CN102216966B

CN102216966B - 运动及取向仿真器

Info

Publication number: CN102216966B
Application number: CN200980141101.8A
Authority: CN
Inventors: M·迈尔霍费尔
Original assignee: AMST Systemtechnik GmbH
Current assignee: AMST Systemtechnik GmbH
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2029-10-06
Also published as: US8356996B2; AU2009301427A1; US20100105012A1; AU2009301427B2; AT507373B1; EP2351001B1; CN102216966A; EP2351001A1; PL2351001T3; RU2520866C2; AT507373A1; WO2010040505A1; RU2011118475A

Abstract

本发明涉及带有用于机舱(5)的万向式悬架(4)的运动及取向仿真器，该万向式悬架(4)布置在拖拉滑座(3)中，该拖拉滑座(3)可在滑座笼(2)中线性运动，其特征在于，滑座笼(2)可转动，并且为了滑座(3)在滑座笼(2)中的线性运动而设置绳索驱动装置。

Description

运动及取向仿真器

技术领域

本发明涉及运动及取向仿真器(Bewegungs-undOrientierungssimulator)，带有用于机舱(Kabine)的万向式(kardanisch)悬架该万向式悬架布置在拖拉滑座(Heave-Schlitten)中，该拖拉滑座可在滑座笼(Schlittenkorb)中线性(linear)运动。

背景技术

这样的仿真器(Simulator)用于飞行员的训练和安全培训。这样的仿真器的目的是，尽可能以接近实际的方式而模拟飞行状态，如其同样可在飞行运行中的极端状况中可能出现的那样，例如在投入战斗中的直升机和飞机的情况下。文件US 2004/0197742A1描述了用于仿真器的示例。

在这样的仿真器中的问题在于，相对大的质量必须以无级的方式加速、制动、转动或者以其它方式运动，使得对驱动技术和单独的构件的静力学提出较高的要求。

发明内容

本发明的目的是，设置这样的仿真器，即，该仿真器可模拟所有可设想的运动及取向状态并且在此功能可靠，具有紧凑的尺寸并且可以合适的成本而制造。

在开头所提及的运动及取向仿真器(其带有用于机舱的万向式悬架的，该万向式悬架布置在拖拉滑座中，该拖拉滑座可在滑座笼中线性运动)的本发明中，该目的由此而实现，即，滑座笼可转动，并且为了滑座在滑座笼中的线性运动而设置有绳索驱动装置(Seilantrieb)，其中，在拖拉滑座处设置有可转动的拖拉滑轮组件(Heave-Scheibenanordnung)以用于拖拉滑座的移位，并且绳索驱动装置具有作用在拖拉滑座处的绳索区段(Seilabschnitt)，通过该绳索区段可将移位力传递到拖拉滑座上，其中，绳索区段以优选的方式实施成绕拖拉滑轮组件而安置的(gelegt)绳索圈(Seilschlinge)。

此外，作用在拖拉滑座处的绳索区段布置成成对地相互作用，并且相互作用以使拖拉滑座移位的绳索区段对通过张紧组件(Spannanordnung)而相互预紧。附加地，本发明的特征在于，在拖拉滑座移位时，在成对作用在拖拉滑座处的绳索区段和相关的在绳索方向中最靠近的转向滑轮(Umlenkscheibe)之间的距离的总和恒定，滑座笼以可转动的方式而支承并且在转动轴线的两侧突出，并且拖拉滑座可在所突出的滑座笼的转动轴线的两侧上运动，绳索驱动装置具有绳索(该绳索与张紧组件保持拉紧)，绳索驱动装置具有固定在滑座笼处或与该滑座笼相固定的绳索，绳索驱动装置以绕支承在滑座笼处的前部和后部转向滑轮组件(Umlenkscheibenanordnung)、绕支承在滑座处的拖拉滑轮组件以及绕绳索驱动滑轮(Seilantriebsscheibe)的方式而引导，并且为了驱动滑座笼的转动而设置马达和用于传递力的联结元件，其中，联结元件以优选的方式实施成摩擦环(Reibring)。此外，根据本发明设置，为了驱动绳索驱动滑轮而设置马达和用于传递力的联结元件，其中，联结元件以优选的方式实施成摩擦环，用于驱动滑座笼的马达以及用于使拖拉滑座运动的马达以位置固定的方式而布置，绳索附加地还绕布置在滑座笼处的张紧滑轮而引导，并且前部和后部转向滑轮组件分别包括两个转向滑轮。

其它的有利特征为，拖拉滑轮组件具有四个拖拉滑轮(Heave-Scheibe)，该拖拉滑轮布置成可以彼此独立的方式在滑座处转动，每两个拖拉滑轮支承在一个拖拉螺栓(Heave-Bolzen)处，两个从绳索驱动滑轮离开(abgehen)的绳索区段引导经过前部和后部转向滑轮并且从此处分别被引导到拖拉滑轮的一个上，张紧滑轮形成第五转向滑轮，并且绳索端部的其中一个固定点布置在滑座笼的前部端部处，而另一固定点布置在滑座笼的后部端部处。

根据本发明的仿真器还通过以下方式而出众，即，滑座笼构造成以可转动的方式而支承的、双侧(zweiseitig)离心臂(Zentrifugenarm)，并且可通过驱动单元而置于转动中，布置在滑座处的万向式悬架与悬置在该万向式悬架中的机舱可通过垂直提升器而在垂向上运动，并且从转向滑轮延伸到绳索驱动滑轮的绳索区段V和从绳索驱动滑轮延伸到张紧滑轮的绳索区段VI以及从张紧滑轮延伸到转向滑轮的绳索区段VII的长度设置成不可改变。

最后，仿真器的的特征在于，在驱动滑轮转动时，根据转动方向，绳索区段I，II，III和IV经受缩短或延长，而绳索区段VIII，IX，X和XI经受延长或缩短，由此，实现拖拉滑座的线性移位，其中，绳索区段I至XI布置在三个重叠布置的平面E1至E3中，其中，为了平面的变换，拖拉滑轮组件以及转向滑轮中的两个斜向放置，绳索区段II和X布置在最上部的平面E1中，绳索区段I，IX，III，XI布置在中间的平面E2中，以及绳索区段VIII，VII/VI，V和IV布置在最下部的平面E3中，其中，绳索区段I和XI收尾于固定点P1和P2，并且在驱动滑轮转动时，拖拉滑轮相对于跟随驱动滑轮方向的拖拉滑轮在相反的方向上具有转动。

附图说明

可从权利要求以及下文的描述和图纸中获得其它的有利特征。

在下文借助于实施例描述本发明。

图1为根据本发明的运动及取向仿真器的斜视图。

图2和3为穿过根据彼此相关联的截线的仿真器的截面。

图4为仿真器的俯视图。

图5显示了穿过绳索驱动装置的截面。

图6示意性显示了带有转向滑轮和拖拉滑轮的绳索引导，以及

图7显示了绳索区段与带有相关联的滑轮的单独的平面的相关联。

具体实施方式

根据图1，仿真器布置在底部固定的(bodenfest)基部1上，该基部1自身容纳(beherbergen)驱动单元，该驱动单元可将滑座笼2置于转动中。滑座笼实施成防扭转(verwindungssteif)并且可承受高的力。滑座笼的作用为传统离心机的双侧离心臂的作用，其中，拖拉滑座3可沿着滑座笼而移位，该拖拉滑座3承载万向式悬架4。在万向式悬架4的中央布置机舱5，在该机舱5中通常可乘坐一个或最多两个试验人员。该机舱5仅在图3中以虚线表示。机舱5可例如为带有相应的视听设备的飞机机舱，然而也可为其它运输工具(例如PKW)的控制区域。带有位于其上的万向式悬架的拖拉滑座3可沿着滑座笼在两个终端位置之间运动。在图1中，滑座位于左侧的终端位置中，该左侧的终端位置在下文称作前部位置。如果滑座运动到右侧的终端位置中，则该滑座位于后部位置中，其中，术语前部和后部任意定义仅为了可区别的目的。图2显示了根据在图4中的直线AA-AA的纵向截面，其中，截面还穿过基部1和用于滑座笼2的驱动单元23以及绳索驱动装置6。转向轮(也就是对于用于滑座运动的驱动绳索7的每两个转向轮)位于滑座笼2的底部区域的两个端部处。前部转向滑轮8，9以可转动的方式布置在滑座笼的前部端部处，而后部转向滑轮10，11以可转动的方式布置在滑座笼的后部端部处。

基本上两个驱动单元用作驱动，也就是说用于使滑座笼旋转的驱动单元23，以及用于使拖拉滑座3沿着滑座笼水平运动的绳索驱动装置6。

以已知的方式，万向式悬架4包括两个万向弓形件(Kardanbogen)，也就是说偏航环(Yaw-Ring)13以及滚动环(Roll-Ring)14，它们相对于彼此的位置可以任意的方式调节和旋转。此外，整个万向式悬架以可转动的方式布置在垂直提升器15处，由此，同样还可对位于万向式悬架中的机舱5施加在垂向方向中的运动分量。

用于滑座笼的驱动单元23包括多个(例如八个)马达24，该马达24通过摩擦环25可将从动环26置于转动中。在下文针对图5来进一步描述绳索驱动装置6。

在图3的示图中的截面根据图2中的直线AC-AC而伸延并且表现了仿真器的结构组成。如可识别的那样，滑座笼2构造成盆形并且在滑座笼的导轨上引导拖拉滑座3。在拖拉滑座3的两个侧边处布置垂向的提升器导轨16，在该提升器导轨16上可使垂直提升器15与万向式悬架4和机舱5垂向运动。在滑座3的底部17中设置两个拖拉滑轮组件18，19，其中每两个拖拉滑轮18.1和18.2以及19.1和19.2分别以可转动的方式布置到共同的拖拉螺栓22上。

图4显示了仿真器的俯视图，其中，拖拉滑座3显示在左侧的、也就是前部位置中。可识别的是中央绳索驱动滑轮12，通过该绳索驱动滑轮12使滑座3可在滑座笼的内部线性运动。如上文已经描述的那样，用于使绳索7转向的两个前部转向滑轮8，9和后部转向滑轮10，11以可转动的方式固定在滑座笼2中。拖拉滑轮组件18，19以可转动确切说可独立于彼此转动的方式而固定在滑座3处。此外还可识别张紧滑轮20，该张紧滑轮20还作为转向滑轮而对绳索7产生作用，并且该张紧滑轮20用作将绳索7保持在拉紧状态中。绳索7的两个端部21牢固地与滑座笼相固定，确切说固定在滑座笼的分别相对的端部处。在图4中可识别的是，在固定点P2处的带有绳索固定部(Seilfixierung)27的绳索端部中的一个。另一绳索端部及其固定点P1由滑座3遮盖。

借助于图5，稍微地进一步描述绳索驱动装置6。

在此五个马达28(带有传动器29和相应三个摩擦环30)固定在马达托架31处。马达托架以可转动的方式而悬置，并且可借助于气压缸32而将摩擦环30压靠从动环33。从动环33固定在中空轴34处的下部，并且该中空轴34将旋转传递到绳索驱动滑轮12上。中空轴34借助于“上方轴承”35和“下方轴承”36而支承在绳索驱动装置壳体37中。此外，在图5中显示滑环(Schleifring)38和滑环保持件(Schleifring-Halter)39。因为全部的电子设备必须引导通过中空轴并且经过滑环，因此绳索驱动装置系设有中空的轴。

无论如何，带有用于绳索7的绳索引导的马达驱动的绳索驱动滑轮12用作使拖拉滑座3在滑座笼2中运动。

图6示意性显示了绳索7在两个固定点P1和P2、前部转向滑轮8，9、后部转向滑轮10，11、驱动滑轮12和张紧滑轮20(其全部都以可转动的方式布置在滑座笼处)以及两个拖拉滑轮组件18，19(其以可转动的方式布置在滑座处并且可使该滑座线性运动)之间的引导。

在所示出的位置中，拖拉滑轮组件18，19位于后部终端位置中。为了使拖拉滑轮组件以及利用该拖拉滑轮组件使滑座向左运动到前部位置中，驱动滑轮12必须以逆时针方向转动，其中，绳索区段I和II缩短并且绳索区段VIII和IX以相同的程度延长。以相同的方式同样绳索区段III和IV缩短以及将绳索区段X和XI延长。相应彼此重叠的拖拉滑轮18.1和18.2以及19.1和19.2的旋转分别相反地进行。

图7显示，在不同的平面中(也就是说在三个平面E1、E2和E3中)引导绳索区段。分配到不同的平面中为必要的，由此，绳索引导不彼此相干涉。为了平面的变换，拖拉滑轮组件18，19以及其中两个转向滑轮8，11斜向放置。

绳索区段II和X布置在最上部的平面E1中，绳索区段I，IX，III，XI布置在中间的平面E2中，以及绳索区段VIII，VII/VI，V和IV布置在最下部的平面E3中，其中，绳索区段I和XI收尾于固定点P1和P2。

此外，在图4和图6中显示作用在拖拉滑座处的绳索区段(XII)。

在下文，在本发明的作用方式方面进一步描述上文所描述的本发明。如开头所提及的那样，仿真器用作运动的系统(例如车辆，船只，飞机或类似物)的模拟。在此，通过多个人工产生的感官感觉(Sinneswahmehmung)，给位于机舱5中的使用者复制(vorspiegeln)虚拟现实，其中，如进一步在下文所实施的那样，该使用者也可主动获取影响。该感官刺激一方面为视听刺激，该视听刺激通过图像再现系统以及声音再现系统输入给使用者。另一方面，由根据本发明的机构产生加速度或力，该加速度或力对使用者产生作用。通过视听和物理感觉印象的组合，人脑解释(interpretieren)虚拟的运动状态。该解释对于使用者以越现实的方式起作用，感官感觉越准确地与这样的情形的实际的感官感觉相类似。出于该原因下者具有重要意义，即，信号尽可能逼真地输入给使用者。

此外，在当前的运动及取向仿真器中设置操作元件，通过该操作元件，使用者可在虚拟世界中控制运动系统的运动。

使用者的该控制信号以及可称作干扰变量的可能的环境影响(例如风、路面)输入给物理仿真模型。该仿真模型与仿真对象的实际特性的数学图形(Abbildung)相对应。其包含例如惯性、阻力等变量。借助于该模型，计算加速度或力以及它们的取向，它们应输入给在虚拟世界中的使用者。

加速度由根据本发明的运动及取向仿真器以不同的方式而产生。

通过滑座笼的转动而产生的加速度：

在此，滑座笼2绕其转动轴线而转动，其中，该滑座笼2在两侧在该转动轴线上伸出。在滑座笼上，拖拉滑座3布置成可线性移位。如果该拖拉滑座3刚好位于旋转的滑座笼的转动轴线之上，则根本没有加速度作用于使用者。尽管使用者绕其身体轴线转动，但是其将该状态感觉为不运动的状态，因为其在封闭的机舱5中缺少转动的虚拟刺激。

如果拖拉滑座此时远离于转动轴线，则径向加速度主要随着相对于转动轴线的距离而增加。使用者感知到由重力加速度和径向加速度所合成的加速度。如果拖拉滑座再次返回运动并且该拖拉滑座横穿滑座笼的转动轴线，则使用者体验径向加速度的取向的变换。拖拉滑座绕转动轴线的往复运动(Pendeln)例如与PKW的蛇行行驶(Slalomfahrt)的加速度相对应。

为了使所合成的加速度在其大小方面改变，可改变滑座笼的角速度，或者可使拖拉滑座以可变的方式继续向外运动。

通过线性驱动引起的加速度：

通过根据本发明的绳索驱动装置6所引起的拖拉滑座3沿着滑座笼2的线性速度变化以及通过垂直提升器15所引起的万向悬架的线性速度变化4为其它的可行性，以为了将加速度施加于使用者。

改变加速度的方向：

为了改变所合成的、作用到身体上的加速度的方向，必要的是使身体本身运动，以为了由此引起加速度方向改变的效果。这借助于机舱5的万向式悬架4而发生。该万向式悬架包括两个万向弓形件，也就是说偏航环13以及滚动环14，它们相对于彼此的位置可以任意的方式调节和旋转。通过共三个转动自由度，机舱5以及由此使用者的身体现在可以任意的方式转动。附加地，整个万向式悬架以可转动的方式布置在垂直提升器15处。

通过这种多个自由度以及加速度可行性，可以不同的方式对身体复制运动顺序(Bewegungsablauf)。该灵活性为本发明的巨大优点。

为了使运动及取向仿真器的部件运动，设置一系列驱动装置。用于该驱动装置的调节量要么从物理仿真模型计算，要么可手动由控制中心预设。视听刺激的产生可同样要么从物理仿真模型产生，要么可跟随固定的顺序。

优选实施形式的运动轴线的定义：

滑座笼的转动轴线垂直地伸延。

拖拉滑座3在滑座笼2中的运动以沿着直线的方式而实现，其中，该直线以垂直于滑座笼2的转动轴线的方式而伸延，并且与该转动轴线具有共同的交点。

垂直提升器的运动方向再次垂直于拖拉滑座的运动直线，并且因此平行于滑座笼2的旋转轴线。

万向悬架4相对垂直提升器15的转动轴线以相切于滑座笼的轨道(Kreisbahn)的方式而延伸，并且因此为水平且垂直于垂直提升器15的运动方向。

设置在偏航环13中的转动轴线以垂直于在垂直提升器中的万向悬架的转动轴线的方式而伸延，并且在滚动环中的机舱的旋轴轴线再次以垂直于在偏航环13中的转动轴线的方式而伸延。

因此，偏航环13、滚动环14以及在垂直提升器中的悬架的转动轴线在任何时刻具有共同交点。

在该优选的实施形式中，所有上文提及的自由度设有以彼此独立的方式而工作的驱动装置，并且除线性驱动装置外可以不受限制的方式运动，也就是说可以任意的程度转动。

Claims

1.一种运动及取向仿真器，带有用于机舱(5)的万向式悬架(4)，所述万向式悬架(4)布置在拖拉滑座(3)中，所述拖拉滑座(3)可在滑座笼(2)中线性运动，其中，所述滑座笼(2)以可转动的方式而支承并且在转动轴线的两侧突出，并且所述拖拉滑座(3)可在所述滑座笼的转动轴线的两侧上运动，所述滑座笼(2)可转动，并且为了所述拖拉滑座(3)在所述滑座笼(2)中的线性运动而设置有绳索驱动装置，其特征在于，两个从绳索驱动滑轮(12)离开的绳索区段被引导经过前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮并且从此处分别被引导到拖拉滑轮中的一个上。

2.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，在所述拖拉滑座(3)处设置有可转动的拖拉滑轮组件(18, 19)以用于使所述拖拉滑座移位。

3.根据权利要求2所述的仿真器，其特征在于，所述绳索驱动装置(6)具有在所述拖拉滑座(3)处作用的绳索区段(XII)，通过所述绳索区段(XII)可将移位力传递到所述拖拉滑座上。

4.根据权利要求3所述的仿真器，其特征在于，作用在所述拖拉滑座处的所述绳索区段(XII)布置成成对地相互作用。

5.根据权利要求4所述的仿真器，其特征在于，所述相互作用以使所述拖拉滑座移位的绳索区段对通过张紧组件相互预紧。

6.根据权利要求4所述的仿真器，其特征在于，在所述拖拉滑座移位时，在成对作用在所述拖拉滑座处的所述绳索区段(XII)和相关的在绳索方向中最靠近的转向滑轮(8, 9或10, 11)之间的距离的总和恒定。

7.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，所述绳索驱动装置(6)具有绳索(7)，利用张紧组件使所述绳索(7)保持拉紧。

8.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，所述绳索驱动装置(6)具有固定在所述滑座笼(2)处或与所述滑座笼(2)相固定的绳索(7)，使得所述绳索驱动装置(6)以绕支承在所述滑座笼(2)处的前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮组件、绕支承在所述滑座处的拖拉滑轮组件(18, 19)以及绕绳索驱动滑轮(12)的方式而引导。

9.根据权利要求8所述的仿真器，其特征在于，为了驱动所述滑座笼的转动而设置马达(24)和用于传递力的联结元件。

10.根据权利要求9所述的仿真器，其特征在于，为了驱动所述绳索驱动滑轮(12)而设置马达(28)和用于传递力的联结元件。

11.根据权利要求10所述的仿真器，其特征在于，所述用于驱动所述滑座笼(2)的马达(24)以及用于使所述拖拉滑座(3)运动的马达(28)以位置固定的方式而布置。

12.根据权利要求8所述的仿真器，其特征在于，所述绳索(7)附加地环绕布置在所述滑座笼(2)处的张紧滑轮(20)而引导。

13.根据权利要求12所述的仿真器，其特征在于，所述前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮组件分别包括两个转向滑轮。

14.根据权利要求8所述的仿真器，其特征在于，所述拖拉滑轮组件(18, 19)具有四个拖拉滑轮，所述四个拖拉滑轮布置成可以彼此独立的方式在所述滑座(3)处转动。

15.根据权利要求14所述的仿真器，其特征在于，每两个拖拉滑轮支承在拖拉螺栓(22)处。

16.根据权利要求12所述的仿真器，其特征在于，所述张紧滑轮(20)形成第五转向滑轮。

17.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，所述绳索(7)端部的其中一个固定点布置在所述滑座笼(2)的前部端部处，而另一固定点布置在所述滑座笼(2)的后部端部处。

18.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，所述滑座笼(2)构造成以可转动的方式而支承的双侧离心臂，并且可通过驱动单元(23)而置于转动中。

19.根据权利要求1所述的仿真器，其特征在于，布置在所述拖拉滑座(3)处的万向式悬架(4)与悬置在所述万向式悬架(4)中的机舱(5)可通过垂直提升器(15)而在垂向上运动。

20.根据权利要求13所述的仿真器，其特征在于，从所述前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮组件中的第一转向滑轮(9)延伸到所述绳索驱动滑轮(12)的绳索区段V以及从所述绳索驱动滑轮(12)延伸到所述张紧滑轮(20)的绳索区段VI以及从所述张紧滑轮(20)延伸到所述前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮组件中的第二转向滑轮(10)的绳索区段VII的长度设置成不可改变。

21.根据权利要求20所述的仿真器，其特征在于，在所述驱动滑轮(12)转动时，根据转动方向，绳索区段I, II, III和IV经历缩短或延长，而绳索区段VIII, IX, X和XI经历延长或缩短，由此，实现所述拖拉滑座(3)的线性移位。

22.根据权利要求21所述的仿真器，其特征在于，所述绳索区段I至XI布置在三个重叠布置的平面E1至E3中，其中，为了所述平面的变换，所述拖拉滑轮组件(18, 19)以及所述前部(8, 9)和后部(10, 11)转向滑轮组件中的两个转向滑轮(8, 11)斜向放置。

23.根据权利要求22所述的仿真器，其特征在于，所述绳索区段II和X布置在最上部的平面E1中，所述绳索区段I, IX, III, XI布置在中间的平面E2中，以及所述绳索区段VIII, VII/VI, V和IV布置在最下部的平面E3中，其中，所述绳索区段I和XI收尾于固定点P1和P2。

24.根据权利要求14所述的仿真器，其特征在于，在所述驱动滑轮(12)转动时，所述拖拉滑轮组件中的第一拖拉滑轮(18.1)和所述拖拉滑轮组件中的第四拖拉滑轮(19.2)相对于跟随所述驱动滑轮(12)方向的所述拖拉滑轮组件中的第二拖拉滑轮(18.2)和所述拖拉滑轮组件中的第三拖拉滑轮(19.1)在相反的方向上具有转动。

25.根据权利要求3所述的仿真器，其特征在于，所述绳索区段(XII)实施成绕所述拖拉滑轮组件而安置的绳索圈。

26.根据权利要求9或10所述的仿真器，其特征在于，所述联结元件实施成摩擦环。