CN114175128B - 运动平台 - Google Patents

Abstract

一种运动平台(2)包括基体部分(6)和乘员承载部分(4)。乘员承载部分(4)能够沿第一、第二和第三正交轴直线移动，并能够围绕第一、第二和第三正交轴旋转移动。基体部分(6)包括第一、第二和第三控制立柱(16、18、20)，每个控制立柱沿第三轴以预定高度延伸。控制立柱(16、18、20)能够在由第一和第二轴定义的平面内直线移动，并且被机械约束以仅在该平面内移动。乘员承载部分(4)包括第一、第二和第三引导部分(28、30、32)，所述引导部分通过相应的耦合构件(22、24、26)分别枢转连接到第一、第二和第三控制立柱(16、18、20)。每个引导部分(28、30、32)相对于由第一和第二轴定义的平面成角度，使得它们不平行于该平面。引导部分(28、30、32)也相对于彼此成角度，使得它们彼此不平行。

Description

运动平台

技术领域

本发明涉及一种运动平台，特别是一种适合于模拟运动的运动平台，例如，其中需要高频响应，诸如汽车、赛车运动和航空航天环境。

背景技术

运动平台可以提供六个自由度，允许乘员经受一系列运动，这些运动可以提供在模拟环境中的真实感觉。例如，运动平台可以为乘员提供身处赛车(例如一级方程式TM赛车)中的准确感觉。六个自由度对应于纵荡、横荡和垂荡方向上的直线移动(即，分别沿x轴、y轴和z轴)以及滚动、俯仰和偏航方向的旋转运动(即，分别围绕x轴、y轴和z轴)。

斯图尔特(Stewart)平台或六足平台使用通过六个伸缩支柱或致动器连接到基体单元的平台。该设备可能非常大和非常重。由于支柱提供了大范围的移动，该设备可能非常高。典型地，在平台下需要大量的“死区”。对于这种类型的配置，所述支柱必须相对强大，因此很难为水平和竖直运动提供高带宽。这种类型的模拟器可能对不需要模拟高水平力和加速度的飞机是有用的，但是，这种模拟器并不普遍适用，因为一些真实车辆(诸如赛车)在水平方向(当制动、加速或转弯时)和竖直方向(行驶操纵时)都可能经受非常大的力。

本领域已知的一个平台本身为“威廉姆斯(Williams)”平台，如在WO 2014/087172A1中描述的。虽然威廉姆斯平台有助于缓解斯图尔特平台的一些局限性，但申请人已意识到有可能进一步改进。

由于威廉姆斯平台中车厢之间的倾斜平台的性质既存在较差的权限(即，精确控制运动平台的能力)，也在纵荡轴线上存在很小的行程范围。虽然可以增加平台中的“V”的角度以增加权限，但这不利于整体纵荡行程。希望具有更大范围的纵荡行程，但是本领域已知的常规布置本身在这方面有一些限制。

在持续制动提示期间，有限程度的纵荡行程可能产生问题，这可能导致乘员误认为制动失灵，因为在完成提示之前行程已经结束。由于悬垂物撞击地板，用传统设计延伸纵荡运动的范围也可能是不切实际的。

此外，当平台位于纵荡的任一端的末端时，重心与默认的“中间”位置(即，调整气体支柱以承受大部分静态质量的位置)有很大不同，因为其本身是不平衡的。这导致设计用于将平台静态质量保持在默认中间位置的气体支柱是次优的。这通常很难控制，因为保持所述位置通常在电机中产生峰值电流需求，从而可能导致系统不稳定。

传统运动平台也需要较大的物理占用空间，特别是在横荡方向上(即，沿y轴)。在考虑利用有限的可用空间扩展平台时，占用空间非常重要。

现有技术的其他示例示出了多级系统，其中，通常，一个级将执行偏航、纵荡和横荡，并且另一个级将执行垂荡、俯仰和滚动，或者可能是每个轴的多个级。但是，多级系统存在问题，因为它们对运动平台的高频响应产生负面影响。本领域技术人员将意识到，运动平台的频率响应(即，其进行高速移动的能力，诸如模拟与撞击道路上的凸块相关的冲击运动)与机械刚度、运动平台的移动质量相关联，以及与用于传递运动的致动器相关联。通过“堆叠”致动器层，结果典型地是非常沉重的系统，其中超出的重量具有对运动平台的频率响应的显著的负面影响，特别是影响高频响应。

申请人已经意识到，需要高性能的单级运动平台，因为这将允许更重的有效载荷和更高的性能。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种运动平台，其包括基体部分和乘员承载部分，所述乘员承载部分能够沿第一正交轴、第二正交轴和第三正交轴直线移动，并能够围绕所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴旋转移动，其中：

基体部分包括第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱，每个控制立柱基本沿第三轴延伸，每个所述控制立柱能够在由第一轴和第二轴定义的平面内直线移动，其中，控制立柱被机械约束，使得它们仅在所述平面内移动；

乘员承载部分包括第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分，所述第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分通过相应的耦合构件分别枢转地连接到第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱；

第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分各自相对于由第一轴和第二轴定义的平面成角度，使得所述引导部分不平行于所述平面；并且

第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分相对于彼此成角度，使得每个引导部分不与其他引导部分平行；

所述运动平台布置成使得：在使用中，第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱各自沿第三轴具有预定值的相应高度。

因此，本领域技术人员将意识到，本发明的实施例提供了具有六个自由度的一种改进的运动平台，其中所有运动都通过控制立柱的移动来传递，所述控制立柱被限制为仅在基体的平面内移动，例如在x-y平面内移动。根据需要，三个控制立柱在基体的平面内的相对移动转化为纵荡、横荡、垂荡、滚动、俯仰和偏航运动。控制立柱与倾斜引导部分之间的枢转连接允许控制立柱在x-y平面内的移动转化为运动，例如在z-轴方向上的运动。因此，乘员承载部分在所有六个自由度上受到控制立柱和引导部分的机械约束。

基于控制立柱的设计非常有利，因为它不依赖于推杆/拉杆来传递运动，因此，与本领域已知的现有技术布置相比，系统中的摩擦和反冲显著减小。本发明的运动平台可以容易地并入具有六个自由度的运动模拟器中，所述运动模拟器在所有轴上需要高行程、速度和频率带宽。

与传统运动平台相比，根据本发明原理的运动平台可能需要大约60％的x轴空间。这种空间的有效利用还有利地允许运动平台的缩放。例如，与现有技术的运动平台相比，与由先前概述的现有技术布置施加的限制相比，本发明的运动平台可以基本在x方向上延伸。

将意识到，本文中使用的关于控制立柱的相应高度的术语“预定值”意味着控制立柱的构造使得：在操作期间，其相应高度不可变，即，每个控制立柱的“底部”(连接到基体部分的端部)与“顶部”(枢转地连接到合适的引导部分的端部)之间的距离是恒定的。不可变高度可以有助于实现更大的系统刚度，如上所述，这会影响运动平台的频率响应。

虽然在一些实施例中，控制立柱可以包括圆柱形柱，但设想了其他形状—例如，在其他实施例中，控制立柱可以是长方体、金字塔形、圆锥形或可以是不规则形状。

在一些实施例中，控制立柱可以由复合材料构成。立柱可以构造成类似于一级方程式^TM赛车中使用的“鼻锥”。

在一些实施例中，第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱的相应高度基本相同。但是，在一些应用中，可能希望为运动平台提供永久的“斜度”，例如，以反映赛车的斜度，因此，在至少一些实施例中，第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱中的至少两个的相应高度不同。

在一些实施例中，通过使组件本身具有固定高度，可以将立柱的高度固定到相应的预定值，即，在一些实施例中，不存在改变控制立柱高度的装置。例如，控制立柱可以各自具有如上所述的柱状构造。但是，在一些实施例中，当运动平台未使用时，可以调整至少一个控制立柱的高度，其中，当运动平台使用时，所述至少一个控制立柱的高度被锁定到相应的预定值。例如，在一些实施例中，一个或多个控制立柱可以包括螺纹螺栓构件，其中，耦合构件的一部分连接到螺纹螺栓构件。在这些实施例中，当运动平台不操作时，可以通过松开或拧紧螺栓构件来调整控制立柱的高度。

如上所述，控制立柱被布置成在由第一轴和第二轴定义的平面内移动。控制立柱在其中移动的基体可以是任何合适的形状，但是在至少一些实施例中，基体部分基本是平面的。在一组优选实施例中，基体部分的平面与第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱在其中移动的平面平行，并且优选地与第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱在其中移动的平面共面。平面基体部分允许在平面中相对简单地控制控制立柱。

在一组这样的实施例中，基体部分包括X-Y工作台部分，其中，X-Y工作台部分布置成：提供第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱沿相应的第一方向和相应的第二方向的独立平面内移动，所述第一方向和所述第二方向定义垂直于第三轴的平面。第一和第二方向优选地彼此正交(即，垂直)。X-Y工作台的主平面(即，由第一方向和第二方向定义的平面)与由第一轴和第二轴定义的平面平行，并且优选地与由第一轴和第二轴定义的平面共面。虽然控制立柱沿第一方向和第二方向的平面内运动可以相对于第一轴和第二轴成角度，但第一方向优选地沿第一轴，并且第二方向优选地沿第二轴。X-Y工作台部分沿第一轴方向和第二轴方向运动使得运动平台的控制更简单。

在一些这样的实施例中，X-Y工作台部分包括X-Y工作台，所述X-Y工作台包括第一滑轨和第二滑轨，所述滑轨能够相对于彼此滑动移动，其中，至少一个控制立柱安装在所述X-Y工作台上，使得：第一滑轨的滑动移动使至少一个控制立柱沿第一方向移动，并且使得：第二滑轨的滑动移动使至少一个控制立柱沿第二方向移动。

单个X-Y工作台可以为每个控制立柱提供运动，但是在一些实施例中，X-Y工作台部分包括第一X-Y工作台、第二X-Y工作台和第三X-Y工作台，每个所述X-Y工作台包括相应的第一滑轨和第二滑轨，所述滑轨能够相对于彼此滑动移动，其中，第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱分别安装在第一X-Y工作台、第二X-Y工作台和第三X-Y工作台上，使得：第一滑轨的滑动移动使对应的控制立柱沿第一方向移动，并且使得：第二滑轨的滑动移动使对应的控制立柱沿第二方向移动。因此，根据这些实施例，每个控制立柱可以安装在单独的X-Y工作台上，其中每个X-Y工作台移动平面内控制立柱。

虽然提供控制立柱的平面内运动的元件可以是共面的，但在一些实施例中，每个X-Y工作台可以包括第一托架和第二托架，所述第一托架和所述第二托架布置在堆栈中。通常，顶部托架(即，堆栈中的上部托架)可以包括相关的控制立柱。将意识到，“堆叠”布置意味着：第一托架安装在第二托架的顶部上，或者第二托架安装在第一托架的顶部上。当与大运动包络(envelope)一起使用时，将其拆分成单独的托架(一个托架安装在另一个托架的顶部上)可以降低运动质量。托架可以由碳复合材料构成，以便在保持相对高的刚度的同时降低质量，这对于前面讨论的原因是有利的。因此，可以存在用于每个X-Y工作台的“第一”托架和“第二”托架。

第一托架可以包括控制立柱和一个或多个轴承以及电机(例如，本文别处所描述的直线电机)，所述一个或多个轴承相对于第二托架沿第一方向移动，所述电机用于驱动第一托架沿第一方向的所述运动。第一托架上的轴承可以沿第二托架上的轴承轨道移动，轴承轨道沿第一方向对齐。第二托架可以包括一个或多个轴承以及电机(例如本文别处所描述的直线电机)，所述一个或多个轴承相对于X-Y工作台的基体沿第二方向移动，所述电机用于驱动第二托架(以及因此安装在其上的第一托架)沿第二方向的所述运动。第二托架上的轴承可以沿基体上的轴承轨道移动，这些轴承轨道沿第二方向对齐。

因此，在一些实施例中，每个X-Y工作台分别包括第一托架和第二托架，所述第一和所述第二托架布置在堆栈中，其中：

第一托架包括相应的控制立柱和一个或多个轴承以及电机，所述一个或多个轴承相对于第二托架沿第一方向移动，所述电机布置成驱动第一托架沿第一方向的所述运动；

第二托架包括一个或多个轴承以及电机，所述一个或多个轴承相对于X-Y工作台的基体沿第二方向移动，所述电机布置成驱动第二托架沿第二方向的运动；

第二托架还包括一个或多个轴承轨道，所述一个或多个轴承轨道沿第一方向对齐，其中，第一托架的轴承与第二托架的一个或多个轴承轨道接合；并且

X-Y工作台的基体包括一个或多个其他轴承轨道，所述一个或多个其他轴承轨道沿第二方向对齐，其中，第二托架的轴承与基体的一个或多个轴承轨道接合。

当然，将意识到，“第一”托架和“第二”托架中的哪一个在堆栈的顶部和底部上可以反转，使得顶部托架沿第二方向移动，并且底部托架沿第一方向移动(视情况而定)。在这种布置中，第二托架可以包括相关的控制立柱。

X-Y工作台可以例如使用一个或多个直线电机，提供在第一方向和第二方向的每个方向上的直线运动。

在一些实施例中，X-Y工作台可以包括一个或多个无铁直线电机。本领域技术人员将意识到，无铁直线电机不包括铁芯，而是通常采用由缠绕在层压钢上的多个绕组构成的主要部件(类似于旋转电机的定子)，其中，这些绕组典型地嵌入在环氧树脂中。与铁芯电机不同，无铁电机避免了主要部件与次要部件之间存在可能导致电机不必要齿槽效应的任何吸引力，提高电机以相对较高和较低速度行进的能力，并具有出色的定位精度。

如上所述，在一些实施例中，用于平面内运动的电机可以堆叠在彼此的顶部上。本领域已知的一种类型的直线电机(其可以用于两个堆叠的托架中的一个)使用“U形通道”磁体。但是，由于这些类型的电机的重量，可能不希望堆叠它们。在一些实施例中，一个或多个X-Y工作台采用直线轴电机，所述直线轴电机包括：多个磁体，其布置在圆柱形轴中，以及施力器，所述施力器包括沿轴长度的一部分包围所述轴圆周的电磁体线圈。换句话说，包含堆叠的“盘形”磁体的轴穿过位于电机的施力器内的电磁体线圈(即，移动部件)。通常，磁体的定向在相邻磁体之间交替，使得磁体的磁极为例如：N-S；S-N；N-S；等。

这种布置可以导致由电机线圈使用的整个磁场。附加地，当与具有类似性能的U形通道装置相比时，这些“圆柱形通道”(或“管状”)装置可以具有显著较低的质量，并且还可以表现出较低的热积累，这是特别需要的。适用于一些应用的此类电机的示例可以从例如日本脉冲美国公司(Nippon Pulse America，Inc.)购买。

在替代的一组实施例中，基体部分包括基本圆形的支撑轨道，所述支撑轨道定义垂直于第三轴的平面，其中，第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱连接到多个径向可移动致动器，控制立柱与相应的径向可移动致动器之间的每个连接由相应的张紧构件提供，其中，径向可移动致动器布置成围绕圆形支撑轨道的圆周移动。

当模拟汽车快速驶入急转弯时，可能需要更大的偏航旋转来提示转弯的感觉，而不是需要提示驶出转弯的感觉。这对于本领域已知的传统运动平台本身可能是有问题的，因为运动平台典型地需要返回中心(即，其默认或零位置，对应于零偏航旋转)，以实现其他偏航运动(例如，对于轨道上的下一个转弯)。将运动平台返回中心可能为乘员提示错误的感觉。按照惯例，在偏航受限的平台中，运动算法必须缩放偏航提示或对平台应用“冲刷”(连续返回中心)。这是不希望的，因为人类前庭对这些提示非常敏感。

根据这些实施例的具有圆形支撑轨道的运动平台的配置有利地提供了无限偏航(即，平面内旋转)，并且特别是围绕可变旋转中心的无限偏航。具有可变旋转中心的无限偏航在车辆模拟器中是非常理想的，因为它可以以1:1的比例匹配真实车辆的偏航和滑移变化，这对于向乘员前庭提示转向过度和转向不足的感觉至关重要。

因此，由这些实施例提供的圆形基体部分不需要返回到中心，因为可以进行其他偏航运动，而与运动平台先前保持的角度无关。

至少在一些实施例中，径向可移动致动器可以各自包括相应的径向直线电机，所述径向直线电机布置成围绕基本圆形的支撑轨道移动所述径向可移动致动器。

虽然径向可移动致动器可以全部围绕基本圆形的支撑轨道上的单个轨道移动，但设想了支撑轨道包括多个轨道的实施例，其中，多个径向可移动致动器可以在不同轨道上移动。例如，连接到一个控制立柱的径向可移动致动器可以在第一轨道上移动，而连接到另一个控制立柱的致动器可以在第二轨道上移动。每个致动器可以有一个轨道，连接到特定控制立柱的每组致动器可以有一个轨道，或者其一些组合。

根据这些实施例，连接到径向可移动致动器的控制立柱在平面内自由移动(但不能如上文所述的移出平面)。至少在一些实施例中，控制立柱可以支撑在空气底座上或低摩擦轴承上的平板上方。将意识到，如本文使用的术语“低摩擦”被理解为意味着：与控制立柱在没有轴承的情况下在平板上移动相比，控制立柱与平板之间的摩擦力减小。

在一些布置中，基体部分包括每个控制立柱的两个径向可移动致动器。在一组这样的实施例中，基体部分布置成使得：

第一控制立柱连接到第一径向可移动致动器和第二径向可移动致动器；

第二控制立柱连接到第三径向可移动致动器和第四径向可移动致动器；并且

第三控制立柱连接到第五径向可移动致动器和第六径向可移动致动器。

在一组这样的实施例中，基体部分布置成使得：

第一径向可移动致动器与第二径向可移动致动器径向相邻；

第三径向可移动致动器与第四径向可移动致动器径向相邻；并且

第五径向可移动致动器与第六径向可移动致动器径向相邻。

在至少一些这样的实施例中，张紧构件各自包括活塞，其中，径向可移动致动器中的每一个包括活塞驱动器，所述活塞驱动器布置成改变活塞的有效长度。活塞驱动器可以延伸或缩回活塞，以分别加长或缩短活塞的有效长度。因此，根据这些实施例，每个控制立柱提供两个活塞，可以提供致动器和活塞的“剪刀式”移动，从而产生控制立柱的平面内移动。

虽然每个控制立柱两个径向可移动致动器足以允许如上所述的控制立柱的平面内移动，但在替代的一组实施例中，基体部分包括每个控制立柱三个径向可移动致动器。因此，在存在三个控制立柱的情况下，可以存在九个径向可移动致动器。因此，在一组这样的实施例中，基体部分还布置成使得：

第一控制立柱连接到第七径向可移动致动器；

第二控制立柱连接到第八径向可移动致动器；并且

第三控制立柱连接到第九径向可移动致动器。

每个控制立柱提供至少三个径向可移动致动器，可以允许使用电缆作为张紧构件，并且因此，在至少一些这样的实施例中，张紧构件各自包括电缆，其中，径向可移动致动器中的每一个包括布置成改变电缆的有效长度的电缆电机。电缆电机可以“缠绕”电缆，以缩短有效长度和/或允许电缆松开或解开。

在可能重叠的一组实施例中，基体部分布置成使得：

第七径向可移动致动器与第三径向可移动致动器和第六径向可移动致动器径向相邻；

第八径向可移动致动器与第二径向可移动致动器和第五径向可移动致动器径向相邻；并且

第九径向可移动致动器与第一径向可移动致动器和第四径向可移动致动器径向相邻。

在至少一些这样的实施例中，连接到每个控制立柱的每个径向可移动致动器之间的角度基本上等于120度。因此，根据这些实施例，第一径向可移动致动器、第二径向可移动致动器和第七径向可移动致动器中的每一个；第三径向可移动致动器、第四径向可移动致动器和第八径向可移动致动器中的每一个；以及第五径向可移动致动器、第六径向可移动致动器和第九径向可移动致动器中的每一个，都以大约120度的角度分开，使得每组中的致动器间隔相等。但是，将意识到，可以根据需要调整这些角度，例如，以使得张紧构件不干扰其他控制立柱。

无论所使用的基体部分的类型如何，控制立柱和引导部分的物理布局可以根据设计要求而变化。但是，在一些实施例中，引导部分布置成使得：

第一引导部分位于乘员承载部分的中央前部分处；

第二引导部分位于乘员承载部分的左后部分处；并且

第三引导部分位于乘员承载部分的右后部分处。换句话说，在这样的实施例中，可以安装运动平台，使得一个控制立柱连接到乘员承载器的前部(即，乘员承载器的“鼻部”下方)，并且另两个控制立柱连接到乘员承载器的后部(即，乘员承载器的“尾部”下方，每侧一个)。将意识到，还设想了其他布局，例如，在前部处有两个控制立柱，并且在后部处有一个控制立柱。

在“第一”引导部分在前部处而“第二”引导部分和“第三”引导部分在后部处的布置中，根据应用的要求，第一引导部分可以更靠近或远离第二引导部分和第三引导部分。通过将前部(即，第一)引导部分远离后部(即，第二和第三)引导部分移动，节距减小，但重心降低，这对于某些模拟应用可能更优选，例如，用于赛车运动的模拟应用。使前引导部分进一步向前还可以增加用于安装汽车控制台和座椅的可用空间量。将前引导部分进一步向前移动还可以增加乘员前庭周围的偏航包络，例如大约60度。

虽然本发明的运动平台要求存在三个控制立柱，但在一些实施例中，基体部分可以包括一个或多个其他控制立柱，每个控制立柱基本沿第三轴延伸，所述其他控制立柱中的每一个能够在由第一轴和第二轴定义的平面内直线移动，其中，其他控制立柱被机械约束，使得它们仅在所述平面内移动。例如，可以提供第四控制立柱，使得乘员承载部分在四个位置处安装到基体部分。在这样的实施例中，控制立柱可以各自位于乘员承载部分的不同角处，例如在左前、右前、左后和右后处，或者可以位于沿纵荡和横荡方向的极端位置处，使得控制立柱位于前部、后部、左中和右中处。其他控制立柱的提供导致过度约束系统，如果基体部分必须支撑相对较高的质量，这可能特别有利。

在一些实施例中，引导部分各自包括导轨，其中，导轨定义了轨道，相应的耦合构件的运动沿所述轨道被约束。

虽然引导部分可以是完全刚性的构造(例如，如上文所述的导轨，其中耦合构件沿导轨滑动)，但在一些实施例中，一个或多个引导部分包括弹性构件。例如，弹性构件可以包括诸如机械弹簧的弹簧。但是，在至少一些实施例中，弹性构件包括气体支柱。在优选的一组实施例中，所有引导部分包括相应的气体支柱。

本领域技术人员将意识到，气体支柱使用包含在由滑动杆密封的封闭气缸内的压缩气体，以气动方式存储势能并抵抗施加在杆的方向上的任何外力。在一些这样的实施例中，气体支柱包括杆端和气缸端，其中，耦合构件将控制立柱连接到相应的气体支柱的杆端。平台的气体支柱(或等效的不同类型的弹性构件，视情况)阻尼运动在运动平台离开中心位置时有助于运动平台支撑乘员承载部分的质量。

将意识到，由于第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分各自相对于由第一轴和第二轴定义的平面成角度，当在侧视图中观察时，引导部分是“倾斜的”，即，处于倾斜/下降状态。实际角度可以根据设计参数变化，例如，以增加或减少垂荡、俯仰或滚动的权限。

但是，在一些实施例中，至少一个引导部分与由第一轴和第二轴定义的平面之间的角度在10度与70度之间，优选地在20度与60度之间，更优选地在25度与55度之间。在一组实施例中，至少一个引导部分与由第一轴和第二轴定义的平面之间的角度为大约26.5度。引导部分与第一轴和第二轴的平面之间的26.5度的角可以为致动器提供2:1的比例。在可能重叠的一组实施例中，至少一个引导部分与由第一轴和第二轴定义的平面之间的角度为大约45度。45度的角度有利地减小每个致动器提升乘员承载部分(即，平面外)所需的平面内力。在至少一些实施例中，第一引导部分与由第一轴和第二轴定义的平面之间的角度为大约26.5度，并且第二引导部分和第三引导部分中的每一个与由第一轴和第二轴定义的平面之间的角度为大约45度。

将意识到，由于第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分相对于彼此成角度，使得每个引导部分与其他引导部分不平行，因此在平面图中，引导部分是“倾斜的”，即，它们彼此会聚/发散。如上所述，实际角度可以根据设计参数而变化。

但是，在一些实施例中，第一引导部分、第二引导部分和第三引导部分之间的角度在70度与150度之间，优选地在80度与140度之间，更优选地在90度与135度之间。在一组实施例中，第一引导部分与第二引导部分和第三引导部分中的每一个之间的角度为大约135度。在可能重叠的一组实施例中，第二引导部分与第三引导部分之间的角度为大约90度。

在一些实施例中，第二引导部分与第三引导部分之间的角度为大约100度。与90度的角度相比，这两个引导部分之间的角度为100度的布置可以在纵荡轴上表现出增加的刚度。这个增加的角度可以增加平台的尺寸，这可能有利于安装特定底盘或座椅。

本领域技术人员将意识到，本领域中存在：许多已知的枢转连接类型，其用于提供控制立柱与引导部分之间的枢转连接。但是，在一些实施例中，一个或多个耦合构件包括球形球接头。在一些其他实施例中，一个或多个耦合构件包括万向节或通用连接器。

在特定一组实施例中，其中，一个或多个耦合构件包括万向节，该万向节可以由钢构成，优选地由高强度钢构成。在一些实施例中，万向节可以布置成与相应的引导部分成大约90度角。换句话说，万向节基本上垂直于引导部分，例如，垂直于气体支柱。使万向节处于这个角度有利地增加了刚度，并有助于确保在俯仰和/或滚动条件下不达到万向节锁定。

乘员承载部分可以包括座椅、转向柱和踏板。将意识到，在实践中，可以存在更多或更少的组件，并且乘员承载部分的布局可以根据应用(例如，如果将其用作飞行模拟器而不是汽车模拟器)变化。

乘员承载部分内的组件可以安装在框架内。例如，乘员承载部分可以具有管状框架结构。但是，在一些实施例中，乘员承载部分具有单体结构。单体构造可以有利地提供刚性但重量轻的结构。与“一级方程式^TM”赛车的构造技术类似，可以视情况而定使用底盘。这个单体结构可以包括复合材料。

如上所述，乘员承载部分的运动可以通过使用X-Y工作台或“无限偏航”圆形支撑环实现。但是，这两种方式可以组合在一起，使得X-Y工作台安装在“无限偏航”环上。因此，在一些实施例中，基体部分包括：

主台，所述主台包括X-Y工作台部分，其中，X-Y工作台部分布置成提供第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱沿相应的第一方向和相应的第二方向的独立平面内移动，所述第一方向和所述第二方向定义垂直于第三轴的平面；以及

副台，所述副台包括基本圆形的支撑轨道，所述支撑轨道定义垂直于第三轴的平面；

其中，X-Y工作台部分经由径向可移动轴承构件安装到支撑轨道，所述径向可移动轴承构件布置成围绕圆形支撑轨道的圆周移动；

其中，副台还包括径向电机，所述径向电机布置成驱动主台相对于副台的旋转运动。

因此，这种布置可以提供X-Y工作台和无限偏航环二者的优点。具体地，X-Y工作台提供“主台”，所述主台用于提示纵荡、横荡和垂荡方向(即，分别沿x轴、y轴和z轴)的运动，以及滚动、俯仰和偏航方向(即，分别围绕x轴、y轴和z轴)的旋转运动。无限偏航环(即，圆形支承轨道和径向可移动轴承构件)提供“副台”，所述副台克服了运动平台在主台上偏航“耗尽”的任何潜在问题。虽然包括二者可能增加运动平台的总体尺寸和质量，但增加主(X-Y工作台)台上可用的偏航也非常有利于以高加速度提示1:1偏航。主台具有这样高的可用的偏航率和低的偏航惯性意味着可以在运动平台上复制快速加速度。

偏航工作台与主台互补，以确保偏航行程保持高度动态和无限制。只要偏航工作台可以在主台达到其旋转极限所需的时间内加速到最大速度，当这些级安装在彼此的顶部上时，性能就不会降低。

如上所述，主台(即，X-Y工作台)可以围绕轴承构件上的圆形支承轨道的圆周旋转。这些轴承构件(或“轴承座”)可以直接连接到X-Y工作台部分，但是在一些实施例中，运动平台还包括定位在轴承构件与X-Y工作台部分之间的底座，使得X-Y工作台部分安装在底座上或包括底座，并且底座安装在轴承构件上。替代地，底座可以形成X-Y工作台部分的整体部件。

在一些实施例中，副台可以包括多个同心的基本圆形支撑轨道，每个支撑轨道共面，并定义垂直于第三轴的相应平面。在X-Y工作台设置有径向可移动轴承构件(即，轴承座)的情况下，所述轴承构件如上文所述围绕圆形支撑轨道的圆周移动，这些轴承构件可以围绕同心圆形支撑轨道中的一个移动，其他轴承构件仅提供支撑，但是在一些实施例中，径向可移动轴承构件可以围绕多于一个的同心圆形支撑轨道移动，并且可能围绕所有同心圆形支撑轨道移动。在特定一组实施例中，偏航工作台可以包括三个同心支撑轨道。但是，具有不同数量轨道的布置可以适用于特定应用(视情况而定)。

通常，径向电机将布置成使得其施力器(即，移动的部件)连接到X-Y工作台，或在提供一个底座的实施例中连接到中间底座。径向电机的固定磁体通常相对于偏航工作台固定，例如，这些磁体可以固定到偏航工作台的基体。虽然本领域本身存在已知的许多径向电机，但在一些实施例中，径向电机可以包括径向直线电机。

将意识到，本文上述关于X-Y工作台和圆形支承轨道布置的可选特征也适用于组合使用这两种布置的一组实施例(视情况而定)。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的某些实施例，其中：

图1是根据本发明实施例的运动平台的等距图；

图2是图1的运动平台的乘员承载部分的等距图；

图3是平面图示意图，其示出了图1的运动平台的中心位置；

图4a至图4f是平面图示意图，其示出了由图1的运动平台提供的六个自由度；

图5是根据本发明实施例的采用气体支柱的引导部分的等距图；

图6是根据本发明实施例的X-Y工作台基体部分上的运动平台的平面图；

图7是图6的X-Y工作台基体部分的截面的等距图；

图8是图6的X-Y工作台基体部分的等距图；

图9是根据本发明实施例的无限偏航基体部分上的运动平台的平面图；

图10是图9的无限偏航基体部分的等距图；

图11是根据本发明实施例的另一个无限偏航基体部分上的运动平台的平面图；

图12是图11的无限偏航基体部分的等距图；

图13是根据本发明另一个实施例的运动平台的等距图；

图14是图13的运动平台的平面图；

图15是示出整体底盘的图13的运动平台的另一个等距图；

图16是采用万向节的引导部分的等距图；

图17是堆叠的X-Y工作台基体部分的等距图；

图18是根据本发明实施例的具有偏航工作台级的运动平台的等距图；

图19A和图19B是图18的运动平台的其他等距图；以及

图20是用于图18的运动平台中的偏航工作台的平面图。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的运动平台2的等距图。运动平台2包括乘员承载部分4和基体部分6。在图1所示的示例中，基体部分6包括X-Y工作台，但是可以使用圆形的“无限偏航”基体来替代，如以下参考图9和图10所述。

运动平台2的六个自由度对应于纵荡、横荡和垂荡方向上的直线移动(即，分别沿x轴、y轴和z轴)以及滚动、俯仰和偏航方向的旋转运动(即，分别围绕x轴、y轴和z轴)。

乘员承载部分4包括安装在框架14内的座椅8、转向柱10和踏板12。将意识到，在实践中，可以存在更多或更少的组件，并且乘员承载部分4的布局可以根据应用(例如，如果将其用作飞行模拟器而不是汽车模拟器)而变化。在图2中可以更详细地看到运动平台2的乘员承载部分4，图2提供了乘员承载部分4的等距图。

基体部分6包括三个控制立柱16、18、20，其中这些控制立柱中的两个16、18–前控制立柱16和左后控制立柱18–在图1中示出，而右后控制立柱20被乘员承载部分4从视野中挡住。从图3、图4a至图4f和图8可以容易地理解所有三个控制立柱16、18、20的布局。

在这个示例中，每个控制立柱16、18、20被构造为圆柱形“柱”。重要的是，每个立柱16、18、20具有固定高度，使得从立柱16、18、20的顶部到底部的距离(即，在z方向上)不改变。球形球接头22、24、26设置在每个控制立柱16、18、20的顶部处。

在这个特定示例中，球形球接头22、24、26连接到相应的螺纹螺栓23、25、27(即，螺纹构件)，所述螺纹螺栓可以被松开或拧紧，以改变对应的控制立柱16、18、20的预定高度。当运动平台2不操作时，进行控制立柱16、18、20的预定高度的任何调整，因为在运动平台2使用时，控制立柱16、18、20的相应高度保持不变。

乘员承载部分4包括三个导轨28、30、32，其中这些导轨28、30中的两个–前导轨28和左后导轨30–在图1和图2中示出，而右后导轨32被乘员承载部分4的其余部分从视野中挡住。从图6可以容易地理解所有三个导轨28、30、32的布局。

前导轨28与由x轴和y轴定义的x-y平面之间的角度θ是大约26.5度。后导轨30、32与x-y平面之间的角度是大约45度。45度的角度/>有利地减小每个致动器提升乘员承载部分4(即，在z轴方向上的平面外垂荡运动)所需的平面内力。

如参考图6所示的运动平台2的平面图可以更容易地看到，导轨28、30、32也相对于彼此成角度。前导轨28与每个后导轨30、32之间的角度α是大约135度，而后导轨30、32之间的角度β是大约90度。

作为非限制性示例，通过使后导轨(在平面图中)彼此成90度角，使得当平台处于中心(即，零)位置时，与x轴和y轴二者的角度为45度，移动左后角或右后角所需的力由x致动器和y致动器平均分担。但是，当在中心位置时，导轨平行于y轴，这意味着上下提升乘员承载部分的前部可能需要y致动器提供所有所需的力。根据设计，如果重心位于后立柱上方，则提升前部所需的力显著小于后部所需的力，因此这通常不是问题。因此，x轴上的致动器不必提供任何力来上下移动乘员承载器的前部，这意味着可能存在可用于偏航移动的最大力，这在一些应用中是非常理想的。

设置在每个控制立柱16、18、20的顶部处的球形球接头22、24、26枢转地连接到导轨28、30、32。具体地，前控制立柱16的顶部处的球接头22连接到前导轨28；左后控制立柱18的顶部处的球接头24连接到左后导轨30；并且右后控制立柱20的顶部处的球接头26连接到右后导轨32。因此，这些球形球接头22、24、26是耦合构件，所述耦合构件可以沿相应的导轨28、30、32滑动，并允许乘员承载部分4倾斜。

由于控制立柱16、18、20各自具有固定高度，因此乘员承载部分4在不移动控制立柱16、18、20的情况下不能沿任何轴移动，并且被控制立柱16、18、20机械约束。这个运动平台2还可以使用圆形“无限偏航”平台，如下面参考图11和图12所述(或其他合适的布置)，但在任何此类布置中，基本设计原则是，通过将控制立柱16、18、20定位在已知位置，以迫使平台2移动到所需的姿态，可以将控制立柱16、18、20在x方向和y方向(即在x-y平面)上的移动转换为在z方向上的平面外运动。参考图3和图4a至图4f进一步详细地概述这种移动。

图3是平面图示意图，其示出了图1的运动平台2的中心位置。控制立柱16、18、20可以各自在x方向和y方向上独立地移动，即，它们可以在x-y平面内移动。为便于理解，仅出于说明目的，图3和图4a至图4f的示意图简化了运动平台2的构造。

在这个中心或“零”位置，运动平台6未经历任何纵荡、横荡、垂荡、滚动、俯仰或偏航运动，即，它是运动平台2的“默认”位置。

图4a至图4f是平面图示意图，其示出了由图1的运动平台2提供的六个自由度。具体地，这些示意图图示了控制立柱16、18、20的移动，进行这些移动以实现纵荡、横荡、垂荡、俯仰、滚动和偏航运动。当然，将意识到，所示的特定一组运动是为了说明目的而示出的有限组，以便描绘控制立柱16、18、20对于在一个方向上的每个运动的最大值的相应位置。实际上，用于移动乘员承载部分4的控制立柱16、18、20将根据需要的提示在这些位置之间转换。

图4a示出了控制立柱16、18、20实现最大正纵荡移动(即，在X轴上)的位置。为了实现这一点，所有三个控制立柱16、18、20在正x轴方向上移动，而控制立柱16、18、20的y轴位置不改变。在负x轴方向上移动所有三个控制立柱16、18、20将导致负纵荡移动。

图4b示出了控制立柱16、18、20实现最大正横荡移动(即，在y轴上)的位置。为了实现这一点，所有三个控制立柱16、18、20在正y轴方向上移动，而控制立柱16、18、20的x轴位置不改变。在负y轴方向上移动所有三个控制立柱16、18、20将导致负横荡移动。

图4c示出了控制立柱16、18、20实现最大正垂荡移动(即，在z轴上)的位置。

为了实现这一点，所有三个控制立柱16、18、20通过适当地在x轴方向和y轴方向上移动而朝向基体部分4的中心移动。在这个示例中，导轨28、30、32均呈“向上”角度，使得朝向中心移动三个控制立柱16、18，20意味着乘员承载部分4的质量被向上推(即，当控制立柱16、18、20的枢转连接在z轴方向上朝向导轨的最低点转换时)。

远离基体部分4的中心移动所有三个控制立柱16、18、20将导致负垂荡运动，即，在z轴上的相反方向。

如果导轨28、30、32全部呈“向下”角度，则以这种方式移动控制立柱16、18、20将导致负垂荡运动。导轨28、30、32的角度也可以是“不匹配”的，使得一些导轨28、30、32呈向上的角度而一些导轨呈向下的角度，控制立柱16、18、20向内或向外移动使其适当地改变。

图4d示出了控制立柱16、18、20实现最大正俯仰移动(即，围绕y轴)的位置。为了实现这一点，朝向基体部分6的中心移动前控制立柱16，而远离基体部分6的中心移动后控制立柱18、20。由于导轨28、30、32的角度，这导致乘员承载部分4围绕y轴旋转，使得乘员承载部分4的“鼻部”向上倾斜。

远离基体部分6的中心移动前控制立柱16而朝向基体部分6的中心移动后控制立柱18、20将导致负俯仰移动。

图4e示出了控制立柱16、18、20实现最大正滚动移动(即，围绕x轴)的位置。

为了实现这一点，前控制立柱16留在零位，而左后控制立柱18远离基体部分6的中心移动，并且右后控制立柱20朝向基体部分6的中心移动。这导致乘员承载部分4围绕x轴旋转，使得乘员承载部分4“倾斜”到一侧。如果后控制立柱18、20的移动方向相反(即，左后控制立柱18朝向中心，并且右后控制立柱20远离中心)，则乘员承载部分4将围绕x轴在另一个方向上旋转，使得乘员承载部分4将倾斜到另一侧。

图4f示出了控制立柱16、18、20实现最大正偏航移动(即，围绕z轴)的位置。为了实现这一点，所有三个控制立柱16、18、20朝向下一个控制立柱16、18、20的位置顺时针移动。这导致乘员承载部分4围绕z轴旋转，使得乘员承载部分4“枢转”到位。相反，逆时针移动三个控制立柱16、18、20将导致负偏航移动，即，围绕z轴在另一个方向上移动。

图5是根据本发明实施例的采用气体支柱的引导部分的等距图。如在图5中可见，上述导轨28、30、32可以设置有气体支柱(即，气体弹簧)34。气体支柱34由气缸端36和杆端38构成，其中气缸端36充满由杆端38密封的气体介质。这个气体介质逐渐被压缩，并且杆端38移动到气缸端36中。

合适的控制立柱16、18、20的顶部处的球形球接头22、24、26可以连接到气体支柱34的一端，例如杆端38。气体支柱34提供阻尼并帮助支撑乘员承载部分4的质量。但是，使用气体支柱不是必要的，球形球接头22、24、26可以被连接，以便沿导轨28、30、32滑动。

图6是根据本发明实施例的X-Y工作台基体部分6上的运动平台的平面图。在图7中可以更近地看到X-Y工作台基体部分6，图7是图6的X-Y工作台基体部分的截面的等距图，具体地，三个X-Y工作台7a-c中的一个。图8提供了图6的整个X-Y工作台基体部分6的等距图。

X-Y工作台基体部分6由三个X-Y工作台7a-c构成，每个控制立柱16、18、20各一个X-Y工作台。

所述X-Y工作台7a-c中的每一个包括第一滑轨38a-c和第二滑轨40a-c，它们能够相对于彼此以可滑动的方式移动，即，它们可以在例如直线电机的控制下彼此相邻滑动。本领域中存在许多已知的X-Y工作台布置，但是在这个示例中，X-Y工作台基体部分6使用六个滚珠丝杠致动器，即，每个X-Y工作台7a-c使用两个。

每个滑轨38a-c、40a-c提供沿两个正交方向中的一个方向的移动，即，x轴方向或y轴方向(每个方向一个滑轨38a-c、40a-c)。在这个示例中，第一滑轨38a-c提供在x轴方向上的运动，并且第二滑轨40a-c提供在y轴方向上的运动。因此，第一滑轨38a-c的滑动移动使对应的控制立柱16、18、20沿x轴(即，纵荡)方向移动，并且第二滑轨40a-c使对应的控制立柱16、18、20沿y轴(即，横荡)方向移动。因此，每个X-Y工作台7a-c使控制立柱16、18、20在X-Y平面上移动。

图9是根据本发明实施例的无限偏航基体部分106上的运动平台102的平面图。图10是图9的运动平台102的等距图。运动平台102包括乘员承载部分104和基体部分106，其中乘员承载部分设置有至少三个导轨(图9和图10中未示出)，如前面关于图1的运动平台2描述的，所述导轨都相对于x-y平面以及彼此成角度。

基体部分106包括第一控制立柱110、第二控制立柱112和第三控制立柱114，所述控制立柱连接到多个径向可移动致动器116a-f。如前所述，控制立柱110、112、114与乘员承载部分104上的倾斜导轨之间的连接由枢转连接提供。图9和图10所示的基体部分106的控制立柱110、112、114是圆锥形的，而不是圆柱形的，但仍然具有固定的高度。将意识到，这些控制立柱110、112、114可以是圆柱形的(并且类似地，上面描述的控制立柱16、18、20可以是圆锥形的；并且本文描述的控制立柱16、18、20、110、112、114中的任何一个可以采用任何合适的形状)。

每个控制立柱110、112、114连接到致动器116a-f中的两个，使得第一(即，前)控制立柱110连接到第一径向可移动致动器116a和第二径向可移动致动器116b；第二(即，左后)控制立柱112连接到第三径向可移动致动器116c和第四径向可移动致动器116d；并且第三(即，右后)控制立柱114连接到第五径向可移动致动器116e和第六径向可移动致动器116f。

控制立柱110、112、114与相应的径向可移动致动器116a-f之间的每个连接由相应的活塞118a-f(即，张紧构件)提供。径向可移动致动器116a-f布置成围绕圆形支撑轨道108的圆周移动，所述圆形支撑轨道为致动器116a-f的移动提供轨道。

径向可移动致动器116a-f各自包括活塞驱动器120a-f，所述活塞驱动器布置成改变对应的活塞118a-f的有效长度。活塞驱动器120a-f可以延伸或缩回活塞118a-f，以使活塞118a-f加长或缩短。致动器116a-f还各自包括相应的径向直线电机122a-f，所述电机提供径向可移动致动器116a-f围绕圆形支撑轨道108的移动，其中控制立柱110、112、114的运动仅受到平面内移动的机械约束(即，在x-y平面内)。

具有圆形支撑轨道108的运动平台102的配置有利地提供了无限偏航(即，x-y平面内的平面内旋转)，其中旋转的中心可以根据需要而改变。具有变量的无限偏航在车辆模拟器中非常理想，因为这样可以以1:1的比例匹配真实车辆的偏航和滑移变化，这对于向乘员前庭提示转向过度和转向不足的感觉至关重要。

通过围绕圆形支撑轨道108的圆周移动径向可移动致动器116a-f，并且通过适当地加长和缩短活塞118a-f，运动平台102通过使用致动器116a-f的“剪刀式”移动仅在x-y平面内移动控制立柱110、112、114来提供纵荡、横荡、垂荡、俯仰、滚动和偏航移动。提供这些运动中的每一个的控制立柱110、112、114的配置基本上与图4a至图4f中描述的配置相同(假设运动平台102中的乘员承载部分104的导轨与图1的运动平台2中的乘员承载部分4的导轨匹配)，但是，不再存在相对于乘员承载部分104的平面内(即，在x-y平面内)旋转的“中心”位置。

图11是根据本发明另一个实施例的无限偏航基体部分206上的运动平台202的平面图。图12是图11的运动平台202的等距图。运动平台202包括乘员承载部分204和基体部分206，其中乘员承载部分设置有至少三个导轨(图11和图12中未示出)，如前面关于图1的运动平台2描述的，所述导轨都相对于x-y平面以及彼此成角度。

在图11的运动平台202中，基体部分206包括基本上圆形的支撑轨道208。这个圆形支撑轨道208提供了轨道，许多个径向可移动致动器可以围绕所述轨道在x-y平面内移动，即，支撑轨道208的平面垂直于z轴。

基体部分206包括第一控制立柱210、第二控制立柱212和第三控制立柱214，所述控制立柱连接到多个径向可移动致动器216a-i。如前所述，控制立柱210、212、214与乘员承载部分204上的倾斜导轨之间的连接由枢转连接提供。图11和图12所示的基体部分206的控制立柱210、212、214是圆锥形的，而不是圆柱形的，但仍然具有固定的高度。将意识到，这些控制立柱210、212、214可以是圆柱形的(并且如上所述，所描述的控制立柱210、212、214可以采用任何合适的形状)。

每个控制立柱210、212、214连接到致动器216a-i中的三个，使得第一(即，前)控制立柱210连接到第一径向可移动致动器216a、第二径向可移动致动器216b和第七径向可移动致动器216g；第二(即，左后)控制立柱212连接到第三径向可移动致动器216c、第四径向可移动致动器216f和第八径向可移动致动器216h；并且第三(即，右后)控制立柱214连接到第五径向可移动致动器216e、第六径向可移动致动器216f和第九径向可移动致动器216i。

控制立柱210、212、214与相应的径向可移动致动器216a-i之间的每个连接由相应的电缆218a-i(即，张紧构件)提供。径向可移动致动器216a-i布置成围绕圆形支撑轨道208的圆周移动，所述圆形支撑轨道为致动器216a-i的移动提供轨道。

径向可移动致动器216a-i各自包括电缆电机120a-i，所述电缆电机布置成改变对应的电缆218a-i的有效长度。电缆电机120a-i可以“缠绕”电缆218a-i，以缩短有效长度和/或允许电缆218a-i松开或解开。致动器216a-i还各自包括相应的径向直线电机122a-i，所述电机提供径向可移动致动器216a-i围绕圆形支撑轨道208的移动，其中控制立柱210、212、214的运动仅受到平面内移动的机械约束(即，在x-y平面内)。

具有圆形支撑轨道208的运动平台202的配置有利地提供了无限偏航(即，x-y平面内的平面内旋转)，其中旋转的中心可以根据需要改变。具有变量的无限偏航在车辆模拟器中非常理想，因为这样可以以1:1的比例匹配真实车辆的偏航和滑移变化，这对于向乘员前庭提示转向过度和转向不足的感觉至关重要。

通过围绕圆形支撑轨道208的圆周移动径向可移动致动器216a-i，并通过适当地加长和缩短电缆218a-i，运动平台202通过仅在x-y平面内移动控制立柱210、212、214，提供纵荡、横荡、垂荡、俯仰、滚动和偏航移动。提供这些运动中的每一个的控制立柱210、212、214的配置基本上与图4a至图4f中描述的配置相同(假设运动平台202中的乘员承载部分204的导轨与图1的运动平台2中的乘员承载部分4的导轨匹配)，但是，不再存在相对于乘员承载部分204的平面内(即，在x-y平面内)旋转的“中心”位置。

图13是根据本发明另一个实施例的运动平台302的等距图。运动平台302的其他视图可以在图14和图15中可见。具体地，图14是运动平台302的平面图，并且图15提供了运动平台302的另一个等距图，其示出了乘员承载部分304中使用的整体底盘(为了便于说明，在图13和图14中对其进行了简化)。

在这个实施例中，乘员承载部分304经由相应的立柱316、318、320安装到三个X-Y工作台306a-c。但是，在这个实施例中，立柱316、318、320具有金字塔形构造。

立柱316、318、320中的每一个经由万向节334连接到乘员承载部分304下侧上的相应引导部分328、330、332，如在图16的特写图中更清楚地可见的。万向节334经由定位在万向节334上的轴承338连接到引导部分328、330、332上的一对轴承轨道336。这允许万向节334沿轴承轨道336滑动。

与前面描述的实施例的进一步区别在于，在图13的运动平台302中，X-Y工作台306a-c各自由堆叠的托架构成，其中，用于y方向上运动的托架308a-c定位在底部处，并且用于x方向上运动的托架310a-c安装在y托架308a-c的顶部上。托架308a-c、310a-c由复合材料构成。当然，也可以使用其他布置，其中x托架位于底部处，y托架在顶部上。

图17提供了X-Y工作台的一部分的特写图，其中可以看到x托架310a-c和y托架308a-c的构造的近景。

y托架308a-c各自包括相应的直线电机312。y托架308a-c的这些“U形通道”直线电机312沿相应的磁路313运行。每个y托架308a-c在其下侧上具有许多个轴承350，其允许y托架308a-c沿相应的y形托架308a-c下方的基体315上的轴承轨道352滑动。

x托架310a-c包括相应的立柱316、318、320。由于x-托架310a-c安装在对应的y托架308a-c的顶部上，任何给定的y-托架308a-c沿y轴的运动也导致相应的x托架310a-c以及其控制立柱316、318、320沿y轴移动。

x托架310a-c还包括许多个轴承344，这些轴承沿下方y托架308a-c上的轴承轨道346滑动。这允许x-托架310a-c–以及因此立柱316、318、320–在对应的y-托架308a-c的顶部上沿x轴移动。x托架310a-c还包括：相应的直线电机314，其沿x轴提供这个运动。

下文详细讨论了x托架310a-c中使用的直线电机314的特定构造，但是将意识到，类似的操作原理适用于y托架308a-c的U形通道直线电机。

x托架310a-c中的每个直线电机314利用由电磁线圈包围的圆盘形磁体的圆柱形堆叠。这些磁体形成轴340，所述轴包含以上提及的圆盘形磁体。通常，圆盘形磁体布置成使得相似的磁极彼此相邻，即，圆盘形磁体的定向沿堆栈交替：N-S；S-N；N-S；等。这个轴340布置成通过施力器342移动。

因此，施力器342包括电磁线圈，其中通过线圈的电流感应磁场，该磁场导致施力器342沿轴340在所需方向上被推动。

控制通过线圈的电流，以引起来自线圈的变化磁场，所述磁场由于来自圆盘形磁体堆栈的永久磁场而引起施力器342的致动。

施力器342连接到相应立柱316、318、320的下侧。立柱316、318、320具有许多个轴承344，所述轴承与在x方向上沿x托架310a-c运行的轴承轨道346接合。这允许立柱316、318、320在施力器342沿轴340移动时沿x方向前后移动。

由于施力器342与周围的x托架310a-c(特别是立柱316、318、320)之间的固定连接，施力器342的运动导致x托架310a-c(以及因此对应的立柱316、318、320)沿x方向(视情况而定)的运动。此外，当立柱316、318、320(经由相应的引导部分)连接到乘员承载部分304的下侧时，施力器342的移动导致乘员承载部分304沿x轴的移动。

x托架310a-c在y托架308a-c内的行程的每一端都有：弹性缓冲器348(在这种情况下为螺旋弹簧)，其在x托架310a-c的行程的端部处“缓冲”运动。

在y托架308a-c的下侧上还有几个另外的轴承350，所述轴承与相应基体315上的轴承轨道352接合，所述轴承轨道沿y托架308a-c可以行进(即，在y方向上)的长度运行。y托架308a-c的直线电机312使用包含沿磁路313运行的电磁线圈的施力器提供运动，其方式与本领域已知的U形通道直线电机相同。y托架308a-c的直线电机312导致y托架310a-c以及因此安装在其上的x托架310a-c沿y轴移动。由于立柱316、318、320与乘员承载部分304之间的连接，这也导致乘员承载部分304沿y轴移动。

类似于上面讨论的缓冲器348，在y托架308a-c沿基体315的行程的每一端处都有：弹性缓冲器349(在这种情况下为螺旋弹簧)，其在y托架308a-c的行程的端部处“缓冲”运动。

图18是根据本发明实施例的运动平台402的等距图，其中乘员承载部分404安装在堆叠的基体部分上，其中X-Y工作台级406定位在偏航工作台级408的顶部上。图19A和图19B是图18的运动平台的其他等距视图，其示出了单体乘员承载部分404的剖视图。图20提供了偏航工作台级408的平面图。

运动平台402的“主”X-Y工作台级406具有与上面参考图13至图17所描述的布置相同的构造，并且以相同的方式工作。但是，与仅依靠X-Y工作台级406来提供偏航运动(即，围绕z轴旋转)不同，X-Y工作台级406安装在能够提供无限偏航的“副”偏航工作台级408上。

偏航工作台级408与X-Y工作台级406互补，以确保偏航行程保持高度动态和无限制。只要偏航工作台级408可以在X-Y工作台级406级达到其旋转极限所需的时间内加速到最大速度，当这些级406、408安装在彼此的顶部上时，性能就不会降低。

如在图20的平面图中可见，偏航工作台级408包括：三个同心圆形支撑轨道410，其用作轴承轨道。主X-Y工作台级406(从图20的视图中省略)包括许多个轴承座412，所述轴承座布置成围绕同心轨道410的圆周移动。为了便于说明，图20上仅标记了选定数量的轴承座412。

这些轴承座412连接到底座414的下侧，所述底座定位在轴承座412与X-Y工作台级406之间，使得X-Y工作台级406安装在底座414上，并且底座414安装在偏航工作台级408的轴承座412上。这种结构可以由钢或碳或二者制成。

偏航工作台408包括径向直线电机416，所述径向直线电机驱动X-Y工作台级406围绕z轴的旋转移动，即，提供偏航运动，其中轴承座412在X-Y工作台级406旋转时在轨道410上滑动。电机416的施力器连接到底座414，而电机416的固定磁体连接到偏航工作台408的底座。

可以将轴承座412的数量选择成作为刚度与摩擦之间的权衡。

因此，本领域技术人员将意识到，本发明的实施例提供了具有六个自由度的一种改进的运动平台，其中所有运动通过控制立柱的平面内移动传递。本发明的运动平台可以容易地缩放，例如，在纵荡方向上，而不需要大幅增加运动平台的占用空间。此外，由于平面外运动仅通过控制立柱的平面内移动来实现，因此无需堆叠的致动器层，从而形成较轻的系统，与传统运动平台相比，所述系统典型地表现出改进的频率响应。

虽然不需要堆叠的致动器层，但在保留使用固定高度控制立柱的优点的同时，这仍然可以是有益的。通过将致动器堆叠为单独的托架，一个安装在另一个的顶部上，当与大运动包络一起使用时，可以将移动质量保持在较低的水平。

虽然已经详细描述了本发明的具体实施例，但本领域技术人员将意识到，详细描述的实施例并不限制所要求保护的发明的范围。

Claims (44)

1.一种运动平台，其包括基体部分和乘员承载部分，所述乘员承载部分能够沿第一正交轴、第二正交轴和第三正交轴直线移动，并能够围绕所述第一正交轴、第二正交轴和第三正交轴旋转移动，其中：

所述基体部分包括第一控制立柱、第二控制立柱和第三控制立柱，每个控制立柱基本沿所述第三正交轴延伸，每个所述控制立柱能够独立地在所述第一正交轴和所述第二正交轴的方向上在由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面内直线移动，其中，所述控制立柱被机械约束，使得它们仅在所述平面内移动；

所述乘员承载部分包括第一导轨、第二导轨和第三导轨，所述第一导轨、所述第二导轨和所述第三导轨通过相应的耦合构件分别枢转地连接到所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱；

所述第一导轨、所述第二导轨和所述第三导轨各自相对于由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面成角度，使得这些导轨不平行于所述平面；

所述第一导轨、所述第二导轨和所述第三导轨相对于彼此成角度，使得每个导轨不与其他导轨平行；以及

各个导轨约束相应的耦合构件沿相应的导轨的运动；

所述运动平台布置成使得：在使用中，所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱各自沿所述第三正交轴具有预定值的相应高度。

2.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分包括X-Y工作台部分，其中，所述X-Y工作台部分布置成：提供所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱沿相应的第一方向和相应的第二方向的独立平面内移动，所述第一方向和所述第二方向定义垂直于所述第三正交轴的平面。

3.如权利要求2所述的运动平台，其中，所述第一方向沿着所述第一正交轴和/或所述第二方向沿着所述第二正交轴。

4.如权利要求2或3所述的运动平台，其中，所述X-Y工作台部分包括X-Y工作台，所述X-Y工作台包括第一滑轨和第二滑轨，所述滑轨能够相对于彼此滑动移动，其中，至少一个控制立柱安装在所述X-Y工作台上，使得：所述第一滑轨的滑动移动使所述至少一个控制立柱沿所述第一方向移动，并且使得：所述第二滑轨的滑动移动使所述至少一个控制立柱沿所述第二方向移动。

5.如权利要求2或3所述的运动平台，其中，每个控制立柱安装在单独的X-Y工作台上，其中每个X-Y工作台在平面内移动控制立柱。

6.如权利要求2或3所述的运动平台，其中，每个X-Y工作台分别包括第一托架和第二托架，所述第一托架和所述第二托架以堆叠的方式布置，其中：

所述第一托架包括相应的控制立柱和一个或多个轴承以及电机，所述一个或多个轴承相对于所述第二托架沿所述第一方向移动，所述电机布置成驱动所述第一托架沿所述第一方向的所述运动；

所述第二托架包括一个或多个轴承以及电机，所述一个或多个轴承相对于所述X-Y工作台的基体沿所述第二方向移动，所述电机布置成驱动所述第二托架沿所述第二方向的运动；

所述第二托架还包括一个或多个轴承轨道，所述一个或多个轴承轨道沿所述第一方向对齐，其中，所述第一托架的轴承与所述第二托架的一个或多个轴承轨道接合；并且

所述X-Y工作台的基体包括一个或多个其他轴承轨道，所述一个或多个其他轴承轨道沿所述第二方向对齐，其中，所述第二托架的轴承与所述基体的一个或多个轴承轨道接合。

7.如权利要求2或3所述的运动平台，其中，所述X-Y工作台包括一个或多个无铁直线电机。

8.如权利要求2或3所述的运动平台，其中，所述X-Y工作台中的一个或多个采用直线轴电机，所述直线轴电机包括：多个磁体，所述多个磁体布置在圆柱形轴中；以及施力器，所述施力器包括电磁体线圈，所述电磁体线圈沿所述轴的长度的一部分包围所述轴的圆周。

9.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分包括基本圆形的支撑轨道，所述支撑轨道定义垂直于所述第三正交轴的平面，其中，所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱连接到多个径向可移动致动器，所述控制立柱与所述相应的径向可移动致动器之间的每个连接由相应的张紧构件提供，其中，所述径向可移动致动器布置成围绕所述圆形的支撑轨道的圆周移动。

10.如权利要求9所述的运动平台，其中，所述张紧构件各自包括电缆，其中，每个所述径向可移动致动器包括电缆电机，所述电缆电机布置成改变所述电缆的有效长度。

11.如权利要求9或10所述的运动平台，其中，每个所述径向可移动致动器包括相应的径向直线电机，所述径向直线电机布置成围绕所述基本圆形的支撑轨道移动所述径向可移动致动器。

12.如权利要求9或10所述的运动平台，其中，所述控制立柱支撑在空气底座或低摩擦轴承上的平板上方。

13.如权利要求9或10所述的运动平台，其中，所述基体部分布置成使得：

所述第一控制立柱连接到第一径向可移动致动器和第二径向可移动致动器；

所述第二控制立柱连接到第三径向可移动致动器和第四径向可移动致动器；并且

所述第三控制立柱连接到第五径向可移动致动器和第六径向可移动致动器。

14.如权利要求13所述的运动平台，其中，所述基体部分布置成使得：

所述第一径向可移动致动器与所述第二径向可移动致动器径向相邻；

所述第三径向可移动致动器与所述第四径向可移动致动器径向相邻；并且

所述第五径向可移动致动器与所述第六径向可移动致动器径向相邻。

15.如权利要求13所述的运动平台，其中，所述基体部分还布置成使得：

所述第一控制立柱连接到第七径向可移动致动器；

所述第二控制立柱连接到第八径向可移动致动器；并且

所述第三控制立柱连接到第九径向可移动致动器。

16.如权利要求15所述的运动平台，其中，所述基体部分布置成使得：

所述第七径向可移动致动器与所述第三径向可移动致动器和所述第六径向可移动致动器径向相邻；

所述第八径向可移动致动器与所述第二径向可移动致动器和所述第五径向可移动致动器径向相邻；并且

所述第九径向可移动致动器与所述第一径向可移动致动器和所述第四径向可移动致动器径向相邻。

17.如权利要求15所述的运动平台，其中，所述张紧构件各自包括电缆，其中，每个所述径向可移动致动器包括电缆电机，所述电缆电机布置成改变所述电缆的有效长度。

18.如权利要求13所述的运动平台，其中，所述张紧构件各自包括活塞，其中，每个所述径向可移动致动器包括活塞驱动器，所述活塞驱动器布置成改变所述活塞的有效长度。

19.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述控制立柱为圆柱形、金字塔形或圆锥形。

20.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱的相应高度基本相同。

21.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分的平面与所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱在其中移动的平面平行。

22.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分的平面与所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱在其中移动的平面共面。

23.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一导轨、第二导轨、第三导轨布置成使得：

所述第一导轨位于所述乘员承载部分的中央前部分处；

所述第二导轨位于所述乘员承载部分的左后部分处；并且

所述第三导轨位于所述乘员承载部分的右后部分处。

24.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分包括一个或多个其他控制立柱，每个其他控制立柱基本沿所述第三正交轴延伸，所述其他控制立柱中的每一个能够在由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面内直线移动，其中，所述其他控制立柱被机械约束，使得它们仅在所述平面内移动。

25.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一导轨、第二导轨以及第三导轨各自限定轨道，所述相应的耦合构件的运动沿所述轨道被约束。

26.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一导轨、第二导轨以及第三导轨中的一个或多个包括弹性构件。

27.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一导轨、第二导轨以及第三导轨中都包括相应的气体支柱。

28.如权利要求27所述的运动平台，其中，所述气体支柱包括杆端和气缸端，其中，所述耦合构件将所述控制立柱连接到相应的气体支柱的杆端。

29.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨具有布局，其中，至少一个导轨与由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面之间的角度在10度与70度之间。

30.如权利要求27所述的运动平台，其中，至少一个导轨与由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面之间的角度为26.5度。

31.如权利要求29或30所述的运动平台，其中，至少一个导轨与由所述第一正交轴和所述第二正交轴定义的平面之间的角度为45度。

32.如权利要求1所述的运动平台，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨具有布局，其中，所述第一导轨、所述第二导轨与所述第三导轨之间的角度在70度与150度之间。

33.如权利要求32所述的运动平台，其中，所述第一导轨与所述第二导轨和所述第三导轨中的每一个之间的角度为135度。

34.如权利要求32或33所述的运动平台，其中，所述第二导轨与所述第三导轨之间的角度为90度。

35.如权利要求32或33所述的运动平台，其中，所述第二导轨与第三导轨之间的角度为100度。

36.如权利要求1所述的运动平台，其中，一个或多个所述耦合构件包括球形球接头。

37.如权利要求1所述的运动平台，其中，一个或多个所述耦合构件包括万向节。

38.如权利要求37所述的运动平台，其中，所述万向节布置在与相应的导轨成90度的位置处。

39.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述乘员承载部分具有单体结构。

40.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述基体部分包括：

主台，所述主台包括X-Y工作台部分，其中，所述X-Y工作台部分布置成提供所述第一控制立柱、所述第二控制立柱和所述第三控制立柱沿相应的第一方向和相应的第二方向的独立平面内移动，所述第一方向和所述第二方向定义垂直于所述第三正交轴的平面；以及

副台，所述副台包括圆形的支撑轨道，所述支撑轨道定义垂直于所述第三正交轴的平面；

其中，所述X-Y工作台部分经由轴承构件安装到所述支撑轨道，所述轴承构件布置成围绕所述圆形的支撑轨道的圆周移动；

其中，所述副台还包括径向电机，所述径向电机布置成驱动所述主台相对于所述副台的旋转运动。

41.如权利要求40所述的运动平台，其中，所述副台包括多个同心的基本圆形的支撑轨道，每个支撑轨道共面，并且定义垂直于所述第三正交轴的相应平面。

42.如权利要求41所述的运动平台，其中，每个同心的支撑轨道具有一个或多个轴承构件，所述轴承构件布置成围绕其相应的圆周移动。

43.如权利要求1所述的运动平台，其中，通过将所述控制立柱定位以迫使平台移动到所需的姿态，所述控制立柱在所述第一正交轴和所述第二正交轴的方向上的移动通过所述相应的耦合构件和具有成角度的布局的相应的导轨而转换成在所述第三正交轴的方向上的平面外运动。

44.如权利要求1所述的运动平台，其中，所述相应的耦合构件能够沿着所述相应的导轨移动，以导致所述乘员承载部分倾斜。