專利名稱：運(yùn)動模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種運(yùn)動模擬器，更具體地，涉及一種改進(jìn)的運(yùn)動模擬器，在這種運(yùn)動模擬器中，消除了在利用重力產(chǎn)生運(yùn)動感覺的過程中發(fā)生所不希望的運(yùn)動感覺，并因此可以產(chǎn)生與實(shí)際狀態(tài)更相似的運(yùn)動感覺。
通常，運(yùn)動模擬器是指模擬諸如飛機(jī)或汽車等物體的運(yùn)動以使人們在有限空間內(nèi)體會到運(yùn)動感覺的裝置。
作為一種如上所述的一般運(yùn)動模擬器，一個6自由度運(yùn)動模擬器100顯示在

圖1至3B中，其中，一個可移動構(gòu)架120由六個致動裝置131，132，133，134，135和136驅(qū)動。
如圖1所示，現(xiàn)有的6自由度運(yùn)動模擬器100具有這樣一個結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個固定構(gòu)架110、一個可移動構(gòu)架120和多個致動裝置131，132，133，134，135和136。
所述固定構(gòu)架110固定地安裝在地面(重力場)上。所述可移動構(gòu)架120設(shè)置在固定構(gòu)架110的重力方向上方。一個乘客艙140設(shè)置在所述可移動構(gòu)架120上表面上。
所述多個致動裝置131，132，133，134，135和136設(shè)置在固定構(gòu)架110和可移動構(gòu)架120之間。電動、液壓或氣動致動裝置通常用作所述的每個致動裝置。
所述每個致動裝置131，132，133，134，135和136通過相應(yīng)一對萬向節(jié)131a和131b，132a和132b，133a和133b，134a和134b，135a和135b以及136a和136b在其端部可轉(zhuǎn)動地被連接。
具有上述結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有6自由度運(yùn)動模擬器100通過驅(qū)動多個致動裝置131，132，133，134，135和136并因而移動可移動構(gòu)架120使得乘客艙140中的乘客170可以體會到與實(shí)際乘坐飛機(jī)或汽車相似的感覺。
例如，對于一輛突然起動并繼續(xù)加速的賽車，由于加速乘客體會到被向后拉的感覺，而且在起動后繼續(xù)加速時這種感覺將會持續(xù)。
為了產(chǎn)生這種感覺，運(yùn)動模擬器100驅(qū)動多個致動裝置131，132，133，134，135和136，并首先使可移動構(gòu)架120向前加速，如圖2A所示。在上述情況下，乘客艙140中的乘客170由于慣性力而體會到來自后方的拉拽感覺。
但是，由于運(yùn)動模擬器100的運(yùn)動范圍有一個限度，已被加速并向前運(yùn)動的可移動構(gòu)架120立即落入該限度內(nèi)。此時，如圖2B所示，當(dāng)可移動構(gòu)架120的前部被升起時，乘客170由于重力繼續(xù)體會到所述感覺。
另一方面，作為另一示例，對于一輛沿著大彎道轉(zhuǎn)彎的汽車，由于離心力乘客體會到向彎道外側(cè)方向推動的感覺，而且當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時乘客持續(xù)地體會到這種感覺。
為了產(chǎn)生這種感覺，運(yùn)動模擬器100驅(qū)動多個致動裝置131，132，133，134，135和136，并首先使可移動構(gòu)架120向側(cè)向加速，如圖3A所示。在上述情況下，乘客艙140中的乘客170由于慣性力而體會到沿著相反方向被推動的感覺。
但是，也是對于這種情況，由于運(yùn)動模擬器100的運(yùn)動范圍有一個限度，已被加速并向側(cè)向運(yùn)動的可移動構(gòu)架120立即落入該限度內(nèi)。此時，如圖3B所示，當(dāng)可移動構(gòu)架120的運(yùn)動方向側(cè)被升起時，乘客170繼續(xù)體會到所述感覺。
另一方面，在圖4-6中，作為現(xiàn)有運(yùn)動模擬器的另一示例，顯示了一個3自由度運(yùn)動模擬器101，其可移動構(gòu)架120被三個致動裝置131′，132′和133′驅(qū)動。
按照圖4至6，現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)與6自由度運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)相同，除了前者具有三個致動裝置131′，132′和133′并且設(shè)置有一個單獨(dú)的支撐部件150，支撐部件150限制發(fā)生不希望的向前/向后線性運(yùn)動、向左/向右線性運(yùn)動、以及以垂直于可移動構(gòu)架120表面的上部、底部軸線為中心的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。
因此，在描述3自由度運(yùn)動模擬器101的結(jié)構(gòu)時，相同標(biāo)號用于表示與6自由度運(yùn)動模擬器相同的部件，并且省略了對它們的描述。
同時，如上所述，由于可移動構(gòu)架120的所有運(yùn)動不能僅通過致動裝置131′，132′和133′來限制，在所示現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器101中，設(shè)置了一個單獨(dú)的支撐部件150，用于限制可移動構(gòu)架發(fā)生不希望的運(yùn)動。
所述支撐部件150由一個安裝在固定構(gòu)架110上的液缸151、一個可沿著所述液缸151上下移動的活塞152、以及一個連接所述活塞和可移動構(gòu)架120的萬向節(jié)153構(gòu)成。
在上述結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器的情況下，由于沒有水平方向，即，垂直于重力方向的自由度，當(dāng)如上所述地產(chǎn)生連續(xù)的加速運(yùn)動或轉(zhuǎn)動運(yùn)動時，只利用了重力。
即，為了產(chǎn)生一種線性加速感覺，運(yùn)動模擬器101驅(qū)動多個致動裝置131′，132′和133′并升起可移動構(gòu)架120的前部，從而使乘客170體會到向后拉拽的感覺，如圖5所示。
另外，為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)動運(yùn)動，運(yùn)動模擬器101驅(qū)動多個致動裝置131′，132′和133′并升起可移動構(gòu)架120的一側(cè)，從而使乘客170體會到向另一側(cè)推動的感覺，如圖6所示。
但是，按照上述結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有運(yùn)動模擬器100，101，兩種模擬器都具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，乘客170的重心位于可移動構(gòu)架120的轉(zhuǎn)動中心上方。
由于上述原因，當(dāng)進(jìn)行從連續(xù)的線性加速或從離心運(yùn)動向側(cè)向加速時，即，可移動構(gòu)架120被翹起以利用重力時，存在出現(xiàn)不希望的加速的問題。
這種不合適的感覺(即，力)可以用如下等式表示Ap＝Av+A×Rpv+ω×ω×Rpv其中，Ap是運(yùn)動模擬器的乘客所體會到的加速矢量，Av是運(yùn)動模擬器的可移動構(gòu)架的加速矢量，A是可移動構(gòu)架的轉(zhuǎn)動加速矢量，Rpv是在運(yùn)動板上的乘客的相對位置矢量，以及ω是轉(zhuǎn)動速度矢量。
這種不合適的感覺是A和Rpv矢量的叉積A×Rpv的計(jì)算值以及ω，ω和Rpv矢量的叉積ω×ω×Rpv的計(jì)算值的總和。
即，在現(xiàn)有運(yùn)動模擬器100，101的結(jié)構(gòu)中，由于乘客170的重心位于可移動構(gòu)架120的轉(zhuǎn)動中心的垂直上方，當(dāng)開始轉(zhuǎn)動可移動構(gòu)架以便給乘客施加一種加速感覺時，A×Rpv矢量值變成與希望產(chǎn)生的加速的方向相反。
顯示上述情況的曲線示于圖7中。圖7中的點(diǎn)畫線表示控制基準(zhǔn)信號，它們重復(fù)3m/s2的加速和減速，而實(shí)線表示乘坐通過輸入上述信號而被驅(qū)動的運(yùn)動模擬器的乘客所體會到的加速/減速。
在圖7中，正如沿著基準(zhǔn)信號變化的相反方向凸出的尖銳部分所示，與所希望推向一側(cè)的感覺相反，乘客體會到一個向相反側(cè)的突然引力。
這種問題的結(jié)果，如圖7中的實(shí)線所示，施加了一個與所希望產(chǎn)生的運(yùn)動感覺(圖7中的點(diǎn)畫線)相反方向的運(yùn)動感覺，而且，沿著所希望的運(yùn)動感覺的軌跡運(yùn)動時間被延遲。這意味著乘客所經(jīng)歷的狀況減弱。
在先前所列舉的6自由度運(yùn)動模擬器的情況下，由于有限的線性運(yùn)動范圍，如果可移動構(gòu)架被轉(zhuǎn)動，一發(fā)生轉(zhuǎn)動運(yùn)動就會出現(xiàn)與所希望的運(yùn)動感覺相反的運(yùn)動感覺。
以上以6自由度運(yùn)動模擬器和3自由度運(yùn)動模擬器作為兩種類型的示例描述了現(xiàn)有運(yùn)動模擬器的問題。但是，盡管程度是可以變化的，但現(xiàn)有運(yùn)動模擬器的上述問題發(fā)生在具有不同自由度的所有運(yùn)動模擬器中，這些運(yùn)動模擬器的功能是利用轉(zhuǎn)動和重力加速給乘客施加線性加速感覺，其轉(zhuǎn)動中心位于乘客下方。
因此，本發(fā)明將要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)任務(wù)，即，本發(fā)明的目的是要通過提供一種運(yùn)動模擬器來解決現(xiàn)有運(yùn)動模擬器的上述問題，該運(yùn)動模擬器使得運(yùn)動感覺與所希望的感覺相似，并且在利用重力產(chǎn)生運(yùn)動感覺時通過消除所不希望的運(yùn)動感覺來減少沿軌跡運(yùn)動時間。
本發(fā)明的上述目的是通過提供一種根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)動模擬器來實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，它包括一個固定構(gòu)架、一個沿重力方向設(shè)置在所述固定構(gòu)架下方并且在其底表面上安裝有乘客艙的可移動構(gòu)架、以及設(shè)置在所述固定構(gòu)架和所述可移動構(gòu)架之間并且可以轉(zhuǎn)動地或線性地移動可移動構(gòu)架的驅(qū)動裝置。
根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)動模擬器，由于可移動構(gòu)架設(shè)置在固定構(gòu)架下方，乘客的重心比可移動構(gòu)架的轉(zhuǎn)動中心低。
即，由于即使在轉(zhuǎn)動開始時A×Rpv矢量值與所希望產(chǎn)生的加速的方向相同，因此，具有如下優(yōu)點(diǎn)，即使在利用重力產(chǎn)生加速的過程中不會出現(xiàn)所不希望的運(yùn)動感覺，而且所希望的運(yùn)動感覺沿軌跡運(yùn)動的時間減少。
圖1是現(xiàn)有6自由度運(yùn)動模擬器的一個示例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A和2B是顯示圖1的運(yùn)動模擬器的加速感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖3A和3B是顯示圖1的運(yùn)動模擬器的轉(zhuǎn)動感覺產(chǎn)生過程的示意圖4是現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器的一個示例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是顯示現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器的加速感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖6是顯示現(xiàn)有3自由度運(yùn)動模擬器的轉(zhuǎn)動感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖7是一個曲線圖，顯示了通過輸入重復(fù)3m/s2的加速/減速的控制基準(zhǔn)信號來驅(qū)動現(xiàn)有運(yùn)動模擬器，以及由乘坐模擬器的乘客所體會到的加速/減速感覺；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的6自由度運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9A和9B是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的運(yùn)動模擬器的加速感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖10A和10B是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的運(yùn)動模擬器的轉(zhuǎn)動感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器的加速感覺產(chǎn)生過程的示意圖；圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器的轉(zhuǎn)動感覺產(chǎn)生過程的示意圖；以及圖14是一個曲線圖，顯示了通過輸入重復(fù)3m/s2的加速/減速的控制基準(zhǔn)信號來驅(qū)動本發(fā)明的運(yùn)動模擬器，以及由乘坐模擬器的乘客所體會到的加速/減速感覺。
以下將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。
在附圖8-10B中顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的運(yùn)動模擬器。所示運(yùn)動模擬器200是一個6自由度運(yùn)動模擬器，其中，可移動構(gòu)架220由六個致動裝置231，232，233，234，235和236驅(qū)動。
按照圖8，作為本發(fā)明一個實(shí)施例的6自由度運(yùn)動模擬器200包括一個固定構(gòu)架210、一個可移動構(gòu)架220和多個致動裝置231，232，233，234，235和236。
所述固定構(gòu)架210安裝成使得它相對于地面(重力場)被固定。所述可移動構(gòu)架220設(shè)置在固定構(gòu)架210的垂直下方。在所述可移動構(gòu)架220下方設(shè)置有一個乘客艙240。
所述多個致動裝置231，232，233，234，235和236設(shè)置在固定構(gòu)架210和可移動構(gòu)架220之間。所述每個致動裝置231，232，233，234，235和236可以是電動、液壓或氣動致動裝置。
所述每個致動裝置231，232，233，234，235和236通過相應(yīng)一對萬向節(jié)231a和231b，232a和232b，233a和233b，234a和234b，235a和235b以及236a和236b在其端部可轉(zhuǎn)動地被連接。
根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例具有上述結(jié)構(gòu)的6自由度運(yùn)動模擬器200通過驅(qū)動多個致動裝置231，232，233，234，235和236并因而移動可移動構(gòu)架220使得乘客艙240中的乘客270可以體會到與實(shí)際乘坐飛機(jī)或汽車相似的感覺。
例如，為了產(chǎn)生連續(xù)加速感覺，運(yùn)動模擬器200驅(qū)動多個致動裝置231，232，233，234，235和236，如圖9A所示，并首先使可移動構(gòu)架220向前加速。在上述情況下，乘客艙240中的乘客270由于慣性力而體會到來自后方的拉拽感覺，并且隨后當(dāng)可移動構(gòu)架220的前部被升起時，如圖9B所示，乘客270由于重力而繼續(xù)體會到所述感覺。在升起可移動構(gòu)架220前部的同時開始轉(zhuǎn)動運(yùn)動，但是，此時由徑向加速產(chǎn)生的慣性力與產(chǎn)生所述感覺的慣性力的方向相同。因此，與現(xiàn)有運(yùn)動模擬器不同，沒有朝著相反方向的所不希望的運(yùn)動感覺，而且在本發(fā)明中，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動徑向速度，慣性力可被控制到所需的大小。
此外，作為另一實(shí)施例，為了通過離心力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動感覺，運(yùn)動模擬器200驅(qū)動多個致動裝置231，232，233，234，235和236，如圖10A所示，并首先使可移動構(gòu)架220向側(cè)向加速。
在上述情況下，乘客艙240中的乘客270由于慣性力而體會到沿著所述運(yùn)動的相反方向被推動的感覺，并且隨后當(dāng)可移動構(gòu)架220的運(yùn)動方向側(cè)被升起時，如圖10B所示，乘客270繼續(xù)體會到所述感覺。而且此時，在可移動構(gòu)架220運(yùn)動方向側(cè)被升起的同時開始轉(zhuǎn)動運(yùn)動，但是，由徑向加速產(chǎn)生的慣性力與產(chǎn)生所述感覺的慣性力的方向相同。因此，與現(xiàn)有運(yùn)動模擬器不同，沒有朝著相反方向的所不希望的運(yùn)動感覺，而且在本發(fā)明中，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動徑向速度，慣性力可被控制到所需的大小。
另一方面，在圖11-13中顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的運(yùn)動模擬器201。所示運(yùn)動模擬器201是一個3自由度運(yùn)動模擬器，其中，可移動構(gòu)架220由三個致動裝置231′，232′和233′驅(qū)動。
按照圖11至13，根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器201的結(jié)構(gòu)與根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的6自由度運(yùn)動模擬器200的結(jié)構(gòu)相同，除了前者具有三個致動裝置231′，232′和233′并且設(shè)置有一個單獨(dú)的支撐部件250，支撐部件250限制發(fā)生所不希望的運(yùn)動。
因此，在描述根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器201的結(jié)構(gòu)時，相同標(biāo)號用于表示與6自由度運(yùn)動模擬器200相同的部件，并且省略了對它們的描述。
如上所述，由于可移動構(gòu)架220的所有運(yùn)動不能僅通過根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的3自由度運(yùn)動模擬器201中的致動裝置231′，232′和233′來限制，設(shè)置了一個單獨(dú)的支撐部件250，用于限制可移動構(gòu)架220發(fā)生所不希望的運(yùn)動。
所述支撐部件250由一個安裝在固定構(gòu)架210上的液缸251、一個可沿著所述液缸上下移動的活塞252、以及一個連接所述活塞和可移動構(gòu)架220的萬向節(jié)253構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的上述結(jié)構(gòu)的3自由度運(yùn)動模擬器201的情況下，由于沒有水平方向，即，垂直于重力方向的自由度，當(dāng)如上所述地產(chǎn)生連續(xù)的加速運(yùn)動或轉(zhuǎn)動運(yùn)動時，只利用了重力。
即，為了產(chǎn)生一種線性加速感覺，運(yùn)動模擬器201驅(qū)動多個致動裝置231′，232′和233′并升起可移動構(gòu)架220的前部，從而使乘客270體會到向后拉拽的感覺，如圖12所示。在升起前部開始時由徑向加速產(chǎn)生的慣性力是與所述運(yùn)動感覺的方向相同，而且當(dāng)轉(zhuǎn)動徑向速度的大小被適當(dāng)調(diào)節(jié)時，可在控制范圍內(nèi)獲得所需的慣性大小。
另外，為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)動運(yùn)動，運(yùn)動模擬器201驅(qū)動多個致動裝置231′，232′和233′并升起可移動構(gòu)架220的一側(cè)，從而使乘客270體會到向另一側(cè)推動的感覺，如圖13所示。在升起一側(cè)開始時由徑向加速產(chǎn)生的慣性力是與所述運(yùn)動感覺的方向相同，而且當(dāng)轉(zhuǎn)動徑向速度的大小被適當(dāng)調(diào)節(jié)時，可在控制范圍內(nèi)獲得所需的慣性大小。
按照根據(jù)本發(fā)明的上述運(yùn)動模擬器200，201，由于兩種運(yùn)動模擬器的可移動構(gòu)架220都設(shè)置在固定構(gòu)架210下方，因此，乘客270的重心位于可移動構(gòu)架220的轉(zhuǎn)動中心下方。
即，由于A×Rpv矢量值與所希望產(chǎn)生的加速的方向相同，因此，即使在利用重力產(chǎn)生加速感覺的過程中，不會產(chǎn)生朝著相反方向的所不希望的加速感覺，而且所希望的運(yùn)動感覺沿軌跡運(yùn)動的時間可以減少。
顯示上述情況的曲線示于圖14中。圖14中的點(diǎn)畫線表示控制基準(zhǔn)信號，它們重復(fù)3m/s2的加速和減速，虛線表示乘坐通過輸入上述信號而被驅(qū)動的現(xiàn)有運(yùn)動模擬器的乘客所體會到的加速/減速，而實(shí)線表示乘坐通過輸入上述信號而被驅(qū)動的本發(fā)明運(yùn)動模擬器的乘客所體會到的加速/減速。
根據(jù)該曲線，在本發(fā)明運(yùn)動模擬器的情況下，沒有象在現(xiàn)有運(yùn)動模擬器情況下的沿著基準(zhǔn)信號變化相反方向尖銳地凸出的部分。這意味著不會體會到所不希望的運(yùn)動感覺，結(jié)果，這意味著將要產(chǎn)生的運(yùn)動感覺(圖14的點(diǎn)畫線)沿軌跡運(yùn)動的時間減少，如圖14中實(shí)線所示。此外，在乘坐一個實(shí)際運(yùn)動模擬器的情況下，兩種類型的感覺在運(yùn)動真實(shí)性方面顯示有較大的差別。即，在運(yùn)動模擬器的性能方面顯示有較大差別。
應(yīng)理解的是，盡管已參照顯示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本發(fā)明不局限于所述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明總的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以多種方式對本發(fā)明進(jìn)行明顯的修改。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動模擬器，包括一個固定構(gòu)架；一個可移動構(gòu)架，該可移動構(gòu)架沿著重力方向設(shè)置在所述固定構(gòu)架下方，并具有一個安裝在其底表面上的乘客艙；以及設(shè)置在所述固定構(gòu)架和所述可移動構(gòu)架之間的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動地或線性地移動所述可移動構(gòu)架。
2.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動模擬器，其特征在于，所述乘客艙沿著重力方向設(shè)置在所述可移動構(gòu)架下方，使得在所述乘客艙中的乘客的重心沿著重力方向比所述可移動構(gòu)架的轉(zhuǎn)動中心低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的運(yùn)動模擬器,它在利用重力產(chǎn)生運(yùn)動感覺的過程中通過消除發(fā)生不希望的運(yùn)動感覺產(chǎn)生更接近實(shí)際狀況的運(yùn)動感覺。該運(yùn)動模擬器包括:一個固定構(gòu)架;一個可移動構(gòu)架,該可移動構(gòu)架沿著重力方向設(shè)置在所述固定構(gòu)架下方,并具有一個安裝在其底表面上的乘客艙;以及設(shè)置在所述固定構(gòu)架和所述可移動構(gòu)架之間的驅(qū)動裝置,該驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動地或線性地移動所述可移動構(gòu)架。
文檔編號A63G31/00GK1357397SQ00136220
公開日2002年7月10日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月14日
發(fā)明者金義錫 申請人:金義錫