用于车辆的座椅系统的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月31日提交的美国申请no.15/476,914的优先权，该美国申请的全部内容通过参引并入本文中。
本公开涉及一种用于车辆的座椅系统。在x、y、z坐标系中，人员可以在六个自由度上进行运动。这些自由度包括绕x、y和z轴的旋转以及基本上平行于这些轴中的每个轴的平移。当在诸如农用拖拉机或汽车之类的车辆中行进时，人员可能对车辆围绕侧倾轴线和俯仰轴线的旋转非常敏感。由此，当车辆由于车辆正在不平坦表面上行驶而开始侧向地摇动和/或向后或向前俯仰时，位于具有相对较硬的悬架的车辆(例如，农用拖拉机、跑车)中的乘客可能会感到不舒服。
背景技术：
美国专利5,857,535公开了一种由坐在其顶部的驾驶员(4)操作的低矮自推进式车辆(1)，该车辆(1)的座椅(7)由凸缘(12)从下方支承，凸缘(12)绕车辆的中竖向平面中的水平轴线(15)枢转而倾斜。轴线(15)与座椅(7)之间的间距足以确保：在座椅通过倾斜控制机构(21)的操作而绕该轴线倾斜时，座椅的中心在斜坡的向上方向上移位了较大的范围。这减少了车辆与驾驶员的组合的重心(10)的向下运动，使得降低了车辆倾倒的风险。
技术实现要素：
在一个方面，一种用于车辆的座椅系统包括主动悬架系统，该主动悬架系统用于在主动悬架基部附至车辆时使被悬挂设备与施加至主动悬架的基部的振动隔离。主动悬架系统构造并布置成使被悬挂设备与第一自由度上的振动隔离，该第一自由度选自由车辆侧倾和车辆俯仰构成的组。座椅附至被悬挂设备。主动悬架系统包括：用于输出力以在第一自由度上影响被悬挂设备的致动器；感测被悬挂设备在第一自由度上的运动的传感器；以及控制器，该控制器用于向致动器提供命令以使致动器输出力以影响被悬挂设备的运动。车辆相对于地面在第一自由度上的运动与被悬挂设备相对于车辆的运动的组合运动导致被悬挂设备绕具有一高度的虚拟枢轴点枢转的运动。主动悬架还包括用户可操作的控制件，该用户可操作的控制件构造并布置成允许用户调整虚拟枢轴点的高度。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。主动悬架使被悬挂设备相对于悬架基部绕第一轴线枢转，其中，用户控制件控制虚拟枢轴点在第一轴线上方的高度。用户控制件允许用户在第一范围的高度内连续改变第一轴线上方的虚拟枢轴点高度，其中，第一范围从第一轴线的高度延伸至至少与座椅的乘员的头顶一样高的高度。座椅用户控制件允许用户在第一范围的高度内连续改变第一轴线上方的虚拟枢轴点高度，其中，第一范围从第一轴线的高度延伸至车辆内部的车顶的高度。用户控制件允许用户在多个预定高度之间改变第一轴线上方的虚拟枢轴点高度。多个预定高度中的一个预定高度是座椅的乘员保持阅读材料之处的平均高度。多个预定高度中的一个预定高度是座椅的乘员的膝盖上方约6英寸至12英寸之间的高度。多个预定高度中的一个预定高度是布置成供座椅的乘员使用的托架的顶表面的高度。位置传感器用于感测位置传感器在车辆内的竖向高度并将位置传感器的高度信息输出至控制器，其中，控制器向致动器输出命令以使致动器输出力以使得虚拟枢轴点的高度被设置在位置传感器的竖向高度处。位置传感器感测至少一个自由度上的加速度。位置传感器在车辆中的物理位置可以由座椅乘员改变。位置传感器能够被固定至被悬挂设备。用于检测座椅的状况的传感器，其中，当传感器检测到该状况时，虚拟枢轴点的位置自动改变。该状况是用户改变座椅位置。
在另一方面，一种用于车辆的座椅系统包括主动悬架系统，该主动悬架系统用于在主动悬架基部附至车辆时使被悬挂设备与施加至主动悬架的基部的振动隔离。主动悬架系统构造并布置成使被悬挂设备与第一自由度上的振动隔离，该第一自由度选自由车辆侧倾和车辆俯仰构成的组。座椅附至被悬挂设备。主动悬架系统包括：用于输出力以在第一自由度上影响被悬挂设备的致动器；感测被悬挂设备在第一自由度上的运动的传感器；以及控制器，该控制器用于向致动器提供命令以使致动器输出力以影响被悬挂设备的运动。车辆相对于地面在第一自由度上的运动与被悬挂设备相对于车辆的运动的组合运动导致被悬挂设备绕具有一高度的虚拟枢轴点枢转的运动。托架与座椅系统相关联。用户可操作的控制件构造并布置成允许用户调整虚拟枢轴点的高度，其中，当托架收起时，虚拟枢轴点高度自动设置为第一高度，并且当托架展开时，虚拟枢轴点自动设置为第二高度。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。第一时间延迟用于托架被展开的时间与虚拟枢轴点高度从第一高度改变为第二高度的时间之间的延迟。第二时间延迟用于托架被收起的时间与虚拟枢轴点高度从第二高度改变为第一高度的时间之间的延迟。
在另一方面，一种用于车辆的座椅系统包括主动悬架系统，该主动悬架系统用于在主动悬架基部附至车辆时使被悬挂设备与施加至主动悬架的基部的振动隔离。主动悬架系统构造并布置成使被悬挂设备与第一自由度上的振动隔离，该第一自由度选自由车辆侧倾和车辆俯仰构成的组。座椅附至被悬挂设备。主动悬架系统包括：用于输出力以在第一自由度上影响被悬挂设备的第一致动器；感测被悬挂设备在第一自由度上的运动的传感器；控制器，该控制器用于向第一致动器提供命令以使第一致动器输出力以影响被悬挂设备的运动。车辆相对于地面在第一自由度上的运动与被悬挂设备相对于车辆的运动的组合运动导致被悬挂设备绕具有一高度的第一虚拟枢轴点枢转的运动。主动悬架包括第二致动器，该第二致动器用于输出第二力以在第二自由度上影响被悬挂设备从而产生第二补偿运动，使得被悬挂设备在车辆侧倾自由度和车辆俯仰自由度两者上均受控制。车辆在第二自由度上的运动与被悬挂设备在第二自由度上的补偿运动的组合运动导致被悬挂设备在第二自由度上的运动，被悬挂设备绕与第二自由度相关联的第二虚拟枢轴点有效地枢转，第二虚拟枢轴点也具有一高度。用户可操作的控制件构造并布置成允许用户调整第一虚拟枢轴点的高度。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。用户控制件允许用户控制第一虚拟枢轴点的高度和第二虚拟枢轴点的高度两者。
在另一方面，一种用于车辆的座椅系统包括座椅，该座椅包括座椅底部，人员可以坐在该座椅底部上，其中，当座椅和车辆两者均处于标称水平面水平取向时，第一假想参考竖向中心线穿过坐在该座椅中的人员的身体。紧固至座椅和车辆的中间支承结构允许座椅相对于车辆移动。第一致动器可以与座椅相互作用以使座椅相对于车辆移动。一个或更多个传感器可以各自测量运动的一方面。处理器可以(i)：接收来自一个或更多个传感器中的每个传感器的输入；以及(ii)：利用该输入来确定座椅相对于车辆的期望运动，使得座椅相对于车辆的运动与车辆相对于地面的运动的组合运动会导致人员绕基本沿着参考竖向中心线定位的虚拟枢轴点的运动。用户可操作控制件允许用户控制虚拟枢轴点的位置。
附图说明
图1a是拖拉机的正视图；
图1b示出了处于倾斜取向的图1的拖拉机；
图2是在图1a的拖拉机中使用的座椅的立体图；
图3是紧固至图1a的拖拉机的地板的图2的座椅的正视图；
图4是座椅系统的另一示例的正视图；
图5是图4的座椅的改型；
图6是座椅系统的另一示例的立体图，在该示例中，座椅可以绕两个轴线旋转；
图7是座椅系统的另一示例的立体图，在该示例中，座椅可以基本平行于第一轴线平移；
图8与图1b相似，不同之处在于，图7的座椅系统被示出为代替图1b中的座椅系统。
图9是座椅系统的另一示例的立体图，在该示例中，座椅可以基本平行于第二轴线平移；
图10是座椅系统的另一示例的立体图，在该示例中，座椅可以基本平行于两个轴线平移；以及
图11是频率与人对横向加速的敏感度的大小的曲线图。
具体实施方式
以下描述涉及用于车辆的座椅系统。当车辆由于路面的干扰而从一侧向另一侧和/或向前/向后摇动时，车辆的驾驶员也经历该运动。利用下面论述的座椅系统，当车辆沿一个方向摇动时，座椅相对于车辆沿相反的方向旋转或平移。结果，驾驶员的头部在水平方向上的加速度被显著减小，这为驾驶员带来了更加愉悦的驾驶体验。
转向图1a，呈拖拉机形式的车辆10被示出为在基本水平的路面上沿直线行驶。为了便于描述，未示出车辆的所有部分。人员12坐在座椅16的底部14上，座椅16是座椅系统的一部分，该座椅系统将在下面进一步详细描述。人员沿着假想的参考竖向中心线17以基本竖向的取向坐着，该假想的参考竖向中心线穿过正坐在座椅16中的人员12的身体和轴线22(在下面进一步说明)。在该示例中，当座椅和车辆两者都处于如图1所示的标称水平面水平取向时，竖向中心线17将人员12和座椅16二等分。这是因为座椅系统如图1a所示是基本对称的。在其他类型的车辆中，座椅系统可以位于竖向中心线17的左侧或右侧。
中间支承结构18紧固至座椅16和车辆10的地板20(结构18可以被视为座椅16的一部分)。中间支承结构18允许座椅16相对于车辆绕轴线22运动/旋转，轴线22基本平行于当车辆沿直线行驶时车辆10移动的方向(在座椅16可以旋转以使得座椅16不面向前方的情况下，轴线22可以相对于该方向偏斜)。在该示例中，轴线22与靠近座椅底部14相比更靠近地板20，并且优选地不与水平面相交。轴线22可以定位得比所示出的更低或更高，但是座椅16优选地在地板20处或在地板20附近连接至车辆10。轴线22相对于车辆10是固定的。在选择轴线22在地板20上方的高度时可以考虑诸如期望使人员的头部绕轴线22移动的距离、摇摆空间要求(在座椅旋转时座椅部件与车辆驾驶室11的其他部分之间的干扰)之类的因素。车辆10可以绕与轴线22基本平行的轴线24侧倾。
在替代性示例中，可以使用非对称座椅系统。这可能在例如将相对较大的用于控制车辆的用户界面安装在座椅系统的两个扶手中的一个扶手上的情况(例如，如一些农用拖拉机上的座椅系统的情况)下发生。为了使座椅在轴线22上平衡，座椅16(包括座椅底部14)将相对于支承结构18偏移。例如，如图1a所示，如果用户界面安装在左侧扶手上，则座椅16将在偏移至中心右侧的位置安装至支承结构18，使得座椅系统在轴线22上平衡。优选的是，当车辆10如图1a所示的那样定向时，竖向中心线17穿过轴线22和座椅16的重心。如此，对于不对称的座椅系统(例如，座椅在图1a中观察时向右偏移以抵消座椅的左侧扶手上的较大用户界面的重量)，竖向中心线17可以穿过人员12的身体的不同部分(例如，在图1a中观察时穿过人员12的左耳)。
距离l1表示轴线22与轴线24之间的长度。距离l2表示轴线22与驾驶员12的头部26的中心之间的长度。相对于将l2设置为与坐在座椅16中的具有平均身高或低于平均身高的人相关联，距离l2优选地被假定与坐在座椅16中的高于平均身高的人相关联。优选地，l2的顶端将位于或高于与坐在座椅中的人员的头部相关联的位置。优选地，l2处于约3英尺至5英尺的范围内。
参照图1b，在车辆沿直线行驶的同时，车辆10的左轮胎28撞到障碍物30，这导致车辆相对于地面(车辆在其上行驶的表面)移动。结果，车辆10绕车辆的右轮胎的底部逆时针旋转(当此时从前方观察时以及在下面类似的描述中)。绕轴线24的旋转是车辆10绕右轮胎的底部的旋转的可接受的小角度近似值并且出于对称性原因而使用。车辆10大约旋转一角度θ1，该角度θ1为竖向中心线17与车辆中心线29之间的角度。如果座椅16没有像图1a所示那样固定于车辆10的中心(这意味着座椅定位至中心的一侧或另一侧)，则θ1通过车辆中心线29从图1a中的标称位置向旋转位置(例如，图1b中的旋转位置)的旋转来确定。当车辆逆时针旋转时，座椅通过致动器(以下将详细论述)自动绕轴线22顺时针(沿与车辆的侧倾相反的方向)旋转一角度θ2，该角度θ2为车辆中心线29与座椅中心线31之间的角度。致动器使座椅16绕轴线22(枢轴点)沿相对于车辆的旋转相反的方向旋转。图1b中的座椅16绕轴线22的旋转对于车辆10的逆时针旋转(例如，绕轴线24的逆时针旋转)是顺时针的。下面将提供有关座椅如何自动旋转的更多细节。角度θ2由处理器如下地计算：θ2＝θ1×(1+l1/l2)。该等式表明了为什么将轴线22靠近地板20定位是优选的。如果l1相对于l2增大(轴线22从地板20向上移动)，则θ2增大。这意味着：当轴线22向上移动时，座椅16将不得不旋转较大的角度以补偿固定量的车辆侧倾。该等式还表明，在该示例中，θ2将始终多于并远远大于θ1。结果，人员12绕与其头部26相关联的位置旋转，以基本上减少人员的头部的侧向运动和/或向前/向后(在下面论述)运动(即，在水平方向上的加速度)或使这些运动最小化。优选地，头部26基本上保持在原始的竖向中心线17上。应当指出的是，如果车辆(例如，绕轴线24)旋转通过太大的角度，则座椅可能旋转至其行程极限并且不能进一步旋转，以解决车辆的完全旋转角度。这将导致人员12的头部26不保持在竖向中心线17上。在替代性示例中，轴线22可以位于地板20的下方。地板上可以形成有孔，并且支承结构18可以在竖向方向上变长。这导致l1减小而l2增大，从而导致θ2相对较小(参见上面的等式)。
人员12不仅被旋转以使得其保持在竖向位置：人员12还被旋转超过竖向位置。换言之，座椅16相对于车辆10运动和车辆10(例如，绕轴线24)旋转的组合运动导致人员12绕基本沿参考竖向中心线17定位的虚拟枢轴点33运动。当座椅16相对于地面在空间上移位时，虚拟枢轴点33是参考竖向中心线17与座椅中心线31的交点。虚拟枢轴点33至少位于轴线24(车辆旋转中心)的位置上方。优选地，虚拟枢轴点33位于车辆10的地板20上方。甚至更优选地，虚拟枢轴点33位于轴线22(或座椅16相对于车辆10发生相对平移之处的高度)上方。更进一步优选地，虚拟枢轴点33位于当坐在座椅中时的人员12(假设该人员具有标称身高)的躯干的位置上方。又进一步优选地，虚拟枢轴点33位于坐在座椅中时的人员12(假设该人员具有标称身高)的头部的中心的位置处或上方。优选地，虚拟枢轴点位于人员可以坐在其上的座椅底部14的表面上方约1英尺至4英尺。更优选地，虚拟枢轴点位于人员可以坐在其上的座椅底部14的表面上方约2英尺至3英尺。在图1b中，虚拟枢轴点33大约位于人员12的头部的中心处。另一种描述人员12的运动的方式是：人员12像是摆动的钟摆，人员12的头部的中心为枢轴点。第三角度θ3是座椅偏离竖向中心线17的绝对旋转角度(下面相对于θ3提供更多论述)。
在一个示例中，向用户提供一种用于沿着参考竖向中心线17调整虚拟枢轴点位置的控制件。如上所述，角度θ2是当车辆看到θ1角度的侧倾角输入时命令座椅旋转的角度，并且角度θ2取决于轴线22与虚拟枢轴点位置之间的距离l2的值。通过调整l2的值可以调整虚拟枢轴点的位置。θ2仍基于先前给出的等式计算，但是现在l2是由用户可操作控制件控制的变量。用户可能偏好通过特定选择的虚拟枢轴点位置而产生的座椅运动。当在车辆中从事不同的活动(比如驾驶、吃饭、读书、睡觉等)时，用户可能偏好不同的虚拟枢轴点位置。提供用户可以操作以调整虚拟枢轴点位置的用户控制件允许用户根据用户喜好调整虚拟枢轴点位置。
对于虚拟枢轴点位置，不同的用户可能具有不同的偏好。这可能是由于对所导致运动的个人偏好之间的差异、用户之间的躯干高度的差异或这两者。用于调整虚拟枢轴点位置的用户控制件允许不同的用户调整虚拟枢轴点位置以适应其个人偏好。在一个非限制性示例中，用于控制虚拟枢轴点的位置的用户控制件控制虚拟枢轴点的高度。该高度可以相对于选择的参考点来确定，选择的参考点可以是车辆的地板、轴线22的位置或任何其他方便的参考点。尽管上面仅在一个示例的背景下提及，但是应当理解的是，本文所公开的示例中的任何示例中描述的用户控制件都可以调整虚拟枢轴位置在预定参考点上方的高度。
在一个非限制性示例中，座椅系统允许虚拟枢轴点位置被改变以适应阅读活动。可能期望虚拟枢轴点位置移位离开与用户的头部对准的点。虚拟枢轴点位置可以与用户正在阅读的材料的近似竖向位置(轴线22上方的高度)对准。可以为用户控制件提供一种设置部，该设置部被用户识别为“阅读设置部”，该“阅读设置部”将虚拟枢轴点的位置设置为大约与用户原本保持阅读材料之处的平均竖向高度相同。例如，阅读设置部可以将虚拟枢轴点高度设置为在座椅底部坐垫的顶表面上方6英寸至12英寸之间。
在一个非限制性示例中，用户控制件包括用于可以供用户选择的不同虚拟枢轴点位置的多种设置部。在另一示例中，用户控制件允许在虚拟枢轴点位置的范围内连续调整虚拟枢轴点位置。在一个非限制性示例中，该范围可以被界定为不低于轴线22且不高于车辆的车顶。在其他示例中，该范围可以大于或小于上述范围。在一个非限制性示例中，该范围在轴线22的高度与乘员头部的顶部之间延伸。在一个非限制性示例中，该范围在乘员的膝盖的高度与至少与用户的头部的顶部一样高的点之间延伸。
在一个非限制性示例中，座椅系统提供对虚拟枢轴点的位置的指示。控制件可以在控制件本身上具有指示虚拟枢轴点的实际位置的指示部，或者控制件可以具有指示控制件设置在虚拟枢轴点的可能位置的范围内的何处的相对指示符。替代性地或额外地，座椅系统可以包括能够向用户显示各种信息的显示装置，在该示例中，这些信息可以包括虚拟枢轴点位置。显示装置可以是lcd屏幕。在一个非限制性示例中，显示装置包括触摸界面，并且可以使用触摸界面来设置虚拟枢轴点的位置。在一个非限制性示例中，用户在触摸显示装置上呈现的座椅的图形表示上指示用户希望设置虚拟枢轴点位置的位置。多种其他控制件类型和指示符也是可能的，并且该设备不限制实现用于改变虚拟枢轴点的用户控制的方式，也不限制表示虚拟枢轴点位置的方式。控制件的其他非限制性示例是其上具有指示标记的旋钮、滑动控制件、旋转开关、以及具有表示特定的固定虚拟枢轴点位置的止动部的旋钮或滑动控制件。可以使用并且在本文中设想用于控制电子或机电系统中的可变元件的任何已知装置。
在一个非限制性示例中，当检测到一状况、比如检测与座椅相关联的托架是处于收起位置还是处于展开状况时，座椅系统自动调整虚拟枢轴点位置。当托架处于展开状况时，虚拟枢轴点位置设置为位于托架的在轴线22上方的竖向高度处。其他可能的状况可能是在托架处于其展开状态的同时是否有物体位于托架上、是否有任何用户座椅调整，比如座椅靠背角度、座椅高度或头枕位置的调整。其他状况也是可能的，并且这些状况不仅限于本文列出的那些状况。
在一个非限制性示例中，使用传感器来检测托架是否展开以及托架是否正在被使用。可用于检测托架是否展开的已知传感器类型的非限制性示例是简单的开关、光学传感器、应变仪、位置传感器或可用于检测物体的位置的其他已知传感器。可用于检测物体是否位于展开的托架上的已知传感器类型的非限制性示例是光学传感器、应变传感器、力传感器、接触或接近传感器等。在一个非限制性示例中，虚拟枢轴点位置的自动调整取决于托架是否被展开以及托架上是否搁置有任何物体。假设如果托架展开且物体位于托架上，则用户将注意力集中在托架上，然后将虚拟枢轴点位置设置为托架的竖向高度。在一个非限制性示例中，如果物体随后从托架移除，则可以将虚拟枢轴点位置切换回到其先前的设置。
一旦感测到改变的状况(比如，托架展开、座椅调整等)，则可以使用时间延迟来控制何时自动调整虚拟枢轴点位置。在一个非限制性示例中，时间延迟在0秒(即，立即)与一分钟之间。该时间延迟可以是预定的，或者可以通过座椅系统的用户界面由用户调整。在不同状况的不同状态之间切换时，可以使用不同的时间延迟。例如，调整座椅的座椅靠背角度可能会导致虚拟枢轴点位置立即改变，而展开或收起托架可能会在托架被展开或收起的时间与虚拟枢轴点位置改变的时间之间具有预定的时间延迟。与从一状况的第一状态到达第二状态相关联的时间延迟可以与从该状况的第二状态返回至第一状态时使用的时间延迟不同。例如，当从托架的收起状态切换至展开状态时使用的延迟可以与当从托架的展开状态切换至收起状态时使用的时间延迟不同。
在一个非限制性示例中，使用传感器来确定虚拟枢轴点位置应当设置在何处。虚拟枢轴点位置无论怎样都设置在传感器的竖向高度处。用户可以将传感器布置在其关注的任何物体(比如，阅读材料、笔记本电脑、食品、饮食用具、书写工具等)中或这些物体上。一种用于追踪物体空间的位置的示例传感器是由总部位于加利福尼亚州圣何塞的应美盛公司(invensense)制造的icm206906轴运动追踪装置。已知可以使用许多其他运动感测装置，并且传感器不限于6轴装置。由于仅需要轴线22上方的竖向高度，并且不需要空间中的绝对位置，因此其他运动传感器(比如，3轴加速度计)可以提供足够的信息。也可以使用其他传感器，比如位置传感器、超声传感器、光学传感器。可以使用并且在本文中设想能够在已知空间中提供其位置的竖向高度的任何传感器。
关于改变虚拟枢轴点位置的上述论述，所有描述的示例可以单独使用或以各种组合使用，并且应用不限于所描述的特定示例。设想了允许手动地或自动地设置虚拟枢轴点位置、手动地及自动地设置虚拟枢轴点位置的座椅系统。在结合了手动和自动虚拟枢轴点位置设置的座椅系统的示例中，该系统可以设置成使得手动设置优先于自动操作。座椅系统用户控制件可以允许用户连续地改变虚拟枢轴点位置、在多个离散的虚拟枢轴点位置之间切换、或连续地改变虚拟枢轴点位置及在多个离散的虚拟枢轴点位置之间切换。座椅系统可以向用户指示虚拟枢轴点位置，也可以不向用户指示虚拟枢轴点位置。指示虚拟枢轴点位置的座椅系统可以提供相对或绝对虚拟枢轴点位置信息、或两者的组合。如上所述，可以使用指示这种数据的任何已知的方法来提供指示。任何座椅系统都可以以上述各种方式使用传感器。
参照图2，座椅16示出为具有底部14和连接至底部14的座椅靠背32。一对臂34从座椅靠背32向前延伸。该座椅系统的优点在于：由于车辆10的侧向摇动，臂34对人员12的躯干的任何冲击将被大幅减少(或最小化)。座椅靠背将发生类似的改进，从而座椅靠背相对于人员的背部的横向平移也将大幅减少。线性致动器36枢转地连接至座椅16(在位置35处)，并且可以与座椅16相互作用以使座椅16绕轴线22旋转。在该示例中，线性致动器36还在位置37处枢转地连接至车辆10的地板20。线性致动器36在双向箭头38的方向上伸展或缩回，以使座椅在双向箭头40的方向上绕轴线22旋转。线性致动器36可以是例如电磁线性马达、液压缸或气压缸。线性致动器36替代地可以是某种其他类型的致动器，比如联接在座椅16与地板20之间的旋转致动器(电磁、液压或气动的旋转致动器)。任何类型的致动器都可以直接联接至座椅，或者可以通过某种类型的齿轮传动系、联动装置或其他传动机构起作用。致动器36可以连接至座椅16的不同部分和车辆10的不同部分(除了地板20之外，例如驾驶室的壁)。下面论述对致动器的控制。
上述座椅16仅具有相对于车辆10绕轴线22(侧倾轴线)的单个自由度。该单个自由度可以替代性地是绕俯仰轴线的。在这种情况下，轴线22在图1a中观察时是侧向定向的，并允许控制座椅16的向后及向前俯仰。在另一示例中，座椅16可以配备有一个或更多个额外的致动器(未示出)，以使座椅以一个或更多个额外的自由度运动。例如，代替将中间支承结构18安装至地板20，可以将中间支承结构18安装至平台(未示出)，该平台通过额外的致动器沿竖向方向上下移动以减小车辆在道路上行驶时驾驶员感觉到的竖向振动(或者该竖向致动器可以置于结构18与座椅16之间)。这种类型的竖向主动悬架系统的示例在美国专利8,095,268中示出，该美国专利通过参引并入本文中。竖向主动悬架系统可以独立于旋转座椅系统(或下面描述的平移座椅系统)进行操作。l2距离(图1)将随着与竖向隔离机构相关联的运动而变化。这种影响可以基于检测平台与地板20之间的距离的传感器的输入而被包括在处理器计算中。此外，竖向隔离系统可以用于抵消人员12的头部由于车辆10(例如相对于地面)的旋转和座椅16相对于车辆10的旋转的组合而产生的任何可能的升高或降低。用于控制虚拟枢轴点的位置的用户控制件可以考虑由于悬架的竖向位移而产生的l2的变化，使得无论竖向悬架位移如何变化，用户仍然可以使用用户控制件来控制虚拟枢轴点位置。
转向图3，致动器36的操作由处理器42控制。传感器44可以测量运动的一个方面，在本示例中，该方面是车辆10的侧倾率。处理器42经由总线46接收来自传感器44的呈侧倾率数据的形式的输入。处理器42计算侧倾率数据的积分以确定瞬时侧倾角度θ1(图1)。然后，处理器将θ1与l2和l1一起插入到上文在第28段给出的等式中，并计算θ2。接下来，处理器42使用查找表来确定期望的致动器位置，以得到所计算的θ2。应当指出的是，处理器42经由总线48从致动器36接收位置数据。该位置数据指示致动器的位置，该致动器的位置与座椅围绕轴线22的位置相关。如此，处理器获知致动器的当前位置(例如，位移)。应当指出的是，处理器用来控制θ2的特定控制律并不重要，并且在本文所述的实施方式中可以使用各种控制律，比如pi、pid或其他已知的控制律等。
处理器42然后经由总线50向致动器36发出使致动器移动至期望的致动器位置的命令。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器44的输入来确定座椅16绕轴线22的期望运动，然后操作致动器36以引起座椅16绕该轴线的期望运动。这导致坐在座椅16中的人员的头部在基本水平的方向上的加速度大幅减小(或最小化)。优选地，处理器42在车辆10(例如，绕图1b中的轴线24)旋转时控制座椅16的运动，以减小虚拟枢轴点33沿参考竖向中心线17的位移。该示例是有利的，这是因为：(a)该示例对于由于转弯(当车辆左转或右转时)和重力引起的横向加速基本不敏感；以及(b)需要最少的运动传感器。该布置结构假设存在静止的侧倾中心高度(即，l1不变)。如先前关于其他示例所描述的，调整控制器使用的l2的值的用户控制件用作控制虚拟枢轴点的位置的用户控制件。
如果期望随着车辆的移动实时地连续计算l1，则可以在例如车辆10或座椅16上设置横向加速度计(未示出)。该加速度计优选地位于与轴线22基本相同的高度(或位置)。处理器42接收来自横向加速度计和侧倾率传感器44的输入，然后使用等式l1＝横向速度/侧倾率来计算l1，其中，横向速度通过对横向加速度信号进行积分来计算。应当指出的是优选地对本申请中描述的任何横向加速度计的输出进行重力校正。这意味着考虑了在车辆10和/或座椅16旋转时耦合到横向加速度计中的重力分量。动态计算l1不会影响通过调整l2的值来控制虚拟枢轴点位置的用户控制件。
在控制座椅16围绕图3中的轴线22的位置的替代性方式中，使用角度θ3(图1b)代替θ2。如上所述，一旦处理器确定了瞬时侧倾角度θ1，则通过等式θ3＝θ1×(l1/l2)来确定角度θ3。接下来，处理器42使用查找表来确定期望的致动器位置，以得到所计算的θ3。然后，处理器42经由总线50向致动器36发出使致动器移动至期望的致动器位置以得到所计算的θ3角度的命令。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器44的输入来确定座椅16绕轴线22的期望运动，然后操作致动器36以引起座椅16绕该轴线的期望运动。如上所述，可以通过静止的侧倾中心高度l1或随时间变化的l1来实现该控制方案。
关于图4，公开了座椅系统的另一示例，在该示例中，图3的车辆侧倾率传感器44被移除，并且侧倾率传感器52设置成由于安装在中间支承结构18上而与座椅16一起旋转。传感器52检测座椅16围绕轴线22的侧倾率。还提供了横向加速度计54，并且横向加速度计54安装在车辆的地板20上以检测车辆的横向加速度。
座椅系统可以包括在某些状况下将座椅16锁定在其原始位置(如图1a所示)的机构(图中未示出)。例如，如果发动机正在运转，但是在变速器处于停车或空档的情况下车辆停止，或者当车辆的点火关闭时，致动器36将使座椅16旋转至其原始位置。替代性地，座椅系统可以包括对中弹簧(图中未示出)，该对中弹簧也可以使座椅16朝向座椅16的原始位置旋转。然后，金属杆被自动地(例如，通过螺线管或弹簧)插入支承结构18中的孔中以将座椅16锁定在其原始位置。然后，通向致动器36的电力被切断。
图5示出了座椅系统，该座椅系统是图4的座椅系统的改型。主要区别在于，图4的侧倾率传感器52和横向加速度计54已结合为单个传感器组件56(安装在座椅中间支承结构18上)。处理器42(图5中未示出)以与图4中相同的方式使用来自传感器组件56的输入。即，轴线22的横向加速度表示为
在另一示例中，省去了传感器组件56并将横向加速度计(未示出)布置在座椅16的头枕(未示出)中。头枕像通常那样可以调整至驾驶员的头部的高度。横向加速度计的输出被传输至处理器42。处理器42使用来自横向加速度计的输出以大幅减小、最小化或消除驾驶员的头部在水平方向上(在这种情况下为在横向上)的加速度的方式来操作致动器36。需要对横向加速度计的输出进行重力校正，并且车辆转弯产生的离心力需要通过例如在车辆上的某处设置可以测量这些离心力的另一加速度计来解决。在该示例中，用于控制虚拟枢轴点的位置的用户控制件通过允许用户调整横向加速度计的物理位置来实现。用户可以调整头枕的高度，或者可以通过使用允许用户改变其相对于头枕的位置的机构将横向加速度计安装至头枕。
参照图6，示出了座椅系统的另一示例，在该示例中，座椅16可以绕两个不同的轴线旋转。该座椅可以解决车辆10围绕与车辆10的前轴(图1a)基本平行的俯仰轴线(未示出)向前及向后俯仰的问题。俯仰轴线可以例如位于前轴的高度处。中间座椅支承件18已经绕竖向轴线重新定向了90度并且被枢转地紧固至摇臂板58。摇臂板58枢转地紧固至车辆10的地板20。该布置结构允许座椅16绕轴线22和基本上垂直于轴线22且基本上平行于水平面的轴线62旋转。距离l4是轴线62定位在车辆的俯仰轴线上方的高度。第二致动器64枢转地紧固至地板20和座椅16。上面参照图3描述的控制方案通常用于控制图6中的座椅的运动。也就是说，致动器36和64的操作由处理器42控制。传感器44测量车辆10绕与轴线22平行的轴线的侧倾率。传感器66测量车辆10绕与轴线62平行的轴线的俯仰率。处理器42经由数据总线接收来自传感器44的呈侧倾率数据形式的输入和来自传感器46的呈俯仰率数据形式的输入。
处理器42计算来自传感器44的侧倾率数据的积分，以确定瞬时侧倾角度θ1(图1)。处理器42还计算来自传感器66的俯仰率数据的积分，以确定瞬时俯仰角度θ4。然后，处理器将θ1与l2和l1一起插入到上文在第29段给出的等式中，并计算θ2。处理器还计算θ5＝θ4×(1+l4/l2)。使用距离l2是因为轴线62和22位于大约相同的高度处。角度θ1和θ2分别对应于角度θ4和θ5，后两个角度与拖拉机的其中拖拉机向前或向后俯仰的侧视图有关。
接下来，处理器42使用查找表来确定期望的致动器位置，以得到所计算的θ2和θ5角度。当致动器36和64一致移动时，致动器36和64将仅改变角度θ5。当致动器36和64以相同的速度相对运动时，致动器36和64将仅改变角度θ2。当致动器36和64在相同或相反的方向上以不同的速度运动时，致动器36和64将改变角度θ2和角度θ5两者。应当指出的是，处理器42通过相应的总线接收来自致动器36和64的位置数据。位置数据指示致动器的位置，致动器的位置与座椅围绕轴线22和62的位置相关。如此，处理器获知致动器的当前位置(例如，伸出位置)。
然后，处理器42经由相应的总线向致动器36和64中的每一者发出使致动器移动至期望的致动器位置的命令信号。应当指出的是，每个致动器的侧倾和俯仰控制信号被处理器42组合，然后被发送至相应的致动器36和64。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器44和66的输入来确定座椅16绕轴线22和62的期望运动，然后操作致动器36和64以引起座椅16绕轴线的期望运动。该示例是有利的，这是因为：(a)该示例对于由于转弯(当车辆左转或右转时)和重力引起的横向加速度以及由于加速和制动车辆10引起的向前/向后加速基本不敏感；以及(b)需要最少的运动传感器。应当指出的是，轴线22和62基本上彼此正交。这些轴线可以定向为彼此不正交(即，彼此偏移不同于90度的角度)。
如前所述，用户控制件65可以被实现为控制侧倾自由度的虚拟枢轴点的位置。控制件65被描绘为位于座椅16的扶手上的旋转控制件。用户控制件67也可以被实现为允许用户控制俯仰自由度的虚拟枢轴点位置。控制件67被描述为位于座椅16的扶手上的旋转控制件。控制件的位置可以在座椅乘员可及的任何地方。虽然控制件65和67被描绘为旋钮，但是可以使用本领域中已知的其他控制件类型。在一个非限制性示例中，两个虚拟枢轴点位置可以由单个用户控制件控制。用户可能希望将两个虚拟枢轴点位置布置在相同的高度处，或者用户可能希望两个虚拟枢轴点位置不同。对于每个自由度具有单独的用户控制件可以允许用户同时独立地控制与多个自由度相关联的虚拟枢轴点位置。在一个非限制性示例中，车辆侧倾自由度的虚拟枢轴点位置被选择为位于比车辆俯仰自由度的虚拟枢轴点位置(高度)低的高度处。例如，当座椅乘员正在阅读时，侧倾虚拟枢轴点位置可以设置为阅读材料的高度(或者可能是与座椅相关联的托架的高度、或者座椅乘员的膝盖的高度)，而侧倾虚拟枢轴位置被选择得较高，比如位于座椅乘员的头部的高度处。
转向图7，提供了座椅系统的另一示例，在该示例中，座椅16基本平行于轴线62平移，而不是绕轴线22和62中的一个或两个轴线旋转。该系统解决了绕轴线24(图1b)侧倾的车辆10的问题。提供了不同的中间座椅支承结构68，该中间座椅支承结构68经由四个线性支承件72紧固至一对导轨70。座椅16可以通过致动器74在导轨70上沿着轴线62移动，致动器74连接至中间座椅支承结构68和车辆的地板20。如上所述，致动器74将其当前位置状态报告给处理器42并通过一对数据总线接收来自处理器的移动命令。侧倾率传感器44将绕轴线24(图1b)的车辆侧倾率提供给处理器42。处理器42计算侧倾率数据的积分以确定瞬时侧倾角度θ1(图1)。应当指出的是，即使座椅16(和驾驶员的头部)的平移用来抵消车辆(以及驾驶员的头部)的旋转，但是驾驶员的头部由于车辆侧倾而经历的运动中的大部分运动是侧向的(上下都很少)，因此这是解决该问题的可接受解决方案。
然后，处理器将θ1插入到等式δx头部＝(l1+l2)×θ1中，其中，δx头部是坐在座椅16中的人员的头部需要侧向移动以抵消车辆绕轴线24的侧倾的距离。例如，当车辆已经逆时针旋转(例如，绕图1b中的轴线24)一角度θ1时，驾驶员的头部平行于轴线62向右平移距离δx头部。接下来，处理器42使用查找表来确定致动器74的期望位置，以得到所计算的δx头部。然后，处理器42向致动器74发出使致动器74移动至期望的致动器位置的命令。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器44的输入来确定座椅16沿着轴线62的期望运动，然后操作致动器74以引起座椅16沿着该轴线的期望运动。该示例是有利的，这是因为：(a)该示例对于由于转弯(车辆左转或右转时)和重力引起的横向加速基本不敏感；以及(b)需要最少的运动传感器。该布置结构假设存在静止的侧倾中心高度(即，l1不变)。如果期望随时间变化的l1，则可以如上所述地使用横向加速度计。类似于图1至图6所示的旋转座椅系统在座椅的旋转轴线的高度处(例如，围绕轴线22)在座椅周围需要较小的间隙，使得座椅在旋转时不会撞到车辆的另一部分(例如，驾驶室11)。对于旋转座椅，该间隙要求根据旋转轴线上方的距离而增加。这允许将驾驶室11设计成具有较窄的基部。如图7所示的平移座椅系统在座椅基部上方的所有高度都需要大致相同的间隙。允许用户控制虚拟枢轴点的位置的用户控制件可以如先前所述的那样实现，其中，控制件的调整如上所述地改变用于计算δx头部的l2的值。
图8与图1b相似，不同之处在于图7的平移座椅系统替代图1b的旋转座椅系统。在此，可以看到δx头部是座椅中心线31与车辆中心线29之间的距离。如果座椅的原始位置不在车辆中居中，则δx头部是座椅中心线31与座椅的原始位置之间的距离。座椅向右平移(如图8所示)一距离δx头部，使得人员12的头部基本上保持在竖向中心线17上。
图9示出了与图7所示的座椅系统相似的座椅系统，不同之处在于：在图9中，座椅16基本上平行于轴线22向前或向后移动，而不是侧向移动。该系统解决了绕俯仰轴俯仰的车辆10的问题(如上所述)。中间座椅支承结构68与图7中的基本相同。然而，设置了一对导轨73和四个线性支承件75来代替导轨70和支承件72以允许座椅16向前和向后移动。座椅16可以通过致动器76在导轨73上基本平行于轴线22移动，致动器76连接至中间座椅支承结构68和车辆的地板20。如上所述，致动器76将其当前位置状态报告给处理器42并通过一对数据总线接收来自处理器的移动命令。俯仰率传感器66将绕俯仰轴线的车辆俯仰率提供给处理器42。处理器42计算俯仰率数据的积分以确定瞬时俯仰角度θ4。
然后，处理器将θ4插入到等式δy头部＝(l4+l2)×θ4中，其中，δy头部是坐在座椅16中的人员的头部需要向前或向后移动以抵消车辆绕俯仰轴线的俯仰的距离。接下来，处理器42使用查找表来确定致动器76的期望位置，以得到所计算的δy头部。然后，处理器42向致动器76发出使致动器76移动至期望的致动器位置的命令。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器66的输入来确定座椅16的基本平行于轴线22的期望运动，然后操作致动器76以引起座椅16的基本平行于轴线22的期望运动。该示例是有利的，这是因为：(a)该示例对于由于下压车辆10的油门踏板或制动踏板以及重力引起的加速和减速基本不敏感；以及(b)需要最少的运动传感器。该布置结构假设存在静止的俯仰中心高度(即，l4不变)。如果期望使用随时间变化的l4，则可以如上所述使用前后加速度计。再次，允许用户调整侧倾、俯仰或者侧倾和俯仰两者的虚拟枢轴点的用户控制件可以如先前所述的那样实现。控制件调整由控制器使用的l2的值，以计算致动器的期望输出力。通常，侧倾和俯仰的虚拟枢轴点彼此独立并且各自可以由用户根据需要进行设置。
在图10中，示出了一种座椅系统，在该座椅系统中，座椅16不仅可以侧向移动而且可以向前/向后移动。中间座椅支承结构68如图7所示的那样经由四个线性支承件72紧固至导轨70。然而，导轨70紧固至置于车辆10的地板20与中间支承结构68之间的板78。板78紧固至沿着导轨73行进的四个线性支承件75。导轨73如图9所示的那样紧固至车辆10的地板20。通过这种布置结构，座椅16可以通过致动器74基本平行于轴线62在导轨70上移动，致动器74连接至座椅中间支承结构68和板78。此外，座椅16可以通过致动器76基本平行于轴线22在导轨73上移动，致动器76连接至板78和车辆的地板20。如上所述，致动器74和76将其当前位置状态报告给处理器42并通过一对无线数据总线80接收来自处理器的移动命令。
侧倾率传感器44将绕轴线24的车辆侧倾率提供给处理器42。俯仰率传感器66将绕俯仰轴线(图6)的车辆俯仰率提供给处理器42。处理器42计算侧倾率数据和俯仰率数据的积分以确定瞬时侧倾角度θ1和俯仰角度θ4。接下来，处理器42计算：(a)侧倾率数据的积分以确定瞬时侧倾角度θ1；以及(b)俯仰率数据的积分以确定瞬时俯仰角度θ4。然后，处理器将θ1插入到等式δx头部＝(l1+l2)×θ1中，其中，δx头部是坐在座椅16中的人员的头部需要侧向移动以抵消车辆绕轴线24的侧倾的距离。处理器然后将θ4插入到等式δy头部＝(l4+l2)×θ4中，其中，δy头部是坐在座椅16中的人员的头部需要向前或向后移动以抵消车辆绕俯仰轴线的俯仰的距离。处理器42使用查找表来确定：(a)致动器74的期望位置，以得到所计算的δx头部；以及(b)致动器76的期望位置，以得到所计算的δy头部。处理器42然后向致动器74和76发出使致动器74和76移动至期望的致动器位置的命令。通过依次重复这些步骤，处理器42利用来自传感器44和66的输入来确定座椅16的基本平行于轴线22和62的期望运动，然后操作致动器74和76以引起座椅16的基本平行于这些轴线的期望运动。该示例是有利的，这是因为：(a)该示例对于水平面中的加速和重力基本不敏感；以及(b)需要最少的运动传感器。该布置结构假设存在静止的侧倾中心高度和俯仰中心高度(即，l1和l4不变)。如果期望使用随时间变化的l1和/或l4，则可以如上所述地使用横向和前后加速度计。
图6描绘了一种允许对侧倾自由度和俯仰自由度两者上的运动进行控制的两自由度运动补偿系统，其中，侧倾运动和俯仰运动分别由采用沿着轴线22和62的枢转运动的悬架系统来补偿。图10描绘了一种允许对侧倾自由度和俯仰自由度两者上的运动进行控制的两自由度运动补偿系统，其中，侧倾运动和俯仰运动分别由采用沿着轴线62和22的平移运动的悬架系统来补偿。也可以如图2所示的那样(或如图6中补偿的自由度中的任一自由度上所示的那样)通过使用枢转运动来补偿侧倾自由度或俯仰自由度中的一者上的运动，并且如图7和图9所示的那样通过使用平移运动来补偿侧倾自由度或俯仰自由度中的另一者上的运动。在一个非限制性示例中，侧倾运动由主动枢转运动控制系统主动地补偿，而俯仰运动由线性悬架系统主动地补偿。在一个非限制性示例中，侧倾运动由主动枢转运动控制系统主动地补偿，而俯仰运动由被动线性悬架系统被动地补偿。
图11示出了频率与人对横向加速的敏感度的大小的曲线图。可以看出，人对1hz附近的横向加速最敏感。人对低于0.1hz或高于30hz的横向加速不是很敏感。该座椅系统解决的车辆旋转带宽优选地在约0.2hz至约8hz之间，并且更优选地在约0.1hz至约40hz之间。
已经描述了许多实施方案。然而，将理解的是，在不背离本文描述的发明构思的精神和范围的情况下，可以做出额外的改型，并且因此，在所附权利要求的范围内存在其他实施方式。例如，另一实施方式可以包括既平移又旋转的座椅。这可以通过修改图10所示的座椅以使得用于使座椅侧向移动的布置结构由用于使座椅绕与轴线22平行的轴线旋转的布置结构(例如，如图2所示)代替来实现。
在既平移又旋转的座椅的另一种方案中，图10中的座椅系统被修改成用图2中的使座椅16绕轴线22旋转的部分代替系统的使座椅向前及向后移动的部分。如果座椅向右平移(如图10所示)，则座椅也将顺时针旋转。然而，由于座椅的平移和旋转被组合在一起，这两种运动可以在与仅使用旋转(例如，图2)或平移(图7)的系统相比较小的程度上进行。
在所有上述示例中，车辆侧倾轴线24始终被示出为位于座椅16绕其旋转的轴线22下方(或供座椅平移的水平面以下)。也可以在车辆侧倾轴线位于座椅旋转轴线或平移水平面上方的情况下使用上述布置结构。这可能出现在有轨电车中，在有轨电车中，车辆悬置于位于车辆上方的电缆。
在另一示例中，轴线22(参见图1)可以是由例如四杆联动装置或圆形轨道产生的虚拟枢轴。这种布置结构将提供地板20处的一定程度的横向平移，但是不需要使用第二致动器。这种布置结构的好处在于减小了坐在座椅16中的人员的躯干的横向加速度。该示例将耗费更多的摇摆空间，并在人员12与车辆10的踏板/方向盘之间产生更多的相对运动。
在另一示例中，驾驶室11相对于车辆的另一部分(例如，车架或翼子板)移动，以使虚拟枢轴点33基本上沿着参考竖向中心线17定位。驾驶室11的这种移动可以代替使座椅16移动(在这种情况下，座椅16相对于驾驶室11紧固就位)，或者除了使座椅16移动之外还存在驾驶室11的这种移动(在这种情况下，座椅16相对于驾驶室11移动并且驾驶室11相对于车辆10的另一部分移动)。在前一种情况下，驾驶室相对于车辆的另一部分移动了δx头部、y头部、θ2和θ4中的一者或更多者。在后一种情况下，座椅16相对于驾驶室11以及驾驶室11相对于车辆的另一部分的组合运动被设定为如上所述的δx头部、δy头部、θ2和θ4中的一者或更多者。在该后一种情况下，座椅和驾驶室沿相同方向移动，从而为座椅提供了更多的相对于驾驶室行进的空间。通过参引并入本文的美国专利5,044,455公开了主动使卡车的驾驶室移动以解决卡车在道路上行驶时卡车的俯仰。驾驶室11可以如‘455专利中描述的那样进行移动，以解决上述控制方案下的车辆10的俯仰运动和/或侧倾运动。
上面描述的示例可以包括具有计算机部件和计算机实现的步骤的处理器，这对于本领域技术人员而言是明显的。例如，本领域技术人员应当理解的是，处理器的计算机实现的步骤可以作为计算机可执行指令存储在计算机可读介质上，比方说例如存储在软盘、硬盘、光盘、闪速rom、非易失性rom和ram上。此外，本领域技术人员应当理解的是，计算机可执行指令可以在各种处理器上执行，比方说例如在微处理器、数字信号处理器、门阵列、控制器、离散逻辑、asic或其他可编程逻辑设备上执行，或者可以由模拟电路或模拟电路与数字电路的组合来执行。
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