多自由度运动模拟平台的制作方法

[0001]
本发明涉及运动模拟平台技术领域，具体而言涉及多自由度运动模拟平台。


背景技术：

[0002]
飞行模拟器是用来模拟飞行器飞行的机器，由模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台等五大部分组成。其中运动系统是用来模拟飞机的姿态及速度的变化，使飞行员的身体感觉到飞机的运动。先进的飞行模拟器，其运动系统具有六个自由度，即在三维坐标中绕三个轴的转动及沿三个轴的线位移，动筒的协同运动，可驱动平台并使座舱模拟出飞机的运动变化情况。
[0003]
为了能够模拟多种飞行姿态，运动平台需具有六个自由度，任意几个自由度的复合运动，才能使模拟舱完成升降，俯仰，转向，偏航等动作。由于模拟舱包含各种操纵装置、仪表、信号显示设备，其结构复杂，整体质量大，这就要求运动平台具有优秀的稳定性，并提供较大的有效载荷。
[0004]
现有技术中的多自由度运动模拟平台一般借助多组电动缸实现多自由度的运动模拟，但是以上技术通过不同角度的伸缩缸与平台铰接的方式模拟运动，不能实现模拟器在多角度轴线上的连续翻转，并且由于其通过伸缩缸实现姿态调整，其活动空间受限于缸的长度，因此难以模拟出飞行员真正驾驶飞机作出的翻转以及俯仰过程中的翻转动作。
[0005]
现有技术文献：
[0006]
专利文献1：cn108053716a一种飞行模拟器六自由度运动平台装置
[0007]
专利文献2：cn104269097b一种冗余驱动六自由度运动模拟台
[0008]
专利文献3：cn106002957b一种六自由度全动型运动模拟器机构


技术实现要素：

[0009]
本发明目的在于提供多自由度运动模拟平台，能够在多轴线上完成连续翻转并同时能够产生大空间内位移的运动模拟平台，能够真实的模拟出战斗机的复杂高难度的飞行动作。
[0010]
为实现上述目的，本发明提出一种多自由度运动模拟平台，包括第一三自由度模拟平台和第二三自由度模拟平台；
[0011]
所述第一三自由度模拟平台包括多根绳索以及与绳索一一对应设置的绞盘系统，每一根绳索的一端连接到所述第二三自由度模拟平台上，每根绳索的另一端连接在固定于负载面的对应绞盘系统上；所述绞盘系统包括绞盘以及用于驱动绞盘的电机；所述多根绳索对应的绞盘的安装位置呈正八面体分布；
[0012]
所述第二三自由度模拟平台包括x轴翻转框架、y轴翻转框架以及z轴翻转框架：
[0013]-所述x轴翻转框架设置x轴驱动组件，用于驱动与其轴枢连接的座椅沿着x轴方向翻转；
[0014]-所述y轴翻转框架用于沿着水平方向支撑所述x轴翻转框架、并且用于通过y轴驱
动组件驱动x轴翻转框架沿着y轴翻转；
[0015]-所述z轴翻转框架用于沿着竖直方向支撑所述y轴翻转框架、并且用于通过z轴驱动组件驱动y轴翻转框架沿着z轴旋转；
[0016]
其中，每一根绳索连接在所述z轴翻转框架上，所述绞盘系统的电机被设置用于驱动绞盘旋转以通过收/放所述绳索控制所述z轴翻转框架在空间内的前后、左右和上下方向的平移。
[0017]
在进一步优选的实施例中，所述z轴翻转框架和所述y轴翻转框架之间的枢接部远离所述z轴驱动组件一侧设有第一电刷，所述y轴翻转框架和x轴翻转框架之间的枢接部远离所述y轴驱动组件一侧设有第二电刷；
[0018]
所述x轴驱动组件、y轴驱动组件以及z轴驱动组件被设置通过统一接入的ac电源供电，其中ac电源通过连接导线接入z轴驱动组件后，经由第一电刷传导至y轴驱动组件和第二电刷，经由第二电刷传导至x轴驱动组件，实现对三轴驱动组件的供电。
[0019]
优选地，所述z轴翻转框架上设有容纳连接所述z轴驱动组件至所述第一电刷的导线的线槽；
[0020]
所述y轴翻转框架上设有容纳连接所述y轴驱动组件至所述第二电刷的导线的线槽；
[0021]
所述x轴翻转框架上设有容纳连接所述第二电刷至x轴驱动组件的导线的线槽。
[0022]
优选地，所述第一电刷和第二电刷采用相同的结构，均包括电刷输入端和电刷输入端，即安装于所述z轴翻转框架/y轴翻转框架上的电刷输入端；安装与所述y轴翻转框架/x轴翻转框架上的电刷输出端；
[0023]
其中所述电刷输入端和电刷输出端相对转动连接，且所述电刷输入端和电刷输出端通过导电滑块电性连接。
[0024]
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0025]
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0026]
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0027]
图1是本发明实施例多自由度运动模拟平台的的等轴侧视图；
[0028]
图2是图1示例多自由度运动模拟平台主视图；
[0029]
图3是本发明实施例中第二三自由度模拟平台的等轴侧视图；
[0030]
图4是图3示例第二三自由度模拟平台的主视图；
[0031]
图5是本发明实施例中y向翻转框架的等轴侧视图；
[0032]
图6是图5示例y向翻转框架的主视图；
[0033]
图7是本发明实施例中x向翻转框架的等轴侧视图；
[0034]
图8是图7示例x向翻转框架的俯视图；
[0035]
图9是本发明实施例多自由度运动模拟平台的第一电刷的剖面图；
[0036]
图10是本发明实施例中供电原理图。
具体实施方式
[0037]
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0038]
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意多自由度运动模拟平台来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0039]
本发明旨在提供一种多自由度运动模拟平台，旨在一方面实现模拟平台能够实现相对大范围的空间上的平移，包括前后、左右以及上下俯仰，第另一方面实现在多轴方向上的连续性翻转，以模拟座椅在驾驶飞机过程中的各种复杂动作，如眼镜蛇机动、钟形机动、滚筒机动等，以得到真实的模拟体验。
[0040]
在本发明的实施例中，定义图1中座椅1和x轴翻转框架2之间的翻转轴线为x轴，x轴翻转框架2与y轴翻转框架7之间的翻转轴线为y轴，z轴翻转框架13和y轴翻转框架7之间的翻转轴线为z轴，并以此为基础进行示例性说明。
[0041]
如图1-2所示的多自由度运动模拟平台，包括：第二三自由度模拟平台和第一三自由度模拟平台，第二三自由度模拟平台可以完成三个轴向的翻转动作，实现座椅1在多个轴向上的连续翻转(包括座椅1的俯仰运动、翻滚运动和偏航运动)，而第一三自由度模拟平台可以使第二三自由度模拟平台在三个轴向上实现位移，使座椅1在翻转运动的基础上模拟出超重和失重的加速度状态。
[0042]
进一步的，第一三自由度模拟平台包括多根绳索19，以八根钢缆等高强度韧性绳索为例，其中四根绳索19的一端连接在z轴翻转框架13的上部，另外四根绳索19连接在z轴翻转框架13的下部，尤其是在z轴翻转框架13在高度方向上跨度大的情况下，绳索19上部地连接位置和下部的连接位置可以尽可能远，以保持z轴翻转框架13的稳定性，并使其腾空。
[0043]
为了便于控制以及并保持z轴翻转框架7的稳定性，优选的，位于z轴翻转框架7的上部的四根绳索19的连接点位于一个平面内，位于z轴翻转框架7的下部的四根绳索19的连接点位于一个平面内，且两个平面平行。
[0044]
进一步的，绳索19的另一端连接在固定于负载面的绞盘系统20上，绞盘系统20通过收/放绳索19控制z轴翻转框架7在空间内平移，通过控制绞盘系统20对于绳索19的收放即可控制z轴翻转框架7在一定的空间内进行可控的位移，即前后、左右和上下三个自由度的移动，以配合第二三自由度模拟平台模拟失重、超重等空间状态。
[0045]
其中，绞盘系统20位于第二三自由度模拟平台的外侧周围，旨在使得第二三自由度模拟平台能在八个绞盘系统20构成的框架内的空间范围内进行移动。
[0046]
具体的，绞盘系统20包括绞盘以及用于驱动绞盘的伺服电机，利用伺服电机控制
绞盘带动绳索19的收/放动作，八个伺服电机利用对应的电机控制器进行控制，通过不同位置的电机控制的绳索19的伸缩量，可以控制z轴翻转框架7在空间上的定向位移。
[0047]
另外，由于常规线缆在设备位移过程中的牵扯会造成接触不良，为了保证整个设备在位移过程中其电性连接不会受到影响，z轴驱动组件通过螺旋可伸缩的电线22连接交流电源21，螺旋可伸缩的电线22随着z轴翻转框架7的移动而发生伸缩。
[0048]
在可选的实施例中，每个伺服电机设置转速传感器，并在初始状态下，进行零点标定，使得在控制过程中，通过上位机对电机控制器的运行进行操作和控制，通过转速的传感来确定每个绳索的伸缩量，以控制第二三自由度运动平台的位置和运动姿态。
[0049]
而为了有利于控制系统的计算和精确控制第二三自由度模拟平台的移动状态，优选的，八个绞盘系统位于六面体的八个顶点处，可以看出在空间上的上下左右前后六个方向上，每一个方向都四个绳索19。
[0050]
在一些实施例中，右侧的四个绳索19受到绞盘系统20的拉紧(伸缩量相同)而左侧的四个绳索19受到绞盘系统20的放松，则z轴翻转框架7整体向右运动。
[0051]
进一步的，如图3-4所示，第二三自由度模拟平台包括x轴翻转框架、y轴翻转框架以及z轴翻转框架。
[0052]
结合图示，x轴翻转框架设置x轴驱动组件，用于驱动与其轴枢连接的座椅1沿着x轴方向翻转。
[0053]
y轴翻转框架用于沿着水平方向支撑所述x轴翻转框架、并且用于通过y轴驱动组件驱动x轴翻转框架沿着y轴翻转。
[0054]
z轴翻转框架用于沿着竖直方向支撑所述y轴翻转框架、并且用于通过z轴驱动组件驱动y轴翻转框架沿着z轴旋转。
[0055]
在具体的实施例中，z轴翻转框架13，z轴翻转框架13上设有z轴驱动组件(z轴传动电机14、z轴电机驱控系统15、z轴驱动减速机16)，z轴翻转框架13和y轴翻转框架7之间的枢接部远离z轴驱动组件一侧设有第一电刷18。
[0056]
本实施例中，z轴传动电机14通过z轴电机驱控系统15的控制带动z轴驱动减速机16内的齿轮组转动增加传动力矩，z轴驱动减速机16带动z轴翻转框架13内侧的y轴翻转框架7沿着z轴方向转动，y轴翻转框架7的另一侧通过转轴17与z轴翻转框架13连接，y轴翻转框架7相对于z轴翻转框架13的转动主要是实现座椅1的偏航运动，可以模拟战机左右偏航或回转的动作。
[0057]
进一步的，如图5-6所示，y轴翻转框架7，y轴翻转框架7上设有y轴驱动组件(y轴传动电机8、y轴电机驱控系统9、y轴驱动减速机10)，y轴翻转框架7由z轴驱动组件驱动绕其传动轴相对于z轴翻转框架7转动。
[0058]
本实施例中，y轴传动电机8通过y轴电机驱控系统9的控制带动y轴驱动减速机10内的齿轮组转动增加传动力矩，y轴驱动减速机10带动y轴翻转框架7内侧的x轴翻转框架2沿着y轴方向转动，x轴翻转框架2的另一侧通过转轴11与y轴翻转框架7连接，x轴翻转框架2相对于y轴翻转框架7的转动主要是实现座椅1的翻滚运动，可以模拟战机避弹或特技动作中的翻转。
[0059]
进一步的，如图7-8所示，x轴翻转框架2，x轴翻转框架2上设有x轴驱动组件(x轴传动电机3、x轴电机驱控系统4、x轴驱动减速机5)，x轴翻转框架2由y轴驱动组件驱动绕其传
动轴相对于y轴翻转框架7转动，x轴翻转框架2内设有通过x轴驱动组件驱动的座椅1。
[0060]
本实施例中，x轴传动电机3通过x轴电机驱控系统4驱动x轴驱动减速机5内的齿轮组转动，x轴驱动减速机5的输出轴带动x轴翻转框架2内的座椅1沿x轴方向转动，座椅1相对于x轴翻转框架2的运动为俯仰运动，可以模拟战机在拉高和俯冲等动作，配合上述的轴向以及空间上的动作，可以实现多轴线空间内的回转和位移，以模拟多种运动姿态。
[0061]
优选的，如图3所示，x轴翻转框架构造成矩形框形状并在其中一对侧面设置x轴驱动组件，用于驱动与其轴枢连接的座椅沿着x轴方向翻转；所述x轴翻转框架的另一侧面被设置成支撑在所述y轴翻转框架上；
[0062]
所述y轴翻转框架和z轴翻转框架均被设置成八面体形状，使内侧获得较大旋转空间，其中所述y轴驱动组件沿着水平方向设置，z轴驱动组件沿着竖直方向设置。
[0063]
优选的，为了降低整体整体的负重，框架结构采用铝合金材质，质量轻且强度高，具有较好的承载能力。
[0064]
在上述实施例中，为了解决相对转动的负载的供电问题，防止在旋转、翻转过程中由于x-y-z的翻转造成的传统的电线连接的缠绕，由于z轴翻转框架13和y轴翻转框架7总是相对转动的，而内层又有负载，常规的线缆无法对内层负载进行供电，因此，为了实现对内层的负载进行供电，将第一电刷18安装在转轴17上。
[0065]
在一些实施例中，利用第一电刷18实现z轴翻转框架13和y轴翻转框架7之间的电性连接，z轴翻转框架13和y轴翻转框架7在连续的相对转动过程中，y轴翻转框架7上的负载仍始终保持电性连接。
[0066]
具体的，其中的供电线路是，螺旋可伸缩的电线22连接嵌在线槽a13.1中的导线，线槽a13.1中的导线另一端连接在第一电刷18处对第一电刷18进行供电。
[0067]
进一步的，由于y轴翻转框架7和x轴翻转框架2总是相对转动的，而内层又有负载，常规的线缆无法对内层负载进行供电，因此，为了实现对内层负载进行供电，将第二电刷12安装在转轴11上。
[0068]
在一些实施例中，利用第二电刷12实现y轴翻转框架7和x轴翻转框架2之间的电性连接，y轴翻转框架7和x轴翻转框架2在连续的相对转动过程中，x轴翻转框架2上的负载仍始终保持电性连接。
[0069]
具体的，其中的供电线路是，y轴翻转框架7上的线槽b7.1中的导线一端连接在第一电刷18的输出端，导线的另外一端分别连接y轴驱动组件和第二电刷12。
[0070]
具体的，x轴驱动组件的供电线路是，x轴翻转框架2上开设了线槽c2.1，线槽c2.1中布设导线，导线一端连接在第二电刷12的输出端，导线的另一端连接在x轴驱动组件对其进行供电。
[0071]
进一步的，电刷包括：安装于z轴翻转框架13/y轴翻转框架7上的电刷输入端；安装与y轴翻转框架7/x轴翻转框架2上的电刷输出端；
[0072]
其中电刷输入端和电刷输出端相对转动连接，且电刷输入端和电刷输出端通过导电滑块电性连接。
[0073]
在一些实施例中，电刷分为安装在z轴翻转框架13和y轴翻转框架7之间的第一电刷18，安装在y轴翻转框架7和x轴翻转框架2之间的第二电刷12，其原理相同，下面以第一电刷18为例。
[0074]
图9为转轴17处的剖面图，z轴翻转框架13和y轴翻转框架7通过转轴17和轴承17.1连接。第一电刷18的输入端18.1安装在z轴翻转框架13上，第一电刷18的输出端18.2安装在y轴翻转框架7上。
[0075]
本实施例中，第一电刷18的输入端18.1和输出端18.2分别有两个导电滑槽，输入端18.1的导电滑槽与线槽a13.1中的导线连接，输出端18.2的导电滑槽与线槽b7.1中的导线连接，输入端18.1的导电滑槽与输出端18.2的导电滑槽通过导电滑块18.3连接，实现z轴翻转框架13和y轴翻转框架7相对旋转运动时电流的传导。
[0076]
由此，利用设置在z轴翻转框架和所述y轴翻转框架之间的枢接部远离z轴驱动组件一侧的第一电刷以及在y轴翻转框架和x轴翻转框架之间的枢接部远离y轴驱动组件一侧设置的第二电刷实现电源的连接与供电。
[0077]
x轴驱动组件、y轴驱动组件以及z轴驱动组件被设置通过统一接入的ac电源供电，其中ac电源通过连接导线接入z轴驱动组件后，经由第一电刷传导至y轴驱动组件和第二电刷，经由第二电刷传导至x轴驱动组件，实现对三轴驱动组件的供电。
[0078]
如图3、图4、图9和图10所示，先由交流电通过螺旋可伸缩的电线22连接嵌在线槽a13.1中的导线，线槽a13.1中的导线另一端连接在第一电刷18处对第一电刷18的输入端18.1进行供电，第一电刷18的输出端18.2与线槽b7.1中的导线连接，其中线槽b7.1中的导线一方面向y轴驱动组件供电并形成回路，另一方面对第二电刷12的输入端供电，第二电刷12的输出端通过线槽c2.1中的导线对x轴驱动组件供电并形成回路。
[0079]
本发明提供的多自由度运动模拟平台不局限于电气线路带来的内层带电负载供电问题的约束，也不受限于伸缩缸在空间活动范围的约束，以模拟座椅在驾驶飞机过程中的各种复杂动作，如眼镜蛇机动、钟形机动、滚筒机动等，以得到真实的模拟体验。同时为了解决大空间的运动模拟带来的线路和供电问题，防止在转动过程发生的线束缠绕问题，在不同的旋转轴上通过电刷机构供电，使得整个机构在翻转过程中也可实现稳定、连续的供电连接。
[0080]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。