CN110076755A - 三自由度运动模拟器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种三自由度运动模拟器。包括定平台、动平台、设置在定平台和动平台之间的三个并联的运动分支、与运动分支一一对应的驱动机构；每一运动分支均包括设置在定平台上的第一转动副、与第一转动副连接的第一连杆、设置在动平台上的第二转动副以及与第二转动副连接的第二连杆，第一连杆和第二连杆通过球铰副连接；与运动分支对应的驱动机构设置在定平台上，用于驱动第一连杆绕第一转动副摆转；第一转动副与第二转动副相对于第一平面对称；其中，第一平面为通过三个所述运动分支的球铰副的中心点的平面。本申请提供的三自由度运动模拟器，实现了动平台二转一移的运动，具有高压缩比，且占用空间小。

Description

三自由度运动模拟器

技术领域

本申请涉及运动模拟器技术领域，尤其涉及一种三自由度运动模拟器。

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，其原理是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器的驱动装置在平台外侧，占用空间大，且运动模拟器的压缩比小，不能实现较大范围的无伴随运动，很大程度的影响使用者的沉浸体验。

发明内容

本申请提供一种三自由度运动模拟器，旨在解决现有技术中运动模拟器占用空间大、压缩比小的技术问题。

本申请的实施例提供了一种三自由度运动模拟器，包括：定平台、动平台、设置在所述定平台和所述动平台之间的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；

针对每一运动分支，所述运动分支包括设置在所述定平台上的第一转动副、与所述第一转动副连接的第一连杆、设置在所述动平台上的第二转动副以及与所述第二转动副连接的第二连杆；其中，所述第一连杆和所述第二连杆通过球铰副连接；与所述运动分支对应的驱动机构设置在所述定平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一转动副摆转；所述第一转动副与所述第二转动副相对于第一平面对称；

所述第一平面为通过三个所述运动分支的球铰副的中心点的平面。

在一种可能的设计中，三个所述运动分支的第一转动副的旋转轴线不平行。

在一种可能的设计中，三个所述运动分支的第一转动副的中点组成等边三角形。

在一种可能的设计中，三个所述运动分支的第一转动副的轴线分别垂直于所述等边三边形的三边。

在一种可能的设计中，三个所述运动分支的结构相同。

在一种可能的设计中，所述驱动机构为直线驱动机构；

针对每个直线驱动机构，所述直线驱动机构的直线运动方向垂直于该直线驱动机构对应的第一转动副的旋转轴线。

在一种可能的设计中，所述驱动机构为直线驱动机构；

针对每一直线驱动机构，所述直线驱动机构包括直线驱动单元和摆转驱动连杆；其中，所述摆转驱动连杆的两端分别与所述直线驱动单元和转动分支转动连接，所述转动分支为该直线驱动机构对应的运动分支的第一连杆；所述直线驱动单元固设在所述定平台上，用于通过所述摆转驱动连杆驱动所述转动分支绕对应的第一转动副摆转。

在一种可能的设计中，针对每一直线驱动机构，所述直线驱动机构的摆转驱动连杆通过第三转动副与所述运动分支的转动分支转动连接，所述第三转动副设于该转动分支远离所述直线驱动机构对应的第一转动副的一侧。

在一种可能的设计中，针对每个驱动机构，所述驱动机构为设在述定平台上的电机。

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器，包括定平台、动平台、设置在定平台和动平台之间的三个并联的运动分支、与运动分支一一对应的驱动机构；每一运动分支包括设置在所述定平台上的第一转动副、与所述第一转动副连接的第一连杆、设置在所述动平台上的第二转动副以及与所述第二转动副连接的第二连杆，且第一连杆和第二连杆通过球铰副连接；即每一运动分支为转动副-球铰副-转动副RSR结构，三个运动分支构成3RSR结构，三个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，满足运动模拟器两转一移的运动模拟需求；运动分支的驱动机构设置在定平台上，实现整个运动模拟器的紧凑安装，便于维护且占用空间小；每一个运动分支中，第一转动副与第二转动副相对于第一平面对称，其中，第一平面为通过三个所述运动分支的球铰副的中心点的平面，从而保障了比较优异的运动控制性能。本方案中通过三个转动副-球铰副-转动副的结构设置，且第一转动与第二转动副对称设置，实现较高的压缩比，实现了较大范围的无伴随运动。本申请中的三自由度运动模拟器解决了现有技术中运动模拟器占用空间大的技术问题，实现了运动模拟器的小型化，且通过高压缩比，实现较大范围的无伴随运动，提高了使用者的体验。

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运动模拟器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的运动分支和直线驱动机构的安装示意图；

图3为本发明实施例提供的运动分支的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的定平台的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的直线驱动机构的结构示意图；

图6为本发明另一实施例提供的直线驱动机构的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的三自由度运动模拟器初始状态的示意图；

图8为本发明实施例提供的三自由度运动模拟器运动状态的示意图。

其中，各附图标记：

1、定平台；11、第一转动副；12、等边三角形；2、动平台；21、第二转动副；3、运动分支；31、第一连杆；32、第二连杆；33、球铰副；4、驱动机构；41、直线驱动单元；42、摆转驱动连杆；43、第三转动副；44、第四转动副；45、驱动缸；46、第五转动副；47、第六转动副。

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3，现对本发明一实施例提供的三自由度运动模拟器进行说明。三自由度运动模拟器包括定平台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3一一对应的驱动机构4。

针对每一运动分支3，所述运动分支3包括设置在定平台1上的第一转动副11、与第一转动副11连接的第一连杆31、设置在动平台2上的第二转动副21、以及与第二转动副21连接的第二连杆32；其中，第一连杆31和第二连杆32通过球铰副33连接；与该运动分支3对应的驱动机构4设置在定平台1上，用于驱动第一连杆31绕第一转动副11摆转；第一转动副11与第二转动副21相对于第一平面对称；所述第一平面为通过三个运动分支3的球铰副33的中心点的平面。

具体地，本实施例提供的三自由度运动模拟器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组成部分相同，均为转动副-球铰副-转动副RSR结构，三个运动分支的两端均分别连接定平台1和动平台2，由对应的驱动机构驱动，进而实现动平台2的升降、侧倾和俯仰运动三个自由度的运动。应理解的是，三个运动分支各组成部分的尺寸可以不同。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。

以第一运动分支为例，第一运动分支的包括第一连杆31、第二连杆32，第一连杆31和第二连杆32通过球铰副33连接，第一连杆31与设置在定平台1上的第一转动副11连接，第二连杆32与设置在动平台上的第二转动副21连接。

每一个运动分支的第一转动副11与第二转动副21相对于第一平面对称。第一平面距离定平台1和动平台2之间的距离相等，具体地，针对每一运动分支，该运动分支的球铰副33与该运动分支的第一转动副11和该运动分支的第二转动副21之间的距离相同；以第一运动分支为例，第一运动分支的球铰副33的中心点与第一运动分支连接的第一转动副11中点之间的距离为d1，第一运动分支的球铰副33的中心点与第一运动分支连接的第二转动副21中点之间的距离为d2，d1和d2相等。运动分支的RSR结构实现了其的高压缩比，第一转动副和第二转动副相对于第一平面的对称设置使得球铰副33距离定平台和动平台之间的距离相等，进一步增大了压缩比。

可选地，三个所述运动分支的第一转动副的旋转轴线不平行。在一种实施方式中，三个所述运动分支3的第一转动副11的中点构成一条直线，三个运动分支的第一转动副的旋转轴线不平行。在另一种实施方式中，三个所述运动分支3的第一转动副11的中点不共线，即三个运动分支3的第一转动副11的中点构成三角形。

为了便于进行控制，可选地，三个运动分支的结构相同，即三个运动分支的第一转动副11、第二转动副21、第一连杆31、第二连杆32以及球铰副33结构相同；故当运动模拟器处于初始状态，定平台1平行于动平台2，运动模拟器的初始状态为三个驱动机构均为初始位置的状态，在一种实施方式中，驱动机构为液压缸，则液压缸的初始位置为液压缸缩回至起点的位置。

本实施例提供的三自由度运动模拟器包括三个驱动机构4，分别为驱动第一运动分支的第一驱动机构、驱动第二运动分支的第二驱动机构和驱动第三运动分支的第三驱动机构。以第一驱动机构为例，第一驱动机构设置在定平台1上，驱动第一运动分支的第一连杆31绕与该第一连杆31连接的第一转动副11摆转，实现第一运动分支的驱动。

可选地，驱动机构可以为直线驱动机构也可以为旋转驱动机构。在一种实施方式中，第一驱动机构为直线驱动机构，第一驱动机构两端分别连接第一连杆31和定平台1，故第一驱动机构始终位于第一连杆31和定平台1之间，完全置于第一连杆31下方，避免外露，实现了运动模拟器的紧凑安装，便于维护且占用空间小。可选地，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。在另一种实施方式中，所述驱动机构为设在在所述定平台上的电机，直接驱动第一连杆31绕第一转动副11旋转。

本申请实施例提供的三自由度运动模拟器，包括定平台、动平台、设置在定平台和动平台之间的三个并联的运动分支、与运动分支一一对应的驱动机构；每一运动分支包括设置在所述定平台上的第一转动副、与所述第一转动副连接的第一连杆、设置在所述动平台上的第二转动副、与所述第二转动副连接的第二连杆以及驱动机构，且第一连杆和第二连杆通过球铰副连接；即每一运动分支为转动副-球铰副-转动副RSR结构，三个运动分支构成3RSR结构，三个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，满足运动模拟器两转一移的运动模拟需求；运动分支的驱动机构设置在定平台上，实现整个运动模拟器的紧凑安装，便于维护且占用空间小；每一个运动分支中，第一转动副与第二转动副相对于第一平面对称，其中，第一平面为通过三个所述运动分支的球铰副的中心点的平面，实现了比较优异的运动控制性能。本方案中通过三个转动副-球铰副-转动副的结构设置，且第一转动副与第二转动副对称设置，实现较高的压缩比，实现了较大范围的无伴随运动。本申请中的三自由度运动模拟器解决了现有技术中运动模拟器占用空间大的技术问题，实现了运动模拟器的小型化，且通过高压缩比，实现较大范围的无伴随运动，提高了使用者的体验。

作为本发明提供的三自由度运动模拟器的一种具体实施方式，请参阅图4和图5，图4为一实施例提供的定平台的结构示意图，图5为一实施例提供的直线驱动机构结构示意图。为了提高运动模拟器的控制性能，三个运动分支3的第一转动副11的中点组成等边三角形12；三个运动分支3的第一转动副11的轴线分别垂直于该等边三边形的三边；三个运动分支环周均布，控制简单且控制性能好。

可选地，驱动机构为直线驱动机构，针对每个直线驱动机构，所述直线驱动机构的直线运动方向垂直于该直线驱动机构对应的第一转动副的旋转轴线。在一种实施方式中，三个运动分支环周均布，三个直线驱动机构的直线驱动方向分别平行于等边三角形的三边，三个直线驱动机构均固定在定平台上，提高了运动模拟器的可维护性。

可选地，三个运动分支的第二转动副21的中点组成等边三角形，将该等边三角形作为第二等边三角形，三个运动分支3的第一转动副11的中点组成的等边三角形为第一等边三角形，第二等边三角形与第一等边三角形相等，且相对于第一平面对称，实现了动平台上的第二转动副和定平台上的第一转动副的镜像对称。

可选地，三个运动分支的结构相同。

本实施例提供的三自由度运动模拟器，三个运动分支的结构相同，驱动机构为直线驱动机构，且每个直线驱动机构的驱动方形垂直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，且三个运动分支环周均布，即三个运动分支的第一转动副的中点组成等边三角形；使得三个运动分支的驱动模式、控制性能完全相同，相同控制量输入下的各运动分支的运动输出相同，便于满足模拟器的控制需求。

作为本发明提供的三自由度运动模拟器的一种具体实施方式，请参阅图5和图6，分别为两个实施例提供的驱动机构4结构示意图。图5中，该驱动机构为直线驱动机构；针对每一直线驱动机构，直线驱动机构包括直线驱动单元41和摆转驱动连杆42；其中，摆转驱动连杆42的两端分别与直线驱动单元41和转动分支转动连接，所述转动分支为该直线驱动机构对应的运动分支的第一连杆；直线驱动单元41固设在定平台1上，用于通过摆转驱动连杆42驱动转动分支绕对应的第一转动副11摆转。

在另一种实施方式中，如图6所示，直线驱动机构两端分别与定平台1和该直线驱动机构对应的第一运动分支的第一连杆31转动连接，用于驱动该第一连杆31绕对应的第一转动副11摆转。在一种具体实施方式中，直线驱动机构为驱动缸45，驱动缸45的第一端通过第五转动副46与第一连杆31转动连接，驱动缸45的第二端通过第六转动副47与定平台转动连接，第五转动副46、第六转动副47与该驱动缸45对应的第一转动副11的旋转轴线平行。可选地，直线驱动机构可以为电动推杆、液压缸等。

可选地，三个驱动机构4均为直线驱动机构，且三个直线驱动机构的结构相同。具体地，三个直线驱动机构分为用于驱动第一运动分支的第一直线驱动机构，用于驱动第二运动分支的第二直线驱动机构，用于驱动第三运动分支的第三直线驱动机构。为了提高直线驱动机构的驱动力矩，降低直线驱动机构的驱动功率，摆转驱动连杆42通过第三转动副43与转动分支转动连接，第三转动副43设于转动分支远离对应的第一转动副11的一侧。摆转驱动连杆42的另一端通过第四转动副44与直线驱动单元41转动连接，第三转动副43和第四转动副44的转动轴线均与对应的第一转动副11的转动轴线平行。以第一运动分支和第一直线驱动机构为例，此时转动分支即为第一运动分支的第一连杆，第一直线驱动机构的第三转动副43与该第一连杆的连接点远离第一运动分支的第一转动副11，可以通过较小的驱动力实现第一运动分支的第一连杆的摆转。

可选地，直线驱动单元41包括下述任一项：直线电机、液压缸和滚珠丝杠。

本实施例提供的三自由度运动模拟器，三个驱动机构均为直线驱动机构，且三个直线驱动机构的结构相同，直线驱动单元固设在定平台上，用于通过摆转驱动连杆驱动转动分支绕对应的第一转动副摆转，且摆转驱动连杆通过第三转动副与转动分支转动连接，第三转动副设于转动分支远离对应的第一转动副的一侧，可以通过较小的驱动力实现转动分支的摆转，提高直线驱动机构的驱动力矩，减小了直线驱动机构的驱动功率。

图7为本发明实施例提供的三自由度运动模拟器初始状态的示意图，

图8为该三自由度运动模拟器运动状态的示意图。本实施例中，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第一转动副11，且三个第一转动副11的旋转轴线方向与第一等边三角形的三边分别垂直，并且任意两个第一转动副11轴线之间的夹角相等；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第二转动副21，且三个第二转动副21的旋转轴线方向与第二等边三角形的三边分别垂直，并且任意两个第二转动的旋转轴线之间的夹角相等；动平台2与定平台1的各自的转动副安装方向呈镜像对称。

直线驱动机构4安装时需保证直线驱动单元的驱动方向分别垂直于第一转动副的旋转轴线方向，即三个直线驱动机构4的驱动方向分别平行于第一等边三角形的三边。

初始状态时时，动平台平行于定平台，且处于最大的压缩状态，运动状态时，通过直线驱动机构驱动运动分支实现动平台的升降、侧倾和俯仰，由于三个运动分支上下对称，环周均布，控制简单且控制效果好。

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器，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的三个并联的运动分支、与三个所述运动分支一一对应的驱动机构；

针对每一运动分支，所述运动分支包括设置在所述定平台上的第一转动副、与所述第一转动副连接的第一连杆、设置在所述动平台上的第二转动副以及与所述第二转动副连接的第二连杆；其中，所述第一连杆和所述第二连杆通过球铰副连接；与所述运动分支对应的驱动机构设置在所述定平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一转动副摆转；所述第一转动副与所述第二转动副相对于第一平面对称；

所述第一平面为通过三个所述运动分支的球铰副的中心点的平面。

2.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，三个所述运动分支的第一转动副的旋转轴线不平行。

3.根据权利要求2所述的运动模拟器，其特征在于，三个所述运动分支的第一转动副的中点组成等边三角形。

4.根据权利要求3所述的运动模拟器，其特征在于，三个所述运动分支的第一转动副的轴线分别垂直于所述等边三边形的三边。

5.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，三个所述运动分支的结构相同。

6.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，所述驱动机构为直线驱动机构；

针对每个直线驱动机构，所述直线驱动机构的直线运动方向垂直于该直线驱动机构对应的第一转动副的旋转轴线。

7.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，所述驱动机构为直线驱动机构；

针对每一直线驱动机构，所述直线驱动机构包括直线驱动单元和摆转驱动连杆；其中，所述摆转驱动连杆的两端分别与所述直线驱动单元和转动分支转动连接，所述转动分支为该直线驱动机构对应的运动分支的第一连杆；所述直线驱动单元固设在所述定平台上，用于通过所述摆转驱动连杆驱动所述转动分支绕对应的第一转动副摆转。

8.根据权利要求7所述的运动模拟器，其特征在于，针对每一直线驱动机构，所述直线驱动机构的摆转驱动连杆通过第三转动副与所述运动分支的转动分支转动连接，所述第三转动副设于该转动分支远离所述直线驱动机构对应的第一转动副的一侧。

9.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，针对每个驱动机构，所述驱动机构为设在所述定平台上的电机。

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