Basiseinheit vier Kissen angeordnet sein, wobei sich zwei Kissen links und rechts an der Basiseinheit und zwei Kissen vorne und hinten an der Basiseinheit befinden und wobei die vier Kissen über Kanäle miteinander verbunden sind und wobei sich in den Kissen ein Fluid befindet, das mit Hilfe einer Pumpe als Antriebseinheit von einem Kissen in ein oder mehrere andere Kissen gepumpt werden kann, um so den Massenmittelpunkt der vier Kissen relativ zur Basiseinheit zu verlagern. Zudem können die Körper bzw. Gewichte des Gewichtssystems unterschiedliche Formen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafter Weise in einen herkömmli- chen Helm, etwa Motorrad- oder Rennsporthelm integriert werden. Anstelle der in dem Helm vorgesehenen Schaumstoffpolsterung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Helm angeordnet und vorzugswiese mit der Außenschale des Helmes verbunden. Das Gewichtssystem ist so in dem Zwischenraum zwischen der Basiseinheit und der Außenschale des Helmes angeordnet, sodass sich die Körper des Gewichtssystems in diesem Zwischenraum relativ zur Basiseinheit bewegen lassen. Äußerlich ist damit die erfindungsgemäße Vorrichtung nahezu nicht von einem herkömmlichen Motorrad- oder Rennsporthelm zu unterscheiden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Gewichtssystem so ausgestaltet ist, dass die Kör- per des Gewichtssystems ausgetauscht oder erweitert werden können. Dadurch können beispielsweise Körper mit verschiedenen Massen an der erfindungsgemäßen Vorrichtung angebracht werden. Für junge Computerspieler können etwa leichtere Körper angebracht werden, während für erwachsene Computerspieler schwererer Körper angebracht werden können.
Ferner ist es vorteilhaft, die Vorrichtung modular aufzubauen, wobei ein erstes Modul die Basiseinheit und ein zweites Modul das Gewichtssystem bilden. Das Gewichtssystem und die Basiseinheit sind vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass das Gewichtssystem lösbar an der Basiseinheit anordenbar ist.
Bezugszeichen:
1 Vorrichtung zur Simulation von Beschleunigungskräften
10 Basiseinheit (z.B. Helm)
11 Zugelemente oder hydraulische Elemente (Stand der Technik)
20 Gewichtssystem
21 Körper des Gewichtssystems 20, z.B. ein oder mehrere relativ zur Basiseinheit 10 verlagerbare bzw. bewegbare Gewichte
21a erstes Gewicht des Körpers 21
21b zweites Gewicht des Körpers 21
21c drittes Gewicht des Körpers 21
21d viertes Gewicht des Körpers 21
22 Antriebseinheit des Gewichtssystems 20
23a erste Schiene
23b zweite Schiene
DA Drehachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Basiseinheit 10 verläuft
DA1 erste Drehachse parallel zur Querachse der Basiseinheit 10
DA2 zweite Drehachse parallel zur Längsachse der Basiseinheit 10
g Beschleunigungskraft bzw. g-Kraft
K Kopf
M Massenmittelpunkt des Körpers 21
S Sensoreinrichtung
α Drehwinkel des Kopfes Achsen der Basiseinheit 10
HA Hochachse bzw. senkreche Achse der Basiseinheit 10
LA Längsachse der Basiseinheit 10
QA Querachse der Basiseinheit 10

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (1) zur Simulation von am menschlichen Kopf (K) wirkenden Beschleunigungskräften (g), wobei die Vorrichtung (1) aufweist
- eine Basiseinheit (10), die am Kopf (K) anordenbar ist, und
- ein Gewichtssystem (20), das an der Basiseinheit (10) angeordnet ist, wobei das Gewichtssystem (20) einen Körper (21) aufweist, der relativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Sensoreinrichtung (S) aufweist, die angepasst ist, einen Drehwinkel (a) des Kopfes (K) oder der Basiseinheit (10) relativ zu einer Normalposition des Kopfes oder der Basiseinheit zu detektieren und wobei der Körper (21) in Abhängigkeit des Drehwinkels (a) relativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gewichtssystem (20) zumindest eine Antriebseinheit (22) aufweist, die mit dem Körper (21) gekoppelt ist und die angepasst ist, den Körper (21) relativ zur Basiseinheit (10) zu verlagern, wobei durch das Verlagern des Körpers (21) relativ zur Basiseinheit (10) vorzugsweise der Massenmittelpunkt (M) des Körpers (21) relativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar ist.
Vorrichtung nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Antriebseinheit (22) angepasst ist, den Körper (21) in Abhängigkeit des Drehwinkels (a) relativ zur Basiseinheit (10) zu verlagern.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Antriebseinheit (22) angepasst ist, den Massenmittelpunkt (M) des Körpers (21) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung relativ zur Basiseinheit (10) zu verlagern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei das Gewichtssystem (20) in Abhängigkeit des Drehwinkels (a) relativ zur Basiseinheit (10) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basiseinheit (10) als Helm oder als ein an der Kopfoberfläche anliegendes Gestell ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (21) ein erstes Gewicht (21a) und ein zweites Gewicht (21b) aufweist, wobei das erste Gewicht (21a) und das zweite Gewicht (21b) unabhängig voneinander relativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste und das zweite Gewicht (21a; 21b) jeweils als Bügel, vorzugsweise gebogene Bügel, ausgestaltet sind, die beabstandet zur Basiseinheit (10) außerhalb der Basiseinheit verlaufen, wobei die Bügel jeweils um eine Drehachse (DAl; DA2) relativ zur Basiseinheit (10) bewegbar sind, wobei die Drehachsen jeweils durch die Bügelenden verlaufen und wobei die Drehachse (DAl) des ersten Bügels (21a) parallel zur Querachse der Basiseinheit (10) und die Drehachse (DA2) des zweiten Bügels (21b) parallel zur Längsachse der Basiseinheit (10) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Körper (21) zusätzlich ein drittes Gewicht (21c) und ein viertes Gewicht (21d) aufweist, wobei die vier Gewichte (21a; 21b; 21c; 21d), vorzugsweise unabhängig voneinander, relativ zur Basiseinheit (10) verlagerbar sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jedes der vier Gewichte (21a; 21b; 21c; 21 d) um eine im Wesentlichen senkrecht zur Basiseinheit (10) stehenden Drehachse (DA) relativ zur Basiseinheit (10) bewegbar ist, wobei
- in einer Neutralstellung das erste Gewichte (21a) links von der Drehachse (DA) und das zweite Gewicht (21b) rechts von der Drehachse (DA) angeordnet sind und das erste und zweite Gewicht (21a; 21b) um die Drehachse (DA) gleichzeitig nach vorne oder nach hinten bewegbar sind, und
- in einer Neutralstellung das dritte Gewichte (21c) vor der Drehachse (DA) und das vierte Gewicht (21d) hinter der Drehachse (DA) angeordnet sind und das dritte und vierte Gewicht (21c; 21d) um die Drehachse (DA) gleichzeitig nach links oder nach rechts bewegbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die vier Gewichte (21a; 21b; 21c; 2 ld) jeweils die Form eines sphärischen Dreiecks aufweisen, wobei ein Eckpunkt des sphärischen Dreiecks die Drehachse bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die vier Gewichte (21a; 21b; 21c; 2 ld) jeweils eine vorzugsweise quader- oder zylinder oder halbkugelförmige Form aufweisen und wobei das erste und zweite Gewicht (21a; 21b) entlang einer ersten Schiene (23a) und das dritte und vierte Gewicht (21c; 21 d) entlang einer zweiten Schiene (23b) bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Körper (21) die Form einer Haube aufweist, dessen innere Mantelfläche bei einer Neutralstellung der Haube in radialer Richtung einen vorbestimmten Abstand zur Basiseinheit (10) aufweist und innerhalb dieses Abstandes in radialer Richtung relativ zur Basiseinheit (10) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Körper (21) ein mit einem Fluid gefülltes flexibles Kissen aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass eine Krafteinwirkung auf die Wandung des Kissens eine Verformung des Kissens und damit eine Verlagerung des Massenmittelpunktes (M) des Kissens relativ zur Basiseinheit (10) bewirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 15, wobei die Vorrichtung (1) eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle und eine mit der Schnittstelle gekoppelte Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit angepasst ist, über die Schnittstelle Steuerbefehle zu empfangen und gemäß der empfangenen Steuerbefehle die Antriebseinheit (22) zu steuern.
Gewichtssystem (20), wobei das Gewichtssystem (20) einen Körper (21) und eine Antriebseinheit (22) aufweist, wobei das Gewichtssystem (20) angepasst ist, an einer Basiseinheit (10), vorzugsweise lösbar angeordnet zu werden, und wobei die Antriebseinheit (22) angepasst ist, den Körper, insbesondere den Massenmittelpunkt des Körpers, relativ zur Basiseinheit (10) zu verlagern.
Gewichtssystem (20) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Antriebseinheit (22) angepasst ist, den Massenmittelpunkt des Körpers in Abhängigkeit eines Drehwinkels (a) der Basiseinheit (10) relativ zu einer Normalposition der Basiseinheit relativ zur Basiseinheit (10) zu verlagern.
Verfahren zur Simulation von am menschlichen Kopf (K) wirkenden Beschleunigungskräften (g), wobei ein Körper (21), insbesondere der Massenmittelpunkt (M) des Körpers (21), eines Gewichtssystems (20), das an einer Basiseinheit (10), die am Kopf (K) anordenbar ist, angeordnet ist, relativ zur Basiseinheit (10) verlagert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Massenmittelpunkt (M) des Körpers (21) in Abhängigkeit eines Drehwinkels (a) der Basiseinheit (10) oder des Kopfes (K) relativ zu einer Normalposition der Basiseinheit oder des Kopfes relativ zur Basiseinheit (10) verlagert wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlagerung des Massenmittelpunktes (M) des Körpers (21) relativ zur Basiseinheit (10) mit einer Antriebseinheit (22) erfolgt, die mit dem Körper (21) gekoppelt ist, wobei mit der Antriebseinheit ein oder mehrere Gewichte des Körpers (21) relativ zur Basiseinheit, vorzugsweise um eine oder mehrere Drehachsen bewegt werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit des Drehwinkels (a) das Gewichtssystem (20) relativ zur Basiseinheit (10) gedreht wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 22, wobei der Drehwinkel mit einer Sensoreinrichtung (S) detektiert wird, die an der Basiseinheit (10) angeordnet ist.
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