CN117355883A - 运动发生器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的第一方面，提供一种运动发生器，包括用于相对于连接到一个或多个细长刚性支柱的表面向执行器有效载荷施加力、力矩和运动的执行器，每个支柱在其一端处通过第一接头连接到执行器并在其另一端处通过第二接头连接到相关联的摇杆，摇杆包括摇杆臂并具有大体平行于表面的枢转轴线，使得摇杆绕枢转轴线移动经过大体垂直的弧线导致执行器运动，并且施加到相关联的摇杆的力导致力施加到执行器，其中摇杆的运动和由摇杆施加的力由致动器控制，致动器是或包括细长带、缆绳或绳索驱动件，其通过任一端连接到相关联的摇杆以将力施加到相关联的摇杆上远离摇杆的枢转轴线的点，运动发生器还包括用于向带、缆绳或绳索驱动件施加张紧的装置。

Description

运动发生器

技术领域

本发明涉及特别是用于模拟诸如驾驶或飞行等运动的运动系统的领域。特别地但非排他地，本发明涉及运动发生器、包括这种运动发生器的运动系统、使用运动发生器的方法和例如用作驾驶模拟器的运动系统及其生产方法。

背景技术

运动发生器是一种能够在一个或多个方向或自由度上向有效载荷施加运动、力和加速度的装置。有效载荷例如可以是在包含运动发生器的运动模拟器中经历模拟体验的人。替代地，有效载荷也可以是与第一运动发生器串联的另一运动发生器。运动发生器用于运动系统中。在本发明的内容中，运动系统包括用于控制运动发生器的控制系统。

运动系统用于运动模拟器。运动系统用于多种应用，包括运动模拟(例如，飞行模拟器、车辆和驾驶模拟器)、机器人、3D打印、振动和地震模拟。目前在运动模拟中使用的最常见的运动发生器类型是Stewart平台(或“六足”)运动发生器。这是一种具有六个致动器的并联操纵器类型，致动器通常成对附接至操纵器的基底上的三个位置并跨越到平台或顶板(或末端执行器)上的三个安装点。通常以某种形式的驾驶舱、驾驶员区域或模型车辆位于平台上的装置或有效载荷、如人类用户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，在基于并联操纵器的运动系统中，若干计算机控制的致动器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底之间的每个单独的负载路径中仅存在一个致动器，而在串联操纵器中，有效载荷和基底之间的可能负载路径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/运动系统的模拟系统，其可以为乘员创造出身处在行驶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。在工业上，它们还用于车辆本身的创建、设计和测试，以及车辆部件的设计。用于驾驶和飞行模拟的专业运动模拟器通常将视觉显示(例如由投影系统和相关联的屏幕提供)和音频信号与驾驶员或飞行员占用的车厢(或底盘)的运动同步，以便更好地感受运动效果。虚拟现实(VR)头戴式显示器(HMD)的出现使具有目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，例如在被动游乐园或街机驾驶、第一人称骑乘或飞行骑乘以及主动游戏中，其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。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)相对较重，通常为100kg的量级，虽然在某些应用(例如游戏)中可能存在更小的有效载荷。运动发生器的运动模拟应用需要在明显的运动(通常为1米或更大的量级)上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运动模拟的六足类型通常具有高达约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，频率高达每秒20次，超过该频率，运动幅度会随频率增加而减小。这可能足以复制大多数汽车悬架运动，但不能传输与汽车发动机振动、轮胎振动、道路噪音和赛道上锋利边缘路缘相关的频率内容。低带宽还意味着信号延迟，意味着驾驶员无法快速响应。

当前的运动系统、特别是旨在用于高端用途(例如军事和商业飞行指导和训练应用)的那些通常非常大、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。

专用的驾驶模拟器运动系统已由McLaren/MTSWilliams/ABD和Ansible等开发，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电动机。在某些方向上移动时，这些专用的驾驶模拟器运动系统比六足响应更快，但在其他方向上仍然受到限制。在此类系统中通常使用滚珠丝杠的缺点在于，虽然擅长确定位置，但它们抑制力传递并且只能实现较低的带宽。这些问题导致人类用户不太自然的运动模拟体验。例如，它们导致差的系统延迟，需要额外的校正措施以最小化晕动病(参见例如Lucas,G等，Study of latency gap corrections in a dynamic driving simulator，Driving Simulation Conference&Exhibition,France，France，2019-09-04-DSC2019EUROPE VR–2019)。

EP2486558中公开的运动模拟器包括使用三自由度并联操纵器的机构，操纵器包括由曲柄驱动的三个直立臂，以控制纵摇、垂荡(heave)和横摇的运动，因此在这些自由度上响应迅速并具有高带宽。需要由线性致动器驱动旋转的旋转台来提供垂摇。运动模拟器倾向于相对紧凑。然而，其水平自由度由串联操纵器提供，这引入了顺应性、惯性和摩擦，限制了系统在水平自由度上的响应性和带宽。

US5,919,045公开了一种交互式赛车模拟器，包括初级运动发生器，初级运动发生器包括简单布置的重叠矩形框架，布置成在气动控制下分别在线性导轨上沿X和Y方向运动并且称为“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方向上良好的偏移，但由于框架彼此堆叠，串联运动发生器在垂直维度上不是特别紧凑。此外，在X和Y方向上的运动不是特别精确，并且模拟器也具有相对低的带宽。

EP2810268A给出了用在驾驶模拟器中的组合中的初级运动发生器的示例，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，可以使用初级运动发生器维持水平面上较大的运动，同时实现次级运动发生器的最大垂直行程。因此，串联工作的两个运动发生器可以实现不同自由度上的运动的组合，这不能通过类似尺寸的六足实现。然而，该文献中描述的六足使用线性致动器、特别是循环滚珠丝杠驱动的线性致动器。如上所述，循环滚珠丝杠致动器具有相当大的摩擦，并且因此导致差的响应性和带宽。在六足结构中使用其他线性致动器导致进一步的问题。在线性致动器作为移动支柱的一部分是可移动的情况下，它具有高移动质量，这导致低频的机械共振，限制系统的响应性和带宽。替代地，在线性致动器相对于基底固定并且六足支柱的一端沿线性致动器平移的情况下，系统的重量和惯性载荷由线性轴承反作用，这再次涉及相当大的摩擦。

US2017/0053548A公开了一种运动系统，其包括线缆/致动器控制的平台，平台在大的低摩擦固定基底上可滑动，并且允许平台显著的水平运动。线缆和致动器围绕大的基底的外围布置，允许在此设计中平台显著的水平运动。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车驾驶舱，以提供驾驶舱的进一步运动。对于由大的低摩擦固定基底设计提供的偏移水平，运动系统不够紧凑。

申请人的WO2020/228992(也以EP3739558公开)公开了一种基于摇杆的运动发生器，其中至少一个摇杆的枢转轴线是倾斜的，并且在优选配置中，所有摇杆的枢转轴线垂直于参考面。

US2014/157916(DYNAMIC MOTION SYSTEMS GMBH)公开了一种运动模拟系统，包括一系列致动器，每个致动器具有由与曲柄接合的相关联的伺服电机驱动的行星齿轮箱。这种直接驱动系统是高摩擦、高延迟布置，旨在用于诸如游乐园等应用(参见图17A至17G)。尽管没有提供数据，但是US2014/157916的布置预计将具有相对低的带宽和高的延迟。因此，其不适合驱动在其中希望高带宽和低延迟的模拟或游戏设备。

本发明的目的是提供一种改进的运动发生器，尤其是对驾驶和车辆运动类型模拟应用或涉及较轻有效载荷的应用有用的运动发生器，以及包含这种运动发生器的改进的运动系统，其同样特别适合于那些应用。

本发明的另一目的是提供一种在水平和垂直自由度上也具有良好的偏移特性的运动发生器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于向运动发生器的执行器或执行器的有效载荷施加力、力矩和运动的运动发生器，执行器相对于表面安排、布置或定位，执行器连接到一个或多个细长刚性支柱，每个支柱在其一端处通过第一接头连接到执行器并且在其另一端处通过第二接头连接到相关联的摇杆(即，特定支柱连接到的摇杆)，每个摇杆包括摇杆臂并且具有通常与表面平行的摇杆枢转轴线，使得摇杆绕枢转轴线的移动导致执行器运动，并且施加到摇杆的力导致力施加到执行器，其中摇杆的移动和由摇杆施加的力由致动器控制，致动器为细长带、缆绳或绳索驱动件的形式或包括细长带、缆绳或绳索驱动件，其通过任一端连接到相关联的摇杆，以将力施加到相关联的摇杆上远离摇杆的枢转轴线的点，运动发生器还包括用于向相关联的细长带、缆绳或绳索驱动件施加张紧的装置，以在相关联的摇杆的移动期间在带、缆绳或绳索驱动件中维持张紧。

摇杆或每个摇杆的枢转轴线优选地是水平的，即与表面平行。摇杆优选地在通常垂直的平面中移动，即通过大体垂直的弧线。

已经发现，根据本发明的这种运动发生器具有令人惊讶的良好的水平和垂直偏移特性，同时具有相对紧凑的占用空间。例如，根据本发明的运动发生器可以具有比类似的运动发生器(即具有类似的底盘臂半径的运动发生器，如下文限定，但具有水平移动的摇杆臂，即垂直的枢转轴线)大60％至100％的偏移增加。对于应用如驾驶模拟，这代表水平或垂直偏移特性的明显改善。

表面可以是大体平的，并且通常是平的。例如，在许多应用中，表面可以简单的是在其中安装根据本发明的运动发生器的建筑物的地面，但其可以是用于运动发生器的相对平的底板/基底。不需要昂贵的高度平的表面。在其他情况下，例如下面所述的组合并且其中次级运动发生器是根据本发明的运动发生器，表面可以是在其上安装组合的物理表面之上的参考平面，通常由初级运动发生器提供或限定，并且该表面可以与初级运动发生器共同移动。

在本文中，摇杆通常是指附接到细长旋转接头或枢轴的一端的实体(其也可以称为摇杆臂)，实体能够绕由接头或枢轴提供的枢转轴线旋转，从而相对于附接到接头另一端或枢轴的另一实体旋转。摇杆在其主体上通常还有其他接头和节点，附接到其他移动元件。摇杆通常用在机械系统中以控制移动元件的相对运动、控制机械优势以及改变运动方向。机械元件如曲柄和杠杆都是摇杆的形式。摇杆经常用于例如汽车悬架中，例如推杆或拉杆悬架组件中。出于本公开的目的，术语“摇杆”还包括附接到弯曲件(flexure)或与弯曲件集成的实体，使得实体能够描绘出绕假想轴线的弧，该假想轴线等同于上文关于其他摇杆提及的枢转轴线。

因此，本发明提供了具有一个、两个、三个、四个、五个或优选六个自由度的并联操纵器形式的运动发生器，包括一个或更多个、通常六个致动器，每个致动器能够产生响应性且高带宽的移动。在根据本发明的运动发生器中，执行器通常可以连接到四个或更多个细长刚性支柱、更通常六个这种支柱。因此，本发明的运动发生器能够在所有六个自由度上提供响应性且高带宽的运动，对于运动发生器占用空间的相对尺寸在水平和垂直维度上具有特别好的偏移。

与已知的运动发生器相比，根据本发明的运动发生器可以在若干方面的一些或全部方面是有利的。除了水平和垂直自由度上良好的偏移水平之外，其在其运动部件内具有低摩擦水平。本发明的运动发生器设计使摩擦最小化，因此是响应性的并且具有高带宽，因为施加在有效载荷上的重量和负载由比传统设计中使用的线性轴承或线性导轨摩擦更小的摇杆(通常连同其在枢转点处的旋转轴承)反作用。换句话说，摇杆提供了低摩擦引导，这有助于运动发生器的响应性。另外，致动器电动机通过带的短长度或其他类似的驱动件直接连接到摇杆。此外，支柱通过上接头和下接头有利地使端部执行器和相关联的摇杆直接互连，这也有助于运动发生器的响应性。由于与已知的设计相比移动元件更低的质量，运动发生器可以具有低惯性。因此，其在运动模拟应用如驾驶模拟中具有低延迟。运动发生器的延迟可以通常为约3-4ms，但是可以小于约3ms。其在多于一个自由度上还可以具有通常优于50Hz的高带宽。在一些实施例中，其可以在多个自由度上具有比50Hz明显更高的带宽，例如80Hz、90Hz、或100Hz或更大，这是比类似的运动发生器设计明显的进步。此外，其不需要例如EP2810268A的运动发生器的滑动元件所需的精密加工的金属基座，因为其可以安装在传统的建筑物地面上。

可以通过选择有利的运动比来改善运动发生器在六个自由度上的偏移。运动比是系统几何形状的属性，指的是末端执行器在每个方向上的运动相对于每个致动器电动机的运动之比。系统几何形状可以设计成在摇杆和致动器电动机可实现的行程内实现末端执行器的大范围运动，即具有有利的运动比。

运动比可以跨越运动发生器偏移变化，并且系统几何形状可以设计成维持运动比跨越行程不会明显变化。在极端情况下，在系统行程内达到零的运动比是有问题的，因为相应的致动器电动机无法控制末端执行器的运动，这可能导致末端执行器倾倒。

偏移以六维包络线为界，其理想地选择为在一些或全部自由度上很大且呈凸形。超球面是跨越其整个表面是凸形的轨道线的示例，并且凸形包络线是有利的，因为系统可以从其可用行程中的任何点直线运动到其可用行程中的任何其他点而不离开包络线。

本发明的运动发生器中的第一和第二接头、即上接头和下接头可以一起具有至少五个的自由度总数。优选地，第一或第二接头之一可以包括万向接头、卡当节、球形接头或弯曲件，而另一个可以是球形接头。这种接头的刚度通常随其所需运动范围的增加而降低。可以改善系统几何形状以及第一接头和第二接头的定向和位置，以最小化系统偏移内每个接头的运动范围。由于这些原因，卡当节是优选的。

根据本发明的运动发生器通常包括多个摇杆。在大多数布置中，运动发生器可以包括六个摇杆。至少一个、优选地每个摇杆的枢转轴线是固定的，以绕相对于表面大体平行的枢转轴线枢转，其中表面是在其上安装运动发生器的物理表面，即枢转轴线位于水平面中。每个枢转轴线可以平行于表面。替代地，(通常在包括以次级运动发生器安装在初级运动发生器上的根据本发明的运动发生器的组合的内容中)，摇杆的枢转轴线相对于该表面可以是不固定的，但相对于物理表面上的平面是大体平行固定的，平面随初级运动发生器移动。摇杆枢轴优选地是旋转接头、带有轴承的轴或弯曲件。每个摇杆可以在垂直于表面的平面中移动，即旋转或枢转。优选地，致动器和摇杆(具体地描绘出运动的弧线的摇杆的“自由”端)均与相关联的细长刚性支柱的纵向轴线同轴地移动。换句话说，致动器和摇杆与支柱对齐，这改善了摇杆/支柱连接的效率以及从致动器到执行器的力传递。更具体地，当致动器和/或摇杆处于标称(nominal)状态时，即当运动发生器处于标称状态时，优选地致动器和摇杆均布置成与相关联的细长刚性支柱的纵向轴线平行或成直线。

有利地，带、缆绳或绳索可以平行于支柱的纵向轴线、优选地与支柱的纵向轴线成直线移动。以这种方式，相关联的摇杆承受较小的弯曲负载，并且负载更直接地传递到带、缆绳或绳索和相关联的电动机。这些因素提高了运动发生器的响应性。

根据本发明的运动发生器通常可以包括4、5、6或更多个细长支柱，但也可以考虑具有1、2或3个细长支柱的运动发生器。例如，运动发生器可以包括X个细长支柱，其中X小于6，以及至少一个机械限制装置，其限制执行器的Y个自由度，其中Y＝6-X。替代地，可以有多于6个细长支柱。成对的细长支柱可以布置在末端执行器的相对侧上。在一典型实施例中，运动发生器包括三对细长支柱。

至少一个致动器可以布置成使得其可以将负载反作用回表面。带、缆绳或绳索驱动件致动器的优点可能在于它们相对便宜。当运动发生器由致动器如细长带、缆绳或绳索驱动件提供动力时，细长带、缆绳或绳索驱动件可以由滑轮或绞盘致动。这种滑轮或绞盘可以由电动机或齿轮电动机驱动。

带、缆绳或绳索驱动件的两端均附接到相关联的摇杆，从而在摇杆上的两个附接点之间的带、缆绳或绳索驱动件中有效地形成闭合的环。替代地，带或类似的驱动件可以是闭合的环形式，其适当地固定到相关联的摇杆。被动张紧装置、例如包括滑轮的被动张紧装置可以应用于带、缆绳或绳索驱动件的一端或一部分，以在带、缆绳或绳索驱动件中维持张紧并使其固定长度在系统的变化几何形状内适应。被动张紧装置可以适应摇杆的几何形状的变化。被动张紧装置可以包括线性导轨上的弹簧，或者线性导轨可以由另一摇杆/杠杆代替。替代地，被动张紧装置中的线性弹簧可以由扭转弹簧代替。一个或多个被动力施加装置可以连接到摇杆，以向致动器提供辅助如静态预载或阻尼，或支撑有效载荷的重量，以倾向于将其维持在中性状态(或“状态”)。这种辅助可以通过被动力施加装置如弹簧、气动支柱或弹力绳提供。

至少一个摇杆和/或致动器可以安装在表面上或到表面。替代地或另外地，至少一个摇杆和/或致动器可以安装在固定到表面的框架或其他支撑件上。

执行器支撑的有效载荷可以大于10kg、优选地大于80kg、优选地大于250kg或者甚至大于500kg。通常，在运动模拟应用中，有效载荷可以是车辆底盘或驾驶舱或其模型。

根据本发明的运动发生器可以布置为以与初级运动发生器串联的次级运动发生器来操作。包括初级运动发生器和次级运动发生器的这种组合布置可以为用户提供有效载荷更大范围的运动。例如，组合可以实现运动模拟、尤其是车辆运动模拟应用中所需的1米量级的偏移。此外，这种组合布置可以允许使用相对简单并且因此成本效益的初级运动发生器，其仅提供例如在X和Y方向上的运动，而次级运动发生器提供更复杂的运动。替代地，初级运动发生器可以具有X、Y和垂摇自由度。US2017/0053548中公开了适合用作初级运动发生器的已知运动发生器的一个示例，根据本发明的运动发生器作为次级运动发生器。在这种组合中，根据本发明的运动发生器布置为次级运动发生器，其中该发生器的至少一个摇杆和/或致动器安装在框架、初级运动发生器的末端执行器上或作为初级运动发生器的有效载荷。例如，初级运动发生器可以包括框架或平台，因为次级运动发生器的末端执行器和至少一个摇杆可以枢转地安装到初级运动发生器的框架。

根据本发明的另一方面，提供了一种运动系统，运动系统包括至少一个根据本发明的运动发生器和控制系统。控制系统可以控制至少一个运动发生器致动器、优选地所有致动器的操作。控制系统可以计算需要在每个致动器处产生的位置、加速度和/或力，以产生所需的运动轮廓。

根据本发明的另一方面，提供了一种驾驶或车辆模拟器，包括根据本发明的运动发生器或根据本发明的运动系统，以及至少一个选自视觉投影或显示装置的环境模拟装置和音频装置。驾驶或车辆模拟器可以包括驾驶舱或底盘和/或车辆模拟元件。驾驶或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、投影装置的至少一个)以及用于对虚拟环境建模的软件装置和车辆模型。

本发明的另一方面提供了一种生产运动系统的方法，包括生产或提供根据本发明的运动发生器以及将控制系统连接到运动发生器以生产运动系统。

运动发生器、运动系统和驾驶模拟器的其他特征从本文描述的说明和进一步权利要求中显而易见。参考装置如运动发生器、运动系统、运动模拟器和本发明的某些方面或实施例，本领域技术人员将理解，本发明的其他方面和实施例可以同样应用于这种装置。

对于某些应用，还考虑了包括单个摇杆和相关联的细长带、缆绳或绳索驱动件和支柱的运动发生器。具体地，这种运动发生器包括用于相对于表面向执行器和/或执行器有效载荷施加力、力矩和运动的执行器，执行器连接到细长刚性支柱，细长刚性支柱在其一端处通过第一接头连接到执行器并且在其另一端处通过第二接头连接到相关联的摇杆，摇杆具有大体平行于表面并且优选地平行于表面的枢转轴线，使得摇杆绕枢转轴线移动经过大体垂直的弧线导致执行器运动，并且施加到摇杆的力导致力施加到执行器，其中摇杆的移动和由摇杆施加的力由致动器控制，致动器为细长带、缆绳或绳索驱动件形式或包括细长带、缆绳或绳索驱动件，细长带、缆绳或绳索驱动件布置成向摇杆上远离摇杆的枢转轴线的点施加力，运动发生器还包括用于使细长带、缆绳或绳索驱动件张紧的张紧装置。本领域技术人员将理解，此运动发生器的其他特征，例如带或其他驱动件、摇杆与支柱的纵向轴线的优选对准，或者穿过摇杆的带或其他驱动件的一部分可以取自运动发生器。

附图说明

现在参考附图(图1至图10)仅通过示例的方式说明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生产，其中：

图1是从上方和一侧观察的根据本发明的运动发生器的示意性透视图；

图2是从上方和同一侧观察的图1的运动发生器的另一示意性透视图，为了清楚起见去除了一些外部部件；

图2A是从同一侧观察的图2所示的运动发生器的立视图，为了清楚起见也去除了一些外部部件；

图3是用于根据本发明的运动发生器中的摇杆和致动器组件的示意性透视图；

图3A是用于根据本发明的运动发生器中的替代摇杆和致动器组件的示意性透视图；

图4是与根据本发明的运动发生器一起使用的控制系统的示意图：

图5示出了在根据本发明的运动发生器和类似运动发生器(图7所示)的执行器的不同自由度上的偏移上的建模实验的结果；

图6示出了在根据本发明的运动发生器和类似运动发生器的执行器的不同自由度上的偏移上的进一步建模实验的结果；

图7是具有带有垂直枢转轴线的摇杆并支撑底盘有效载荷的类似运动发生器的平面图，用于具有图5和图6所示结果的建模实验：

图8是具有水平枢转轴线并支撑底盘有效载荷的根据本发明的运动发生器的平面图，用于图5和图6所示的建模实验中；

图9是包括根据本发明的运动发生器和另一运动发生器的组合的示意图；和

图10是根据本发明的驾驶模拟器的透视图。

本说明书中对特定取向和位置(例如上或下)的参考是指附图所示的那些取向或位置。

具体实施方式

运动发生器

图1至图3A示出了根据本发明的第一方面的运动发生器10及其元件。具有由平台13构成的末端执行器的运动发生器10安装在表面14上。平台13构成本实施例中的运动发生器10的有效载荷。另外或者替代地，可以涉及有效载荷。例如，有效载荷可以包括赛车驾驶舱复制品形式的底盘(例如如图7和图8所示)。运动发生器10具有大致三角形形状并且由轻质刚性材料、如铝构成。运动发生器10直接安装在表面14上。替代地，运动发生器10可以安装在框架上或框架内，例如空间框架。使用框架的优点在于，它可以用来承载整个运动发生器，特别是当运动发生器用作与初级运动发生器串联的次级运动发生器时。平台13由成对的细长刚性杆或支柱S1、S2，S3、S4和S5、S6支撑，它们在其上端处分别通过上接头UJ1、UJ2、UJ3、UJ4、UJ5和UJ6连接到平台13。术语“杆”和“支柱”在本说明书中可互换使用。细长刚性支柱S1-6可以例如由硬的轻质材料如钢、铝或复合材料如碳纤维制成。上接头UJ1-UJ6在本实施例中是球形接头，但可以包括例如卡当节或其他万向接头、枢转轴承或转接件，和/或可以包括弯曲件(flexure)。每个细长支柱S1-S6的下端分别通过下接头LJ1、LJ2、LJ3、LJ4、LJ5和LJ6连接到相关联的摇杆R1、R2、R3、R4、R5和R6，这些摇杆分别布置用于绕水平(相对于表面14)枢转轴线的枢转移动。摇杆R3和R6的水平摇杆枢转轴线RPA3和RPA6分别在图2A中以示例的方式示出。下接头LJ1-LJ6也可以包括球形接头、卡当节或其他万向接头、枢转轴承或转接件，和/或可包括弯曲件。对于下接头和/或上接头，卡当节是优选的。更特别地，使卡当节的两个旋转轴线偏置是特别优选的，因为与旋转轴线相交的传统卡当节相比，这种布置允许接头在轴向运动上更硬。由相关联的电动机EM1-6驱动的齿形带驱动件BD1-6形式的致动器连接到摇杆R1-6。每个带驱动件BD1-6还分别连接到带张紧器T1-6形式的张紧装置，张紧装置在连接的相关联的摇杆上提供相对于连接到该摇杆的带驱动件的预载张紧。每个带张紧器T1-6包括滑轮(相关联的带绕过滑轮)和向滑轮提供力的装置、例如线性导轨上的弹簧或者作用在杠杆臂的枢轴周围的扭转弹簧，滑轮在臂的端部处安装至杠杆臂。由带张紧器T1-6提供的力维持带的张紧，以适应相关联的摇杆行程上几何形状的变化。壳体H1-3布置在摇杆对R1,2、R3,4和R5,4和相关联的带驱动件BD1-6周围。摇杆R1-R6及相关联的带驱动件BD1-6和电动机EM1-6之间的连接在图2、2A和3中更详细地示出，其中未示出壳体H1-3。

图3更详细地示出了摇杆(例如R6)和连接的元件，作为摇杆和相关联的致动器组件的示例，并且下面更详细地说明。运动发生器的其他摇杆R1-5和相关联的元件相应地构造和布置。摇杆R6布置成绕平行于表面14的摇杆枢转轴线RPA6枢转，并且构成该组件中的低摩擦引导件。在所示实施例中，摇杆枢轴包括在枢轴的任一端处的轴承，但是这些轴承可以由例如弯曲件代替。摇杆R6由拉伸弹簧SP6支撑，拉伸弹簧SP6在其另一端处锚定至运动发生器结构。弹簧SP6构成被动力装置，其通过提供恢复力向致动器提供辅助，以将有效载荷/末端执行器重量支撑在其行程范围中的中性(或“标称”)位置处或附近。这种被动力装置可以由附接至沿反作用于有效载荷的重量的方向拉动的摇杆臂上的点的弹力绳、拉伸弹簧、气动支柱提供。细长支柱S6在其下端处通过下接头LJ6铰接地连接到摇杆臂的外端，并且在其上端处通过UJ6(其连接到末端执行器)铰接地连接。细长支柱S6限定中心纵向轴线SA6。细长齿形带BD6的任一端经由修圆的元件E6与摇杆R6连接，修圆的元件减少了连接的带BD6上的磨损。元件E6可以是弯曲的或圆形的，例如是滑轮形式，并且可以是齿形的以与齿形带接合。合适的齿形带的示例是Continental制造的Synchrochain Carbon带。带BD6的主要长度穿过由摇杆R6的摇杆臂限定的孔RA6，这避免了运动发生器操作期间元件之间不希望的接触。

虽然在本实施例中，细长带的任一端固定至相关联的摇杆，但是可以预期，如上所述，完全闭合的环带或类似的驱动件可以用在本发明的运动发生器中，闭合的环带适当地固定至摇杆。

齿形带BD6绕过电动机EM6的相应可驱动的齿形电动绞盘C6(被遮蔽)。电动绞盘合适的示例是Martin的同步带链轮，由Kollmorgen的AKM2G伺服电动机驱动。绞盘C6/电动机EM6在控制系统的控制下运行(例如，如关于图4描述的)。应当注意，电动机EM6通过带BD6的相对短的长度连接到摇杆R6，这有效地有助于运动发生器的响应性。应当理解，张紧器和电动机/绞盘的位置可互换。在一些布置中，电动机可以安装在张紧器上方。这可以有利于缩短带长度，潜在减少带的任何拉伸，从而实现高带宽、低延迟操作。

应当注意，带BD6和相关联的摇杆R6布置成平行于相关联的支柱S6的纵向轴线SA6移动。以此方式，有利地，摇杆R6承受较小的弯曲负载，并且负载更直接地传递至带BD6并且因此传递至电动机EM6。这种布置提供从电动机EM6到支柱S6的有利地更直接的力作用线。换句话说，从电动机EM6到带BD6再到支柱S6有更刚性的负载路径，其消除了需要由摇杆R6提供的反作用力。这意味着摇杆R6不需要在弯曲中提供反作用力(至少当系统位于中心时)，因此与其他运动发生器设计相比，摇杆R6的移动得到改善。

图3A示出了替代的但与以上关于图3所述大体相似的摇杆R6A和致动器布置，并且关于对应的部件使用对应的附图标记。可选的附加制动系统BS连接到摇杆R6A以控制摇杆的减速。

通过在控制系统的控制下由相关联的带BD1-6和绞盘C1-6驱动而移动一个或多个摇杆R1-R6(或上述其他实施例中的摇杆)，支柱S1-6移动执行器13在高带宽下在六个自由度的任一个中进入多种状态，一些状态如下所述。

此外，与类似占用空间的其他运动发生器设计相比，运动发生器10对于其占用空间(例如，如下面讨论的由其底盘臂半径定义的)具有优异的横向、纵向和垂直偏移能力。

可以在如图4所示且标记为100的控制系统的控制下操作运动发生器10。运动发生器和控制系统一起构成运动系统。关于图4，运动发生器以附图标记102表示，但是控制系统101可应用于本文描述的其他运动发生器、运动系统和运动模拟器。控制系统101包括运动控制器104，其优选地以确定性或实时方式执行计算机程序，并且从需求生成器如模拟环境103或设定点生成器106获取运动需求输入105。运动控制器计算需要在每个致动器109处产生的位置、加速度和/或力107，以产生所需的运动轮廓105。控制系统101还包括伺服驱动器108，其提供精确控制的电流110以驱动致动器109(例如，上述示例实施例中的电动机EM1-6以及相关的绞盘C1-6和带BD1-6)。

在操作中，运动控制器向每个伺服驱动器108发送所需的位置或力107。致动器109具有运动测量装置111、例如编码器，其可选地经由伺服驱动器向运动控制器提供运动反馈112。运动控制器将所需的运动轮廓105与测量的112进行比较并相应地更新致动器需求107。

图4还示出了具有模拟环境103、例如驾驶模拟的控制系统101，其中计算模拟车辆及其环境(例如赛道或城市道路)的物理特性。例如，驾驶模拟可以在如下所述的根据本发明的驾驶模拟器的内容中。在本实施例中，控制系统101从模拟环境103接收表示虚拟车辆的运动的运动需求。计算机程序确定车辆在虚拟世界114中的运动，然后应用运动提示算法113(MCA，也称为冲刷滤波器)以将模拟的车辆运动转换成可以由运动发生器表示的那些。然后将这些计算的运动作为运动需求105提供给控制系统。MCA113可以是模拟环境103或控制系统101的一部分或者与两者分开。模拟环境103可以从控制装置116接收输入信号115，例如转向、油门或制动输入，操作员(即人类用户，如驾驶员、乘客或飞行员)使用这些输入信号来控制模拟环境中的虚拟车辆。操作员可能是作为运动发生器102(例如，示例实施例中的运动发生器10)上的有效载荷的底盘中的乘客(驾驶员)。这些输入115可以经由控制系统或直接传回到模拟环境。模拟环境也可能在视觉显示器117上为驾驶员、乘客或其他用户或操作员产生输出。模拟环境还可能需要来自控制系统的额外数据118，例如与运动发生器的位置相关的数据，或控制装置输入信号。

运动发生器的操作

在图1、2和2A中示出了平台处于中性(或“标称”)状态的运动发生器10，即运动发生器处于中性或标称状态。可以操作运动发生器以使末端执行器运动进入各种其他状态中。本领域技术人员将理解，可以操作运动发生器10进入许多状态中，包括但不限于向后纵荡(surge)、向右横荡(sway)、向下垂荡(heave)、左侧向下横摇(roll)、机头向上纵摇(pitch)和机头向右垂摇(yaw)。此外，本领域技术人员还应当理解，可以操作运动发生器10进入这些状态的多种组合中。例如，可以操作运动发生器进入组合的向上垂荡和机头向左垂摇状态。运动发生器具有本发明的优点，包括高带宽、低摩擦和低惯性，这增加了有效载荷/末端执行器13的运动的准确性。

根据本发明的运动发生器与类似的运动发生器的比较

图5和图6所示的结果是根据WO2020/228992(EP37395580)的优选实施例的类似的基线运动发生器(配置A)(具有在连接到支撑末端执行器的支柱的水平面中移动的臂的六个摇杆(即具有垂直枢转轴线和如图7的平面图所示))(结果由实线表示)与根据本发明的运动发生器(配置B)、例如上述运动发生器10(其中六个摇杆在关于水平摇杆轴线的垂直面中移动并支撑末端执行器)(结果由虚线表示)之间的偏移包络线的比较。根据本发明的运动发生器在图8中以平面图示出。应当注意的是，赛车驾驶舱形式的底盘C安装在运动发生器平台的末端执行器上，并且示出了用户U在两个驾驶舱中。运动发生器配置A和B具有相同的“底盘臂半径”。底盘臂半径”是从末端执行器的中心到将支柱连接到末端执行器的上接头的距离，在图7和8中以R示出，并且可以表达为具有类似的占用空间。

在本研究中，进行了模拟，其中两个运动发生器配置的摇杆扫过其完整的可能范围，摇杆位置的所有组合覆盖过六个摇杆。在模拟过程中，在六个自由度的每个自由度上测量最终的末端执行器位移。每个偏移包络线是由末端执行器在多个自由度的不同组合的横截面中可实现的最大位置的可视化。

图5以在类似的运动发生器(配置A(由实线表示))的不同自由度上偏移的百分比示出了在本发明的运动发生器(配置B(由虚线表示))的不同自由度上偏移的增加，从图5可以看出，与基线运动发生器配置A相比，本发明的运动发生器的偏移包络线在垂直和水平偏移方面提供了明显的改善，因为在所有这些自由度上偏移都明显更大。因此，与类似的运动发生器配置相比，本发明的运动发生器配置的增加比在大60％和大100％之间。对于两种运动发生器配置，偏移都是可用的，因为末端执行器的最终偏移包络线近似为圆形和凸形，意味着可以从包络线中的任一点以直线移动到另一点，不会达到几何极限，即末端执行器的运动在整个运动范围内不受限制。图6示出作为底盘臂半径的百分比的平移偏移。例如，底盘臂半径(800mm)的50％导致400mm偏移。然而，特别如图6所示，本发明的运动发生器对可用的纵向和横向偏移包络线以及对横摇相比纵摇包络线具有特别的改善，因为这些比基线运动发生器配置中的更大且是更均匀的圆形。就运动比而言，WO2020/228992的运动发生器具有约0.17至约0.52的摇杆和垂直自由度之间的通常运动比。相反，跨越相同的垂直行程范围，本发明的运动发生器具有约0.38至约0.45的运动比。

运动发生器的组合

根据本发明的运动发生器可以与另外的运动发生器串联使用，即作为第一运动发生器级和第二运动发生器级。例如，根据本发明的运动发生器可以用作次级运动发生器，也就是说，运动发生器本身成为初级运动发生器的有效载荷。图9示出了组合200，其根据本发明并且包括第一(或“初级”)运动发生器202和第二(或“次级”)运动发生器204(其是根据本发明的运动发生器并且大体如上关于图1-3所述)。组合200安装在通常是建筑物地面的平的表面201(未示出)上。初级运动发生器202是简单的X和Y框架布置，包括下框架206和上框架210，下框架206包括下框架构件207、208。下框架构件208支撑电动机212，其可以在来自控制系统205(例如如图4所示)的指令下操作，以沿X方向移动框架210。类似的电动机214相应地布置在框架210上，以在来自控制系统205的指令下沿Y方向移动该框架。安装在初级运动发生器202上的次级运动发生器204(其是根据本发明第一方面的运动发生器)包括摇杆(直接安装在初级运动发生器的上框架元件211上，即其安装在表面201上方的平面中)，摇杆可驱动地连接到致动器(包括电动机，以及细长带，其附接到摇杆的可移动端，其绕过绞盘，所有绞盘被外壳遮挡)，并连接到细长刚性支柱。细长支柱在一端处通过下接头连接到相关联的摇杆的自由端，并且在其另一端处通过上接头连接到末端执行器/有效载荷219。当电动机217在来自控制系统的指令下操作时，其驱动从动绞盘，进而驱动带以移动相关联的摇杆。摇杆绕水平枢转轴线枢转，摇杆臂描绘出垂直弧线。摇杆的移动使相关联的支柱移动，以使末端执行器/有效载荷219沿X和Y方向运动，并且允许垂摇、垂荡和纵摇运动。组合200的优点在于，初级运动发生器202相对便宜，但在X和Y方向上提供良好的偏移范围，而次级运动发生器204提供更高的带宽和更低水平的惯性和摩擦，这增加了赋予有效载荷的运动的精确度。虽然在组合中初级运动发生器是简单的X和Y框架布置，但例如在WO2020/249262中通常描述的提供X、Y偏移以及无限垂摇能力(即绕Z轴旋转)的更复杂初级运动发生器也可以用在组合中。

驾驶模拟器

图10示出了根据本发明的驾驶模拟器300。驾驶模拟器300包括运动系统，其包括例如以上关于图1至图4所述的根据本发明的运动发生器304或包括如上所述的本发明的运动发生器的组合。运动发生器具有底盘305作为执行器有效载荷。运动系统302安装在投影系统307前面的表面306上，在投影系统307上可以显示驾驶环境的图像(投影系统构成环境模拟装置的示例)。音频系统(未示出)向用户提供复制驾驶环境的声音的声音，构成环境模拟装置的另一示例。驾驶模拟器300的运动发生器304在控制系统308的指令下操作(例如如上关于图4所述)。

与用于此类应用的已知运动发生器相比，在如本实施例中所述的驾驶模拟器中使用的根据本发明的运动发生器可以在若干方面的一些或全部方面是有利的。特别值得注意的是，对于图6和图7所示的结果表示的占用空间如此紧凑的运动发生器，在水平和垂直维度上的偏移程度很高。此外，由于a)使用旋转接头或旋转轴承而非线性轴承用于反作用重量和惯性负载，b)省略了循环滚珠丝杠线性致动器，其可以在其运动部件内具有低水平的摩擦。此外，其可以具有低惯性，特别是在使用旋转电动机的情况下。此外，其可以在多于一个自由度上具有通常优于50Hz的高带宽。在一些实施例中，其可以具有比50Hz明显更高的带宽，例如80Hz、90Hz、100Hz或更大。这些特性意味着如上所述驾驶模拟器具有低延迟(小于或等于3-4ms)，避免或最小化其他驾驶模拟器、尤其是明显更昂贵的驾驶模拟器所需的延迟校正的需要。

运动系统的生产方法

根据本发明的包括运动发生器、例如如上所述的那些和控制装置的运动系统可以由例如如上所述的定制的和标准的部件通过常规工具组装而成。特别地，可以通过将根据本发明的运动发生器与如上关于图4所述的控制系统连接来生产运动系统。

Claims (29)

1.一种用于向运动发生器的执行器和/或执行器有效负载施加力、力矩和运动的运动发生器，执行器相对于表面布置，执行器连接到多个细长刚性支柱，每个细长刚性支柱在其一端处通过第一接头连接到执行器并且在其另一端处通过第二接头连接到相关联的摇杆，摇杆具有大体平行于表面的枢转轴线，使得摇杆绕枢转轴线移动经过大体垂直的弧线导致执行器的运动，并且施加到相关联的摇杆的力导致力施加到执行器，其中摇杆的移动和由摇杆施加的力由致动器控制，致动器为细长带、缆绳或绳索驱动件的形式或包括细长带、缆绳或绳索驱动件，其通过任一端连接到相关联的摇杆以将力施加到相关联的摇杆上远离摇杆的枢转轴线的点，运动发生器还包括用于在相关联的摇杆移动期间使细长带、缆绳或绳索驱动件张紧的张紧装置。

2.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中每个摇杆的枢转轴线与表面平行。

3.根据权利要求1或2所述的运动发生器，其中每个摇杆的枢转轴线是水平的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中当致动器和/或摇杆处于标称状态时，致动器和摇杆的至少一者、优选地两者布置成与相关联的细长刚性支柱的纵向轴线平行或成直线。

5.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中致动器和摇杆的至少一者、优选地两者与相关联的细长刚性支柱的纵向轴线同轴地移动。

6.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中致动器的细长部分穿过由相关联的摇杆臂限定的孔或者在摇杆臂的外缘内穿过，由此在运动发生器的操作期间摇杆臂和细长部分相对于彼此移动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中执行器的最大纵向偏移大于底盘臂半径的25％。

8.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中执行器的最大纵向偏移大于底盘臂半径的40％。

9.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中执行器的最大纵向偏移为底盘臂半径的约50％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中执行器的最大横向偏移大于底盘臂半径的25％。

11.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中执行器的最大横向偏移大于底盘臂半径的40％。

12.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中执行器的最大横向偏移为底盘臂半径的长度的约50％。

13.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中最大垂直偏移大于底盘臂半径的15％。

14.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中最大垂直偏移大于底盘臂半径的30％。

15.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，包括四个或更多个、优选地六个细长刚性支柱。

16.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中具有布置成三对的六个支柱，每个支柱在其相应端的一个处与相关联的摇杆连接，并且成对支柱的另一相应端连接到执行器的三个安装点或接头。

17.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中每个第一接头和第二接头一起具有至少五个的自由度总数。

18.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中第一接头或第二接头之一包括万向接头、卡当节、或球形接头、旋转接头或弯曲件，而另一个是万向接头、球形接头、卡当节、或旋转接头或与旋转接头串联的弯曲件。

19.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，其中细长带、缆绳或绳索驱动件由绞盘致动。

20.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，包括被动力施加装置，其作用在相关联的摇杆上以反作用于有效载荷/末端执行器的重量，从而辅助相关联的致动器以将有效载荷/末端执行器支撑在标称状态。

21.根据前一权利要求所述的运动发生器，其中被动力施加装置包括连接到相关联的摇杆的弹力绳、拉伸弹簧或气动支柱。

22.根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器，具有在0.3-0.5范围的运动比。

23.一种组合，包括布置成共同操作的初级运动发生器和次级运动发生器，其中初级运动发生器或次级运动发生器是根据前述权利要求中任一项所述的运动发生器。

24.根据前一权利要求所述的组合，其中次级运动发生器是根据权利要求1至24中任一项所述的运动发生器。

25.根据前一权利要求所述的组合，其中初级运动发生器包括框架，并且次级运动发生器的摇杆的至少一个通过水平枢转轴线可枢转地安装到初级运动发生器的框架。

26.一种运动系统，包括至少一个根据权利要求1至22中任一项所述的运动发生器或至少一个根据权利要求23至25中任一项所述的组合，以及控制系统。

27.一种驾驶模拟器，包括根据权利要求1至22中任一项所述的运动发生器、根据权利要求24至26中任一项所述的组合或根据权利要求26所述的运动系统，以及至少一个选自视觉投影或显示装置的环境模拟装置，以及音频装置。

28.一种游戏机，包括根据权利要求1至22中任一项所述的运动发生器、布置成控制运动发生器的控制系统以及用于显示游戏场景的视觉显示器。

29.一种生产根据权利要求1至22中任一项所述的运动发生器的方法，所述方法包括提供相对于表面适于向有效载荷施加力、力矩和运动的执行器，连接到四个或更多个细长刚性支柱，将每个支柱在其一端处通过第一接头连接到执行器并且在其另一端处通过第二接头连接到摇杆，摇杆具有固定的水平枢转轴线，使得摇杆的运动导致执行器的运动，并且施加到摇杆的力导致力施加到执行器，并且其中摇杆的运动和由摇杆施加的力由致动器控制，致动器布置成向摇杆上远离摇杆的枢转轴线的点施加力。