一種運動平臺系統的製作方法
2023-06-01 23:53:06 1
專利名稱：一種運動平臺系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種運動平臺系統，特別(但不僅僅)涉及一種用作模擬器(如飛機模擬器或陸用機動車模擬器)的一部分的運動平臺系統。
背景技術：
眾所周知，模擬器可用於模擬飛機、陸用機動車(如賽車或拉力賽車)，以及其他一些機械的運轉方式。這種模擬器可用於培訓或者娛樂，它通常包含有一個運動平臺系統，該系統可支持一些設備，如飛行員或駕駛員的座椅以及關聯控制項。一個或多個顯示屏代表了通過車輛擋風玻璃的視野。運動平臺系統通過操控運動平臺的移動來模擬加速對駕駛員或者飛行員產生的效果。這些模擬效果與顯示屏上的視圖相協調，並可以模擬一些作用對駕駛員或飛行員產生的效果，如因重力產生的加速作用、因對控制系統輸入一些外部信息(如路面情況或地勢，或氣流)所產生的離心、加速或者減速作用等。US 2002/0055086公開了一個運動平臺系統的例子，它包含一個由連接臂支撐的運動平臺，通過該連接臂，運動可由電傳動馬達傳輸至平臺。該傳動馬達接收來自控制模擬器的軟體的信號，以移動平臺至一系列的對應要實現的模擬效果的位置。US 2002/0055086公開了六軸運動平臺系統，從而能夠相對一個直角坐標參照系平移或旋轉該平臺。該系統具有六個自由度，即三個平移自由度和三個旋轉自由度。通過可繞馬達輸出軸中軸作360 °轉動的曲柄臂，馬達得以作用於連接臂上。模擬器操作期間，連接臂對曲柄臂施加非常高的負荷，此時會對輸出軸產生較大的彎矩。此外，連接臂不僅能繞平行於輸出軸的樞軸作相對於曲柄臂的轉動，而且當運動平臺在其他的連接臂作用下產生平移位移時，能隨之作向內和向外的擺動。為了適應系統連接臂複雜的相互關聯的運動，連接臂不可避免地以較長的形式存在，這導致運動平臺距離系統底座的高度差相對較大。儘管有必要減少這一高度差，但這需要縮短連接臂的長度，這反過來又使連接臂要相對於對應的曲柄臂作進行更大範圍的樞轉運動。這可能會導致連接臂的運動包絡(movement envelopes)與系統的其他部分相撞擊。延伸連接曲柄臂與連接臂的曲柄銷(crank pin)的長度可以減少撞擊的風險，但這加大了由連接臂作用於驅動馬達輸出軸的彎矩上的力臂。這將增加支撐輸出軸的軸承的負載，並由此可導致軸承過早損壞。這一問題的另一種解決方案是軟體編程，以此來限制運動平臺的位移範圍，使其在不會導致控制臂和系統的其他部分相互幹擾的位置範圍內移動。但這降低了系統的活動性，並且還需要實際的硬擋塊(hard stop)，從而在由於部件故障或編程錯誤導致的超出可接受範圍的運動包絡發生時限制運動。
實用新型內容由此，本實用新型的目的在於提供一種運動平臺，該平臺可被設計得具有降低的高度。本實用新型的目的是通過以下運動平臺實現的。本實用新型提供了一種運動平臺系統，該系統包括由含有多個位移單元的位移機構支撐於底座上的運動平臺，每個位移單元包括一個具有轉動輸出構件的驅動單元、一個能被輸出構件驅動的曲柄臂、以及連接臂，所述連接臂在其相應末端通過第一和第二連接裝置連接至曲柄臂和平臺。所述第一連接裝置包括一個位於遠離輸出部件所在軸的3-軸軸承。連接臂具有的結構使得連接臂的一部分橫向偏離於在第一和第二連接裝置之間延伸的直線。所述運動平臺通過一個位移機構支撐於底座上。申請人:發現，通過使得連接臂的一部分橫向偏離於在第一和第二連接裝置之間延伸的直線，可縮短含有3-軸軸承的平面和驅動單元的平面(特別是驅動單元的軸承平面)之間的力矩臂。由於能夠縮短這一力矩臂，彎曲力矩可顯著減少，由此可以顯著延長驅動單元尤其是它的軸承的使用壽命，同時可以降低平臺高度。所述的偏離是指，連接臂(該臂能對第一和第二連接裝置上的力進行傳遞)偏離於在所述的兩個位點之間的直線路線。偏離部分可具有任何形式。連接臂除偏離部分外會適當地沿著所述第一和第二連接裝置的最短距離運作，使得兩個連接裝置可如圖所示呈現於一個平面上。每個連接臂的偏離可適當地在輪廓上提供一個凹形區域，系統運作時，可通過該凹形區域容納曲柄臂。具有凹形區域是優選的方案，因為它可以最小化連接臂所承受的應力。所述的連接臂在第一和第二連接裝置之間成平滑的曲線型。連接臂呈扁平的輪廓，平行於所述輸出元件的旋轉軸。運動平臺在其使用中能夠在運動包絡中移動。不同部件應被設計使得在運動平臺的移動包絡中所有可能的位置上，連接臂和相應的曲柄臂，或者其它的系統部件相互之間都不接觸。本實用新型尤其適用於下述的運動平臺，該平臺中第一和第二連接裝置之間延伸的直線，將在運動包絡中至少一個可能位置上穿過相應的曲柄臂或系統的其他部分。3-軸的軸承可以包括一個球面軸承部件，它可在互補的球面裡樞轉。在一個實施例中，球面軸承部件通過固定於曲柄臂上的曲柄銷所承接，所述的球面設於連接臂中。在另一個實施例中，所述球面軸承部件由連接臂的一個橫向延伸部位所承接，所述的球面設於曲柄臂中。連接臂可包括連接臂主體和固定在主體上以提供所述橫向延伸部位的銷。連接臂可包括支承殼體和提供所述橫向延伸部位的銷。該銷可在支承殼體內旋轉。每個位移單元的連接臂可在第一和第二連接裝置之間平滑地彎曲。根據本實用新型的一個實施例，連接臂可具有「低彎度s」 (lazy S)型構造。連接臂可具有與輸出構件的旋轉軸相平行的平坦的外形。連接臂可由兩個平行的、間隔開的板構成。第二連接裝置可以包括一個2-軸接頭，如萬向接頭。在一個特定的實施例中，每個位移單元的驅動單元包括一個電動馬達。馬達可以直接驅動或者通過一個減速齒輪來驅動曲柄臂，在通過減速齒輪驅動的情況下，旋轉的輸出構件就是減速齒輪的輸出構件。這一系統可包括一個六軸系統。
為了更好地理解本實用新型，並且更清楚地展示這一實用新型如何有效運行，附圖將以示例的形式提供參考。附圖中:圖1是基於本實用新型的運動平臺系統的立體圖；圖2是圖1所示系統的側視圖；圖3是一現有運動平臺系統的連接臂和曲柄臂的側視圖；圖4是基於本實用新型的運動平臺系統的連接臂和曲柄臂的側視圖；圖5是圖1和圖2中運動平臺系統的連接臂和曲柄臂的側視圖；圖6是圖1和圖2中運動平臺系統的位移機構的視圖；圖7是圖6中位移機構的側視圖；圖8是圖6和圖7中位移機構的剖視圖；圖9是圖5中連接臂和曲柄臂的另一實施例；圖10是圖9中位移機構的側視圖；圖11是圖9和圖10中位移機構的剖視圖；圖12是圖11中B部分的細節放大圖。
具體實施方式
圖1和2顯示的是本實用新型的系統，該系統為一個6軸系統(即提供了 6個自由度)，含有一個運動平臺2，該運動平臺可在直角坐標系中以任意方向平移，並可繞任意的軸轉動。該運動平臺2由一個含有6個位移單元6的位移機構支撐於底座4上。運動平臺2大致呈三角形，位移單元6兩兩成對分組，每對單元在相應的一角支撐運動平臺2。每個位移單元6含有一個以電動機7的形式存在的驅動單元8，該電動機7通過減速齒輪裝置9驅動輸出軸10。曲柄臂12固定至輸出軸10，並且，在遠離輸出軸10中的旋轉軸的位置上，連接於連接臂14的第一端。連接臂14的第二端通過一個萬向接頭16連接至運動平臺2。將意識到的是，在系統運作過程中，驅動單元8可以使曲柄臂12全方位360 0地旋轉，由此連接臂14的第一端可以設置於環繞中心位於輸出軸10的軸上的圓圈的任一位點上。連接臂14的第一端沿著環形軌跡運動，從而在上死點和下死點處，連接臂行程的末端可形成平滑的過渡，由此提供了固有的安全性能。運動平臺2的位置及取向取決於6個位移單元6的各個曲柄臂12的位置。通過為各個驅動單元8的電機輸出驅動信號的控制軟體可以實現對該系統的控制。這些輸出的信號決定了曲柄臂12的一系列目標方位，同時了決定了曲柄臂12的速度及加速模式。基於與多種參數(如汽車操縱情況及環境因素，如路面情況)儲存值相關的多個輸入信號，控制軟體計算出輸出信號。由該模擬汽車的駕駛員所輸入的額外的信號，如轉向、剎車或加速等信號，也實時地輸入至控制軟體。基於這些輸入的信號，運動平臺開始或是平移或是傾斜的移動，由此產生了加速作用力，其模擬真實汽車的駕駛員所感受到的作用力。將意識到的是，在該系統的運作過程中，驅動單元8的電機對連接臂14和曲柄臂12產生大量的負荷。圖3至圖5顯示了具有各自的曲柄臂的連接臂的3種不同形式。在圖3至圖5中，儘管相對於圖5，圖3的數字增大了 200，圖4的數字增大了 100，但可以理解的是圖中同一數字表示了同一部件。圖3顯示了一個已知系統的連接臂214，如美國申請US 2002/0055086所公開的系統。該連接臂214為直線型，通過3-軸軸承217形式的第一連接裝置連接於曲柄臂212上。軸承217含有一個由連接於曲柄臂212上的曲柄銷250所承接的球面軸承部件218。連接臂214具有與軸承部件218互補的內球面。連接臂214由此可以繞三個直角坐標軸方向(即，曲柄銷250的軸向及兩個垂直於曲柄銷250的軸向)，在球面軸承部件上作繞軸旋轉或轉動。驅動單元108通過軸承254支持一個以變速器輸出軸210形式存在的輸出元件。軸承254的中心面如線X所表示。曲柄臂212通過螺栓256固定於輸出軸210上。連接臂上遠離軸承217的一端具有一個配件258，該配件258構成第二連接裝置的一個部分，連接臂通過該第二連接裝置耦合於運動平臺2上(圖3未顯示)。圖中顯示的曲柄銷250位於其下死點位置，由此配件258所處的位置最接近於輸出軸210。當操作圖1和圖2所示的系統時，運動平臺2通過位移單元6的組合動作在底座4上移動和傾斜。若連接臂具有如圖3所示的連接臂214的形式，在運動平臺2的移動過程中，每條連接臂214繞著球面軸承部件218的中心，相對於曲柄臂212作繞軸旋轉或轉動。這種移動包含了連接臂214繞軸擺動運動，所繞的軸為與圖3所示平面垂直並經過球面頂部218中心位置的軸，所述球面頂部218中心位置位於與軸承254的中心平面X平行的平面Y上。這種運動使得連接臂214朝遠離中心平面Y的方向移動至一個最大的擺動角度α。將意識到的是，連接臂214朝中心平面X的移動受曲柄臂212所限制。當對連接臂214的長度進行最小化，以最小化運動平臺與底座4之間的高度差時，有必要通過最大化配件258的行程來最大化運動平臺2的運動包絡。因此，如圖3所示的，需要選取合適長度的配件250，通過對平面Y進行合適的定位，使其覆蓋球面軸承218的中心，定位於離軸承254的中心平面X相對較遠的位置，來最大化配件258的位移。在操作過程中，通過運動平臺2和曲柄臂212之間的連接臂214所傳送的負荷，使輸出軸210產生彎曲力矩。負荷所產生的軌跡即是連接第一和第二連接裝置217，258的線260，在如圖3的實施例3中，這條線與連接臂214的中線重合。該彎曲力矩的運動臂即中心平面X和中心平面Y之間的距離Α。鑑於曲柄銷250的長度，該彎曲力矩相對較大，由此容易導致軸承254過早損壞。圖4顯示了如圖3所示的系統的優化配置。在該實施例中，曲柄銷150明顯短於圖3所示的曲柄銷150。如圖4所示的，末端的配件158為萬向接頭115的一個聯結座，萬向接頭提供了處於連接臂114和運動平臺2之間的一個2-軸耦合。為了容納連接臂114的旋擺運動以保持末端配件158的最大位移，連接臂114設置成曲線形，提供了一個橫向偏離於線160 (該線延伸於第一和第二連接位點117，115之間)的部位162。這種橫向的偏離產生了一個凹形區域146，從而在如圖4所示的位置容納曲柄臂112。在這種構造中，中心平面X和Y之間的運動臂B顯著地小於如圖3所示的運動臂Α，由此可以減小施加於輸出軸110上的彎曲力矩，從而延長軸承154的使用壽命。進一步的，本實用新型的另一實施例如圖5，以及圖1，2，6-8所示。在該實施例中，連接臂114通過一個第一連接裝置(含有3-軸軸承17)連接於曲柄臂12上。該軸承17具有一個由扁平銷16所承載的球面軸承部件18。該銷16的球面軸承部件18由一個處於曲柄臂12中的互補的球面襯墊22所承接。銷16牢固地固定於連接臂14上，由此連接臂可以相對於曲柄臂12作任意方向上的繞軸旋轉或轉動。與現有技術所公開的運動平臺的第一連接裝置不同，圖5所示的連接裝置類似於人類的髖關節。在圖5所示的實施例中，軸承17為平面軸承。在另一個實施例中，襯墊22可以由滾針支承在曲柄臂12內，由此連接臂14的轉動可伴隨有襯墊22在曲柄臂12內的的轉動，而繞軸旋轉則可伴隨有頂部18和襯墊22之間的滑動。如圖3和圖4顯示的實施例，曲柄臂12通過螺栓牢固地固著於輸出軸上。連接臂14遠離軸承17的一端通過第二連接裝置20連接於運動平臺上，所述第二連接裝置20是萬向接頭形式的2-軸連接。該接頭含有一個具有一對耳軸(trunnion)的叉架28 (cross)，耳軸可收容於連接臂的開口 66，該接頭還具有另一對可收容於固著至運動平臺2的聯結座30內的耳軸上。因此，連接臂14可圍繞由叉架28界定出的兩個軸相對於運動平臺2樞轉。如圖6所示，連接臂14形狀大致平坦，由兩片相同形狀的板32，34製成。板32，34通過間隔物36以及銷16的扁平部分被分隔開來，並通過合適的固件38 (如螺母或螺栓)固著在一起。叉架28支撐於板32，34之間。如圖4和圖5所示的，第一和第二連接裝置之間延伸的直線，在運動平臺的運動包絡中如圖示的位置上，穿過相應的曲柄臂或系統中的其他部分。如圖6所示的，板32，34互相依靠，兩者具有同樣的「低彎度S」型輪廓，並從軸承17向萬向接頭15的方向逐漸變細。由此，連接臂14具有一個從銷16斜向中間部位42的第一部位40，所述中間部位42以一個小於90° (比如，30° -60° )的第一角度傾向第一部位40。中間部位42延伸至一個設有開口 66的第二部位44，該第二部位44以一個第二角度傾向中間部位42，所述第二角度小於第一部位40及中間部位42之間形成的夾角，並且與該夾角成相反方向。該第二角度可以為10°至45°。由此，第二部位44橫向地偏離於第一部位40，從而在如圖5，7，8所示的位置處，第二部位44處於驅動單元8的上方。第一和第二部位40，44通過中間部位42以平滑的曲線過渡融合。可從圖5和8看出，連接臂14的輪廓上設置有一個橫向偏離於線60(該線在第一和第二連接裝置17，15之間延伸)的部位62。這種橫向偏離所形成的位於第一部位40和中間部位42之間的曲線，進一步形成了一個凹形區域46，如圖5和圖8所示的，在處於底中心條件下，該凹形區域所形成的空間可以容納曲柄臂12。連接臂14的這種構造由此可以使得連接臂相對地短於現有運動平臺系統的連接臂，並且不會與曲柄臂12或系統中的其他部位相撞擊。進一步地，由於球面軸承部件18收容於曲柄臂12內，中心平面X和Y之間的矩臂C與圖4中的矩臂B相比得以進一步的減小，由此可進一步減小施加在輸出軸52上的彎曲力矩，進一步延長軸承54的使用壽命。圖9和圖12顯示了如圖5和圖8所示的實施例的另一種方案。在該實施例中，球面軸承部件18所設置的銷71可以相對於連接臂14作轉動。此時，在銷71和連接臂14之間設置有滾動軸承機構72，銷71的軸同時也是軸承機構72的轉軸。軸承72的軸承內圈73與銷71相配，軸承外圈74則配合於軸承支撐殼體70內。在這些圖例中，軸承支撐殼體70是作為臂14的一部分。螺母75將銷71固定於支撐殼體70內，並預載著軸承72。與圖5至圖8所示的實施例相比，這種構造的優勢在於，部分運動可以在軸承支撐殼體中進行，由此，球面軸承部件18所負荷的運動更少，進而更為耐用。圖1，2，5_12所示的連接臂14的輪廓，使得運動平臺系統與現有的系統相比高度更低，同時又能保持運動平臺2的全方位運動，並減少驅動單元8的輸出軸10上的軸承所承受的負荷。進一步地，構建該連接臂14的過程相對較為簡單，通過雷射切割將平板(如鋼板)製成板32和34，再與銷16和叉架28進行簡單的連接。除此，連接臂14的這種構造可以使得曲柄臂12具有更厚的造型。儘管本實用新型是結合一個6-軸運動平臺系統進行闡釋的，其含有六個位移單元6，但是，應當肯定的是，藉由本實用新型所蘊含的規律，實用新型的理念也可以應用於具有較少自由度的運動平臺系統中。
權利要求1.一種運動平臺系統，含有一個運動平臺，其特徵在於所述運動平臺通過一個位移機構支撐於底座上，所述的位移機構含有多個位移單元，每個位移單元含有一個驅動單元，每個驅動單元含有一個轉動輸出元件，一個通過輸出元件驅動的曲柄臂，以及一個連接臂，所述連接臂在其相應端部分別通過第一和第二連接裝置連接至曲柄臂和平臺，所述第一連接裝置含有一個遠離於輸出元件的軸的3-軸軸承，所述連接臂中的一個部分橫向偏離於第一和第二連接裝置之間所延伸的直線。
2.如權利要求1所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂的偏離部分限定出連接臂輪廓上的一個凹形區域，在系統運作過程中，所述凹形區域容納曲柄臂。
3.如權利要求1或2所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的3-軸軸承含有一個球面軸承部件，所述球面軸承部件能夠在互補的球面內樞轉。
4.如權利要求3所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的球面軸承部件由固定於曲柄臂的曲柄銷所承接，所述的球面設於連接臂中。
5.如權利要求3所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的球面軸承部件由連接臂的一個橫向延伸部位所承接，所述的球面設於曲柄臂中。
6.如權利要求5所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂含有一個連接臂主體和一個固定於所述主體的銷，用以提供所述的橫向延伸部位。
7.如權利要求5所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂含有一個支撐殼體和一個用以提供橫向延伸部位的銷，所述的銷可轉動地設於支撐殼體內。
8.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂在第一和第二連接裝置之間成平滑的曲線型。
9.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂呈扁平的輪廓，平行於所述輸出元件的旋轉軸。
10.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的連接臂含有兩片分隔開來的平行的板。
11.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的第二連接裝置含有一個2-軸接頭。
12.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的驅動單元含有一個設有減速齒輪的電機。
13.如權利要求1或2或4-7中任一權利要求所述的運動平臺系統，其特徵在於所述的運動平臺是一個6-軸平臺，所述系統含有6個位移單元。
專利摘要本實用新型涉及一種運動平臺系統，該系統含有一個通過位移單元6支撐於底座4上的運動平臺2。位移單元6含有一個用於驅動曲柄臂12的驅動單元8。連接臂14連接於曲柄臂12和運動平臺2之間，由此通過對驅動單元8進行合適的驅動來實現運動平臺2的平移或斜向運動。每個連接臂14具有一個曲線形輪廓，由此通過該長度較短的連接臂14可以實現運動平臺2的全方位運動。連接臂14和曲柄臂12之間的連線可以移動至接近於曲柄臂12甚至置於其中。置於底座4上的運動平臺2的高度，以及驅動單元所承受的負荷，由此得以降低。
文檔編號A63G31/00GK203013014SQ20122050202
公開日2013年6月19日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年10月7日
發明者皮特·范·洛克倫·肯佩吉, 拉比·埃爾扎·赫爾 申請人:E2M科技B.V.