专利名称：模拟器的改进的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于低成本地模拟坐在车辆中的旅行者体验到的运动感觉而不产生这种运动的改进的模拟装置。
为了在飞行模拟器中产生主观的运动感觉，人们知道采用在多个挠性的外壳或垫中调节流动压力。在US-A-4059909中，以及在本申请人拥有的共同未审定的申请PCT/GB93/01788中，人体被支承在一个由气压撑起的支承表面上。该支承表面的区域可承载一系列垫，使垫的气压变化可改变人体接触该表面的方式，可检测出该表面坚硬或柔软。在垫中使用的气压一般大约为0.1巴，这使气垫支承柔软。在垫中的一种特殊材料具有随压缩变化的强的硬度梯度，因而提供了实际上变化的硬度，因而通过改变垫中的气压，人体被上述材料支承的程度可被改变，从而可以控制支承表面的表观硬度。本文中所用的术语，材料的“硬度”是指随着人体突入该表面，反抗力增加的速率。
大家知道，大脑解释皮肤接触的表面硬度，部分是作为上述表面正向皮肤施加的力的度量。另外，人们知道力产生加速度，而加速度的感觉是事先有某些线索的，例如，与人体接触的表面的表观硬度的增加。因此，与其它模拟如视觉上的或听觉上的模拟同步，通过布置施加适当的硬度变化模型可以产生模拟运动感觉的虚假感觉。这些错觉是飞行模拟器“g座位”的基础，“g座位”是过去研制出来的，具体来说，是由Kron研制并在他的上面提及的美国专利中描述。
人们已经知道上述装置具有几个缺陷。一个重大的潜在问题在于，电子信号产生真实的物理效应所需要的时间。虽然采用电磁致动器驱动的活塞可产生显著的改进，但是，气体的干预质量的热力学性质会妨碍这种作用的迅捷和精确。
另外，这种座位的操作会导致奇怪的、某种程度上非真实的感觉。这是由于在没有真实的加速度变化时，人体压力对不同硬度区域的传递具有副作用，凡是当坐着座位的人进行任何无意识的运动时，这种副作用都可引起坐垫接触区的自动补偿。其结果是座位区域本身感觉起来是“活的”。
不真实的第二个原因是没有伴随作用在与支承面接触的人体上的真实侧向加速力而发生的对衣服的“摩擦”和“牵拉”。实际上，人体在经历在路面上的拐弯力时倾向于在接触表面上滚动或滑动，同时衣服和皮肤有一种横向“牵拉”的感觉，这是人脑认识到的一种预期。
因此，Kron提出，除了压力垫硬度调节器以外，座位的表面-特别是座位平板的表面-应该设计得可在适当的方向上稍许移动，以便寻求对摩擦”暗示的模拟。
另外，与在模拟器座位中采用充气压力垫相关还存在一些实际困难。垫面未受到良好的保护，因而容易意外或故意地被刺穿。一个质量合理的座位需要大量的座垫，每个座垫都与气密密封件相关，因此到时不可避免地会发生空气泄漏。在可能使用这种模拟座位的娱乐场所中，这就意味着会面临高昂的维修费用。在家庭中，没有中央空气供给源可供这种机器使用，因而每个模拟器座位就不得不配备自己的压缩机。但是，如果泄漏(不可避免地)会形成的话，压缩机就必须在设备使用的大部分时间内运转，从而发出不可接受的噪音，并迅速磨损。
以前的模拟器座位的结构借助压力垫提供硬度调节，或者直接提供真实的座位运动，或者对座位的总运动附加压力垫系统，例如，在飞机训练模拟器上那样。
本发明的目的是提供一种模拟器，它不依靠压力垫硬度调节器(虽然也可选装这种调节器)，也不包括公知模拟器的总的物理运动。在本发明中，对其施加(有限)座位运动的模拟器座位设有下述装置，即，这种装置产生附加的暗示，这种暗示给使用者提供了运动的感觉，而不需要进行除了很小暗示运动以外的实际运动。
按照本发明的一个方面，提供模拟运动的设备，包括一个支承面，该支承面能够围绕至少一根轴线至少有限的转动位移，也可以选择地在与所述一根轴线成横向的方向上平动，以便向该支承面所支承的使用者提供模拟的运动感觉。
按照本发明的另一个方面，提供一种模拟运动的方法，引起一支承面相对于被支承的使用者的位移，在使用者和支承面之间的相对运动的方向上，作为被模拟运动的结果。
上述运动往往是在与模拟运动的方向相反的方向上，所述模拟运动用来引起使用者和作为该运动的结果而发生的表面之间的相对运动。例如，为了形成在路上向左转的感觉，支承面向右向下倾斜，因而使用者体验一种相对于座位向右滑动的微小倾向，部分有左转的主观感觉。
在本发明的一个推荐实施例中，支承面进一步设有用于与围绕或与所述一根轴线成横向的位移同步地改变支承面表观硬度的装置，从而影响支承在所述表面上的使用者对表观运动的感觉。
最好设置一个第一辅助支承面，该第一辅助支承面可与支承在所述支承面上的使用者的一部分接触，并且至少在所述与所述一根轴线成横向的方向上可相对于所述支承面位移。同样，所述第一辅助支承面最好也可在至少一个基本与所述横向成横向的方向上相对于所述支承面位移。
在本发明的实施例中也可以具有至少一个第二辅助支承面，该第二辅助支承面倾斜于所述支承面，并且可以随其围绕所述至少一根轴线和/或在所述与所述一根轴线成横向的方向上位移。
在一个模拟座位中，例如，第二辅助面可以是一个侧表面，当支承面倾斜和/或侧移时，使用者的臀部可靠在该侧表面上，从而进一步给使用者暗示以加强表观运动的感觉。
也可以设置一个第三辅助面，该第三辅助面与所述支承面间隔开来，并且可以在至少一个与所述支承面的位移相关的方向上的至少两个方向感上平动位移。
如果所述支承面和/或所述第一辅助支承面和/或所述第二辅助支承面具有改变其表观硬度的装置，那么就可以提供增强表观运动感觉的另一个暗示。在具有这种特征的实施例中，所述用于改变所述支承面和/或辅助支承面的表观硬度的装置最好可以工作以改变所述支承面和/或辅助支承面的总面积的一个有限区域的表观硬度。
在本发明中，一个具有至少三个自由度轴线的运动底座可装在模拟器座位的结构中，因而座位凹盘(seat pan)可以相对于座位的固定部位移动一个小的距离及移动一个小的角度，座位凹盘的这些运动可用于引起座位表面的表观硬度的同时的或协调的变化，例如，这可以通过改变硬的凸起伸入座垫本体中的程度来实现，座位凹盘也可以设有用于支承座位占据者的静载的其它装置。显然，在上述系统中产生的硬度变化应在正确的方向上使占座者确信座位正在反抗占座者身体的惯性而运动。这种技术也可产生皮肤张紧的适当感觉。
现在对照以下附图更具体地描述本发明的各实施例。
图1表示可用在本发明结构中的那种三轴线运动底座；图2是公知的硬度调节系统的横剖图；图3是可用在本发明实施例中的另一种硬度调节系统的横剖图；图4是可用于引起装在本发明实施例中的座位凹盘的运动的一组三个线性致动器的示意图；图5的横剖图表示本发明另一个实施例的主要构件；图6的横剖图表示另一种支承系统；图7是支承面的示意平面图，表示其上可使用的一些致动器的位置；以及图8是作为本发明一实施例形成的座位的示意侧视图。
现在参阅附图，具体参阅图1，图中表示在我们的共同尚未审定的英国专利申请第9709737号中描述的一个平台，上述申请的技术内容包括在本说明书中作为参考，该平台包括一个上部平台2，该上部平台可相对于一个静止平台1借助致动器3围绕俯抑和滚动轴线运动，上述致动器可以是我们的几个共同尚未审定的申请之一如PCT/GB9B/00495或PCT/GB9B/03088中所描述的那种电磁致动器。中央构件5可以用作静载的支承件，也用作一种限制构件，以便防止上部平台扭转、或者被侧向位移，也可实现平行于偏转轴线(上升)的线性运动。
在本发明中，座位凹盘的下表面可以被认为是类似结构的上部平台2，可被小型致动器3相对于座位1的静止部分移动。
图2表示现有技术压力垫硬度调节器的基本原理。座位的占据者的一部分身体表面处于或压靠在以可变压力注有空气的膜面上(在该图中可变压力可以借助活塞及其所连接的腔来变化)。通过改变皮肤与下面的硬表面接触的面积的相对比例来调节硬度。可以认为，座位占据者借助上述装置从硬表面上括起或降向硬表面。
图3表示在本发明的某些实施例中采用的调节硬度的另一种方法，上图表示系统处于其最软的支承状态中，其中占座者被支承在或抵靠在相对较厚的垫面30上，所述垫面将力传向构成座位凹盘底座的硬下板32。座位凹盘的板32是运动平台的活动构件。该板有多个孔，硬凸起34从固定下表面35穿过这些孔。
假设承载垫的板32降低，象在中图中所示那样，显然垫将变得较硬，这是由于现在是凸起34的顶部的下支承面的有效面积减小，使垫30更受压缩。给人的感觉是座位已被向上推入垫30中，不过实际发生的情况是逆向的。
现在假设座位凹盘30倾斜一个小的角度，如下图所示，显然占座者的屁股在向下倾斜的方向上将经受增加的硬度，而在相反的方向上则经受减小的硬度。显然，占座者将感受到这种运动的正确的滚动和皮肤的剪切感，又一次产生座位在相反方向上移动的感觉。
因此，仅靠着座位凹盘上的倾斜就可以在正确的方向上同时产生硬度调节和侧向滑动的感觉。没有采用压力垫。甚至在这种不采用压力调节的实施例中，稍许的倾斜，可伴随从倾斜方向的侧移或平动，足以提供由设备所模拟的被感觉的运动的心理暗示。
图4表示用于产生座位凹盘的轴线运动的三个致动器的布置情况。这些致动器构成一个三角形，在坐骨端部(ischial probosces)区域，后部有两个致动器，在座位凹盘前部有一个致动器。座位凹盘支承在座位结构静止部分上方一个小距离处。显然，致动器41并未受到强制，以便装配在这个空间中，但是可以方便地向下伸入下部板下面的空腔中，并且如必要可以是倾斜的。
图5表示座位占据者的静载可以受到支承的方式之一。显然，如果使用电磁致动器，那么，必须借助非电磁力的装置来支承静载，以便减少所消耗的功率。图5表示如我们的共同尚未审定的申请GB9709737.0中所述的一种中央设置的充气膜盒51。该充气膜盒不必是圆形的，而是可以仿照活动的板的周边形状。或者，也可以采用机械弹簧或一组适当的高压氮气气柱。大型膜盒51可以由小型泵或由手动螺纹张紧装置调节的机械系统(未显示)来充气，以便适于支承占座者的重量。
图6表示另一种低成本的支承装置，其中，分开两表面的空腔(在升高的硬度调节柱和致动器本身之间)填充弹性的密封泡的塑料泡沫61。
图7是座位主要部分的平面图，表示在(实际向内倾斜的)支承件56上设有侧垫55，支承件56支承在占座者的大腿的外表面上。显然，当座位凹盘向一侧倾斜时，在该侧大腿上的压力增加，在另一大腿上的压力减小，这是与正在模拟的加速度相适应的。同样，座位凹盘的垂向运动借助楔作用在大腿上会产生适当的感觉。该图也表示垫55的靠背56，占座者的重量的一部分借助该靠背受到支承。在座位的更为精心的设计的变型中，多个小型致动器(未画出)可装配在靠背上，以便在背部支承垫的区域中驱动硬度调节器，从而模拟强的向前或制动加速度。
同样，借杠杆反向适当联结于座位凹盘的运动，也可以产生靠背的小运动。例如，模拟制动动作或负的速度波动，可以布置座位凹盘的前倾以引起座位背部的小的向后倾斜。同样，模拟强的向上的波动，可以布置座位凹盘的向下运动，以便产生座位背部的小的向上运动，等等。
图8是座位的侧视图，表示保证占座者牢靠地坐在位置上，以及双脚外伸使踵部靠在带有垫51的抬高的搁脚装置52上所必须的小的向后的角度。一个小型致动器(未画出)可以用来将车辆振动的感觉通过搁脚装置传至足部，以便增强活动座位的幻觉。
虽然在本说明书中未作详细说明，但是，座位安全带的张力显然也是以适当方式且与座位的其它运动同步地受到调节的。
通过相对于座位32移动凸起34也可模拟硬度调节，从而改变垫30的表观硬度而无需使座位凹盘倾斜。
权利要求
1.模拟运动的设备，包括一个支承面，该支承面能够围绕至少一根轴线至少有限的转动位移，也可以选择地在与所述一根轴线成横向的方向上平动，以便向该支承面所支承的使用者提供模拟的运动感觉。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述支承面还设有用于与围绕或与所述一根轴线成横向的位移同步地改变支承面的表观硬度的装置，从而影响在所述支承面所支承的使用者的部分上的表观运动感觉。
3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于还包括一个第一辅助支承面，该第一辅助支承面能够被支承在所述支承面上的使用者的一部分所接触，并且可以至少在与所述一根轴线成横向的所述方向上相对于所述支承面位移。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于所述第一辅助支承面也可以在基本与所述横向成横向的至少一个方向上相对于所述支承面位移。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于还包括至少一个第二辅助支承面，所述第二辅助支承面倾斜于所述支承面，并且可以围绕所述至少一根轴线和/或在与所述一根轴线成横向的所述方向上随所述支承面位移。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于还包括一个第三辅助支承面，所述第三辅助支承面与所述支承面间隔开来，并且可以与所述支承面位移相关地在至少一个方向上的至少两个方向感(directionalsenses)上平动位移。
7.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面和/或所述第一辅助支承面和/或所述第二辅助支承面和/或所述第三辅助支承面的转动和/或线性位移是借助电磁致动器实现的。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述电磁致动器是线性致动器和/或线性马达。
9.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面相对于一个固定框架安装，以便围绕至少两个正交轴线运动位移及相对于上述至少两个正交轴线线性平动位移。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于所述第一表面可相对所述固定框架以六自由度位移。
11.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面和/或所述第一辅助支承面和/或所述第二辅助支承面具有用于改变其表观硬度的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于所述用于改变所述支承面和/或辅助支承面的表观硬度的装置用于改变在所述支承面和/或辅助支承面的总面积的有限区域的表观硬度。
13.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面是一个可压缩的构件的上表面，设有一个下侧的不可压缩的构件，该不可压缩的构件在比所述可压缩的构件的全部面积小的面积上延伸，并且可以与所述支承面至少围绕所述一根轴线的运动相关地相对于所述可压缩构件相对位移，从而与所述可压缩构件的转动和/或线性位移相关地改变所述可压缩构件的压缩状态。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于所述基本不可压缩的下侧的构件是两个构件之一，所述两个构件相对于座位表面设置，以便支承坐在座位表面上的使用者的坐骨突出部。
15.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面借助于与支承面的或支承它的一个构件的下表面区域的一部分接触的可压缩流体反抗施加的负载如坐下的使用者的负载引起的位移而保持在确定的位置上。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于所述流体的压力借助重量传感装置或借助电磁功率消耗装置而自动地变化。
17.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于通过施加负载如使用者的重量引起的所述支承面的位移受到柔顺材料或不同的柔顺材料的组合的支承。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于所述柔顺材料的柔顺性可根据使用者的重量变化。
19.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述支承面是座位结构的座位垫，所述第一辅助支承面是座位背部，所述第二辅助支承面是座位垫的相对两侧，所述第三辅助支承面是搁脚装置。
20.一种模拟运动的方法，引起一支承面相对于被支承的使用者的位移，在使用者和支承面之间的相对运动的方向上，作为被模拟运动的结果。
全文摘要
用于模拟主要是座位形式的运动的设备,具有用于为使用者提供影响使用者对表观运动,特别是持续不变运动的感觉的暗示。固定的座位框架具有一个活动座位,可围绕正交的滚动和俯仰轴线倾斜,并且可以在上升、波动和摆动方向上线性位移;所有运动小,而且最好伴随着同步的接触面区域表观硬度的变化,使用者经受小的相对位移及相对于座位的表观滑动倾向,与其它暗示同步,导致模拟真实运动的经历的解释而又不用实际涉及运动。这样可以加强传统的如气行训练的运动模拟器的效果。
文档编号A63G31/16GK1334950SQ99814909
公开日2002年2月6日 申请日期1999年11月10日 优先权日1998年11月10日
发明者菲利普·R·M·登恩 申请人:戴纳弗莱克斯发展有限公司