專利名稱：一種繩索驅動的動態平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一具有至少一個旋轉自由度的動態平臺，其利用馬達帶動繩索， 通過改變繩索的長度變化，使動態平臺產生一到兩個軸自由度(pitch，roll)的相對角度變化，并加入一組獨立旋轉裝置，作為動態平臺的第三個自由度(yaw)，此動態平臺上可搭配放置任何的裝置及設備。
背景技術：
目前，市場上有許多種類的動態平臺，大多是以其平臺的自由度作為區分，大部分可區分為三軸自由度及六軸自由度兩大類。三軸自由度為繞X軸旋轉(roll)、繞Y軸旋轉(pitch)及繞Z軸旋轉(yaw)的三個旋轉方向；而六軸自由度為除了包含前后傾斜 (pitch)、滾轉(roll)及偏擺(yaw)三個旋轉方向外，另包含沿著X、Y及Z軸方向的平移運動，其較典型的六軸自由度動態平臺為史都華平臺Gtewart platform)。史都華平臺常見的作動方式有兩種1.液壓驅動方式使用六支油壓缸作為致動器，驅動器為伺服閥，光學尺作為回饋。2.電氣動作方式使用六支滾珠導螺桿作為致動器， 驅動源為伺服馬達，編碼器或光學尺作為回饋。經過機器人學中的順向運動學或逆向運動學，可以得知獨立的油壓缸或導螺桿需要改變多少長度，以使平臺做出設定的動作。而史都華平臺所使用的組件非常精密，例如油壓缸、編碼器、光學尺及伺服閥等， 造價非常昂貴，此設備通常使用于學術研究或軍事載具模擬訓練，而要發展在游戲、運動器材等領域，考慮其成本則不容易實現。另外這類平臺的各個自由度的變化幅度受限于單一平臺與驅動機構的牽制，普遍都不大，對于動態擬真感仍有不足。本案申請人擁有中國臺灣實用新型專利公告第200844921號的專利權，其繩索驅動動態平臺整體結構以懸吊的方式設計，造成整體結構體積較為龐大，且繩索裸露在動態平臺外，易因繩索伸縮改變造成使用者的危險。且此實用新型專利實用新型設計的動態行為仿真較不符合實際情形，例如在平臺上裝設一臺腳踏車，用來模擬騎乘腳踏車時的路面情形，在路面由水平轉至上坡時，讓使用者的感覺是背面向后降，與實際騎乘時的前端向上提升的感覺是不一樣。另外在安全防護上，第一自由度與第二自由度在馬達驅動繩索裝置中，受限于有些馬達在無驅動電力時無法保持剎車或鎖固作用，容易使平臺會因重力作用產生回復力，造成平臺擺動傾向重力負載端方向，給騎乘者帶來危險。因此，本實用新型將設計一維護簡單、占地面積小、成本低廉、安全性佳及旋轉變化幅度大，符合實際仿真情境的繩索驅動的動態平臺，其能結合各種游戲設備、運動器材等
直ο
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種維護簡單、占地面積小、成本低廉、安全性佳以及旋轉變化幅度大，符合實際仿真情境的繩索驅動的動態平臺。為了達成上述目的，本實用新型的第一解決方案是
3[0008]一種繩索驅動的動態平臺，其中，包括平臺本體以及設置在平臺本體下方的三個支點，其中一個支點由三個自由度的旋轉接頭與支撐柱構成，另兩個支點分別連接繩索，并該動態平臺在兩繩索相對于支撐柱的另一側通過重力作用而使繩索保持為伸張狀態。進一步，該動態平臺底部設置有一用于約束平臺產生偏擺并使動態平臺作前后傾斜與滾轉兩個自由度的可控運動的伸縮裝置。進一步，該伸縮裝置為連桿機構，該連桿機構包括三個自由度的旋轉接頭、兩個連桿以及兩個具一個自由度的旋轉接頭，該三個自由度的旋轉接頭連接在平臺本體底部，該兩個連桿之間設有一個具一個自由度的旋轉接頭，該兩個連桿的另端則分別與三個自由度的旋轉接頭和另一具一個自由度的旋轉接頭相連。進一步，該動態平臺還包括旋轉臺和與旋轉臺傳動相連的馬達，該旋轉臺位于平臺本體的上方。進一步，該動態平臺還包括用于卷收繩索的槽輪以及與槽輪傳動相連的馬達。進一步，該馬達與槽輪之間還設置有渦輪蝸桿模塊，該渦輪蝸桿模塊包括與馬達輸出軸傳動相連的渦輪以及與槽輪傳動相連的蝸桿，該蝸桿與渦輪相嚙合。進一步，該馬達與槽輪之間還設置有渦輪減速機。進一步，該動態平臺還包括控制模塊、運動游戲器材以及多媒體模塊，該運動游戲器材放置在動態平臺上面，該多媒體模塊包含至少一投影機，該投影機投射在運動游戲器材前方的布幕或墻面或至少一電視或至少一顯示器上并與計算機或因特網相連而播放游戲或越野運動的影片或虛擬現實；該控制模塊包括微控制器、I/O接口以及與控制器相連的運動平臺的角位置傳感器和運動游戲器材的速度傳感器。本實用新型的第二解決方案為一種繩索驅動的動態平臺，其中，包括平臺本體以及設置在平臺本體下方的二個支點，第一支點由單自由度接頭與支撐柱構成，第二支點則連接有繩索，并第一支點相對于第二支點的距離小于平臺承載物體與用戶的合重心相對于第一支點的距離，承載物體與用戶的合重心落在支撐柱相對第二支點的另一側。進一步，該動態平臺還包括用于卷收繩索的馬達，該馬達設置在平臺本體的底部。采用上述結構后，本實用新型通過繩索而使得兩支點位置變化，同時結合重力作用所產生的回復力，使平臺相對于固定支點產生俯仰角(pitch)、翻滾角(roll)或偏擺角 (yaw)三個自由度的相對運動，故本實用新型具有維護簡單、占地面積小、成本低廉、安全性佳以及旋轉變化幅度大，符合實際仿真情境的功效。
圖1、圖IA和圖IB為三個自由度的動態平臺的三視圖；圖2為圖1加裝連桿機構后的兩個自由度動態平臺側視圖；圖3為圖2中連桿機構的立體示意圖；圖4為第三軸旋轉裝置的立體示意圖；圖5為具三個自由度的繩索驅動動態平臺的立體示意圖；圖6為蝸輪蝸桿卷繩模塊的立體爆炸示意圖；圖7為搭配蝸輪減速機的卷繩模塊示意圖；[0027]圖8為具兩個自由度的繩索驅動動態平臺的立體示意圖；圖9為具三個自由度的繩索驅動動態平臺的立體示意圖；圖10為裝設氣壓缸的兩個自由度動態平臺的側視圖；圖11為具三個自由度的繩索式動態平臺的立體示意圖；圖12為裝設氣壓缸的三個自由度動態平臺的立體示意圖；圖13為運用于運動休閑娛樂的繩索式動態平臺整體的立體示意圖；圖14為具一個自由度的繩索驅動動態平臺的立體示意圖。圖中1平臺本體2球窩接頭[0036]3支撐柱4馬達[0037]5槽輪6連座軸承[0038]7繩索8繩索[0039]10連桿機構11具一個自由度的旋轉接頭[0040]12連桿13具一個自由度的旋轉接頭[0041]14連桿15三個自由度的旋轉接頭[0042]20馬達21旋轉臺[0043]30馬達31聯軸器[0044]32連座軸承33蝸桿[0045]34連座軸承35蝸輪[0046]36連座軸承37槽輪[0047]38連座軸承40馬達[0048]41蝸輪減速機42槽輪[0049]43連座軸承50氣壓缸[0050]51單自由度的旋轉接頭52馬達
具體實施方式
為了進一步解釋本實用新型的技術方案，下面通過具體實施例來對本實用新型進行詳細闡述。圖1、圖IA和圖IB為本實用新型涉及一種繩索驅動的動態平臺的三視圖，包括平臺本體1以及設置在平臺本體1下方的三個支點，其中，以支撐柱3與三個自由度的旋轉接頭構成一個支點，該三個自由度的旋轉接頭在本實施例中選用球窩接頭2，另兩個支點分別連接繩索7和繩索8，通過馬達4控制繩索長短，組合成一個具有三個旋轉自由度(pitch， roll,yaw)的動態平臺，其在繩索7和繩索8相對于支撐柱3的另一側通過重力作用，使繩索7和繩索8保持張力。這樣，其通過馬達4帶動繩索7、繩索8兩支點位置變化及重力作用所產生的回復力，使平臺本體1相對于固定支點(支撐柱3與球窩接頭2構成的支點) 產生俯仰角(Pitch)、翻滾角(roll)及偏擺角(yaw)三個自由度的相對運動。當使用繩索7和繩索8作為俯仰角(pitch)與翻滾角(roll)驅動來源時，由于受限于繩索7和繩索8無法產生足夠的拘束，從而容易造成偏擺角(yaw)的運動狀態隨平臺本體1重心位置而產生飄移。為了解決此偏擺角(yaw)的漂移問題，該動態平臺底部設置有伸縮裝置，具體的，其在平臺本體1的下方裝設一伸縮裝置，具體該伸縮裝置可以選用如氣壓缸、液壓缸、導螺桿、伸縮滑軌、伸縮缸或連桿機構等，從而起到增加平臺本體1的拘束力，將使動態平臺本體1的自由度簡化為俯仰角(Pitch)與翻滾角(roll)兩個自由度，該俯仰角即前后傾斜，而翻滾角則為滾轉；如圖2所示，其在圖1中的平臺本體1下方裝設一組連桿機構10，具體詳見圖3所示的立體示意圖，該連桿機構10包括一個三個自由度的旋轉接頭15、兩個連桿12、14以及兩個具一個自由度的旋轉接頭11、13，該三個自由度的旋轉接頭15連接在平臺本體1底部，該兩個連桿12、14之間設有具一個自由度的旋轉接頭13， 該連桿12的另端與具一個自由度的旋轉接頭11相連，而該連桿14的另端則與三個自由度的旋轉接頭15相連；從而使得平臺本體1僅具有兩個可控的自由度，即俯仰角(pitch)與翻滾角(roll)。如圖4所示，該動態平臺還包括旋轉臺21和與旋轉臺21相連的馬達20，該旋轉臺21設置在平臺本體的上方，從而形成一具有三個自由度的動態平臺，如圖5所示，經由上述的設計流程可知由一支撐柱3、球窩接頭2及由兩條繩索7、8拉動平臺本體1的相對位置，達成控制動態平臺的兩個自由度；第三個自由度則是獨立在繩索控制的自由度之外，構成一個具三個自由度的繩索式動態平臺。在馬達驅動繩索裝置中，受限于有些馬達在無驅動電力時無法保持剎車或鎖固作用，使動態平臺會因重力作用產生回復力，造成平臺本體1擺動傾向重力負載端方向，造成騎乘者的不可預期與可能的危險，因而本實用新型設計一組卷繩模塊，具體其為渦輪蝸桿模塊，其爆炸圖如圖6所示，其中，包括馬達30、聯軸器31、連座軸承32、連座軸承36、蝸桿 33、蝸輪35、連座軸承34、連座軸承38及槽輪37，該槽輪37起到卷收繩索載體的作用，而連座軸承32、連座軸承36、連座軸承34、連座軸承38都是起固定的作用。此卷繩模塊利用一種無法逆轉的特性設計，在此處其為蝸輪蝸桿模塊，其特性為只能由蝸桿33作為動力源輸入帶動蝸輪35旋轉，并無法逆向由蝸輪35帶動蝸桿33旋轉，因此動態平臺本體1不會因馬達30失去驅動電力而造成平臺因重力作用傾斜，只會停留于原處。當然，該卷繩模塊也可以利用馬達直接配備蝸輪減速機來實現，從而減少聯軸器31和連座軸承32等的數量，更加縮減驅動模塊的體積，圖7示出的為搭配蝸輪減速機所設計的卷繩模塊，其包括馬達40、 蝸輪減速機41、槽輪42以及連座軸承43。圖8及圖9為另加入蝸輪蝸桿卷繩模塊的動態平臺驅動方式，將圖6設計的蝸輪蝸桿卷繩模塊裝設在具有兩個自由度及三個自由度的動態平臺上，作為繩索改變驅動裝置，從而避免乘騎者有可能存在的危險。如圖10所示，其利用氣壓缸50或是伸縮缸取代圖 8中的連桿機構，使平臺具有可控的兩個自由度(pitch，roll)。如圖12所示，其利用氣壓缸50取代圖9中的連桿機構，使平臺具有可控的三個自由度(pitch，roll，yaw)。綜上所述，本實用新型涉及的動態平臺，其利用三個支點所構成的平面作為動態平臺，其中第一支點是由球窩接頭與支撐柱所組成，另第二與第三支點分別以連結一條繩索的方式構成，同時第二與第三支點的聯線相對于第一支點的距離要小于第二與第三支點聯線相對于平臺承載物體與用戶后的重心的距離，從而使承載物體與用戶的重心落在支撐柱相對第二支點與第三支點的另一側，即使得兩繩索7、8均呈拉伸狀；該平臺本體1底部設一連桿機構或伸縮裝置以約束平臺產生偏擺(yaw)，控制兩繩索長度時，可以使平臺作前后傾斜(pitch)與滾轉(roll)兩個自由度的可控運動。為了縮小平臺體積，卷動繩索的驅動馬達與其驅動器均可設置在平臺底下。另外，本實用新型的動態平臺，因為利用重力作為回饋以拉緊繩索，所以可通過繩索的柔軟性，提供更大的前后傾斜(pitch)角度與滾轉(roll)角度。例如，在設計上，讓平臺寬度與長度越小，前后傾斜(Pitch)與滾轉(roll)的極限角度就越大。又或是，在設計上，支撐柱高度越高，配合較長的繩索，則前后傾斜(Pitch)與滾轉(roll)的極限角度也會越大。有關第三旋轉軸的偏擺(yaw)角度，因為設計上為一旋轉平臺，其角度最大可達到正負180度。換言之，本實用新型可以通過繩索長度、支撐柱高度、平臺寬度與長度的調整， 加上提供偏擺(yaw)角度的旋轉平臺，就能符合各種三個旋轉自由度的運動平臺需求，成本低、彈性高，甚至進一步將支撐柱高度、平臺寬度與長度設計成讓使用者能自行調整的機構，例如支撐柱設計為千斤頂的機構，就可自由改變其高度。作為進一步的改進方案，該動態平臺還包括控制模塊、運動游戲器材以及多媒體模塊，該運動游戲器材放置在動態平臺上面，該多媒體模塊包含至少一投影機，該投影機投射在運動游戲器材前方的布幕或墻面或至少一電視或至少一顯示器上并與計算機或因特網相連而播放游戲或越野運動的影片或虛擬現實；該控制模塊包括微控制器、I/O接口以及與控制器相連的運動平臺的角位置傳感器和運動游戲器材的速度傳感器。該角位置傳感器具體可以根據當前應用的動態平臺是兩個自由度還是三個自由度，來使角位置傳感器選用二軸或三軸，從而起到回饋控制的功效；這樣，就可以回饋改變平臺運動姿態配合虛擬現實的情境變化，以達到更真實的感覺。具體的，如圖13所示，其將越野腳踏車放置在本實用新型涉及動態平臺的第三軸旋轉臺21上面，同時在腳踏車前方設置至少一投影幕和至少一設置在腳踏車后方的投影機，該投影幕與投影機相配合，并且與計算機(圖中未示出) 聯機，播放游戲或越野運動的影片或虛擬現實，通過微控制器與I/O接口(圖中未示出)以及運動平臺的三軸角位置傳感器，與腳踏車速度傳感器(圖中未示出)，可以回饋改變平臺運動姿態配合虛擬時境的路面起伏，以達到更真實的感覺。進一步，將可控式制動器例如磁粉式制動器(圖中未示出)結合在車輪模擬上下坡路面，以改變騎車者的負載。注意此處的投影機裝置，也可由顯示器或電視來取代。如圖14所示，其顯示本實用新型的另一種結構，其為單一自由度的動態平臺，其具體是利用單自由度的旋轉接頭51取代圖1的球窩接頭2，并且只需要一個馬達52作為驅動源；具體的，其包括有平臺本體以及設置在平臺本體下方的二個支點，第一支點由單自由度接頭與支撐柱構成，第二支點則連接有繩索，并第一支點相對于第二支點的距離小于平臺承載物體與用戶的合重心相對于第一支點的距離，承載物體與用戶的合重心落在支撐柱相對第二支點的另一側。其利用重力作為回饋以拉緊繩索，控制繩索長度時，可以使平臺作前后傾斜(Pitch)的可控運動；具體該繩索亦是通過馬達來卷收，為了起到減少體積的功效，該馬達設置在平臺本體的底部。本實用新型涉及的一種繩索驅動的動態平臺可用在游戲、運動訓練或軍事訓練等仿真器材上，平臺上方可架設橢圓機、跑步機、健身車、腳踏車、劃船、滑雪、沖浪、騎馬等運動的器材，或賽車、摩托車等游戲的器材，皆可選擇性架設在圖8的兩個自由度的繩索式動態平臺上，或在圖11的三個自由度的繩索式動態平臺上。上述實施例和圖式并非限定本實用新型的產品形態和式樣，任何所屬技術領域的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本實用新型的專利范疇。
權利要求1.一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，包括平臺本體以及設置在平臺本體下方的三個支點，其中一個支點由三個自由度的旋轉接頭與支撐柱構成，另兩個支點分別連接繩索，并該動態平臺在兩繩索相對于支撐柱的另一側通過重力作用而使繩索保持為伸張狀態。
2.如權利要求1所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該動態平臺底部設置有一用于約束平臺產生偏擺并使動態平臺作前后傾斜與滾轉兩個自由度的可控運動的伸縮裝置。
3.如權利要求2所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該伸縮裝置為連桿機構，該連桿機構包括三個自由度的旋轉接頭、兩個連桿以及兩個具一個自由度的旋轉接頭， 該三個自由度的旋轉接頭連接在平臺本體底部，該兩個連桿之間設有一個具一個自由度的旋轉接頭，該兩個連桿的另端則分別與三個自由度的旋轉接頭和另一具一個自由度的旋轉接頭相連。
4.如權利要求3所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該動態平臺還包括旋轉臺和與旋轉臺傳動相連的馬達，該旋轉臺位于平臺本體的上方。
5.如權利要求1所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該動態平臺還包括用于卷收繩索的槽輪以及與槽輪傳動相連的馬達。
6.如權利要求5所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該馬達與槽輪之間還設置有渦輪蝸桿模塊，該渦輪蝸桿模塊包括與馬達輸出軸傳動相連的渦輪以及與槽輪傳動相連的蝸桿，該蝸桿與渦輪相嚙合。
7.如權利要求5所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該馬達與槽輪之間還設置有渦輪減速機。
8.如權利要求1所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該動態平臺還包括控制模塊、運動游戲器材以及多媒體模塊，該運動游戲器材放置在動態平臺上面，該多媒體模塊包含至少一投影機，該投影機投射在運動游戲器材前方的布幕或墻面或至少一電視或至少一顯示器上并與計算機或因特網相連而播放游戲或越野運動的影片或虛擬現實；該控制模塊包括微控制器、I/O接口以及與控制器相連的運動平臺的角位置傳感器和運動游戲器材的速度傳感器。
9.一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，包括平臺本體以及設置在平臺本體下方的二個支點，第一支點由單自由度接頭與支撐柱構成，第二支點則連接有繩索，并第一支點相對于第二支點的距離小于平臺承載物體與用戶的合重心相對于第一支點的距離，承載物體與用戶的合重心落在支撐柱相對第二支點的另一側。
10.如權利要求9所述的一種繩索驅動的動態平臺，其特征在于，該動態平臺還包括用于卷收繩索的馬達，該馬達設置在平臺本體的底部。
專利摘要本實用新型公開一種繩索驅動的動態平臺，包括平臺本體以及設置在平臺本體下方的三個支點，其中一個支點由三個自由度的旋轉接頭與支撐柱構成，另兩個支點分別連接繩索，并該動態平臺在兩繩索相對于支撐柱的另一側通過重力作用而使繩索保持為伸張狀態。本實用新型具有維護簡單、占地面積小、成本低廉、安全性佳以及旋轉變化幅度大，符合實際仿真情境的功效。本實用新型涉及的動態平臺應用范圍可涵蓋模擬訓練用平臺以及游戲、運動休閑器材等。
文檔編號A63G31/02GK202044766SQ20102052325
公開日2011年11月23日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者黃啟榮, 黃榮堂 申請人:永春至善體育用品有限公司