CN105009184B - 运动模拟器 - Google Patents

Abstract

运动模拟器由底座和平台构成，所述底座通过六自由度的六足仪来驱动中间构件，所述平台由二自由度的模拟器来驱动，平台设置于所述中间构件上，以补充俯仰和滚动。

Description

运动模拟器

技术领域

本发明涉及一种运动模拟器。更具体地说，本发明涉及一种用于需要以至少一个旋转自由度的大偏移的应用的运动模拟器。

背景技术

运动模拟器是本领域中公知的。斯图尔特平台(或六足仪)是相对于底座移动平台的一种公知形式的模拟器。六足仪具有六个线性致动器，这些线性致动器布置成相对于底座在六个自由度(三个线性自由度、三个旋转自由度)中移动平台，这取决于组合地使用的致动器。平移自由度通常称为浪涌(在行进方向上的水平移动)、摇摆(垂直于行进方向的水平移动)和起伏(垂直运动)。旋转自由度称为滚动(绕平行于行进方向的轴线的旋转)、俯仰(绕垂直于行进方向的水平轴线的旋转)和偏转(绕垂直轴线的旋转)。

六足仪具有由平台的最大偏移和最小偏移限定的有限工作空间，所述平台的最大偏移和最小偏移又由致动器的行程极限限定。为了需要以任何给定自由度的进一步平台移动的更大工作空间，提供更长的六足仪致动器是已知的。虽然这可实现期望的效果，但是它大幅增加模拟器的成本(更长的线性致动器明显比短的线性致动器更昂贵)，并且有时可以降低模拟器的固有刚性。在一些情况下，六足仪完全不适合所要求的偏移自由度。

刚性是模拟器的重要属性，因为它最小化不期望的平台振动和振荡，否则振动和振荡会在对象上提供错误的加速度和力。因此，在已知的斯图尔特平台上，在最大平台偏移和刚性之间存在折中。

存在需要以一个(或多个)特定的旋转自由度的高偏移或行进度的各种模拟。这可以用于模拟重力或径向加速度。例如，油箱测试、电池测试、燃油计量系统测试、设备的惯性测量、测试仪器、固定法测试、含有/取决于液体或磁铁的设备以及需要人工水平线的任何设备都需要以全局滚动和俯仰自由度的潜在大的平台移动。提供具有长冲程致动器的六足仪会在一定程度上提供所需的功能性，但并非在所有的情形下提供所需的功能性。大的六足仪还会提供并不需要的功能性，即额外地以剩余的四个自由度行进。

因此，在一方面提供刚性、紧凑且便宜的模拟器，且在另一方面提供以滚动和俯仰自由度的附加移动，存在竞争性需求。

发明内容

本发明的目的是克服或至少缓和这个问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种运动模拟器，其包括：

底座和由六足仪连接到底座的中间构件，该六足仪配置成相对于底座以六个全局自由度移动中间构件，该六个全局自由度包括滚动、俯仰和偏转；

平台，其连接到中间构件用于相对于该中间构件以至少一个局部旋转自由度移动；

补充致动组件，其布置成以至少一个局部旋转自由度相对于中间构件移动平台，以便补充平台以全局滚动和俯仰自由度中的至少一个自由度的全局移动。

有利地，可移动平台在中间构件上的设置允许更大范围的平台移动。将注意到，虽然六足仪是并行操纵器(由此提供所需的刚性)，但是中间构件和平台串联联接(提供高的移动范围)。在下面讨论的实施例中，六自由度的六足仪由受万向接头约束的二自由度系统补充。

优选地，平台和中间构件由接头连接，该接头在第一侧固定到中间构件并在第二侧固定到平台，且该接头在中间构件的局部俯仰和滚动轴线上具有自由度。

优选地，补充致动组件包括第一补充线性致动器，该第一补充线性致动器在第一端安装到中间构件且在第二端安装到平台。更优选地，平台经由接头连接到中间构件，并且其中第一补充线性致动器在与该接头隔开的位置处连接到平台，以便在平台上产生力矩。这导致使用线性致动器的平台的旋转。

优选地，接头是万向接头，如万向节或球形接头。这允许平台仅仅以中间构件的两个假想的水平自由度旋转。术语“万向接头”在这里用于表示具有至少两个旋转自由度的接头。优选地，平台以除了滚动和俯仰之外的所有局部自由度相对于中间构件进行约束。

替代地，接头可以是以除了一个旋转自由度之外的所有旋转自由度约束的接头，即铰链接头。

优选地，补充致动组件是具有至少两个功能上并行的致动器的并行操纵器。在这方面，“功能上并行”意味着并行操作，即两个致动器均连接到中间构件和平台。这进一步增强整个操纵器的刚性。优选地，六足仪和补充致动组件在三维空间重叠。这提供刚性、紧凑的布置。优选地，致动器在几何意义上是不平行的，即它们相对于彼此成斜角。

补充致动组件可包括第二补充线性致动器，该第二补充线性致动器在第一端安装到中间构件且在第二端安装到平台。优选地，第一致动器的第二端和第二致动器的第二端部在平台上间隔开。从而，第一致动器和第二致动器的移动的组合可以以两个自由度移动平台。

优选地，六足仪在限定第一平面的至少三个固定点附接到中间构件，并且其中一个或多个补充线性致动器的一个或多个第一端设置在第一平面的第一侧上，与平台相对。

优选地，六足仪在限定第一平面的至少三个固定点附接到中间构件，并且其中补充致动组件穿过第一平面。更优选地，至少三个固定点限定由连接至少三个固定点的线界定的第一表面，并且其中补充致动组件穿过第一表面。这提供刚性、紧凑的模拟器。

优选地，中间构件包括中心区和多个腿，其中六足仪附接到这些腿。这允许具有低惯性的轻量中间构件，并且也允许补充致动组件在腿之间穿过以得到更紧凑的模拟器。腿可以在中间构件的局部水平平面中延伸。

优选地，中间构件包括延伸到由六足仪限定的体积中的腿，其中补充致动组件附接到该腿。“由六足仪限定的体积”是指由六足仪致动器界定的假想三维空间。这样的体积由在相邻近致动器之间延伸最短可能距离的表面和由连接其中多对致动器附接到中间构件的三个区域的顶表面界定。

优选地，补充致动组件在脚处附接到腿，该脚限定在平台远侧的一端处。

优选地，补充致动组件配置成相对于中间构件围绕中间构件的局部坐标系中的两条假想水平轴线致动平台。

优选地，六足仪包括多个线性致动器，其中补充致动组件包括具有偏移少于六足仪的任何线性致动器的至少一个线性致动器。换句话说，代替在六足仪中提供六个更长致动器的现有技术方法，六个“正常”长度致动器由两个另外的致动器补充。8个正常长度致动器而不是6个更长致动器的设置更便宜且更硬。

优选地，六足仪和补充致动组件中的至少一个包括至少一个线性致动器，该至少一个线性致动器包括驱动滚珠螺杆推进活塞的电动马达。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述根据本发明的示例运动模拟器，其中：

图1是根据本发明的运动模拟器的透视图；

图2是图1的运动模拟器的平面图；

图3是图1的运动模拟器的前视图；

图4是图1的运动模拟器的侧视图；

图5是图1的运动模拟器的一部分的透视图；

图6是图1的运动模拟器的子组件的第一透视图；

图7是图1的运动模拟器的子组件的另一透视图；和

图8是处于致动状态的图1的运动模拟器的透视图。

具体实施方式

转到图1，运动模拟器100一般包括底座102、中间构件104和平台106。中间构件104和底座102由六足仪108连接和驱动，且平台106和中间构件104由接头组件110连接并由补充致动组件112驱动。

底座102通常呈三角形，分别具有第一顶点114、第二顶点116和第三顶点118，如图2中所示。底座102通过公知方法附接到不可移动表面，如车间的地板。底座设置到全局不可移动的全局轴线XG、YG和ZG。围绕XG的旋转是滚动，且围绕YG的旋转是俯仰。围绕ZG的旋转是偏转。

图6和图7中更详细示出中间构件104。中间构件104包括分别从中心区126径向延伸的三个臂120、122、124。中间构件104具有包括轴线XL、YL和ZL的假想局部坐标系，其从中心区126的顶部稍微垂直地偏移。该局部坐标系随中间构件104移动。在图1中所示的中间位置中，ZG和ZL对齐，XG和XL平行，且YG和YL平行。

臂120、122、124中的每一个绕局部垂直轴线ZL等距地隔开。提供平行于并沿着局部垂直轴线ZL从中心区126延伸的腿128。腿是管状和圆柱形的并在与臂120、122、124和中心区126相对的一端处终止于脚130。脚130是以径向延伸的凸缘的形式。

分别提供起作用以使中间构件104变硬腹板132、134、136，以在腿128和每个单独的臂120、122、124之间限定的的90度角延伸。

平台106包括板构件138，其具有大体平坦的支撑表面140。平台106限定与支撑表面140相对的从板构件138延伸的支撑件142。支撑件142是大体固体圆柱形构件。支撑件142终止于平台接头凸缘144。多个腹板146在平台接头凸缘144、支撑件142和与支撑表面140相对的构件138的下侧之间延伸。

六足仪108分别包括六个线性致动器150-160。每个线性致动器基本上是相同的，且因此，参照图5在此仅描述致动器150。线性致动器150包括第一万向接头162和第二万向接头164。万向接头162、164在致动器150的相对端处。在万向接头162、164中间设有气缸166，该气缸容纳活塞168(在图8中相对于第三线性致动器154更清楚地示出)。活塞168用滚珠螺杆安装在气缸166内，该滚珠螺杆可经由在第一万向接头162近侧连接到线性致动器150的电动马达170致动。皮带传动装置172将电动马达170连接到滚珠螺杆，使得活塞168可以由电动马达170驱动进入和离开气缸166。

接头组件110包括以万向节形式的万向接头174，其设置在局部轴线ZL上并且可绕局部水平轴线XL和YL致动。

参照图8，补充致动组件112包括第一补充线性致动器176和第二补充线性致动器178。补充致动器176、178类似于线性致动器150-160，除了他们大体上较短并且具有较少行进；即从如图5中所示的紧凑状态至如例如在图8中所示的延伸状态的较小运动范围之外。

运动模拟器100组装如下。

底座102安装在静止的、水平的平坦表面上，使得该底座在使用中是不可移动的。然后，中间构件104经由六足仪108悬挂在底座102上方。

六足仪108的致动器布置如下。

首先，当从上面看时(参见图2)，平台106定向成使得每个臂120、122、124散置在底座102的顶点114、116、118中的二个之间。然后，第一致动器150从第一顶点114对角地延伸到第一臂120的端部。第二线性致动器152从第二顶点116延伸到第一臂120的第一端。第三线性致动器154从第二顶点116延伸到第二臂122的端部，且第四线性致动器156从第三顶点118延伸到第二臂112的端部。第五线性致动器158从第三顶点118延伸到第三臂124的端部且最后，第六线性致动器160从第一顶点114延伸到第三臂124的端部。以这种方式，形成六足仪或斯图尔特平台。将注意到，由线性致动器150-160限定的六足仪形成的体积由中间构件104的向下悬垂的腿128穿过。

然后平台106经由接头组件110附接到中间构件104的中心区126用于绕局部轴线XL和YL的旋转。然后安装补充致动组件112，其中第一补充线性致动器176从中间构件104的第一臂120和第二臂122之间的中间构件104的脚130延伸到平台106的板构件138的一个角。同样地，第二补充线性致动器178从中间构件104的第二臂122和第三臂124之间的中间构件104的脚130延伸到平台106的板构件138的相邻角。

当平台104是水平时，第一补充致动器176和第二补充致动器178处于一中间行进点。第一补充致动器176的缩回和第二补充致动器178的延长使平台104绕局部轴线XL旋转，并且两个补充致动器176、178的同时延长或缩短使平台104绕接头轴线YL旋转。

图8中示出了中间构件104经由六足仪绕轴线XG的滚动和平台106相对于中间构件绕局部轴线XL的滚动。将注意到，一大的卷平台106绕全局轴线XG的大滚动被实现。

变化落入本发明的范围内。

中间构件104的腿的自由端可以由界定中间构件的外周结构连接(该外周结构可以是圆形的，即环形或任何其他形状)。

在替代实施例中，万向接头174绕局部水平轴线XL和YL的运动可以由具有直接驱动接头的旋转输出轴的一对电动马达执行。

Claims (15)

1.一种运动模拟器，其特征在于，包括：

底座和由六足仪连接到所述底座的中间构件，所述六足仪包括六个制动器，并被配置成相对于所述底座以六个全局自由度移动所述中间构件，所述六个全局自由度包括滚动、俯仰和偏转；

平台；

在第一侧处固定到所述中间构件且在第二侧处固定到所述平台的接头，所述接头在所述中间构件的局部俯仰和滚动轴线上具有自由度；

补充致动组件，其布置成在所述中间构件的局部俯仰和滚动轴线上相对于所述中间构件移动所述平台，以便补充所述平台以全局滚动和俯仰自由度中的至少一个自由度的全局移动,其中所述补充致动组件包括第一补充致动器，该第一补充致动器配置成以至少一个自由度铰接所述接头,所述第一补充致动器是在第一端安装到所述中间构件且在第二端安装到所述平台的第一补充线性致动器；

其中所述六足仪在限定第一平面的至少三个固定点附接到所述中间构件，并且其中一个或多个补充线性致动器的一个或多个第一端设置在所述第一平面的第一侧上，与所述平台相对。

2.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中，所述接头是万向接头、万向节或球形接头。

3.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中除了有两个旋转自由度外，所述接头受到约束。

4.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述第一补充致动器具有旋转输出。

5.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述第一补充线性致动器在与所述接头隔开的位置连接到所述平台，以便在所述平台上产生力矩。

6.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述补充致动组件是具有至少两个功能上并行的致动器的并行操纵器。

7.根据权利要求6所述的运动模拟器，其中所述补充致动组件包括第二补充线性致动器，该第二补充线性致动器在第一端安装到所述中间构件且在第二端安装到所述平台。

8.根据权利要求7所述的运动模拟器，其中所述第一补充线性致动器的第二端和所述第二补充线性致动器的第二端在所述平台上间隔开。

9.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述六足仪在限定第一平面的至少三个固定点附接到所述中间构件，并且其中所述补充致动组件穿过所述第一平面。

10.根据权利要求9所述的运动模拟器，其中所述至少三个固定点限定出由连接所述至少三个固定点的线界定的第一表面，并且其中所述补充致动组件穿过所述第一表面。

11.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述中间构件包括中心区和多个腿，其中，所述六足仪附接到所述腿。

12.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述中间构件包括延伸到由所述六足机构限定的体积中的腿，其中所述补充致动组件附接到所述腿。

13.根据权利要求12所述的运动模拟器，其中所述补充致动组件在脚处附接到所述腿，所述脚限定在所述平台远侧的一端处。

14.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述六足仪包括多个线性致动器，并且其中所述第一补充线性致动器具有的偏移少于所述六足仪的任何线性致动器。

15.根据权利要求1所述的运动模拟器，其中所述第一补充线性致动器包括驱动滚珠螺杆的电动马达。