运动平台视频游戏赛车及飞行模拟器的制作方法

专利名称：运动平台视频游戏赛车及飞行模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及构造为赛车模拟器的运动平台的几何结构，并涉及具体实现此几何结 构的设备、以及具有本披露中所提出几何结构关系的运动平台所涉及的各种联接方法。
背景技术：
在这种装置中，使用质心和摆心之间的关系，向位于运动平台上的视频游戏赛车 模拟器的驾驶人员提供节能和逼真的模拟运动转换(translation)。本发明的一个要素导 致了一种改进的装置，在于将有效荷载的质心保持为接近于运动平台的摆心。具有位于装 置的摆心附近的有效荷载的质心的这种布置，使得有效荷载在其摆心上的运动有较少的能 量消耗要求。除了赛车模拟器运动平台之外，还有多种涉及模拟器的其他运动平台，这些模 拟器诸如但不局限于飞机飞行模拟器、过山车和娱乐乘坐模拟器、帆船、高速快艇及轮船驾 驶模拟器、动物骑乘模拟器、滑雪、冲浪及滑水模拟器、摩托车及自行车模拟器、坦克及军事 装备模拟器、航天器飞行、对接及着落模拟器、以及施工设备模拟器，提到的一些模拟器，它 们都可以受益于并入这里所讨论的思想、或者本说明书中所提出思想的逻辑扩展。利用运动平台的模拟赛车装置已经成为流行的娱乐活动。这己在人们当中产生了 获得具有执行能力的硬件及软件以及奖励团体动态交互情景的需求和期望，其中，所述执 行能力可以带来并提高个人享受。许多销售很宽范围的软硬件产品的公司进入了赛车和其 他活动模拟器市场。这些公司销售昂贵的、高质量的、以及高性能的模拟器部件。这种部件 和装置包括转向盘、从虚无中显现(conjuring up)驾驶人员赛车环境的固定式驾驶座舱画 面、以及带有音频输入的头盔，头盔的音频输入与由模拟器参与者参加的模拟活动或游戏 的输出相连接。同样引人注目的是踏板用具，其包括加速踏板、制动踏板及离合踏板、和转 向盘、或安装有换挡踏板的转向柱。有些模拟器中所使用的可用座椅与实际赛车中所使用 的座椅相同。对模拟器爱好者而言，仪表组，不仅模拟仪表而且数字仪表和指示灯、以及扬 声器系统，也比较容易得到。赛车仿真设备试图建立超级逼真赛车体验。全世界有许多俱乐部、车队、比赛项目和基于互联网的赛车联盟。这些联盟有数 千名参与者参与所有类型的模拟赛车和其他从属运动或运动增强活动。参与者与世界各 地的其他选手进行比赛，并与其他驾驶人员实时交互。有些软件程序和相关的响应设备 如此精密，以致驾驶人员/参与者从模拟赛车驾驶座内部就可以进行调整，诸如悬挂调整 (suspension adjustments)、发动机性能选择、传动比改变、模拟换胎(在赛车场景中模拟 中途停车)等。在通常有百万以上的人在线参与的模拟器市场中，需要一种高度开发且精密的赛 车模拟器运动平台，这种平台将硬件控制以及游戏设定与控制开关和致动器结合到单独的 设备中。赛车模拟器之所以成为昂贵装置，主要是由于运动平台中所使用的致动系统的成本造成的。这种致动系统可以是液压系统，其使用在较高管路压力下工作的储液器、泵、液 压缸、阀、以及管路。液压系统的建造比较昂贵且需要日常维护。它们还易于造成液压流体 泄漏、噪音、以及发热。在大多数情况下，这种系统都是工业设备，而通常并不用在家用消费 者市场。
运动平台设计用来提供多个自由度的运动。在特定模拟器中，自由度的数量与装 置的成本和复杂性有关。自由度越多，模拟器越复杂且越昂贵。采用这里提出的本发明，通 过提供两个真实自由度并至少模拟三个以上自由度，来限制赛车模拟器中所使用运动平台 的成本。增加的虚拟和感觉的自由度(升降、纵荡和摇摆)是两个真实自由度(纵倾和侧 倾)的分量。纵倾和侧倾运动以及定位导致由乘员感觉为加速、减速以及离心力的重力作 用在乘员上。升降、纵荡和摇摆是物理再定位运动，其由乘员直接感觉为物理再定位，并且 不需要再进行解释。从下列文章中可以收集到关于模拟器市场范围的评价。2006年2月9日的 《Machine Design》的文章“NASCAR simulators keep it real”中讨论了液压致动模拟器， 该文章的全部内容在此以引用的方式并入本文。在这篇文章中，提出了依靠电动机驱动齿 轮系统的低成本连拱式运动技术的不足。由于这种系统中的运动反向不自然地突变，可以 认为这些电动机驱动运动平台不如液压泵和致动电动机系统理想。在2007年3月4日的 纽约时报的作者为 Bernstein，V.的“Simulated RacingProvides Real Edge”的另一篇文 章中提出了通用模拟器信息。这篇文章的全部内容在此也以引用方式并入本文。为了减少详细说明书的复杂程度和长度，并且完全建立在一定技术领域的现有技 术状态，申请人在此以引用方式明确并入以下所列的材料。关于运动平台的实施方案已经发布了许多专利，诸如美国专利3967387、5919045、 5901612、6027342、和6210164。这些专利在此以引用的方式并入本文。根据37 CFR 1. 57，申请人相信以上并入的材料是“非绝对必要的 (nonessential) ”，因为引用它们是出于指明本发明的背景或说明现有技术状态的目的。然 而，如果审查员认为以上所并入材料的任意一个构成37 CFR 1. 57(c) (1)-(3)意义内的“绝 对必要材料(essentialmaterial) ”，申请人将在适用规章允许范围内修改说明书，来明确 详述以引用方式并入的绝对必要材料。

发明内容
本发明提供了一种还具有几个模拟自由度的纯二自由度运动平台。本发明的一个 方面在于通过将有效荷载的质心置于运动平台的枢轴转动中心来提高节能和运动转换的 可能性。在本发明的一种方式(iteration)中，有效荷载的质心置于固定的枢轴转动中心 附近。通过彼此接近地设置这些中心，使移动摆心上的有效荷载所需要的致动力最小化。与 有效荷载的质心不靠近于枢轴转动中心的运动平台中所使用的马力产生原动机相比，通过 最小化联接有效荷载所需的力，运动平台可以使用相对较小的马力产生原动机。这种关系 使得能够使用高效、紧凑的原动机。在一个实施例中，这些原动机可以是小型马力电动机。 这些电动机可以提供逼真的模拟器体验。使用本文中所描述的本发明构造为例如赛车模拟器的运动平台，向就座在联接的 滑撬上的座椅中的驾驶人员提供一种高度逼真的娱乐体验。滑撬枢轴转动方式安装在基座上，通过由驱动齿轮减速装置的电动机使滑撬做几个自由度的运动。本发明旨在增强与运 动平台通信的高端视频游戏，在该运动平台处，运动在通过输入至游戏机的运动来体现真 实感是比较有用的。与其他运动平台在致动方面所需要的力相比，借助于本发明，运动平台 的滑撬部使用显著低的力使其致动是可能的。通过将运动部件的质量包括玩家的质量-这 两个质量的组合体代表有效荷载，将有效荷载的中心设置成靠近于运动平台的固定位置摆 心，提供了一种非常灵敏的且功率效率比较高的运动平台。除此之外，本发明提供了一种两 轴运动平台，其具有单纯侧倾和单纯纵倾，并且还包括作为这里给出的两轴装置的几何结 构的有益结果的升降、横摆和纵荡自由度。复杂的运动平台是六轴机器，其具有独立的纵倾、偏转、侧倾、升降、横摆、纵荡运 动。对于家用消费者市场或对于低成本公用廉价游戏中心而言，这种六通道机器过于复杂， 也过于昂贵。对于实现模拟赛车体验的计划市场目标所需要的性能(这是本发明所针对 的)而言，大型六轴运动模拟器是不必要的。因此，这里给出一种两轴运动平台，带有可感 知的升降、横摆、纵荡自由度，如在六通道运动平台中所期待的那样。在提供可进入赛车和 飞行模拟器消费者市场和有所选择的商用市场进行销售的一种装置方面，所给出的几何结 构关系和益处是有用的。本文中所提出适当装备的模拟器的一种变化形式，可以在商业研 究中使用，或者作为高级训练模拟器，其低成本和低动力需求的优点，有益于用户 大众。本 文中所提出的几何结构使得能够用低成本的结构取代更复杂的机器，同时还提供实际情况 下所能找到的运动的逼真模拟。运动平台由两个主要部件构成，包括基座和滑撬部件，但并不局限于此。滑撬在基 座上方安装于支撑在支柱上的万向节上。万向节被设计和布置为位于靠近于操作者坐在滑 撬上的座椅中时的滑撬的质心。滑撬的质量和容纳在滑撬上的操作者的质量，组合代表有 效荷载。有效荷载的质心取决于操作者的质量，但在本发明的一种实施方案中，此有效荷载 的质心位于运动平台的摆心处或摆心附近。本发明提供了一种节能且具成本效益的运动平 台致动系统，该系统使用“市场有售”的电动机、齿轮箱、(或者诸如在本发明的一种变化形 式中优选的一体的电动机和齿轮箱组件)，并提供两个真实自由度，而且在可用程度上还具 有提供三个其他自由度(即升降、横摆和纵荡)的能力。本发明的一个目的是提供一种运动平台，其中支撑在该运动平台上的有效荷载的 质心靠近于该运动平台的摆心。本发明的又一目的是提供一种运动平台，其中支撑在该运动平台上的有效荷载的 质心位于该运动平台的摆心的1英寸半径内。本发明的一个目的是提供一种运动平台，其中支撑在该运动平台上的有效荷载的 质心距该运动平台的摆心的距离半径小于1英寸。本发明的一个目的是提供一种运动平台，其中支撑在该运动平台上的有效荷载的 质心距该运动平台的摆心的距离半径大于1英寸。本发明的另一目的是使运动平台滑撬的摆心位于该运动平台的滑撬部的甲板上方。本发明的又一目的是提供一种运动平台，该运动平台比其他运动平台需要较少的 能量来联接运动平台的滑撬。本发明的又一目的是提供一种赛车模拟器或飞行模拟器，其使用小马力电机和致动部件来提供两个真实自由度和三个模拟自由度，从而提供模拟车辆运动的逼真运动。本发明的一个目的是利用运动平台来模拟现场体验，这种运动平台提供接近于实 际车辆中所体验到的运动的模拟运动。本发明的另一目的是提供一种运动平台，其提供更昂贵运动平台所具有的性能特性。此外，本发明的一个优点是运动平台的滑撬通过垂直位于滑撬的水平面上方的枢轴点来支撑。本发明的又一目的是提供一种能够纵倾和侧倾的运动平台。本发明的又一目的是提供一种五轴运动平台，包括真实的纵倾、真实的侧倾、以及 模拟的升降、横摆和纵荡。本发明的一个目的是提供一种运动平台，其包括基座和安装在基座上并自基座延 伸的支柱。万向节连接在支柱的顶端。运动平台包括滑撬，滑撬具有带立柱的甲板面，立柱 安装于滑撬、并在滑撬的甲板面上方延伸。支柱顶端处的万向节连接在立柱顶端内侧的内 安装部位。根据本发明，最小化在枢轴支撑上的有效荷载所需的力的上述和其他目的、及其 所有附属的优点，可以利用包括以下操作的方法实现使有效荷载的质心位于靠近向上延 伸的支柱上的万向节的摆心，例如但并不局限于使该有效荷载的质心准确落在该万向节上 的摆心上或使其位于距该摆心三英寸半径的范围内。此外，根据本发明，在运动平台的基座上支撑滑撬的上述和其他的目的可以利用 包括以下操作的方法实现设置从基座延伸到滑撬的向上延伸的支柱，并在该支柱的上端 设置万向节。通过将支柱上端处的万向节连接至立柱，来将支柱连接至承载在滑撬上的立 柱的内部。下面在本发明的附图和详细说明书中说明这里给出的本发明的方面和应用。除非 特别说明，本说明书和权利要求中的单词和短语，给出其对本应用领域的技术人员而言是 明晰、普通和惯常的意思。本发明人充分意识到，如果需要他们可以是他们自己的词典编纂 者。就像他们自己的词典编纂者一样，本发明人明确地挑选从而在说明书和权利要求中仅 仅使用术语的明晰且普通的意思，除非它们在其他方面明确陈述，然后进一步特意详尽解 释术语的“特殊”定义并说明其与明晰且普通意思有何不同。如果没有明确说明应用“特 殊”定义，本发明人的意向和愿望则是将术语的简单、明晰和普通的意思应用于本说明书和 权利要求的解释。本发明人还意识到英语语法的标准规范。因此，如果想要进一步以某种方式描绘、 规定或限制名词、术语或短语，则根据英语语法的标准规范，这样名词、术语、或短语将特意 包括附加的形容词、说明项、或其他修饰语。不使用这样的形容词、说明项、或修饰语，则如 前所述，是想要给出这样的名词、术语或短语对本应用领域技术人员而言所熟知的明晰且 普通的英语意思。此外，本发明人完全了解35U. S. C. § 112，16的特别条款的标准和应用。因此，详细 说明书或


或权利要求中单词“功能”、“装置”或“步骤”的使用，并不想要一定程度 上表明利用35U. S. C. § 112，1f6的特别条款来定义本发明的愿望。相反，如果试图利用35U. S. C. §112，116的条款定义本发明，则权利要求将具体明确地陈述严格短语“用于...的装置”或“用于...的步骤”，也将列举单词“功能”(也就是，将陈述“用于执行...功能的装置”)，而不会在这种短语中列举支持该功能的任何结构、材料或操作。因此，即使当权利要 求中列举“用于执行...功能的装置”、或“用于执行...功能的步骤”，但是如果权利要求 中还列举支持该装置或步骤、或执行所列举功能的任何结构、材料或操作，则本发明人的明 确意图并不是利用35U. S. C. § 112，116的条款。此外，即使利用35U. S. C. § 112，16的条款定 义所要求保护的发明，也是想要表明，本发明并不仅仅局限于在优选实施方式中所说明的 特定结构、材料或操作，而是除此之外，还包括执行如本发明的可选实施方式或变化形式中 说明的所要求功能的任何的和所有的结构、材料或操作，或者周知的现有的或后来开发的 等效的结构、材料或用于执行所要求功能的操作。

参照下面对优选实施方式的说明以及附图，可以更好地理解本发明，在所有附图 中，相同的附图标记代表类似元件或类似操作，其中图1示出了被构造为赛车驾驶模拟器的运动平台；图2是运动平台的基座的图；图3是部分完成的运动平台的滑撬的甲板的视图；图4是示出设置在运动平台基座上的滑撬的部分甲板的视图；图5是表示支撑在一对带有齿轮减速和联动装置的滑撬运动致动电机上方的支 柱上的呈锥体形状的立柱的示意图；图6是表示质量几何结构分布的概念性示意图；图7是处于负的向后倾斜位置的运动平台的滑撬上的人的简化示意图；图8是处于向前倾斜位置的运动平台的滑撬上的人的简化示意图；图9是处于倾斜至侧面位置的运动平台的滑撬上的人的简化示意图；为了简单起见，示出图中的各要素，以及不必根据任何特定顺序或实施方案进行 描绘。
具体实施例方式在下文描述中，以及出于说明的目的，为了提供本发明不同方面的全面理解，陈述 了许多具体细节。然而，应当理解，相关领域的技术人员不采用这些特定细节也可以实践本 发明。在其它实例中，为了避免使本发明模糊不清，更一般地示出或者讨论已知的结构及装 置。在许多情况下，操作的描述足以使他人可以实现本发明的不同形式，尤其是在以软件方 式实现有关操作时。应当注意到，所披露的发明可以应用于许多不同的和可供选择的结构、 装置以及技术。本发明的全部范围不局限于下文所描述的示例。以下描述针对赛车模拟运动平台。本领域技术人员可以理解，赛车模拟的描述易 于适合于其他模拟场景(scenarios)，诸如以上所述的那些，但不局限于此。在本发明中，如图1及后续图中所示，提供了一种运动平台10。运动平台10可以用来在基座12与滑撬14之间提供相对运动。滑撬14安装成使 其适合相对于基座12进行角位移。也就是，滑撬14通常是通过万向节安装连接来以枢轴 转动方式支撑在基座12上。万向节可以是具有两个轭架(yoke)或“十字头(cross) ”的“十字头式(cross-type)”万向节，但并不局限于此。类似的装置可以包括球窝式连接、或 其他类型的回转节等，这些装置提供并允许纵倾和侧倾运动。图1至图4示出运动平台10的一部分，也就是基座12，以及滑撬14的甲板20的 一种形式(图3)。在这些图中，基座12是支撑结构，其具有底盘16，其通常为矩形底座。运 动平台的基座可以具有纵向定向侧件，通常构造成直中段，其具有自基座的底盘16向外延 伸的端部。纵向定向侧件提供用作前向外伸架(如24a和24b)、以及后向外伸架(如44a 和44b)(参见图2)的元件。设置纵向定向侧件的这些延伸部分，从而给装置提供增强的稳 定性。前向外伸架24a和24b在本发明的一种实施方案中向前并向外延伸，而后向外伸架 44a、44b在本发明的一种实施方案中向后并向外延伸。使用固位紧固件，诸如螺栓26但并 不局限于此，使纵向定向侧件与基座结构的其余部分相连接。基座12支撑在地板面、地面 或其它支撑面上。在基座的底盘16周边的四周，基座可以装备有直立边缘30。该边缘不必是连续边 缘，而是可以具有间隙。支柱34支撑并固定于基座的底盘16上。支柱34可以如所示的那样安装在基座 12的纵向中心线上，但在某些情形下也可以安装成偏离中心线。支柱34用角撑板进行支 撑，本实施方案中四个角撑板中的三个在图2中示为36a-36c，这些角撑板与基座的底盘相 连接。支柱34的上端42支撑滚柱轴承万向节的第一轭架(first yoke)400第一轭架 40固定连接至支柱34的顶部或上端，使得穿过第一轭架的轴承承托的线横切基座12的纵 向中心线。第一轭架40固定连接至支柱34，因而，轭架40不相对于支柱移动。在本发明的 另一形式中，类似于轭架40的轭架可以以可转动方式承载在支柱34上。图3是滑撬的甲板20部分的视图，该图没有示出安装在甲板上的滑撬的所有部 件。在本图中，外围框架52包括第一底板54，其固定于外围框架52。第一底板54安装在 甲板一端的区域中，以及，此第一底板的长度比外围框架52所限定的整个长度短。第一底 板54具有形成在其中的大的通孔。该孔在本图中看不见。立柱56，其空心本体具有开口底 部和可以封闭的顶部，该立柱56位于并牢牢紧固在甲板中的通孔上方，因而，通过底板中 的通孔可以进入立柱的内部。第二底板紧固于未被第一底板占据的甲板端部前区。本发明的机械提供的五个自由度，其中的两个是真实的转动轴或自由度，一个是 侧倾-绕滑撬纵轴的转动；而第二个是纵倾-绕滑撬横轴的转动。除了侧倾和纵倾，在这里 所给出的装置中模拟了其他三个自由度，即升降、横摆和纵荡。如上所述，空心本体立柱56支撑在第一底板54中所形成的通孔的上方。在第一底 板中的孔的上方，立柱可以通过焊接或者用别的方式，诸如但不限于通过螺栓连接、螺纹连 接、胶粘连接等紧固至底板或其他支撑结构。可以是(但不局限于)底部开口的八角形结 构的立柱56呈大致锥体形状。一种实施方案是在立柱的上区带有八角柱筒的锥体，如这里 所提供的不同附图中所示。在另一实施方案中，柱筒可 以是圆滑的或多边形的。立柱具有 多个侧面，在所示的一种情况下，有八个侧面，各自呈梯形或其他形状，然而，侧面的数量或 立柱的形状，可以是许多结构中的一种，诸如三面结构或多于三面的结构，或者是具有构造 有单个的弯曲侧壁、或多于单个弯曲侧壁的弯曲侧壁的弯曲侧壁的结构，但并不局限于此。 与单个弯曲侧壁锥体形状相比，八面立柱形状制造相对便宜，因此示于图中。在本装置的实施方案中，也可以使用具有开口底部并截顶且遮盖上端的真正锥体。此外，立柱或锥体的基 部不必对称或具有恒定半径，而是可以具有长方形或其他设计者指定的形状，这样，在支柱 与立柱或锥体的开口缘之间互相妨碍之前，能使滑撬在一个方向比在另一个方向移动更长 的距离。本发明的另一实施方案是将垂直矩形而不是锥面形状用于立柱。在本发明的一种方式(iteration)中，立柱56具有封闭顶部。然而，开口顶部立 柱是可选实施方案，然而，在有些环境下，封闭顶部立柱具有这样的优点，可以阻止不受限 制地从立柱顶部进入立柱内侧。图4示出部分完成的滑撬的甲板20，安装在支撑于基座16的底盘上的支柱34的 适当位置。支柱34的顶部与立柱56之间的连接，通过带有一个轭架(上文标识为第一轭 架40)的万向节构成，该轭架安装在支柱的顶部，并与基座12的纵向中心线横切。万向节 的第二轭架和十字头在任何图中都看不见，但常规万向节的这些部分的结构和操作，对本 领域技术人员而言是已知的。可选实施方案在图5中示为部件98。这种可选实施方案在 立柱的上部安装于立柱56之内。回到图4的实施方案，万向节的第二轭架安装成使通过其 轴承座的线与万向节的第一轭架40的安装位置横切。第一轭架和第二轭架的安装方向可 以各自转动90度，或者，在可选实施方案中转动任意度数，而本实施方案中的万向节的计 划操作不受影响。这种万向节的安装和定位布置，允许滑撬的甲板20在支柱34上向前、向 后、向侧面以及其间的所有点枢轴转动，但在一种实施方案中不旋转。在一种实施方案中， 采用固定安装于支柱34顶部、以及固定安装于立柱56的顶部内部的万向节，则在滑撬的甲 板与运动平台的基座12之间没有偏转。回到图1，可以看到运动平台的各种安装部件。从基座12开始，第一电机60a和第 二电机60b安装于基座的底盘16。这些电机是小功率电机，它们可以是直流有刷式电机、直 流无刷电机、交流电机、步进电机等。电机60a和60b，在本发明的一种变化形式中，可以具 有齿轮减速器62a和62b，它们接受来自电机60a和60b的输出的旋转输入。申请人:相信，电机和齿轮减速机构的组合，诸如Nord l/4Horsepower Gearhead AC motor，是一种适合在这种运动平台中使用的较好选择，因为这种电机减速器体积小、重 量轻、结实耐用，并且比其他可供选择的电机和减速器都便宜。各齿轮减速器输出轴与连杆 臂(诸如图5中示为连杆臂64a和64b的那些)相联结。在一种实施方案中，于连接点处 使用球节杆端装配第二组联动装置，即连杆66a和66b (参见图1及其它)，其具有与第一组 连杆臂64a和64b相连接的第一端，而各连杆66a和66b的第二端也通过球节杆端与滑撬 14相连接，更确切地，与安装在第一底板54底面上的托架相连接。在本发明的一种实施方案中，这些支架可以是铰链方式安装的。 在本发明的一种变化形式但并非是每一种变化形式中，运动平台符合美国住宅电 压系统，因而，运动平台可以插进家用配电系统。常规的三脚插头和配线元件可以与运动平 台连接，以向设备供电。配线与设备上的接线箱连接，以在适当时向各种控制器、监视器、计 算机和其他系统配电。图1中的滑撬14是支撑平台，用于座椅如比赛或赛车座椅70，座椅70可从 Corbeau Industries以及许多其他赛车座椅供应商处获得，包括比赛座椅安全带装置、踏 板组件72，一种型号的踏板组件如Model Speed7，可以从Ball Racing Developments有限 责任公司获得，这种踏板组件可能包括加速踏板、制动踏板、离合器踏板和搁脚板。
转向盘和踏板设备的另一厂商是Happ Controls公司。包括具有向上延伸的塔架和成一定角度的支腿的监视器支撑框68的支撑结构支撑监视器76、控制台、仪表板以及转向盘，以及其他零部件，这些零部件诸如但不限于变速 杆(变速踏板或常规变速杆)、通风口、面对驾驶人员的照相机或控制台上的仪表、或者滑 撬的甲板外围52上的游戏控制操作员接口。监视器76还可以包括或者本身就是会在监视 器上产生图像的视频输入模块，在这种情况下为液晶显示器、以及适当的驱动器。驾驶人员输入装置，这里是力反馈转向盘88，也支撑在监视器支撑框68上。由罗 技(Iogitech)公司提供的一类转向盘，诸如ModelG25Racing Wheel是合适的转向盘的一 种选择。一套监视器和控制装置(诸如在赛车或飞机上可以找到的那些)，诸如但并不局限 于齿轮变速杆、转速表、油压表、水温表、速度计、传动状态指示器、以及其他任何仪表、警告 灯、记录装置，诸如GPS系统或目标获取屏幕、或与在赛车、卡车、飞机等之中同样具有的其 它设备。可调节机架82具有一个或多个锁定螺栓84，可以针对转向盘88和其它零部件提 供前后可调节性，以调节容纳具有不同的手臂和身体尺寸的驾驶员。安全开关，其设置目的在于停止运动平台的运动，可以是在带有其他监视器和控 制装置的仪表板上执行的一种控制。图5是运动平台的致动装置的简化示意图。在此模拟或模型中，清楚示出了电机 60a和60b，和连杆臂64a和64b。各连杆臂的一端都安装至齿轮减速器的每一输出轴。这 些连杆臂64a和64b置于中立(中性)位置，使得甲板面或第一底板54成水平而锥体56 成大致竖直，向其上安装有支柱34的基座的中心线水平延伸。球节杆端连接器78a和78b 与两个连杆臂64a和64b的第二端相连接。这些杆端78a和78b还与连杆66a和66b的下 端相连接。所以，这些连杆66a和66b连接在连杆臂的第二端与第一底板54底部上的安装 部位之间。万向节式杆端可以用作球节杆端的替代物。各连杆臂具有其自由端，该端不与各齿轮减速器的输出轴连接，在水平面之下以 较小的角度(shallow angle)向内指向彼此。如果两个连杆臂都直指向上，出于本说明的 目的，认为它们各自处于零度转动角位移。如果各连杆臂直指向下，它们各自有180度转动 角位移。在本发明的一种实施方案中，连杆臂受到限制，使其转动角位移处于小于180度的 弧线内。例如，对于右侧连杆臂64a而言，转动角位移可以从大约20度扩展至大约155度。 对于左侧连杆臂64b而言，转动角位移可以从大约335度至大约205度。将连杆臂的转动角位移限制到小于180度是本发明的一种实施方式。这种限制在 其他实施方案中可以变宽。例如，发明人预期，适宜的是，允许与齿轮减速器驱动器连接的 连杆臂360度旋转。通过允许各臂独立于其它臂的这种完全旋转自由，保护齿轮减速驱动 器，避免由于驱动器之间的相互妨碍旋转而导致损坏。也就是，由于每个驱动器都设计成而 能够进行360度旋转，而与其他齿轮减速驱动器的位置无关，因此齿轮减速驱动器与相关 电机之间没有任何互相妨碍的可能性，而对驱动器或电机而言，如果存在这种影响的话将 是有害的。操作中，采用图5所示简单结构，可以进行多种有效载荷的移置运动。例如，如果 电机60a驱动齿轮减速器62a，使得连杆臂64a从示出的在水平位置之下的某处移到连杆 臂64a处于25度并在水平面之上的位置、同时电机60b驱动齿轮箱减速器62b使得连杆臂 64b从示出的在水平之下的某处移到连杆臂64b处于205度并在水平面之下的位置，则作为整个滑撬代表的底板54、滑撬在支柱34的顶部的万向节98上向操作者左侧枢轴转动。在 这种情况下，板54沿滑撬的长轴向左倾斜。
当两个连杆臂64a和64b都向上转动至相同的端点(例如，对右侧连杆臂64a而言 转动25度，而对左侧连杆臂64b而言转动335度)时，板54将在万向节98上横切滑撬的 长轴倾斜，使得滑撬的前面升起。这种运动是真实纵倾。类似地，当两个连杆臂64a和64b 都同时向下转动相同的量时，板54在万向节98上沿滑撬的短轴的平面倾斜，但此时滑撬的 前面下沉而滑撬的后面升起。这也是真实纵倾。然而，如果两个连杆臂64a和64b同时但 以不同的速度和转动角度转动，则板54将根据连杆臂相对于彼此的相对运动、速度和角位 移而在万向节98上沿部分横切滑撬的长轴且部分沿滑撬的长轴的方向或位移倾斜。这允 许板54上的点(代表滑撬上的点)沿两个轴(即，在侧倾以及在纵倾的过程中)从水平开 始在弧线上运动。利用连杆臂运动的速度和方向，可以模拟升降、横摆和纵荡运动。升降通 常是上下运动。横摆是左右运动。纵荡是前后运动。在本发明中，升降、横摆和纵荡可以各 自被模拟。在图6中，示出重叠在图5所示装置的锥体上的圆环面。此圆环面代表在摆心周 围有效荷载的质量的分布，其中摆心由安装在支柱顶部并且到立柱的上部内侧部位的万向 节的中心代表。由圆环面描述的区域表示有效荷载相对于支柱顶部的摆心的质量分布。该 图示出了有效载荷的质量在装置的摆心周围均等分布。因此，对于有效荷载的任何位移，需 要移动的质量都由位于摆心相对侧的相等质量进行平衡。在操作中，理想的是，使从装置的 质心到摆心的距离最小。由于此距离被最小化，因此圆环面在水平方向的直径和在竖向的 直径都变得更小。在圆环面的外表面上，待平衡的质量位于其距摆心最远的距离，但其由远 离第一质量180度的相等质量进行平衡。在这种情形下，由于质量的均等分布意味着对置 的质量加到由齿轮减速电机提供的马力上来移动有效荷载，所以，移动摆心上的有效荷载 所需的力减到最小。还应当注意到，随着质心移向圆环面的内部，圆环面将变小，这表示移 动有效荷载所需的力将减小。将一个处理器与运动平台相连。在本发明的一种实施方案中，该处理器是与运动 平台相连的专用微处理器控制器。在另一变化形式中，该处理器可以是与运动平台相连， 并且通过硬连线或无线通信选项与之相连接的桌上电脑、膝上电脑或其他封装形式的处理 器。该处理器包括控制器，控制器控制电机和齿轮减速的输出或响应，以响应于来自运行模 拟游戏的软件的输入，移动万向节上的甲板。利用专用于本文中给出的运动平台的控制的 软件，对一些目前在消费者市场可以买到的软件进行扩展和接口。投影或者显现在至少一 个高分辨率监视器上的电子集成视景显示、以及声音呈现系统(诸如但不限于安装在运动 平台附近的扬声器、座椅安装的头挂听筒或头盔容纳扬声器等)，都用来与滑撬的运动相配 合，以增加运动平台的模拟逼真性。传送到操作者的声音，使用THX环绕立体声或其他类似 的高性能声音传送方案实现。诸如但不限于轴角编码盘或线性编码器的多个传感器可以与运动平台相连接。可 以有与电机、齿轮减速器的输出轴相关联的轴角编码盘、和/或与连杆臂联动或者与滑撬 关联的线性编码器，以感知其位置，并向与运动平台及其控制器相连接的控制器提供其他 输入信息。安全开关可以与运动平台的基座相连接。如果运动平台的基座没有与运动平台下的支撑底板适当接合，此安全开关予以响应。图7、图8和图9是带有操作人员100的运动平台10的示意图，在这种一种情况下，一个人坐在座椅70中驾驶赛车模拟器。这三幅图示出有效荷载(即滑撬连同坐在上面 的操作人员)在基座12上以及相对于该基座的三种代表性位置。在这些图的每一幅中，图 中标号为“CM”的质心，在三幅图的每一幅中示于不同的部位。CM通过找到有效荷载(即滑 撬和坐在座椅70中的操作人员)的质心计算得到。此计算出的CM可以在枢轴点之上、与 枢轴点处于同一水平、或者在枢轴点之下，但在本发明中，旨在使CM随着有效荷载通过由 相关联动装置提供的不同自由度、以及连杆臂连接与滑撬底部之间的联动配置移动时而尽 可能靠近于枢轴点。在一个优选实施方案中，如图7至图9所示，滑撬和驾驶人员或乘坐者向前、向后 或向两侧或在这些方向的组合中的倾斜(tipping)，将使乘坐者或驾驶人员体验加速、减速 和离心力的感觉。随着滑撬向前、向后、或向两侧倾斜，或者滑撬和驾驶人员从水平状态移 置的任何组合，由于作用于乘坐者或驾驶人员上的重力，滑撬的倾斜将导致加速、减速或离 心力这种感觉。在图7中，滑撬14处于全仰姿势，滑撬的前面几乎最大升起。各连杆臂，如示为 64b的一个将位于水平之下。在快速达到这种姿势的过程中，驾驶人员将感觉到加速。应当 注意到，在大多数情况下，驾驶人员集中于游戏，并将所有的操作都显示在监视器上，驾驶 人员的眼睛部位盯住监视器76，而驾驶人员的眼睛与监视器之间的距离大致不变。在此图 中，质心CM位于万向节上滑撬的摆心CP的后面。质心CM和摆心CP 二者比较接近，并且这 在将有效荷载移动至下一姿势(如图7所示)所需的能量相对较小时所期望的，这是因为 在从一种姿势移动到另一姿势，不再需要克服较长的力矢量。在图8中，有效荷载14处于全俯姿势，滑撬的前面几乎最小升起。各连杆臂，诸如 示为64b的一个将位于水平之上。在快速达到这种姿势的过程中，操作人员感觉到减速。在 本图中，质心CM位于有效荷载的摆心CP的前面。CM和CP两个中心彼此接近。如上所述， 由于不需要克服较长的力矢量从而将有效荷载移到下一姿势所需的能量相对较小，这同样 是有利的。在图9中，包括乘坐者或驾驶人员的有效荷载14处于几乎最大右侧倾的完全侧倾 姿势。连杆臂之一，连杆臂64a在水平面处或之下移动(所示为从前面观察)，以及另一连 杆臂64b根据连杆臂64a的位置而在水平面处或之上移动。在快速达到这种姿势的过程中， 操作人员将感觉到在急转弯中所感觉到的离心力或重力。如上所述，离心力的感觉是由于作用在乘员上的重力所致。借助于使滑撬倾斜时 作用在他或她身体上的重力的感觉，乘坐者或者驾驶人员将体验到滑撬的倾斜，但她/他 将重力感觉为离心力，就好像赛车正经历转弯。用滑撬前部向下的倾斜(图8)模拟减速、 或如图7所示在滑撬后部向下的向后倾斜模拟加速，也是这样的情况。回到图9，在本图中，质心CM位于有效荷载的摆心CP的右侧。这里，有效荷载移到 下一姿势所需要的能量也相对较小，这是因为不需要克服较长的力矢量。尽管本文中在优选实施方案和一般相关方法的方面对本发明进行了说明，但本发 明人认为，在阅读本说明书并研究其附图之后，所述优选实施方案和方法的更改和改变对 于本领域的技术人员是容易了解的。例如，可以使用具有六英寸行程的一对整体线性滚珠丝杠齿轮驱动器(one piece linear ball screw gear drive)取代齿轮箱、连杆臂和连杆。这是对以上所给出的优选实施方案的较高成本的替代方案。 据此，上述优选示例实施方案的说明和摘要都不能限定或限制本发明。反之，所附 权利要求书多方面限定了本发明。本发明的每种变化都只由其各项权利要求及其等效置换 所列举的限制进行限定，而不受本权利要求中未出现的其他术语限制。
权利要求
一种提高容纳乘员的运动产生装置的性能的方法，所述装置具有基座、直立柱、以及滑撬，所述乘员容纳在所述滑撬上，所述方法包括以下步骤在所述运动产生装置的基座之上的位置，将运动的摆心设置在所述直立柱上；找出质心的位置，所述质心根据所述滑撬的质量和容纳在所述滑撬上的示范乘员的质量计算得出；以及将所述滑撬安装在所述运动的摆心上，使得找出的所述质心靠近于所述运动产生装置的摆心。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤将可枢轴转动节置于所述直立柱上，以定位所述运动的摆心；将平台安装至所述可枢轴转动节，使得所述质心接近于所述运动的摆心。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述平台安装在所述运动的摆心上使得所述定 位的质心接近于所述运动产生装置的摆心，进一步包括以下步骤所述滑撬和所述乘员的组合质量构成有效荷载，通过使所述有效荷载的质心与所述运 动的摆心之间的接近距离最小化，使得向所述滑撬和所述乘员赋予运动所需的力最小。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤提供原动力装置以向所述滑撬赋予运动，所述原动力装置通过联动装置与所述滑撬相 连接。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤在所述滑撬上设置立柱，所述立柱提供用于所述立柱的安装部位，从而实现靠近于所 述运动的摆心来定位所述质心。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述立柱位于在所述直立柱上方，以及所述运动 的摆心位于所述立柱之内。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤最小化向所述滑撬和所述滑撬的乘员赋予运动所需的力，所述滑撬和所述滑撬的乘员 的组合构成有效荷载；以及通过在所述运动的摆心上安装所述滑撬，使得能够进行将所述有效荷载的质心定位在 所述运动产生装置的摆心的附近的步骤，以使所定位的所述有效荷载的质心靠近于所述运 动的摆心。
8.一种具有两个真实自由度的运动平台，所述运动平台包括基座；支柱，其具有上端，所述支柱固定安装于所述基座并自所述基座延伸；万向节，枢轴转动连接于所述支柱的上端；滑撬，其具有甲板面，所述甲板面包括孔；立柱，其具有上部，所述立柱安装于所述滑撬的甲板面，所述立柱遮盖所述甲板面中的 孔的至少一部分，并在所述滑撬的甲板面上方延伸；以及枢轴转动连接至所述支柱的上端的所述万向节进一步与所述立柱的上部连接。
9.根据权利要求8所述的运动平台，其中，所述万向节包括具有中心的万向节十字头 元件，所述万向节十字头元件的中心限定摆心。
10.根据权利要求9所述的运动平台，其中，有效荷载具有质心，所述有效荷载的质心与所述摆心竖向对齐。
11.根据权利要求10所述的运动平台，其中，在所述有效荷载相对于所述运动平台的 基座的所有角位移中，所述有效荷载的质心靠近于所述有效荷载的摆心。
12.根据权利要求11所述的运动平台，其中，所述有效荷载的质心位于虚拟锥体的壁 部内，所述虚拟锥体的顶端与所述摆心一致，所述锥体的长轴与所述支柱的长轴成一线。
13.根据权利要求12所述的运动平台，其中，所述锥体在所述虚拟锥体的长轴与所述 虚拟锥体的壁之间具有60度角。
14.根据权利要求11所述的运动平台，其中，所述立柱具有基部和顶部，以及所述立柱 从其基部到其顶部的高度在5英寸和15英寸之间。
15.根据权利要求14所述的运动平台，其中，所述万向节安装在所述立柱的上部中，使 得由所述万向节的十字头中心所限定的所述摆心距所述立柱的顶部在2英寸之内。
16.根据权利要求10所述的运动平台，其中，当所述运动平台无动力以及静止时，所述 有效荷载的滑撬元件只接触所述万向节。
17.—种运动平台，包括向上延伸的支柱，所述支柱具有上端； 万向节，与向上延伸的所述支柱连接； 立柱，安装于和所述支柱相连接的所述万向节；以及滑撬，其具有甲板面，所述立柱安装于所述滑撬，以及所述立柱在所述滑撬的甲板面上 方延伸。
18.根据权利要求17所述的运动平台，进一步包括 基座；以及所述支柱与所述基座相连接。
19.根据权利要求18所述的运动平台，其中，所述立柱由具有开口底部的多面结构构 成，所述立柱利用包围支柱的所述立柱的开口端承载在所述支柱上。
20.根据权利要求19所述的运动平台，其中，所述立柱是空心多面体。
21.根据权利要求20所述的运动平台，其中，所述空心多面体具有八个侧面、封闭的顶 部、以及开口的底部。
22.一种在运动平台的基座上支撑有效荷载的方法，包括以下步骤 设置自所述基座向上延伸的支柱；在所述支柱上设置万向节；以及将所述支柱连接至承载在所述有效荷载上的立柱的内部，所述连接包括将所述万向节 连接至所述立柱。
23.一种支撑运动平台的滑撬部的方法，包括以下步骤将空心多面体连接至所述运动平台的滑撬部的甲板，使所述多面体在所述甲板上方延伸；在所述多面体竖向位于所述甲板上方的点处，将支柱连接至所述多面体；以及 将所述支柱安装至位于所述滑撬的甲板之下的支撑结构。
24.一种针对容纳乘员的运动产生装置增强性能的方法，所述装置具有基座、直立柱和 滑撬，所述乘员容纳在所述滑撬上，所述方法包括以下步骤在所述运动产生装置的基座上方的所述直立柱上定位运动的摆心； 定位质心的位置，所述质心根据所述滑撬的质量和容纳在所述滑撬上的示范乘员的质 量计算得出；以及将所述滑撬安装在所述直立柱上的运动摆心处，使得组合的所述滑撬和所述示范乘员 的质心距 所述运动产生装置的摆心在1英寸半径之内。
全文摘要
本发明公开了一种被构造为赛车模拟器的运动平台。还给出了具体实现某种几何结构的设备、以及涉及到具有有利几何结构关系的运动平台的联接的各种方法。在一种实施方案中，通过将有效荷载的质心定位于尽可能靠近于有效荷载支撑的摆心，实现了具有乘坐者或驾驶人员的运动产生装置的增强性能。这种装置具有支撑直立柱的基座、以及枢轴转动安装于该直立柱顶部的滑撬。乘坐者容纳在滑撬上。为了达到想要的项目模拟结果，在构造运动平台的过程中执行了各种操作。这些操作包括在运动产生装置的基座上方的适当位置，将运动的摆心定位在直立柱上；定位质心的位置，该质心根据滑撬的质量和容纳在滑撬上的乘坐者的质量计算得到；以及将滑撬安装在该装置的运动的摆心上，使得所定位的质心靠近于运动平台的运动的摆心。
文档编号G09B9/04GK101842822SQ200880114283
公开日2010年9月22日 申请日期2008年12月23日 优先权日2007年12月24日
发明者罗伯特·奇尔德雷斯 申请人:罗伯特·奇尔德雷斯