运动平台的制作方法
【专利摘要】一种装置，用于维持支撑平台(5)和能够安装在其上的荷载相对于基座结构(3)处于接近随遇均衡，所述支撑平台(5)通过多个致动器与基座结构(3)隔开，所述致动器为支撑平台(5)提供围绕纵向轴线、横向轴线和竖向轴线相对于基座结构的六个自由度，装置(1)包括：大致竖直的支柱，其能够安装在基座结构(3)和支撑平台(5)之间以承受支撑平台(5)和荷载的重量；第一平衡组件，用于当荷载相对于基座结构纵向和/或横向移动时抵消施加在支柱上的力；第二平衡组件，用于当荷载相对于基座结构围绕纵向轴线和/或横向轴线枢转时抵消施加在支撑平台上的力，其中第一平衡组件和第二平衡组件抵消的力减少了由荷载施加在致动器上的负荷。
【专利说明】
运动平台
技术领域
[0001]本发明涉及一种运动平台。更具体地，本发明涉及一种用于减少在运动平台中实现六个自由度的运动所需的力的装置。
【背景技术】
[0002]运动平台，也称为运动模拟器，用于模拟在移动车辆(例如飞行器或者汽车)中的感觉。运动模拟器通常包括某种形式的外壳、太空舱或者座舱，所述外壳、太空舱或者座舱具有用于乘坐者的一个或多个座位以及与外壳的运动同步的声音和视觉显示器。外壳可以在给定的工作容积内在三维空间中移动穿过任意轨迹。为了便于这样的移动，外壳通常安装在某种形式的支撑表面或者平台上，所述支撑表面或者平台具有一系列在下面的致动器以实现运动，所述支撑表面或者平台例如是斯图尔特平台(Stewart platform) 0
[0003]斯图尔特平台是已知的并且允许六个自由度的运动，即围绕并且沿着三个主要的笛卡尔轴线X、Y和Z中的每个独立且同时地平移和旋转。斯图尔特平台包括六个腿，每个腿可以伸长以使支撑平台围绕所有三个笛卡尔轴线平移并且旋转。典型的斯图尔特平台如附图中的图1所示，包括一个基座结构3，该基座结构3通过液压、气动或者电动致动器7形式的多个可伸长的腿与支撑平台5隔开。
[0004]在现有的运动模拟器中，整个外壳的重量，包括乘坐者，仅由致动器7支撑。因此致动器7必须具有足够的大小以支撑外壳的重量并且实现所需的运动。
【发明内容】
[0005]根据本发明的第一个方面，提供了一种装置，该装置用于维持支撑平台和能够安装在其上的荷载相对于基座结构处于接近随遇均衡。支撑平台与基座结构通过多个致动器隔开，所述致动器为支撑平台提供围绕纵向轴线、横向轴线和竖向轴线相对于基座结构的六个自由度。所述装置包括大致竖直的支柱，该支柱可安装在基座结构和支撑平台之间，以承受支撑平台和荷载的重量。所述装置还包括第一平衡组件，该第一平衡组件用于当荷载相对于基座结构纵向和/或横向移动时抵消施加在支柱上的力。所述装置还包括第二平衡组件，该第二平衡组件用于当荷载相对于基座结构围绕纵向轴线和/或横向轴线枢转时抵消施加在支撑平台上的力。第一平衡组件和第二平衡组件抵消的力减少了由所述荷载施加在所述致动器上的负荷。
[0006]第一平衡组件优选地包括连接在支柱和基座结构之间的三个或更多个回弹构件。在此方面，回弹构件可以从支柱向外延伸并且在基座结构上以大致相等的距离成角度地隔开。
[0007]基座结构可以包括三个或更多个向外且向上延伸的安装臂，所述安装臂以大致相等的距离成角度地隔开。每个回弹构件可以有一个端部固定到相应的安装臂。
[0008]每个回弹构件优选地包括可以一个或多个弹性元件，例如弹性索，其可以在支柱和安装臂之间来回地延伸。
[0009]支柱优选地包括枢转安装至基座结构的一个主壳体，以及相对于主壳体能够竖向移位的圆筒。所述支柱可进一步包括定位在主壳体和圆筒周围的框架结构。
[0010]在一个实施方案中，所述回弹构件的弹性索固定至主壳体。在其他实施方案中，所述弹性索中的一个或多个可以固定至框架结构或圆筒、圆筒和主壳体、或者框架结构、圆筒和主壳体的任意组合。
[0011]第二平衡组件优选地包括三个或更多个牵拉线缆，所述牵拉线缆具有连接到支撑平台或者荷载的第一端部以及连接到支柱的第二端部。所述牵拉线缆优选地在支撑平台或者荷载上以大致相等的距离成角度地隔开。
[0012]支柱的框架结构可以包括固定至圆筒的上端部以及围绕主壳体延伸的下端部。下端部优选地包括多个滚轴、滑块或者类似物，所述多个滚轴、滑块或者类似物在圆筒相对于主壳体竖向移位时能够在主壳体的外表面上行进。每个牵拉线缆的第二端部优选地固定至框架结构的下端部。
[0013]第二平衡组件还可以包括安装在主壳体的外表面上的多个上滑轮或链轮，以及安装在基座结构上的多个下滑轮或链轮。每个牵拉线缆因而都可以从支撑平台或者荷载穿出，经过下滑轮或链轮的下面，然后越过上滑轮或链轮随后行进到框架结构的下端部。
[0014]每个牵拉线缆优选地包括布置成与非回弹段首尾相连的回弹段。在此方面，牵拉线缆的非回弹段优选为缆绳，并且牵拉线缆的回弹段优选地包括一个或多个弹性索。在此方面，一个或多个弹性索可以在回弹段的相对的第一安装块和第二安装块之间来回地延伸。
[0015]支撑平台优选地包括上段和下段。在此方面，下段优选地能够相对于上段旋转。第二平衡组件的每个牵拉线缆的第一安装块优选地固定至支撑平台的下段。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供了一种运动平台，包括:
[0017]基座结构；
[0018]支撑平台，该支撑平台用于在其上安装荷载；
[0019]连接在基座结构与支撑平台之间的多个致动器，所述致动器为支撑平台提供围绕纵向轴线、横向轴线和竖向轴线相对于基座结构的六个自由度；
[0020]大致竖直的支柱，该支柱安装在基座结构和支撑平台之间，用于承受支撑平台和荷载的重量；
[0021]第一平衡组件，该第一平衡组件用于当荷载相对于基座结构纵向和/或横向移动时抵消施加在支柱上的力，以及
[0022]第二平衡组件，该第二平衡组件用于当荷载相对于基座结构围绕纵向轴线和/或横向轴线枢转时抵消施加在支撑平台上的力，
[0023]其中，第一平衡组件和第二平衡组件抵消的力减少了由荷载施加在致动器上的负荷。
[0024]本发明有利地使荷载(例如运动模拟器的外壳、太空舱或者座舱)能够以对致动器的部件具有最小影响地移动，原因在于从致动器移除了荷载的全部或者大部分的重量。在此方面，竖直的支柱承受支撑平台和荷载的重量，第一平衡组件给支柱提供力，该力是与支柱的运动相反的矢量，第二平衡组件给支撑平台提供力，该力部分或者全部抵消由荷载作用在支撑平台上的翻转力。
[0025]进一步地，本发明有利地使支撑平台和荷载在荷载的全部移动范围内维持在随遇平衡或者接近随遇平衡或者均衡的状态。在此方面，由第一平衡组件和第二平衡组件抵消的力为荷载提供稳定和平衡，使得用于对荷载施加运动的致动器可以更小，因此能够使用较低成本的致动器。荷载因此可以被保持在倾斜或偏移位置，并且在致动器上具有最小负荷。
【附图说明】
[0026]从下面对本发明的优选实施方案的描述中，本发明的进一步益处和优点将变得明了。优选实施方案不应被理解为对前面部分的陈述的任何限制。在附图中:
[0027]图1是根据现有技术的运动平台(也称为斯图尔特平台)的立体图；
[0028]图2是根据本发明的一个实施方案的装置的立体图，该装置被包含在图1所示的运动平台中；
[0029]图3是图2中示出的装置的立体图，省略了运动平台的致动器；
[0030]图4是图3中示出的装置的俯视图，也省略了第二平衡组件；
[0031]图5是示出支柱和第二平衡组件的一部分的各种特征的侧视图；
[0032]图6是根据本发明的另一个实施方案的装置的立体图，该装置被包含在具有两部分支撑平台的一个运动平台中。
【具体实施方式】
[0033]参考附图中的图2至6，示出了一个包括平衡机构或者装置I的运动平台，该运动平台用于维持支撑平台5以及可安装在其上的荷载相对于基座结构3大致随遇平衡或者均衡。支撑平台5通过多个致动器7与基座结构3隔开，所述致动器7为支撑平台5提供分别围绕纵向轴线X、横向轴线Y和竖向轴线Z相对于基座结构3的六个自由度。
[0034]装置I包括可安装在基座结构3和支撑平台5之间的一个或多个大致竖直的支柱9。支柱9支撑所述平台5以及其上相关联的荷载的大部分重量。荷载通常包括在某种形式的外壳、太空舱或座舱中的一个或多个乘坐者，所述外壳、太空舱或座舱具有一个或多个座位、视觉显示器以及呈现正在模拟的驾乘的控制器。
[0035]装置I还包括第一平衡组件11，该第一平衡组件用于当荷载通过致动器7相对于基座结构3纵向和/或横向移动时抵消施加在支柱9上的力。装置I还包括第二平衡组件13，该第二平衡组件用于当荷载通过致动器7相对于基座结构3围绕纵向轴线和/或横向轴线旋转时抵消施加在支撑平台5上的力。
[0036]参考图2，支撑平台5以及相关联的荷载可以通过致动器7被移动，从而使荷载以滚动(围绕X轴线旋转)、俯仰(围绕Y轴线旋转)和偏航(围绕Z轴线旋转)方式旋转。致动器7还允许在三个正交轴线X、Y和Z上平移，以进行向前、向后、左右以及上下运动。
[0037]支柱9起作用以承受支撑平台5和荷载的大部分重量。支柱9可以是“零刚度”弹簧，例如调成产生大致等于支撑平台5和荷载的重量的力的低刚度金属或弹性弹簧。低弹簧刚度有利于降低由竖向位移的变化方面提供的力的变化。优选地，支柱9是气动的，并且与能够测量支撑平台5和荷载的重量且能动态调整压力的可编程逻辑控制器或类似物一起使用。这特别有利于处理荷载质量的变化。支柱9可以包括枢转安装至基座结构3的一个主壳体15，以及相对于主壳体15可竖向移位的圆筒17。响应于通过致动器7的支撑平台5的竖向位移和/或支撑平台5和其上的荷载的重量的改变，相应地调节主壳体15内的流体的量，以使支柱9始终为荷载提供恒定或者近似恒定的支撑。支撑平台5可以枢转安装在圆筒17的顶部区。优选地，支柱9还包括框架结构25，该框架结构具有固定至圆筒17的上部盘状端部27以及围绕主壳体15延伸的下部盘状端部29。框架结构25还包括位于上部盘状端部27和下部盘状端部29之间的多个细长条。
[0038]竖向支柱9枢转地安装至基座结构3。第一平衡组件11通过提供横向-纵向平衡使支柱9稳定。在此方面，当支撑平台5和荷载相对于基座结构3纵向和/或横向移动时，第一平衡组件11提供了对支柱9的反作用力。
[0039]第一平衡组件11优选地包括连接在支柱9和基座结构3之间的三个或更多个回弹构件18。如图3中最佳示出的，回弹构件18从支柱9向外且向下延伸并且在基座结构3上以大致相等的距离成角度地隔开。在此方面，基座结构3包括三个或更多个向外且向上延伸的安装臂19，所述安装臂以大致相等的距离成角度地隔开。每个回弹构件18的第一端部附接到支柱9，以及相对的第二端部固定至安装臂19的远侧端部。通过将回弹构件18安装在安装臂19上，回弹构件18被更加水平地定向。当竖直支柱9从竖向直立位置倾斜时，回弹构件18共同提供反平衡力。通过选择用于回弹构件18的适当的弹簧刚度，翻转力可以被大部分或者完全抵消掉。当希望支柱9是竖向的时，以相等角度间隔布置的相同的回弹构件18产生零力矢量，但是对于具体应用也可以选择其他偏移和偏差。尽管希望使回弹构件18等角度间隔开大致相等的距离，但是回弹构件18可以更随意地间隔开，只要当支柱9在想要的位置时回弹构件18仍然共同提供零力矢量。
[0040]在运动平台的一个尤其优选的实施方案中，每一个回弹构件18包括一个或多个弹性元件，例如在支柱9和安装臂19之间延伸的弹性索21。通过改变刚度或弹簧常数或者调整在基座结构3的安装臂19上的回弹构件18的安装高度，可以对荷载质量的变化作出留余，取决于荷载中乘坐者的数量和大小，荷载质量的变化可以相当大。在图2、3和4中，每个回弹构件18都作为单独元件示出。但是，示出的每个回弹构件18可以包括在支柱9和安装臂19之间延伸的一个或多个弹性元件。每个回弹构件18的第一端部都安装至框架结构25的相应的细长条。因此，在圆筒17相对于支柱9的主壳体竖向移位时，每个回弹构件18的第一端部与框架结构25和圆筒17—起移动。然而，在其他实施方案中，每个回弹构件18的第一端部可以安装至支柱9的主壳体15，使得每个回弹构件18的第一端部在圆筒17竖向移位时保持固定。
[0041]在荷载滚动或者俯仰时，第二平衡组件13通过对支撑平台5提供反作用力来提供滚动-俯仰平衡。为此，第二平衡组件13优选地包括三个或更多个牵拉线缆23，所述牵拉线缆具有连接到支撑平台5或者可替代地连接到荷载的第一端部，以及连接到支柱9的第二端部。如图3所示，牵拉线缆23优选地在支撑平台5上成角度地间隔开相等距离。在图6中所示的实施方案中，下部盘状端部29包括多个滚轴31，当圆筒17和框架结构25相对于主壳体15竖向移位时，所述多个滚轴沿着主壳体15的外表面行进。
[0042]如在图5和6描述的实施方案中示出的，第二平衡组件13还可以包括均匀间隔在主壳体15的外表面周围的三个或更多个上滑轮32，以及均匀间隔在基座结构3上的三个或更多个下滑轮33。每个下滑轮33与相应的上滑轮32对准。牵拉线缆23从支撑平台5穿出，经过下滑轮33的下面，然后在到达框架结构25的下端部29之前越过相应的上滑轮32。
[0043]每个牵拉线缆23优选地包括回弹段35和非回弹段37。在此方面，回弹段35优选地布置成与非回弹段37首尾相连，同时非回弹段37绕在上滑轮32和下滑轮33周围。非回弹段37优选为缆绳，例如金属丝缆绳。如果非回弹段37是链的形式，例如滚链或者类似物，可以用链轮代替下滑轮33以及上滑轮32。
[0044]如图6所示，牵拉线缆23的回弹段35优选地包括一个或多个弹性索39，所述弹性索在回弹段35的相对的第一安装块41和第二安装块42之间延伸。在此方面，第一安装块41优选地安装至支撑平台5，并且第二安装块42安装至牵拉线缆23的非回弹段37的一个端部。在通过牵拉线缆23的非回弹段37将第二安装块42拉开远离第一安装块41时，弹性索39保持拉伸。通过改变绳的弹簧刚度和/或调整支撑平台5上的第一安装块41的位置，对荷载或者乘坐者的质量的变化作出留余。尽管图6示出的实施方案中设置有多个弹性索39，但是可以代替使用在相对的第一安装块41和第二安装块42之间多次来回地延伸的单个弹性索。如上所述的牵拉线缆23也可以用作用于第一平衡组件11的回弹构件18，如图6所示。
[0045]越过上滑轮32和下滑轮33的牵拉线缆23的非回弹段37的布置保证了牵拉线缆23的回弹段35在支撑平台5和荷载的纵向、横向和竖向移位时保持很大程度上不受影响。
[0046]在一个尤其优选的实施方案中，如图6所示，支撑平台5包括上段43和下段45。荷载安装至上段43。下段45优选为能够相对于上段43旋转并且因此与荷载的偏航旋转隔离或者脱离的一个环的形式。在此方面，非回弹段37的第一安装块41优选地固定至支撑平台5的下段45，使得荷载的偏航旋转不对第二平衡组件13产生显著影响。支撑平台5的上段43相对于下段45围绕竖向轴线自由旋转。
[0047]支柱9和第一平衡组件11与第二平衡组件13的联合作用使得支撑平台5上的荷载可以在所有位置和定向上保持大致平衡。换言之，荷载可以保持在随遇均衡或者近似随遇均衡的状态，并且可以保持稳定并且静止在所有位置和定向，而不对致动器7施加显著的负荷。因此，致动器7可以被设定大小以仅移动荷载而不是支撑荷载。装置I还可以被整体装在现有的斯图尔特平台的界限内，并且在其操作上可以是大部分或者整体被动的。
[0048]由于本发明能够以多种形式实施而不脱离本发明的基本特征，应当理解的是，上述实施方案不应当被认为是对本发明的限制而应当作广义理解。各种修改和等同布置均被认为在本发明的主旨和范围内。
【主权项】
1.一种装置，用于维持支撑平台和能够安装在所述支撑平台上的荷载相对于基座结构处于接近随遇均衡，所述支撑平台通过多个致动器与所述基座结构间隔开，所述致动器为所述支撑平台提供围绕纵向轴线、横向轴线和竖向轴线相对于所述基座结构的六个自由度，所述装置包括: 大致竖直的支柱，所述支柱能够安装在所述基座结构和支撑平台之间以承受所述支撑平台和荷载的重量， 第一平衡组件，所述第一平衡组件用于当所述荷载相对于所述基座结构纵向和/或横向移动时抵消施加在所述支柱上的力， 第二平衡组件，所述第二平衡组件用于当所述荷载相对于所述基座结构围绕所述纵向轴线和/或所述横向轴线枢转时抵消施加在所述支撑平台上的力， 其中，所述第一平衡组件和所述第二平衡组件抵消的力减少了由所述荷载施加在所述致动器上的负荷。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一平衡组件包括连接在所述支柱和所述基座结构之间的三个或更多个回弹构件。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述回弹构件从所述支柱向外延伸并且在所述基座结构上以大致相等的距离成角度地隔开。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述基座结构包括三个或更多个向外且向上延伸的安装臂，所述安装臂以大致相等的距离成角度地隔开，每个回弹构件具有固定到相应安装臂的一个端部。5.根据权利要求4所述的装置，其中，每个回弹构件包括在所述支柱和所述安装臂之间延伸的一个或多个弹性索。6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述支柱包括枢转安装至所述基座结构的主壳体，以及相对于所述主壳体能竖向移位的圆筒。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述支柱还包括位于所述主壳体和所述圆筒周围的框架结构。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述回弹构件的所述一个或多个弹性索被固定至所述支柱的所述框架结构。9.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述回弹构件的所述一个或多个弹性索被固定至所述支柱的所述主壳体。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二平衡组件包括三个或更多个牵拉线缆，所述牵拉线缆具有连接到所述支撑平台或者荷载的第一端部以及连接到所述支柱的第二端部。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述牵拉线缆在所述支撑平台或者荷载上以大致相等的距离成角度地间隔开。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述框架结构包括固定到所述圆筒的上端部以及围绕所述主壳体延伸的下端部。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述下端部包括多个滚轴，当所述圆筒相对于所述主壳体竖向移位时，所述滚轴沿着所述主壳体的外表面行进。14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其中，每个牵拉线缆的第二端部固定到所述框架结构的所述下端部。15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二平衡组件还包括安装在所述主壳体的外表面上的多个上滑轮，以及安装在所述基座结构上的多个下滑轮，每个牵拉线缆都穿过上滑轮上面和下滑轮下面。16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，其中，每个牵拉线缆包括布置成与非回弹段首尾相连的回弹段。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述牵拉线缆的所述非回弹段为缆绳。18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，所述牵拉线缆的所述回弹段包括在所述回弹段的相对的第一安装块和第二安装块之间延伸的一个或多个弹性索。19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述支撑平台包括上段和下段，所述下段能够相对于所述上段旋转。20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一安装块安装在所述支撑平台的所述下段。21.—种运动平台，包括: 基座结构； 支撑平台，所述支撑平台用于在其上安装荷载； 连接在所述基座结构和所述支撑平台之间的多个致动器，所述致动器为所述支撑平台提供围绕纵向轴线、横向轴线和竖向轴线相对于所述基座结构的六个自由度，以及根据权利要求1至20中任一项所述的装置。
【文档编号】G09B9/02GK105830132SQ201480056653
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年9月26日
【发明人】肯尼斯·爱德华·道格拉斯, 斯蒂芬·格雷厄姆·霍音威力
【申请人】司奎丽柏尔企业有限公司