一种四轴运动仿真系统的制作方法

1.本发明属于训练设备领域，具体涉及一种四轴运动仿真系统，适用于飞行员三维前庭功能训练。


背景技术：

2.现有飞行员前庭功能训练设备主要有六自由度和三轴旋转两类设备，两类设备训练的侧重点不同，六自由度可以模拟前后、上下、左右、俯仰、侧倾、滚转六个自由度的运动，但旋转位置有限，模拟不了各轴旋转运动。三维运动可以实现空中姿态的任意旋转。目前市面上已有的旋转设备可实现三维旋转，但都是手动为主，且不能实现偏心旋转。模拟真实飞行还是有一定差距，飞行员在空中飞行需要做高难度动作，如翻转，滚转等，需要具有良好的心理和生理素质，必须经过长期训练，让飞行员能够在做此类动作是适应身体的反应，增强前庭功能的稳定性和抗眩晕能力，对于前庭功能训练，三轴偏心旋转具有四个维度去模拟飞行训练，提升模拟飞行训练真实度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种四轴运动仿真系统，通过在三轴运动平台基础上增加一轴改变座椅的水平位置，实现座椅的偏心可调节，利用偏心旋转对受训人员进行训练，实现偏心复合旋转运动，增强模拟飞机运动的真实度。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种四轴运动仿真系统，所述四轴运动仿真系统包括：底座、外环、中环、内环和偏移座椅框；
6.所述外环安装在底座上，所述中环安装在外环上，所述内环安装在中环上，所述偏移座椅框安装在内环上；
7.所述外环能够绕与水平面垂直的旋转轴进行旋转，所述中环能够绕与水平面平行的旋转轴进行旋转，所述内环能够绕中环的纵向中心轴线旋转；所述偏移座椅框能够在内环上移动实现偏心。
8.本发明的进一步改进在于，所述外环采用开口朝上的u型结构，该开口朝上的u型结构的对称轴为外环的旋转轴线，该旋转轴线与水平面垂直，外环能够其旋转轴线进行旋转；所述外环包括两个竖直的竖直臂和与两个竖直臂的底部连接的水平的底部连接臂；
9.所述中环采用封闭的o型结构，包括平行的左臂、右臂，平行的上臂、下臂，所述上臂、下臂与所述左臂、右臂均垂直；左臂、上臂、右臂、下臂依次连接围合呈o型结构；左臂、右臂的中心分别通过运动轴系与外环连接，左臂、右臂的中心的连线形成中环的旋转轴线，该旋转轴线与水平面平行，中环能够绕其旋转轴线进行旋转；上臂、下臂的中心的连线形成中环的纵向中心轴线；
10.所述内环采用开口朝前的u型结构，包括平行的上连接臂、下连接臂和将两者连接起来的侧臂；内环的上连接臂、下连接臂分别通过运动轴系与中环的上臂、下臂连接，所述
内环的旋转轴线与所述中环的纵向中心轴线位于同一条直线上，所述内环能够绕其旋转轴线进行旋转。
11.本发明的进一步改进在于，在所述偏移座椅框的后部的上方、下方分别设置有滑块；
12.在内环的侧臂的上方、下方分别设置有滑道，滑块与滑道一一对应；
13.所述偏移座椅框上方的滑块能够在内环的侧臂上方的滑道上往复移动；所述偏移座椅框下方的滑块能够在内环的侧臂下方的滑道上往复移动。
14.本发明的进一步改进在于，在每个所述滑道上均开有多个禁锢孔；
15.每个禁锢孔的中心轴线与滑道的长度方向垂直；
16.在每个禁锢孔内安装有禁锢螺栓。
17.本发明的进一步改进在于，所述滑道的长度方向上的中心与内环的旋转轴线对齐；
18.当滑块的中心与滑道的中心对齐时，偏移座椅框架的对称轴线与内环的旋转轴线位于同一个铅锤面内，当滑块的中心与滑道的中心不对齐时，偏移座椅框架的对称轴线与内环的旋转轴线位于不同的铅锤面内。
19.本发明的进一步改进在于，在所述偏移座椅框架上设置有座椅、扶手、多组安全带、压肩和仪器箱。
20.本发明的进一步改进在于，所述系统进一步包括运动控制卡，其能够同步控制外环、中环、内环的驱动电机；
21.同时，在外环、中环、内环的驱动电机上分别安装有光电编码器。
22.本发明的进一步改进在于，所述系统进一步包括：三相断路器、动力投入开关和固态继电器，三者串联连接；
23.同时，所述系统进一步包括：光栅传感器、被测人员急停按钮、操作人员急停按钮；光栅传感器、压肩、多组安全带的卡扣、被测人员急停按钮、操作人员急停按钮串联连接，并控制所述固态继电器；在所述底座的四个角落分别设置有光栅传感器；
24.在仪器箱内还设置有措施使能开关，其与光栅传感器、压肩、多组安全带的卡扣、被测人员急停按钮并联。
25.本发明的进一步改进在于，在所述偏移座椅框架上与被测人员的头部等高位置处设置有六轴加速度传感器。
26.本发明的进一步改进在于，在所述底座的下方安装有支撑脚轮和能够调节高度的支撑地脚。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可自动控制三个轴精确地按照预定的速度、位置和时间运行，同时可以提供三个轴独立的精确位置，通过调节座椅水平位置实现偏心旋转，实现模拟单轴、多轴旋转、偏心旋转、以及复合运动，使训练更贴近实际，飞行员通过此设备训练可有效的增强飞行员的空间定向能力和前庭功能稳定性。
附图说明
28.图1本发明四轴运动仿真系统的结构示意图；
29.图2本发明四轴运动仿真系统中的内环的结构示意图；
30.图3本发明四轴运动仿真系统中的座椅背面的结构示意图；
31.图4本发明四轴运动仿真系统中的座椅偏心状态下的结构示意图；
32.图5-1本发明四轴运动仿真中的座椅与内环连接的滑道、滑块的立体结构示意图；
33.图5-2本发明四轴运动仿真中的座椅与内环连接的滑道、滑块的侧面结构示意图；
34.图6本发明四轴运动仿真系统的控制原理图；
35.图7本发明四轴运动仿真系统的安全保障原理图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
37.本发明一种四轴运动仿真系统为高精度的控制系统，是地面飞行实物仿真的关键设备，用于模拟飞行器在空中的各种动作和姿态，包括偏航、滚转和俯仰，是一种电信号到机械运动的转换设备。把高精度传感器安装在座椅脑后部位、光电编码器安装各轴系上，将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的四轴机械转动，从而在地面上模拟飞行状态。
38.如图1到图4所示，本发明四轴运动仿真系统包括：底座1、外环2、中环3、内环4和偏移座椅框5，所述外环2用于模拟偏航，所述中环3用于模拟俯仰，所述内环4用于模拟滚转，在所述偏移座椅框5上安装有座椅，通过调整所述偏移座椅框5的位置可以调节座椅的偏心位置。四框同时动作便可以模拟飞行员在三维空间的真实动作和姿态。
39.本发明的实施例如下：
40.【实施例一】
41.所述底座1安装在地面上或者其它稳固的平面上，在所述底座1的内部安装有外环的运动轴系和驱动装置，所述底座1采用钢结构增加重量并起到稳固作用。
42.在所述底座1的下方安装有支撑脚轮和可调节高度的支撑地脚，支撑地脚升起后，支撑脚轮与地面接触，整个设备可在平坦的地面进行平移，通过调整支撑地脚使设备升起，支撑脚轮离开地面，实现设备稳固安放。支撑地脚、支撑脚轮采用现有的产品即可，在此不再赘述。
43.【实施例二】
44.所述外环2采用开口朝上的u型结构，该开口朝上的u型结构的对称轴为外环2的旋转轴线，该旋转轴线与水平面垂直，外环能够其旋转轴线进行旋转。外环2的底部与底座1通过运动轴系连接，在运动轴系的中心安装有滑环，实现外环360度的旋转。中环的运动轴系和驱动装置均安装在外环的内腔中，可以在外环的u型结构的一端内腔中安装中环的运动轴系和驱动装置，另一端内腔中安装中环的运动轴系。
45.具体的，所述外环2包括两个竖直的竖直臂和与两个竖直臂的底部连接的水平的底部连接臂，该u型结构的对称轴为所述外环的中心轴线，该中心轴线与两个竖直臂平行。外环可以进行360度连续转动。
46.本发明通过采用u型结构降低了整个外环的重心，通过采用回转支撑轴承，降低了框架基座的高度，进而降低了整体机构的重心，使各轴的旋转更加稳定，提高了系统运行的稳定性和可靠性。在回转支撑轴承的中心位置，布置转动滑环，滑环连接的信号包括了中环和内环伺服系统的信号线和内环负载所需信号线。伺服系统信号分为动力线和位置传感器
信号线，因此本发明中选择多路伺服电机专用旋转滑环，确保转动过程中，伺服系统信号的连接可靠。
47.【实施例三】
48.所述中环3采用封闭的o型结构，包括平行的左臂、右臂，平行的上臂、下臂，所述上臂、下臂与所述左臂、右臂均垂直；左臂、上臂、右臂、下臂依次连接围合呈o型结构；左臂、右臂的中心与外环通过运动轴系连接，左臂、右臂的中心的连线形成中环的旋转轴线，该旋转轴线与水平面平行，中环能够绕其旋转轴线进行旋转。在上臂、下臂的中心安装有内环的运动轴系和驱动装置。o型结构可以是圆形，也可以是方框形。上臂、下臂的中心的连线形成中环的竖直中心轴线。
49.【实施例四】
50.所述内环4采用开口朝前的u型结构，包括平行的上连接臂、下连接臂和将两者连接起来的侧臂。内环的上连接臂、下连接臂分别通过运动轴系与中环的上臂、下臂连接，所述内环的旋转轴线与所述中环的竖直中心轴线位于同一条直线上，所述内环能够绕其旋转轴线进行旋转。在所述的侧臂上设置有滑道，实现座椅的偏心调节。
51.各个框的运动轴系和驱动装置采用现有的运动轴系和驱动装置即可，例如运动轴系可以采用主动轮和从动轮、旋转轴，驱动装置可以采用伺服电机、减速机、联轴器，伺服电机与减速机连接，所述减速机的输出轴通过联轴器与主动轮连接，所述主动轮与从动轮咬合，从动轮通过旋转轴带动相应的框进行旋转，这些均是现有设备，在此不再赘述。进一步的，可以采用钢制骨架焊接制成内环、中环、外环的骨架，在钢制骨架上包覆薄钢板形成各个框，薄钢板围合形成各个框的内腔，驱动装置、运动轴系安装在内腔中，旋转轴从内腔伸出与框连接即可。
52.【实施例五】
53.在所述偏移座椅框5的后部的上方、下方分别设置有滑块9，在内环4的侧臂的上方、下方分别设置有滑道8，滑块9与滑道8一一对应，所述偏移座椅框5上方的滑块9能够在内环4的侧臂上方的滑道8上往复移动并定位，所述偏移座椅框5下方的滑块9能够在内环4的侧臂下方的滑道8上往复移动并定位。
54.在每个所述滑道8上均开有多个禁锢孔，每个禁锢孔的中心轴线与滑道8的长度方向垂直，在每个禁锢孔内安装有禁锢螺栓，禁锢螺栓拧紧后，禁锢螺栓的端部顶住滑块，使得滑块无法沿滑道移动，实现了滑块的固定，松开禁锢螺栓后，滑块9能够带动偏移座椅框偏移出中心位置，调节到目标位置后锁紧禁锢滑块即可，进而实现了座椅的偏心位置调节。偏移座椅框架以及座椅均为左右对称结构，两者均关于对称轴线左右对称。
55.所述滑道8的长度方向上的中心与内环的旋转轴系对齐，即当滑块的中心与滑道的中心对齐时，偏移座椅框架不偏心，此时偏移座椅框架的对称轴线与内环的旋转轴线位于同一个铅锤面内，当滑块的中心与滑道的中心不对齐时，即当偏移座椅框架离开滑道的中心时形成偏心，此时偏移座椅框架的对称轴线与内环的旋转轴线位于不同的铅锤面内。
56.滑块、滑道可以采用现有的多种滑块、滑道的结构，例如可以采用如图5-1和图5-2所示的滑道、滚珠滑块结构，包括滑道8、滑块9，在滑块9上设置有上保持器904、下保持器906，两个保持器用于保持住钢珠905,在滑块9的两端分别设置有端盖903、端面密封垫片902和油嘴901。
57.在所述偏移座椅框架上设置有座椅6、扶手、多点安全带、压肩7和仪器箱体等，在训练过程中为受试人员提供良好的支撑和保护。座椅上布置有多条为受试人员提供安全保护的安全带，例如，可以在所述座椅上设置有五点式安全带，用于固定被试人员的躯干和手臂，另外在座椅上对应练习者的大腿位置处、小腿位置处还设置有大腿安全带和小腿安全带，用于固定住大腿和小腿。
58.【实施例六】
59.本发明使用了多路电机同步控制技术：采用多轴同步控制技术在实现三个框独立控制的同时，保证三轴框架系统运动的同步性。具体的，采用高性能运动控制卡作为控制硬件核心，高性能运动控制卡可实现三路电机的同步控制。所述高性能运动控制口采用现有的运动控制卡即可，在此不再赘述。
60.进一步的，在每个框的伺服电机上分别安装有光电编码器。通过电机上的光电编码器精确测量角度实现转速和转角两个变量的同步控制，三轴的同步运行可以方便地实现框架位置、速度混合控制实现的多位置转动训练和空间摇摆训练。
61.本发明通过计算机上的控制软件进行参数设定，并以指令形式发送控制命令。控制软件实时读取光电编码器采集的数据，但不参与控制系统的控制操作，这样最大限度隔离了上位机软件故障对训练器控制系统的影响，提高了训练器系统的稳定性和可靠性。
62.具体的，如图6所示，利用计算机上的控制软件为三个框分别设定位置、转速及加速度值(这些采用现有技术实现即可，在此不再赘述)，并将设定的值通过运动控制信号发送到运动控制单元(即运动控制卡)，运动控制单元根据运动控制信号控制每个框的伺服单元(即内环伺服单元、中环伺服单元、外环伺服单元)，伺服单元包括了伺服电机的驱动电路和反馈控制电路(这些采用现有技术实现即可，在此不再赘述)，最终通过伺服电机、减速轴系等带动系统进行三轴运动。
63.本发明通过光电编码器及伺服驱动实现闭环控制，同时把运行状态信息反馈给计算机的控制软件。因为上位机发送位置或者转速命令后，具体控制电机框架运转的是运动控制卡，运动控制卡实时检测位置速度进行精准控制，所以上位机软件故障并不影响设定后的具体执行，即上位机软件故障不影响训练器系统的稳定性和可靠性。
64.【实施例七】
65.进一步的，本发明设置有多重安全机制。训练器系统具有多重安全保障机制，针对在使用过程中可能出现的安全带脱落、人员请求停止、外部故障急停请求和人员误入训练区域等意外情况设计了硬件急停机制，系统安全措施采用串联方式连接，安全措施检测分为压肩、安全带和急停操作等直接检测部件，同时也布置有安全光栅等外围感应安全措施。
66.具体的，如图7所示，本发明的安全保障结构包括三相断路器、动力投入开关和固态继电器，三者串联连接，同时光栅、压肩、多组安全带卡扣(包括在系统上设置的所有安全带的卡扣)、被测人员急停按钮、操作人员急停按钮串联连接，并控制所述固态继电器，只要光栅、压肩、多组安全带卡扣、被测人员急停按钮、操作人员急停按钮中任意一个断开则电路断开，即不可能投入动力电，这样保证了设备不会运转，从而保证了测试人员和操作人员的安全，当发生意外时，被测人员和操作人员都可以通过各自的急停按钮停止设备的旋转。只有光栅没有被触发、压肩压下、各个安全带正常连接、被测人员急停按钮没被按下、操作人员急停按钮没被按下的状态下，设备才能正常动作。
67.进一步的，在仪器箱内还设置有措施使能开关，其与光栅、压肩、多组安全带卡扣、被测人员急停按钮并联。措施使能开关闭合后接通旁路，导致光栅、压肩、被测人员急停按钮和多组安全带卡扣均失效，此时可以进行设备的检修调试等，当措施使能开关断开时，光栅、压肩、被测人员急停按钮和多组安全带卡扣任意一个信号断开，动力都被强行断开。
68.优选的，在所述底座1的四个角落分别设置有光栅传感器，形成光栅围绕在底座的四周，当有人靠近这个底座时会触发光栅传感器，光栅传感器被触发即断开电路，启动安全急停，这样能够防止误入人员被旋转的框架撞伤。
69.同时三项断路器为各个框的电机驱动器提供电力，每个电机驱动器驱动伺服电机，每个伺服电机自带有刹车，各个框的刹车又分别与三轴断电抱闸连接。
70.图6中的手动急停包括了图7中的被测人员急停、操作人员急停。图6中的安全性装置是指三个框的伺服电机自带的刹车和三轴断电抱闸。
71.当设备断电时，三轴断电抱闸锁定三个框的旋转轴系，保证设备不会因为自重产生旋转。当投入电力时三轴断电抱闸开启，三个框的运动由伺服电机和配套的刹车控制。
72.【实施例八】
73.进一步的，本发明在被测人员的头部位置还设置有加速度测量装置。具体的，在所述偏移座椅框架上与被测人员的头部等高位置处设置有惯性测量单元，惯性测量单元采用现有的六轴加速度传感器即可，在系统运行过程中实时测量当前的三轴加速度和三轴角度率，为分析被测人员实时过载情况提供了数据支持。
74.【实施例九】
75.本发明实施例中的系统的技术指标如下：
76.1、净负载尺寸：135
±
5(高)
×
65
±
5(宽)
×
80
±
5(深)cm。
77.2、净负载重量：80kg。
78.3、最大角速度:内环：180
°
/s。
79.中环：180
°
/s。
80.外环：180
°
/s。
81.4、最小角速度：内环：6
°
/s。
82.中环：6
°
/s。
83.外环：6
°
/s。
84.5、最大角加速度：内环：60
°
/s2
85.中环：60
°
/s2
86.外环：60
°
/s2
87.6、三轴转角精度：1
°
88.7、三轴运动范围：连续无限。
89.8、偏移轴位移距离范围-80mm～ 80mm，误差≤
±
3mm；最大速度：60mm/s；
90.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
91.在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示
的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
92.最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。