CN103035141A - 一种运动平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运动平台系统，该系统含有一个通过位移单元6支撑于底座4上的运动平台2。位移单元6含有一个用于驱动曲柄臂12的驱动单元8。连接臂14连接于曲柄臂12和运动平台2之间，由此通过对驱动单元8进行合适的驱动来实现运动平台2的平移或斜向运动。每个连接臂14具有一个曲线形轮廓，由此通过该长度较短的连接臂14可以实现运动平台2的全方位运动。连接臂14和曲柄臂12之间的连线可以移动至接近于曲柄臂12甚至置于其中。置于底座4上的运动平台2的高度，以及驱动单元所承受的负荷，由此得以降低。

Description

一种运动平台系统

技术领域

本发明涉及一种运动平台系统，特别（但不仅仅）涉及一种用作模拟器（如飞机模拟器或陆用机动车模拟器）的一部分的运动平台系统。

背景技术

众所周知，模拟器可用于模拟飞机、陆用机动车（如赛车或拉力赛车），以及其他一些机械的运转方式。这种模拟器可用于培训或者娱乐，它通常包含有一个运动平台系统，该系统可支持一些设备，如飞行员或驾驶员的座椅以及关联控件。一个或多个显示屏代表了通过车辆挡风玻璃的视野。运动平台系统通过操控运动平台的移动来模拟加速对驾驶员或者飞行员产生的效果。这些模拟​​效果与显示屏上的视图相协调，并可以模拟一些作用对驾驶员或飞行员产生的效果，如因重力产生的加速作用、因对控制系统输入一些外部信息（如路面情况或地势，或气流）所产生的离心、加速或者减速作用等。

US 2002/0055086公开了一个运动平台系统的例子，它包含一个由连接臂支撑的运动平台，通过该连接臂，运动可由电传动马达传输至平台。该传动马达接收来自控制模拟器的软件的信号，以移动平台至一系列的对应要实现的模拟效果的位置。

US 2002/0055086公开了六轴运动平台系统，从而能够相对一个直角坐标参照系平移或旋转该平台。该系统具有六个自由度，即三个平移自由度和三个旋转自由度。

通过可绕马达输出轴中轴作360 ^o转动的曲柄臂，马达得以作用于连接臂上。模拟器操作期间，连接臂对曲柄臂施加非常高的负荷，此时会对输出轴产生较大的弯矩 。此外，连接臂不仅能绕平行于输出轴的枢轴作相对于曲柄臂的转动，而且当运动平台在其他的连接臂作用下产生平移位移时，能随之作向内和向外的摆动。

为了适应系统连接臂复杂的相互关联的运动，连接臂不可避免地以较长的形式存在，这导致运动平台距离系统底座的高度差相对较大。尽管有必要减少这一高度差，但这需要缩短连接臂的长度，这反过来又使连接臂要相对于对应的曲柄臂作进行更大范围的枢转运动。这可能会导致连接臂的运动包络（movement envelopes）与系统的其他部分相撞击。延伸连接曲柄臂与连接臂的曲柄销（crank pin）的长度可以减少撞击的风险，但这加大了由连接臂作用于驱动马达输出轴的弯矩上的力臂。这将增加支撑输出轴的轴承的负载，并由此可导致轴承过早损坏。这一问题的另一种解决方案是软件编程，以此来限制运动平台的位移范围，使其在不会导致控制臂和系统的其他部分相互干扰的位置范围内移动。但这降低了系统的活动性，并且还需要实际的硬挡块（hard stop），从而在由于部件故障或编程错误导致的超出可接受范围的运动包络发生时限制运动。

发明内容

由此，本发明的目的在于提供一种运动平台，该平台可被设计得具有降低的高度。本发明的目的是通过以下运动平台实现的。

本发明提供了一种运动平台系统，该系统包括由含有多个位移单元的位移机构支撑于底座上的运动平台，每个位移单元包括一个具有转动输出构件的驱动单元、一个能被输出构件驱动的曲柄臂、以及连接臂，所述连接臂在其相应末端通过第一和第二连接装置连接至曲柄臂和平台。所述第一连接装置包括一个位于远离输出部件所在轴的3-轴轴承。连接臂具有的结构使得连接臂的一部分横向偏离于在第一和第二连接装置之间延伸的直线。

申请人发现，通过使得连接臂的一部分横向偏离于在第一和第二连接装置之间延伸的直线，可缩短含有3-轴轴承的平面和驱动单元的平面（特别是驱动单元的轴承平面）之间的力矩臂。由于能够缩短这一力矩臂，弯曲力矩可显著减少，由此可以显著延长驱动单元尤其是它的轴承的使用寿命，同时可以降低平台高度。

所述的偏离是指，连接臂（该臂能对第一和第二连接装置上的力进行传递）偏离于在所述的两个位点之间的直线路线。偏离部分可具有任何形式。连接臂除偏离部分外会适当地沿着所述第一和第二连接装置的最短距离运作，使得两个连接装置可如图所示呈现于一个平面上。每个连接臂的偏离可适当地在轮廓上提供一个凹形区域，系统运作时，可通过该凹形区域容纳曲柄臂。具有凹形区域是优选的方案，因为它可以最小化连接臂所承受的应力。

运动平台在其使用中能够在运动包络中移动。不同部件应被设计使得在运动平台的移动包络中所有可能的位置上，连接臂和相应的曲柄臂，或者其它的系统部件相互之间都不接触。本发明尤其适用于下述的运动平台，该平台中第一和第二连接装置之间延伸的直线，将在运动包络中至少一个可能位置上穿过相应的曲柄臂或系统的其他部分。

3-轴的轴承可以包括一个球面轴承部件，它可在互补的球面里枢转。在一个实施例中，球面轴承部件通过固定于曲柄臂上的曲柄销所承接，所述的球面设于连接臂中。在另一个实施例中，所述球面轴承部件由连接臂的一个横向延伸部位所承接，所述的球面设于曲柄臂中。

连接臂可包括连接臂主体和固定在主体上以提供所述横向延伸部位的销。

连接臂可包括支承壳体和提供所述横向延伸部位的销。该销可在支承壳体内旋转。

每个位移单元的连接臂可在第一和第二连接装置之间平滑地弯曲。根据本发明的一个实施例，连接臂可具有“低弯度S”（lazy S）型构造。

连接臂可具有与输出构件的旋转轴相平行的平坦的外形。连接臂可由两个平行的、间隔开的板构成。

第二连接装置可以包括一个2-轴接头，如万向接头。

在一个特定的实施例中，每个位移单元的驱动单元包括一个电动马达。马达可以直接驱动或者通过一个减速齿轮来驱动曲柄臂，在通过减速齿轮驱动的情况下，旋转的输出构件就是减速齿轮的输出构件。

这一系统可包括一个六轴系统。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且更清楚地展示这一发明如何有效运行，附图将以示例的形式提供参考。附图中：

图1是基于本发明的运动平台系统的立体图；

图2是图1所示系统的侧视图；

图3是一现有运动平台系统的连接臂和曲柄臂的侧视图；

图4是基于本发明的运动平台系统的连接臂和曲柄臂的侧视图；

图5是图1和图2中运动平台系统的连接臂和曲柄臂的侧视图；

图6是图1和图2中运动平台系统的位移机构的视图；

图7是图6中位移机构的侧视图；

图8是图6和图7中位移机构的剖视图；

图9是图5中连接臂和曲柄臂的另一实施例；

图10是图9中位移机构的侧视图；

图11是图9和图10中位移机构的剖视图;

图12是图11中B部分的细节放大图。

具体实施方式

图1和2显示的是本发明的系统，该系统为一个6轴系统（即提供了6个自由度），含有一个运动平台2，该运动平台可在直角坐标系中以任意方向平移，并可绕任意的轴转动。该运动平台2由一个含有6个位移单元6的位移机构支撑于底座4上。

运动平台2大致呈三角形，位移单元6两两成对分组，每对单元在相应的一角支撑运动平台2。

每个位移单元6含有一个以电动机7的形式存在的驱动单元8，该电动机7通过减速齿轮装置9驱动输出轴10。曲柄臂12固定至输出轴10，并且，在远离输出轴10中的旋转轴的位置上，连接于连接臂14的第一端。连接臂14的第二端通过一个万向接头16连接至运动平台2。

将意识到的是，在系统运作过程中，驱动单元8可以使曲柄臂12全方位360 ^o地旋转，由此连接臂14的第一端可以设置于环绕中心位于输出轴10的轴上的圆圈的任一位点上。连接臂14的第一端沿着环形轨迹运动，从而在上死点和下死点处，连接臂行程的末端可形成平滑的过渡，由此提供了固有的安全性能。

运动平台2的位置及取向取决于6个位移单元6的各个曲柄臂12的位置。通过为各个驱动单元8的电机输出驱动信号的控制软件可以实现对该系统的控制。这些输出的信号决定了曲柄臂12的一系列目标方位，同时了决定了曲柄臂12的速度及加速模式。

基于与多种参数（如汽车操纵情况及环境因素，如路面情况）储存值相关的多个输入信号，控制软件计算出输出信号。由该模拟汽车的驾驶员所输入的额外的信号，如转向、刹车或加速等信号，也实时地输入至控制软件。

基于这些输入的信号，运动平台开始或是平移或是倾斜的移动，由此产生了加速作用力，其模拟真实汽车的驾驶员所感受到的作用力。将意识到的是，在该系统的运作过程中，驱动单元8的电机对连接臂14和曲柄臂12产生大量的负荷。

图3至图5显示了具有各自的曲柄臂的连接臂的3种不同形式。在图3至图5中，尽管相对于图5，图3的数字增大了200，图4的数字增大了100，但可以理解的是图中同一数字表示了同一部件。

图3显示了一个已知系统的连接臂214，如美国申请US 2002/0055086所公开的系统。该连接臂214为 直线型，通过3-轴轴承217形式的第一连接装置连接于曲柄臂212上。轴承217含有一个由连接于曲柄臂212上的曲柄销250所承接的球面轴承部件218。连接臂214具有与轴承部件218互补的内球面。连接臂214由此可以绕三个直角坐标轴方向（即，曲柄销250的轴向及两个垂直于曲柄销250的轴向），在球面轴承部件上作绕轴旋转或转动。

驱动单元108通过轴承254支持一个以变速器输出轴210形式存在的输出元件。轴承254的中心面如线X所表示。曲柄臂212通过螺栓256固定于输出轴210上。

连接臂上远离轴承217的一端具有一个配件258，该配件258构成第二连接装置的一个部分，连接臂通过该第二连接装置耦合于运动平台2上（图3未显示）。图中显示的曲柄销250位于其下死点位置，由此配件258所处的位置最接近于输出轴210。

当操作图1和图2所示的系统时，运动平台2通过位移单元6的组合动作在底座4上移动和倾斜。若连接臂具有如图3所示的连接臂214的形式，在运动平台2的移动过程中，每条连接臂214绕着球面轴承部件218的中心，相对于曲柄臂212作绕轴旋转或转动。这种移动包含了连接臂214绕轴摆动运动，所绕的轴为与图3所示平面垂直并经过球面顶部218中心位置的轴，所述球面顶部218中心位置位于与轴承254的中心平面X平行的平面Y上。这种运动使得连接臂214朝远离中心平面Y的方向移动至一个最大的摆动角度α。

将意识到的是，连接臂214朝中心平面X的移动受曲柄臂212所限制。当对连接臂214的长度进行最小化，以最小化运动平台与底座4之间的高度差时，有必要通过最大化配件258的行程来最大化运动平台2的运动包络。因此，如图3所示的，需要选取合适长度的配件250，通过对平面Y进行合适的定位，使其覆盖球面轴承218的中心，定位于离轴承254的中心平面X相对较远的位置， 来最大化配件258的位移。

在操作过程中，通过运动平台2和曲柄臂212之间的连接臂214所传送的负荷，使输出轴210产生弯曲力矩。负荷所产生的轨迹即是连接第一和第二连接装置217，258的线260，在如图3的实施例3中，这条线与连接臂214的中线重合。该弯曲力矩的运动臂即中心平面X和中心平面Y之间的距离A。鉴于曲柄销250的长度，该弯曲力矩相对较大，由此容易导致轴承254过早损坏。

图4显示了如图3所示的系统的优化配置。在该实施例中，曲柄销150明显短于图3所示的曲柄销150。如图4所示的，末端的配件158为万向接头115的一个联结座，万向接头提供了处于连接臂114和运动平台2之间的一个2-轴耦合。为了容纳连接臂114的旋摆运动以保持末端配件158的最大位移，连接臂114设置成曲线形，提供了一个横向偏离于线160（该线延伸于第一和第二连接位点117,115之间）的部位162。这种横向的偏离产生了一个凹形区域146，从而在如图4所示的位置容纳曲柄臂112。

在这种构造中，中心平面X和Y之间的运动臂B显著地小于如图3所示的运动臂A，由此可以减小施加于输出轴110上的弯曲力矩，从而延长轴承154的使用寿命。

进一步的，本发明的另一实施例如图5，以及图1，2，6-8所示。

在该实施例中，连接臂114通过一个第一连接装置（含有3-轴轴承17）连接于曲柄臂12上。该轴承17具有一个由扁平销16所承载的球面轴承部件18。该销16的球面轴承部件18由一个处于曲柄臂12中的互补的球面衬垫22所承接。销16牢固地固定于连接臂14上，由此连接臂可以相对于曲柄臂12作任意方向上的绕轴旋转或转动。与现有技术所公开的运动平台的第一连接装置不同，图5所示的连接装置类似于人类的髋关节。在图5所示的实施例中，轴承17 为平面轴承。在另一个实施例中，衬垫22可以由滚针支承在曲柄臂12内，由此连接臂14的转动可伴随有衬垫22在曲柄臂12内的的转动，而绕轴旋转则可伴随有顶部18和衬垫22之间的滑动。

如图3和图4显示的实施例，曲柄臂12通过螺栓牢固地固着于输出轴上。

连接臂14远离轴承17的一端通过第二连接装置20连接于运动平台上，所述第二连接装置20是万向接头形式的2-轴连接。该接头含有一个具有一对耳轴（trunnion）的叉架28（cross），耳轴可收容于连接臂的开口66，该接头还具有另一对可收容于固着至运动平台2的联结座30内的耳轴上。因此，连接臂14可围绕由叉架28界定出的两个轴相对于运动平台2枢转。

如图6所示，连接臂14形状大致平坦，由两片相同形状的板32，34制成。板32，34通过间隔物36以及销16的扁平部分被分隔开来，并通过合适的固件38（如螺母或螺栓）固着在一起。叉架28支撑于板32，34之间。

如图4和图5所示的，第一和第二连接装置之间延伸的直线，在运动平台的运动包络中如图示的位置上，穿过相应的曲柄臂或系统中的其他部分。

如图6所示的，板32，34互相依靠，两者具有同样的“低弯度S”型轮廓，并从轴承17向万向接头15的方向逐渐变细。由此，连接臂14具有一个从销16斜向中间部位42的第一部位40，所述中间部位42以一个小于90°（比如，30°-60°）的第一角度倾向第一部位40。

中间部位42延伸至一个设有开口66的第二部位44，该第二部位44以一个第二角度倾向中间部位42，所述第二角度小于第一部位40及中间部位42之间形成的夹角，并且与该夹角成相反方向。该第二角度可以为10°至45°。由此，第二部位44横向地偏离于第一部位40，从而在如图5，7，8所示的位置处，第二部位44处于驱动单元8的上方。第一和第二部位40，44通过中间部位42以平滑的曲线过渡融合。

可从图5和8看出，连接臂14的轮廓上设置有一个横向偏离于线60（该线在第一和第二连接装置17,15之间延伸）的部位62。这种横向偏离所形成的位于第一部位40和中间部位42之间的曲线，进一步形成了一个凹形区域46，如图5和图8所示的，在处于底中心条件下，该凹形区域所形成的空间可以容纳曲柄臂12。连接臂14的这种构造由此可以使得连接臂相对地短于现有运动平台系统的连接臂，并且不会与曲柄臂12或系统中的其他部位相撞击。

进一步地，由于球面轴承部件18收容于曲柄臂12内，中心平面X和Y之间的矩臂C与图4中的矩臂B相比得以进一步的减小，由此可进一步减小施加在输出轴52上的弯曲力矩，进一步延长轴承54的使用寿命。

图9和图12显示了如图5和图8所示的实施例的另一种方案。在该实施例中，球面轴承部件18所设置的销71可以相对于连接臂14作转动。此时，在销71和连接臂14之间设置有滚动轴承机构72，销71的轴同时也是轴承机构72的转轴。轴承72的轴承内圈73与销71相配，轴承外圈74则配合于轴承支撑壳体70内。在这些图例中，轴承支撑壳体70是作为臂14的一部分。螺母75将销71固定于支撑壳体70内，并预载着轴承72。与图5至图8所示的实施例相比，这种构造的优势在于，部分运动可以在轴承支撑壳体中进行，由此，球面轴承部件18所负荷的运动更少，进而更为耐用。

图1，2，5-12所示的连接臂14的轮廓，使得运动平台系统与现有的系统相比高度更低，同时又能保持运动平台2的全方位运动，并减少驱动单元8的输出轴10上的轴承所承受的负荷。进一步地，构建该连接臂14的过程相对较为简单，通过激光切割将平板（如钢板）制成板32和34，再与销16和叉架28进行简单的连接。除此，连接臂14的这种构造可以使得曲柄臂12具有更厚的造型。

尽管本发明是结合一个6-轴运动平台系统进行阐释的，其含有六个位移单元6，但是，应当肯定的是，借由本发明所蕴含的规律，发明的理念也可以应用于具有较少自由度的运动平台系统中。

Claims (13)

1.一种运动平台系统，含有一个运动平台，其特征在于所述运动平台通过一个位移机构支撑于底座上，所述的位移机构含有多个位移单元，每个位移单元含有一个驱动单元，每个驱动单元含有一个转动输出元件，一个通过输出元件驱动的曲柄臂，以及一个连接臂，所述连接臂在其相应端部分别通过第一和第二连接装置连接至曲柄臂和平台，所述第一连接装置含有一个远离于输出元件的轴的3-轴轴承，所述连接臂中的一个部分横向偏离于第一和第二连接装置之间所延伸的直线。

2.如权利要求1所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂的偏离部分限定出连接臂轮廓上的一个凹形区域，在系统运作过程中，所述凹形区域容纳曲柄臂。

3.如权利要求1或2所述的运动平台系统，其特征在于所述的3-轴轴承含有一个球面轴承部件，所述球面轴承部件能够在互补的球面内枢转。

4.如权利要求3所述的运动平台系统，其特征在于所述的球面轴承部件由固定于曲柄臂的曲柄销所承接，所述的球面设于连接臂中。

5.如权利要求3所述的运动平台系统，其特征在于所述的球面轴承部件由连接臂的一个横向延伸部位所承接，所述的球面设于曲柄臂中。

6. 如权利要求5所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂含有一个连接臂主体和一个固定于所述主体的销，用以提供所述的横向延伸部位。

7.如权利要求5所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂含有一个支撑壳体和一个用以提供横向延伸部位的销，所述的销可转动地设于支撑壳体内。

8.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂在第一和第二连接装置之间成平滑的曲线型。

9.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂呈扁平的轮廓，平行于所述输出元件的旋转轴。

10.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的连接臂含有两片分隔开来的平行的板。

11.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的第二连接装置含有一个2-轴接头。

12.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的驱动单元含有一个设有减速齿轮的电机。

13.如上述任一权利要求所述的运动平台系统，其特征在于所述的运动平台是一个6-轴平台，所述系统含有6个位移单元。

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