用於模擬加速度的裝置和方法

2023-10-06 21:09:19

用於模擬加速度的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於模擬用於人的加速度的裝置和方法，有主加速度作用到該人上，主加速度注意通過使人有距離地圍繞主軸線旋轉和通過重力加速度來產生，其中，主加速度的值和方向至少由重力加速度、切向加速度和徑向加速度來確定，其中，人相對於主加速度的方向的位置注意通過人圍繞至少兩個副軸線的旋轉和/或定位來確定，其中，副軸線伸延通過處在人的區域中的中心，其中，在主加速度的值和方向改變時，初級誤差力作用到人上，初級誤差力通過人圍繞副軸線旋轉至少部分地來補償，並且其中，由於人圍繞副軸線旋轉，次級誤差力作用到人上，並且其中，通過使人圍繞三個副軸線旋轉和定位來減小次級誤差力。
【專利說明】用於模擬加速度的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於模擬人的加速度的方法，有主加速度作用到該人上，主加速度主要通過使人有距離地圍繞主軸線旋轉和通過重力加速度來產生，其中，主加速度的值和方向至少通過重力加速度、切向加速度和徑向加速度來確定，其中，人相對於主加速度的方向的位置主要通過人圍繞至少兩個副軸線的旋轉來確定，其中，副軸線伸延通過處在人的區域中的中心，其中，在主加速度的值和方向改變時，初級誤差力(Fehlkraft)作用到人上，初級誤差力通過人圍繞副軸線旋轉至少部分地來補償，並且其中，由於人圍繞副軸線旋轉，次級誤差力作用到人上。
[0002]此外，本發明涉及一種用於模擬人的加速度的裝置，其包括:第一承載元件，其具有用於至少一個人的保持裝置並且可圍繞第一副軸線相對於第二承載元件旋轉地來布置；第二承載元件，其可圍繞第二副軸線相對於第三承載元件旋轉地來布置，其中，第一副軸線和第二副軸線彼此大致正交地布置。
【背景技術】
[0003]根據本發明的裝置和根據本發明的方法尤其用於模擬運動的系統，例如車輛、船舶、飛機等。在此，經由大量人工產生的感覺給位於空心體或艙室中的人模擬虛擬的現實。這些感官刺激一方面是視聽刺激，其經由圖像重現面以及聲音重現系統來輸送給使用者，而另一方面經由該裝置和該方法產生作用到使用者上的加速度或力。通過視聽的和物理的感覺印象(Sinneseindruck)的組合,人的大腦演繹虛擬的運動狀態。感覺越精確地等同於這樣的情況的實際感覺，該虛擬對於使用者越逼真地起作用。出於該原因，儘可能接近實際地將這些信號輸送給使用者是重要的。此外，該裝置和該方法包括由人影響運動模擬的可能性。通過其，人例如可在虛擬的、模擬的世界中控制所模擬的對象的運動。
[0004]人的該控制信號和可能的環境影響(風、道路平整度等)被輸送給物理的模擬模型，其相應於所模擬的對象的實際特性的數學描繪。其包含例如慣性、阻力等量。藉助於該模型來計算加速度或力及其方向，其應在虛擬的世界中被輸送給使用者。這經由通過控制單元控制不同的驅動器實現。
[0005]長期以來已知用於模擬人的加速度的裝置、尤其運動模擬器和定向訓練器以及用於其運行的方法。
[0006]例如已知單臂離心機，在其中使人與主軸線成一定距離地沿著大致圓形的軌道旋轉。在此，除了重力加速度之外，徑向加速度作用到人上，徑向加速度主要由角速度和在人與主旋轉軸線之間的距離來確定。在角速度恆定時，作用到人上的主加速度相應於由重力加速度和徑向加速度合成的加速度。在角速度變化時，除了徑向加速度之外，還出現切向加速度。在角速度非勻速時，作用到人上的主加速度因此由徑向加速度、切向加速度和重力加速度的矢量疊加組成。
[0007]為了在模擬的對象中將運動逼真地輸送給人，人可圍繞至少兩個自由度運動和定位。這些自由度的技術解決方案經由一艙室(在其中人可固定在座位上)實現。該艙室可旋轉地布置在滾動環處。滾動環可旋轉地布置在單臂離心機的主臂處。也被稱為副軸線的這兩個旋轉軸線彼此正交。相應於現有技術，其具有處在人的頭部的區域中的交點。通過這兩個旋轉自由度，可來選擇人相對於主加速度的位置。
[0008]例如為了模擬沿著身體豎軸線的線性加速度，使人沿著運轉軌道(Kreisbahn)圍繞主旋轉軸線運動。人的觀察方向切向地伸延。結果使角速度提高，由此合成的主加速度同樣提升。在此，人關於這兩個副軸線被定位成使得主加速度矢量具有與人的身體豎軸線相同的方向。通過經由圖像還原面(Bildwiedergabeflaeche)輸送給人的光學感覺來支持該效果。在角速度提升時，徑向加速度提升，其中，然而由此也改變了合成的主加速度的方向。因為主加速度的方向的該偏移會被人感覺為側向力，也可通過圍繞副軸線旋轉來匹配人的位置。由於角速度的提升引起的切向上的加速度也可通過人的位置變化來補償。在主臂的角速度變化、即在圍繞主軸線旋轉時產生的主加速度的方向的偏移和變化被稱為初級誤差力。其通過人的旋轉、定位和/或位置變化來補償。
[0009]在現有技術中不利的是，由於補償初級誤差力而產生另外的次級誤差力。例如，對於人來說可感覺到人圍繞副軸線的過快的旋轉。
[0010]然而，該感覺印象然而與視覺地示出的圖像和所模擬的運動過程相矛盾。這導致大腦的錯誤演繹並且因此不導致逼真的模擬。
[0011]現有技術的另一缺點是，人在圍繞主軸線旋轉時除了圍繞主軸線的平移的(translatorisch)圓周運動之外還經歷圍繞身體軸線的旋轉。然而其在短暫的適應階段之後不再被人體的平衡器官感覺到。如果現在使人體的平衡器官或者說人附加地圍繞不平行於主軸線伸延的軸線旋轉，這在平衡器官中產生扭轉變化和扭轉力(Drallkraft)，這導致另外的感覺幹擾。雖然可通過逼真的視覺印象來改善感覺。然而，在出現閃眼(Augenflackern)的前庭目反射(vestibulookulaer Reflex)的情況中不再能或僅非常受限地感覺到視覺刺激。

【發明內容】

[0012]現在，本發明的目的是提供一種用於模擬人的加速度的裝置和方法，其改善模擬的質量。此外，本發明的目的是減小次級誤差力。本發明的另一目的是防止由人腦錯誤演繹、尤其改善光學的和物理的感覺印象的組合併且克服現有技術的缺點。
[0013]根據本發明的目的由此來實現，即通過使人圍繞三個副軸線旋轉和定位來減小次級誤差力。此外，根據本發明的目的由此來實現，即為了補償或減小次級誤差力，第二承載元件可圍繞第三副軸線旋轉地布置在運動裝置處。
[0014]另外的有利的特徵是，為了減小次級誤差力提高初級誤差力，為了減小在一平衡平面中的初級誤差力和/或次級誤差力提高在另一平衡平面中的初級誤差力和/或次級誤差力，由次級誤差力引起的角加速度處在人的刺激閾值(Reizschwelle)的範圍中或在其之下，由初級誤差力引起的角加速度和由次級誤差力引起的角加速度處在人的刺激閾值範圍中或在其之下，初級誤差力包括主加速度誤差力和/或科裡奧利誤差力而次級誤差力包括扭轉誤差(Drallfehler)和/或旋轉慣性力，並且/或者為了減小旋轉慣性力來限制和/或減弱人圍繞副軸線的旋轉的角加速度和/或角加速度的梯度。
[0015]根據本發明可設置成，使人圍繞主軸線和圍繞副軸線旋轉，使得在此每個拱道(Bogengang)在相應的平衡平面中的角加速度處在人的刺激閾值的範圍之下，該刺激閾值在0.8° /s2與5° /s2之間、優選地在1° /s2與3° /s2之間，為了模擬沿著人的身體軸線的變化的加速度，使人以恆定的第一角速度圍繞主軸線旋轉，在其中第一主加速度的方向與重力加速度的方向具有第一角度，接下來使人加速或減速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向與重力加速度的方向具有第二角度，並且在此人的第三平衡軸線被旋轉或已旋轉到與切向平面偏離的方向上。
[0016]根據另外的方法特徵設置成，為了模擬沿著人的身體軸線的變化的加速度，使人以恆定的第一角速度圍繞主軸線旋轉，在其中第一主加速度的方向與重力加速度的方向具有第一角度，接下來使人加速或減速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向與重力加速度的方向具有第二角度，在此人的第三平衡軸線被旋轉或已旋轉到與切向平面偏離的方向上，並且使人的身體軸線旋轉到在第一主加速度的方向與第二主加速度的方向之間的中間位置中和/或到第一主加速度的範圍中或到第二主加速度的範圍中，並且/或者在角速度恆定時使人的第三平衡軸線基本上處在徑向平面中。
[0017]根據另外的方法特徵設置成，在角速度恆定時使人的第三平衡軸線基本上處在切向平面與徑向平面之間的平面中，人的第三平衡軸線在切向平面與徑向平面之間的位置通過人圍繞三個副軸線的旋轉來控制或主動調節，人的身體軸線在切向平面與徑向平面之間的位置通過人圍繞三個副軸線的旋轉來控制或主動調節，並且/或者身體軸線和平衡軸線的旋轉通過人圍繞副軸線的位置變化來改變或定位。
[0018]此外，本發明特徵在於，第二副軸線和第三副軸線彼此大致正交地布置，設置有至少一個控制單元用於控制和/或主動調節用於承載元件和運動裝置的運動的驅動器，並且/或者承載元件的驅動器圍繞副軸線的運動通過控制單元來控制和/或主動調節，並且該運動處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。另外的有利的特徵是，通過控制單元來控制副軸線的驅動器的運動，其中，該運動的角加速度處在人的刺激閾值之下，該裝置設立用於實施根據本發明的方法並且/或者運動裝置實施為單臂離心機、實施為帶有可移動的滑座的離心機、實施為帶有可移動的舉升滑座的離心機、實施為帶有可在兩側移動的滑座的雙臂離心機、實施為帶有可在兩側移動的舉升滑座的雙臂離心機或者實施為帶有至少一個旋轉的和/或平移的自由度的機器人臂。
[0019]為了更加清楚下面來定義一些基本概念:
人具有兩個布置在頭部的區域中的平衡器官。每個平衡器官包括三個拱道，在其中可通過感覺細胞來探測粘性的液體的相對速度。每個平衡器官的三個拱道基本上處在三個平衡平面中。第一平衡平面、第二平衡平面和第三平衡平面彼此大致正交並且布置成使得其可成對地探測圍繞人的平衡軸線的運動。第一平衡軸線大致沿著人的主觀的豎軸線伸延，第二平衡軸線大致相應於人的兩個耳朵或兩個眼睛的連接直線的平行線，而第三平衡軸線大致相應於在筆直指向地不移動地觀察時的觀察方向的平行線。這三個平衡軸線彼此大致正交。第一平衡軸線例如相應於偏航軸線(Gierachse)，第二平衡軸線相應於俯仰軸線(Nickachse)而第三平衡軸線相應於滾動軸線。這三個軸線彼此在人的頭部的區域中、優選地在身體的對稱平面中、在人的耳朵之間的區域中或在人的心臟的區域中相交。
[0020]此外，在人的平衡器官中設置有用於探測線性加速度的加速度傳感器。這些加速度傳感器中的一個探測豎直的加速度，另外兩個探測水平的加速度。[0021]人的平衡器官以極其高的精度感覺到加速度以及身體的位置和位置變化。儘管如此，存在一定的刺激閾值，在其之下感覺不到加速度以及位置變化。這些刺激閾值一方面取決於個人的敏感性，另一方面其可通過環境影響、例如視覺刺激來影響。例如如果人暴露於極強的壓力和清楚的視覺刺激、例如地平線的示出，則刺激閾值遠高於在沒有視覺刺激的靜止環境中。
[0022]此外，刺激閾值對於所有運動或加速過程不一樣高。由此例如與在第三平衡平面中的人的錯位(Fehlstellung)相比，在第二平衡平面中人的錯位不那麼強地被感覺到。
[0023]在確定刺激閾值時時間因素也非常重要。由此平衡器官適應恆定的適度的基本加速度，其與重力加速度偏離並且在大約二十秒至一分鐘的適應階段之後不被感覺到或僅被感覺到略微提高。
[0024]普通人的刺激閾值例如處於大約每平方秒一度、即1° /S2。對於更能抵抗的人或者由於主觀感覺的影響，刺激閾值可達到2° /s2或3° /s2。在極端情況中，刺激閾值甚至可為5° /s2，這意味著，人在5° /s2的角速度下才像這樣感覺到運動。相應地，每個拱道角加速度的刺激閾值可在1° /s2至5° /s2之下。這些值尤其適用於平衡器官的角加速度、適用於圍繞平衡平面的法向矢量(其處在平衡器官的區域中)的角加速度、適用於由扭轉誤差引起的拱道的角加速度並且/或者適用於由人圍繞處在人的頭部的區域中的中心的旋轉引起的角加速度。處在人的刺激閾值之下的誤差力相應地是將旋轉加速度施加到平衡器官上的處在人的刺激閾值之下的誤差力。
[0025]人的定位經由副軸線實現。根據本發明，設置有至少兩個、優選地三個副軸線。這些副軸線大致相應於用於人的保持裝置可圍繞其旋轉地來布置的軸線。其伸延通過遠離主軸線布置在人的區域中的中心。
[0026]保持裝置(人固定在其處)剛性地與第一承載元件相連接。第一承載元件可圍繞第一副軸線旋轉地布置在第二承載元件處。第二承載元件又可圍繞第二副軸線旋轉地布置在第三承載元件處，其中，第一和第二副軸線彼此大致正交。第三承載元件可圍繞第三副軸線旋轉地設置在運動裝置處。第二副軸線和第三副軸線同樣彼此大致正交。用於產生主加速度、即用於使人圍繞主軸線運動的裝置稱為運動裝置。其例如可實施為帶有可移動的滑座的雙臂離心機、單臂離心機、多臂離心機等。
[0027]人圍繞副軸線的旋轉經由承載元件的驅動器實現。驅動器使能夠圍繞副軸線旋轉並且由控制單元來控制和/或主動調節。通過主驅動器使運動裝置圍繞主軸線的旋轉也可由控制單元來控制和/或主動調節。
[0028]圍繞副軸線和主軸線的運動優選地由驅動器來驅動、控制和/或主動調節。主加速度具有值和方向，其中，加速度的大小被稱為值。
[0029]旋轉軸線使人能夠圍繞至少兩個、優選地三個旋轉軸線旋轉並且因此具有兩個或三個旋轉自由度。這些軸線可與人的平衡軸線一致。然而在一些情況中也可期望的是，這些軸線不與人的平衡軸線一致。
[0030]初級的和次級的誤差力的名稱誤差力不僅涉及力而且涉及扭轉慣量、加速度、旋轉加速度、線性加速度、角加速度等。原則上，其將這些錯誤感覺稱作誤差力，它們作用於人的平衡器官的感覺細胞並且因此為了更加清楚被稱為誤差力。
[0031]在人的區域中主軸線所處的平面定義為徑向平面。在人的區域中人圍繞主旋轉軸線的運轉軌道的切線和平行於主軸線的直線所處的平面定義為切向平面。因此，切向平面和徑向平面彼此大約正交並且具有交直線(Schnittgerade)，其平行於主軸線並且在人的區域中伸延。
[0032]任意伸延通過人的身體的且相對於人位置固定地布置的直線被稱為人的身體軸線。例如，人的平衡軸線是身體軸線。
[0033]關於一同旋轉的坐標系統來定義人的位置和人相對於主加速度的方向的位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]現在，下面根據附圖進一步來說明根據本發明的方法以及根據本發明的裝置。
[0035]圖1顯示了運動學的示意性的視圖，
圖2顯示了與圖1相同的、然而在側視圖中的運動學布置，
圖3顯示了根據本發明的裝置，
圖4顯示了根據本發明的裝置的另一實施形式，
圖5顯示了用於說明在角速度變化時的運動學關係的示意性的俯視圖，
圖6顯示了與圖5相同的、然而在側視圖中的運動學布置。
【具體實施方式】
[0036]為了簡化圖示,所示出的加速度矢量相應於作用到人上的加速力。加速力的定向與相應的加速度相反。因此，加速度矢量相應於由加速度引起的相反的加速力。
[0037]圖1顯示了用於分析根據本發明的方法和根據本發明的裝置的運動學的示意性的視圖。在此，圖示平面相應於水平面並且重力的方向以投影的方式伸延。使人I以距離4圍繞主軸線3旋轉。在此首先由此出發，即人1、尤其人的頭部2剛性地與運動裝置23相連接。這意味著，人I在圍繞主軸線3迴轉時也經歷圍繞人的身體軸線(其平行於主軸線3伸延)的迴轉。在人圍繞主軸線3旋轉了角度6時，人圍繞平行於主軸線3的身體軸線在相同的方向上旋轉了相同的角度。由於人I以與主軸線3的距離4旋轉，至少一個徑向加速度8作用到人I上。在圍繞主軸線3的角速度非勻速時，此外還出現切向加速度9。切向加速度的方向與人的運動曲線相切地伸延。切向加速度的定向取決於角速度的變化相應於加速還是減速。
[0038]在主旋轉平面26中作用到人上的主加速度5相應於徑向加速度和切向加速度的矢量疊加。根據人的位置來定義第一平衡平面10、第二平衡平面11和第三平衡平面12以及第一平衡軸線13、第二平衡軸線14和第三平衡軸線15。
[0039]此外繪出了人的第二位置I』，在其中主加速度5』、徑向加速度8』和切向加速度9』
起作用。
[0040]圖2顯示了與圖1相同的、然而在側視圖中的運動學布置，從而主旋轉平面26以投影的方式伸延並且主軸線3處在圖平面中。又使人I以距離4圍繞主軸線3旋轉。按照根據本發明的裝置，該旋轉主要通過運動裝置23實現。在圖示平面中，徑向加速度8以及重力加速度7作用到人1、尤其人的頭部2上。在此，徑向加速度取決於距離4和人I圍繞主軸線的旋轉的角速度。在靜止的系統中，重力加速度可被假定為恆定的。在所觀察的徑向平面中的合成的主加速度5通過徑向加速度8和重力加速度7的矢量疊加而產生。因此，在角速度或距離4改變時徑向加速度8變化。因為重力加速度7被假設為恆定，在徑向加速度變化時主加速度5的值和方向變化。總地來說，主加速度5因此至少取決於徑向加速度8、切向加速度9和重力加速度7。在該圖示中，人I的位置選擇成使得第一平衡軸線13與主加速度5的方向一致。因此，主加速度作用在偏航軸線中並且被主觀地感覺為豎直的加速度，其中，切向加速度首先被假設為不存在。
[0041]如果現在應改變主加速度5的值、然而人I相對於改變的主加速度5的改變的方向保持不變，則必須使人I的位置與主加速度5的方向匹配。如果不進行該匹配，則人I經歷初級誤差力。其由該事實引起，即在主加速度5的值改變時主加速度的方向也改變。人I或者說人I的頭部2的位置的匹配通過人圍繞副軸線19、20、21中的至少一個旋轉而實現。
[0042]通過人例如圍繞第二平衡軸線14旋轉，人I的拱道相對於主旋轉平面28的位置變化。如所指出的那樣，人和因此還有人的平衡器官在圍繞主軸線3迴轉時也圍繞人的身體軸線(其平行於主軸線伸延)旋轉一次。然而在短暫的適應階段之後，圍繞身體軸線的該旋轉不再被人I感覺到，因為液體的速度由於摩擦和粘性效果與拱道的運動相匹配。因此，液體相對於拱道靜止，由此不會感覺到旋轉。如果現在改變平衡平面10、11、12相對於主軸線3或相對於主旋轉平面26的位置，則這導致不同的拱道被相對於主旋轉平面26或遠離主旋轉平面翻傾。通過翻傾導致由扭轉引起的角加速度且導致液體在拱道中的相對運動，這被人錯誤地感覺為運動。該效果引起次級誤差力並且被稱為扭轉誤差。雖然人可能圍繞第三平衡軸線、即滾動軸線實施僅較小的運動，這可被平衡器官演繹為圍繞其餘兩個平衡軸線中的至少一個的旋轉。該感官刺激、即扭轉誤差可能回觸發前庭目反射。即使當待模擬的環境通過清楚的視覺顯示(其應使感覺印象對於人I清楚)來支持時，對於其在應用閃眼反射之後不再能感覺視覺的感覺印象。結果是人的不期望的方向知覺喪失。根據人的刺激閾值，對於不同的值來感覺次級誤差力和/或扭轉誤差。如果次級誤差力或扭轉誤差的值保持在人的刺激閾值之下，感覺不到誤差力，如果該值超過刺激閾值，則其被感覺到並且可觸發前庭目反射。
[0043]此外，圖2顯示了在主加速度5的方向與重力加速度7的方向之間的第一角度27。所繪出的加速度關係大約相應於與重力加速度基本上等大的徑向加速度。因此，主加速度5的方向、尤其第一角度27為大約45°。在重力加速度為G而徑向加速度為G時，主加速度的值大約相應於1.41倍重力加速度、即1.41G。如果現在提高人I圍繞主軸線3的角速度，則徑向加速度8提升。在此，主加速度的方向與重力加速度7的方向的角度也提升。在角速度減小時，徑向加速度減小。在該情況中該角度減小。
[0044]在圖1中尤其示出一情況，在其中人I被從第一角速度減速到第二角速度。在此，除了在圖1的圖示中以投影的方式伸延的重力加速度、徑向加速度8之外，還出現切向加速度9。合成的主加速度5具有切向角31。切向角31的值在角速度恆定時大致是零。
[0045]在圖1中示出的角減速度影響作用到人I上的主加速度5的方向。例如，人可以向外的觀察方向來定位，也就是說，人的第三平衡軸線或者人的觀察方向指向遠離主軸線3的方向，然而不必然徑向向外伸延。如果現在應改變作用到人上的主加速度5的值、而在此不改變主加速度作用到人上的方向，例如可使人圍繞平行於主軸線3伸延的身體軸線旋轉。在圖1示出的布置方案中，在所示出的切向加速度9的情況下將使徑向向外觀察的人旋轉切向角31，以補償切向加速度9。[0046]圖3顯示了根據本發明的裝置，其中，運動裝置23實施為單臂離心機。其具有主臂34，主臂經由支承在基座32中的主驅動器33來驅動。主臂34在此可圍繞主軸線3被旋轉。遠離主軸線3，在主臂處可第三圍繞副軸線21旋轉地布置有第三承載元件18。在第三承載元件處可圍繞第二副軸線20旋轉地布置有第二承載元件17。第二和第三副軸線彼此大致正交並且彼此相交於中心22。第一承載元件16可圍繞第一副軸線19旋轉地布置在第二承載元件處。第一和第二副軸線同樣彼此大致正交並且彼此相交於中心22。第一承載元件16在以下實施形式中實施為艙室24的部分。用於人I的保持裝置設置在艙室24中。保持裝置以優選的方式實施為座位。此外，艙室在其內部中具有圖像還原面35，其示意性地作為矩形地彎曲的面示出。在此是示意性的圖示。圖像還原面設置在艙室的內側處並且因此通常從外不可見。在以下實施形式中基本上剛性地與艙室24相連接的人可關於第一副軸線19、第二副軸線20和第三副軸線21圍繞三個自由度旋轉地運動。通過設置第三自由度，至少部分地來補償和/或減小次級誤差力。第三自由度例如相應於圍繞平行於主軸線3伸延的身體軸線的旋轉或者相應於圍繞人的第一平衡軸線的旋轉。
[0047]人圍繞副軸線19、20、21的旋轉經由承載元件16、17、18的驅動器實現。驅動器使能夠圍繞副軸線旋轉並且由控制單元來控制和/或主動調節。通過主驅動器33使運動裝置圍繞主軸線3旋轉也可通過控制單元來控制和/或主動調節。此外，人可經由參數輸入器件影響控制、尤其在虛擬世界中控制所模擬的對象。
[0048]圖4顯示了根據本發明的運動裝置的另一實施形式。在此，滑座籃38可圍繞主軸線3旋轉地來支承，其可由主驅動器33來驅動。在滑座籃38中可縱向移動地設置有舉升滑座37。在舉升滑座37處又設置有第三承載元件18，其可圍繞第三副軸線21旋轉。在第三承載元件18處可圍繞第二副軸線20旋轉地設置有第二承載元件17。在第二承載元件17處可圍繞第一副軸線旋轉地設置有第一承載元件16。人I經由固定裝置與該第一承載元件相連接。除了這三個副軸線之外，人可沿著平行於主軸線3伸延的舉升軸線平移地運動。通過舉升滑座37在滑座籃36處可移動的布置，可改變從人和從中心22至主軸線3的距離4。由此除了由於角速度的改變之外，也通過改變人與主軸線3的距離也能改變徑向加速度。用於人I的保持裝置又具有三個旋轉自由度。除了這三個旋轉自由度之外，人可沿著平行於主軸線3的方向和沿著滑座籃36被平移地運動。與圍繞主軸線3的旋轉一起，因此根據圖4的運動學布置提供了六個自由度。
[0049]為了補償和/或減小在模擬時的次級誤差力，可設置不同的運動過程。
[0050]圖5顯示了用於說明在角速度變化時運動關係的示意性俯視圖。使人I以距離4圍繞主軸線3旋轉，其中，為了產生不同的主加速度改變角速度。例如，為了模擬飛機的速度變化或曲線飛行，可首先以初始的第一主加速度38而接下來以第二主加速度39來加載人。為了該目的，將角速度從第一角速度提高到第二角速度。在模擬開始時，運動裝置23使人I以恆定的第一角速度旋轉。合成的第一主加速度33在徑向平面中作用到人上。如果現在提高角速度，則除了徑向加速度之外還有切向加速度9作用到人上。其導致主加速度的方向的改變並且在示意性的圖示中例如沿著加速度矢量40伸延。如果現在達到第二角速度，則人以第二角速度均勻地圍繞主軸線3旋轉。在此，切向加速度又等於零並且第二主加速度39作用到人上，其在角速度變大的情況下大於第一主加速度38的值。
[0051]在角速度減小時，切向加速度9』以及合成的加速度矢量40』起作用。[0052]圖6顯示了人I (使其圍繞主旋轉軸線3旋轉)的相同的運動學布置。又將人從第一角速度加速到第二角速度上。在此，在人以第一角速度勻速運動時，第一主加速度38起作用。如果人以第二角速度圍繞主軸線3運動,其中,第二角速度大於第一角速度,則第二主加速度39作用到人上。第二主加速度39的值大於第一主加速度38的值。為了補償在該值變化時主加速度的方向的變化，可改變人I的位置。為了改變人的位置設置有圍繞副軸線19、20、21的運動。
[0053]在用於模擬加速度的方法的示例中可將人從第一主加速度帶到第二主加速度上。在第一示例中，主加速度應沿著人的身體豎軸線或者沿著人的第一平衡軸線13起作用。現在，在第一步驟中使人恆定地以第一角速度圍繞主軸線3旋轉。第一主加速度38作用到人上。現在為了使加速度的方向與第一平衡軸線13—致，通過圍繞副軸線的旋轉來改變人的位置。例如，使人的位置取向成使得第一平衡軸線13與第一主加速度38的矢量、與第二主加速度39的矢量或在這兩個矢量之間的中間位置41 一致。在此，人I的第三平衡軸線15大致指向外。其相應地在角速度恆定時大致跟隨主加速度的徑向平面。在將人從第一角速度加速到第二角速度時，現在為了匹配人的位置使人圍繞第二平衡軸線14向後傾斜。然而，該傾斜以一方式實現，使得運動、尤其由運動引起的次級誤差力處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。初級誤差力的補償也以一定的程度實現，使得誤差力處在人的刺激閾值的範圍中或者在其之下。這例如可由此來獲得，即在從第一角速度加速到第二角速度時不使人圍繞第二平衡軸線運動。在此，第一平衡軸線13沿著中間位置41伸延地來布置。在人以第一角速度旋轉時，人感覺到略微向後傾斜。在第二角速度時，感覺到略微向前傾斜。然而，與其它起作用的力相比，該感覺小到使得其處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。由此補償了該效果，即由於人圍繞不平行於主軸線3的軸線傾斜將主旋轉的扭轉傳遞到不同的拱道上。在第一平衡軸線13圍繞第二平衡軸線14固定地定位時，因此完全補償了扭轉誤差。由此產生的次級誤差可忽略並且/或者處在刺激閾值的範圍中或在其之下。
[0054]用於在加速度提升或角速度提升時定位人的另一可能性是第三平衡軸線沿著軸線15』取向。人的觀察方向在主旋轉平面中的分量在此以在切向的與徑向的方向之間一定的角度沿著軸線15』指向外。例如，該角度可在30°與60°或45°之間或從徑向、切向來旋轉。為了模擬沿著第一平衡軸線13的加速度，將其帶到與主加速度5—致。又經由使人圍繞副軸線19、20、21旋轉實現位置改變。在角速度從第一角速度提高到第二角速度時，匹配人的位置以補償初級誤差力。對此，使第一平衡軸線與變化的主加速度38、39相匹配。通過將人沿著軸線15』斜置一角度，將扭轉誤差劃分成多個、至少兩個、優選地三個平衡平面或拱道。這結果引起，人圍繞不平行於主軸線3伸延的軸線的運動處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。由此在根據本發明的方法的一實施方案中設置成，不超過在人的所有平衡平面或拱道中的刺激閾值。對此，在一平衡平面或拱道中的初級誤差力和/或次級誤差力可提升以將在另一平衡平面或另一拱道中的初級誤差力和/或次級誤差力保持在刺激閾值的範圍中或在其之下。
[0055]用於人的定位的另一可能性是，使人以觀察方向向內旋轉。
[0056]主加速度5又應沿著人I的身體軸線、例如沿著第一平衡軸線13起作用。在第一角速度時，人的第三平衡軸線15大致指向內且向下傾斜。第一平衡軸線13大致垂直於第三平衡軸線15、因此向外傾斜並且沿著主加速度的方向伸延。由此，對於人產生在身體豎軸線的方向上加速的主觀感受。現在如果將人從第一角速度加速到第二角速度，則如在前述示例中那樣可通過使人圍繞副軸線旋轉來補償主加速度5的方向的變化。然而這在一定的程度上進行，使得角加速度、尤其初級和次級誤差力處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。為了減小扭轉誤差，在此可將人的第一平衡軸線定位在第一主加速度矢量38與第二主加速度矢量39之間的中間位置中。
[0057]根據本發明的方法的另一應用是從第一角速度減速到第二角速度，其中，第二角速度小於第一角速度。尤其在主加速度5減小時，由人I主觀更強地感覺到扭轉誤差。例如使人以視線向外定位，其中，第一平衡軸線13又大致相應於主加速度的方向。為了補償初級誤差力，現在可使第三平衡軸線與主加速度5、尤其第一主加速度38和第二主加速度39的方向的變化一致。為了繼續根據本發明進行補償，可將人的第一平衡軸線定位在第一主加速度38與第二主加速度39的方向之間的中間位置41中。在此不進行補償主加速度在徑向平面中的方向變化。由此如在前述示例中所說明的那樣來減小扭轉誤差。扭轉誤差的減小引起初級誤差力的提高、然而優選地在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
[0058]根據本發明的方法的另一實施形式特徵在於，使人以一角速度圍繞第三縱軸線3旋轉。主加速度作用到人上的方向通過人圍繞副軸線的旋轉和定位來確定。根據一實施方案，使人圍繞主軸線從第一角速度加速到第二角速度，其中，由此主加速度的值提升並且主加速度的方向被改變。第二角速度大於第一角速度，由此第二主加速度的值大於第一主加速度的值。隨後，使角速度降低到低於第二角速度的第三角速度。對此，初級和次級誤差力被部分地補償和/或補償，使得其處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
[0059]按照根據本發明的方法的另一實施方案，開始時在角速度從第一角速度提升到第二角速度期間使人大致切向地來定位，也就是說，第三平衡軸線大致在切向上指向或者在切向平面中伸延。如果達到第二角速度，則使人、尤其人的第三平衡軸線15指向外。人的該旋轉一定的角度、尤其90°在此實現成使得其不被感覺到並且/或者處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。該運動可被控制或主動調節。隨後將角速度從第二角速度下降到第三角速度。在角速度從第一角速度提升到第二角速度期間，主要通過使圍繞第三平衡軸線和圍繞第二平衡軸線旋轉來補償初級誤差力。在角速度從第二角速度減小到第三角速度期間，尤其通過人圍繞第一平衡軸線和圍繞第二平衡軸線旋轉來補償初級誤差力。在此，初級和次級誤差力被補償或減小成使得其處在人的刺激閾值範圍中或在其之下。
[0060]按照根據本發明的方法的另一實施形式，開始時使人在切向上取向並且為了將第一角速度提高到第二角速度使人從第三平衡軸線的切向取向圍繞第二平衡軸線旋轉。該旋轉可主動調節，以將人的旋轉保持在人的刺激閾值範圍中或在其之下。
[0061]根據另一實施形式，使人、尤其人的第三平衡軸線大致切向地取向。在從第一角速度提高到第二角速度時通過使人圍繞副軸線旋轉至少部分地來補償初級和次級誤差力。為了將角速度從第二角速度減小到第三角速度，使人向內看地取向。人的第三平衡軸線因此指向內、與主加速度的徑分量相反。人的取向在此不必精確地徑向地實現，而是也可固定在切向的與徑向的方向之間的角度中或者主動調節地來運動。
[0062]按照根據本發明的方法的另一實施形式，將人從第二角速度減速到第三角速度。第三角速度又小於第二角速度。在此，使人、尤其人的第三平衡軸線大致徑向向內地定位。在此，該軸線從主旋轉平面26向下傾斜，使得例如主加速度在人I的第一平衡軸線13的方向上伸延。
[0063]根據本發明的另一實施形式設置成，人的平衡器官包括拱道並且為了減小一拱道的初級誤差力和/或次級誤差力來提高另一拱道的初級誤差力和/或次級誤差力，並且次級誤差力處在人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
[0064]根據本發明的用於執行該方法的裝置例如特徵在於，副軸線伸延通過處在人I的頭部2的區域中的中心。在此將人這樣放置在艙室中，使得頭部位於中心的區域中。根據一實施形式，這三個軸線彼此在中心的區域中相交。
[0065]根據另一實施形式，副軸線中的至少一個與另外的副軸線具有標準距離。該距離例如可為在人的平衡器官與眼睛之間的距離。
[0066]根據該方法的另一實施方案設置成，為了模擬沿著人的身體軸線變化的加速度，使人
-以恆定的第一角速度圍繞主軸線旋轉，在其中第一主加速度的方向與重力加速度的方向具有第一角度，
-接下來使人加速或減速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向與重力加速度的方向具有第二角度，
-在此人的第三平衡軸線被旋轉或已旋轉到與切向平面不同的方向中，
-使人的身體軸線旋轉到在第一主加速度的方向與第二主加速度的方向之間的中間位置中並且/或者到第一主加速度的範圍中或到第二主加速度的範圍中，
並且/或者在身體軸線與重力加速度之間的角度處在第一角度與第二角度之間。
[0067]根據該方法的另一實施方案設置成，在主驅動器的角速度恆定和/或變化時人的第三平衡軸線基本上處在在切向平面與徑向平面之間的平面中，其中，切向平面與徑向平面的交直線處在該平面中。
[0068]為了驅動圍繞主軸線3的旋轉並且為了驅動人I圍繞第一副軸線19、第二副軸線20和/或第三副軸線21的旋轉，設置有驅動器。這些驅動器被控制和/或主動調節。人I的運動因此可被控制和/或主動調節。該調節在此特徵在於，導引用於控制驅動器的控制信號，其中，用於人的旋轉的驅動器被控制和/或調節，並且/或者其中，人的運動處在人的刺激閾值範圍之下。
[0069]按照根據本發明的方法的另一實施方案將人從第一角速度帶到第二角速度，其中，在第一角速度時大約3G的第一主加速度起作用而在第二角速度時大約1.14G的主加速度起作用。在此人I被定位成使得第三平衡軸線指向外並且從主加速度平面大約60°地指向上。在角速度從第一角速度減小到第二角速度時，為了補償切向力在此使人圍繞副軸線旋轉。為了減小扭轉誤差固定或鎖止人圍繞第二平衡軸線旋轉。切向加速度的補償在此例如通過人圍繞平行於主軸線伸延的身體軸線旋轉而實現。
[0070]本發明也涉及一種用於模擬人的加速度的裝置，有主加速度(其主要通過人有距離地圍繞縱軸線旋轉和通過重力加速度來產生)作用到人上，其中，主加速度的值和方向至少通過重力加速度、切向加速度和徑向加速度來確定，其中，人相對於主加速度的方向的位置主要通過人圍繞至少兩個副軸線旋轉來確定，其中，副軸線伸延通過處在人的區域中的中心，其中，在主加速度的值和方向變化時初級誤差力作用到人上，其通過人圍繞副軸線旋轉至少部分地來補償，其中，由於使人圍繞副軸線旋轉，次級誤差力作用到人上，並且其中，通過人圍繞第三副軸線旋轉和定位，次級誤差力減小。
[0071]原則上，通過人I圍繞三個副軸線旋轉可沿著任意的身體軸線自由地來選擇作用到人上的主加速度5的方向。在上述示例中，例如選擇第一平衡軸線13或偏航軸線作為身體軸線。在模擬對象(人例如平躺地定位在其中)時，也可選擇傾斜地伸延通過人的身體的身體軸線作為主加速度的期望的方向。用於補償次級誤差力的基本運動學布置和方法然而保持不變，僅人的位置改變。
[0072]就此而言應注意的是，本發明不限於所列舉的實施例。相應於本發明思想的另外的實施方案還從單個或多個特徵(其可從整個說明書、附圖和/或權利要求中得悉)的組合中得出。因此，也公開了由來自不同實施例的特徵的組合構成的實施方案。附圖是至少部分示意性的圖示，其中，尺寸和比例可與另外的未繪圖示出的實施形式或特徵以及與真實的實施方案相偏離。
[0073]附圖標記清單 I人
2頭部 3主軸線
4與主旋轉軸線的距離 5主加速度 6旋轉角度 7重力加速度 8徑向加速度 9切向加速度
10第一平衡平面-偏航平面 11第二平衡平面-俯仰平面 12第三平衡平面-滾動平面 13第一平衡軸線或偏航軸線 14第二平衡軸線或俯仰軸線 15第三平衡軸線、滾動軸線 16第一承載元件 17第二承載元件 18第三承載元件 19第一副軸線 20第二副軸線 21第三副軸線，
22中心 23運動裝置 24艙室 25控制單元 26主旋轉平面 27第一角度28第二角度
29第三平衡軸線的角位置
30第一平衡軸線的角位置
31切向角
32基座
33主驅動器
34主臂
35圖像還原面
36滑座籃
37舉升滑座
38第一主加速度
39第二主加速度
40加速度矢量
41中間位置。
【權利要求】
1.一種用於模擬人的加速度的方法，有主加速度作用到所述人上，所述主加速度主要通過使人有距離地圍繞主軸線旋轉和通過重力加速度來產生， -其中，所述主加速度的值和方向至少通過重力加速度、切向加速度和徑向加速度來確定， -其中，所述人相對於所述主加速度的方向的位置主要通過所述人圍繞至少兩個副軸線的旋轉和/或定位來確定， -其中，所述副軸線伸延通過處在所述人的區域中的中心， -其中，在所述主加速度的值和方向改變時，初級誤差力作用到所述人上，所述初級誤差力通過所述人圍繞所述副軸線旋轉至少部分地來補償， -並且其中，由於所述人圍繞所述副軸線旋轉，次級誤差力作用到所述人上， 其特徵在於， 通過使所述人圍繞三個副軸線旋轉和定位來減小所述次級誤差力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，為了減小所述次級誤差力來提高所述初級誤差力。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，為了減小在一平衡平面中的初級誤差力和/或次級誤差力來提聞在另一平衡平面中的初級誤差力和/或次級誤差力。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，由次級誤差力引起的角加速度處在所述人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，由初級誤差力引起的角加速度和由次級誤差力引起的角加速度處在所述人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述初級誤差力包括主加速度誤差力和/或科裡奧利誤差力而所述次級誤差力包括扭轉誤差和/或旋轉慣性力。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，為了減小所述旋轉慣性力，限制和/或減弱所述人圍繞所述副軸線的旋轉的角加速度和/或角加速度的梯度。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，使所述人圍繞所述主軸線和圍繞所述副軸線旋轉，使得在此每個拱道在相應的平衡平面中的角加速度處在所述人的刺激閾值之下。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述刺激閾值在0.8° /s2與5。/s2之間、優選地在1° /s2與3° /s2之間。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特徵在於，為了模擬沿著所述人的身體軸線的變化的加速度，使所述人 -以恆定的第一角速度圍繞所述主軸線旋轉，在其中第一主加速度的方向與所述重力加速度的方向具有第一角度， -接下來，使所述人加速或減速到第二角速度，在其中第二主加速度的方向與所述重力加速度的方向具有第二角度， -並且在此所述人的第三平衡軸線被旋轉或已旋轉到與切向平面偏離的方向上。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其特徵在於，為了模擬沿著所述人的身體軸線的變化的加速度，使所述人 -以恆定的第一角速度圍繞所述主軸線旋轉，在其中第一主加速度的方向與所述重力加速度的方向具有第一角度， -接下來，使所述人加速或減速到第二角速度，在其中所述第二主加速度的方向與所述重力加速度的方向具有第二角度， -在此，所述人的第三平衡軸線被旋轉或已旋轉到與所述切向平面偏離的方向上， -並且使所述人的身體軸線旋轉到在所述第一主加速度的方向與第二主加速度的方向之間的中間位置中和/或到所述第一主加速度的範圍中或到所述第二主加速度的範圍中。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述人的第三平衡軸線在角速度恆定時基本上處在徑向平面中。
13.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述人的第三平衡軸線在角速度恆定時基本上處於在所述切向平面與所述徑向平面之間的平面中。
14.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述人的第三平衡軸線在所述切向平面與所述徑向平面之間的位置通過使所述人圍繞三個副軸線旋轉來控制或主動調節。
15.根據權利要求11至14中任一項所述的方法，其特徵在於，所述人的身體軸線在所述切向平面與所述徑向平面之間的位置通過使所述人圍繞三個副軸線旋轉來控制或主動調節。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的方法，其特徵在於，所述身體軸線和所述平衡軸線的旋轉通過所述人圍繞所述副軸線的位置變化來改變或定位。
17.一種用於模擬人的加速度的裝置，其包括: -第一承載元件(16)，其具有用於至少一個人(I)的保持裝置並且能夠圍繞第一副軸線(19)相對於第二承載元件(17)旋轉地來布置； -第二承載元件(17)，其能夠圍繞第二副軸線(20)相對於第三承載元件(18)旋轉地來布置，其中，所述第一副軸線(19)和所述第二副軸線(20)彼此大致正交地布置， 其特徵在於， 為了補償或減小次級誤差力，所述第二承載元件(17)能夠圍繞第三副軸線(21)旋轉地布置在運動裝置(23)處。
18.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述第二副軸線(20)和所述第三副軸線(21)彼此大致正交地布置。
19.根據權利要求17或18所述的裝置，其特徵在於，設置有至少一個控制單元用於控制和/或主動調節用於所述承載元件(16，17，18)和所述運動裝置(23)的運動的驅動器。
20.根據權利要求17至19中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述承載元件(16，17，18)的驅動器圍繞副軸線的運動通過所述控制單元來控制和/或主動調節，並且所述運動處在所述人的刺激閾值的範圍中或在其之下。
21.根據權利要求17至20中任一項所述的裝置，其特徵在於，通過所述控制單元來控制所述副軸線的驅動器的運動，其中，所述運動的角加速度處在所述人的刺激閾值之下。
22.根據權利要求17至21中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置設立用於實施根據權利要求1至16中任一項所述的方法。
23.根據權利要求17至22中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述運動裝置(23)實施為單臂離心機、實施為帶有可移動的滑座的離心機、實施為帶有可移動的舉升滑座的離心機、實施為帶有可在兩側移動的滑座的雙臂離心機、實施為帶有可在兩側移動的舉升滑座的雙臂離心機 或者實施為帶有至少一個旋轉的和/或平移的自由度的機器人臂。
【文檔編號】G09B9/14GK103703499SQ201280025282
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年5月21日 優先權日:2011年5月23日
【發明者】R.舒雷塞伯格, M.文廷克 申請人:阿姆斯特－系統科技有限責任公司