CN1278288C - 运动模拟器 - Google Patents

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Abstract

一种运动模拟器包括一个固定架、一个活动地连接在固定架上的活动架、一个形成在活动架的一个端部的下侧的操作室、一个用于转动活动架的第一驱动装置、以及一个设置在操作室和活动架之间的第二驱动装置、用于相对于活动架在前后方向上旋转操作室。

Description

运动模拟器
技术领域
本发明涉及一种运动模拟器，尤其是，涉及一种改进的运动模拟器，该模拟器在利用重力产生运动感觉的过程中消除了不希望产生的运动感觉，从而使产生一个与实际状态更相似的运动感觉变为可能。
背景技术
通常，运动模拟器是指一种装置，该装置模拟一个较大的空间中例如飞机或者机动车中的物体的运动，并允许乘客在一个有限的空间中感受到相似的运动感觉。
作为一个如上所述的一般的运动模拟器，一个6DOF(自由度)运动模拟器100在图1-3b中被描述，该模拟器具有一个通过六个致动器131，132，133，134，135，136驱动的活动架120。
如图1所示，现有6DOF运动模拟器100具有这样一个结构，该结构包括固定架110、活动架120和多个致动器131，132，133，134，135，136。
固定架110固定安装在地面(重力场)上。活动架120设置在固定架110的重力方向上方。一个操作室140设置在活动架120的顶面上。
多个致动器131，132，133，134，135，136设置在固定架110和活动架120之间。电力、液压、或者气动致动器通常被用作每个致动器131，132，133，134，135，136。
每个致动器131，132，133，134，135，136在两端分别通过成对的万向节131a和131b，132a和132b，133a和133b，134a和134b，135a和135b，136a和136b可旋转地连接在固定架110和活动架120。
构造成如上结构的传统6DOF运动模拟器100允许操作室140中的乘客170通过驱动多个致动器131，132，133，134，135，136从而移动活动架120具有运动的感觉，该感觉与当乘客实际乘坐在一个飞机或者机动车上的感觉相似。
例如，对于突然启动和持续加速的赛车，由于加速度乘客会具有被往后推的感觉，并且当启动后加速度一直存在时该感觉会一直持续。
为了产生这样的感觉，运动模拟器100驱动多个致动器131，132，133，134，135，136并且首先使活动架120向前加速，如图2a所示。在上述的情形下，操作室140中的乘客170由于惯性力的作用会具有被后面的力向前推的感觉。
然而，因为运动模拟器100的运动范围是有限的，加速并向前运动的活动架120很快落入该限制内。在这时，如图2b所示，当活动架120顺时针旋转时，由于重力乘客170会持续具有该感觉。
另一方面，作为另一个例子，对于沿着一个较大的曲线转向的机动车，由于离心力乘客会具有一个被向外推的感觉，并且当转向一直进行时乘客会持续具有该感觉。
为了产生这样的感觉，运动模拟器100激活多个致动器131，132，133，134，135，136并且首先向侧向加速活动架120，如图3A所示。在上述的情况下，操作室140中乘客170由于惯性力会具有被与移动相反的方向推动的感觉。
然而，同样对于这种情况，由于运动模拟器100的运动范围是有限的，已经加速并移动到侧向上的活动架120会很快落入该限制内。在这时，如图3B所示，当活动架120顺时针旋转时，乘客170会持续具有所述感觉。
在另一个方面，在图4-6中是另一个示例的传统运动模拟器，描述了一个通过三个致动器131’，132’，133’来驱动活动架120的3DOF运动模拟器101。
根据图4至图6，传统的3DOF运动模拟器101的结构与6DOF模拟器的结构相同，除了前者具有三个致动器131’，132’，133’并且具有一个独立的支撑部150，该支撑部150用来限制集中在垂直于活动架120表面的顶部、底部轴线上的所不希望产生的向前/向后线性运动、向左/向右线性运动以及旋转运动。
因此，在所述的3DOF运动模拟器101的结构中，同样的附图标记用于表示与6DOF中相同的部件，并且相关的描述被省略。
同时，如上所述，在所述的传统3DOF运动模拟器101中，因为活动架120的所有运动不能仅仅通过致动器131’，132’，133’限制，所以在此提供了一个单独的支撑部150用于限制活动架120的所不希望的运动发生。
支撑部150由一个固定在固定架110上的液压缸151、一个沿着液压缸151上下移动的活塞、以及一个连接在活塞152和活动架120之间的万向节153组成。
在构造成上述的传统的3DOF运动模拟器101的情形下，因为在水平方向上也就是垂直于重力的方向上没有DOF，当产生上述的连续加速运动或者旋转运动时，仅仅只利用了重力。
也就是说，为了产生一个线性加速的感觉，运动模拟器101驱动多个致动器131’，132’，133’并且旋转活动架120从而允许乘客170具有一个被向后推的感觉，如图5所示。
此外，为了产生旋转运动，运动模拟器101驱动多个致动器131’，132’，133’并且旋转活动架120，从而允许乘客具有一个被推向其它侧的感觉，如图6所示。
然而，根据如上所述结构的传统运动模拟器100，101，这两种模拟器都具有这样的一个结构，即乘客170的重心位于活动架120的旋转中心之上。
由于上述原因，当具有连续的线性加速度或者向侧向方向的离心运动的加速度时，也就是，当活动架120倾斜来利用重力时，会具有产生不希望的加速的问题。
这种不希望的感觉(也就是，力)可以用下面的等式进行解释。
Ap＝Av+A×Rpv+ω×ω×Rpv
其中，Ap是运动模拟器中的乘客感觉到的加速度矢量，Av是运动模拟器的移动活动架的加速度矢量，A是活动架的旋转加速度矢量，Rpv是在运动板的顶部上的乘客的相对位置矢量，ω是旋转速度矢量。
不希望的感觉是矢量A和Rpv的叉积即A×Rpv的计算值、以及矢量ω，ω，Rpv的叉积即ω×ω×Rpv的计算值的总和。其中，A×Rpv所表达的感觉是向前/向后和侧向运动中最不舒服的感觉。本发明消除加速度因子，该加速度因子与乘客所希望的加速度感觉的作用相反。
也就是，在传统的运动模拟器100，101的结构中，因为乘客170的重心垂直位于活动架120的旋转中心之上，当开始旋转活动板时，矢量A×Rpv的值变为希望产生的加速度的相反方向。
图7中的一个图表示出了上述内容。图7中的虚线表示突然停止或者在一条曲线上行驶的机动车中的驾驶者所感到的加速度，实线表示乘坐在由输入的信号驱动的运动模拟器上的乘客所感觉到的加速/减速。
在图7中，如同在参考信号变化的相反方向上伸入到负数区域内的突出部分所示，与希望被推向一侧的感觉相反，在突然改变加速度的时间内会感受到一个突然的在相反侧上的吸引力。
作为这些问题的结果，如图7中实线所示，一个在希望产生的运动感觉(图7中的虚线)的相反方向上的运动感觉被应用，此外，用于追踪所希望的运动感觉的时间被延迟。这意味着乘客的实际体验减少。
在前述中，传统的运动模拟器所存在的问题通过以6DOF和3DOF运动模拟器作为两种类型的例子进行了描述。然而，虽然问题的程度可以不一样，上述传统运动模拟器所存在的问题都会发生在所有具有不同自由度的运动模拟器上。
发明内容
本发明用于克服上述的问题，因此，本发明的一个目的是提供一种运动模拟器，该模拟器通过利用重力产生运动感觉时消除不希望的运动感觉，允许产生与所希望的感觉相似的运动感觉并且减少追踪的时间。
上述的目的通过根据本发明的一个运动模拟器获得，该运动模拟器包括固定架、活动地连接在固定架上的活动架、形成在活动架的一个端部的下侧上的操作室、用于枢转活动架的第一驱动装置、以及设置在操作室和活动架之间的第二驱动装置，用于相对于活动架转动操作室。
第一驱动装置包括连接在活动架的另一端以及固定架上的升降致动器，用于随着致动器的往复移动从而往复地枢转活动架。
第二驱动装置包括用于连接活动架与操作室的多个横摆/纵摆致动器，以及连接在操作室和活动架之间的万向节，用于限制操作室相对于活动架产生不希望的运动。
横摆/纵摆致动器成对地设置。
还具有一个位于活动架的另一端上的平衡装置，用于克服活动架上的操作室的重量。
此外，平衡装置包括设置在活动架的另一端和固定架之间的平衡弹簧。
平衡装置包括形成在活动架的另一端上的平衡块，并且其重量与操作室的重量相一致。
第一驱动装置包括连接在活动架的另一端和固定架上的第一旋转致动器，用于向上和向下枢转活动架。
第二驱动装置包括形成在活动架和操作室之间的第二旋转致动器，用于绕着第一轴和第二轴上独立地枢转活动架和操作室。
第二旋转致动器包括连接活动架和操作室的交叉轴，使得活动架和操作室可以绕着第一轴线和第二轴线上独立被枢转，第一轴线与第二轴线交叉；形成在活动架上的第一驱动电机，用于通过围绕第一轴线枢转交叉轴从而围绕第一轴线枢转操作室；以及形成在乘客操作室中的第二驱动电机，用于通过围绕第二轴线相对旋转交叉轴从而围绕第二轴线枢转操作室。
根据本发明的上述运动模拟器，因为操作室形成在活动架之下，乘客的重心位于活动架的旋转中心的下面。
换句话说，因为A×Rpv矢量与希望产生的加速度感觉的方向相同，在利用重力产生加速感觉的过程中所不希望的加速感觉被阻止，从而结果是，用于追踪所希望的运动感觉的时间被缩短，并且乘客的实际运动体验增加。
附图说明
图1为一个传统的6DOF运动模拟器的结构示意图；
图2A和2B为传统的6DOF运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；
图3A和3B为传统的6DOF运动模拟器的旋转感觉产生过程的示意图；
图4为传统的3DOF运动模拟器的结构示意图；
图5为传统的3DOF运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；
图6为传统的3DOF运动模拟器的旋转感觉产生过程的示意图；
图7为一个图表，示出了一个通过输入的快速加速度信号驱动的传统运动模拟器、以及可以被乘坐在模拟器上的乘客感觉到的加速/减速的感觉；
图8为根据本发明的一个优选实施例的运动模拟器的示意图；
图9为一个用于解释图8中的类似于机动车的加速/减速的运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；
图10为一个用于解释图8中的类似于机动车的旋转的运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；
图11为根据本发明的另一个优选实施例的运动模拟器的示意侧示意图；
图12为根据本发明的再一个优选实施例的运动模拟器的侧示意图；
图13为根据本发明的再一个优选实施例的运动模拟器的前示意图；以及
图14为显示了图12中的主要特征的分解透示意图；
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细地描述。
参照图8，根据本发明的一个优选实施例的运动模拟器包括一个固定架210、一个枢转地形成在固定架210上的活动架220、一个设置在活动架220的一个端部的下侧上的操作室230、一个用于使活动架220枢转的第一驱动装置、以及一个相对于活动架220移动操作室230的第二驱动装置。
固定架210固定安装在地面(重力场)上。固定架210包括一个位于底部的底部支撑部211，以及一个从底部支撑部211向上延伸的侧壁支撑部213。侧壁支撑部213的一个端部分成两个可枢转地支撑活动架220的端部。
活动架220在它的中间位置上可枢转地连接在固定架210的侧壁支撑部213上以便绕着枢轴215枢转。操作室230设置在活动架220的一个端部上，也就是说，在图中的上端221的下侧。
第一驱动装置包括一个连接在活动架220的对置端223和固定架210上的升降(heave)致动器240。随着升降致动器240的往复移动，升降致动器240使活动架220绕枢轴215往复枢转。如图9所示，升降致动器240两端通过接头241，242可枢转地连接在固定架210和活动架220上。升降致动器240可以为电力、液压、或者气动致动器。同样地，也可以使用一个通过电机或者减速齿轮驱动的旋转致动器。
第二驱动装置设置在操作室230和活动架220之间，相对于活动架220旋转、或向前/向后移动操作室230。这样的第二驱动装置包括多个旋转横摆/纵摆致动器250，该致动器250将活动架220连接到操作室230上。
在这提供了一对旋转横摆/纵摆致动器250。每个致动器250的两端通过万向节251，252可旋转地连接在操作室230和活动架220上。在这种情况下，致动器250也可以为电力、液压、或者气动致动器。
设置万向节263用于限制操作室230相对于活动架220出现所不希望的运动。万向节263设置在操作室230和活动架220之间。
此外，为了克服活动架220的一个端部221上的操作室230的重量，活动架220优选地包括一个设置在活动架220的对置端223上的平衡装置。平衡装置包括一个平衡弹簧270，该弹簧270连接在活动架220的对置端223和固定架210之间。
具有如上所述结构的根据本发明的优选实施例的运动模拟器通过驱动升降致动器240来移动活动架220，同时通过驱动一对横摆/纵摆致动器250而相对于活动架220移动操作室230。因此，乘客操作室230中的乘客会具有与他/她乘坐在飞机或者机动车中的相似的运动感觉。
例如，如图9所示，为了产生如同在机动车中的连续加速感觉，运动模拟器通过驱动横摆/纵摆致动器250使乘客操作室230向图9所示的左手侧加速。
通过这样，操作室230相对于位于操作室230上的万向节的旋转中心向前运动，逐渐倾斜。当操作室230开始运动时，在操作室230中的乘客感觉到他/她被惯性力向后推。然后当操作室230倾斜时，乘客会连续地感觉到他/她被重力向后推。
在另一个例子中，为了通过离心力产生如同是在沿曲线前进的机动车中的旋转感觉，如图10所示，运动模拟器驱动横摆/纵摆致动器250，因此使操作室230向侧向倾斜并加速。当运动开始时，操作室230中的乘客似乎到感觉他/她被惯性力向相反的方向推，并且当操作室230倾斜时由于重力会持续地具有在相同方向上的加速感觉。
同时，图11显示了根据本发明的一个优选实施例的运动模拟器。所述运动模拟器的特征在于它具有一个平衡块370作为平衡装置，该平衡块形成在活动架220的对置端223上，从而克服活动架220上的操作室230的重量。优选地，平衡块370的重量与操作室230的重量相一致，并且由金属材料制成。
在图11中，同样的附图标记用于表示与图8中相同的部件，并且两者的操作是一样的，因此省略对此的描述。
当升降致动器240被作为第一驱动装置用于驱动该实施例中的活动架220的枢转运动时，这仅仅只是通过一个例子的方式并用于说明的目的。其它的修改也是可能的，例如将一个齿轮(没有显示)连接到枢轴215上，并且通过电机驱动齿轮从而使活动架220枢转。
同样，应用在每个横摆/纵摆致动器250的两端上的万向节也是示例性的，因此也可以使用通常所知的接头，例如球形(boll)套接头。
同时，根据本发明的另一个优选实施例的运动模拟器将参照图12和13进行描述。参照图12和13，一个活动架320以这样的方式形成，使得活动架320的一个端部可以相对于固定架310旋转。一个操作室330活动地悬挂在活动架320的另一个端部上。
活动架320通过第一驱动装置相对于固定架310枢转。第一驱动装置可以是一个连接活动架320和固定架310的第一旋转致动器340。尤其是，第一旋转致动器340包括可旋转地形成在固定架310上用于支撑活动架320的轴341，以及形成在固定架310上从而旋转轴341的驱动电机343。
还提供了一个用于相对于活动架320独立绕着第一轴线X1和第二轴线X2旋转操作室330的第二驱动装置。第二驱动装置包括一个第二旋转致动器350，该致动器安装在活动架320和操作室330之间并且绕着轴线X1，X2独立地被驱动。尤其是，如图14所示，第二旋转致动器350包括一个用于连接的交叉轴351，从而绕着交叉的第一和第二轴线X1，X2独立地枢转活动架320和操作室330，第一驱动电机353形成在活动架320上用于围绕第一轴线X1转动交叉轴351，从而相对于第一轴线X1枢转操作室330，第二驱动电机355形成在操作室330上用于围绕第二轴线X2相对旋转交叉轴351，从而相对于第二轴线X2枢转操作室330。
交叉轴351具有两根互相交叉的轴结构，第一轴351a沿着第一轴线X1延伸，第二轴351b沿着第二轴线X2延伸。第一轴351a的两端可旋转地支撑在一个第一支架321上。第一支架321形成在活动架320的下部。第二轴351b的两端可旋转地支撑在一个第二支架331上。第二支架331形成在操作室330的顶部。为此，支架321，331互相交叉。此外，用于旋转第一轴351a的第一驱动电机353固定在第一支架321上，同时用于旋转第二轴351b的第二驱动电机355固定在第二支架331上。
根据本发明的另一个优选的实施例，具有如上结构的运动模拟器可以通过第一旋转致动器340枢转活动架320，并且还通过第二旋转致动器350绕两根不同方向的轴独立和同时地枢转操作室。
根据本发明的上述的运动模拟器，由于操作室形成在活动架的下部，乘客的重心位于活动架旋转中心的下部。
换句话说，因为矢量A×Rpv与希望产生的加速度感觉的方向相同，因此在利用重力产生加速感觉的过程中所不希望的加速感觉被阻止，并且因此，用于追踪希望的运动感觉的时间被缩短，并且乘客的移动实际体验增加。

Claims (10)

1.一种运动模拟器，包括：
固定架；
活动地连接在固定架上的活动架；
形成在活动架的一个端部的下侧上的操作室；
用于枢转活动架的第一驱动装置；以及
设置在操作室和活动架之间的第二驱动装置，用于相对于活动架枢转操作室。
2.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，第一驱动装置包括连接在活动架的另一端和固定架上的升降致动器，用于随着致动器的往复移动往复地枢转活动架。
3.根据权利要求1或2所述的运动模拟器，其特征在于，第二驱动装置包括：
连接活动架和操作室的多个横摆/纵摆致动器；以及
连接在操作室和活动架之间的万向节，用于限制操作室相对于活动架的不希望的移动。
4.根据权利要求3所述的运动模拟器，其特征在于，横摆/纵摆致动器成对地设置。
5.根据权利要求1或2所述的运动模拟器，其特征在于，还包括设置在活动架的另一端上的平衡装置，用于克服活动架上的操作室的重量。
6.根据权利要求5所述的运动模拟器，其特征在于，平衡装置包括连接在活动架的另一端和固定架之间的平衡弹簧。
7.根据权利要求5所述的运动模拟器，其特征在于，平衡装置包括形成在活动架的另一端上的平衡块，并且其重量与操作室的重量相一致。
8.根据权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，第一驱动装置包括连接在活动架的另一端和固定架上的第一旋转致动器，用于向上向下枢转活动架。
9.根据权利要求1或8所述的运动模拟器，其特征在于，第二驱动装置包括形成在活动架和操作室之间的第二旋转致动器，用于绕着第一和第二轴独立地枢转活动架和操作室。
10.根据权利要求9所述的运动模拟器，其特征在于，第二旋转致动器包括：
连接活动架和操作室的交叉轴，使得活动架和操作室可绕着第一和第二轴线独立地被枢转，第一轴线和第二轴线交叉；
形成在活动架上的第一驱动电机，用于通过围绕第一轴线枢转交叉轴从而围绕第一轴线枢转操作室；以及
形成在乘客操作室中的第二驱动电机，用于通过围绕第二轴线相对旋转交叉轴从而围绕第二轴线枢转操作室。
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