CN1322479C

CN1322479C - 运动模拟器

Info

Publication number: CN1322479C
Application number: CNB001362208A
Authority: CN
Inventors: 金义锡
Original assignee: Individual
Current assignee: West Forest Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: CN1357397A

Abstract

本发明公开了一种改进的运动模拟器，它在利用重力产生运动感觉的过程中通过消除发生不希望的运动感觉产生更接近实际状况的运动感觉。该运动模拟器包括：一个固定构架；一个可移动构架，该可移动构架沿着重力方向设置在所述固定构架下方，并具有一个安装在其底表面上的乘客舱；以及设置在所述固定构架和所述可移动构架之间的驱动装置，该驱动装置转动地或线性地移动所述可移动构架。

Description

运动模拟器

本发明涉及一种运动模拟器，更具体地，涉及一种改进的运动模拟器，在这种运动模拟器中，消除了在利用重力产生运动感觉的过程中发生所不希望的运动感觉，并因此可以产生与实际状态更相似的运动感觉。

通常，运动模拟器是指模拟诸如飞机或汽车等物体的运动以使人们在有限空间内体会到运动感觉的装置。

作为一种如上所述的一般运动模拟器，一个6自由度运动模拟器100显示在图1至3B中，其中，一个可移动构架120由六个致动装置131，132，133，134，135和136驱动。

如图1所示，现有的6自由度运动模拟器100具有这样一个结构，该结构包括一个固定构架110、一个可移动构架120和多个致动装置131，132，133，134，135和136。

所述固定构架110固定地安装在地面(重力场)上。所述可移动构架120设置在固定构架110的重力方向上方。一个乘客舱140设置在所述可移动构架120上表面上。

所述多个致动装置131，132，133，134，135和136设置在固定构架110和可移动构架120之间。电动、液压或气动致动装置通常用作所述的每个致动装置。

所述每个致动装置131，132，133，134，135和136通过相应一对万向节131a和131b，132a和132b，133a和133b，134a和134b，135a和135b以及136a和136b在其端部可转动地被连接。

具有上述结构的现有6自由度运动模拟器100通过驱动多个致动装置131，132，133，134，135和136并因而移动可移动构架120使得乘客舱140中的乘客170可以体会到与实际乘坐飞机或汽车相似的感觉。

例如，对于一辆突然起动并继续加速的赛车，由于加速乘客体会到被向后拉的感觉，而且在起动后继续加速时这种感觉将会持续。

为了产生这种感觉，运动模拟器100驱动多个致动装置131，132，133，134，135和136，并首先使可移动构架120向前加速，如图2A所示。在上述情况下，乘客舱140中的乘客170由于惯性力而体会到来自后方的拉拽感觉。

但是，由于运动模拟器100的运动范围有一个限度，已被加速并向前运动的可移动构架120立即落入该限度内。此时，如图2B所示，当可移动构架120的前部被升起时，乘客170由于重力继续体会到所述感觉。

另一方面，作为另一示例，对于一辆沿着大弯道转弯的汽车，由于离心力乘客体会到向弯道外侧方向推动的感觉，而且当继续进行转弯时乘客持续地体会到这种感觉。

为了产生这种感觉，运动模拟器100驱动多个致动装置131，132，133，134，135和136，并首先使可移动构架120向侧向加速，如图3A所示。在上述情况下，乘客舱140中的乘客170由于惯性力而体会到沿着相反方向被推动的感觉。

但是，也是对于这种情况，由于运动模拟器100的运动范围有一个限度，已被加速并向侧向运动的可移动构架120立即落入该限度内。此时，如图3B所示，当可移动构架120的运动方向侧被升起时，乘客170继续体会到所述感觉。

另一方面，在图4-6中，作为现有运动模拟器的另一示例，显示了一个3自由度运动模拟器101，其可移动构架120被三个致动装置131′，132′和133′驱动。

按照图4至6，现有3自由度运动模拟器的结构与6自由度运动模拟器的结构相同，除了前者具有三个致动装置131′，132′和133′并且设置有一个单独的支撑部件150，支撑部件150限制发生不希望的向前/向后线性运动、向左/向右线性运动、以及以垂直于可移动构架120表面的上部、底部轴线为中心的转动运动。

因此，在描述3自由度运动模拟器101的结构时，相同标号用于表示与6自由度运动模拟器相同的部件，并且省略了对它们的描述。

同时，如上所述，由于可移动构架120的所有运动不能仅通过致动装置131′，132′和133′来限制，在所示现有3自由度运动模拟器101中，设置了一个单独的支撑部件150，用于限制可移动构架发生不希望的运动。

所述支撑部件150由一个安装在固定构架110上的液缸151、一个可沿着所述液缸151上下移动的活塞152、以及一个连接所述活塞和可移动构架120的万向节153构成。

在上述结构的现有3自由度运动模拟器的情况下，由于没有水平方向，即，垂直于重力方向的自由度，当如上所述地产生连续的加速运动或转动运动时，只利用了重力。

即，为了产生一种线性加速感觉，运动模拟器101驱动多个致动装置131′，132′和133′并升起可移动构架120的前部，从而使乘客170体会到向后拉拽的感觉，如图5所示。

另外，为了产生转动运动，运动模拟器101驱动多个致动装置131′，132′和133′并升起可移动构架120的一侧，从而使乘客170体会到向另一侧推动的感觉，如图6所示。

但是，按照上述结构的现有运动模拟器100，101，两种模拟器都具有这样一种结构，其中，乘客170的重心位于可移动构架120的转动中心上方。

由于上述原因，当进行从连续的线性加速或从离心运动向侧向加速时，即，可移动构架120被翘起以利用重力时，存在出现不希望的加速的问题。

这种不合适的感觉(即，力)可以用如下等式表示：

A_p＝A_v+A×R_pv+ω×ω×R_pv

其中，A_p是运动模拟器的乘客所体会到的加速矢量，A_v是运动模拟器的可移动构架的加速矢量，A是可移动构架的转动加速矢量，R_pv是在运动板上的乘客的相对位置矢量，以及ω是转动速度矢量。

这种不合适的感觉是A和R_pv矢量的叉积A×R_pv的计算值以及ω，ω和R_pv矢量的叉积ω×ω×R_pv的计算值的总和。

即，在现有运动模拟器100，101的结构中，由于乘客170的重心位于可移动构架120的转动中心的垂直上方，当开始转动可移动构架以便给乘客施加一种加速感觉时，A×R_pv矢量值变成与希望产生的加速的方向相反。

显示上述情况的曲线示于图7中。图7中的点画线表示控制基准信号，它们重复3m/s²的加速和减速，而实线表示乘坐通过输入上述信号而被驱动的运动模拟器的乘客所体会到的加速/减速。

在图7中，正如沿着基准信号变化的相反方向凸出的尖锐部分所示，与所希望推向一侧的感觉相反，乘客体会到一个向相反侧的突然引力。

这种问题的结果，如图7中的实线所示，施加了一个与所希望产生的运动感觉(图7中的点画线)相反方向的运动感觉，而且，沿着所希望的运动感觉的轨迹运动时间被延迟。这意味着乘客所经历的状况减弱。

在先前所列举的6自由度运动模拟器的情况下，由于有限的线性运动范围，如果可移动构架被转动，一发生转动运动就会出现与所希望的运动感觉相反的运动感觉。

以上以6自由度运动模拟器和3自由度运动模拟器作为两种类型的示例描述了现有运动模拟器的问题。但是，尽管程度是可以变化的，但现有运动模拟器的上述问题发生在具有不同自由度的所有运动模拟器中，这些运动模拟器的功能是利用转动和重力加速给乘客施加线性加速感觉，其转动中心位于乘客下方。

因此，本发明将要实现的技术任务，即，本发明的目的是要通过提供一种运动模拟器来解决现有运动模拟器的上述问题，该运动模拟器使得运动感觉与所希望的感觉相似，并且在利用重力产生运动感觉时通过消除所不希望的运动感觉来减少沿轨迹运动时间。

本发明的上述目的是通过提供一种根据本发明的运动模拟器来实现的，其特征在于，它包括一个固定构架、一个沿重力方向设置在所述固定构架下方并且在其底表面上安装有乘客舱的可移动构架、以及设置在所述固定构架和所述可移动构架之间并且可以转动地且线性地移动可移动构架的驱动装置。

根据本发明的运动模拟器，由于可移动构架设置在固定构架下方，乘客的重心比可移动构架的转动中心低。

即，由于即使在转动开始时A×R_pv矢量值与所希望产生的加速的方向相同，因此，具有如下优点，即使在利用重力产生加速的过程中不会出现所不希望的运动感觉，而且所希望的运动感觉沿轨迹运动的时间减少。

图1是现有6自由度运动模拟器的一个示例的结构示意图；

图2A和2B是显示图1的运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；

图3A和3B是显示图1的运动模拟器的转动感觉产生过程的示意图；

图4是现有3自由度运动模拟器的一个示例的结构示意图；

图5是显示现有3自由度运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；

图6是显示现有3自由度运动模拟器的转动感觉产生过程的示意图；

图7是一个曲线图，显示了通过输入重复3m/s²的加速/减速的控制基准信号来驱动现有运动模拟器，以及由乘坐模拟器的乘客所体会到的加速/减速感觉；

图8是根据本发明一个实施例的6自由度运动模拟器的结构示意图；

图9A和9B是显示根据本发明一个实施例的运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；

图10A和10B是显示根据本发明一个实施例的运动模拟器的转动感觉产生过程的示意图；

图11是根据本发明另一实施例的3自由度运动模拟器的结构示意图；

图12是显示根据本发明一个实施例的3自由度运动模拟器的加速感觉产生过程的示意图；

图13是显示根据本发明一个实施例的3自由度运动模拟器的转动感觉产生过程的示意图；以及

图14是一个曲线图，显示了通过输入重复3m/s²的加速/减速的控制基准信号来驱动本发明的运动模拟器，以及由乘坐模拟器的乘客所体会到的加速/减速感觉。

以下将参照附图对本发明的优选实施例进行描述。

在附图8-10B中显示了根据本发明一个实施例的运动模拟器。所示运动模拟器200是一个6自由度运动模拟器，其中，可移动构架220由六个致动装置231，232，233，234，235和236驱动。

按照图8，作为本发明一个实施例的6自由度运动模拟器200包括一个固定构架210、一个可移动构架220和多个致动装置231，232，233，234，235和236。

所述固定构架210安装成使得它相对于地面(重力场)被固定。所述可移动构架220设置在固定构架210的垂直下方。在所述可移动构架220下方设置有一个乘客舱240。

所述多个致动装置231，232，233，234，235和236设置在固定构架210和可移动构架220之间。所述每个致动装置231，232，233，234，235和236可以是电动、液压或气动致动装置。

所述每个致动装置231，232，233，234，235和236通过相应一对万向节231a和231b，232a和232b，233a和233b，234a和234b，235a和235b以及236a和236b在其端部可转动地被连接。

根据本发明一个实施例具有上述结构的6自由度运动模拟器200通过驱动多个致动装置231，232，233，234，235和236并因而移动可移动构架220使得乘客舱240中的乘客270可以体会到与实际乘坐飞机或汽车相似的感觉。

例如，为了产生连续加速感觉，运动模拟器200驱动多个致动装置231，232，233，234，235和236，如图9A所示，并首先使可移动构架220向前加速。在上述情况下，乘客舱240中的乘客270由于惯性力而体会到来自后方的拉拽感觉，并且随后当可移动构架220的前部被升起时，如图9B所示，乘客270由于重力而继续体会到所述感觉。在升起可移动构架220前部的同时开始转动运动，但是，此时由径向加速产生的惯性力与产生所述感觉的惯性力的方向相同。因此，与现有运动模拟器不同，没有朝着相反方向的所不希望的运动感觉，而且在本发明中，通过适当调节转动径向速度，惯性力可被控制到所需的大小。

此外，作为另一实施例，为了通过离心力产生转动感觉，运动模拟器200驱动多个致动装置231，232，233，234，235和236，如图10A所示，并首先使可移动构架220向侧向加速。

在上述情况下，乘客舱240中的乘客270由于惯性力而体会到沿着所述运动的相反方向被推动的感觉，并且随后当可移动构架220的运动方向侧被升起时，如图10B所示，乘客270继续体会到所述感觉。而且此时，在可移动构架220运动方向侧被升起的同时开始转动运动，但是，由径向加速产生的惯性力与产生所述感觉的惯性力的方向相同。因此，与现有运动模拟器不同，没有朝着相反方向的所不希望的运动感觉，而且在本发明中，通过适当调节转动径向速度，惯性力可被控制到所需的大小。

另一方面，在图11-13中显示了根据本发明另一实施例的运动模拟器201。所示运动模拟器201是一个3自由度运动模拟器，其中，可移动构架220由三个致动装置231′，232′和233′驱动。

按照图11至13，根据本发明另一实施例的3自由度运动模拟器201的结构与根据本发明一实施例的6自由度运动模拟器200的结构相同，除了前者具有三个致动装置231′，232′和233′并且设置有一个单独的支撑部件250，支撑部件250限制发生所不希望的运动。

因此，在描述根据本发明另一实施例的3自由度运动模拟器201的结构时，相同标号用于表示与6自由度运动模拟器200相同的部件，并且省略了对它们的描述。

如上所述，由于可移动构架220的所有运动不能仅通过根据本发明另一实施例的3自由度运动模拟器201中的致动装置231′，232′和233′来限制，设置了一个单独的支撑部件250，用于限制可移动构架220发生所不希望的运动。

所述支撑部件250由一个安装在固定构架210上的液缸251、一个可沿着所述液缸上下移动的活塞252、以及一个连接所述活塞和可移动构架220的万向节253构成。

在根据本发明另一实施例的上述结构的3自由度运动模拟器201的情况下，由于没有水平方向，即，垂直于重力方向的自由度，当如上所述地产生连续的加速运动或转动运动时，只利用了重力。

即，为了产生一种线性加速感觉，运动模拟器201驱动多个致动装置231′，232′和233′并升起可移动构架220的前部，从而使乘客270体会到向后拉拽的感觉，如图12所示。在升起前部开始时由径向加速产生的惯性力是与所述运动感觉的方向相同，而且当转动径向速度的大小被适当调节时，可在控制范围内获得所需的惯性大小。

另外，为了产生转动运动，运动模拟器201驱动多个致动装置231′，232′和233′并升起可移动构架220的一侧，从而使乘客270体会到向另一侧推动的感觉，如图13所示。在升起一侧开始时由径向加速产生的惯性力是与所述运动感觉的方向相同，而且当转动径向速度的大小被适当调节时，可在控制范围内获得所需的惯性大小。

按照根据本发明的上述运动模拟器200，201，由于两种运动模拟器的可移动构架220都设置在固定构架210下方，因此，乘客270的重心位于可移动构架220的转动中心下方。

即，由于A×R_pv矢量值与所希望产生的加速的方向相同，因此，即使在利用重力产生加速感觉的过程中，不会产生朝着相反方向的所不希望的加速感觉，而且所希望的运动感觉沿轨迹运动的时间可以减少。

显示上述情况的曲线示于图14中。图14中的点画线表示控制基准信号，它们重复3m/s²的加速和减速，虚线表示乘坐通过输入上述信号而被驱动的现有运动模拟器的乘客所体会到的加速/减速，而实线表示乘坐通过输入上述信号而被驱动的本发明运动模拟器的乘客所体会到的加速/减速。

根据该曲线，在本发明运动模拟器的情况下，没有象在现有运动模拟器情况下的沿着基准信号变化相反方向尖锐地凸出的部分。这意味着不会体会到所不希望的运动感觉，结果，这意味着将要产生的运动感觉(图14的点画线)沿轨迹运动的时间减少，如图14中实线所示。此外，在乘坐一个实际运动模拟器的情况下，两种类型的感觉在运动真实性方面显示有较大的差别。即，在运动模拟器的性能方面显示有较大差别。

应理解的是，尽管已参照显示本发明优选实施例的附图对本发明进行了详细描述，但本发明不局限于所述实施例。在不脱离本发明权利要求书总的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以多种方式对本发明进行明显的修改。

Claims

1、一种运动模拟器，包括：

一个固定构架；

一个可移动构架，该可移动构架沿着重力方向设置在所述固定构架下方，并具有一个安装在其底表面上的乘客舱；以及

设置在所述固定构架和所述可移动构架之间的驱动装置，所述驱动装置转动地且线性地移动所述可移动构架。

2、如权利要求1所述的运动模拟器，其特征在于，所述乘客舱沿着重力方向设置在所述可移动构架下方，使得在所述乘客舱中的乘客的重心沿着重力方向比所述可移动构架的转动中心低。