CN1098994C - 用于将负载以至少三个自由度投入运动的模块式装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种起动装置，其包含一个三角形平台(9)，用以支撑一个负载(例如一个模拟驾驶室)。该平台在其三个顶点被铰接的(12，18，19)臂(15)支撑着，该臂被曲柄(6，7)驱动，而所述曲柄则被一个驱动装置(5)带动。还装有一个负载补偿装置，以方便驱动装置(5)的工作。这样，负载可以被驱动着进行俯仰、回转或竖直运动。

Description

用于将负载以至少三个自由度投入运动的模块式装置
本发明涉及一种用于将负载以至少三个自由度投入运动的模块式装置。
法国专利No.2 745 656中描述了一种小型装置，其用于将负载，例如模拟驾驶室，以三个自由度投入运动。这种装置由三个电机带动并使负载能够沿着俯仰、回转以及竖直位移这三个轴线运动，其角运动的幅度被限制在大约±13°。对于某些模拟应用，即以所需空间最小化为主要标准的装置，这样的角度是足够的。
然而，某些应用中需要角运动的幅度较大，即在±25°范围内，以便能够实现模拟中特定的感觉再现。这种应用包括，例如，模拟极不平稳的或山地的运动。
此外，现已知道有带有六个自由度的大型系统，其采用六个液压缸，从而可以获得较大的角运动幅度。然而，这样的系统非常昂贵，特别是因为采用了液压缸以及它们的控制系统(带动力单元和液压回路，同时控制六个轴等)。
现有一种的低成本装置，其被描述于文献EP-A-0 373 029中，用于将一个负载投入运动并采用了三个电机。在每个电机的传动轴上装有一个曲柄，其通过一个悬挂连杆型关节而连接着一个三角形平台上的一个相应末端或角部。这种现有的装置在某些应用场合，即平台的角运动(以回转和/或俯仰运动的形式)不需要很大时(所需幅度小于13°左右)，可以满足要求。悬挂连杆型关节以及用于将其连接到平台的万向节会防止更大幅度的角运动传递到平台上。
本发明的一个目的是提供一种装置，其能够用于以至少三个上面提到的自由度将一个负载投入运动，该装置是小型的，易于控制，具有最低可能的成本，而且可以使负载获得最理想的运动可能，其角运动的幅度，至少在回转和/或俯仰运动上，可以相对大一些(最高达25°左右)。
根据本发明的装置包含至少三个驱动器，每个驱动器分别固定在一个支撑基板上并位于一个大致规则的多边形的顶点处，这些驱动器中的每个均旋转驱动着一个曲柄，该曲柄通过一个铰接连接件连接着一个平台上的一个相应角部，负载即固定在该平台上，平台上的各安装点形成一个多边形的顶点，该多边形的形状优选与顶点被驱动器占据的那个多边形相似，其特征在于，每个铰接连接件分别包含至少一个连接元件，该连接元件在一端通过一个球窝型关节连接着平台，而在另一端连接着至少两个关节，这两个关节通过一个臂而彼此连接起来并沿着一个环绕着轴线的圆作运动。
优选的结构是，如果装置中带有三个驱动器，则它们布置在一个等边三角形上并且彼此相同。另一种优选的结构是，每个驱动器上的平行于基板的旋转驱动轴的两端分别连接着一个曲柄，两个曲柄相对于旋转轴固定在相同角位置上，三个连接元件中的每一个均优选具有一个三角形形状，其端部通过一个旋转关节连接着相应曲柄，而且其角部则通过一个球窝型关节连接着平台上的相应角部。
根据一个实施例，负载补偿装置包含一个单一的具有可调弹簧功能的细长元件，该元件的一端通过一个关节连接着支撑基板的角部，另一端则通过另一个关节连接着平台的重心。
根据另一个实施例，负载补偿装置包含三个这样的细长元件，每个元件均在其各端铰接着，并将平台的每个角部分别连接到支撑基板上的相应角部上。
根据另一个实施例，负载补偿装置包含三个由两个细长元件构成的组，每个元件均在其各端铰接着，每组中的两个元件分别在它们的一端连接着臂，而在另一端连接着驱动器的驱动轴。
根据另一个实施例，每个铰接连接件分别主要包含一个缩放架，该缩放架上带有一个中间横臂，该横臂的连接方式使之可以铰接在上述曲柄上。
在所有这些实施例中，负载补偿装置均包含至少一个校正弹簧或气缸。
通过下面对一些实施例的详细说明可以使本发明被更清楚地理解，这些实施例是通过非限制性的例子给出并通过附图显示的，附图包括：
-图1是本发明的装置的一个带三个自由度的实施例的局部透视图；
-图2是图1所示装置简化了的顶视图；
-图3是一个连接着图1所示装置的曲柄的负载补偿装置的局部侧视图；
-图4是图1所示装置的另一个实施例的局部示意图，其中带有一个缩放架式铰链关节，图4A是这种连接方式在展开形式下的俯视图；
-图5是根据本发明的装置的一个替换实施例的简化了的透视图，该装置可以实现多于三个自由度的运动；
-图6是图1所示装置中位于驱动器与平台之间的连杆装置的一个替换实施例的简化了的视图。
下面将通过参考一个用于将一个模拟驾驶室投入运动的装置而解释本发明，但显然，本发明并不仅仅局限于这个应用，而是可以实施于其他应用场合，即需要使负载获得至少一个自由度的运动的场合，该自由度优选从回转和/或俯仰和/或竖直位移运动中选择。当用于制造角运动幅度相对较大且同时又是小型结构的低成本运动装置时，本发明特别具有优势。
图1和2中所示的运动装置1可用于诸如重量约为1至2吨的模拟驾驶室。装置1产生的运动是回转、俯仰和竖直运动或这些运动的组合。将在后面解释的图5中的装置，可以用于产生其他运动。
图1中的装置1包含一个基板2。在本例的情况下，基板2固定在地面上，而在图5所示情况下，基板2可以移动。作为一种替换结构，可以省略基板2，而将要在后面解释的驱动器则直接固定在地面上。在基板2上，安装着三个相同的电力驱动器，它们分别以3、4和5表示。这些驱动器的类型是自身公知的，此处不再详细显示。每个驱动器中带有一个电机，电机轴的两端均可以工作，即每端分别驱动一个减速齿轮。每个减速齿轮的轴上分别固定着一个曲柄。两个减速齿轮具有一个共同的轴线5A，轴线5A与电机轴线平行或重合。在图1中，只显示了驱动器5，其上固定着曲柄6和7。对于每个驱动器，所述曲柄均相对于电机轴而位于相同的角位置上。驱动器3至5制作并安装在基板2上，从而使得它们的电机轴均平行于基板2。此外，驱动器3至5的中心位于一个三角形8的顶点上，三角形8优选为等边三角形(见图2)。这些电机的轴分别垂直于从三角形8上的相应顶点引出的顶角等分线。如果三角形8是一个等腰三角形，则各电机轴分别平行于三角形上的相应对边。
图中显示的平台9是三角形，优选等边三角形，其可以作为一个专用部件以固定模拟装置中的驾驶室(未画出)，也可以作为驾驶室的基座本身。有三个关节固定在在平台9的下表面上并邻近于各角部。这些关节可以是，例如，球窝关节，或者，优选为双万向节。这些关节以10至12表示，但图1中只显示了以12表示的关节。这些关节10至12中的每一个分别通过连接臂13至15中的一个连接着相应驱动器上的两个曲柄。每个连接臂的形状均为一个等腰三角形，三角形的上顶点即角部(位于等腰三角形对称轴上的一个)连接着平台9上的相应关节。在图1中只显示了以15表示的臂，其在顶点即角部处连接着关节12。每个臂上的另外两个角部处形成了两个短的延伸段(从臂15上伸出的16、17)，而延伸段的端部分别通过一个球窝型关节连接着相应曲柄的端部。在臂15上，延伸段16、17通过关节18、19连接着曲柄6、7的端部，关节18、19的轴线分别位于对方的延长线上并平行于驱动器5的轴线。臂15的尺寸使得延伸段16、17能从外部抓住曲柄6、7，而所述延伸段和曲柄的长度的确定使得曲柄能够完全旋转360°，而关节18、19的轴可以沿着一个以轴线5A为中心的圆作运动。根据一个局部显示于图6中的替换实施例(其中与图1中类似的元件以相同的参考代号表示，但添加了尾标V)，主带轮101、102固定在驱动器5AV的轴的端部。这些主带轮101、102通过，例如皮带105、106，而驱动着二级带轮103、104。曲柄6V、7V分别固定在带轮103、104的轴上。曲柄6V、7V位于带轮103、104之间。而曲柄6V、7V又驱动三角形臂15V，三角形臂15V则通过关节12V连接着平台9。当然，其他两个驱动器(未画出)也以与驱动器5AV相同的方式连接着平台9。
一个用于补偿平台9以及放置在平台上的负载的重量的装置20安装在平台9与基板2之间。在图1所示例子中，这个装置包含一个气缸21，其分别通过一个关节22、23，例如球窝关节，或者优选双万向节，连接着平台和基板。这些关节的紧固件分别对中于平台9和三角形8的重心。作为一种替换结构，装置20可以包含一个校正弹簧。作为另一种替换结构，装置20可以包含三个这样的气缸或校正弹簧，它们的关节固定于相应三角形9和8的顶点附近。根据另一种替换结构，如图3所示，一个气缸或校正弹簧24将每个曲柄的轴线5A连接到该曲柄所驱动的臂(图3中的15)的相应一侧。当然，气缸24由一个气压源25供给能源，这与图1中的气缸21类似。根据另一种替换结构，对于每个驱动器，运动装置分别包含两个补偿装置20A，每个补偿装置20A分别在一侧连接着基板2，而在另一侧连接着驱动轴(图1中的轴5A)的一端。在图1中，只以虚线显示出了一个这样的装置20A。该装置20A包含一个带弹簧功能(例如具有拉簧功能)的元件21A，其可以由弹性绳索、金属弹簧或等效装置构成。其与轴线5A的连接可以通过一个固定在轴线5A上的凸轮6A实现，凸轮6A邻近于曲柄6，并且通过，例如附着在关节18的轴线上的装置，而固定连接在曲柄上并可与其一起旋转。当然，凸轮6A的形状以及将装置21A连接在该凸轮上的连接点是这样确定的，即使得装置21A能够向轴线5A施加扭矩，该扭矩能够在曲柄6的最大角运动幅度之内抵销平台9及其负载通过臂15施加到该轴线上的扭矩。这些装置20、20A或24具有根据负载重心的特定位置而调节补偿力的功能，该补偿力用于补偿负载重力(平台9及其负载，例如模拟驾驶室)。
上面描述的运动装置可以通过关节10至12的特定位置的合成，即诸如6和7等曲柄的角位置的合成，使放置在平台9上的负载进行俯仰和回转运动以及竖直运动(假定基板2是水平的)。其他自由度(摆动运动和平行于基板2的位移运动)是不可能的，这是因为驱动器3至5固定在基板2上而臂13至15的延伸段(例如臂15的延伸段16和17)的端部轨迹为一个环绕着相应驱动器(5)的传动轴线(5A)的固定圆。这些运动的最大幅度取决于曲柄(6，7)的长度以及关节10至12的特性。通过用于补偿负载重力的装置，驱动器3至5的能量只用于克服摩擦力以及根据本发明的装置中活动部件的惯性力。这样就降低了电能的耗费。
图4和4A显示了图1中的臂13至15的一个替换实施例。图中只显示出了三个臂中的一个，其以26表示。其他两个臂与臂26相同。臂26的形状为等腰梯形。其包含两个刚性半梯形27、28。二者的高度大致相同。两个半梯形中的第一个27包含两个相互平行的横臂29和30，二者通过两个斜臂31、32连接起来。关节12在一侧固定在臂29上，在另一侧固定在平台9的一个角部上。臂30在两侧分别伸出延伸段33、34。第二个半梯形28交界在这些延伸段33、34上。
半梯形28包含一个横臂35和两个斜臂36、37，斜臂36、37的末端分别带有套筒或轴承38、39，二者分别套在延伸段33、34上以使所述套筒能够自由旋转且间隙极小。这样，臂30构成了梯形28的第四个边。臂35在两侧分别伸出以形成延伸段40、41，延伸段40、41自由旋转于基板2上固定着的轴承42、43中。当然，每个半梯形中的各个臂彼此之间刚性连接着。
以5’表示的相应驱动器在本例中只包含一个驱动轴，其上安装着曲柄6’。一个轴承44安装在臂30上。一个连杆45将曲柄6’连接到轴承44上。根据图4中虚线所示的一种替换结构，驱动器5’被替换为驱动器5’A，驱动器5’A与驱动器5’相同但位于基板2的中心附近。驱动器5’A驱动一个曲柄6A’，曲柄6A’通过一个连杆45A连接着臂29A上安装着的轴承44A上，臂29A平行并邻近于臂29。驱动器5’和轴承42、43的相应位置以及曲柄6’、连杆45和臂26的相应尺寸使得曲柄6’能够获得完全旋转，从而使臂26从一个最大展开位置状态(此时半梯形27和28共面)移动到一个最大偏移状态(由关节10至12许可和/或足以满足模拟装置的需要)。在上述各实施例中，装有一个补偿装置以补偿平台9上的负载的重力。这个补偿装置可以类似于图1中所示的那个。另一个补偿装置的实施例如图4所示。在该补偿装置中，对于每个臂，例如臂26，均有至少一个气缸或校正弹簧46装于，例如，一个半梯形的上的一个斜臂与另一个半梯形上的相应斜臂之间。在图4中，该气缸位于臂31和36之间。为了更好地平衡该臂，可以在臂32与37之间安装另一个气缸。作为一种替换性结构，可以制有一个气缸安装在横臂29和35的中点之间。
在图5中简化显示了运动装置47，其可以获得除了图1中所示运动之外的运动。这些运动包括下列中的至少一种：摆动运动、纵向运动(称为“X”方向运动)和横向运动(称为“Y”方向运动)。
除了装置1(为了使附图简化，只显示出基板2)，装置47中还包含一个或两个附加的层叠安置的活动基板，这取决于所需附加运动的数量。下面描述的实施例包含两个附加的活动基板48和49。基板2、48和49均为平板。
基板48的形状为，例如正方形，其在中心处包含一个轴50，轴50垂直于基板48的表面并指向上方。轴50穿过一个孔51，例如一个成形在基板2中心的圆孔，并通过一个轴承52支撑着基板2，以使基板2能够绕着轴50自由旋转，基板2距基板48有一个距离，该距离足以将一个气缸53容纳于这些基板之间。气缸53在其一侧通过一个关节固定在基板48上，在另一侧通过另一个关节固定在基板2上，从而使基板2能够相对于基板48作有限的旋转运动，在旋转中基板48保持静止。
在基板48的底面上装有脚轮，使之能够在基板49上固定着的导轨55上纵向移动(在图5中沿水平方向左右移动)。该基板49为细长矩形形状，其长度足以使基板48及其带状基板2沿纵向移动到所需最大幅度。为此，有一个纵向安装着的气缸56固定在基板49和基板48之间。
同样，基板49也在其底面装有脚轮，使之能够沿横向(垂直于图5所在平面)在导轨58(垂直于导轨55)上移动，导致58固定在一个基座59上，基座59则固定在底面上，基板49是在一个(或多个)固定在基座59和基板49之间的气缸60的作用下移动的。
当然，基板2可以支撑多于三个的驱动器。在每个情况下，这些驱动器的中心分别位于一个多边形的顶点处，多边形优选为规则多边形。采用多于三个的驱动器在费用方面要高于少于三个驱动器的装置，但能够将“更纯粹”的角运动(即纯粹的回转或纯粹的俯仰运动)传给负载。

Claims (13)

1.一种用于将负载以至少三个自由度投入运动的装置，其包含至少三个驱动器(3，4，5或5’)，每个驱动器分别固定在一个支撑基板(2)上并位于一个规则多边形的顶点处，这些驱动器中的每个均旋转驱动着一个曲柄(6-7，6’，6’A，6V-7V)，该曲柄通过一个铰接连接件(13，14，1 5，26)连接着一个平台上的一个相应角部，负载即固定在该平台上，平台上的各安装点形成一个多边形的顶点，该多边形的形状优选与顶点被驱动器占据着的多边形相似，其特征在于，每个铰接连接件分别包含至少一个连接元件，该连接元件在一端通过一个球窝型关节(10，11，12)连接着平台，而在另一端连接着至少两个关节，这两个关节通过一个臂(15，30)而彼此连接起来并沿着一个环绕着轴线(5A，35)的圆作运动。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，其包含一个负载补偿装置(20，20A，24)。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，每个驱动器带有两个同轴的驱动轴，每个驱动轴上安装着一个曲柄(6，7或6V，7V)，每个驱动器上的两个曲柄相对于驱动轴的共同轴线固定在相同角位置上，连接元件中的每一个均优选具有一个三角形形状，其端部(16，17)分别通过一个旋转关节(18，19)连接着相应曲柄，而且其角部则通过一个球窝型关节(12)连接着平台上的相应角部。
4.根据权利要求1的装置，其特征在于，每个铰接连接件分别包含一个缩放架，该缩放架由两个刚性的半梯形(27，28)构成，两个半梯形相互铰接在一个中间横臂(30)上，该横臂以铰接的方式(44，45)连接着曲柄(6’)，两个半梯形中的一个(27)构成上述连接元件，而另一个半梯形(28)则安装在固定于基板上的轴承(42，43)上。
5.根据上述权利要求1、2和4中任一所述的装置，其特征在于，其包含三个驱动器，它们彼此相同并且以一个等边三角形(8)的形式分布着。
6.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，负载补偿装置包含一个单一的具有可调弹簧功能的细长元件(21)，该元件的一端通过一个关节(23)连接着支撑基板(2)的角部，另一端则通过另一个关节(22)连接着平台(9)的重心。
7.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，负载补偿装置包含三个具有可调弹簧功能的细长元件，每个元件均在其各端铰接着并分别将平台的每个角部连接到支撑基板上的相应角部上。
8.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，负载补偿装置包含三个由两个细长元件构成的组，每个元件均具有可调弹簧的功能并在其各端铰接着，每组中的两个元件分别在它们的一端连接着臂，而在另一端连接着驱动器的驱动轴(5A)。
9.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，对于每个驱动器，负载补偿装置包含至少一个具有弹簧功能的元件(21A)，该元件安置在基板(2)和驱动器的驱动轴(5A)之间。
10.根据权利要求4的装置，其特征在于，对于每个铰接连接件(26)，负载补偿装置包含至少一个具有可调弹簧功能的细长元件，该元件安置在缩放架的两个臂之间。
11.根据上述权利要求1、2和4中任一所述的装置，其特征在于，其包含一个第二基板(48)，其位于第一基板(2)的下面并固定着一个轴(50)，该轴穿通第一基板的中心，第一基板可以在一个连接着这两个基板的气缸(53)的作用下绕着该轴旋转运动。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于，第二基板上装有脚轮(54)，各脚轮可以沿着第一导轨(55)移动，该第一导轨固定于一个第三基板(49)上。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于，第三基板上装有脚轮，各脚轮可以沿着第二导轨(58)移动，该第二导轨固定于一个基座(59)上并垂直于第一导轨。
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