CN101940842B - 一种绳索驱动的动态平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绳索驱动的动态平台，包括平台本体以及设置在平台本体下方的三个支点，其中一个支点由三个自由度的旋转接头与支撑柱构成，另两个支点分别连接绳索，并该动态平台在两绳索相对于支撑柱的另一侧通过重力作用而使绳索保持为伸张状态。本发明具有维护简单、占地面积小、成本低廉、安全性佳以及旋转变化幅度大，符合实际仿真情境的功效。本发明涉及的动态平台应用范围可涵盖模拟训练用平台以及游戏、运动休闲器材等。

Description

一种绳索驱动的动态平台

技术领域

本发明涉及一具有至少一个旋转自由度的动态平台，其利用马达带动绳索，通过改变绳索的长度变化，使动态平台产生一到两个轴自由度(pitch，roll)的相对角度变化，并加入一组独立旋转装置，作为动态平台的第三个自由度(yaw)，此动态平台上可搭配放置任何的装置及设备。 

背景技术

目前，市场上有许多种类的动态平台，大多是以其平台的自由度作为区分，大部分可区为三轴自由度及六轴自由度两大类。三轴自由度为绕X轴旋转(roll)、绕Y轴旋转(pitch)及绕Z轴旋转(yaw)的三个旋转方向；而六轴自由度为除了包含前后倾斜(pitch)、滚转(roll)及偏摆(yaw)三个旋转方向外，另包含沿着X、Y及Z轴方向的平移运动，其较典型的六轴自由度动态平台为史都华平台(Stewart platform)。 

史都华平台常见的作动方式有两种：1.液压驱动方式使用六支油压缸作为致动器，驱动器为伺服阀，光学尺做为回馈。2.电气作动方式使用六支滚珠导螺杆作为致动器，驱动源为伺服马达，编码器或光学尺做为回馈。经过机器人学中的顺向运动学或逆向运动学，可以得知独立的油压缸或导螺杆需要改变多少长度，以使平台做出设定的动作。 

而史都华平台所使用的组件非常精密，例如油压缸、编码器、光学尺及伺服阀等，造价非常昂贵，此设备通常使用于学术研究或军事载具模拟训练，而要发展在游戏、运动器材等领域，考虑其成本则不容易实现。另外这类平台的各个自由度的变化幅度受限于单一平台与驱动机构的牵制，普遍都不大，对于动态拟真感仍有不足。 

本案申请人拥有中国台湾发明专利公告第200844921号的专利权，其绳索驱动动态平台整体结构以悬吊的方式设计，造成整体结构体积较为庞 大，且绳索裸露在动态平台外，易因绳索伸缩改变造成使用者的危险。且此发明专利发明设计的动态行为仿真较不符合实际情形，例如在平台上装设一台脚踏车，用来模拟骑乘脚踏车时的路面情形，在路面由水平转至上坡时，让使用者的感觉是背面向后降，与实际骑乘时的前端向上提升的感觉是不一样。另外在安全防护上，第一自由度与第二自由度在马达驱动绳索装置中，受限于有些马达在无驱动电力时无法保持刹车或锁固作用，容易使平台会因重力作用产生回复力，造成平台摆动倾向重力负载端方向，给骑乘者带来危险。

因此，本发明将设计一维护简单、占地面积小、成本低廉、安全性佳及旋转变化幅度大，符合实际仿真情境的绳索驱动的动态平台，其能结合各种游戏设备、运动器材等装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种维护简单、占地面积小、成本低廉、安全性佳以及旋转变化幅度大，符合实际仿真情境的绳索驱动的动态平台。

为了达成上述目的，本发明的第一解决方案是： 

一种绳索驱动的动态平台，其中，包括平台本体以及设置在平台本体下方的三个支点，其中一个支点由三个自由度的旋转接头与支撑柱构成，另两个支点分别连接绳索，并该动态平台在两绳索相对于支撑柱的另一侧通过重力作用而使绳索保持为伸张状态。 

进一步，该动态平台底部设置有一用于约束平台产生偏摆并使动态平台作前后倾斜与滚转两个自由度的可控运动的伸缩装置。 

进一步，该伸缩装置为连杆机构，该连杆机构包括具三个自由度的旋转接头、两个连杆以及两个具一个自由度的旋转接头，该具三个自由度的旋转接头连接在平台本体底部，该两个连杆之间设有一个具一个自由度的旋转接头，该两个连杆的另外一端则分别与具三个自由度的旋转接头和另一具一个自由度的旋转接头相连。 

进一步，该动态平台还包括旋转台和与旋转台传动相连的马达，该旋转台位于平台本体的上方。 

进一步，该动态平台还包括用于卷收绳索的槽轮以及与槽轮传动相连的马达。 

进一步，该马达与槽轮之间还设置有涡轮蜗杆模块，该涡轮蜗杆模块包括与马达输出轴传动相连的涡轮以及与槽轮传动相连的蜗杆，该蜗杆与涡轮相啮合。 

进一步，该马达与槽轮之间还设置有涡轮减速机。 

进一步，该动态平台还包括控制模块、运动游戏器材以及多媒体模块，该运动游戏器材放置在动态平台上面，该多媒体模块包含至少一投影机，该投影机投射在运动游戏器材前方的布幕或墙面或至少一电视或至少一显示器上并与计算机或因特网相连而播放游戏或越野运动的影片或虚拟现实；该控制模块包括微控制器、I/O接口以及与控制器相连的运动平台的角位置传感器和运动游戏器材的速度传感器。 

本发明的第二解决方案为： 

一种绳索驱动的动态平台，其中，包括平台本体以及设置在平台本体下方的二个支点，第一支点由单自由度接头与支撑柱构成，第二支点则连接有绳索，并第一支点相对于第二支点的距离小于平台承载物体与用户的合重心相对于第一支点的距离，承载物体与用户的合重心落在支撑柱相对第二支点的另一侧。 

进一步，该动态平台还包括用于卷收绳索的马达，该马达设置在平台本体的底部。 

采用上述结构后，本发明通过绳索而使得两支点位置变化，同时结合重力作用所产生的回复力，使平台相对于固定支点产生俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)或偏摆角(yaw)三个自由度的相对运动，故本发明具有维护简单、占地面积小、成本低廉、安全性佳以及旋转变化幅度大，符合实际仿真情境的功效。 

附图说明

图1、图1A和图1B为三个自由度的动态平台的三视图； 

图2为图1加装连杆机构后的两个自由度动态平台侧视图； 

图3为图2中连杆机构的立体示意图； 

图4为第三轴旋转装置的立体示意图； 

图5为具三个自由度的绳索驱动动态平台的立体示意图； 

图6为蜗轮蜗杆卷绳模块的立体爆炸示意图；

图7为搭配蜗轮减速机的卷绳模块示意图； 

图8为具两个自由度的绳索驱动动态平台的立体示意图； 

图9为具三个自由度的绳索驱动动态平台的立体示意图； 

图10为装设气压缸的两个自由度动态平台的侧视图； 

图11为具三个自由度的绳索式动态平台的立体示意图； 

图12为装设气压缸的三个自由度动态平台的立体示意图； 

图13为运用于运动休闲娱乐的绳索式动态平台整体的立体示意图；

图14为具一个自由度的绳索驱动动态平台的立体示意图。 

图中： 

1   平台                2   球窝接头 

3   支撑柱              4   马达 

5   槽轮                6   连座轴承 

7   绳索                8   绳索 

10  连杆机构            11  一个自由度旋转接头 

12  连杆                13  一个自由度旋转接头 

14  连杆                15  具三个自由度的旋转接头 

20  马达                21  旋转台 

30  马达                31  联轴器 

32  连座轴承            33  蜗杆 

34  连座轴承            35  蜗轮 

36    连座轴承              37    槽轮 

38  连座轴承            40  马达 

41  蜗轮减速机          42  槽轮 

43  连座轴承            50  气压缸 

51  单自由度的旋转接头  52  马达 

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。 

图1、图1A和图1B为本发明涉及一种绳索驱动的动态平台的三视图，包括平台本体1以及设置在平台本体1下方的三个支点，其中，以支撑柱3与三个自由度的旋转接头构成一个支点，该三个自由度的旋转接头在本实施例中选用球窝接头2，另两个支点分别连接绳索7和绳索8，通过马达4控制绳索长短，组合成一个具有三个旋转自由度(pitch，roll，yaw)的动态平台，其在绳索7和绳索8相对于支撑柱3的另一侧通过重力作用，使绳索7和绳索8保持张力。这样，其通过马达4带动绳索7、绳索8两支点位置变化及重力作用所产生的回复力，使平台本体1相对于固定支点(支撑柱3与球窝接头2构成的支点)产生俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)及偏摆角(yaw)三个自由度的相对运动。 

当使用绳索7和绳索8作为俯仰角(pitch)与翻滚角(roll)驱动来源时，由于受限于绳索7和绳索8无法产生足够的拘束，从而容易造成偏摆角(yaw)的运动状态随平台本体1重心位置而产生飘移。为了解决此偏摆角(yaw)的漂移问题，该动态平台底部设置有伸缩装置，具体的，其在平台本体1的下方装设一伸缩装置，具体该伸缩装置可以选用如气压缸、液压缸、导螺杆、伸缩滑轨、伸缩缸或连杆机构等，从而起到增加平台本体1的拘束力，将使动态平台本体1的自由度简化为俯仰角(pitch)与翻滚角(roll)两个自由度，该俯仰角即前后倾斜，而翻滚角则为滚转；如图2所示，其在图1中的平台本体1下方装设一组连杆机构10，具体详见图3所示的立体示意图，该连杆机构10包括一个具三个自由度的旋转接头15、两个连杆12、14以及两个具一个自由度的旋转接头11、13，该具三个自由度的旋转接头15连接在平台本体1底部，该两个连杆12、14之间设有具一个自由度的旋转接头13，该连杆12的另端与具一个自由度的旋转接头11相连，而该连杆14的另端则与具三个自由度的旋转接头15相连；从而使得平台本体1仅具有两个可控的自由度，即俯仰角(pitch)与翻滚角(roll)。 

如图4所示，该动态平台还包括旋转台21和与旋转台21相连的马达 20，该旋转台21设置在平台本体的上方，从而行成一具有三个自由度的动态平台，如图5所示，经由上述的设计流程可知：由一支撑柱3、球窝接头2及由两条绳索7、8拉动平台本体1的相对位置，达成控制动态平台的两个自由度；第三个自由度则是独立在绳索控制的自由度之外，构成一个具三个自由度的绳索式动态平台。 

在马达驱动绳索装置中，受限于有些马达在无驱动电力时无法保持刹车或锁固作用，使动态平台会因重力作用产生回复力，造成平台本体1摆动倾向重力负载端方向，造成骑乘者的不可预期与可能的危险，因而本发明设计一组卷绳模块，具体其为涡轮蜗杆模块，其爆炸图如图6所示，其中，包括马达30、联轴器31、连座轴承32、连座轴承36、蜗杆33、蜗轮35、连座轴承34、连座轴承38及槽轮37，该槽轮37起到卷收绳索载体的作用，而连座轴承32、连座轴承36、连座轴承34、连座轴承38都是起固定的作用。此卷绳模块利用一种无法逆转的特性设计，在此处其为蜗轮蜗杆模块，其特性为只能由蜗杆33做为动力源输入带动蜗轮35旋转，并无法逆向由蜗轮35带动蜗杆33旋转，因此动态平台本体1不会因马达30失去驱动电力而造成平台因重力作用倾斜，只会停留于原处。当然，该卷绳模块也可以利用马达直接配备蜗轮减速机来实现，从而减少联轴器31和连座轴承32等的数量，更加缩减驱动模块的体积，图7示出的为搭配蜗轮减速机所设计的卷绳模块，其包括马达40、蜗轮减速机41、槽轮42以及连座轴承43。 

图8及图9为另加入蜗轮蜗杆卷绳模块的动态平台驱动方式，将图6设计的蜗轮蜗杆卷绳模块装设在具有两个自由度及三个自由度的动态平台上，做为绳索改变驱动装置，从而避免乘骑者有可能存在的危险。如图10所示，其利用气压缸50或是伸缩缸取代图8中的连杆机构，使平台具有可控的两个自由度(pitch，roll)。如图12所示，其利用气压缸50取代图9中的连杆机构，使平台具有可控的三个自由度(pitch，roll，yaw)。 

综上所述，本发明涉及的动态平台，其利用三个支点所构成的平面作为动态平台，其中第一支点是由球窝接头与支撑柱所组成，另第二与第三支点分别以连结一条绳索的方式构成，同时第二与第三支点的联线相对于 第一支点的距离要小于第二与第三支点联线相对于平台承载物体与用户后的重心的距离，从而使承载物体与用户的重心落在支撑柱相对第二支点与第三支点的另一侧，即使得两绳索7、8均呈拉伸状；该平台本体1底部设一连杆机构或伸缩装置以约束平台产生偏摆(yaw)，控制两绳索长度时，可以使平台作前后倾斜(pitch)与滚转(roll)两个自由度的可控运动。为了缩小平台体积，卷动绳索的驱动马达与其驱动器均可设置在平台底下。 

另外，本发明的动态平台，因为利用重力做为回馈以拉紧绳索，所以可通过绳索的柔软性，提供更大的前后倾斜(pitch)角度与滚转(roll)角度。例如，在设计上，让平台宽度与长度越小，前后倾斜(pitch)与滚转(roll)的极限角度就越大。又或是，在设计上，支撑柱高度越高，配合较长的绳索，则前后倾斜(pitch)与滚转(roll)的极限角度也会越大。有关第三旋转轴的偏摆(yaw)角度，因为设计上为一旋转平台，其角度最大可达到正负180度。换言之，本发明可以通过绳索长度、支撑柱高度、平台宽度与长度的调整，加上提供偏摆(yaw)角度的旋转平台，就能符合各种三个旋转自由度的运动平台需求，成本低、弹性高，甚至进一步将支撑柱高度、平台宽度与长度设计成让使用者能自行调整的机构，例如支撑柱设计为千斤顶的机构，就可自由改变其高度。 

作为进一步的改进方案，该动态平台还包括控制模块、运动游戏器材以及多媒体模块，该运动游戏器材放置在动态平台上面，该多媒体模块包含至少一投影机，该投影机投射在运动游戏器材前方的布幕或墙面或至少一电视或至少一显示器上并与计算机或因特网相连而播放游戏或越野运动的影片或虚拟现实；该控制模块包括微控制器、I/O接口以及与控制器相连的运动平台的角位置传感器和运动游戏器材的速度传感器。该角位置传感器具体可以根据当前应用的动态平台是两个自由度还是三个自由度，来使角位置传感器选用二轴或三轴，从而起到回馈控制的功效；这样，就可以回馈改变平台运动姿态配合虚拟现实的情境变化，以达到更真实的感觉。具体的，如图13所示，其将越野脚踏车放置在本发明涉及动态平台的第三轴旋转台21上面，同时在脚踏车前方设置至少一投影幕和至少一设置在脚踏车后方的投影机，该投影幕与投影机相配合，并且与计算机(图中未示 出)联机，播放游戏或越野运动的影片或虚拟现实，通过微控制器与I/O接口(图中未示出)以及运动平台的三轴角位置传感器，与脚踏车速度传感器(图中未示出)，可以回馈改变平台运动姿态配合虚拟时境的路面起伏，以达到更真实的感觉。进一步，将可控式制动器例如磁粉式制动器(图中未示出)结合在车轮模拟上下坡路面，以改变骑车者的负载。注意此处的投影机装置，也可由显示器或电视来取代。 

如图14所示，其显示本发明的另一种结构，其为单一自由度的动态平台，其具体是利用单自由度的旋转接头51取代图1的球窝接头2，并且只需要一个马达52作为驱动源；具体的，其包括有平台本体以及设置在平台本体下方的二个支点，第一支点由单自由度接头与支撑柱构成，第二支点则连接有绳索，并第一支点相对于第二支点的距离小于平台承载物体与用户的合重心相对于第一支点的距离，承载物体与用户的合重心落在支撑柱相对第二支点的另一侧。其利用重力做为回馈以拉紧绳索，控制绳索长度时，可以使平台作前后倾斜(pitch)的可控运动；具体该绳索亦是通过马达来卷收，为了起到减少体积的功效，该马达设置在平台本体的底部。 

本发明涉及的一种绳索驱动的动态平台可用在游戏、运动训练或军事训练等仿真器材上，平台上方可架设椭圆机、跑步机、健身车、脚踏车、划船、滑雪、冲浪、骑马等运动的器材，或赛车、摩托车等游戏的器材，皆可选择性架设在图8的两个自由度的绳索式动态平台上，或在图11的三个自由度的绳索式动态平台上。 

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。 

Claims (10)

1.一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，包括平台本体以及设置在平台本体下方的三个支点，其中一个支点由三个自由度的旋转接头与支撑柱构成，另两个支点分别连接绳索，并该动态平台在两绳索相对于支撑柱的另一侧通过重力作用而使绳索保持为伸张状态。

2.如权利要求1所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该动态平台底部设置有一用于约束平台产生偏摆并使动态平台作前后倾斜与滚转两个自由度的可控运动的伸缩装置。

3.如权利要求2所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该伸缩装置为连杆机构，该连杆机构包括具三个自由度的旋转接头、两个连杆以及两个具一个自由度的旋转接头，该具三个自由度的旋转接头连接在平台本体底部，该两个连杆之间设有一个具一个自由度的旋转接头，该两个连杆的另外一端则分别与具三个自由度的旋转接头和另一具一个自由度的旋转接头相连。

4.如权利要求3所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该动态平台还包括旋转台和与旋转台传动相连的马达，该旋转台位于平台本体的上方。

5.如权利要求1所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该动态平台还包括用于卷收绳索的槽轮以及与槽轮传动相连的马达。

6.如权利要求5所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该马达与槽轮之间还设置有涡轮蜗杆模块，该涡轮蜗杆模块包括与马达输出轴传动相连的涡轮以及与槽轮传动相连的蜗杆，该蜗杆与涡轮相啮合。

7.如权利要求5所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该马达与槽轮之间还设置有涡轮减速机。

8.如权利要求1所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该动态平台还包括控制模块、运动游戏器材以及多媒体模块，该运动游戏器材放置在动态平台上面，该多媒体模块包含至少一投影机，该投影机投射在运动游戏器材前方的布幕或墙面或至少一电视或至少一显示器上并与计算机或因特网相连而播放游戏或越野运动的影片或虚拟现实；该控制模块包括微控制器、I/O接口以及与微控制器相连的动态平台的角位置传感器和运动游戏器材的速度传感器。

9.一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，包括平台本体以及设置在平台本体下方的二个支点，第一支点由单自由度接头与支撑柱构成，第二支点则连接有绳索，并第一支点相对于第二支点的距离小于平台承载物体与用户的合重心相对于第一支点的距离，承载物体与用户的合重心落在支撑柱相对第二支点的另一侧。

10.如权利要求9所述的一种绳索驱动的动态平台，其特征在于，该动态平台还包括用于卷收绳索的马达，该马达设置在平台本体的底部。

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