[发明专利]运动发生器

说明书

本发明涉及一种运动发生器，包括相对于表面运动的末端执行器，末端执行器通过至少六个致动机构运动，其中每个致动机构包括细长的张紧构件，张紧构件在其一端处连接至末端执行器，由此末端执行器通过张紧构件悬挂在表面上方，并且在其另一端处连接至同一致动机构的关联的摇杆，由此摇杆安装成绕相对于表面固定的轴线是可枢转的，并且其中当致动摇杆时，使关联的张紧构件和末端执行器运动。本发明还涉及包括这种运动发生器的运动系统和模拟器，以及涉及操作和生产方法。

技术领域

本发明涉及运动系统领域。特别地但非排他地，本发明涉及运动发生器，并且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的方法。

背景技术

运动发生器是一种能够在一个或多个自由度的方向上向有效载荷施加力和/或力矩、运动和加速度的设备。有效载荷可以是例如在基于运动发生器的运动模拟器中经历模拟体验的人。运动发生器用于包括控制系统的运动系统中。

运动系统用于各种应用，包括运动模拟(例如飞行模拟器和驾驶模拟器)、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是Stewart平台(或“六足(hexapod)”)。这是一种具有六个致动器(通常是液压油缸)的并联机器人，致动器成对连接至平台底板上的三个配置，并跨越顶板上的三个安装点。置于顶板上的设备或有效载荷、例如人类用户，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中运动，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))。

运动模拟器是一种包括运动系统的机构，可以为乘员创造出处于行驶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训练驾驶员和飞行员。它们在工业上还用于车辆本身的创建、设计和测试。用于驾驶和飞行模拟器的专业运动模拟器通常将视觉显示—例如由投影系统和关联的屏幕提供和音频信号与驾驶员或飞行员占用的车厢(或底盘)的运动同步，以便提供更好地感受运动的效果。运动模拟器还用于休闲或游戏应用(例如街机视频驾驶游戏)。虚拟现实(VR)头戴式显示器(HMD)的出现使得具有当前运动系统的沉浸式模拟的成本降低，并且能够将虚拟现实应用提供给休闲用途，例如在被动式游乐园或街机驾驶、第一人称骑行或飞行骑行中，以及在主动游戏中，在此一个或多个玩家对驾驶、骑行、飞行或第一人称游戏体验有一些控制权。

通常用于人类参与者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，超过该频率，运动的幅度随频率增加而减小。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。低带宽还意味着信号延迟，这意味着驾驶员无法快速响应。

当前的运动系统、尤其是那些旨在用于诸如军事和商业飞行指导和训练应用等高端用途运动系统，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。McLaren/MTS Williams/ABD和Ansible等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，因此也非常昂贵，具有精密加工的定制组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的不利之处在于，虽然很好地建立定位，但它们会抑制力传递并且只能实现较低的带宽。这导致人类用户不太自然的体验。

申请人较早的专利公开WO2020/007506和EP3591641构成本发明技术背景的一部分。

本发明的目的是提供一种改进的运动发生器，以及包含这种运动发生器的改进的运动系统和模拟器。本发明的一个目的是提供一种能够操作以在六个自由度上移动末端执行器的运动发生器，其生产成本较低。本发明的另一目的是提供一种适于休闲或游戏应用的运动发生器。

发明内容