CN114097013A

CN114097013A - 运动系统

Info

Publication number: CN114097013A
Application number: CN202080046764.8A
Authority: CN
Inventors: A·W·H·沃恩
Original assignee: Dinisma Co ltd
Current assignee: Dinisma Co ltd
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2022-02-25
Also published as: KR20220002433A; US20220180765A1; WO2020216476A1; JP2022531568A; EP3731213A1

Abstract

本发明涉及运动系统领域，特别是用于模拟诸如驾驶或飞行等运动。特别地，但非排他地，本发明涉及运动发生器，以及涉及包括这种运动发生器的系统，以及涉及使用运动发生器和运动系统例如作为车辆模拟器的方法。本发明的一个方面涉及在运动模拟器中使用的主运动发生器(10、82、102)，用于在表面(12)上方移动80kg或更多的主有效载荷(14)，主运动发生器(10、82、102)为并联机构，包括：用于支撑80kg或更多的主有效载荷(14)的主框架或平台(11)，在框架下方以平面阵列彼此横向布置的三个细长的线性导轨(21、22、23)，至少一个致动器(31、32、33)，在表面上方布置在每个线性导轨(21、22、23)上且能够控制以使线性导轨(21、22、23)运动从而使80kg或更多的主有效载荷能够在至少三个自由度上运动。

Description

运动系统

技术领域

本发明涉及运动系统领域，特别是用于模拟诸如驾驶或飞行等运动。特别地，但非排他地，本发明涉及运动发生器，以及涉及包括这种运动发生器的运动系统，以及涉及使用运动发生器或运动系统例如作为车辆模拟器的方法。

背景技术

运动发生器是一种能够在一个或多个自由度(或“DOF”)方向上向有效载荷施加运动、力和加速度的装置。有效载荷可以为例如在运动模拟器中进行模拟体验的人。或者，有效载荷也可以为另一运动发生器，可以说是与第一个串联。运动发生器用于在控制系统控制下的运动系统中。

运动发生器用于各种应用，包括运动模拟(例如，飞行模拟器、驾驶或车辆模拟器)、机器人、3D打印、振动和地震模拟。目前在运动模拟中最常见的运动系统类型为斯图尔特平台(或“六足(hexapod)”)。这是一种具有六个致动器的并联机构，通常成对连接到平台基板上的三个位置，并跨越到平台、顶板(或末端执行器)上的三个安装点。置于平台上的装置或诸如人类用户等有效载荷通常以某种形式的驾驶舱、驾驶员区域或模型车辆，可以在自由悬挂的主体能够运动的六个自由度上运动，即三个线性运动x、y、z(横向、纵向和垂直)和三个旋转(纵摇(pitch)、横摇(roll)和垂摇(yaw))。一般而言，在并联机构中，多个计算机控制的致动器被布置为并联运行以支撑有效载荷。在本文中，“并联”意指在有效载荷和基座之间的每个单独的负载路径中仅存在一个致动器，而在串联机构中，有效载荷和基座之间的可能负载路径中的一个或多个包括至少两个致动器。

运动模拟器是一种包含至少一个运动发生器的机构，可以为乘员创造出身处在行驶中的车辆中的效果或感觉。运动模拟器分别以驾驶模拟器和飞行模拟器的形式专业地用于培训驾驶员和飞行员。它们还以车辆模拟器的形式在工业上用于车辆本身的创建、设计和测试。用于驾驶和飞行模拟器的专业运动模拟器通常会同步视觉显示——例如由投影系统和相关联的屏幕和音频信号提供被驾驶员或飞行员占用的车厢(或底盘)的运动，以便更好地感受运动的效果。虚拟现实(VR)头戴式显示器(HMD)的出现使具有当前运动系统的沉浸式模拟成本降低，并且能够将虚拟现实应用提供给休闲用途，例如被动式游乐园或街机驾驶、第一人称骑乘或飞行骑乘，以及在主动游戏中，一个或多个玩家对驾驶、骑乘、飞行或第一人称游戏体验有一定的控制权。

运动模拟中使用的运动发生器的有效载荷(例如底盘或驾驶舱)因此相对较重，通常为100kg的数量级。运动发生器的运动模拟应用需要在较大运动(通常为1米或更大的数量级)中对这种相对较重的有效载荷进行精确控制。

通常用于人类参与者的运动模拟的六足类型通常具有达到约20Hz的相对较低的带宽。这意味着它们可以产生幅度一致的振荡运动和振动，频率达到每秒20次，超过这个频率，运动幅度会随着频率的增大而减小。这足以复制大多数汽车悬架运动，但它不会传输与来自汽车发动机的振动、轮胎振动、道路噪音和赛道上锋利的路缘石相关的频率内容。低带宽也意味着信号延迟，这意味着驾驶员无法快速响应。

当前的运动系统，尤其是那些用于诸如军事和商业飞行指导和训练应用等高端用途的运动系统，通常非常大、重、复杂且非常昂贵。它们的复杂性需要大量的编程和维护，进一步增加了用户的成本。

迈凯伦/MTS Williams/ABD和Ansible等公司已经开发了专用的驾驶模拟器运动系统，但这些系统往往在机械上极其复杂，因此价格昂贵，具有精密加工的定制部件和通常昂贵的线性马达。这些专用的驾驶模拟器运动系统在某些方向上运动时比六足更灵敏，但在其他方向上仍然受到限制。在此类系统中使用滚珠丝杠是不利的，具体在于，虽然能够很好地建立定位，但它们会抑制力传递并且只能实现较低的带宽。这导致人类用户的体验不太自然。

US5,919,045公开了一种交互式赛车模拟器，包括主运动发生器，该运动发生器包括简单布置的重叠矩形框架，这些矩形框架在气动控制下分别在线性导轨上沿X和Y方向运动，并称为“X和Y框架”。虽然该文献中公开的类型的X和Y框架的简单布置提供了在X和Y方向上的良好偏移，但由于X和Y框架在运动发生器中彼此叠置，在垂直维度上并不紧凑。此外，X和Y方向的运动不是特别地精确，并且也具有相对较低的带宽。它不是并联机构类型的布置。GB2474279A中公开了另一种X和Y框架布置。FR2677155A中公开了进一步的X和Y布置。

在所有上述现有技术的运动发生器布置中，X轴和Y轴彼此串联布置。假设X轴与地面相连，这意味着与Y轴上的运动相关的力需要通过X轴传递到地面。这种间接的负载路径不可避免地引入了柔度(compliance)，因此降低了已知的运动发生器的响应能力和带宽。

EP2810268A中给出了具有包括另一运动发生器的有效载荷的主运动发生器的一个示例，其公开了一种与六自由度运动发生器串联的三自由度运动发生器，可以使用主运动发生器维持水平面上的较大运动，同时实现次级运动发生器的最大垂直行程。因此，串联的两个运动发生器可以实现不同自由度上的运动的组合，这对于类似尺寸的六足来说是不可能的。然而，为了实现这一目的，它使用了极其庞大、沉重且复杂的平面支承系统，依赖于精密加工的金属底座和磁性预载的空气轴承。这需要大量的构建工作才能将驾驶模拟器集成到任何建筑物中，并且为确保平面性的设置困难且耗时。金属底座价格昂贵，因为它的表面积很大，必须精密加工以确保平整度。空气轴承单元很复杂，需要空气供应，并且它们需要故障安全机制来防止永磁体永久地粘合到金属底座上。

US2017/0053548A公开了一种运动系统，其包括线缆/致动器控制的平台，该平台能够在大型的低摩擦固定底座上滑动，并且允许平台的显著的水平运动。线缆和致动器围绕大底座的外围布置，允许平台进行显著的水平运动。基于六足的次级运动发生器依次安装在平台上并支撑模型驾驶舱，以提供驾驶舱的进一步运动。该系统不紧凑且带宽较差。

来自与EP2810268A相同的申请人的WO2017/021323公开了另一种线缆控制的运动发生器。该运动发生器中的线缆通过布置一系列大滑轮而运动，以使中央执行器运动。滑轮的高惯性抑制了高带宽操作。该系统需要大的、昂贵的和复杂的平面支承表面，而本发明的运动发生器具有内置于其自身机构中的负载支承能力。

本发明的目的是提供一种改进的运动发生器和改进的运动系统，以及诸如包含这种运动发生器的运动模拟器的其他实施方式。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种主运动发生器，适于在运动模拟器中使用，且能够在一表面上方使80kg或更多的主有效载荷运动，主运动发生器为一种并联机构，包括：a)主框架或平台，用于支撑80kg或更多的主有效载荷(14)，b)三个细长的线性导轨，以平面阵列彼此横向布置在框架下方，以及c)至少一个致动器，布置在所述表面上方的每个直线导轨上，并且能够控制以使线性导轨运动，从而使80kg或更多的主有效载荷能够在至少三个自由度上运动。

根据本发明的主运动发生器提供三个自由度上的运动。根据本发明的主运动发生器可以比已知的运动发生器(尤其是那些基于如上所述的X和Y框架布置的运动发生器)更有刚性，或柔度更小。根据本发明的主运动发生器可以在纵向/纵荡(surge)、横向/横荡(sway)和垂摇(yaw)方向上提供相对较大的运动。例如，根据本发明的运动发生器可以具有大约0.5米的最小偏移半径，即，其平台能够同时在X和Y方向上移动大约0.5米。例如，根据本发明的运动发生器可以具有0.49至0.6米的最小偏移半径。根据本发明的优选的运动发生器可以具有0.5至约1米或更大、优选1.5米或更大的最小偏移半径。因此，根据本发明的运动发生器非常适用于陆地车辆/驾驶模拟，因为它在纵荡、横荡和垂摇运动中具有相当大的行程，而垂荡(heave)、纵摇(pitch)和横摇(roll)自由度可以由与运动系统中的主运动发生器串联的更适中的次级运动发生器系统提供。这使得本发明的运动系统比基于六足的运动发生器系统在垂直方向上更加紧凑，有利于更容易的安装、容纳和接近(access)。驾驶员或飞行员在用于驾驶模拟器的典型的基于六足的运动发生器上的位置将离地面超过一米，而对于根据本发明的运动系统，可能不到半米。作为6DOF并联机构，六足的偏移能力在每个自由度上都高度耦合。例如，如果它进入完全向前的纵向位置，则它不能在不引入其他不希望的运动的情况下产生垂荡运动。这种其他不希望的运动可以在如下所述根据本发明的主运动发生器或组合中避免。尽管被描述为“主”运动发生器，但在某些应用中，本发明的主运动发生器可以与可能具有相同设计的另一运动发生器串联使用，从而成为次级运动发生器。

在本发明的上下文中，主运动发生器的有效载荷通常大于80kg。主有效载荷可以包括人类用户、或车辆或车辆的全部或部分的模型。因此，有效载荷通常可以大于约80kg，或大于约250kg，或大于约500kg，或大于约2吨(例如为完全车辆底盘的形式)。

细长的线性导轨可以形成星形阵列，例如三角星形阵列，或者以其他方式径向延伸，和/或从公共中心点向外延伸。通常，每个导轨与另一个导轨成120度角，因为这在大多数情况下可能是最佳的，但这不是必需的。

根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中所述线性导轨平行于公共底座平面。至少其中两个线性导轨，优选地其中三个线性导轨可以彼此邻接或连接。线性致动器可以为线性马达、齿条和小齿轮、皮带驱动带、线缆驱动器或基于滚珠丝杠的。可能有超过三个线性致动器。例如，可能有六个线性致动器。线性致动器可以布置成大致三角形阵列。优选地，线性致动器以平面阵列布置。线性致动器可以通过将推进力施加到托架来使主框架运动，其中所述托架将线性致动器连接到线性导轨并且能够沿线性导轨运动，从而推进力经由托架和线性导轨通过施加力而从致动器传输到主框架，所述力包括法向于即垂直于线性导轨的运动轴线的分量，以这样的方式施加在一个线性导轨处的力通过主框架传递并使其他线性导轨沿它们的运动轴线行进。线性致动器可以通过接头、轴承、旋转接头、球面接头或推力轴承连接到相应的线性导轨的托架。优选地，所述线性致动器或每个线性致动器通过球形接头连接到与线性导轨相关联的相应托架。六足和其他运动发生器通常通过使用滚珠丝杠致动器产生运动，滚珠丝杠致动器本身就具有很大的摩擦。当系统通过零速时，该摩擦表现为输入至系统的阶跃力。这种干扰限制了能够对这种系统进行控制的带宽。因此，本发明的主运动发生器优于这种基于滚珠丝杠的运动发生器。可以将所有或其中一些线性致动器安装在一表面上。

本发明的运动发生器的优点在于其运动部件，即其线性导轨、致动器(假设它们不是滚珠丝杠类型的)和接头中固有地具有低摩擦。

与例如EP2810268的系统相比，本发明的主运动发生器免去了对复杂的平面空气轴承布置的要求，而采用了一系列的线性轴承，这些轴承是容易在市场上买到的廉价部件。此外，上面提到的EP2810268的系统也具有独立的轴承和驱动机构，而在本发明的主运动发生器中，轴承和驱动机构是组合在一起的，从而简化了系统，进一步降低了成本。

除了滚珠丝杠致动器之外，本发明的主运动发生器还适用于广泛的致动器技术，使得运动系统可以被控制到更高的带宽和更低的延迟。这种致动器技术包括线性马达和皮带驱动器。

可用于本发明的致动器技术还使运动系统可以反向驱动，这可以在娱乐和培训场景中得到有用的应用，用户可以根据情况使他们的身体运动或向主和/或运动发生器施加力，以便为模拟体验提供输入。例如，在运动系统中使用本发明的主运动发生器的滑雪模拟中，用户身体的运动将向运动发生器平台施加力，将改变其位置、速度和/或加速度，这些可由控制系统测量，并用作与滑雪板的位置相关的输入，然后其将影响虚拟环境中的滑雪模拟。因此，平台可以代表例如滑雪板、冲浪板或滑板。主运动发生器可以包括至少一个安全端部止动件以限制框架或平台的行进，包括在平台或框架与限制框架或平台的运动的表面之间的一个或多个细长条带。优选地，存在三个或更多个条带用于限制框架的运动。至少一个、优选地所有条带在一端刚性固定并且在另一端与减震器、弹簧或阻尼器串联连接。

根据本发明的另一方面，提供一种组合，包括根据本发明第一方面的运动发生器，作为主运动发生器，以及安装在主运动发生器上的次级运动发生器，作为主运动发生器的有效载荷。优选地，所述组合用作运动系统的基础。

主运动发生器可以与次级运动发生器串联使用，所述次级运动发生器在垂直/垂荡(heave)、横摇(roll)和纵摇(pitch)方向提供额外的自由度。

虽然本发明的主运动发生器通常比诸如在US5,919,045或US2017/0053548A中描述的那些传统的主运动发生器具有更高的带宽，但当它与次级运动发生器串联使用时，它通常将比次级运动发生器具有更低的带宽，因为它也必须使相对较重的主框架运动。因此，具有6DOF次级运动发生器是有利的，因为它可以在水平自由度实现更高带宽的运动，并通过额外的自由度提供垂直运动能力。根据本发明的组合，在使用中，主运动发生器可以在比次级运动发生器的带宽更低的带宽下操作。例如，主运动发生器可以在大约5Hz至大约20Hz下操作，并且次级运动发生器可以在大约30Hz至100Hz或更高的频率下操作。

因此，用作例如高性能驾驶模拟器的运动系统将具有6DOF次级运动发生器，而更便宜的基于娱乐运动的系统可以包括3DOF次级运动发生器。

根据本发明的运动系统可以包括根据本发明的主运动发生器和串联的次级运动发生器，形成在控制装置即控制系统的控制下的组合。因此，无论水平方向如何，运动系统都可以创建其全方位的垂直运动。此外，与六足平台相比，主运动发生器可以以不同的垂摇角进入其径向运行包络的更大部分。这在陆地车辆模拟中非常有用，因为车辆通常在垂摇加速度的同时经历高横向或纵向加速度。因此，能够同时产生需要主运动发生器的横向或纵向运动的横向或纵向加速度和需要垂摇运动的垂摇加速度是有利的。

优选地，在根据本发明的组合中与主运动发生器结合使用的次级运动发生器将具有三个或更多个自由度，即三个、四个、五个或六个或更多个自由度。在一个实施例中，次级运动发生器具有六个自由度，提供所需的额外三个自由度(垂荡、纵摇和横摇)，同时还提供三个冗余自由度(已经由主运动发生器提供了的纵荡、横荡和垂摇)。在某些情况下，这种冗余可能很有用。例如，可能可以增大由主运动发生器产生的运动范围。此外，可能可以在冗余自由度中提供比主运动发生器能够提供的更大的带宽。

本发明的主运动发生器当与次级运动发生器串联使用时非常适合陆地车辆的模拟并且由于以下所述的其中一些或全部原因而在这些应用中优于滚珠丝杠六足。首先，它可以在为陆地车辆模拟而优化的工作空间内更紧凑地操作。其次，在操作中，它在自由度之间具有较少的不希望的交叉耦合，即当系统已经在上面提到的可以为与基于六足的运动系统相关联的另一方向(例如横荡)上延伸时，它降低了对一个方向(例如垂摇)上的运动的不希望的限制。第三，与传统的类似运动发生器相比，它具有更高的带宽和更低的延迟，并且可以反向驱动。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆模拟器，其包括根据本发明的主运动发生器或包括这样的运动发生器的组合，根据本发明的运动系统，或根据本发明的运动系统，以及驾驶舱或底盘和/或其他车辆模拟元素。车辆模拟器可以包括用于模拟环境的装置，包括显示装置、虚拟现实装置、投影装置中的至少一种，以及用于对虚拟环境和车辆模型建模的软件装置。

在本发明的进一步的方面，提供了制造根据本发明的运动发生器或组合的方法，或车辆或车辆部件设计的方法，任一方法包括使用根据本发明的运动发生器、根据本发明的组合，或根据本发明的车辆模拟器。本发明的其他方面在下面的权利要求和描述中陈述并且包括游戏装置。

附图说明

现在将通过仅示例的方式参考说明书附图图1至37对根据本发明的运动发生器、运动系统和驾驶模拟器及其操作和制造进行描述，其中：

图1为具有底座的根据本发明包括主运动的运动系统的透视图；

图2为没有底座处于空档状态的图1的运动系统从下方观察的平面图；

图3为没有底座的图1的运动系统的详细示意图，示出了主运动发生器；

图3A为没有底座的图1的运动系统的主运动发生器的进一步详细视图；

图4为没有底座处于向前纵荡状态的图1的运动系统示出主运动发生器的透视图；

图5为没有底座的图4中所示的运动系统从下方观察的平面图；

图6为没有底座处于向后纵荡状态的图1的运动系统示出主运动发生器的透视图；

图7为没有底座的图6中所示的运动系统从下方观察的平面图；

图8为图1的运动系统没有底座示出处于向右横荡状态的主运动发生器的透视图；

图9为没有底座的图8中所示的运动系统的仰视图；

图10为没有底座处于向左横荡状态的图1的运动系统示出主运动发生器的透视图；

图11为没有底座的图10中所示的运动系统从下方观察的平面图；

图12为没有底座逆时针垂摇的图1的运动系统示出主运动发生器的透视图；

图13为没有底座的图12中所示的运动系统从下方观察的平面图；

图14为在没有底座且处于空档状态的根据本发明的运动系统中使用的次级运动发生器的透视图；

图15为没有底座的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面图；

图16为没有底座的图14中所示的次级运动发生器的立面图；

图17为从图14中所示的次级运动发生器的一部分的左手侧观察的更详细的立面视图；

图18为没有底座的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的透视图；

图19为没有底座处于空档位置的图14中所示的次级运动发生器的另一透视图；

图20为没有底座处于向前纵荡配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图21为没有底座处于向后纵荡状态的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图22为没有底座处于向左横荡配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图23为没有底座处于向右横荡配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图24为没有底座处于向上垂荡配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图25为没有底座处于向下垂荡配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图26为没有底座处于右侧向下横摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图27为没有底座处于右侧向上横摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图28为没有底座处于机鼻向下纵摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图29为没有底座处于机鼻向上纵摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图30为没有底座处于机鼻向左垂摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图31为没有底座处于机鼻向右垂摇配置的图14中所示的次级运动发生器从下方观察的平面视图；

图32示出根据本发明的另一运动系统从上方和一侧观察的透视图，包括主运动发生器和次级运动发生器；

图33以平面视图示出图32的运动系统；

图34为图32的运动系统中的次级运动发生器的一部分的详细示意图；

图35示出根据本发明的另一运动系统从上方和一侧观察的透视图，包括主运动发生器和不同的次级运动发生器；

图36为包含根据本发明的运动系统的驾驶模拟器的透视图；以及

图37为说明与根据本发明的运动发生器、运动系统或运动模拟器一起使用的控制系统的图示。

具体实施方式

现在将通过仅示例的方式描述包括根据本发明的运动发生器、运动系统和车辆/驾驶模拟器及其使用和制造方法的实施例。本领域技术人员将理解，在本发明的范围内可以实现许多进一步的实施例。

主运动发生器

图1所示的运动系统1包括根据本发明第一方面的主运动发生器10。运动发生器10包括支撑框架11，该支撑框架被布置用于在表面12上方运动。表面12通常是平坦的。

框架11由轻质材料构成，例如铝或碳纤维，并且在所示实施例中描述了三角形周边。诸如矩形或圆形等其他框架形状也是可能的。框架11支撑底盘14，底盘14在该情形下复制了轿车的一部分。底盘14构成了运动发生器的有效载荷，加上任何使用者的重量，约为1000kg。可以使用技术人员已知的其他类型的底盘。例如，为在模拟器中使用而优化的轿车车身底盘的重量约为500kg。满载的小汽车大约重2吨。赛车底盘通常由碳纤维制成，包括驾驶员在内的重量仅为250kg。框架11的运动是通过细长的线性导轨21、22、23、安装在表面12上的线性致动器31、32、33、以及相应的线性致动器托架41、42、43的相互作用来提供的，其中细长的线性导轨21、22、23以三角星形排列布置在框架11下方(特别是如图2所示)，框架11安装在线性致动器托架41、42、43上。线性致动器托架41、42、43分别由线性致动器31、32、33驱动。安装在公共底座平面中的线性导轨21、22和23由诸如铝、钢等金属精确地形成。该实施例中的线性致动器31、32、33为皮带驱动单元，但替代地也可以为例如线性马达或滚珠丝杠驱动的致动器。

托架41、42、43被布置成在来自主运动发生器控制系统(在图37中示出且在下面更详细地进行描述)的指令下在由相应的线性致动器31、32和33驱动的任一线性方向上运动。每个托架41、42、43包括上托架部件或轴承座圈(分别为41U、42U和43U)，其接合相关联的线性导轨21、22和23，通过旋转接头连接到下托架部件或轴承座圈(分别为41L、42L、43L)，下托架部件或轴承座圈分别与连接的线性致动器31、32或33固定。例如，如图3A所示，托架41包括上托架部件41U和下托架部件41L，通过具有垂直于公共底座平面的轴线的旋转接头41RJ互连。旋转接头可以用自对准或球面轴承代替，以适应三个线性导轨或三个致动器中任何小的平面度不足。

表面12可以是运动发生器10所在的建筑物的地板，或者可以是安装在这种地板上的特定支撑表面构件。如上所述，本发明的主运动发生器的优点在于它不需要一些现有技术的运动发生器所需的精密加工的金属地板表面。

图1-3中示出了处于空档状态的主运动发生器10。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	标称
		致动器接合的托架部件43L位置	标称
致动器接合的托架部件42L位置	标称
		轨道托架接合的部件41U位置	标称
轨道托架接合的部件43U位置	标称
		轨道托架接合的部件42U位置	标称

主运动发生器的操作

主运动发生器10在控制系统(未在图4至13中示出，但例如如图37中所示)的控制下如关于图4至13所描述的那样操作。

图4和图5示出图1的运动发生器处于向前纵荡状态。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	标称
		致动器接合的托架部件43L位置	反向
致动器接合的托架部件42L位置	正向
		轨道托架接合的部件41U位置	朝向支撑框架中心
轨道托架接合的部件43U位置	朝向支撑框架周边
		轨道托架接合的部件42U位置	朝向支撑框架周边

图6和图7示出图1的运动发生器10处于向后纵荡状态。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	标称
		致动器接合的托架部件43L位置	正向
致动器接合的托架部件42L位置	反向
		轨道托架接合的部件41U位置	朝向支撑框架周边
轨道托架接合的部件43U位置	朝向支撑框架中心
		轨道托架接合的部件42U位置	朝向支撑框架中心

图8和图9示出图1的运动发生器处于向右横荡状态。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

图10和图11示出图1的运动发生器处于向左横荡状态。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	正向
		致动器接合的托架部件43L位置	反向
致动器接合的托架部件42L位置	反向
		轨道托架接合的部件41U位置	标称
轨道托架接合的部件43U位置	朝向支撑框架中心
		轨道托架接合的部件42U位置	朝向支撑框架周边

图12和图13示出图1的运动发生器处于逆时针垂摇状态。在这种状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	正向
		致动器接合的托架部件43L位置	正向
致动器接合的托架部件42L位置	正向
		轨道托架接合的部件41U位置	朝向支撑框架周边
轨道托架接合的部件43U位置	朝向支撑框架周边
		轨道托架接合的部件42U位置	朝向支撑框架周边

相反，在顺时针垂摇状态下，托架41、42和43的上托架部件和下托架部件的位置为：

致动器接合的托架部件41L位置	反向
		致动器接合的托架部件43L位置	反向
致动器接合的托架部件42L位置	反向
		轨道托架接合的部件41U位置	朝向支撑框架周边
轨道托架接合的部件43U位置	朝向支撑框架周边
		轨道托架接合的部件42U位置	朝向支撑框架周边

次级运动发生器

图14至31示出了次级运动发生器48，其旨在与根据本发明的主运动发生器(图14至31中未示出)结合使用以形成运动系统。

次级运动发生器48包括三角形框架49，其在构造上与上述主运动发生器支撑框架11大体相似。向下延伸的向前和向后刚性管状或实心框架部件50和52分别固定到底盘114或底盘114安装在其上的中间平台或框架。可以看出，在该示例中构成次级运动发生器的有效载荷的底盘114代表赛车并且重约250kg。细长的悬挂元件54、55和56在其一端连接到前部或刚性的后部框架部件50、52，并且在另一端连接到刚性的向上延伸的安装件58、59和60，安装件58、59和60从框架49延伸以便于悬挂底盘114。安装件58、59和60可以固定到框架49或与框架49一体。

一系列成对的线性致动器62、63，64、65和66、67设置在框架49的周边内。在该实施例中，线性致动器62-67为皮带驱动的。其他低移动质量致动器也是预期到的，例如线性马达。如图18所示，相应的成对的细长拉伸构件72、73，74、75和76、77一端固定到线性致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C，并且在它们的另一端固定到底盘114或中间平台或框架。在使用中，线性致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C根据来自次级运动发生器控制系统(例如图37中所示)的指令由线性致动器62-67分别在任一纵向方向上线性地驱动，以便以高带宽运动来使悬挂的底盘114运动。

现在将描述在来自控制系统的指令下次级运动发生器48的操作和致动器托架的运动，以便使底盘114在六个自由度上运动。在图14-20中显示为空档状态。

在图21所示的向前纵荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向外
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	向内
		致动器托架64C位置	向内
致动器托架63C位置	向内
		致动器托架62C位置	向外

在图22所示的向后纵荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向外
致动器托架65C位置	向外
		致动器托架64C位置	向外
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向内

在图23所示的向左横荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向外
		致动器托架66C位置	向外
致动器托架65C位置	向外
		致动器托架64C位置	向内
致动器托架63C位置	向内
		致动器托架62C位置	向内

在图24所示的向右横荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	向内
		致动器托架64C位置	向外
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向外

在图25所示的向下垂荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向外
		致动器托架66C位置	向外
致动器托架65C位置	向外
		致动器托架64C位置	向外
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向外

相反，在向上垂荡状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	向内
		致动器托架64C位置	向内
致动器托架63C位置	向内
		致动器托架62C位置	向内

在图26所示的右侧向下横摇状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	中性
		致动器托架64C位置	中性
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向外

在图27所示的右侧向上横摇状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

在图28所示的机鼻向下纵摇配置中，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向外
		致动器托架66C位置	向外
致动器托架65C位置	向内
		致动器托架64C位置	向内
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向外

在图29所示的机鼻向上纵摇配置中，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	向外
		致动器托架64C位置	向外
致动器托架63C位置	向内
		致动器托架62C位置	向内

在图30所示的机鼻向左垂摇状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向内
		致动器托架66C位置	向外
致动器托架65C位置	向内
		致动器托架64C位置	向外
致动器托架63C位置	向内
		致动器托架62C位置	向外

在图31所示的机鼻向右垂摇状态下，致动器托架62C、63C、64C、65C、66C和67C的位置如下：

致动器托架67C位置	向外
		致动器托架66C位置	向内
致动器托架65C位置	向外
		致动器托架64C位置	向内
致动器托架63C位置	向外
		致动器托架62C位置	向内

实际上，在本发明的运动系统中，次级运动发生器48位于主运动发生器(例如100)和底盘(例如114)之间，并且在操作时提供由主运动发生器100产生的并应用于底盘114的附加的或替代的(即冗余的)运动。

在图32至图35中，示出了包括根据本发明的主运动发生器和不同的次级运动发生器配置的运动系统。

基于主运动发生器和6DOF次级运动发生器的运动系统

根据本发明的运动系统80，包括根据本发明第一方面的主运动发生器82和6DOF次级运动发生器84，如图32至34所示。运动系统80位于表面86上。

主运动发生器82如以上例如图1中所述，只是次级运动发生器84和底盘88代替底盘14作为主运动发生器的有效载荷。

底盘88通过细长弹性构件90、91、92悬挂在三角形支撑框架89上。成对的细长拉伸构件或支柱96a、96b，97a、97b和98a、98b的每一个在一端连接到底盘88，在它们的另一端分别连接到面向外的摇杆96rf、96rr，97rl、97rr和98rr、98rf。图34中更详细地示出了这种布置。如图34所示，次级运动发生器右侧的摇杆98rr和98rf可在水平面内自由枢转，并且继而通过齿形带98br和98bf连接，齿形带98br和98bf与致动器相应的带齿绞盘98cr和98cf啮合，所述致动器沿着框架89(清楚起见图34中省略)的内侧布置。每条带98br、98bf的一端分别连接到细长的拉伸构件98a和98b，每条带98br、98bf分别围绕绞盘98cr和98cf延伸，然后分别连接到被动拉伸构件98tmr和98tmf，诸如弹簧或弹力绳等，或类似的被动拉伸元件，与支撑框架(为清晰起见省略)固定在一起。类似的成对的细长拉伸构件、摇臂、齿形带、齿形绞盘和被动拉伸构件设置在三角形框架89的另一侧上并且以相应的方式操作。

致动器的绞盘(例如98cr和98cf)的旋转位置受控制系统的控制(例如如图37所示)。因此，致动器绞盘(例如98cr和98cf)的运动驱动皮带(例如，98br、98bf)抵抗或有利于由被动拉伸构件(例如98tmr、98tmf)施加的张力的运动，以改变连接的摇杆(98rr、98rf)的位置以及进而改变连接到摇杆(98rr、98rf)的细长拉伸构件(例如98a、98b)的位置，产生底盘88在六个自由度上的运动。使用该次级运动发生器设计可以实现高带宽。

此外，可以通过高级的主运动发生器和次级运动发生器的组合获得高级的运动/配置。

主运动发生器82可以产生大幅度的位移但带宽更有限，而次级运动发生器84只能产生小幅度的位移但它具有高得多的带宽。该串联配置以下述方式促进了大振幅和高频运动的组合。在高频运动的情况下，次级运动发生器84将向有效载荷施加所需的加速力，并抵抗主运动发生器的惯性对加速力做出反应，从而在抵抗主运动发生器82做出反应并实际上将其推向相反方向的同时沿所需方向推进有效载荷。因此，从次级运动发生器84到主运动发生器82的反作用力实际上将驱动主运动发生器82在与有效载荷88运动的方向相反的方向上向后。这对于高频运动是完全可以接受的。对于低频运动，次级运动发生器84将在有效载荷88上施加驱动力，而主运动发生器82将同时在次级运动发生器84上施加加速力以对来自有效载荷88和次级运动发生器88的反作用力一直到地面做出反应。在这种情况下，次级运动发生器84相对于有效载荷88的相对运动非常小，而主运动发生器82可以以与有效载荷所需的水平运动非常相似的运动轮廓(即运动发生器在一段时间内执行的一系列运动)被驱动。

基于主运动发生器和3DOF次级运动发生器的运动系统

根据本发明的另一个运动系统101如图35所示。运动系统包括根据本发明第一方面的主运动发生器102，例如如上文关于图1所述，以及相对简单的3DOF运动发生器104，用于支撑诸如底盘106等有效载荷，其中运动由垂直致动器110、112、114(被遮挡)提供。例如，垂直致动器110、112、114可以为D-box型致动器。其他类型的致动器也是可以预期的，例如液压千斤顶或线性致动器。次级运动发生器104与安装在其上的任何底盘(例如106)一起成为主运动发生器的有效载荷，且次级运动发生器104只能在三个自由度上运动，但与预期用于本发明的运动系统的其他次级运动发生器相比可能成本相对较低(因为它相对简单)。需要约束系统(未显示)以在不受3DOF系统控制的三个水平自由度保持底盘相对于主框架的位置。

控制系统

图37示出了根据本发明的用于控制运动发生器的操作的控制系统501。关于图37，运动发生器为502，但是控制系统501适用于本文描述的其他运动发生器、运动系统和运动模拟器)以及相关的模拟环境503。

控制系统501包括执行计算机程序的运动控制器504，优选地以确定性或实时方式执行计算机程序，其从诸如模拟环境503或设定点发生器506等需求发生器获取运动需求输入505。运动控制器计算在每个致动器509处需要产生的位置、加速度和/或力507，以便生成所需的运动轮廓505。控制系统501还包括伺服驱动器508，其提供精确控制的电流510以驱动致动器509。

在操作中，运动控制器向每个伺服驱动器508发送所需的位置或力507。致动器509具有运动测量装置511，例如编码器，其向运动控制器提供运动反馈512，可选地通过伺服驱动器。运动控制器将所需运动轮廓505与测量的运动轮廓512进行比较，并相应地更新致动器需求507。

图37还示出了具有诸如驾驶模拟等模拟环境503的控制系统，在驾驶模拟中计算了模拟车辆及其环境(诸如赛道或城市道路等)的物理特性。在该实施例中，控制系统501从模拟环境503接收运动需求，代表虚拟车辆的运动。计算机程序确定车辆在虚拟世界514中的运动，然后应用体感模拟算法(motion cueing algorithm)513(MCA，也称为washout滤波器)将模拟的车辆运动转换为可由运动发生器表示的运动。然后将这些计算出的运动提供给控制系统作为运动需求505。MCA 513可以是模拟环境503或控制系统501的一部分或与两者分开。模拟环境503可以从控制装置516接收输入信号515，诸如转向、油门或制动输入等，操作者，即诸如驾驶员、乘客或飞行员等人类用户使用这些输入信号515来控制模拟环境中的虚拟车辆。操作者可能是运动发生器502上的乘客。这些输入515可以通过控制系统或直接传回模拟环境。模拟环境还可能为驾驶员、乘客或其他用户或操作者在视觉显示器517上产生输出。模拟环境还可能需要来自控制系统的附加数据518，诸如与运动发生器的位置相关的，或者控制装置输入信号。

驾驶模拟器

图36示出了包含运动系统202的驾驶模拟器200，所述运动系统202包括根据本发明的主运动发生器和次级运动发生器的组合。运动系统202在控制系统205(其例如如图37中所示)的控制下复制运动，运动系统202面向投影系统204，在投影系统204上模拟驾驶环境。附加的声音系统(也未示出)为用户(即“驾驶员”)提供身临其境的体验。驾驶员通过致动转向系统与模拟驾驶环境进行交互，所述致动转向系统测量驾驶员的转向输入角并通过转向致动系统或转向电机向车轮提供扭矩反馈。此外，驾驶员可以通过用于在模拟中控制车辆的踏板以及其他开关、旋钮和触摸屏设备向模拟驾驶环境提供输入。代表车辆模型的计算机程序封装了真实车辆的物理特性，所述计算机程序也将构成模拟的一部分并与控制系统交互。

运动发生器、运动系统和驾驶模拟器的制造

根据本发明的运动发生器和运动系统可以通过常规方法由定制和标准部件的组合进行组装以制造本发明的新型运动发生器和运动系统。适用于控制根据本发明的运动发生器和运动系统的操作的控制装置可以类似地通过常规方法制造。

Claims

1.一种主运动发生器(10、82、102)，用于在运动模拟器中使用，用于在一表面(12)上方使80kg或更多的主有效载荷(14)运动，所述主运动发生器(10、82、102)为并联机构，所述主运动发生器包括：

a)主框架或平台(11)，用于支撑80kg或更多的主有效载荷(14)，

b)三个细长的线性导轨(21、22、23)，以平面阵列在框架(11)下方彼此横向布置，

c)至少一个致动器(31、32、33)，布置在所述表面上方的每个线性导轨(21、22、23)上，并且能够控制地使线性导轨(21、22、23)运动，从而主框架和80kg或更多的有效载荷能够在至少三个自由度运动。

2.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，细长的线性导轨(21、22、23)的突出部会聚。

3.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，细长的线性导轨(21、22、23)形成星形阵列，从公共中心点向外延伸。

4.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，线性导轨中的至少两个、优选地三个彼此邻接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，有六个致动器(31、32、33)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述致动器(31、32、33)为线性致动器，选自例如线性马达、基于齿条和小齿轮的致动器、皮带驱动执行器或线缆驱动致动器。

7.根据前一权利要求所述的主运动发生器，其中，所述线性致动器以大致三角形阵列布置。

8.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述线性致动器以平面阵列布置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述线性致动器(31、32、33)通过将推进力施加到托架(41、42、43)来使主框架(11)运动，其中所述托架将线性致动器(31、32、33)连接到线性导轨(21、22、23)并且能够沿线性导轨(21、22、23)运动，从而所述推进力经由托架(41、42、43)和线性导轨(21、22、23)通过施加力而从致动器传递到主框架(11)，所述力包括法向于/垂直于线性导轨的运动轴线的分量，以这样的方式施加在一个线性导轨处的力通过主框架(11)传递并使其他线性导轨沿其运动轴线行进。

10.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，一线性致动器(31、32、33)通过接头、轴承、旋转接头、球形接头或推力轴承连接到相应的线性导轨的托架。

11.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述线性致动器通过球形接头连接到与线性导轨相关联的托架。

12.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述线性致动器安装在所述表面上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述主有效载荷的重量大于100kg，可选地大于250kg，优选地为约500kg至约1吨或大于2吨。

14.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，所述主有效载荷包括人类用户或车辆或车辆的全部或部分的模型。

15.根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)，包括至少一个安全端部止动件以限制所述框架(11)或平台的行进，包括在所述平台或框架(11)与限制所述框架或平台的运动的所述表面之间的一个或多个细长条带。

16.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，包括用于限制所述框架(11)的运动的三个或更多个条带。

17.根据前一权利要求所述的主运动发生器(10、82、102)，其中，至少一个、优选地所有的条带在一端刚性固定并且在另一端与减震器、弹簧或阻尼器串联连接。

18.一种组合，包括根据前述权利要求中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)作为组合中的主运动发生器(10、82、102)和连接到所述主运动发生器(10、82、102)的次级运动发生器(48、84、104)作为主运动发生器(10、82、102)的有效载荷，其中，在使用中，所述次级运动发生器(48、84、104)是能够控制的，以使至少80kg的次级有效载荷(84、88)相对于主框架且因此相对于表面在一个或多个自由度上运动。

19.根据前一权利要求所述的组合，其中，在使用中，所述次级运动发生器(48、84、104)是能够控制的，以使所述次级有效载荷(84、88)相对于所述主框架(11)在至少三个但优选地六个自由度上运动。

20.根据前一权利要求所述的组合，其中，在使用中，所述次级运动发生器(48、84、104)是能够控制的，以使所述次级有效载荷(84、88)相对于所述主框架(11)在六个自由度上运动。

21.根据前一权利要求所述的组合，其中，在使用中，所述主运动发生器(10、82、102)在比所述次级运动发生器(48、84、104)的带宽更低的带宽下操作。

22.根据前一权利要求所述的组合，其中，所述主运动发生器在大约5Hz至大约20Hz下操作，并且所述次级运动发生器在大约30Hz至100Hz或更高的频率下操作。

23.根据前一权利要求所述的组合，其中，所述次级运动发生器(48、84、104)与所述主运动发生器(10、82、102)串联。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的组合，其中，所述次级运动发生器(48、84、104)的线性致动器和或线性导轨安装在所述主运动发生器(10、82、102)的所述主框架(11)上。

25.根据前一权利要求所述的组合，其中，所述次级运动发生器(48、84、104)提供所述次级有效载荷(84、88)在至少一个垂直自由度上的运动。

26.根据权利要求18至25中任一项所述的组合，其中，所述次级有效载荷(84、88)包括人类用户。

27.根据权利要求18至26中任一项所述的组合，其中，所述次级运动发生器(48、84、104)包括基于六足的、基于线性马达的、基于滚珠丝杠的、基于线性致动器的、线缆操作的或杠杆操作的运动发生器，或任何此类运动发生器的组合。

28.一种运动系统，包括根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器或根据权利要求18至27中任一项所述的组合以及用于控制运动发生器的操作的控制装置。

29.根据前一权利要求所述的运动系统，其中，所述控制装置接收描述所述框架(11)相对于一原点的所需位置、速度和/或加速度的输入，所述原点相对于所述表面固定。

30.根据前一权利要求所述的运动系统，其中，所述控制装置接收描述所述框架(11)相对于一原点的所需位置、速度和/或加速度的输入，所述原点相对于所述次级运动发生器有效载荷固定。

31.根据前一权利要求所述的运动系统，其中，所述控制装置控制至少一个致动器、优选地所有致动器的操作。

32.根据前一权利要求所述的运动系统，其中，所述控制装置控制至少一个托架、优选地所有托架的位置、速度和/或加速度。

33.根据前一权利要求所述的运动系统，其中，所述控制装置使用来自测量装置的反馈以控制所述框架(11)或托架的位置、速度或加速度。

34.一种车辆模拟器，包括根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器或根据权利要求18至27中任一项所述的组合或根据权利要求28至33中任一项所述的运动系统，以及驾驶舱或底盘和/或其他车辆模拟元素。

35.根据前一权利要求所述的车辆模拟器，包括用于模拟环境的装置，包括显示装置、虚拟现实装置、投影装置中的至少一种，以及用于对虚拟环境和车辆模型建模的软件装置。

36.根据前一权利要求所述的车辆模拟器，其中，对所述或每个运动发生器的运动进行控制以模拟或再现在虚拟环境或计算机模拟中被模拟的车辆的运动。

37.一种家用或商用游戏装置，包括根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器，或根据权利要求18至27中任一项所述的组合，或根据权利要求28至33中任一项所述的运动系统。

38.根据前一权利要求所述的游戏装置，包括控制系统。

39.根据前一权利要求所述的游戏装置，包括用于模拟环境的装置，包括显示装置、虚拟现实装置、投影装置中的至少一种，以及用于对虚拟环境建模的软件装置。

40.根据前一权利要求所述的游戏装置，包括在所述框架(11)上的平台，其中，在使用中，用户在平台上的运动向所述主运动发生器(10、82、102)施加力，引起所述平台的位置、速度和/或加速度的能够测量的变化，其能够由所述控制系统检测，并用作与所述平台的状态相关的输入，然后将影响虚拟环境中的模拟。

41.根据前一权利要求所述的游戏装置，其中，所述平台代表一组滑雪板、冲浪板或滑板。

42.一种车辆或车辆部件设计的方法，所述方法包括使用根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器、根据权利要求18至27中任一项所述的组合或根据权利要求34至36中任一项所述的车辆模拟器。

43.一种制造根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器的方法，包括提供框架(11)，在所述框架(11)下方彼此横向地布置至少三个细长的线性导轨，提供至少一个线性致动器以及将所述线性致动器横向地布置在所述表面上方的每个线性导轨上，以产生根据权利要求1至17中任一项所述的主运动发生器(10、82、102)。

44.一种制造根据权利要求18至27中任一项所述的组合的方法，包括通过根据前一权利要求所述的方法制造运动发生器并将次级运动发生器(48、84、104)安装到主运动发生器(10、82、102)。

45.一种制造根据权利要求40至41中任一项所述的游戏装置的方法，包括通过根据权利要求42所述的方法制造主运动发生器(10、82、102)或提供根据权利要求1至17中任一项所述的运动发生器，并将主运动发生器(10、82、102)连接到控制系统。