CN110064195B - 三自由度运动模拟装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种三自由度运动模拟装置。包括：定平台、动平台、三个并联运动分支、与三个运动分支对应的直线驱动机构；三个运动分支结构相同，每一运动分支第一端通过第一虎克铰与定平台连接，第二端通过第二虎克铰与动平台连接；每一运动分支均包括第一连杆、第二连杆和第一转动副；用于驱动该运动分支的直线驱动机构的第一端与所述第一连杆转动连接，第二端与所述第二连杆转动连接，用于驱动所述第二连杆绕所述第一连杆摆转；每一运动分支的第一虎克铰和第二虎克铰相对于第一平面对称，第一平面为通过各运动分支的第一转动副中点的平面。本申请提供的三自由运动模拟装置运动控制性能好，占用空间小。

Description

三自由度运动模拟装置

技术领域

本申请涉及运动模拟器技术领域，尤其涉及三自由度运动模拟装置。

背景技术

随着现在VR设备的不断普及，不仅国家层面注重虚拟现实配套技术的发展，就交通装备运动模拟、娱乐模拟器、4D影院、主题公园以及医疗辅助设备等领域对于新型少自由度低成本运动模拟装置也产生了巨大的需求。

运动模拟器通过驱动控制器接受计算机给出的运动信号，与虚拟环境中的运动进行匹配并实时模拟，从而使动平台上的使用者感受到非常强烈的沉浸感。运动模拟器多为六自由度运动模拟器，难以实现小型化，不利于推广，为了解决小型化的技术问题，多采用三自由度运动模拟器，其原理通过运动平台的两个摆转自由度和一个升降自由度实现运动模拟。

现有技术中的三自由度运动模拟装置的驱动装置在平台外面，占用空间大，且结构复杂，运动过程中的负载全部作用在驱动机构上，运动控制性能较差。

发明内容

本申请提供一种三自由度运动模拟装置，旨在解决现有技术中运动模拟器运动控制性能差，占用空间大的技术问题。

本申请的第一个方面是提供一种三自由度运动模拟装置，包括：定平台、动平台、设置在所述定平台和所述动平台之间三个并联的运动分支、与三个所述运动分支一一对应的直线驱动机构；

三个所述运动分支结构相同，针对每一运动分支，所述运动分支的第一端通过第一虎克铰与所述定平台连接，第二端通过第二虎克铰与所述动平台连接；该运动分支包括与对应的第一虎克铰连接的第一连杆、与对应的第二虎克铰连接的第二连杆，所述第一连杆和所述第二连杆通过第一转动副连接；用于驱动该运动分支的直线驱动机构的第一端与所述第一连杆转动连接，第二端与所述第二连杆转动连接，用于驱动所述第二连杆绕所述第一连杆摆转。

各运动分支的第一虎克铰和第二虎克铰相对于第一平面对称，其中，所述第一平面为通过各运动分支的第一转动副中点的平面。

在一种可能的设计中，所述定平台上设有用于分别安装各第一虎克铰的下安装座，所述动平台上设有用于分别安装各第二虎克铰的上安装座，用于安装相同运动分支的上安装座和下安装座相对于所述第一平面对称。

在一种可能的设计中，各下安装座用于安装对应的第一虎克铰的安装面与所述定平台平面的各定位夹角相同。

在一种可能的设计中，各上安装座用于安装对应的第二虎克铰的安装面与所述动平台的各安装夹角相同。

在一种可能的设计中，各第一虎克铰的结构相同，所述每一第一虎克铰包括第二转动副和与该第二转动副垂直的第三转动副；

所述第二转动副安装在对应的下安装座上，且所述第二转动副的旋转轴线平行于该下安装座的安装面；

所述第三转动副的旋转轴线与目标转动副的旋转轴线平行，其中，所述目标转动副为该第一虎克铰对应的运动分支中的第一转动副。

在一种可能的设计中，各第一虎克铰的第二转动副的中点构成等边三角形。

在一种可能的设计中，所述每一运动分支的第一连杆和第二连杆的长度相同。

在一种可能的设计中，所述每一直线驱动机构包括直线驱动单元、设于该直线驱动机构两端的第四转动副和第五转动副；

该第四转动副的旋转轴线与该第五转动副的旋转轴线均平行于该直线驱动机构驱动的运动分支的第一转动副的旋转轴线。

在一种可能的设计中，所述直线驱动单元包括下述任一项：直线电机、液压缸和滚珠丝杠。

在一种可能的设计中，所述动平台上设有围栏和/或座椅。

本申请提供的三自由度运动模拟装置，用于驱动该运动分支的直线驱动机构的第一端与第一连杆转动连接，第二端与第二连杆转动连接，即直线驱动机构位于第一连杆和第二连杆之间，实现了直线驱动机构的紧凑安装，直线驱动机构完全包裹在运动分支之中避免外露，使得运动模拟装置的占用空间小，利于小型化设计；同时，每一运动分支的第一端通过第一虎克铰与定平台连接，第二端通过第二虎克铰与动平台连接，构成虎克铰-转动副-虎克铰URU驱动结构，三个直线驱动机构通过分别驱动三个并联的运动分支实现动平台的升降、侧倾和俯仰运动，满足运动模拟装置两转一移的运动模拟需求；三个第一虎克铰环周均布设置在定平台上，每一运动分支的第一虎克铰和第二虎克铰相对于第一平面对称，其中，所述第一平面为通过各运动分支的第一转动副中点的平面；综上，三个运动分支结构相同，且通过每个运动分支两端的第一虎克铰和第二虎克铰对称设置，通过直线驱动机构的直线运动即可实现动平台的三自由度运动，大大提高了运动模拟装置的运动控制性能。本申请提供的三自由度运动模拟装置，运动控制性能好且占用空间小，便于推广。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明实施例提供的三自由度运动模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的运动分支和直线驱动机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的定平台的机构示意图；

图4为本发明实施例提供的动平台的机构示意图；

图5为本发明实施例提供的第一虎克铰的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的三自由度运动模拟装置运动状态的示意图。

其中，各附图标记：

1、定平台；11、下安装座；2、动平台；21、上安装座；3、运动分支；31、第一连杆；32、第二连杆；33、第一转动副；4、直线驱动机构；41、直线驱动单元；42、第四转动副；43、第五转动副；5、第一虎克铰；51、第二转动副；52、第三转动副；6、第二虎克铰。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本文中属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示，单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

此外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

请参阅图1至图4，现对本发明一实施例提供的三自由度运动模拟装置进行说明。三自由度运动模拟装置包括定平台1、动平台2、设置在定平台1和动平台2之间的三个并联的运动分支3、与运动分支3一一对应的直线驱动机构4。

三个运动分支3结构相同，针对每一运动分支，该运动分支3的第一端通过第一虎克铰5与定平台1转动连接，第二端通过第二虎克铰6与动平台2连接；每一运动分支3均包括与对应的第一虎克铰5连接的第一连杆31、与对应的第二虎克铰6连接的第二连杆32，第一连杆31和第二连杆32通过第一转动副33连接；用于驱动该运动分支3的直线驱动机构4的第一端与第一连杆31转动连接，第二端与第二连杆32转动连接，用于驱动第二连杆32绕第一连杆31摆转。

三个第一虎克铰5环周均布设置在定平台1上，每一运动分支3的第一虎克铰5和第二虎克铰6相对于第一平面对称，其中，第一平面为通过各运动分支3的第一转动副33中点的平面。

具体地，本实施例提供的三自由度运动模拟装置包括三个并联的运动分支，分别为第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支，三个运动分支的结构相同，每一个运动分支通过与设置在定平台1上的第一虎克铰5连接和设置在动平台2上的第二虎克铰6连接构成虎克铰-转动副-虎克铰URU结构，三个运动分支分别由对应的直线驱动机构4驱动，实现动平台2的升降、侧倾和俯仰运动三个自由度的运动。可选地，动平台2上可以根据需要设置座椅、围栏或者可供用户站立的高摩阻平面，提高用户的体验舒适度。

可选地，定平台1上设有用于分别安装各第一虎克铰5的下安装座11，动平台2上设有用于分别安装各第二虎克铰6的上安装座21，用于安装相同运动分支的下安装座11和上安装座21相对于第一平面对称。

进一步地，各下安装座11用于安装对应的第一虎克铰5的安装面与定平台1平面的各定位夹角相同。在一种实施方式中，三个第一胡克铰5环周均布，下安装座11与第一虎克铰5一一对应，各下安装座11结构相同且环周均布在定平台1上，具体体现为定平台上设有三个呈120度分布在等边三角形三个顶点的下安装座11，三个第一胡克铰5分别安装在三个下安装座11上，且三个第一虎克铰5的安装方向与定平面的定位夹角相同；通过下安装座的位置实现了第一虎克铰的位置约束，便于安装和定位。

每一运动分支3的第一虎克铰5和第二虎克铰6相对于第一平面对称，其中，第一平面为通过各运动分支3的第一转动副33中点的平面。具体地，动平台2上设有用于分别安装各第二虎克铰6的上安装座21，各上安装座21的结构相同且环周均布在动平台2上，具体地，三个上安装座21呈120度夹角分布，且分别与三个下安装座11相对于第一平面对称；可选地，各上安装座21用于安装对应的第二虎克铰6的安装面与动平台2的各安装夹角相同，实现了三个第二虎克铰6环周均布，且三个第二虎克铰6的安装方向与动平面的安装夹角相同。应理解的是，各安装夹角与各定位夹角的大小相同。通过上安装座的位置实现了第二虎克铰的位置约束，便于安装和定位。

可选地，各下安装座11结构相同且环周均布在定平台1上，各上安装座21的结构相同且环周均布在动平台2上，用于安装相同运动分支的下安装座11和上安装座21相对于第一平面对称，实现了用于安装同一运动分支的第二虎克铰与第一虎克铰的对称设置。

本实施例提供的三自由度运动模拟装置包括三个直线驱动机构，分别为驱动第一运动分支的第一直线驱动机构、驱动第二运动分支的第二直线驱动机构和驱动第三运动分支的第三直线驱动机构。

以第一直线驱动机构和第一运动分支为例，第一运动分支3包括第一连杆31、第二连杆32以及连接第一连杆31和第二连杆32的第一转动副33，故第二连杆32始终与第一连杆31共面，仅可以相对于第一连杆31转动，第一直线驱动机构两端分别转动连接第一连杆31和第二连杆32，用于驱动第二连杆32绕第一转动副33相对于第一连杆31摆转。第一直线驱动机构始终位于第一连杆31和第二连杆32之间，完全置于第二连杆32下方，避免外露，实现了运动模拟装置的紧凑安装，便于维护且占用空间小。可选地，第一直线驱动机构可以为液压驱动机构也可以为电动驱动机构。

运动模拟装置的初始状态为三个直线驱动机构4均为初始位置的状态，若直线驱动机构4为液压缸，则液压缸的初始位置为液压缸缩回至起点的位置。

可选地，每一运动分支的第一连杆31和第二连杆32的长度相同。三个运动分支3的结构相同，故当运动模拟装置处于初始状态，动平台2平行于定平台1，便于人员进入动平台。

本申请提供的三自由度运动模拟装置，用于驱动该运动分支的直线驱动机构的第一端与第一连杆转动连接，第二端与第二连杆转动连接，即直线驱动机构位于第一连杆和第二连杆之间，实现了直线驱动机构的紧凑安装，直线驱动机构完全包裹在运动分支之中避免外露，使得运动模拟装置的占用空间小，利于小型化设计；同时，每一运动分支的第一端通过第一虎克铰与定平台连接，第二端通过第二虎克铰与动平台连接，构成虎克铰-转动副-虎克铰URU驱动结构，三个直线驱动机构通过分别驱动三个并联的运动分支实现动平台的升降、侧倾和俯仰运动，满足运动模拟装置两转一移的运动模拟需求；三个第一虎克铰环周均布设置在定平台上，每一运动分支的第一虎克铰和第二虎克铰相对于第一平面对称，其中，第一平面为通过各运动分支的第一转动副中点的平面；综上，三个运动分支结构相同，且通过每个运动分支两端的第一虎克铰和第二虎克铰对称设置，通过直线驱动机构的直线运动即可实现动平台的三自由度运动，大大提高了运动模拟装置的运动控制性能。本申请提供的三自由度运动模拟装置，运动控制性能好且占用空间小，便于推广。

请参阅图2和图5，现对本发明一实施例提供的三自由度运动模拟装置进行说明。本实施例提供的三自由度运动模拟装置的各第一虎克铰5的结构相同，每一第一虎克铰5包括第二转动副51和与该第二转动副51垂直的第三转动副52；第二转动副51安装在对应的下安装座11上，且第二转动副51的旋转轴线平行于该下安装座11的安装面；第三转动副52的旋转轴线与目标转动副的旋转轴线平行，其中，目标转动副为该第一虎克铰5对应的运动分支3中的第一转动副33。具体地，各第一虎克铰5结构相同且均布，各第一虎克铰5的第二转动副51的中点构成等边三角形。

可选地，各第二虎克铰6的结构相同，各第一虎克铰5和各第二虎克铰的6结构相同。第二虎克铰6包括相互垂直的第六转动副和第七转动副，其中，第六转动副安装在对应的上安装座21上，且第六转动副的旋转轴线平行于该上安装座21的安装面，第七转动副的旋转轴线与目标转动副的旋转轴线平行。

具体地，以第一运动分支为例，此时目标转动副为第一运动分支的第一转动副33，第一虎克铰5包括相互垂直的第二转动副51和第三转动副52，第二转动副51安装在下安装座11上，第三转动副52用于安装第一运动分支的第一连杆31，故第一连杆31可以相对于下安装座11实现两个方向的摆转；对应的第二虎克铰6的第六转动副设置在上安装座21上，第七转动副用于安装第一运动分支的第二连杆32，故第二连杆32可以相对于上安装座21实现两个方向的摆转。第一直线驱动机构分别连接第一连杆31和第二连杆32，驱动第二连杆32相对于第一连杆31摆转，进而实现第一运动分支的倾斜和折叠。实际应用中，三个运动分支倾斜方向以及折叠程度不同，实现动平台的升降、侧倾和俯仰。第一虎克铰5的第二转动副51平行于下安装座11的安装面，第二虎克铰6的第六转动副平行于上安装座21的安装面，便于进行控制和安装。

请参阅图6，本实施例提供的三自由度运动模拟装置的各直线驱动机构结构相同，每一直线驱动机构包括直线驱动单元41、设于该直线驱动机构41两端的第四转动副42和第五转动副43；该第四转动副42的旋转轴线与该第五转动副43的旋转轴线均平行于该直线驱动机构驱动的运动分支的第一转动副的旋转轴线。

以第一运动分支为例，第一直线驱动机构与第一运动分支的第一连杆通过第四转动副42连接，与第一运动分支的第二连杆通过第五转动副43连接，且第四转动副42和第五转动副43的旋转轴线均平行于第一运动分支的第一转动副33的旋转轴线。可选地，直线驱动单元41可以为下述任一项：直线电机、液压缸和滚珠丝杠。本方案中，直线驱动机构位于第一连杆和第二连杆之间，实现了直线驱动机构的紧凑安装，使得运动模拟装置的占用空间小，利于小型化设计；

图1为本发明实施例提供的三自由度运动模拟装置初始状态的示意图，图6为该三自由度运动模拟装置运动状态的示意图。三个运动分支结构相同且均布，定平台1上安装有三个呈120度分布在第一等边三角形三个顶点的下安装座11，动平台2上安装三个呈120度分布在第二等边三角形三个顶点的上安装座21，三个下安装座11和三个上安装座21以第一平面对称分布。运动分支3的第一连杆31与设置在下安装座11上的第一虎克铰5连接，第二连杆32与设置在上安装座21上的第二虎克铰6连接，且第一连杆与第二连杆的长度相同。

初始状态时，动平台平行于定平台，且处于最大的压缩状态。运动状态时，各直线驱动机构驱动运动分支摆转实现动平台的升降、侧倾和俯仰，三个运动分支结构相同，环周均布，三个运动分支的控制方式相同，大大提高了运动模拟装置的运动控制性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种三自由度运动模拟装置，其特征在于，包括：定平台、动平台、设置在所述定平台和所述动平台之间三个并联的运动分支、与三个所述运动分支一一对应的直线驱动机构；

三个所述运动分支结构相同，针对每一运动分支，所述运动分支的第一端通过第一虎克铰与所述定平台连接，第二端通过第二虎克铰与所述动平台连接；该运动分支包括与对应的第一虎克铰连接的第一连杆、与对应的第二虎克铰连接的第二连杆，所述第一连杆和所述第二连杆通过第一转动副连接；用于驱动该运动分支的直线驱动机构的第一端与所述第一连杆转动连接，第二端与所述第二连杆转动连接，用于驱动所述第二连杆绕所述第一连杆摆转；

各运动分支的第一虎克铰和第二虎克铰相对于第一平面对称，其中，所述第一平面为通过各运动分支的第一转动副中点的平面。

2.根据权利要求1所述的运动模拟装置，其特征在于，所述定平台上设有用于分别安装各第一虎克铰的下安装座，所述动平台上设有用于分别安装各第二虎克铰的上安装座，用于安装相同运动分支的上安装座和下安装座相对于所述第一平面对称。

3.根据权利要求2所述的运动模拟装置，其特征在于，各下安装座用于安装对应的第一虎克铰的安装面与所述定平台平面的各定位夹角相同。

4.根据权利要求2所述的运动模拟装置，其特征在于，各上安装座用于安装对应的第二虎克铰的安装面与所述动平台的各安装夹角相同。

5.根据权利要求2所述的运动模拟装置，其特征在于，各第一虎克铰的结构相同，所述每一第一虎克铰包括第二转动副和与该第二转动副垂直的第三转动副；

所述第二转动副安装在对应的下安装座上，且所述第二转动副的旋转轴线平行于该下安装座的安装面；

所述第三转动副的旋转轴线与目标转动副的旋转轴线平行，其中，所述目标转动副为该第一虎克铰对应的运动分支中的第一转动副。

6.根据权利要求5所述的运动模拟装置，其特征在于，各第一虎克铰的第二转动副的中点构成等边三角形。

7.根据权利要求1所述的运动模拟装置，其特征在于，所述每一运动分支的第一连杆和第二连杆的长度相同。

8.根据权利要求1-7任一项所述的运动模拟装置，其特征在于，所述每一直线驱动机构包括直线驱动单元、设于该直线驱动机构两端的第四转动副和第五转动副；

该第四转动副的旋转轴线与该第五转动副的旋转轴线均平行于该直线驱动机构驱动的运动分支的第一转动副的旋转轴线。

9.根据权利要求8所述的运动模拟装置，其特征在于，所述直线驱动单元包括下述任一项：直线电机、液压缸和滚珠丝杠。

10.根据权利要求1所述的运动模拟装置，其特征在于，所述动平台上设有围栏和/或座椅。

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