CN103703499B - 用于模拟加速度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟用于人的加速度的装置和方法，有主加速度作用到该人上，主加速度注意通过使人有距离地围绕主轴线旋转和通过重力加速度来产生，其中，主加速度的值和方向至少由重力加速度、切向加速度和径向加速度来确定，其中，人相对于主加速度的方向的位置注意通过人围绕至少两个副轴线的旋转和/或定位来确定，其中，副轴线伸延通过处在人的区域中的中心，其中，在主加速度的值和方向改变时，初级误差力作用到人上，初级误差力通过人围绕副轴线旋转至少部分地来补偿，并且其中，由于人围绕副轴线旋转，次级误差力作用到人上，并且其中，通过使人围绕三个副轴线旋转和定位来减小次级误差力。

Description

用于模拟加速度的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于模拟人的加速度的方法，有主加速度作用到该人上，主加速度主要通过使人有距离地围绕主轴线旋转和通过重力加速度来产生，其中，主加速度的值和方向至少通过重力加速度、切向加速度和径向加速度来确定，其中，人相对于主加速度的方向的位置主要通过人围绕至少两个副轴线的旋转来确定，其中，副轴线伸延通过处在人的区域中的中心，其中，在主加速度的值和方向改变时，初级误差力(Fehlkraft)作用到人上，初级误差力通过人围绕副轴线旋转至少部分地来补偿，并且其中，由于人围绕副轴线旋转，次级误差力作用到人上。
此外，本发明涉及一种用于模拟人的加速度的装置，其包括：第一承载元件，其具有用于至少一个人的保持装置并且可围绕第一副轴线相对于第二承载元件旋转地来布置；第二承载元件，其可围绕第二副轴线相对于第三承载元件旋转地来布置，其中，第一副轴线和第二副轴线彼此大致正交地布置。
背景技术
根据本发明的装置和根据本发明的方法尤其用于模拟运动的系统，例如车辆、船舶、飞机等。在此，经由大量人工产生的感觉给位于空心体或舱室中的人模拟虚拟的现实。这些感官刺激一方面是视听刺激，其经由图像重现面以及声音重现系统来输送给使用者，而另一方面经由该装置和该方法产生作用到使用者上的加速度或力。通过视听的和物理的感觉印象(Sinneseindruck)的组合，人的大脑演绎虚拟的运动状态。感觉越精确地等同于这样的情况的实际感觉，该虚拟对于使用者越逼真地起作用。出于该原因，尽可能接近实际地将这些信号输送给使用者是重要的。此外，该装置和该方法包括由人影响运动模拟的可能性。通过其，人例如可在虚拟的、模拟的世界中控制所模拟的对象的运动。
人的该控制信号和可能的环境影响(风、道路平整度等)被输送给物理的模拟模型，其相应于所模拟的对象的实际特性的数学描绘。其包含例如惯性、阻力等量。借助于该模型来计算加速度或力及其方向，其应在虚拟的世界中被输送给使用者。这经由通过控制单元控制不同的驱动器实现。
长期以来已知用于模拟人的加速度的装置、尤其运动模拟器和定向训练器以及用于其运行的方法。
例如已知单臂离心机，在其中使人与主轴线成一定距离地沿着大致圆形的轨道旋转。在此，除了重力加速度之外，径向加速度作用到人上，径向加速度主要由角速度和在人与主旋转轴线之间的距离来确定。在角速度恒定时，作用到人上的主加速度相应于由重力加速度和径向加速度合成的加速度。在角速度变化时，除了径向加速度之外，还出现切向加速度。在角速度非匀速时，作用到人上的主加速度因此由径向加速度、切向加速度和重力加速度的矢量叠加组成。
为了在模拟的对象中将运动逼真地输送给人，人可围绕至少两个自由度运动和定位。这些自由度的技术解决方案经由一舱室(在其中人可固定在座位上)实现。该舱室可旋转地布置在滚动环处。滚动环可旋转地布置在单臂离心机的主臂处。也被称为副轴线的这两个旋转轴线彼此正交。相应于现有技术，其具有处在人的头部的区域中的交点。通过这两个旋转自由度，可来选择人相对于主加速度的位置。
例如为了模拟沿着身体竖轴线的线性加速度，使人沿着运转轨道(Kreisbahn)围绕主旋转轴线运动。人的观察方向切向地伸延。结果使角速度提高，由此合成的主加速度同样提升。在此，人关于这两个副轴线被定位成使得主加速度矢量具有与人的身体竖轴线相同的方向。通过经由图像还原面(Bildwiedergabeflaeche)输送给人的光学感觉来支持该效果。在角速度提升时，径向加速度提升，其中，然而由此也改变了合成的主加速度的方向。因为主加速度的方向的该偏移会被人感觉为侧向力，也可通过围绕副轴线旋转来匹配人的位置。由于角速度的提升引起的切向上的加速度也可通过人的位置变化来补偿。在主臂的角速度变化、即在围绕主轴线旋转时产生的主加速度的方向的偏移和变化被称为初级误差力。其通过人的旋转、定位和/或位置变化来补偿。
在现有技术中不利的是，由于补偿初级误差力而产生另外的次级误差力。例如，对于人来说可感觉到人围绕副轴线的过快的旋转。
然而，该感觉印象然而与视觉地示出的图像和所模拟的运动过程相矛盾。这导致大脑的错误演绎并且因此不导致逼真的模拟。
现有技术的另一缺点是，人在围绕主轴线旋转时除了围绕主轴线的平移的(translatorisch)圆周运动之外还经历围绕身体轴线的旋转。然而其在短暂的适应阶段之后不再被人体的平衡器官感觉到。如果现在使人体的平衡器官或者说人附加地围绕不平行于主轴线伸延的轴线旋转，这在平衡器官中产生扭转变化和扭转力(Drallkraft)，这导致另外的感觉干扰。虽然可通过逼真的视觉印象来改善感觉。然而，在出现闪眼(Augenflackern)的前庭目反射(vestibulookulaer Reflex)的情况中不再能或仅非常受限地感觉到视觉刺激。
发明内容
现在，本发明的目的是提供一种用于模拟人的加速度的装置和方法，其改善模拟的质量。此外，本发明的目的是减小次级误差力。本发明的另一目的是防止由人脑错误演绎、尤其改善光学的和物理的感觉印象的组合并且克服现有技术的缺点。
根据本发明的目的由此来实现，即通过使人围绕三个副轴线旋转和定位来减小次级误差力。此外，根据本发明的目的由此来实现，即为了补偿或减小次级误差力，第二承载元件可围绕第三副轴线旋转地布置在运动装置处。
另外的有利的特征是，为了减小次级误差力提高初级误差力，为了减小在一平衡平面中的初级误差力和/或次级误差力提高在另一平衡平面中的初级误差力和/或次级误差力，由次级误差力引起的角加速度处在人的刺激阈值(Reizschwelle)的范围中或在其之下，由初级误差力引起的角加速度和由次级误差力引起的角加速度处在人的刺激阈值范围中或在其之下，初级误差力包括主加速度误差力和/或科里奥利误差力而次级误差力包括扭转误差(Drallfehler)和/或旋转惯性力，并且/或者为了减小旋转惯性力来限制和/或减弱人围绕副轴线的旋转的角加速度和/或角加速度的梯度。
根据本发明可设置成，使人围绕主轴线和围绕副轴线旋转，使得在此每个拱道(Bogengang)在相应的平衡平面中的角加速度处在人的刺激阈值的范围之下，该刺激阈值在0.8°/s2与5°/s2之间、优选地在1°/s2与3°/s2之间，为了模拟沿着人的身体轴线的变化的加速度，使人以恒定的第一角速度围绕主轴线旋转，在其中第一主加速度的方向与重力加速度的方向具有第一角度，接下来使人加速或减速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向与重力加速度的方向具有第二角度，并且在此人的第三平衡轴线被旋转或已旋转到与切向平面偏离的方向上。
根据另外的方法特征设置成，为了模拟沿着人的身体轴线的变化的加速度，使人以恒定的第一角速度围绕主轴线旋转，在其中第一主加速度的方向与重力加速度的方向具有第一角度，接下来使人加速或减速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向与重力加速度的方向具有第二角度，在此人的第三平衡轴线被旋转或已旋转到与切向平面偏离的方向上，并且使人的身体轴线旋转到在第一主加速度的方向与第二主加速度的方向之间的中间位置中和/或到第一主加速度的范围中或到第二主加速度的范围中，并且/或者在角速度恒定时使人的第三平衡轴线基本上处在径向平面中。
根据另外的方法特征设置成，在角速度恒定时使人的第三平衡轴线基本上处在切向平面与径向平面之间的平面中，人的第三平衡轴线在切向平面与径向平面之间的位置通过人围绕三个副轴线的旋转来控制或主动调节，人的身体轴线在切向平面与径向平面之间的位置通过人围绕三个副轴线的旋转来控制或主动调节，并且/或者身体轴线和平衡轴线的旋转通过人围绕副轴线的位置变化来改变或定位。
此外，本发明特征在于，第二副轴线和第三副轴线彼此大致正交地布置，设置有至少一个控制单元用于控制和/或主动调节用于承载元件和运动装置的运动的驱动器，并且/或者承载元件的驱动器围绕副轴线的运动通过控制单元来控制和/或主动调节，并且该运动处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。另外的有利的特征是，通过控制单元来控制副轴线的驱动器的运动，其中，该运动的角加速度处在人的刺激阈值之下，该装置设立用于实施根据本发明的方法并且/或者运动装置实施为单臂离心机、实施为带有可移动的滑座的离心机、实施为带有可移动的举升滑座的离心机、实施为带有可在两侧移动的滑座的双臂离心机、实施为带有可在两侧移动的举升滑座的双臂离心机或者实施为带有至少一个旋转的和/或平移的自由度的机器人臂。
为了更加清楚下面来定义一些基本概念：
人具有两个布置在头部的区域中的平衡器官。每个平衡器官包括三个拱道，在其中可通过感觉细胞来探测粘性的液体的相对速度。每个平衡器官的三个拱道基本上处在三个平衡平面中。第一平衡平面、第二平衡平面和第三平衡平面彼此大致正交并且布置成使得其可成对地探测围绕人的平衡轴线的运动。第一平衡轴线大致沿着人的主观的竖轴线伸延，第二平衡轴线大致相应于人的两个耳朵或两个眼睛的连接直线的平行线，而第三平衡轴线大致相应于在笔直指向地不移动地观察时的观察方向的平行线。这三个平衡轴线彼此大致正交。第一平衡轴线例如相应于偏航轴线(Gierachse)，第二平衡轴线相应于俯仰轴线(Nickachse)而第三平衡轴线相应于滚动轴线。这三个轴线彼此在人的头部的区域中、优选地在身体的对称平面中、在人的耳朵之间的区域中或在人的心脏的区域中相交。
此外，在人的平衡器官中设置有用于探测线性加速度的加速度传感器。这些加速度传感器中的一个探测竖直的加速度，另外两个探测水平的加速度。
人的平衡器官以极其高的精度感觉到加速度以及身体的位置和位置变化。尽管如此，存在一定的刺激阈值，在其之下感觉不到加速度以及位置变化。这些刺激阈值一方面取决于个人的敏感性，另一方面其可通过环境影响、例如视觉刺激来影响。例如如果人暴露于极强的压力和清楚的视觉刺激、例如地平线的示出，则刺激阈值远高于在没有视觉刺激的静止环境中。
此外，刺激阈值对于所有运动或加速过程不一样高。由此例如与在第三平衡平面中的人的错位(Fehlstellung)相比，在第二平衡平面中人的错位不那么强地被感觉到。
在确定刺激阈值时时间因素也非常重要。由此平衡器官适应恒定的适度的基本加速度，其与重力加速度偏离并且在大约二十秒至一分钟的适应阶段之后不被感觉到或仅被感觉到略微提高。
普通人的刺激阈值例如处于大约每平方秒一度、即1°/s2。对于更能抵抗的人或者由于主观感觉的影响，刺激阈值可达到2°/s2或3°/s2。在极端情况中，刺激阈值甚至可为5°/s2，这意味着，人在5°/s2的角速度下才像这样感觉到运动。相应地，每个拱道角加速度的刺激阈值可在1°/s2至5°/s2之下。这些值尤其适用于平衡器官的角加速度、适用于围绕平衡平面的法向矢量(其处在平衡器官的区域中)的角加速度、适用于由扭转误差引起的拱道的角加速度并且/或者适用于由人围绕处在人的头部的区域中的中心的旋转引起的角加速度。处在人的刺激阈值之下的误差力相应地是将旋转加速度施加到平衡器官上的处在人的刺激阈值之下的误差力。
人的定位经由副轴线实现。根据本发明，设置有至少两个、优选地三个副轴线。这些副轴线大致相应于用于人的保持装置可围绕其旋转地来布置的轴线。其伸延通过远离主轴线布置在人的区域中的中心。
保持装置(人固定在其处)刚性地与第一承载元件相连接。第一承载元件可围绕第一副轴线旋转地布置在第二承载元件处。第二承载元件又可围绕第二副轴线旋转地布置在第三承载元件处，其中，第一和第二副轴线彼此大致正交。第三承载元件可围绕第三副轴线旋转地设置在运动装置处。第二副轴线和第三副轴线同样彼此大致正交。用于产生主加速度、即用于使人围绕主轴线运动的装置称为运动装置。其例如可实施为带有可移动的滑座的双臂离心机、单臂离心机、多臂离心机等。
人围绕副轴线的旋转经由承载元件的驱动器实现。驱动器使能够围绕副轴线旋转并且由控制单元来控制和/或主动调节。通过主驱动器使运动装置围绕主轴线的旋转也可由控制单元来控制和/或主动调节。
围绕副轴线和主轴线的运动优选地由驱动器来驱动、控制和/或主动调节。主加速度具有值和方向，其中，加速度的大小被称为值。
旋转轴线使人能够围绕至少两个、优选地三个旋转轴线旋转并且因此具有两个或三个旋转自由度。这些轴线可与人的平衡轴线一致。然而在一些情况中也可期望的是，这些轴线不与人的平衡轴线一致。
初级的和次级的误差力的名称误差力不仅涉及力而且涉及扭转惯量、加速度、旋转加速度、线性加速度、角加速度等。原则上，其将这些错误感觉称作误差力，它们作用于人的平衡器官的感觉细胞并且因此为了更加清楚被称为误差力。
在人的区域中主轴线所处的平面定义为径向平面。在人的区域中人围绕主旋转轴线的运转轨道的切线和平行于主轴线的直线所处的平面定义为切向平面。因此，切向平面和径向平面彼此大约正交并且具有交直线(Schnittgerade)，其平行于主轴线并且在人的区域中伸延。
任意伸延通过人的身体的且相对于人位置固定地布置的直线被称为人的身体轴线。例如，人的平衡轴线是身体轴线。
关于一同旋转的坐标系统来定义人的位置和人相对于主加速度的方向的位置。
附图说明
现在，下面根据附图进一步来说明根据本发明的方法以及根据本发明的装置。
图1显示了运动学的示意性的视图，
图2显示了与图1相同的、然而在侧视图中的运动学布置，
图3显示了根据本发明的装置，
图4显示了根据本发明的装置的另一实施形式，
图5显示了用于说明在角速度变化时的运动学关系的示意性的俯视图，
图6显示了与图5相同的、然而在侧视图中的运动学布置。
具体实施方式
为了简化图示，所示出的加速度矢量相应于作用到人上的加速力。加速力的定向与相应的加速度相反。因此，加速度矢量相应于由加速度引起的相反的加速力。
图1显示了用于分析根据本发明的方法和根据本发明的装置的运动学的示意性的视图。在此，图示平面相应于水平面并且重力的方向以投影的方式伸延。使人1以距离4围绕主轴线3旋转。在此首先由此出发，即人1、尤其人的头部2刚性地与运动装置23相连接。这意味着，人1在围绕主轴线3回转时也经历围绕人的身体轴线(其平行于主轴线3伸延)的回转。在人围绕主轴线3旋转了角度6时，人围绕平行于主轴线3的身体轴线在相同的方向上旋转了相同的角度。由于人1以与主轴线3的距离4旋转，至少一个径向加速度8作用到人1上。在围绕主轴线3的角速度非匀速时，此外还出现切向加速度9。切向加速度的方向与人的运动曲线相切地伸延。切向加速度的定向取决于角速度的变化相应于加速还是减速。
在主旋转平面26中作用到人上的主加速度5相应于径向加速度和切向加速度的矢量叠加。根据人的位置来定义第一平衡平面10、第二平衡平面11和第三平衡平面12以及第一平衡轴线13、第二平衡轴线14和第三平衡轴线15。
此外绘出了人的第二位置1'，在其中主加速度5'、径向加速度8'和切向加速度9'起作用。
图2显示了与图1相同的、然而在侧视图中的运动学布置，从而主旋转平面26以投影的方式伸延并且主轴线3处在图平面中。又使人1以距离4围绕主轴线3旋转。按照根据本发明的装置，该旋转主要通过运动装置23实现。在图示平面中，径向加速度8以及重力加速度7作用到人1、尤其人的头部2上。在此，径向加速度取决于距离4和人1围绕主轴线的旋转的角速度。在静止的系统中，重力加速度可被假定为恒定的。在所观察的径向平面中的合成的主加速度5通过径向加速度8和重力加速度7的矢量叠加而产生。因此，在角速度或距离4改变时径向加速度8变化。因为重力加速度7被假设为恒定，在径向加速度变化时主加速度5的值和方向变化。总地来说，主加速度5因此至少取决于径向加速度8、切向加速度9和重力加速度7。在该图示中，人1的位置选择成使得第一平衡轴线13与主加速度5的方向一致。因此，主加速度作用在偏航轴线中并且被主观地感觉为竖直的加速度，其中，切向加速度首先被假设为不存在。
如果现在应改变主加速度5的值、然而人1相对于改变的主加速度5的改变的方向保持不变，则必须使人1的位置与主加速度5的方向匹配。如果不进行该匹配，则人1经历初级误差力。其由该事实引起，即在主加速度5的值改变时主加速度的方向也改变。人1或者说人1的头部2的位置的匹配通过人围绕副轴线19、20、21中的至少一个旋转而实现。
通过人例如围绕第二平衡轴线14旋转，人1的拱道相对于主旋转平面28的位置变化。如所指出的那样，人和因此还有人的平衡器官在围绕主轴线3回转时也围绕人的身体轴线(其平行于主轴线伸延)旋转一次。然而在短暂的适应阶段之后，围绕身体轴线的该旋转不再被人1感觉到，因为液体的速度由于摩擦和粘性效果与拱道的运动相匹配。因此，液体相对于拱道静止，由此不会感觉到旋转。如果现在改变平衡平面10、11、12相对于主轴线3或相对于主旋转平面26的位置，则这导致不同的拱道被相对于主旋转平面26或远离主旋转平面翻倾。通过翻倾导致由扭转引起的角加速度且导致液体在拱道中的相对运动，这被人错误地感觉为运动。该效果引起次级误差力并且被称为扭转误差。虽然人可能围绕第三平衡轴线、即滚动轴线实施仅较小的运动，这可被平衡器官演绎为围绕其余两个平衡轴线中的至少一个的旋转。该感官刺激、即扭转误差可能回触发前庭目反射。即使当待模拟的环境通过清楚的视觉显示(其应使感觉印象对于人1清楚)来支持时，对于其在应用闪眼反射之后不再能感觉视觉的感觉印象。结果是人的不期望的方向知觉丧失。根据人的刺激阈值，对于不同的值来感觉次级误差力和/或扭转误差。如果次级误差力或扭转误差的值保持在人的刺激阈值之下，感觉不到误差力，如果该值超过刺激阈值，则其被感觉到并且可触发前庭目反射。
此外，图2显示了在主加速度5的方向与重力加速度7的方向之间的第一角度27。所绘出的加速度关系大约相应于与重力加速度基本上等大的径向加速度。因此，主加速度5的方向、尤其第一角度27为大约45°。在重力加速度为G而径向加速度为G时，主加速度的值大约相应于1.41倍重力加速度、即1.41G。如果现在提高人1围绕主轴线3的角速度，则径向加速度8提升。在此，主加速度的方向与重力加速度7的方向的角度也提升。在角速度减小时，径向加速度减小。在该情况中该角度减小。
在图1中尤其示出一情况，在其中人1被从第一角速度减速到第二角速度。在此，除了在图1的图示中以投影的方式伸延的重力加速度、径向加速度8之外，还出现切向加速度9。合成的主加速度5具有切向角31。切向角31的值在角速度恒定时大致是零。
在图1中示出的角减速度影响作用到人1上的主加速度5的方向。例如，人可以向外的观察方向来定位，也就是说，人的第三平衡轴线或者人的观察方向指向远离主轴线3的方向，然而不必然径向向外伸延。如果现在应改变作用到人上的主加速度5的值、而在此不改变主加速度作用到人上的方向，例如可使人围绕平行于主轴线3伸延的身体轴线旋转。在图1示出的布置方案中，在所示出的切向加速度9的情况下将使径向向外观察的人旋转切向角31，以补偿切向加速度9。
图3显示了根据本发明的装置，其中，运动装置23实施为单臂离心机。其具有主臂34，主臂经由支承在基座32中的主驱动器33来驱动。主臂34在此可围绕主轴线3被旋转。远离主轴线3，在主臂处可第三围绕副轴线21旋转地布置有第三承载元件18。在第三承载元件处可围绕第二副轴线20旋转地布置有第二承载元件17。第二和第三副轴线彼此大致正交并且彼此相交于中心22。第一承载元件16可围绕第一副轴线19旋转地布置在第二承载元件处。第一和第二副轴线同样彼此大致正交并且彼此相交于中心22。第一承载元件16在以下实施形式中实施为舱室24的部分。用于人1的保持装置设置在舱室24中。保持装置以优选的方式实施为座位。此外，舱室在其内部中具有图像还原面35，其示意性地作为矩形地弯曲的面示出。在此是示意性的图示。图像还原面设置在舱室的内侧处并且因此通常从外不可见。在以下实施形式中基本上刚性地与舱室24相连接的人可关于第一副轴线19、第二副轴线20和第三副轴线21围绕三个自由度旋转地运动。通过设置第三自由度，至少部分地来补偿和/或减小次级误差力。第三自由度例如相应于围绕平行于主轴线3伸延的身体轴线的旋转或者相应于围绕人的第一平衡轴线的旋转。
人围绕副轴线19、20、21的旋转经由承载元件16、17、18的驱动器实现。驱动器使能够围绕副轴线旋转并且由控制单元来控制和/或主动调节。通过主驱动器33使运动装置围绕主轴线3旋转也可通过控制单元来控制和/或主动调节。此外，人可经由参数输入器件影响控制、尤其在虚拟世界中控制所模拟的对象。
图4显示了根据本发明的运动装置的另一实施形式。在此，滑座篮38可围绕主轴线3旋转地来支承，其可由主驱动器33来驱动。在滑座篮38中可纵向移动地设置有举升滑座37。在举升滑座37处又设置有第三承载元件18，其可围绕第三副轴线21旋转。在第三承载元件18处可围绕第二副轴线20旋转地设置有第二承载元件17。在第二承载元件17处可围绕第一副轴线旋转地设置有第一承载元件16。人1经由固定装置与该第一承载元件相连接。除了这三个副轴线之外，人可沿着平行于主轴线3伸延的举升轴线平移地运动。通过举升滑座37在滑座篮36处可移动的布置，可改变从人和从中心22至主轴线3的距离4。由此除了由于角速度的改变之外，也通过改变人与主轴线3的距离也能改变径向加速度。用于人1的保持装置又具有三个旋转自由度。除了这三个旋转自由度之外，人可沿着平行于主轴线3的方向和沿着滑座篮36被平移地运动。与围绕主轴线3的旋转一起，因此根据图4的运动学布置提供了六个自由度。
为了补偿和/或减小在模拟时的次级误差力，可设置不同的运动过程。
图5显示了用于说明在角速度变化时运动关系的示意性俯视图。使人1以距离4围绕主轴线3旋转，其中，为了产生不同的主加速度改变角速度。例如，为了模拟飞机的速度变化或曲线飞行，可首先以初始的第一主加速度38而接下来以第二主加速度39来加载人。为了该目的，将角速度从第一角速度提高到第二角速度。在模拟开始时，运动装置23使人1以恒定的第一角速度旋转。合成的第一主加速度33在径向平面中作用到人上。如果现在提高角速度，则除了径向加速度之外还有切向加速度9作用到人上。其导致主加速度的方向的改变并且在示意性的图示中例如沿着加速度矢量40伸延。如果现在达到第二角速度，则人以第二角速度均匀地围绕主轴线3旋转。在此，切向加速度又等于零并且第二主加速度39作用到人上，其在角速度变大的情况下大于第一主加速度38的值。
在角速度减小时，切向加速度9'以及合成的加速度矢量40'起作用。
图6显示了人1(使其围绕主旋转轴线3旋转)的相同的运动学布置。又将人从第一角速度加速到第二角速度上。在此，在人以第一角速度匀速运动时，第一主加速度38起作用。如果人以第二角速度围绕主轴线3运动，其中，第二角速度大于第一角速度，则第二主加速度39作用到人上。第二主加速度39的值大于第一主加速度38的值。为了补偿在该值变化时主加速度的方向的变化，可改变人1的位置。为了改变人的位置设置有围绕副轴线19、20、21的运动。
在用于模拟加速度的方法的示例中可将人从第一主加速度带到第二主加速度上。在第一示例中，主加速度应沿着人的身体竖轴线或者沿着人的第一平衡轴线13起作用。现在，在第一步骤中使人恒定地以第一角速度围绕主轴线3旋转。第一主加速度38作用到人上。现在为了使加速度的方向与第一平衡轴线13一致，通过围绕副轴线的旋转来改变人的位置。例如，使人的位置取向成使得第一平衡轴线13与第一主加速度38的矢量、与第二主加速度39的矢量或在这两个矢量之间的中间位置41一致。在此，人1的第三平衡轴线15大致指向外。其相应地在角速度恒定时大致跟随主加速度的径向平面。在将人从第一角速度加速到第二角速度时，现在为了匹配人的位置使人围绕第二平衡轴线14向后倾斜。然而，该倾斜以一方式实现，使得运动、尤其由运动引起的次级误差力处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。初级误差力的补偿也以一定的程度实现，使得误差力处在人的刺激阈值的范围中或者在其之下。这例如可由此来获得，即在从第一角速度加速到第二角速度时不使人围绕第二平衡轴线运动。在此，第一平衡轴线13沿着中间位置41伸延地来布置。在人以第一角速度旋转时，人感觉到略微向后倾斜。在第二角速度时，感觉到略微向前倾斜。然而，与其它起作用的力相比，该感觉小到使得其处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。由此补偿了该效果，即由于人围绕不平行于主轴线3的轴线倾斜将主旋转的扭转传递到不同的拱道上。在第一平衡轴线13围绕第二平衡轴线14固定地定位时，因此完全补偿了扭转误差。由此产生的次级误差可忽略并且/或者处在刺激阈值的范围中或在其之下。
用于在加速度提升或角速度提升时定位人的另一可能性是第三平衡轴线沿着轴线15'取向。人的观察方向在主旋转平面中的分量在此以在切向的与径向的方向之间一定的角度沿着轴线15'指向外。例如，该角度可在30°与60°或45°之间或从径向、切向来旋转。为了模拟沿着第一平衡轴线13的加速度，将其带到与主加速度5一致。又经由使人围绕副轴线19、20、21旋转实现位置改变。在角速度从第一角速度提高到第二角速度时，匹配人的位置以补偿初级误差力。对此，使第一平衡轴线与变化的主加速度38、39相匹配。通过将人沿着轴线15'斜置一角度，将扭转误差划分成多个、至少两个、优选地三个平衡平面或拱道。这结果引起，人围绕不平行于主轴线3伸延的轴线的运动处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。由此在根据本发明的方法的一实施方案中设置成，不超过在人的所有平衡平面或拱道中的刺激阈值。对此，在一平衡平面或拱道中的初级误差力和/或次级误差力可提升以将在另一平衡平面或另一拱道中的初级误差力和/或次级误差力保持在刺激阈值的范围中或在其之下。
用于人的定位的另一可能性是，使人以观察方向向内旋转。
主加速度5又应沿着人1的身体轴线、例如沿着第一平衡轴线13起作用。在第一角速度时，人的第三平衡轴线15大致指向内且向下倾斜。第一平衡轴线13大致垂直于第三平衡轴线15、因此向外倾斜并且沿着主加速度的方向伸延。由此，对于人产生在身体竖轴线的方向上加速的主观感受。现在如果将人从第一角速度加速到第二角速度，则如在前述示例中那样可通过使人围绕副轴线旋转来补偿主加速度5的方向的变化。然而这在一定的程度上进行，使得角加速度、尤其初级和次级误差力处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。为了减小扭转误差，在此可将人的第一平衡轴线定位在第一主加速度38矢量与第二主加速度39矢量之间的中间位置中。
根据本发明的方法的另一应用是从第一角速度减速到第二角速度，其中，第二角速度小于第一角速度。尤其在主加速度5减小时，由人1主观更强地感觉到扭转误差。例如使人以视线向外定位，其中，第一平衡轴线13又大致相应于主加速度的方向。为了补偿初级误差力，现在可使第三平衡轴线与主加速度5、尤其第一主加速度38和第二主加速度39的方向的变化一致。为了继续根据本发明进行补偿，可将人的第一平衡轴线定位在第一主加速度38与第二主加速度39的方向之间的中间位置41中。在此不进行补偿主加速度在径向平面中的方向变化。由此如在前述示例中所说明的那样来减小扭转误差。扭转误差的减小引起初级误差力的提高、然而优选地在人的刺激阈值的范围中或在其之下。
根据本发明的方法的另一实施形式特征在于，使人以一角速度围绕第三纵轴线3旋转。主加速度作用到人上的方向通过人围绕副轴线的旋转和定位来确定。根据一实施方案，使人围绕主轴线从第一角速度加速到第二角速度，其中，由此主加速度的值提升并且主加速度的方向被改变。第二角速度大于第一角速度，由此第二主加速度的值大于第一主加速度的值。随后，使角速度降低到低于第二角速度的第三角速度。对此，初级和次级误差力被部分地补偿和/或补偿，使得其处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。
按照根据本发明的方法的另一实施方案，开始时在角速度从第一角速度提升到第二角速度期间使人大致切向地来定位，也就是说，第三平衡轴线大致在切向上指向或者在切向平面中伸延。如果达到第二角速度，则使人、尤其人的第三平衡轴线15指向外。人的该旋转一定的角度、尤其90°在此实现成使得其不被感觉到并且/或者处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。该运动可被控制或主动调节。随后将角速度从第二角速度下降到第三角速度。在角速度从第一角速度提升到第二角速度期间，主要通过使围绕第三平衡轴线和围绕第二平衡轴线旋转来补偿初级误差力。在角速度从第二角速度减小到第三角速度期间，尤其通过人围绕第一平衡轴线和围绕第二平衡轴线旋转来补偿初级误差力。在此，初级和次级误差力被补偿或减小成使得其处在人的刺激阈值范围中或在其之下。
按照根据本发明的方法的另一实施形式，开始时使人在切向上取向并且为了将第一角速度提高到第二角速度使人从第三平衡轴线的切向取向围绕第二平衡轴线旋转。该旋转可主动调节，以将人的旋转保持在人的刺激阈值范围中或在其之下。
根据另一实施形式，使人、尤其人的第三平衡轴线大致切向地取向。在从第一角速度提高到第二角速度时通过使人围绕副轴线旋转至少部分地来补偿初级和次级误差力。为了将角速度从第二角速度减小到第三角速度，使人向内看地取向。人的第三平衡轴线因此指向内、与主加速度的径分量相反。人的取向在此不必精确地径向地实现，而是也可固定在切向的与径向的方向之间的角度中或者主动调节地来运动。
按照根据本发明的方法的另一实施形式，将人从第二角速度减速到第三角速度。第三角速度又小于第二角速度。在此，使人、尤其人的第三平衡轴线大致径向向内地定位。在此，该轴线从主旋转平面26向下倾斜，使得例如主加速度在人1的第一平衡轴线13的方向上伸延。
根据本发明的另一实施形式设置成，人的平衡器官包括拱道并且为了减小一拱道的初级误差力和/或次级误差力来提高另一拱道的初级误差力和/或次级误差力，并且次级误差力处在人的刺激阈值的范围中或在其之下。
根据本发明的用于执行该方法的装置例如特征在于，副轴线伸延通过处在人1的头部2的区域中的中心。在此将人这样放置在舱室中，使得头部位于中心的区域中。根据一实施形式，这三个轴线彼此在中心的区域中相交。
根据另一实施形式，副轴线中的至少一个与另外的副轴线具有标准距离。该距离例如可为在人的平衡器官与眼睛之间的距离。
根据该方法的另一实施方案设置成，为了模拟沿着人的身体轴线变化的加速度，
- 使人以恒定的第一角速度围绕主轴线旋转，在其中第一主加速度的方向与重力加速度的方向具有第一角度，
- 接下来使人加速或减速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向与重力加速度的方向具有第二角度，
- 在此人的第三平衡轴线被旋转或已旋转到与切向平面不同的方向中，
- 使人的身体轴线旋转到在第一主加速度的方向与第二主加速度的方向之间的中间位置中并且/或者到第一主加速度的范围中或到第二主加速度的范围中，
并且/或者在身体轴线与重力加速度之间的角度处在第一角度与第二角度之间。
根据该方法的另一实施方案设置成，在主驱动器的角速度恒定和/或变化时人的第三平衡轴线基本上处在在切向平面与径向平面之间的平面中，其中，切向平面与径向平面的交直线处在该平面中。
为了驱动围绕主轴线3的旋转并且为了驱动人1围绕第一副轴线19、第二副轴线20和/或第三副轴线21的旋转，设置有驱动器。这些驱动器被控制和/或主动调节。人1的运动因此可被控制和/或主动调节。该调节在此特征在于，导引用于控制驱动器的控制信号，其中，用于人的旋转的驱动器被控制和/或调节，并且/或者其中，人的运动处在人的刺激阈值范围之下。
按照根据本发明的方法的另一实施方案将人从第一角速度带到第二角速度，其中，在第一角速度时大约3G的第一主加速度起作用而在第二角速度时大约1.4G的第二主加速度起作用。在此人1被定位成使得第三平衡轴线指向外并且从主加速度平面大约60°地指向上。在角速度从第一角速度减小到第二角速度时，为了补偿切向力在此使人围绕副轴线旋转。为了减小扭转误差固定或锁止人围绕第二平衡轴线旋转。切向加速度的补偿在此例如通过人围绕平行于主轴线伸延的身体轴线旋转而实现。
本发明也涉及一种用于模拟人的加速度的装置，有主加速度(其主要通过人有距离地围绕纵轴线旋转和通过重力加速度来产生)作用到人上，其中，主加速度的值和方向至少通过重力加速度、切向加速度和径向加速度来确定，其中，人相对于主加速度的方向的位置主要通过人围绕至少两个副轴线旋转来确定，其中，副轴线伸延通过处在人的区域中的中心，其中，在主加速度的值和方向变化时初级误差力作用到人上，其通过人围绕副轴线旋转至少部分地来补偿，其中，由于使人围绕副轴线旋转，次级误差力作用到人上，并且其中，通过人围绕第三副轴线旋转和定位，次级误差力减小。
原则上，通过人1围绕三个副轴线旋转可沿着任意的身体轴线自由地来选择作用到人上的主加速度5的方向。在上述示例中，例如选择第一平衡轴线13或偏航轴线作为身体轴线。在模拟对象(人例如平躺地定位在其中)时，也可选择倾斜地伸延通过人的身体的身体轴线作为主加速度的期望的方向。用于补偿次级误差力的基本运动学布置和方法然而保持不变，仅人的位置改变。
就此而言应注意的是，本发明不限于所列举的实施例。相应于本发明思想的另外的实施方案还从单个或多个特征(其可从整个说明书、附图和/或权利要求中得悉)的组合中得出。因此，也公开了由来自不同实施例的特征的组合构成的实施方案。附图是至少部分示意性的图示，其中，尺寸和比例可与另外的未绘图示出的实施形式或特征以及与真实的实施方案相偏离。
附图标记清单
1 人
2 头部
3 主轴线
4 与主旋转轴线的距离
5 主加速度
6 旋转角度
7 重力加速度
8 径向加速度
9 切向加速度
10 第一平衡平面-偏航平面
11 第二平衡平面-俯仰平面
12 第三平衡平面-滚动平面
13 第一平衡轴线或偏航轴线
14 第二平衡轴线或俯仰轴线
15 第三平衡轴线、滚动轴线
16 第一承载元件
17 第二承载元件
18 第三承载元件
19 第一副轴线
20 第二副轴线
21 第三副轴线,
22 中心
23 运动装置
24 舱室
25 控制单元
26 主旋转平面
27 第一角度
28 第二角度
29 第三平衡轴线的角位置
30 第一平衡轴线的角位置
31 切向角
32 基座
33 主驱动器
34 主臂
35 图像还原面
36 滑座篮
37 举升滑座
38 第一主加速度
39 第二主加速度
40 加速度矢量
41 中间位置。

Claims (20)

1.一种用于模拟人的加速度的方法，有主加速度作用到所述人上，所述主加速度主要通过使人有距离地围绕主轴线旋转和通过重力加速度来产生，
- 其中，所述主加速度的值和方向至少通过重力加速度、切向加速度和径向加速度来确定，
- 其中，所述人相对于所述主加速度的方向的位置主要通过所述人围绕至少两个副轴线的旋转和/或定位来确定，
- 其中，所述副轴线伸延通过处在所述人的区域中的中心，
- 其中，在所述主加速度的值和方向改变时，初级误差力作用到所述人上，所述初级误差力通过所述人围绕所述副轴线旋转至少部分地来补偿，
- 并且其中，由于所述人围绕所述副轴线旋转，次级误差力作用到所述人上，
其特征在于，
通过使所述人围绕三个副轴线旋转和定位来减小所述次级误差力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了减小所述次级误差力来提高所述初级误差力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了减小在一平衡平面中的初级误差力和/或次级误差力来提高在另一平衡平面中的初级误差力和/或次级误差力。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，由初级误差力引起的角加速度和由次级误差力引起的角加速度处在所述人的刺激阈值之下。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述初级误差力包括主加速度误差力和/或科里奥利误差力而所述次级误差力包括扭转误差和/或旋转惯性力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了减小所述旋转惯性力，限制和/或减弱所述人围绕所述副轴线的旋转的角加速度和/或角加速度的梯度。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，使所述人围绕所述主轴线和围绕所述副轴线旋转，使得在此每个拱道在相应的平衡平面中的角加速度处在所述人的刺激阈值之下。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刺激阈值为处在0.8°/s2与5°/s2之间的值。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，为了模拟沿着所述人的身体轴线的变化的加速度，
- 使所述人以恒定的第一角速度围绕所述主轴线旋转，在其中第一主加速度的方向与所述重力加速度的方向具有第一角度，
- 接下来，使所述人加速或减速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向与所述重力加速度的方向具有第二角度，
- 并且在此所述人的第三平衡轴线被旋转到与切向平面偏离的方向上。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，为了模拟沿着所述人的身体轴线的变化的加速度，
- 使所述人以恒定的第一角速度围绕所述主轴线旋转，在其中第一主加速度的方向与所述重力加速度的方向具有第一角度，
- 接下来，使所述人加速或减速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向与所述重力加速度的方向具有第二角度，
- 在此，所述人的第三平衡轴线被旋转或已旋转到与所述切向平面偏离的方向上，
- 并且使所述人的身体轴线旋转到在所述第一主加速度的方向与第二主加速度的方向之间的中间位置中和/或到所述第一主加速度的范围中或到所述第二主加速度的范围中。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述人的身体轴线和/或第三平衡轴线在所述切向平面与所述径向平面之间的位置通过使所述人围绕三个副轴线旋转来控制或主动调节，其中，所述身体轴线和所述平衡轴线的旋转通过所述人围绕所述副轴线的位置变化来改变或定位。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刺激阈值为处在1°/s2与3°/s2之间的值。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述人的身体轴线和/或第三平衡轴线在所述切向平面与所述径向平面之间的位置通过使所述人围绕三个副轴线旋转来控制或主动调节，其中，所述身体轴线和所述平衡轴线的旋转通过所述人围绕所述副轴线的位置变化来改变或定位。
14.一种用于模拟人的加速度的装置，其包括：
- 第一承载元件(16)，其具有用于至少一个人(1)的保持装置并且能够围绕第一副轴线(19)相对于第二承载元件(17)旋转地来布置；
- 第二承载元件(17)，其能够围绕第二副轴线(20)相对于第三承载元件(18)旋转地来布置，其中，所述第一副轴线(19)和所述第二副轴线(20)彼此大致正交地布置，
其特征在于，
为了补偿或减小次级误差力，所述第二承载元件(17)能够围绕第三副轴线(21)旋转地布置在运动装置(23)处。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二副轴线(20)和所述第三副轴线(21)彼此大致正交地布置。
16.根据权利要求14和15中任一项所述的装置，其特征在于，设置有至少一个控制单元用于控制和/或主动调节用于所述承载元件(16,17,18)和所述运动装置(23)的运动的驱动器。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述承载元件(16,17,18)的驱动器围绕副轴线的运动通过所述控制单元来控制和/或主动调节，并且所述运动处在所述人的刺激阈值之下。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，通过所述控制单元来控制所述副轴线的驱动器的运动，其中，所述运动的角加速度处在所述人的刺激阈值之下。
19.根据权利要求14至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置设立用于实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
20.根据权利要求14至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述运动装置(23)实施为单臂离心机、实施为带有能够移动的滑座的离心机、实施为带有能够移动的举升滑座的离心机、实施为带有能够在两侧移动的滑座的双臂离心机、实施为带有能够在两侧移动的举升滑座的双臂离心机或者实施为带有至少一个旋转的和/或平移的自由度的机器人臂。
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