CN105575207B - 通用解耦型运动模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用解耦型运动模拟器，该运动模拟器包括基座、驱动腿、从动腿、运动平台和旋转机构；三条驱动腿通过关节球轴承和十字万向铰分别与运动平台和基座相连；从动腿一端通过十字万向铰与运动平台底部连接，另一端固定在基座中央；旋转机构固联在运动平台顶部。本发明通过控制驱动腿和旋转机构的运动，可以改变运动平台的相应姿态，从而满足各类运动场景运动模拟的需求，且结构简单、通用性强、运动解耦、控制方便。
Description
通用解耦型运动模拟器
技术领域
[0001]本发明涉及运动模拟器技术领域，具体涉及一种电机/电动缸驱动的通用解耦型 运动模拟器。
背景技术
[0002]通过动态控制运动模拟器使其配合由计算机控制的虚拟环境进行运动，可以使用 户得到更加真实的操作体验，其不仅可以实现传统的飞行模拟或驾驶模拟，近来还被广泛 应用于各类动感游戏以及4D影院中。
[0003] 传统的运动模拟器主要采用液压或者气压驱动，需要外接油栗、油箱或高压气站 等附属设施。这些附属设置不仅增加成本，还存在油气泄露或者噪声污染等缺陷。虽然该缺 陷也逐渐被一些发明者注意，例如，申请号为201010157797.8的专利文献中公开了一种“电 动座椅摇摆机构”，该机构设计采用了电机驱动的方式，但该机构只拥有两个摆动自由度和 一个升降自由度，无法实现回转运动，根本无法实现复杂的运动模拟。另外，申请号为 201380044761.0的专利文献中公开了一种“运动模拟器”同样采用电机驱动，虽然对比前者 它能实现丰富的运动姿态变换，但是整体结构十分复杂，不利于长期的使用和维护，并且也 只能满足一些特定使用场景的需求。
[0004] 且以上针对现实中某一具体使用场景进行开发的运动模拟器，由于通用性差，开 发成本过高，很难适应市场多样化的需求。
发明内容
[0005] 本发明克服了现有技术的不足，提供一种运动姿态变换丰富、结构简单及成本较 低的通用解耦型运动模拟器。
[0006] 考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术 方案：
[0007] 一种通用解耦型运动模拟器，它包括基座、驱动腿、从动腿、运动平台和旋转机构； 所述基座呈十字型结构并位于模拟器的底部，所述运动平台为T字型结构并位于模拟器的 上部;所述驱动腿由驱动部分和伸缩部分组成，所述驱动腿为3个，3个驱动腿各自的驱动部 分分别与呈十字型的基座的三端铰接，3个驱动腿各自的伸缩部分分别与呈T字型结构的运 动平台的三端连接;所述从动腿由固定杆和活动杆组成，所述从动腿的固定杆与所述基座 的上侧面中部固定连接，所述从动腿的活动杆与所述运动平台的下侧面中部连接;所述旋 转机构包括旋转单元和驱动单元，所述旋转单元包括底座、第一轴承、旋转轴和底盖，所述 底座设置于所述运动平台上侧面中部，所述旋转轴通过所述底盖安装于所述底座上，且所 述旋转轴与所述底座之间的旋转连接处设置第一轴承;用于与座椅连接的座椅连接板设置 于所述旋转轴上;所述驱动单元设置于呈T字型结构的运动平台的一端上，所述驱动单元与 所述座椅连接板之间设置连杆，通过所述驱动单元驱动所述连杆使之带动所述座椅连接板 和旋转轴旋转。
[0008] 为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：
[0009] 根据本发明的一个实施方案，所述驱动单元采用伺服电机驱动丝杠旋转、由丝杠 旋转带动设置其上的滑块及与滑块连接的连杆移动的结构，使伺服电机的旋转运动转换为 直线运动。
[0010] 根据本发明的另一个实施方案，所述连杆与所述滑块连接处的连杆上设置凹形 口，以及连杆的凹形口两侧各设置一沿所述连杆轴向延伸的滑槽，设置于所述滑块上的滑 动装置与所述滑槽滑动连接。
[0011] 根据本发明的另一个实施方案，所述驱动腿采用电动缸驱动。
[0012] 根据本发明的另一个实施方案，所述铰接采用十字万向铰。
[0013] 根据本发明的另一个实施方案，所述驱动腿的伸缩部分通过关节球轴承与所述运 动平台连接。
[0014] 根据本发明的另一个实施方案，所述从动腿的活动杆通过十字万向铰与所述运动 平台连接。
[0015] 根据本发明的另一个实施方案，所述从动腿的固定杆上设置加强筋，所述加强筋 并与所述基座焊接。
[0016] 根据本发明的另一个实施方案，所述从动腿的活动杆外径与固定杆内径相匹配， 活动杆外壁与固定杆内壁设置相匹配的凹槽以形成用于容纳滚动防转装置的空穴。
[0017] 本发明还可以是：
[0018]根据本发明的另一个实施方案，所述滚动防转装置采用滚珠或滚柱。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：
[0020]本发明的一种通用解耦型运动模拟器，具有：
[0021] 1)运动平台通过周围三条驱动腿和中间一条从动腿与基座相连，形成了空间并联 的闭环结构，该并联结构无累积误差，运动精度高，结构紧凑，刚度高，结构受力合理；
[0022] 2)驱动腿通过关节球轴承和十字万向铰与运动平台、基座相连接，从动腿通过十 字万向铰与运动平台相连，其各通用组件制造容易，精度高，可由专门厂家生产，制造成本 较低，组装方便，能标准化生产；
[0023] 3)基座采用十字型的结构，运动平台采用T字型的结构，在很大程度上减小了占用 空间、节省了材料、降低了成本；
[0024] 4)旋转机构的丝杠和滑块之间采用梯形螺纹传动，强度高，对中性好，内外螺纹以 锥面贴紧不易松动，磨损后可以补偿，加工工艺性好；
[0025] 5)本发明的通用解耦型运动模拟器结构简单，具有很好的通用性，可以按照不同 的运动模拟场景需求安装相应的赛车/飞机/坦克/舰船等模型，能够满足各类运动模拟的 需求；
[0026] 6)本发明能够通过外部控制设备或者上位机程序向控制单元发送信号，进而控制 电机和电动缸的运动来对模拟器进行各种姿态的运动控制，各自由度运动的控制解耦，控 制简单、方便。
附图说明
[0027]为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅 是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。
[0028] 图1示出了根据本发明一个实施例的通用解耦型运动模拟器的结构示意图。
[0029] 图2示出了根据本发明一个实施例的驱动腿结构示意图。
[0030] 图3示出了根据本发明一个实施例的从动腿结构示意图。
[0031] 图4示出了根据本发明一个实施例的旋转机构爆炸示意图。
[0032] 其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
[0033] 1 一运动平台，2—驱动腿，3—从动腿，4一旋转机构，5 —关节球轴承，6—十字万向 较，7 —座椅连接板，8—基座，9 一电动缸，10—活动杆，11 一端盖，12—滚动防转装置，13 — 固定杆，14一加强筋，15 —电机安装板，16 —底盖，17—旋转轴，18—第一轴承，19 一底座， 20 —连杆，21—丝杠，22 —滑块，23—轴承座，24 —伺服电机，25 —底板，26—滑槽，27—滑动 装置，28—凹形口，29-轴承座端盖。
具体实施方式
[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0035] 如图1所示，图1示出了一种通用解耦型运动模拟器的结构示意图，该通用解耦型 运动模拟器包括基座8、驱动腿2、从动腿3、运动平台1和旋转机构4;所述基座8呈十字型结 构并位于模拟器的底部，所述运动平台1为T字型结构并位于模拟器的上部;所述驱动腿2由 驱动部分和伸缩部分组成，所述驱动腿2为3个，3个驱动腿2各自的驱动部分分别与呈十字 型的基座8的三端铰接，3个驱动腿2各自的伸缩部分分别与呈T字型结构的运动平台1的三 端连接;所述从动腿3由固定杆13和活动杆10组成，所述从动腿3的固定杆13与所述基座S的 上侧面中部固定连接，所述从动腿3的活动杆1〇与所述运动平台1的下侧面中部连接。
[0036] 机构运动时通过控制前、左、右三条驱动腿2的升降来控制运动平台1的姿态，达到 俯仰、滚转和颠簸的效果。运动平台1的运动直接带动固联在上面的座椅连接板7运动，旋转 机构4通过旋转轴17和丝杠21将电机运动传递给座椅连接板7,从而带动其侧摆/回转运动。
[0037] 如图2所示，图2示出了一种驱动腿的示意性结构，驱动腿2采用电动缸9驱动，电动 缸9优先选用的型号为:KT电动缸DDG20-L-1.3KN-450MM-1000MM/S;其铰接处采用十字万向 铰6。驱动腿2的伸缩部分通过关节球轴承5与所述运动平台1连接。电动缸9作为动力源推动 整根杆的伸缩。
[0038] 如图3所示，图3示出了一种从动腿的示意性结构，从动腿3的活动杆10通过十字万 向铰6与所述运动平台1连接;从动腿3的固定杆13上设置加强筋14,所述加强筋14并与所述 基座8焊接。从动腿3的活动杆10外径与固定杆13内径相匹配，形成移动副，活动杆10外壁与 固定杆13内壁设置相匹配的凹槽以形成用于容纳滚动防转装置12的空穴。滚动防转装置12 优选采用滚珠或滚柱，通过滚动防转装置12实现滚动和防转的功能。在空穴中加入滚珠/滚 柱可以保证活动杆10不发生旋转并且减小固定杆13和活动杆10之间的摩擦，在固定杆13的 顶端还可采用加端盖11的方式防止滚珠/滚柱外漏。从动腿3的固定杆13通过四根加强筋14 焊接于基座8中央，活动杆10通过十字万向铰6与运动平台1连接，从而保证了结构的强度和 稳定性，并对运动模拟器运动平台的运动起约束作用。
[0039]参见图4所示，图4示出了一种旋转机构的爆炸示意图，旋转机构4包括旋转单元和 驱动单元，旋转单元包括底座19、第一轴承18、旋转轴17和底盖16,所述底座19设置于所述 运动平台1上侧面中部，所述旋转轴17通过所述底盖16安装于所述底座19上，且所述旋转轴 17与所述底座19之间的旋转圆周上设置第一轴承18;用于与座椅连接的座椅连接板7设置 于所述旋转轴17上;所述驱动单元设置于呈T字型结构的运动平台丨的一端上，所述驱动单 元与所述座椅连接板7之间设置连杆20,通过所述驱动单元驱动所述连杆20使之带动所述 座椅连接板7和旋转轴17旋转。
[0040]对于旋转机构4固联于运动平台1之上，其中丝杠21与第二轴承之间为“固定一游 动”的支撑组合方式。该固定端采用的第二轴承优选一对角接触球轴承，第二轴承的内圈通 过轴肩、套筒和套筒固定螺母定位，外圈通过轴承座23和轴承座端盖29固定，以承受径向载 荷和一定的双向轴向载荷，保证了丝杠21在轴向上的相对位置。游动端采用的是深沟球轴 承，轴承的内圈两端各用一个弹性挡圈固定其在轴上的位置，轴承的外圈与轴承座为动配 合，以满足轴向游动的需要。以上支撑组合方式可承受较大的径向轴向载荷，结构简单，调 整方便，支撑刚性较高。
[0041]旋转机构4的丝杠21和滑块22之间优先采用梯形螺纹传动，其强度高，对中性好， 内外螺纹以锥面贴紧不易松动，磨损后可以补偿，工艺性好。
[0042]驱动单元采用伺服电机24驱动丝杠21旋转、由丝杠21旋转带动设置其上的滑块22 及与滑块连接的连杆20移动的结构，使伺服电机24的旋转运动转换为直线运动。具体地，驱 动单元可包括电机安装板15、底板25、轴承座23、伺服电机24、丝杠21和滑块22,所述底板25 固定于所述运动平台1上，所述丝杠21通过所述轴承座23与所述底板25固定连接，所述伺服 电机24与所述底板25—端通过电机安装板15连接，所述伺服电机24与所述丝杠21通过联轴 器连接;所述滑块22设置于所述丝杠21上;所述连杆20与所述滑块22连接，且所述连杆20与 所述滑块22连接处的连杆20上设置沿所述连杆20轴向方向延伸的滑槽26,设置于所述滑块 22上的滑动装置27与所述滑槽26滑动连接。
[0043] 其旋转机构4中驱动单元的伺服电机24优先选用的型号为：交流伺服电机123BL ⑶ A110_30H(ST)。
[0044] 连杆20与所述滑块22连接处的连杆20上优选设置凹形口 28,所述滑槽26设置于所 述凹形口 28的两侧。滑块22—方面套装在连杆20的凹形口 28内，另一方面通过螺纹与丝杠 21连接，通过滑块将丝杠21的运动传递给连杆20,从而控制座椅平台的左右旋转。安装于旋 转轴17和底座19之间的轴承18保证了座椅连接板7能在运动平台1平面内自由转动。
[0045] 本发明通用解耦型运动模拟器能够通过外部控制设备或上位机程序向控制单元 发送信号，进而控制电机和电动缸的运动来实现座椅平台的俯仰、滚转、颠簸、侧摆等效果。 另外，本发明通用解耦型运动模拟器结构简单，能够与各种不同的赛车/飞机/坦克/舰船等 模型配合使用，进而可以满足各类运动模拟场景的需求，具有很好的通用性。
[0046] 在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结 合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例 中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任 一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种 特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
[0047]尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解， 本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申 请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主 题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的 变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (10)
1. 一种通用解耦型运动模拟器，其特征在于它包括基座(8)、驱动腿(2)、从动腿(3)、运 动平台（1)和旋转机构(4);所述基座⑻呈十字型结构并位于模拟器的底部，所述运动平台 (1)为T字型结构并位于模拟器的上部;所述驱动腿⑵由驱动部分和伸缩部分组成，所述驱 动腿(2)为3个，3个驱动腿(2)各自的驱动部分分别与呈十字型的基座(8)的三端铰接，3个 驱动腿(2)各自的伸缩部分分别与呈T字型结构的运动平台⑴的三端连接;所述从动腿(3) 由固定杆（13)和活动杆（10)组成，所述从动腿(3)的固定杆（13)与所述基座(8)的上侧面中 部固定连接，所述从动腿(3)的活动杆（10)与所述运动平台（1)的下侧面中部连接;所述旋 转机构⑷包括旋转单元和驱动单元，所述旋转单元包括底座（19)、第一轴承（18)、旋转轴 (17)和底盖(16)，所述底座（19)设置于所述运动平台⑴上侧面中部，所述旋转轴（17)通过 所述底盖（16)安装于所述底座（19)上，且所述旋转轴（17)与所述底座（19)之间的旋转连接 处设置第一轴承（18);用于与座椅连接的座椅连接板(7)设置于所述旋转轴(17)上;所述驱 动单元设置于呈T字型结构的运动平台（1)的一端上，所述驱动单元与所述座椅连接板(7) 之间设置连杆(20)，通过所述驱动单元驱动所述连杆(20)使之带动所述座椅连接板(7)和 旋转轴(17)旋转。 2_根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述驱动单元采用伺服 电机(24)驱动丝杠(21)旋转、由丝杠(21)旋转带动设置其上的滑块(22)及与滑块连接的连 杆(20)移动的结构，使伺服电机(24)的旋转运动转换为直线运动。
3. 根据权利要求2所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述连杆(20)与所述滑 块(22)连接处的连杆(20)上设置凹形口（28)，以及连杆(20)的凹形口（28)两侧各设置一沿 所述连杆(20)轴向延伸的滑槽(26)，设置于所述滑块(22)上的滑动装置（27)与所述滑槽 (26)滑动连接。
4. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述驱动腿(2)采用电动 缸⑼驱动。
5. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述铰接采用十字万向 较⑹。
6. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述驱动腿(2)的伸缩部 分通过关节球轴承(5)与所述运动平台（1)连接。
7. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述从动腿(3)的活动杆 (10)通过十字万向铰(6)与所述运动平台⑴连接。
8. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述从动腿(3)的固定杆 (13)上设置加强筋(14)，所述加强筋（14)并与所述基座⑻焊接。
9. 根据权利要求1所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述从动腿(3)的活动杆 (10)外径与固定杆(13)内径相匹配，活动杆（1〇)外壁与固定杆(13)内壁设置相匹配的凹槽 以形成用于容纳滚动防转装置(12)的空穴。
10. 根据权利要求9所述的通用解耦型运动模拟器，其特征在于所述滚动防转装置（12) 采用滚珠或滚柱。
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