CN102971777A - 运动模拟器及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟运载工具、特别是飞行器的运动的运动模拟器，包括：多轴串联式机器人（1），其包括可旋转的基座轴（4）；以及用于操作人员的座位（17），其中，所述座位（17）加装于所述多轴串联式机器人（1），使得所述座位（17）能够通过所述多轴串联式机器人（1）在空间中移动来模拟真实运动，其中，所述运动模拟器适于通过产生作用于操作人员的离心力来模拟长时间持续的加速或减速。另外，本发明涉及一种对应的方法。

Description

运动模拟器及相应的方法
技术领域
本发明涉及一种用于模拟运载工具、特别是类似直升机的飞行器的运动的运动模拟器。另外，本发明涉及一种用于模拟运载工具的运动的相应的方法。
背景技术
用于模拟运载工具的运动的多轴串联式机器人的使用是公开的，例如见Nusseck/Teu-fel/Nieuwenhuizen/Bülthoff的“学习系统动力学：在直升机悬停模拟器中的训练转换（Learning System Dynamics:Transfer of Training ina Helicopter Hover Simulator）”，AIAA建模和仿真技术大会及展览会（AIAAModeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit），2008年8月18-21日，火奴鲁鲁，夏威夷。另外，在现有技术中众所周知的是，使用所谓的斯图尔特（Stewart）平台来模拟运载工具的运动。然而，传统的斯图尔特平台和多轴串联式机器人都具有基本缺点，即，这些操作器的工作空间是有限的，因此模拟长时间持续的加速或减速是困难的或者几乎不可能的。
发明内容
因此，本发明的目的是改进长时间持续的加速或减速的模拟。该目的通过一种根据独立权利要求的新的运动模拟器和对应的方法来达到。
本发明基于通过产生作用于操作人员的离心力来模拟长时间持续的加速或减速的基本思想，其中，通过绕优选垂直的旋转轴、例如绕机器人基座旋转多轴串联式机器人来产生离心力。
根据本发明的运动模拟器包括多轴串联式机器人，其包括可旋转的基座轴。这种多轴串联式机器人本身是众所周知的并且可从市场上获得，例如从德国公司库卡机器人集团（KUKA Roboter GmbH）获得。
另外，根据本发明的运动模拟器包括用于操作人员的座位，其中，所述座位加装于所述多轴串联式机器人，因此所述座位在空间中能够被所述多轴串联式机器人移动，用于运载工具的真实运动的模拟。就目前而言，根据本发明的运动模拟器与例如在前述的标题为“学习系统动力学：在直升机悬停模拟器中的训练转换（Learning System Dynamics:Transfer ofTraining in a Helicopter Hover Simulator）”的公开文献中公开的传统的运动模拟器对应。
然而，根据本发明的运动模拟器与传统的运动模拟器的区别在于，其适于通过产生作用于在模拟器的座位中的操作人员的离心力来模拟长时间持续的加速或减速。为此，多轴串联式机器人的可旋转的基座轴优选地可无限制地旋转，以使长时间持续的离心力能够不受任何时间限制地产生。
因此，根据本发明的运动模拟器的可旋转的基座轴与前述的传统的运动模拟器的区别在于，其包括在可旋转轴的可旋转部件之间建立电连接的滑环，其中，所述滑环允许可旋转的基座轴的无限制地旋转，这对产生长时间持续的离心力是重要的。另外，可旋转的基座轴优选地包括在可旋转的基座轴的可旋转部件之间建立气动或液压连接的旋转供送装置，其中，所述旋转供送装置允许可旋转的基座轴的无限制的旋转。
在本发明的一个优选的实施例中，所述运动模拟器附加地包括线性轴，其中，所述多轴串联式机器人沿所述线性轴是可移动的，因此所述多轴串联式机器人的工作空间被扩展，从而使模拟更加真实。也就是说，整个多轴串联式机器人可沿线性轴移动，以模拟作用于操作人员的长时间持续的加速或减速。所述线性轴优选地允许所述多轴串联式机器人的多于2m、4m、6m、8m或甚至多于10m的线性移动。
还应该指出，所述线性轴可以是弯曲的或甚至是环形的，以允许所述多轴串联式机器人在线性轴上不停地移动。而且，可布置多于一个线性轴，从而创建对应数目的附加的运动自由度。
在本发明的优选的实施例中，所述座位通过提供附加的运动自由度的附加的座位轴被加装于多轴串联式机器人的工具中心点（TCP），其中，所述座位轴允许座位相对于多轴串联式机器人的工具中心点移动。优选的是，所述座位轴被加装于所述多轴串联式机器人的手腕的装配法兰上。
所述座位轴优选地至少允许座位在所述座位中的操作人员的矢状面内旋转。也就是说，所述座位轴允许座位中的操作人员向前和向后倾斜移动。还应该指出，所述座位轴优选地允许在座位中的操作人员的矢状面内产生至少90°的旋转移动。
另外，可使所述座位轴至少允许座位在所述座位中的操作人员的横切面和/或冠状面内旋转。所述座位的旋转可单独通过座位轴的相应移动来实现。然而，所述座位的旋转优选地通过所述座位轴和所述多轴串联式机器人的其它轴的移动的组合来实现。
在本发明的优选的实施例中，所述座位可被定位成使由多轴串联式机器人绕基座轴的旋转引起的离心力相对于操作人员指向头颅。也就是说，所述离心力相对于所述运动模拟器座位中的操作人员向上垂直定向。
另外，所述座位可被优选地定位成使由多轴串联式机器人绕基座轴的旋转引起的离心力相对于座位中的操作人员指向尾部。也就是说，所述座位能够被定位成使离心力相对于座位中的操作人员向下垂直定向。
可选地，所述座位可被定位成使由多轴串联式机器人绕基座轴的旋转引起的离心力相对于操作人员指向腹部。也就是说，所述座位可被定位成使座位中的操作人员感知到向前指向的离心力。
可选地，所述座位可被定位成使离心力指向背部或侧部。
在本发明的优选的实施例中，所述座位轴包括弯曲的导轨和可沿所述导轨移动的支架，其中，所述支架优选地加装于所述多轴串联式机器人的工具中心点（例如所述手腕的装配法兰），而所述导轨加装于座位，因此所述座位可相对于所述多轴串联式机器人的工具中心点移动。也就是说，所述导轨连同座位能够沿支架移动，从而根据所述导轨的弧线旋转座位。因此，所述导轨优选为大致L形、C形、O形、圆形或椭圆形。然而，应该指出，可选地，所述支架可加装于用于操作人员的座位，而所述弯曲的导轨加装于所述多轴串联式机器人的工具中心点。前述的座位轴的设计允许座位中的操作人员绕侧向定向的旋转轴线旋转。也就是说，所述座位轴允许向前和向后的倾斜移动。
还应该指出，所述座位优选地布置在密闭的机舱中，使得座位中的操作人员感知不到所述机舱相对于外界的任何倾斜，而只是感觉到相应的力。
另外，所述机舱优选地包括至少一个视觉显示器，特别是投影显示器和/或立体显示器。而且，应该指出，所述机舱成所模拟的运载工具、例如真实的直升机的机舱或驾驶舱的形状。
在本发明的优选的实施例中，所述运动模拟器包括硬件限制止动器，用于限制所述多轴串联式机器人的运动空间以避免碰撞。另外，所述运动模拟器优选地包括软件限制止动器，用于限制所述多轴串联式机器人的运动空间以避免碰撞。另外，优选地，具有多级安全装置，其包括在所述运动模拟器的操作程序中的软件终端止动器、在机器人控制器中的软件终端止动器以及在所述多轴串联式机器人中的硬件终端止动器。
最后应该指出，本发明不限于以上描述的运动模拟器，而是也包含用于模拟运载工具的运动的对应的方法。
本发明及其特殊的特征和优点将从下面的考虑参照附图的具体描述中变得明显。
附图说明
图1-4示出了处于不同位置的根据本发明的运动模拟器的优选实施例。
图5和图6示出了在图1-4中示出的运动模拟器的机舱的不同位置。
图7示出了根据本发明的运动模拟器的可选的实施例的侧视图，其还包括线性轴。
图8示出了说明书中所使用的位置的解剖学术语的图解。
具体实施方式
图1-6示出了根据本发明的运动模拟器的第一实施例，其中，所述运动模拟器适于模拟直升机的运动。然而，所述运动模拟器可以可选地适于其它任何类型的运载工具（例如飞行器）的运动模拟。
所述运动模拟器包括多轴串联式机器人1，其在现有技术中是本身公知的，且可从市场上获得，例如从德国公司库卡机器人集团获得。
所述多轴串联式机器人1包括机器人基座2，该机器人基座安装于地基3上。
另外，所述多轴串联式机器人1包括可旋转的基座轴4，该基座轴承载有可旋转的机器人联接机构5，其中，机器人联接机构5可绕垂直旋转轴线A相对于所述机器人基座2旋转。
另外，所述多轴串联式机器人1包括两个可枢转的机器人臂6、7和传统的手腕8，其中，所述手腕8提供了三个运动自由度，因此所述多轴串联式机器人1包括一共六个运动自由度。
所述手腕8包括装配法兰9，机舱装置10（参看图5和图6）经由附加的座位轴安装到所述装配法兰。
所述座位轴基本上由支架11和弯曲的导轨12组成，其中，支架11加装于所述手腕8的装配法兰9，导轨12固定地加装于所述机舱装置10的机舱13。
所述导轨12为大致L形并且包括两个臂14、15，其中，所述臂14、15正交布置并且通过所述导轨12的弯曲部分16连接。所述导轨12可相对于支架11线性地移动，从而，使整个机舱装置10在矢状面内（参看图8）倾斜。
另外，应该指出，所述机舱装置10包括用于操作人员的座位17和控制杆18，其中，所述座位17和控制杆18都布置在所述机舱13内。
而且，所述机舱装置10包括位于所述机舱13内的立体显示器，使操作人员感知所模拟的环境的立体图像，从而提高模拟的真实感。
图1示出了所述机舱装置10的第一方位，该机舱装置水平地布置。另外，所述机器人联接机构5绕旋转轴线A绕所述机器人基座2旋转，以使所述机舱装置10的座位17中的操作人员感知腹侧位置（参看图8）的离心力。
图2示出了所述机舱装置10的一个可选的方位，该机舱装置也是水平地布置。然而，用于操作人员的座位17和旋转轴线A之间的距离几乎是零，因此所述机舱装置10能够被重新定位而不会引起任何明显的离心力。
图3示出了所述机舱装置10的一个不同的方位，其中，所述座位17中的操作人员面对旋转轴线A。因此，所述座位17中的操作人员感知作为背侧指向的力（参看图8）的离心力。
应该指出，如果没有包括所述支架11和导轨12的附加座位轴，如图3中示出的所述机舱装置10的方位是不可能的。另外，通过绕旋转轴线A持续地旋转所述机舱装置10，所述座位轴允许模拟向前加速。
图1和图4的比较示出了通过所述支架11相对于弯曲的导轨12的滑动移动实现的移动。为达到如图3示出的所述机舱装置10的方位，所述导轨12和所述机舱11之间接触点的移位是必需的。
另外，图4示出了所述机舱装置10的另一方位，其中，所述机舱装置10以90°的角度向前倾斜，从而座位17中的操作人员朝向地基3向下看。因此，座位17中的操作人员感知由所述多轴串联式机器人1的旋转产生的作为头颅指向的力（参看图8）的离心力。
图7示出了本发明的一种可选的实施例，其很大程度上对应于根据图1-6的实施例。因此，可以参考以上描述并且为对应的零件和细节使用同样的附图标记。
该实施例的一个特征在于，所述运动模拟器附加地包括线性轴19，其中，所述机器人基座2安装于线性轴19上，因此所述多轴串联式机器人1能够沿线性轴19以箭头的方向移动。
因此，所述线性轴19扩展了所述运动模拟器的工作空间，因而提高了模拟的真实感。
虽然参照了部件、特征等的特殊布置描述了本发明，但这并不意图排除所有可能的特征布置，事实上，对于本领域的技术人员来说，也可以想到许多其它修改和变化。
附图标记列表
1多轴串联式机器人
2机器人基座
3地基
4基座轴
5机器人联接机构
6机器人臂
7机器人臂
8手腕
9手腕的装配法兰
10机舱装置
11支架
12导轨
13机舱
14导轨的臂
15导轨的臂
16导轨的弯曲部分
17座位
18控制杆
19线性轴
A旋转轴线

Claims (15)

1.一种用于模拟运载工具、特别是飞行器的运动的运动模拟器，包括：
a)多轴串联式机器人（1），其包括可旋转的基座轴（4），以及
b)用于操作人员的座位（17），其中，所述座位（17）加装于所述多轴串联式机器人（1），使得所述座位（17）能够通过所述多轴串联式机器人（1）在空间中移动来模拟真实运动，
其特征在于
c)所述运动模拟器适于通过产生作用于操作人员的离心力来模拟长时间持续的加速或减速。
2.如权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，所述多轴串联式机器人（1）的可旋转的基座轴（4）能够无限制地旋转，以通过产生离心力来模拟加速，所述离心力通过所述座位（17）绕所述多轴串联式机器人（1）的基座轴（4）的旋转产生。
3.如权利要求2所述的运动模拟器，其特征在于，所述可旋转的基座轴（4）包括：
a)滑环，其在可旋转轴的可旋转部件之间建立电连接，和/或
b)旋转供送装置，其在可旋转的基座轴（4）的可旋转部件之间建立气动或液压连接。
4.如前面权利要求中任一所述的运动模拟器，其特征在于，该运动模拟器还包括线性轴（19），其中，所述多轴串联式机器人（1）能够沿所述线性轴（19）移动，使得所述多轴串联式机器人（1）的工作空间被扩展，从而使模拟更加真实。
5.如权利要求4所述的运动模拟器，其特征在于，所述线性轴（19）允许所述多轴串联式机器人（1）产生多于2m、4m、6m、8m或甚至多于10m的线性移动。
6.如前面权利要求中任一所述的运动模拟器，其特征在于，
a)所述座位（17）通过附加的座位轴（11、12、14-16）加装于所述多轴串联式机器人（1）的工具中心点，其中，所述座位轴（11、12、14-16）允许座位（17）相对于所述多轴串联式机器人（1）的工具中心点移动，和/或
b)所述座位轴（11、12、14-16）至少允许所述座位（17）在所述座位（17）中的操作人员的矢状面内旋转，和/或
c)所述座位轴（11、12、14-16）允许在所述座位（17）中的操作人员的矢状面内产生至少90°的旋转移动，和/或
d)所述座位轴（11、12、14-16）至少允许所述座位（17）在所述座位（17）中的操作人员的横切面内旋转，和/或
e)所述座位轴（11、12、14-16）至少允许所述座位（17）在所述座位（17）中的操作人员的冠状面内旋转，和/或
f)所述座位（17）的旋转通过所述座位轴（11、12、14-16）单独实现或通过所述座位轴（11、12、14-16）以及所述多轴串联式机器人（1）的其它轴共同实现。
7.如权利要求6所述的运动模拟器，其特征在于，
a)所述座位（17）能够被定位成使由所述多轴串联式机器人（1）绕基座轴（4）的旋转引起的离心力相对于操作人员指向头颅，和/或
b)所述座位（17）能够被定位成使由所述多轴串联式机器人（1）绕基座轴（4）的旋转引起的离心力相对于操作人员指向尾部，和/或
c)所述座位（17）能够被定位成使由所述多轴串联式机器人（1）绕基座轴（4）的旋转引起的离心力相对于操作人员指向腹部，和/或
d)所述座位（17）能够被定位成使由所述多轴串联式机器人（1）绕基座轴（4）的旋转引起的离心力相对于操作人员指向背部，和/或
e)所述座位（17）能够被定位成使由所述多轴串联式机器人（1）绕基座轴（4）的旋转引起的离心力相对于操作人员指向侧部。
8.如权利要求6或7所述的运动模拟器，其特征在于，
a)所述座位轴（11、12、14-16）包括弯曲的导轨（12）和支架（11），所述支架（11）能够沿所述导轨（12）移动，和/或
b)所述支架（11）加装于所述多轴串联式机器人（1）的工具中心点并且所述导轨（12）加装于座位（17），使得所述座位（17）能够相对于所述多轴串联式机器人（1）的工具中心点移动，
c)所述导轨（12）为大致L形、C形、圆形、椭圆形或O形，和/或
d)所述导轨（12）连同所述座位（17）能够绕垂直轴线旋转。
9.如前面权利要求中任一所述的运动模拟器，其特征在于，
a)所述座位（17）布置在机舱（13）中，和/或
b)所述机舱（13）是密闭的，使得操作人员感知不到所述机舱（13）相对于外界的任何倾斜，和/或
c)所述机舱（13）包括至少一个视觉显示器，特别是投影显示器和/或立体显示器，和/或
d)所述机舱（13）成所模拟的运载工具、特别是真实的直升机的机舱或驾驶舱的形状。
10.如前面权利要求中任一所述的运动模拟器，其特征在于，所述运动模拟器还包括：
a)硬件限制止动器，其用于限制所述多轴串联式机器人（1）的运动空间以避免碰撞，和/或
b)软件限制止动器，其用于限制所述多轴串联式机器人（1）的运动空间以避免碰撞，和/或
c)多级安全装置，其包括在操作程序中的软件终端止动器、在机器人控制器中的软件终端止动器以及在所述多轴串联式机器人（1）中的硬件终端止动器。
11.如前面权利要求中任一所述的运动模拟器，其特征在于，所述基座轴（4）能够绕垂直轴线旋转。
12.一种用于借助于承载有座位（17）的多轴串联式机器人（1）模拟运载工具、特别是飞行器的运动的方法，包括下述步骤：
a)将操作人员置于座位（17）中，
b)在空间中连同操作人员一起移动所述座位（17），以模拟真实的操作人员的移动，
其特征在于，
c)通过产生作用于操作人员的离心力来模拟长时间持续的加速或减速。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，可旋转的基座轴（4）旋转2、3、4、6或8圈以上，以模拟对应的长时间持续的加速或减速。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤：
沿着至少一个线性轴（19）移动多轴串联式机器人（1），以扩展所述多轴串联式机器人（1）的工作空间，从而使模拟更加真实。
15.如权利要求12-14中任一所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤：
a)定位所述座位（17），使其背部靠向所述可旋转的基座轴（4）的旋转轴线（A），以便模拟指向腹部的减速或指向背部的加速，和/或
b)定位所述座位（17），使其前侧朝向所述可旋转的基座轴（4）的旋转轴线（A），以便模拟指向腹部的加速或指向背部的减速，和/或
c)定位所述座位（17），使其座位区域朝向可旋转的基座轴（4）的旋转轴线（A），以便模拟指向头颅的加速或指向尾部的减速，和/或
d)定位所述座位（17），使其上侧朝向可旋转的基座轴（4）的旋转轴线（A），以便模拟指向尾部的加速或指向头颅的减速。
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