CN103802092A - 六自由度运动模拟组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度运动六足模拟组件，其包含固定基底、包含负载承载结构体的可移动模拟平台以及六个线性驱动器，线性驱动器的上端通过三对二自由度接头与负载承载结构体相互连接，下端通过三对二自由度接头与固定基底相互连接。二自由度结构体包括两个可转动的枢轴装置，彼此以90°定向。一个枢轴装置贯穿另一个枢轴装置。在与负载承载结构体的连接处，一对接头的其中一个接头的中心通过负载承载结构体的一部分而与该对接头的另一个接头的中心分离。

Description

六自由度运动模拟组件

技术领域

本发明涉及一种六自由度（six degree-of-freedom）运动六足模拟组件，所述组件包含基底、负载承载结构体和六个线性驱动器（linear actuators），所述线性驱动器具有上端和下端，上端通过三对二自由度接头连接至负载承载结构体，下端通过二自由度运动接头连接至基底。

背景技术

六足型模拟组件是已知的，并且例如在US3577659和US2007/0059668中描述的。这些组件能够在六自由度内移动，也被称作Stewart平台。这些平台通常被用于飞行模拟以训练飞行员。US2007/0059668描述了一种由六个线性驱动器支撑的可移动运动平台。所述六个驱动器在它们的上端被固定至轴承块。所述轴承块包含弹性材料以避免震动。所述轴承块自身被用螺栓固定至运动平台自身的下侧。

US3577659也描述了一种组件，其中六个驱动器通过六个3自由度运动接头被连接至负载承载结构体的下侧。

市售的Stewart平台，例如能够从Moog获得的平台（参看http://www.moog.com/products/motion-systems/motion-bases/），全部都具有用于接收接头的底座，其中所述底座被固定至负载承载结构体的下侧。

已知的六自由度运动模拟组件的一个缺点是，整个组件的重心相对较高。特别是当大型舱室（例如US2007/0059668的图5所示）被置于负载承载结构体的顶部时，重心将会处于相对于基底相对较高的高度。重心的高度越高，作用于驱动器的力越大。自从这些类型的平台在20世纪70年代被首次研发以来，一直都期望限制重心的高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种六自由度运动六足模拟组件，其中限制了重心的高度。这一目的通过一种六自由度运动六足模拟组件达到。所述模拟组件包含基底、负载承载结构体和六个线性驱动器，所述线性驱动器具有上端和下端，上端通过二自由度接头连接至负载承载结构体，下端通过二自由度接头连接至固定的基底。每个二自由度接头包含具有正交交叉的枢轴轴线的两个枢轴装置，其中一个枢轴装置贯穿另一个枢轴装置。所述二自由度接头被成对地连接至负载承载结构体。一对接头的其中一个通过负载承载结构体的一部分与这对接头的另一个分离，特别是有助于将重力和运动载荷从负载承载结构体传递至线性驱动器的那一部分。

这些措施使得它能够将负载承载结构体（通常为平台）悬挂于驱动器的枢转接头之间，而非将该结构置于这些接头的顶部。通过这种方式，所述负载承载结构体可以被置于等于或低于接头的高度，能够在使用期间改进力的分布。

申请人发现，通过根据本发明相对于负载承载结构体而安装接头，与本领域现有技术相比，重心的高度能够被降低。高度的下降甚至可以达到0.4 m或以上。这一重心的下降会减少作用于所述组件的力，降低能量消耗，并使得能够使用功率更低的驱动器。另外，在使用中位于负载承载结构体的顶部上（例如在舱室中，等等）的用户的眼点（eye point）会相对于所谓的运动平台质心（motion platform centroid, MPC）而降低。这会促进运动标记（motion cuing），亦即减少寄生加速（parasitic acceleration），因为MPC和用户眼点（例如飞行员眼点）之间的垂直距离被减少。MPC是由六个接头中心形成的六边形的几何中心。最后，因为整个组件以及可能的位于负载承载结构体顶部的舱室或其他结构的高度能够被降低，能够将所述组件置于具有较低天花板的建筑物内。

附图说明

图1显示了六自由度运动模拟组件。

图2a-d显示了现有技术的六自由度运动六足模拟组件的负载承载结构体。

图3a-d显示了本发明的六自由度运动六足模拟组件的负载承载结构体。

图4a-d显示了本发明的六自由度运动六足模拟组件的另一负载承载结构体。

图5显示了本发明的六自由度运动六足模拟组件的转角部分。

图6从下方显示了图5的转角部分，其中盖板被附加固定至转角结构体的上侧。

图7显示本发明的模拟组件的另一实施方式的转角部分。

发明的详细说明

根据本发明的负载承载结构体是适于支撑置于结构的顶部的舱室或其他功能件以形成模拟器的任何结构。所述结构可以具有或包含任何形式（例如三角形或星形），例如具有星星的形状，其中至少三条腿连接至三对接头。分离接头对的两个中心的部分优选位于三角形负载承载结构体的转角或位于星形结构的三个末端。所述结构可以是实心结构、由一个或多个开口组成的实心结构、焊接结构或更优选的包含用螺栓连接在一起的金属U形型材和金属板。

所述结构可以具有位于两个平行平面之间的结构元件。所述结构可以具有平坦的上平面，该上平面面向用户结构，所述结构还可以具有从所述平坦平面的下侧向外延伸的结构，例如来提供额外的强度并且来包含模拟器自身的设备。

将接头对的一个接头与另外一个接头分开的部分是该负载承载结构体的部分。会立即识别到的是，通过将接头置于负载承载结构体的高度，而不是用螺栓连接至所述结构的下侧，能够降低整个组件的高度。术语“上”和“下”指所述模拟组件在正常使用中的方向。可选地，两个成对的接头的中心被负载承载结构体的部分分离，所述中心成为两个正交的枢轴线的交叉点。负载承载结构体的分离部分可以例如包含负载承载结构体的边带（web）或凸缘（flange），其有助于将由结构的重力或运动施加的力直接或间接传递至线性驱动器。

所述负载承载结构体合适地位于两个平行定向的平面之间，两个平面之间的距离由组成所述负载承载结构体的结构元件界定。所述MPC然后会被置于这两个平面之间的位置。分离两个接头中心的部分然后会被置于这两个平面之间。

通过借助负载承载结构体的一部分来分离一个接头的中心和另一个接头的中心，其意思是当从一个接头的中心向另一个接头的中心画一条线时，这条线会贯穿负载承载结构体的这一部分。

根据本发明的二自由度接头也被称为万向接头。所述二自由度运动接头包含两个可旋转的枢轴装置。一个枢轴装置的轴线相对于另一个枢轴装置的轴线成90°。一个枢轴装置贯穿另一个枢轴装置。两个枢轴装置的轴线可以相交或跨过。如果它们相交，接头的中心是两个轴线相交的点。如果它们不相交，接头的中心由直接连接至负载承载结构体的并且最靠近另一个枢轴装置的轴线的枢轴装置的中心界定。枢轴装置例如是转轴（例如由金属制成），其中转轴能够绕它们的轴线旋转。

一个枢轴装置将会由轴承支撑在枢轴装置的任一端，并被固定至负载承载结构体。这一枢轴装置在本领域中也被称为固定轴。另一个枢轴装置可以被旋转地置于从驱动器延伸的两端之间，它在本领域中也被称为自由轴。一个枢轴装置旋转地贯穿另一个枢轴装置。合适地，驱动器的枢轴装置（自由轴）旋转地贯穿固定至负载承载结构体的枢轴装置（即固定轴）。也可以使用本领域技术人员知晓的用于二自由度接头的其他构造。

成对的两个接头可以例如具有基本上共平面的固定轴，亦即，处于平行的布置中。两个自由轴也可以共平面，其界定的平面基本上与由固定轴界定的平面正交。成对的接头的两个固定轴的平面可以例如与由负载承载结构体形成的平台的上表面成0-20度角或者基本上与其平行，自由轴的平面与固定轴的平面正交。

固定至负载承载结构体的轴承合适地是包含该轴承的块（轴承块）的部分，并且被固定至根据本发明的分离接头的两个中心的负载承载结构体的部分。优选地，属于成对的接头的其中一个的两个轴承块被用螺栓连接在负载承载结构体的部分的一侧，而属于成对的接头的另一个的两个轴承块被用螺栓连接在负载承载结构体的部分的相反一侧。优选地，位于所述结构体部分的任一侧的两个轴承块通过一个或多个螺栓被固定至所述结构体部分，所述螺栓从一个轴承块贯穿所述结构体部分到达相反的轴承块。所述二自由度接头可以例如被成对地连接至负载承载结构体的各个外围部分。更具体地，所述接头可以被成对地连接至负载承载结构体的各个转角部分，每个转角部分包含负载承载结构体的延伸部，所述延伸部在由转角部分界定的平面内以一个方向伸出，所述延伸部形成分离成对的接头的所述部分。

在一个特定的实施例中，至少一个转角部分的延伸部可以由在两个结构梁的交接端之间延伸的带材（strip）或大梁（girder）形成。所述带材或大梁可以例如具有向内延伸端，该向内延伸端连接至在两个结构梁之间延伸的横梁。

在本发明的第一个实施例中，所述负载承载结构体为星形形式，其具有至少三条腿。分离接头中心的负载承载结构体的部分位于星形结构的三个末端。

在本发明的第二个实施例中，所述负载承载结构体包含三角形结构。分离接头中心的负载承载结构体的部分位于三角形结构的三个转角。

合适地，三角形结构的三个转角的每一个都包含转角结构，所述转角结构包含两个细长的结构部分，其中两个结构部分对齐界定该转角的三角形的两侧，并且两个细长的结构部分在转角相遇，其作为平行部分从而进一步以平行的形式向三角形结构的平面之外延伸一定距离，其中所述平行部分是分离一对接头的一个的中心和这对接头的另一个的中心的负载承载结构体的部分。

所述平行部分可以在从平行部分的两侧向外延伸的末端部分结束，其中该接头的固定轴在一端由置于向外延伸的部分内的轴承支撑，而在另一端由置于固定至平行部分或细长的结构部分的轴承块内的轴承支撑。所述轴承块可以由轴支承梁支撑，所述轴支承梁从三角形结构体的最靠近所述轴承块的一侧延伸，并且朝与由轴承块支撑的固定轴的方向相同的方向延伸。

所述细长的结构部分、平行部分和向外延伸的部分是由一块板制成的，其称为组合部分。所述弯曲可以由锻造等形成。这避免了在负载承载结构体的高应力区域焊接和螺栓连接。所述细长的结构部分不会沿三角形的一侧的整个长度设置，而是仅与三角形的一侧成一定距离平行地延伸。这些部分可以在该位置被螺栓连接至三角形的一侧。以这种方式，组合部分不会变得太大，这简化了它的制造。

单个固定板可以被固定至向外延伸的两个部分的向外看的表面。所述固定板可以具有朝向要被支撑的结构的表面。其转角结构或部分可以用盖板在它的上侧覆盖。这一盖板被固定（例如通过螺栓）至转角结构，以增强所述结构的强度。可以将该盖板固定至前述朝向所述结构的表面，以及形成该转角的结构。

用户结构体通常被设置在负载承载结构体的顶部。这种用户结构将包括安置用户的装置（例如飞行员座椅等）、放置仪器的装置（例如操纵杆、转向装置、视觉显示器、计算机）以及放置教练员站的装置。在负载承载结构体和用户结构之间可适当地存在阻尼装置。在该位置放置阻尼装置比在前述US2007/0059668中描述的位置优选。在现有技术中，阻尼装置存在于螺栓连接至负载承载结构体的下侧的轴承块中。使用时，弹性材料会忍受围绕弹性材料中的参考位点的过量的弯矩荷载，这可能导致永久失效。通过将构成阻尼装置的弹性材料定位在负载承载结构体和用户结构的界面处，没有这样的不利弯矩荷载会施加在弹性材料上，而同时更有效地使震动减到最低。

在它们的中间或确定的位置，驱动器优选具有相等的长度，例如具有向上延伸的活塞或轴。下端可在组件的基底上的三种不同位置被成对排布。通常，每个驱动器的下端配有与上端不同的驱动器，因而六个驱动器基本上界定出八面体构造。

附图的简要说明

图1显示本发明的六足模拟组件的一个实施方式。

图2a示意性显示现有技术的模拟组件的运动平台。

图2b显示图2a的运动平台的底视图。

图2c显示图2a的运动平台的侧视图。

图2d详细显示了图2a的平台的二自由度接头。

图3a示意性显示本发明的模拟组件的运动平台。

图3b显示了图3a的运动平台的底视图。

图3c显示了图3a的运动平台的侧视图。

图3d详细显示了图3a的平台的二自由度接头。

图4a示意性显示了本发明的运动平台的另一示例性实施方式。

图4b显示了图4a的运动平台的底视图。

图4c显示了图4a的运动平台的侧视图。

图4d详细显示了图4a的平台的二自由度接头。

图5显示本发明的模拟组件的另一实施方式的转角部分。

图6显示图5的转角部分的底视图。

图7显示本发明的模拟组件的另一实施方式的转角部分。

附图的详细说明

图1显示了六自由度运动六足模拟组件1，包括固定基底2、可移动模拟平台3，该可移动模拟平台3包括负载承载结构体4。使用时，固定基底2会被安装至地面或另外的支承结构上，例如轨道上。图中还显示了六个线性驱动器6，其上端7通过三对8二自由度接头9而与负载承载结构体4相互连接。驱动器6的下端10通过三对13二自由度接头14而与固定基底2相互连接。使用时，固定基底被紧固地锚定在地面上。固定基底可包括轴承块5，用于一对二自由度接头13，其与基底梁14相互连接，从而形成三角形。

驱动器6是线性驱动器。线性驱动器可为液压驱动器，更优选地为机电驱动器。优选的机电线性驱动器可为已知类型，并且包括驱动机构（可包括具有可转动输出轴的电机）；包围连接至输出轴的导螺杆的外管或圆柱形构件；含有内螺母的可伸长内管或圆柱形构件，该内螺母与导螺杆接合，使得通过电机转动螺杆能够伸长或收缩内管，内管用作驱动器的外部可伸长端部；以及位置反馈传感器，用以确定内圆柱形构件相对外圆柱形构件的位置。这种驱动器结构在本领域是熟知的，因此不再进一步描述。此处图示和描述的机电线性驱动器仅为这种电力驱动的线性驱动器的一种类型，其可与本发明的组件结合使用。

例如，这种替代性电力驱动线性驱动器可具有安装在侧面的电机，而非此处图示的内联类型，或其他驱动机构，例如皮带和/或齿轮驱动。

图2a显示了现有技术中的六自由度六足模拟组件的负载承载结构体15。所示的负载承载结构体15具有三角形形状。在三角形的一角，轴承块16被固定至负载承载结构体15的下侧。一个轴承块16将容纳一对19二自由度接头，该对接头将两个驱动器（未示出）连接至每个角。在一个接头的中心18和同对19的另一接头的中心之间，不存在任何部分的负载承载结构体。图2b从下侧显示了图2a的负载承载结构体15。图2c从侧面显示了图2a的负载承载结构体。图2d显示图2c的A部分的细节。A部分是轴承块16。

图3a显示了本发明的六自由度六足模拟组件的负载承载结构体20。在每个角21，显示了相同的二自由度接头22对。每个接头22将驱动器（未示出）的上端与负载承载结构体20连接。二自由度接头22具有枢轴装置28，该枢轴装置28由两个轴承块29在两端支承。图中示出了两个轴承块29。枢轴装置28由这两个轴承块29支承。轴承块29包括轴承，使得枢轴装置28可以自由转动。第二枢轴装置27贯穿枢轴装置28。

图3b从下侧显示了图3a的负载承载结构体20。图3c从视点D显示了图3a的负载承载结构体。图3d显示了图3c的A部分的细节。图3c从侧面显示了图3a的负载承载结构体。在该图中可看出，负载承载结构体20位于两个平行的平面17之间，平面之间的距离对应于构成负载承载结构体的结构元件的尺寸。MPC和接头中心23都位于所述两个平面之间。

图3显示了枢轴装置27，其位于驱动器的两个延伸部分之间（在图3中未示出；见图5）。枢轴装置27可在这两个部分之间转动。枢轴装置27贯穿枢轴装置28。图3d显示枢轴装置27与枢轴装置28的相交点即为接头中心23。负载承载结构体20的部分24将一个接头的中心23与接头对的第二接头的相应的中心分开。将图3中的接头22的高度与图2中的轴承块16的高度相比较，可以容易认识到，图3中的结构会比图2中的结构低。

图4显示如图3中的六自由度运动六足模拟组件的负载承载结构体25，只是该负载承载结构体具有星形设计。图4a-d中的附图标记与图3a-d中的附图标记具有相同含义。

图5显示了本发明的运动六足模拟组件的一角，其中负载承载结构体30为三角形形式。该结构体包括平台的金属板和型材，例如螺栓连接的细长的U型材或L型材或H型材。图5显示了两个细长结构部件38。部件38与三角形结构体30的细长结构元件37对齐并固定至其上。两个结构元件38相接并界定出三角形结构体30的一角39，并且在三角形的负载承载结构体30的平面内平行地向外延伸一段距离，形成平行部分40。平行部分40终止于端部41，该端部41在平行部分40的两侧向外延伸，以形成在平行部分40的两侧的两个半封闭空间42。在图5中，端部41相对于平行部分40垂直延伸。单个固定板49被固定至向外延伸的两个端部11的外表面。半封闭空间42由端板41、平行部分40和由角39延伸的三角形结构体的侧面的部分43共同界定。

图5显示了驱动器33的上部，该驱动器33具有两个端部44，端部44由驱动器33轴向延伸。在端部44之间，存在万向接头45的第一枢轴装置46。万向接头的第二枢轴装置47存在于端板41和由平行部分40延伸的握持部48之间。第一枢轴装置46旋转地贯穿第二枢轴装置47。第一和第二枢轴装置相对彼此以90°定向。握持部48在平行部分40的一侧如图所示被固定至握持部48a，而在平行部分40的另一侧通过螺栓51连接至握持部48a。

握持部48由轴支承梁52支承，轴支承梁52由三角形结构体30的最靠近所述握持部48的一侧延伸并沿与第二枢轴装置47的轴向方向相同的方向延伸。

图5还显示了角支承梁53，其在角39处连接三角形结构体30的两侧并与三角形的两侧相接点间隔开。

图6显示了图5中从下方所见的运动六足模拟组件的一角，其中附加了盖板54。图6中的附图标记与图5中的附图标记具有相同含义。

图7显示了六足模拟组件的另一种可能实施方式的转角部分60。转角部分60包括一对61二自由度接头62，该接头62用于连接至各自的线性驱动器（未示出）。两个接头62成对地连接至负载承载结构体的外围转角部分60。转角部分60由负载承载结构体的外围结构梁的两个汇聚端63形成。负载轴承结构体的延伸部由大梁64形成，大梁64对称地固定在结构梁的交接端63之间。大梁64具有第一部分65，该部分在由转角部分60界定的平面内以一个方向朝外伸出，并具有相对的第二部分66，以相反的方向伸出。大梁64的朝外伸出端65将一对二自由度接头62分开。大梁64的向内延伸端66通过例如焊接而连接至横梁67，横梁67桥接两个结构梁63。横梁67的外端部焊接至结构梁63。

两个二自由度接头62具有在两个轴承70、71之间延伸的固定轴68和横跨固定轴的自由轴72。固定轴68和自由轴72是正交的。成对的二自由度接头62的两个自由轴72在相同平面内延伸。而且，成对的二自由度接头62的两个固定轴68在相同的正交于自由轴72的平面的平面内延伸。固定轴68的平面平行由结构梁63的顶面74界定的平面。

端板75覆盖大梁的向外伸出端65。端板75在大梁64的两侧对称地延伸。端板75包括在大梁64的两侧的轴承70，用于承载成对的二自由度接头62的其中一个的固定轴68的一端。两个固定轴68的另一端由各自的轴承块76支承，大梁64两侧的轴承71位于梁63的交接端。轴承块76和横梁67之间的杆77为轴承块76提供额外的支承。杆77贯穿结构梁63的开口78。

为节省重量，大梁64设有开口79。其中一个开口79位于两个成对接头62的自由轴73之间。尽管有这个开口，大梁64仍在接头62之间延伸并且将接头62的两个中心分开。

Claims (20)

1. 一种六自由度运动六足模拟组件，包括基底、负载承载结构体和六个线性驱动器，所述驱动器具有上端和下端，所述上端通过二自由度接头连接至负载承载结构体，所述下端通过二自由度接头连接至固定的基底，

其中每个二自由度接头包括具有正交的交叉枢轴的两个枢轴装置，其中一个枢轴装置贯穿另一个枢轴装置，

其中二自由度接头被成对连接至负载承载结构体；并且其中

一对接头的其中一个接头通过负载承载结构体的一部分而与该对接头的另一个接头分离。

2. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中负载承载结构体位于两个平行平面之间，该两个平行平面之间的距离由构成负载承载结构体的结构元件界定，并且其中运动平台质心位于两个平面之间。

3. 根据权利要求1-2的任一项所述的六足模拟组件，其中线性驱动器是液压驱动器或机电驱动器。

4. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中接头被成对连接至负载承载结构体的各个外围部分。

5. 根据权利要求4所述的六足模拟组件，其中接头被成对连接至负载承载结构体的转角部分，每个转角部分包括负载承载结构体的延伸部，所述延伸部在由转角部分界定的平面内以一个方向伸出，其中所述延伸部形成分离一对接头中的接头的所述部分。

6. 根据权利要求5所述的六足模拟组件，其中至少一个转角部分由在转角部分的平面内延伸的两个结构梁的交接端形成，其中梁的交接端被弯曲从而以平行方式向外延伸，共同形成负载承载结构体的将一对接头彼此分离的所述部分。

7. 根据权利要求5或6所述的六足模拟组件，其中至少一个转角部分的延伸部是由在两个结构梁的交接端延伸的带材或大梁形成的。

8. 根据权利要求7所述的六足模拟组件，所述带材或大梁具有连接至在两个结构梁之间延伸的横梁的向内延伸端。

9. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中至少一个接头的其中一个枢轴装置在两端由轴承块支承，并且其中属于一对接头的其中一个接头的两个轴承块被连接至负载承载结构体的所述部分的一侧，并且其中属于该对接头的另一个接头的两个轴承块被连接至负载承载结构体的所述部分的另一侧。

10. 根据权利要求5所述的六足模拟组件，其中所述延伸部支承在延伸部两侧向外延伸的横板或端板，并且其中两个接头具有轴，该轴在一端由横板或端板中的轴承支承，而在另一端由固定至延伸部或相邻的结构部件的轴承块中的轴承支承。

11. 根据权利要求10所述的六足模拟组件，其中轴承块由轴支承梁支承，该轴支承梁从三角形结构体的最靠近所述轴承块的一侧延伸，并且朝与轴承块所支承的轴的方向相同的方向延伸。

12. 根据权利要求10或11所述的六足模拟组件，其中延伸部和横板或端板由两块对称排布且弯曲的板形成。

13. 根据权利要求10所述的六足模拟组件，其中单个固定板被固定至向外延伸且包含轴承的两块板的外表面。

14. 根据权利要求13所述的六足模拟组件，其中用户结构被设置在负载承载结构体的顶部，其中用户结构包括用于安置用户、仪器以及视觉显示器、计算机和教练员站的装置。

15. 根据权利要求14所述的六足模拟组件，其中在负载承载结构体和用户结构的界面处存在阻尼装置。

16. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中分离成对接头的负载承载结构体的所述部分包括负载承载结构体的垂直延伸的凸缘或边带。

17. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中负载承载结构体形成悬浮在三对接头之间的平台的一部分。

18. 根据权利要求17所述的六足模拟组件，其中所述平台具有位于或低于成对结构的高度的质心。

19. 根据权利要求17或18所述的六足模拟组件，其中所述平台包括实质上三角形的主体，例如形成实质上的等边三角形。

20. 根据权利要求1所述的六足模拟组件，其中一对中的两个二自由度接头具有共平面的固定轴和自由轴，固定轴界定出第一平面，自由轴界定出第二平面，第二平面实质上正交于固定轴界定的第一平面，第一平面与由负载承载结构体形成的平台的上表面形成0-20度的角度。

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