CN105009183B - 模拟器 - Google Patents

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Abstract

运动模拟器[100]具有至少三个平移自由度并且具有至少三个致动器组件[106、108、110]，每个致动器组件具有四杆平行四边形/梯形联动装置。还公开了加固件[214]。

Description

模拟器
技术领域
本发明涉及模拟器。更具体地，本发明涉及三自由度振动模拟器，该三自由度振动模拟器用于模拟平移振动或平移和旋转相结合的振动对装置或对象的影响。
背景技术
振动模拟器是广为人知的，并且通常用于模拟现实世界现象在受控环境(诸如，实验室或车间)中的影响。振动模拟器可用于测试机电设备以确保该机电设备能够经受其最终将使用到的环境。例如，例如，振动模拟器可用于飞行模拟器中来摇动直升机座舱(从而摇动座舱设备、座位和飞行员)以模拟飞行中所经历的高频振动。可监测并使用此类振动对飞行员和周边环境的影响来改善飞行员技能和培训以及座舱设备的设计。
振动模拟器可用于诸如在振动平台、抗振平台、飞行模拟器、驾驶模拟器、地震模拟器、过载椅、座椅振动器和车辆动态模拟器之中的设备。振动平台是民航监管部门的所谓的“D级”飞行模拟器标准所必需的。
本领域中存在各种运动模拟器。一个此类实例为US6077078。该设备能够在各种自由度下提供运动并且安装在二自由度笛卡尔导轨上以在垂直、水平方向上提供运动。该设备的问题在于为了在所有三个自由度下提供平移运动，与运动平台相结合的导轨需要大量的致动器并且其相对较复杂且昂贵。该导轨还有较大的空间需求。
US 2005/0277092公开了使用三个垂直取向致动器的座椅运动模拟器。每个致动器定位在水平导轨上。从该文件中清楚可见，为了在平移自由度下移动座椅，必须垂直并水平地移动每个致动器。该特定机制复杂而庞大并且其不适于座舱内振动模拟
发明内容
本发明的一个目的在于提供紧凑并且能够在至少三平移自由度下提供振动的改进的振动模拟器。
根据本发明的一个方面，提供了运动模拟器，其包括：
基部；
在使用中定位在基部上方的可移动支撑体；
至少三个可移动支撑体致动组件，其将基部连接至可移动支撑体，每个可移动支撑体致动组件包括：
致动器；
第一连杆，其具有第一端，该第一端连接至基部使得第一连杆的第一端能够由致动器驱动以描述围绕第一轴的至少部分圆形轨迹；
第二连杆，其具有第一端，该第一端连接至基部使得第二连杆的第一端能够由致动器驱动以描述围绕第一轴的至少部分圆形轨迹；
其中第一连杆和第二连杆在各自的第二端连接至可移动支撑体；
其中第一连杆和第二连杆包括位于其每个相应的第一端和第二端处的万向节；
其中第一连杆和第二连杆的相应的第一端间隔开来；并且
其中第一连杆和第二连杆的相应的第二端间隔开来。
有利地，这种类型的机制允许在三平移自由度下运动并且仅需要三个致动器(每个致动组件一个)。每个组件与基部和可移动支撑体形成四杆联动装置，其可被致动以相对于基部移动可移动支撑体，但也允许它们在其他致动组件之一移动时进行相对运动。
利用“万向节”，我们指的是能够在至少二自由度下移动的任何接头，例如万向接头或球形接头。
可移动支撑体可为平台或装载架，该平台或装载架具有用于模拟或测试执行于其上的设备的多个附着点。
优选地，至少一个可移动支撑体致动组件包括安装在基部用以围绕第一轴旋转的第一曲柄，该第一曲柄在第一连杆的第一端处连接至万向节。优选地，第一曲柄从轮轴径向地延伸。优选地，提供了从轮轴径向地延伸的第二曲柄，该第二曲柄在第二连杆的第一端处连接至万向节。
可驱动曲柄旋转以驱动可移动支撑体进行旋转运动。这是有利的，因为旋转致动器比线性致动器更可取，尤其是在高频应用诸如振动模拟中。线性致动器也需要致动器以在紧急情况下使其停止(以防止平台坠落-例如，在使用六足机器人平台时)，而根据本发明的构型下的旋转致动器则不需要。
可直接驱动轮轴，或者优选地，组件包括从轮轴径向地延伸的驱动曲柄，该驱动曲柄由致动器所驱动。这就允许致动器进一步齿轮传动。驱动曲柄可由推杆来驱动，该推杆转而由通过致动器驱动旋转的致动器曲柄来驱动。
优选地，致动器曲柄被布置为被驱动进行360度旋转。这就意味着致动器无需不断地改变方向；尤其成为用于振动模拟的优点。
致动器可被内部地定位-即定位在由连杆的第一端所界定的区域内-或支撑体致动组件安装在基部的位置处。这使得布置更为紧凑。
另选地，致动器可被外部地定位-即定位在由连杆的第一端所界定的区域之外-或支撑体致动组件安装在基部的位置处。这使得更换和维修致动器更为容易，并且允许使用更大的致动器。
优选地：
第一连杆具有第一长度；
第二连杆具有第二长度；并且
其中连杆的相应的第一端与连杆的相应的第二端之间的距离大于第一长度或第二长度。
四杆联动装置的这一纵横比对振动模拟器来说更为可取，因为尽管减小了平台的运动范围，但加大了组件的刚度。高频下轻微移动对于振动模拟(尤其对于直升机座舱模拟)来说是理想状态，因此四杆联动装置的这一纵横比是有利的。
优选地，连杆的相应的第一端与连杆的相应的第二端之间的距离为第一长度或第二长度的至少三倍。优选地，为第一长度或第二长度的至少五倍。(即，为其单独长度的至少三倍或五倍)
另选地，如果需要大幅振动，可改变四杆联动装置的纵横比使得第一连杆和第二连杆的单独长度大于或等于其端部之间的距离。该布置尽管在刚性上不如前述实施例，但为较高幅振动提供了更高行进程度。在这些情况下，如下所述并相对于第二方面，可需要进一步加固。
优选地，提供有至少一个加固组件，该加固组件形成独立于可移动支撑体致动组件的介于基部和可移动支撑体之间的载荷路径。优选地，加固组件包括在旋转方面比平移方面更具刚性的弹性构件。
由致动组件的几何结构带来的四杆联动装置可具有各种形状。第一连杆和第二连杆可具有相同长度，在这种情况下四杆联动装置将为平行四边形(在连杆的两端部彼此等距的情况下)或梯形(在不等距的情况下)。
根据本发明的第二方面，提供有一种运动模拟器，包括：
基部；
在使用中定位在基部上方的可移动支撑体；
加固件，其在基部和可移动支撑体之间延伸，该加固件包括：
第一大体上U型区域，其在相应端附接至基部；以及
第二大体上U型区域，其在相应端附接至可移动支撑体；
其中第一U型区域在它们的相应端之间连接至第二U型区域，并且其中U型区域围绕在使用中在基部和可移动支撑体之间延伸的偏航轴彼此间呈一角度。
有利地，该布置提供支撑但抑制围绕偏航轴旋转，这在振动模拟中很重要，尤其对于根据第一方面的易受到非期望偏航旋转影响的布置亦如此。
优选地，加固件包括：
第一支腿和第二支腿，每个支腿附接至基部并且连接以限定第一U形区域；
第一臂部和第二臂部，每个臂部附接至可移动支撑体并且连接以限定第二U形区域；
其中支腿和臂部由弹性片材构造而成。
支腿和臂部可在垂直于偏航轴的区域连接。该板状中心区域提供抗偏刚度。
优选地，支腿和臂部为L形，每个支腿和臂部的一部分共面并垂直于偏航轴。这就允许支腿和臂部充当弹簧片。
附图说明
现将参照如下附图来描述根据本发明的实例振动模拟器，其中：
图1是根据本发明的第一振动模拟器的透视图；
图2是为了清楚起见将运动平台省略的图1的模拟器的图示；
图3是为了清楚起见将运动平台省略的图1的模拟器的一部分的细节视图；
图4是为了清楚起见将运动平台省略的图1的模拟器的更多部分的细节视图；
图5a和5b是图1的模拟器的致动器的侧面示意图；
图6是根据本发明的第二振动模拟器的一部分的透视图；
图7a-7e是根据本发明的模拟器的致动器的一部分的五个不同几何构型的示意图；以及
图8是根据本发明的第三振动模拟器的透视图。
具体实施方式
转到图1至图4，示出了根据本发明的振动模拟器100。振动模拟器100包括基部102、在使用中定位在基部上方以平台104形式存在的可移动支撑体，以及相对于基部102驱动平台104的三个单独的平台致动组件106、108、110，其将在下文中描述。平台104还承载于三个支撑组件192、194、196上。
基部102为轮廓被设计成不规则五角形形状的平坦板状构件。基部102在形状上是具有三个长边112、114、116的三角形，该三角形的每个拐角被截断以提供三个短边118、120、122。基部102在使用中被安装在表面(通常为底板)上。另选地，基部可为相关部件直接附接至其上的底板
转向平台104，该平台类似于基部102之处在于其为由具有长边126、128、130的三角形形成的不规则五角形形状，该三角形的截断拐角形成短边132、134、136。在该实施例中，平台104在形状上与基部102相同并且处于致动组件106、108、110的中间位置，该平台垂直偏离于它们。
在图2中，省略平台104使得第一致动组件106、第二致动组件108和第三致动组件110可见。三个致动组件106、108、110大体上一致(远离其相对于基部102的取向)，因此将仅对第一致动组件106进行详细描述。
第一致动组件106包括具有输出轴140的电机138，该输出轴由电机138驱动围绕电机轴M旋转。提供了电机曲柄142，其具有位于第一端的第一轴附接件144和位于相对的第二端的第二轴附接件146
提供了可调节连杆臂148，其具有限定在第一端的第一轴附接件150和位于相对的第二端的第二轴附接件152。轴附接结构150、152形成具有多个旋转自由度的球形旋转接头。在安装模拟器100时，可以已知的方式在长度上对可调节连杆148进行调节并根据需要进行
第一致动组件106包括第一轮轴支座154和第二轮轴支座156。每个轮轴支座154、156附接至基部106使其刚性附接到基部上。每个轮轴支座154、156包括适于接收轮轴的轴承。每个轴承为能够在单一旋转自由度上提供运动的圆柱形接头。轮轴支座154、156间隔开来并且接近基部102的长边112的相对两端。轮轴支座154、156的连接轴对准并且平行于单一连接轴X。连接轴X朝向基部102的中心略偏离于第一长边112。
提供了轮轴158，其通常包括具有分别位于每一端的转向轴162、164的加长管160。
传动曲柄166定位并固定于轮轴158的轴向中心。传动曲柄166包括互为镜像平行偏置的第一板168和第二板170。在传动曲柄166的自由端(与轮轴158相对)提供有分别位于每个板168、170上的轴接收结构172、174。轴接收结构172、174连接至球形接头附接结构152，该结构允许所有旋转自由度上的旋转。
在轮轴158的每一端分别提供有第一轮轴曲柄176和第二轮轴曲柄178，每个轮轴曲柄从其径向地突出来。每个轮轴曲柄176、178固定于轮轴158上并且每个轮轴限定位于与轮轴158相对的端的各自的球形接头180、182。
提供了第一可调节轮轴拉杆184和第二可调节轮轴拉杆186并且如本领域所已知的，其在长度上可调节。
提供了第一拉杆支座188和第二拉杆支座190并且其在第一长边126的各端附接至平台104的下面。每个拉杆支座分别包括球形接头189、191。
第一致动器组件106装配如下
参考图3，输出轴140连接至曲柄臂142上的第一轴附接点144使得在电机138驱动轴140时曲柄臂142围绕电机轴M旋转。曲柄臂142的第二轴附接件146通过转向轴附接至可调节连杆148的第一轴附接件150使得连杆148可相对于曲柄臂142围绕第一连接轴L1自由旋转，并且围绕垂直于L1的轴执行轻微的旋转(因为附接件150为球形接头)。需注意，曲柄臂142被配置为使得输出轴140在其进行360度旋转时不妨碍曲柄臂142的360度旋转，并且不妨害可调节连杆148。因此，致动器138能够得以连续驱动。
可调节连杆148的第二轴附接件152定位在传动曲柄166的板168、170的轴接收结构172、174之间。将部件附接在一起使得可调节连杆148能够相对于传动曲柄166围绕第二连接轴L2旋转(注意：由于附接结构152为球形接头，因此连杆148还能够围绕其他轴执行轻微旋转)。电机轴M、第一连接轴L1和第二连接轴L2是平行的。
轮轴158被安装用以围绕连接轴X旋转，该连接轴也平行于电机轴M、第一连接轴L1和第二连接轴L2。
每个轮轴拉杆184、186附接至轮轴曲柄176、178的球形接头180、182使得轮轴拉杆184、186能够在所有三个旋转自由度上相对于轮轴曲柄176、178旋转。轮轴拉杆184、186被定位在靠近相应的轮轴支座的位置以保证刚度。
每个拉杆188、190附接至平台104的下面。拉杆支座188、190通常安装在平行并偏离于轮轴158的位置使得在拉杆支座188、190之间绘制的线平行并偏离于平台104的第一长边126并且朝向平台104的中心
拉杆184、186平行并等长，因而在平台104相对于基部102的所有位置处形成平行四边形形式的四杆联动机构。因此，平台104总是平行于基部102并且不旋转。该运动范围在图7a中示意性地示出。
由拉杆184、186、基部102和平台104形成的四杆联动机构的特征在于，拉杆184、186在长度上比其相应端之间的距离短。换句话说，在两端处，拉杆184、186由大于其各自长度的距离间隔开来。这就为该机制提供了稳定性，并为在使用中经受很高反作用力的模拟器100提供了刚度。还需注意，拉杆184、186并非垂直的，并且不垂直于基部102和平台104的相应平面。这也赋予模拟器100刚度。
参照图5a和5b，其示意性地示出了第一致动器组件106的操作。图5a和5b为从图2的方向V得到的示意图
比较图5a和5b，图5a示出处于其起始中间位置的致动器106。平台104经电机138的输出轴140进行轻微顺时针旋转移动后的位置在图5b中示出(起始位置表示为隐藏线)。如图5b中可以看到的，曲柄臂142的旋转推动可调节连杆148，可调节连杆转而使传动曲柄166旋转并从而使轮轴158围绕其主轴旋转。轮轴曲柄176、178也以顺时针方式旋转，从而拉动轮轴拉杆184、186并使平台104降低。
如图2所示，三个致动器组件106、108、110中的每一个彼此相隔120度定位。换句话讲，它们是相对于基部102和平台104等间距的。
致动器组件106提供的运动在第一方向D1上推动平台104。这就与任一致动器组件108、110提供的移动(分别D2和D3方向)明显呈120度的角度。此类运动是轮轴158、轮轴拉杆184、186和平台104形成的平行四边形联动装置所允许的。每个致动器组件106、108、110具有平行四边形联动装置的事实意味着平台的所有三个自由度上的平移运动(即，前后方向上的喘振、侧向上的摇摆、垂直方向上的起伏)是可能的。
需注意，能够同时或交替地使三个致动器组件106、108、110中的每一个活动以便在三平移自由度中的一个或多个上提供运动
如图2中可以看到的，平台104安装在支撑组件192、194、196上。每个支撑组件192、194、196大体上相同，因此这里将仅对支撑组件192进行详细描述。
参照图3，支撑组件192包括附接至基部102的底板198。减震垫200从底板198垂直于该底板竖直地延伸，并且连接至平台支座202。支座202为U形，其具有连接至垫200的底部204和两个向上延伸的侧板206、208，该两个侧板终止于被配置为安装在平台104上的两个向外延伸的凸缘210、212。为了使组件尽可能紧凑，并且对平台104提供充分支撑，每个平台支座202包围致动器组件106的一部分，特别是位于U截面内的侧板206、208之间的可调节连杆148。垫200还支撑平台102上的静态载重。
用于抑制偏航旋转(即，围绕垂直轴的旋转)的另选或另外的方法如图6所示。图6示出了偏航抑制平台支撑体214，其具有被配置为连接至基部102的第一支脚216和第二支脚218
每个支脚216、218分别连接至垂直板状构件220、222，并且每个板状构件220、222分别连接至水平构件224、226。同样地，形成横截面通常被设计成倒“L”形状的两个支腿228、230。
在支腿228、230之间提供有相对刚性的中心板232，其连接水平构件224、226。中心板232为正方形的，并且水平构件224、226沿两个相对侧面连接至该中心板。从中心板232的其余侧面延伸出来，提供有另外两个水平构件234、236，它们类似于水平构件224、226但在水平面上延伸与其呈90度。水平构件234、236连接至另外两个垂直构件238、240。从而水平构件和垂直构件分别形成两个“L”形臂部242、244。每个臂部242、244终止于连接至平台104的平台支座246、248。
每个支腿228、230和臂部242、244由经挑选在弯曲度上柔韧并富有弹性而在剪切上富有刚度的材料(诸如金属片)构造而成。同样地，这些构件中的每一构件充当弹簧片。臂部和支腿的“L”形状以及将它们设置为彼此呈90度的事实意味着，支撑体214允许在所有三个平移方向上的一些运动并且也允许平台围绕两水平轴相对于基部旋转。严格受限于支撑体214的一个自由度为偏航自由度；即围绕垂直轴旋转。这主要归因于中心板232和水平构件224、226、234、236为水平取向的方式
变型落在本发明的范围内。
例如，可移动拉杆支座188、190以调节拉杆184、186的取向。图7a示出了平行等长的拉杆，其确保了非旋转平台104(如上所述)。
如图7b所示，朝向平台偏离的非平行等长拉杆导致围绕平台下方的点进行平移和旋转运动。这可能对例如地震模拟是有用的。
如图7c所示，非平行等长拉杆提供了围绕平台上方的点的旋转。这可能对评估例如悬挂结构的振动是有用的。
图7d(非等长但平行)和图7e(非等长且不平行)的实施例还提供了不同类型的运动。
转向图8，其示出了类似于模拟器100的振动模拟器300。类似于模拟器100，振动模拟器300包括基部302、在使用中定位在基部上方的平台形式的可移动支撑体(未示出)，以及相对于基部302驱动平台的三个单独的平台致动组件306、308、310，其将在下文中描述。平台还承载于三个支撑组件392、394、396上。
下面论述模拟器100和300之间的差异。
第一致动组件306包括第一轮轴支座354、第二轮轴支座355、第三轮轴支座356和第四轮轴支座357，而不是两个轮轴支座154、156。每个轮轴支座354、355、356、357附接至基部306使其刚性地附接到基部上。每个轮轴支座354、355、356、357包括适于接收轮轴的轴承。每个轴承为能够在单一旋转自由度上提供运动的圆柱形接头。轮轴支座354、355、356、357的连接轴对准并平行于单个连接轴X。
提供了轮轴358。轮轴358被安装以围绕轴X旋转，并且支撑于第一轮轴支座354和第四轮轴支座357之间。轮轴沿中途还由第三轮轴支座356和第四357所支撑。第二轮轴支座355和第三轮轴支座356相邻。
类似于模拟器100，传动曲柄366定位并固定在轮轴358的中点处、第三轮轴支座355和第四356的两侧。传动曲柄366包括互为镜像平行偏置的第一板368和第二板370。在传动曲柄366的自由端(与轮轴358、359相对)提供有分别位于每个板368、370上的轴接收结构372、374。轴接收结构372、374以类似于模拟器100的方式连接至推杆。
在轮轴的中心提供两个额外的支撑体允许更大的刚度和稳定性。
图8还示出了六个可选的临时支撑体400、402、404、406、408、410。在需要对致动组件或永久性支撑体中的任一者进行维修或更换的情况下，这些支撑体使平台保持原位。

Claims (15)

1.一种运动模拟器(100)，包括：
基部(102)；
可移动支撑体(104)，其在使用中定位在所述基部(102)上方；
至少三个可移动支撑体致动组件(106、108、110)，其将所述基部连接至所述可移动支撑体(104)，每个可移动支撑体致动组件(106、108、110)包括：
致动器(138)；
第一连杆(184)，其具有第一端，所述第一连杆的第一端连接至所述基部(102)使得所述第一连杆(184)的第一端能够由所述致动器驱动以描述围绕第一轴(X)的至少部分圆形轨迹；
第二连杆(186)，其具有第一端，所述第二连杆的第一端连接至所述基部(102)使得所述第二连杆(186)的第一端能够由所述致动器驱动以描述围绕所述第一轴(X)的至少部分圆形轨迹；
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)在各自的第二端处连接至所述可移动支撑体(104)；
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)均包括位于各自相应的第一端和第二端处的万向节(180、182)；
其中所述第一连杆(184)的第一端和所述第二连杆(186)的第一端间隔开来；并且
其中所述第一连杆(184)的第二端和所述第二连杆(186)的第二端间隔开来。
2.根据权利要求1所述的运动模拟器(100)，其中所述可移动支撑体为平台。
3.根据权利要求1或2所述的运动模拟器(100)，其中至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)包括：
第一曲柄(176)，其安装在所述基部上用以围绕所述第一轴(X)旋转，所述第一曲柄(176)在所述第一连杆(184)的第一端处连接至第一万向节(180)。
4.根据权利要求3所述的运动模拟器(100)，其中至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)包括轮轴(158)，所述轮轴安装在所述基部上用以围绕所述第一轴旋转，并且所述第一曲柄(176)从所述轮轴径向地延伸。
5.根据权利要求4所述的运动模拟器(100)，其中至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)包括从所述轮轴(158)径向延伸的第二曲柄(178)，所述第二曲柄(178)在所述第二连杆(186)的第一端处连接至第二万向节(182)。
6.根据权利要求4或5所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中，所述致动器直接驱动所述轮轴(158)。
7.根据权利要求4所述的运动模拟器(100)，其中至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)包括从所述轮轴(158)径向延伸的传动曲柄(166)，所述传动曲柄(166)由所述致动器(138)所驱动。
8.根据权利要求7所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中，所述传动曲柄(166)由推杆(148)所驱动，所述推杆转而由通过所述致动器(138)驱动旋转的致动器曲柄(142)来驱动。
9.根据权利要求8所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中，所述致动器曲柄(142)被布置为被驱动进行360度旋转。
10.根据权利要求1所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中：
所述第一连杆(184)具有第一长度；
所述第二连杆(186)具有第二长度；并且
其中所述连杆的所述相应的第一端与所述连杆的所述相应的第二端之间的距离大于所述第一长度或所述第二长度。
11.根据权利要求1所述的运动模拟器(100)，包括至少一个加固组件(192)，所述加固组件形成独立于所述可移动支撑体致动组件(106、108、110)的介于所述基部和所述可移动支撑体之间的载荷路径。
12.根据权利要求11所述的运动模拟器(100)，其中所述加固组件(192)包括在旋转方面比平移方面更具刚性的弹性构件(200)。
13.根据权利要求1所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中：
所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)具有相同长度。
14.根据权利要求13所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中：
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)的所述相应的第一端由一距离间隔开来；并且
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)的所述相应的第二端由与所述相应的第一端间的距离相同的距离间隔开来。
15.根据权利要求13所述的运动模拟器(100)，其中在至少一个可移动支撑体致动组件(106、108、110)中：
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)的所述相应的第一端由第一距离间隔开来；并且
其中所述第一连杆(184)和所述第二连杆(186)的所述相应的第二端由不同于所述第一距离的第二距离间隔开来。
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