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运动发生器的制作方法

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本发明涉及运动系统领域,特别是用于模拟诸如驾驶或飞行等运动。特别地,但非排他地,本发明涉及运动发生器,以及涉及包括这种运动发生器的运动系统,以及涉及使用运动发生器和运动系统例如用作驾驶模拟器的方法,以及涉及其制造方法。
背景技术
运动发生器是一种能够在一个或多个方向或自由度上向有效载荷施加运动、力和加速度的装置。有效载荷可以为例如在包括运动发生器的运动模拟器中经历模拟体验的人。或者,有效载荷也可以为另一运动发生器,可以说是与第一运动发生器串联。运动发生器用于运动系统中。运动系统包括用于控制运动发生器的控制系统。运动系统用于运动模拟器中。运动系统用于各种应用,包括运动模拟(例如,飞行模拟器、车辆或驾驶模拟器)、机器人、3D打印、振动和地震模拟。目前在运动模拟中使用的最常见的运动系统类型为斯图尔特平台(或“六足(hexapod)”)运动发生器。这是一种具有六个致动器的并联机械手,通常成对连接至平台基板上的三个位置,并跨越到平台或顶板(或末端执行器)上的三个安装点。置于平台上的装置或诸如人类用户等有效载荷通常以某种形式的驾驶舱、驾驶员区域或模型车辆,可以在自由悬挂的主体能够运动的六个自由度上运动,即三个线性运动x、y、z(横向、纵向和垂直)和三个旋转(纵摇(pitch)、横摇(roll)和垂摇(yaw))。一般而言,在并联机械手中,多个计算机控制的致动器被布置为并联运行以支撑有效载荷。在本文中,“并联”意指在有效载荷和底座之间的每个单独的负载路径中仅存在一个致动器,而在串联机构中,有效载荷和底座之间的可能负载路径中的一个或多个包括至少两个致动器。运动模拟器是一种包含至少一个运动发生器的模拟系统,可以为乘员创造出身处在行驶中的车辆中的效果或感觉。运动模拟器分别以驾驶模拟器和飞行模拟器的形式专业地用于培训驾驶员和飞行员。在工业上,它们还用于车辆本身的创建、设计和测试,以及车辆部件的设计。用于驾驶和飞行模拟的专业运动模拟器通常会同步视觉显示——例如由投影系统和相关联的屏幕和音频信号提供被驾驶员或飞行员占用的车厢(或底盘)的运动,以便更好地感受运动的效果。虚拟现实(VR)头戴式显示器(HMD)的出现使具有当前运动系统的沉浸式模拟成本降低,并且能够将虚拟现实应用提供给休闲用途,例如被动式游乐园或街机驾驶、第一人称骑乘或飞行骑乘,以及在主动游戏中,一个或多个玩家对驾驶、骑乘、飞行或第一人称游戏体验有一定的控制权。运动模拟中使用的运动发生器的有效载荷(例如底盘或驾驶舱)相对较重,通常为100kg的量级。运动发生器的运动模拟应用需要在较大运动(通常为1米或更大的量级)中对这种相对较重的有效载荷进行精确控制。通常用于人类参与者的运动模拟的六足类型通常具有达到约20Hz的相对较低的带宽。这意味着它们可以产生幅度一致的振荡运动和振动,频率达到每秒20次,超过这个频率,运动幅度会随着频率的增大而减小。这足以复制大多数汽车悬架运动,但它不会传输与来自汽车发动机的振动、轮胎振动、道路噪音和赛道上锋利的路缘石相关的频率内容。低带宽也意味着信号延迟,这意味着驾驶员无法快速响应。当前的运动系统,尤其是那些用于诸如军事和商业飞行指导和训练应用等高端用途的运动系统,通常非常大、重、复杂且非常昂贵。它们的复杂性需要大量的编程和维护,进一步增加了用户的成本。迈凯伦/MTSWilliams/ABD和Ansible等公司已经开发了专用的驾驶模拟器运动系统,但这些系统往往在机械上极其复杂,因此价格昂贵,具有精密加工的定制部件和通常昂贵的直线电机。这些专用的驾驶模拟器运动系统在某些方向上运动时比六足更灵敏,但在其他方向上仍然受到限制。在此类系统中使用滚珠丝杠是不利的,具体在于,虽然能够很好地建立定位,但它们会抑制力传递并且只能实现较低的带宽。这导致人类用户的不太自然的运动模拟体验。EP2486558中公开的运动模拟器包括使用三自由度的并联机械手的机构,该机械手包括三个直立臂,由曲柄驱动,以控制纵摇、垂荡(heave)和横摇的运动,因此在这些自由度上响应迅速并具有高带宽。需要由线性致动器驱动旋转的旋转台来提供垂摇。倾向于使运动模拟器为相对紧凑的。然而,它的水平自由度由串联机械手提供,引入了顺应性、惯性和摩擦,限制了系统在水平自由度上的响应性和带宽。US5,919,045公开了一种交互式赛车模拟器,包括主运动发生器,该主运动发生器包括简单布置的重叠矩形框架,布置成在气动控制下分别在线性导轨上沿X和Y方向运动,被称为“X和Y框架”。虽然该文献中公开的类型的框架的简单布置提供了在X和Y方向上的良好偏移,但由于框架在运动发生器中彼此叠置,在垂直维度上不是特别紧凑。此外,X和Y方向的运动不是特别地精确,并且模拟器也具有相对较低的带宽。EP2810268A中给出了用于驾驶模拟器中的主运动发生器的示例,其公开了一种与六自由度运动发生器串联的三自由度运动发生器,可以使用主运动发生器维持水平面上的较大运动,同时实现次级运动发生器的最大垂直行程。因此,串联的两个运动发生器可以实现不同自由度上的运动的组合,这对于类似尺寸的六足来说是不可能的。但是,该文献中描述的六足使用线性致动器,且特别是循环滚珠丝杠驱动的线性致动器。如上所述,循环滚珠丝杠致动器具有相当大的摩擦,且因此导致响应性和带宽较差。在六足架构中使用其他线性致动器会导致更多问题。如果线性致动器作为移动支柱的一部分是可移动的,则它具有高移动质量,这会导致低频机械共振,限制系统的响应性和带宽。如果线性致动器相对于底座是固定的,并且六足支柱的一端沿线性致动器平移,则系统的重量和惯性载荷由线性轴承反作用,这会再次引入相当大的摩擦。US2017/0053548A公开了一种运动系统,其包括线缆/致动器控制的平台,该平台能够在大型的低摩擦固定底座上滑动,并且允许平台的显著的水平运动。线缆和致动器围绕大底座的外围布置,允许平台进行显著的水平运动。基于六足的次级运动发生器依次安装在平台上并支撑模型驾驶舱,以提供驾驶舱的进一步运动。本发明的目的是提供一种改进的运动发生器,尤其是对驾驶和车辆运动型模拟应用有用的运动发生器,以及包含这种运动发生器的改进的运动系统,它们又特别适用于那些应用。技术实现要素:根据本发明的第一方面,提供一种运动发生器,包括用于相对于一表面向有效载荷施加力、力矩和运动的执行器,所述执行器连接至一个或多个细长刚性支柱,每个支柱在其一端通过第一接头连接至执行器并在其另一端通过第二接头连接至相关联的摇杆(即,一特定支柱连接至的摇杆),摇杆具有枢转轴,使得摇杆围绕枢转轴的运动产生执行器的运动,且施加至摇杆的力产生施加到执行器的力,其中摇杆的运动和摇杆施加的力由致动器控制,致动器的形式为细长的带、线缆、绳索驱动器或直线电机,用于向摇杆上远离摇杆枢转轴的点施加力。根据本发明的第二方面,提供一种运动发生器,包括用于相对于一表面向有效载荷施加力、力矩和运动的执行器,所述执行器连接至四个或更多个细长刚性支柱,每个支柱在其一端通过第一接头连接至执行器并在其另一端通过第二接头连接至相关联的摇杆(即,一特定支柱连接至的摇杆),摇杆具有枢转轴,使得摇杆的运动产生执行器的运动,且施加至摇杆的力产生施加到执行器的力,其中摇杆的运动和摇杆施加的力由致动器控制,致动器布置成施加力到摇杆上远离摇杆枢转轴的一点。所述表面通常可以是平面的。例如,在许多应用中,所述表面可以是安装了根据本发明任一方面的运动发生器的建筑物的地板,但它也可以是运动发生器的底板。在其他情况下,例如以下描述的组合且其中次级运动发生器为根据本发明的运动发生器的情况下,所述表面可以为在其上安装所述组合的物理表面上方的参考平面,通常由主运动发生器提供或限定,且所述表面可以与主运动发生器一起运动。在本文中,摇杆通常是指连接至细长旋转接头或枢轴的一端的实心主体,所述主体能够围绕由该接头或枢轴提供的枢转轴线旋转,从而相对于连接至的所述接头另一端的另一实心主体旋转。摇杆通常还会在其主体上具有其他接头和拾取点,连接至其他运动元件。摇杆通常用于力学系统中以控制运动元件的相对运动、控制机械优势(mechanicaladvantage)以及改变运动方向。诸如曲柄和杠杆等机械元件是摇杆的形式。例如,摇杆通常用于汽车悬架,例如推杆或拉杆悬架装置。就本公开的目的而言,术语“摇杆”还包括附接至挠曲件或与挠曲件成一体的实心主体,使得所述主体能够描述围绕通常在挠曲件上的中点处向上延伸的假想轴线的弧,所述假想轴线等同于上面提到的其他摇杆的枢转轴。因此,本发明提供一种具有一个、两个、三个、四个、五个或优选地六个自由度的并联机械手形式的运动发生器,包括一个、两个、三个、四个或更多个,通常为六个致动器,每个致动器能够产生响应好的和高带宽的运动。本发明的运动发生器因此能够在所有六个自由度上提供响应好的和高带宽的运动。与已知的运动发生器相比,根据本发明任一方面的运动发生器在若干方面中的一些或全部方面可能是有利的。它在其运动部件内可以具有低摩擦水平。本发明的运动发生器设计使摩擦最小化,且因此响应迅速并具有高带宽,因为施加在有效载荷上的重量和载荷由比传统设计中使用的直线轴承或直线导轨摩擦更小的摇杆(通常连同其旋转轴承)做出反应。由于与已知设计相比运动元件的质量较低,它可以具有较低的惯性。它可以在多于一个自由度上具有通常优于50Hz的高带宽。在一些实施例中,它可以在多个自由度上具有比50Hz显著更高的带宽,例如80Hz、90Hz或100Hz或更高,这相对于同等价格的运动发生器设计是显著进步的。根据本发明的运动发生器的另一个优点是,与某些当前的运动发生器设计相比,它在垂直方向上可以是相对紧凑的。此外,它不需要例如EP2810268A的运动发生器所需的精密加工金属底座,因为它可以安装在常规的建筑地板上。本发明的运动发生器中的第一和第二接头可以一起具有至少为五个的总自由度。第一或第二接头中的一个可以包括万向接头、卡登接头、球形接头或挠曲件,而另一个可以为球形接头。根据本发明任一方面的运动发生器通常包括多个摇杆。在大多数装置中,运动发生器可以包括六个摇杆。至少一个、优选地每个摇杆的枢转轴可以相对于所述表面固定,其中所述表面为其上安装运动发生器的物理表面。或者,(通常在包括根据本发明的运动发生器的组合的上下文中,其中所述运动发生器作为次级运动发生器安装在主运动发生器上),摇杆的枢转轴可以不是相对于该表面为固定的,而是固定相对于物理表面上方的一平面为固定的,所述平面与主运动发生器一起运动。摇杆枢轴可以为旋转接头、具有轴承的轴或挠曲件。每个摇杆可以与所述表面平行地运动。或者,至少一个、优选地每个摇杆可以相对于所述表面以大于零度的角度倾斜。例如,至少一个、优选地每个摇杆可以围绕相对于所述表面倾斜0至90°、优选地大约45度(例如40至50度)的枢转轴旋转。摇杆中的一些或全部可以与其连接的支柱形成钝角。这可以减少运动发生器中的共振。另外或替代地,这可以使运动发生器更紧凑。根据本发明任一方面的运动发生器通常可以包括4、5、6或更多个细长支柱。例如,运动发生器可以包括X个细长支柱,其中X小于6,以及至少一个机械约束装置,其约束执行器的Y个自由度,其中Y=6-X。或者,可以有超过6个细长支柱。成对的细长支柱可以布置在执行器的相对侧上。在一个典型实施例中,运动发生器包括三对细长支柱。可以布置至少一个致动器,使得它可以将负载反作用回所述表面。致动器可以是例如细长致动器,例如带、线缆或绳索驱动器,或直线电机。每种形式的致动器都可以具有其自身的优势。例如,带、线缆或绳索驱动致动器可能相对更便宜。在致动器为直线电机的情况下,它可以通过连杆连接至相关联的摇杆。在运动发生器由诸如细长带、线缆或绳索驱动器等致动器提供动力的情况下,细长带、线缆或绳索驱动器可以由滑轮或绞盘致动。这种滑轮或绞盘可以由电动机或齿轮电动机驱动。在致动器包括带、线缆或绳索驱动器的情况下,带、线缆或绳索驱动器的两端可以连接至相关联的摇杆,在摇杆上的两个连接点之间在带、线缆或绳索中形成闭环。包括滑轮的被动张紧装置可以应用于闭合的带、线缆或绳索驱动器的一端或一部分,以保持带、线缆或绳索驱动器中的张力,并将其固定长度容纳在系统不断变化的几何形状内。包括滑轮的被动张紧装置可以适应摇杆几何形状的变化。带、线缆或绳索驱动器的另一端或另一部分可以附接至被动力施加装置,该装置保持带、线缆或绳索中的张力。在这种情况下的被动力施加装置可以为例如弹簧、气撑杆或橡筋。在根据本发明任一方面的运动发生器中,被动力施加装置可以连接至摇杆,以便为致动器提供辅助,例如静态预载或阻尼,或者支撑有效载荷的重量。这种辅助可以由诸如弹簧、气撑杆或橡筋等被动力施加装置提供。诸如弹簧、气撑杆、橡筋等一个或多个被动力施加装置可以连接至执行器或有效载荷,以向致动器提供进一步的或替代的辅助,例如静态预载或阻尼。至少一个摇杆和/或致动器可以安装在所述表面上或安装至所述表面。替代地或附加地,至少一个摇杆和/或致动器可以安装在框架上或固定到所述表面的其他支撑件上。由执行器支撑的有效载荷可以大于10kg,优选地大于80kg,优选地大于250kg,或者优选地大于500kg。通常,在运动模拟应用中,有效载荷可以为车辆底盘或驾驶舱或其模型。根据本发明任一方面的运动发生器可以被布置成作为与主运动发生器串联的次级运动发生器运行。这种包括主运动发生器和次级运动发生器的组合布置可以为用户提供更大范围的有效载荷运动。例如,该组合可以实现运动(尤其是车辆模拟应用中)所需的1米量级的偏移。此外,这种组合布置可以允许使用相对简单且因此具有成本效益的主运动发生器,其仅提供例如在X和Y方向上的运动,而次运动发生器提供更复杂的运动。或者,主运动发生器可以具有X、Y和垂摇自由度。适合用作主运动发生器的已知运动发生器的一个示例在US2017/0053548中公开,其中根据本发明的运动发生器作为次级运动发生器。在这样的组合中,根据本发明的运动发生器被布置为次级运动发生器,其中该发生器的至少一个摇杆和或致动器安装在框架上、主运动发生器的末端执行器上,或作为主运动发生器的有效载荷。例如,主运动发生器可以包括框架或平台,作为末端执行器,且次级运动发生器的至少一个摇杆可以能够枢转地安装至主运动发生器的框架。根据本发明的另一方面,提供一种运动系统,所述运动系统包括至少一个根据本发明任一方面的运动发生器,以及控制系统。控制系统可以控制至少一个运动发生器致动器的运行,优选地控制所有致动器的运行。控制系统可以计算在每个致动器处需要产生的位置、加速度和/或力,以便生成所需的运动轮廓。根据本发明的另一方面,提供一种驾驶或车辆模拟器,包括根据本发明任一方面的运动发生器或根据本发明的运动系统,以及选自视觉投影或显示装置和音频装置的至少一个环境模拟装置。驾驶或车辆模拟器可以包括驾驶舱或底盘和/或车辆模拟元件。驾驶或车辆模拟器可以包括用于模拟环境的装置,包括显示装置、虚拟现实装置、投影装置中的至少一种,以及用于对虚拟环境和车辆模型建模的软件装置。本发明的另一方面提供一种制造运动系统的方法,包括制造或提供根据本发明任一方面的运动发生器以及将控制系统连接至运动发生器。运动发生器、运动系统和驾驶模拟器的其他特征从说明书和进一步的权利要求书中将变得显而易见。在参考诸如运动发生器、运动系统、运动模拟器和本发明的某些方面或实施例的装置时,本领域技术人员将理解本发明的其他方面和实施例可以同样适用于此类装置。对根据本发明的这种装置的参考可以指本发明的任何方面。附图说明现在将通过仅示例的方式参考说明书附图图1至28对根据本发明的运动发生器、运动系统和驾驶模拟器及其操作和制造进行描述,其中:图1为根据本发明的运动系统从上方和一侧观察的示意性透视图;图2为图1的运动系统为清晰起见而移除框架的示意性透视图;图3为图2中所示的运动系统的平面图;图4为图1的运动系统的摇杆的详细示意平面图;图5为图4中所示的摇杆的示意性透视图;图6为用在根据本发明的运动发生器中的不同摇杆的详细平面图;图7为根据本发明的运动发生器的被动张力装置的详细视图;图8为图2中所示的运动系统的透视图,处于纵荡向前状态;图9为处于图8的纵荡向前状态的运动系统从下方观察的平面图;图10为图2所示的运动系统处于向左横荡状态的透视图;图11为处于图10的向左横荡状态的运动系统从下方观察的平面图;图12为图2所示的运动系统处于向上垂荡状态的透视图;图13为处于图12的向上垂荡状态的运动系统从下方观察的平面图;图14为图2所示的运动系统处于右侧向下横摇状态的透视图;图15为图14中所示的运动系统处于右侧向下横摇状态从下方观察的平面图;图16为图2中所示的运动系统处于机鼻向下纵摇状态的透视图;图17为处于图16中机鼻向下纵摇状态的运动系统从下方观察的平面图;图18为图1中所示的运动系统处于机鼻向左垂摇状态的透视图;图19为图18中所示处于机鼻向左垂摇状态的运动系统从下方观察的平面图;图20为根据本发明的驾驶模拟器的透视图;图21为根据本发明的另一运动系统的示意性透视图;图22为根据本发明的另一运动发生器的透视细节图;图23为图22的运动发生器的进一步细节图;图24为另一运动发生器的局部视图,示出替代的摇杆装置;图25为图24的运动发生器的另一局部后视图,示出摇杆装置的倾斜;图26为与本发明的运动发生器一起使用的控制系统的示意图;图27A为包括根据本发明的运动发生器和另一运动发生器的组合的示意图;以及图27B为包括根据本发明的运动发生器和另一运动发生器的另一组合的示意图;以及图28为替代的摇杆装置的示意图。在本说明书中对诸如上或下等特定定向和定位的参照是指在附图中示出的那些定向或定位。具体实施方式包括运动发生器的运动系统根据本发明第一方面的包括运动发生器2的运动系统1在图1至19中示出。运动系统1包括安装在表面4上的运动发生器2,并支撑车辆底盘3,在该实施例中,车辆底盘3构成运动发生器2的有效载荷,以及框架5上方的控制装置(例如,如关于图26所描述的)。框架5具有大致三角形的形状并且由诸如铝等轻质刚性材料构成。其他形状和类型的框架,例如空间框架,以及其他材料也能想到用于这种框架。在所示实施例中,底盘3为赛车驾驶舱的复制品。底盘3由成对的细长刚性杆或支柱11、12,13、14和15、16支撑,在其上端分别通过上接头11UJ、12UJ、13UJ、14UJ、15UJ和16UJ连接至底盘3。细长刚性杆11-16可以由例如碳纤维制成以降低共振。上接头11UJ-16UJ可以为球形接头、卡登(cardan)接头或万向接头,和/或可以包括挠曲件。每个细长杆11-16的下端通过下接头11LJ、12LJ、13LJ、14LJ、15LJ和16LJ分别连接至相关联的摇杆11R、12R、13R、14R、15R和16R,这些摇杆分别布置用于在运动发生器2的三角形框架5的内侧进行枢转运动。下接头11LJ-16LJ也可以是球形接头、卡登接头或万向接头,和/或可以包括挠曲件。线性致动器11LA-16LA可以为例如皮带驱动器、直线电机(合适的示例为派克(Parker)的I-FORCE无铁芯直线电机)或滚珠丝杠驱动的致动器(合适的示例为汤姆森(Thomson)的PC系列致动器,由科尔摩根(Kollmorgan)的AKM2G伺服电机驱动)。皮带驱动器为更优选的。摇杆11R-16R和线性致动器11LA-16LA之间的连接在图4-7中更详细地示出。能够想到根据本发明的运动发生器可以不包括框架5。在这样的装置中,摇杆和/或致动器中的至少一些或全部可以直接安装在表面4上而不是框架上。这种运动发生器的优点在于表面可以比框架的刚性更好。框架的优点在于它可以用来承载整个运动发生器,特别是当它用作与主运动发生器串联的次级运动发生器时。图4和图5更详细地示出了摇杆16R和连接的元件。连续齿形带B通过圆形元件E与摇杆16R连接,这降低了连接的带B上的磨损。合适的齿形带的示例为大陆集团(Continental)制造的SynchrochainCarbon传动带。在图4和图5中,元件E是圆形的。在图6中,相应的元件E是弯曲的。应当注意,图6中所示的带B只是为了清楚起见才与弯曲元件隔开,实际上,带将紧密配合弯曲元件。齿形带B绕过可驱动的相对应的齿形电动绞盘(表示为“C”)。电动绞盘的合适示例为马丁(Martin)同步带链轮,由科尔摩根(Kollmorgan)的AKM2G伺服电机驱动。绞盘C在控制系统的控制下运行(例如,如关于图26所描述的)。还应注意,图4和图5的实施例中的被动张力元件P为橡筋或弹簧。在图6和图7所示的实施例中,被动张力元件为压缩弹簧。带B绕过标记为P的自由旋转的滑轮,滑轮由被动张紧装置PT张紧,被动张紧装置PT在连接的摇杆11R-16R上对连接至该摇杆的带B提供预加载张力。通过在控制系统的控制下由相关联的带B和绞盘C驱动的一个或多个摇杆11R-16R的运动,杆或支柱11-16以六个自由度中的任一个以高带宽移动底盘4进入各种各样的状态,其中一些在下面进行描述。运动发生器2在垂直方向上特别紧凑。当运动发生器被包括在用于驾驶模拟器的运动系统中时,这种紧凑性是有利的。在下面的描述中,更详细地描述了摇臂11R-16R在使用中的位置。为简单起见,仅描述了摇杆11R-16R的位置,并且在附图中标识的那些摇杆具有在一些附图中未编号的其他元件。本领域技术人员将理解,诸如细长支柱11-16、带驱动器和连接的被动张力装置等其他元件也将受到摇杆的运动的影响,但这在下面关于图1至3和图7-17的描述中没有详细描述。在图1至图3中,运动发生器2示出为底盘3处于中性状态。在这种情况下,摇杆的状态如下:摇杆从下方观察的位置11R中性12R中性13R中性14R中性15R中性16R中性在图8和图9中,运动发生器示出为底盘3处于向前纵荡的状态。在这种情况下,摇杆的状态如下:摇杆从下方观察的位置11R逆时针12R逆时针13R中性14R中性15R顺时针16R顺时针在图10和图11中,运动发生器示出为底盘3处于向左横荡的状态。在这种情况下,摇杆的位置如下:在图12和图13中,运动发生器示出为底盘3处于向上垂荡的状态。在这种情况下,摇杆的位置如下:摇杆位置(从下方)11R顺时针12R逆时针13R顺时针14R逆时针15R顺时针16R逆时针在图14和图15中,运动发生器示出为底盘3处于右侧向下横摇的状态。在这种情况下,摇杆的位置如下:摇杆位置(从下方)11R顺时针12R逆时针13R中性14R中性15R逆时针16R顺时针在图16和图17中,运动发生器示出为底盘3处于机鼻向下纵摇的状态。在这种情况下,摇杆的位置如下:摇杆位置(从下方)11R逆时针12R顺时针13R顺时针14R逆时针15R逆时针16R顺时针在图18和图19中,运动发生器示出为底盘3处于机鼻向左垂摇的状态。在这种情况下,摇杆的位置如下:应当注意,以上仅描述了与运动发生器2相关的有限数量的状态。本领域技术人员将理解,运动发生器2可以进入更多的状态下运行,包括但不限于向后纵荡、向右横荡、向下垂荡、左侧向下横摇、机鼻向上纵摇和机鼻向右垂摇。此外,本领域技术人员还将理解,运动发生器2可以进入多个这些状态的组合下运行。例如,运动发生器可以进入组合的向上垂荡和机鼻向左垂摇的状态下运行。运动发生器具有的本发明的优点包括高带宽、低摩擦和低惯性,增大了有效载荷、底盘3的运动精度。控制系统图26示出了根据本发明的用于控制运动发生器的运行的控制系统501。关于图26,运动发生器为502,但是控制系统501适用于本文描述的其他运动发生器、运动系统和运动模拟器。控制系统501包括执行计算机程序的运动控制器504,优选地以确定性或实时方式执行计算机程序,且其从诸如模拟环境503或设定点发生器506等需求发生器获取运动需求输入505。运动控制器计算在每个致动器509处需要产生的位置、加速度和/或力507,以便生成所需的运动轮廓505。控制系统501还包括伺服驱动器508,其提供精确控制的电流510以驱动致动器509。在操作中,运动控制器向每个伺服驱动器508发送所需的位置或力507。致动器509具有运动测量装置511,例如编码器,其向运动控制器提供运动反馈512,可选地通过伺服驱动器。运动控制器将所需运动轮廓505与测量的运动轮廓512进行比较,并相应地更新致动器需求507。图26还示出了具有诸如驾驶模拟等模拟环境503的控制系统,在驾驶模拟中计算了模拟车辆及其环境(诸如赛道或城市道路等)的物理特性。在该实施例中,控制系统501从模拟环境503接收运动需求,代表虚拟车辆的运动。计算机程序确定车辆在虚拟世界514中的运动,然后应用体感模拟算法(motioncueingalgorithm)513(MCA,也称为washout滤波器)将模拟的车辆运动转换为可由运动发生器表示的运动。然后将这些计算出的运动提供给控制系统作为运动需求505。MCA513可以是模拟环境503或控制系统501的一部分或与两者分开。模拟环境503可以从控制装置516接收输入信号515,诸如转向、油门或制动输入等,操作者,即诸如驾驶员、乘客或飞行员等人类用户使用这些输入信号515来控制模拟环境中的虚拟车辆。操作者可能是运动发生器502上的乘客。这些输入515可以通过控制系统或直接传回模拟环境。模拟环境还可能为驾驶员、乘客或其他用户或操作者在视觉显示器517上产生输出。模拟环境还可能需要来自控制系统的附加数据518,诸如与运动发生器的位置相关的,或者控制装置输入信号。运动发生器的组合根据本发明任一方面的运动发生器可以与另一运动发生器串联使用。例如,根据本发明的运动发生器可以用作次级运动发生器,也就是说运动发生器本身变成主运动发生器的有效载荷。图27A示出了根据本发明的组合600,并且包括第一(或“主”)运动发生器602和第二(或“次级”)运动发生器604(其为根据本发明的运动发生器)。该组合安装在平整表面601(未示出)上,通常为建筑地板。主运动发生器602为简单的X和Y框架装置,包括下框架606和上框架610,所述下框架606包括下框架构件607、608。下框架构件608支撑电机612,所述电机612可以在来自控制系统605(例如如图26所示)的命令下运行,以使框架610沿X方向运动。类似的电机614相应地布置在框架610上以在来自控制系统605的命令下使框架沿Y方向运动。次级运动发生器604为安装在主运动发生器602上的根据本发明第一方面的运动发生器,其包括摇杆616(直接安装在主运动发生器的上框架610上,即它安装在表面601上方的平面),其可驱动地连接至一致动器(包括电机617和细长带618,细长带618附连到摇杆的可移动端,其绕过绞盘618CA),以及连接至细长刚性支柱620。细长支柱620在一端通过接头连接至相关联的摇杆616的自由端,并且在其另一端通过接头连接至支撑有效负载619的端部执行器。当电机617在来自控制系统的命令下运行时,它驱动从动绞盘618CA,进而驱动带618以使相关联的摇杆616运动。摇杆616围绕垂直枢转轴(穿过摇臂枢轴616P)枢转,其中摇杆臂描述一水平弧(示出为A)。摇杆616的运动使相关联的支柱620运动,以使末端执行器/有效载荷618/619沿X和Y方向运动,同时允许垂摇、垂荡和纵摇运动。组合600的优势在于主运动发生器602相对便宜,但在X和Y方向上提供良好的偏移范围,而次级运动发生器604提供更高的带宽和更低水平的惯性和摩擦,增大了传递给有效载荷的运动的准确性。运动发生器的组合图27B示出了根据本发明的另一组合300,包括第一(或“主”)运动发生器302和第二(或“次级”)运动发生器304(其为根据本发明的运动发生器)。组合300安装在诸如驾驶模拟器建筑物的地板等平整表面301上。主运动发生器302为简单的X和Y框架装置,通常如上文关于主运动发生器602所述的,包括下框架306和上框架310,所述下框架306包括下框架构件307、308。下框架构件308支撑电机312,所述电机612可以在来自控制系统305(例如如图26所示)的命令下运行,以使框架310沿X方向运动。类似的电机314相应地布置在框架310上以在来自控制系统的命令下使框架沿Y方向运动。次级运动发生器304为根据本发明第二方面的运动发生器,其包括六个摇杆316A-F,每个摇杆可驱动地连接至一致动器(包括电机317A-F和相关联的细长齿形带318A-F,其绕相关联的电机317A-F的相对应的带花键的绞盘和自由运动绞盘,例如,318CA或318CB),通常如关于图1运动发生器所述的那样,以及连接至细长刚性支柱(支柱320A-F)。每个细长刚性支柱320A-F在一端通过接头连接至相关联的摇杆316A-F的自由端,在其另一端通过接头连接至末端执行器(支撑有效载荷3322的平台321。应当注意,摇杆316A-F安装在主运动发生器302的上框架310上,位于由框架310的上表面限定的平面中,在表面301上方间隔开。当电机317A-F在控制系统的命令下运行时,它驱动相关联的带318A-F,以使相关联的摇臂316A-F围绕一水平枢轴枢转,摇杆臂描述一弧形(例如,如图所示用于摇杆316A的A)。摇杆316A-F的运动因此使相关联的支柱320A-F运动以使末端执行器/有效载荷318/319在X和Y方向上运动,以及允许垂摇、垂荡和纵摇运动。组合300的优势在于主运动发生器302相对便宜,但在X和Y方向上提供良好的偏移范围,而次级运动发生器304提供更高的带宽和更低水平的惯性和摩擦,增大了有效载荷的运动的准确性。驾驶模拟器根据本发明的驾驶模拟器200如图20所示。驾驶模拟器200包括运动系统202,该运动系统202包括根据本发明的运动发生器204,例如如上文关于图1至图19或下文关于图21-23所描述的,或如关于图27B所描述的组合。运动系统202安装在投影系统206前面的表面206上,在上面可以显示驾驶环境的图像,该投影系统构成环境模拟手段的示例。音频系统(未示出)向用户提供复制驾驶环境声音的声音,构成环境模拟手段的另一示例。驾驶模拟器200的运动发生器204在控制系统207的命令下运行(例如,如关于图26所描述的)。与用于此类应用的已知运动发生器相比,根据本发明的运动发生器,如以上几个实施例中所述,其适用于在如在本实施例中描述的驾驶模拟器中使用,在几个方面中的一些或全部上可能是有利的。首先,它可以在其运动部件内具有低摩擦水平,这是由于a)使用旋转接头或旋转轴承而不是线性轴承来反作用重量和惯性载荷b)省去了循环滚珠丝杠线性致动器。其次,它可以具有低惯性,特别是在使用旋转电机而不是直线电机(特别是在机构中通过支柱整体运动的线性致动器)的情况下。在根据本发明的运动发生器中使用直线电机作为致动器的情况下,只有其动子(forcer)需要运动,而其定子或磁路可以保持静止。第三,它可以在多于一个自由度上具有通常优于50Hz的高带宽。在一些实施例中,它可以具有比50Hz显著更高的带宽,例如80Hz、90Hz、100Hz或更高。还将理解,在驾驶模拟器200中使用的运动发生器204可以在垂直方向上特别紧凑。与其他需要坡道/桥梁供用户进入/离开驾驶模拟器的运动系统相比,这更好地复制了被模拟车辆的高度。包括运动发生器的运动系统根据本发明的另一运动系统700如图21所示。运动系统700包括根据本发明的运动发生器702,其支撑表面706上方的有效载荷704。运动发生器702包括通常如上所述的四个摇杆系统710、712、714和716(摇杆系统714和716在图21中被挡住)。线性约束720和722分别在摇杆装置710、716和716、714之间以直角布置。运动系统700还包括控制系统(例如,如关于图26所描述的)。在使用中,摇杆710-714通过带驱动器B而运动,通常如上所述,使得插入在摇杆和有效载荷704(同样通常如上所述)之间的细长支柱以高带宽使有效载荷在四个自由度上运动。约束720、722分别防止有效载荷704在前后左右方向上的过度移动。本领域技术人员将理解,运动系统700可以相对简单但在带宽方面提供良好的性能。尽管具有较低带宽的主运动发生器,但系统在所有自由度上可以具有超过50Hz甚至100Hz的带宽,因为次级运动发生器在这方面表现出色。另一运动发生器根据本发明的另一运动发生器400如图22和23所示。运动发生器400,其结构和布置大致如上文关于图1至19所示的运动发生器2所描述的,只是六个带驱动的线性执行器11LA-16LA由六个直线电机和六个连杆所替代,连杆驱动相对应的摇杆和支柱来使平台402运动,所述平台构成执行器。六个直线电机是可操作的以在六个自由度上使平台402运动。图22和23更详细地示出了六个直线电机411其中之一。更具体地,图22示出了直线电机411的线圈412和磁路414。直线电机411通过枢轴416枢转地连接至细长下支柱418。另一枢轴419将支柱418连接至摇杆420。摇杆420安装在枢轴421上进行水平枢转运动,在运动发生器400所安装的表面上方并与其平行。上支柱422通过其下端通过U形接头424连接至摇杆420。上支柱422又在其上端通过另一U形接头425(如图23所示)枢转地连接至平台402(为清楚起见在图23中省略)。在使用中,在由控制系统(例如,如关于图26所述)控制的直线电机(例如411)的操作下,线圈(例如412)的线性运动使相关联的摇杆(例如420)和连接的支柱(例如418、422)运动,以使平台(402)在六个自由度上运动。替代的摇杆装置图24至25示意性地示出了替代的摇杆装置。在该实施例中,运动发生器100安装在通常表示为102的平面上,并支撑构成运动发生器102的有效载荷的底盘103,以及位于三角形框架105(清晰起见省略)上方的控制装置(未示出)。由轻质刚性材料(诸如铝或碳纤维)构成的底盘103为赛车驾驶舱的复制品。底盘103由成对的细长刚性杆或支柱111、112,113、114和115、116支撑,在其上端分别通过上接头111UJ、112UJ、113UJ、114UJ、115UJ和116UJ连接至底盘103。细长刚性杆111-116可以由例如碳纤维制成以降低共振。上接头11UJ-16UJ可以为球形接头、卡登接头或万向接头,和/或可以包括挠曲件。每个细长杆111-116的下端111通过下接头111LJ、112LJ、113LJ、114LJ、115LJ和116LJ(也可以是球形接头、卡登接头或万向接头和/或可以包括挠曲件)分别连接至摇杆111R、112R、113R、114R、115R和116R,它们分别被布置用于在运动发生器100的三角形框架105的内侧上进行枢转运动,由连接至线性致动器111LA、112LA,113LA、114LA和115LA、116LA的连杆111L、112L,113L、114L,115L、116L驱动。与之前的实施例相比,其中摇杆平行于运动发生器安装的表面运动,因为每个摇杆的枢轴垂直于所述表面,摇杆111R、112R、113R、114R、115R和116R布置成用于与运动发生器安装的表面(在这种情况下为102)不平行的成角度的枢转运动。在本说明书中,摇杆的与枢轴相对的端部称为自由端。在本实施例中,摇杆与表面成45°倾斜(角度表示为θ,表面102和摇杆113R围绕其枢转的轴线A之间的角度,如图25所示)。在其他实施例中,枢轴摇杆可以与表面成0至45°倾斜。在运动发生器所安装的表面不是平面的情况下,摇杆的倾斜角取自基准线。在运动发生器在组合中设置为次级运动发生器的情况下,摇杆的倾斜角可以取自在表面上方限定的一平面,例如摇杆所安装的主运动发生器的上框架的平整表面。这样的平面可以被认为是“表面”。在某些情况下,这种倾斜的摇杆装置是更优选的,因为它可以减小不想要的共振。倾斜的摇杆装置也可以更紧凑。它还可以减小轴承反作用的负载,从而进一步减小摩擦。另一替代的摇杆装置适用于根据本发明的运动发生器的另一替代的摇杆装置在图28A和28B中示出。图28A示出了摇杆400,其包括摇杆底座402,摇杆底座402通过挠曲件404连接至摇杆臂406。挠曲件由可预测的弹性材料形成,例如弹簧钢、工具钢或复合材料,例如E-玻璃或S-玻璃。挠曲件404允许摇杆臂406在垂直于挠曲件404的平面中进行弧形运动(表示为弧C),近似围绕挠曲件404中间的想象轴旋转。在图28B中示出摇杆臂406处于弧C上的一个位置。想象轴可以认为等同于上述其他摇杆的枢转轴。这种包含挠曲件的摇杆装置的优点在于它避免了使用轴承,它可以消除齿隙,和/或提供增大的刚度。运动系统的制造方法根据本发明的运动系统包括诸如如上所述的运动发生器,控制装置可以通过常规手段由定制和标准部件组装。特别地,可以通过将根据本发明的运动发生器与控制系统连接来制造运动系统。当前第1页12

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