TW201201891A - Rope-driven dynamic platform - Google Patents

Description

201201891 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明為建構-具有至少一個旋轉自由度的動 態平台，其特徵為利用馬達帶動織索，藉由改變繩索 的長度變化，使動態平台產生一到兩轴自由度⑽咖 ，的相對角度、變化，並加入一組獨立旋轉裝置，作 為動態平台的第三個自由度(yaw)，此動態平台上可 搭配放置任何的裝置及設備。 【先前技術】 目前坊間有許多種類的動態平台，大多是以其平 台的自由度作為區分，大部分可區為三軸自由度及六 軸自由度兩大類。三軸自由度為繞X軸旋轉（r〇u)、 繞Y軸旋轉（pitch)及繞z軸旋轉（yaw)的三個旋轉方 向，而六轴自由度為除了包含俯仰（pitch)、滾轉（r〇U) 及偏擺（yaw)三個旋轉方向外，另包含沿著乂、丫及z 轴方向的平移運動，其較典型的六軸自由度動態平台 為史都華平台（Stewart platform)。 史都華平台常見的作動方式有兩種：丨.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， 光學尺做為回饋。2.電氣作動方式使用六支滾珠導螺 201201891 =動广驅動源為飼服馬達，編碼器或光學尺 产付知獨立的油璧缸或導螺桿需要改變多少長 度’以使平台做出設定的動作。 文〜長 缸、編=華平台所使用之元件非常精密，例如油壓 學尺及舰閥等，造價非常昂貴，此 0又、吊使用於學術研究哎軍拿.呈捃 發展在遊戲、運動器材算㈣ 4擬訓練，而要 實現。另外這考量其成本則不容易 單一平Α盥，心 自由度的變化幅度受限於 早千台與驅動機構的牽制，並谝 擬真感仍有不足。 曰遍都不大’對於動態 號，2?^之恤目㈣她Μ雇_ 坪，、r '、'驅動動態平台整體結構以懸吊的方式設 平^卜成==結構體積較為龐大’且繩索裸露於動態 發料鄉明繩索伸縮改變造成使用者的危險。且此 形，例如於平台上農設 广貫際清 ==:路“水平轉至上坡時，讓使 提升的喊覺是"降’與實際騎乘時的前端向上 度與第^由另外在安全防護上，第-自由 馬、隶μ 動_裝置中，受限於有政 …、驅動電力時無法保持煞車或鎖固作用，容易 201201891 使平台會因重力作用產生回復力，造成平台擺動傾向 重力負載端方向，給騎乘者帶來危險。 因此本發明將設計一維護簡單、佔地面積小、成 本低廉、安全性佳及旋轉變化幅度大，符合實際模擬 情境的繩索驅動的動態平台，其能結合各種遊戲裝 置、運動器材等裝置。 • 【發明内容】 繩索驅動的動態平台的設計方式為於平台本體 下方設置三個支點，其中一固定支點為一具三個自由 度的球窩接頭與支樓柱所構成，另兩支點分別連結繩 索，並於兩繩索相對於固定支撐柱的另一側藉由重力 作用，使繩索保持張力。藉由馬達帶動繩索兩支點位 置變化及重力作用所產生的回復力，使平台相對於固 疋支點產生俯仰角（pitch)、滾轉角（Γ〇11)及偏擺角（yaw) 二個自由度的相對運動，如圖一所示。 然而當使用繩索作為俯仰角（pitch)與滾轉角（r〇n) 驅動來源時，將受限於繩索無法產生足夠的拘束，造 成偏擺角（yaw)的運動狀態隨平台重心位置產生飄 移。因此爲解決此偏航角的飄移問題，將於動態平台 的下方裴設一伸縮裝置，如氣壓缸、導螺桿、伸縮滑 軌、伸縮缸或連桿機構等，增加平台的拘束力，將使 201201891 動態平台的自由度簡化為俯仰角（pitch)與滾轉角（roll) 個自由度，圖一為於平台下方位置裝設一連桿機構 的實施例之一，此連桿機構是由一個具三個自由度的 旋轉接頭、兩個連桿與兩個具一個自由度的旋轉接頭 所構成。 對於第二個自由度偏擺角（yaw)的運動機構，本 發明利用馬達帶動—個旋轉台機構，㈣轉台如圖四 所不，將此旋轉台裝設於前述二軸平台上。 經由上述的設計流程得知由—固定支禮柱、球离 j碩及由兩條繩索拉動平台的相對位置，達成控制平 個自由度，第二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之繩索式動態平

達驅動繩索裝置中，受限於有些馬達於無驅 ，時無核制車❹錢仙，使平台會因重力 作用產生回復力，造成 向，造成騎乘者的不^ 力負裁端方 明": 可預期與可能的危險，因而本發 °又°，、·且捲繩換組，其爆炸圖如圖六所示，此模組 :二種無法:轉的特性設計例如蝸輪蝎桿等，其特 去逆Γ㈣#做為動力源輸人帶動蜗輪旋轉，並益 、=由蜗輪帶動蜗桿旋轉，因此動態平台不合因〜 驅動電力而造成平台因重力作用傾斜，；會停 201201891 留於原處。 繩索驅動的動態平台可用於遊戲、運動訓練或軍 事訓練等Μ擬器材，平台上方可架設橢圓機、跑步 機、㈣+、腳踏車、划船、滑雪、衝浪、騎馬等運 動的器材’或賽車、摩托車等遊戲的ϋ材，皆可選擇 性架設於圖人的兩個自由度之繩索式動態平台上，或 於圖十一的三個自由度之繩索式動態平台上。

【實施方式】 1. 圖-為繩索式動態平台之三視圖，包括三個支點所 構成之平台卜其中以支撐柱3與球窩接頭2構成 一個支點’繩索7和8構成^支點，藉由馬達4 控制繩索長短，組合成一個具有三個旋轉自由度 (pitch，roll, yaw)之動態平台。

2. 圖二中顯示於圖一中的平台下方裝設一組連桿機 構1〇(其立體圖顯示於圖三），使平台僅具有俯仰 (pitch)與滾轉（roll)兩個可控的自由度。 3. 圖四為馬達20、旋轉台21所組成之可控旋轉平台 裝置，將此可控旋轉平台裝置裝設於圖二平台上， 使成為一具有三個自由度之動態平台，如圖五所 示。 4.圖六為繩索長度改變的蝸輪蝸桿捲繩模組的爆炸 201201891 圖，其中包括馬達30、聯軸器31、連座軸承（32 及36)、蜗桿33、媧輪35、連座軸承（34及38)及 槽輪37所結合。當然也可以利用馬達直接配備蝸 輪減速機以減少聯軸器31、連座軸承（32)等，更加 縮減驅動模組的體積，圖七為搭配堝輪減速機所設 計的捲繩模組。 5. 圖八及圖九為另加入蝸輪蝸桿捲繩模組的動態平 口驅動方式，將圖六設計的蝸輪蝸桿捲繩模組裝設 於具有兩個自由度及三個自由度的動態平台上，做 為繩索改變驅動裝置。 6. 圖十中顯示利用氣壓缸5〇或是伸縮缸取代圖八中 的連才干機構’使平台具有可控的兩個自由度⑽咖 roll)。 7·圖十二中顯示利用氣壓缸5〇取代圖九中的連桿機 構’使平台具有可控的三個自由度（pitch，吨 yaw) ° I圖十四中顯示單-自由度的運動平台，其為利用一 個自由度的旋轉接頭61取代圖一的球寫接頭2，並 且只需要—個馬達60作為驅動源。 ’其特徵為利用三個 其中第一支點是由球 、’’不合5之，本發明之動態平台 支點所構成之平面作為動態平台， 9 201201891 f接頭與切抽所組成，另第二與第三纽分別以連姓 一條繩索的方式構成，第—支點相對於第二與第三支點 連線之距離要小於平台承載物體與使用者後的重心相對 於第一與第三支點連線的距離，㈣物體與使用者的重 心需落於支撐軸相對第二支點與第三支點的另一側，平 台底部設一連桿機構或伸縮裝置以約束平台產生偏擺 (㈣，控制兩繩索長度時，可以使平台作俯仰⑽叫與 鲁滾轉（roll)兩個自由度的可控運動。為了縮小平台體 積’捲動繩索的驅動馬達與其驅動器可設置於平台底°下。 、另外’本發明之動態平台’因為利用重力做為回饋 以拉緊繩索，所以可葬由娜去 乂 j粕由繩索的柔軟性，提供更大的俯 仰（Ρ_角度與滾轉⑽〇角度。例如，在設計上，讓平 台寬度與長度越小，俯仰(pitch)與滾轉（r〇ii)的極限角度 就越大。又或是’設計上，支撐軸高度越高，配合較長 »的繩索，則俯仰（pitch)與滾轉⑽的極限角度也會越 大。有關第三旋轉軸之偏擺（卿）角度，因為設計上為一 旋轉平台，其角度最大可達到正負18〇度。換言之，本 發明可以藉由繩索長度、支撐軸高度、平台寬度與長度 的調整，加上提供偏擺（yaw)角度的旋轉平台，就能符合 各種三個旋轉自由度的運動平台需求，成本低、彈性高， 甚至進-步將支❹高度、平台寬度與長度設計成讓使 用者能自行調整的機構’例如支撐軸設計為千斤頂的機 201201891 構’就可自由改變其高度。 實施例 .如圖十三所示，乃是將越野腳踏車放置於本發明的 運動平台之第三軸旋轉台上面，同時於腳踏車前方設置 至少-投影幕配合至少—投影機則設置於腳踏車後方， 並且與電腦（未顯示於圖示中 口丁之中）連線，播放遊戲或越 #彡運動的影片或虛擬實境，透過微控制器與1/0介面（未 顯示於圖示之中）以及運動平台的三轴角位置感測器， 與腳踏車速度感測器（未顯示於圖示之中），可以回镇改 變平台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（未 -圖示之中）結合於車輪模擬上下坡路面，以改變 騎車者的負載。注意此處之投影機裝置，也可由顯示n • 或電視來取代。 σ :、、、:本务明已以一較佳貫施例揭露如上，然其並非 用^限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發 明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖一二個自由度之動態平台之三視圖 201201891 圖二加裝連桿機構之兩個自由度動態平台側視圖 圖三連桿機構立體示意圖 圖四第三軸旋轉裝置立體示意圖 圖五具三個自由度之繩索驅動動態平台之側視圖 圖六媧輪蝸桿捲繩模組之立體爆炸示意圖 圖七搭配蜗輪減速機之捲繩模組示意圖 圖八具兩個自由度之繩索驅動動態平台之立體示意圖 Φ 圖九具三個自由度之繩索驅動動態平台之側視圖 圖十裝設氣壓缸之兩個自由度動態平台之側視圖 圖十一具三個自由度之繩索式動態平台之立體示意圖 圖十二裝設氣壓缸之三個自由度動態平台之立體示 意圖 圖十三運用於運動休閒娛樂的繩索式動態平台整體之 立體示意圖 圖十四具一個自由度之繩索驅動動態平台之立體示意 圖 【主要元件符號說明] 1.平台 7.繩索 2.球寫接頭 8.繩索 3.支撐柱 10.連桿機構 4.馬達 11. 一個自由度旋轉接頭 5.槽輪 12.連桿 6.連座轴承 13. —個自由度旋轉接頭 12 201201891 14. 連桿 15. 三個自由度旋轉接頭 20. 馬達 21. 旋轉台 30. 馬達 31. 聯軸器 32. 連座轴承 φ 33.蝸桿 34. 連座轴承 35. 蝸輪 36. 連座轴承 37. 槽輪 38. 連座轴承 40. 馬達 41. 蝸輪減速機 42. 槽輪 43. 連座轴承 50.氣壓缸 60 馬達 61單自由度的旋轉接頭

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Claims (1)

1. 201201891 七、申請專利範圍： 1. -種動態平台，其特徵為利用三個支點所構成之平面 作為動態平台，其中一個支點是由三旋轉自由度的接 頭與支樓轴所組成，另兩個支點分別以連結一條题索 的方式構成，平台底部設一連桿機構或伸縮裝置以約 束平台產生偏擺（yaw)，控制兩繩索長度日夺，可以使 平台作俯仰（pitch)與滾轉_)兩個自由度的可控運 動。 如申明專利範圍第1項之動態平台，其中控制繩索長 度的方式藉由電動馬達或液麼馬達捲動繩索來完成。 1申請專職㈣1項之域平台，其中控魏索長 :的方式猎由馬達帶動蝸輪蝸桿模組以捲動繩索來

   4.如申請專利範圍第 度的方式可以藉由 木几成0 項之動態平台，其中控制繩索長 馬達加裝蝸輪減速機以捲動繩索

   6.

   其中伸縮裝置為 如申請專·㈣丨項之動態平台 氣壓缸或液壓缸或伸縮滑執。 二=利範圍第1項之動態平台，進_步於兩轴平 :二：轉平台，使其成為三轴的運動平台。 加裝=第1項之動態平台，進-步於平台上 ' 位置感測器，作為回饋控制之用。 201201891 如申味專利範圍第丨項之動態平台進一步結合控制 模組、運動遊戲器材、多媒體模組，包括 一運動遊戲器材放置於動態平台上面； 夕媒體模虹包含至少一投影機投射於運動遊戲器 材前方的布幕或牆面或至少一電視或至少一顯示 器，並且與電腦連線，或連上網際網路，播放遊戲或 越野運動的影片或虛擬實境； 至少一控制模組包括微控制器與I/O介面以及運動平 2的二軸角位置感測器與運動遊戲器材速度感測 器，可以回饋改變平台運動姿態配合虛擬實境的情境 變化’以達到更真實的感覺。 9·如申請專利範圍第8項之動態平台，其中的運動遊戲 器材疋心腳踏車，而且進一步將可控式負載裝置結合 ;聊踏車車輪上模擬上下坡路面，以改變騎車者的負 載。 10七申，專利範圍第8項之動態平台，其中的運動遊戲 器材疋拍划船器、滑雪器、衝浪板、騎馬器、賽車、 摩托車等，而且進一步將可控式負載裝置結合於運動 遊戲器材，以改變使用者的負載。 U.如申請專利範圍第6項之動態平台，進—步於平台上 加裝三㈣位置感測器，作為回饋控制之用。 2·如申請專利範圍第6項之動態平台，進—步結合控制 201201891 模組、運動遊戲器材、多媒體模組，包括 一，動遊戲器材放置於第三純轉台上面； 二媒體模組包含至少一投影機投射於運動遊戲器 j引方的布幕或牆面或至少一電視或至少一顯示 器並且與電腦連線，或連上網際網路，播放遊戲或 越野運動的影片或虛擬實境； ’控制模組包括微控制器與I/O介面以及運動平 口的一軸角位置感測器與運動遊戲器材速度感測 可以回饋改變平台運動姿態配合虛擬實境的情境 變化，以達到更真實的感覺。 13.如申請專利範圍第12項之動態平台，其中的運動遊 戲器材疋才曰腳踏車，而且進—步將負載裝置結合於腳 踏車車輪上模擬上下坡路面，以改變騎車者的負載。

   14·如申請專利範圍第12項之動態平台，其中的運動遊 戲器材是指划船器、滑雪器、衝浪板、騎馬器、赛車、 =車等’而且進-步將可控式負載裝置結合於運動 遊戲器材，以改變使用者的負載。 態平台’其特徵為利用三個支點所構成之平面 為動態平台，其中第-支點是由球离接頭與支撐軸 一第二與第三—連結-條 i j於平么=點相對於第二與第三支點連線之距離 要小於平台承㈣體與使用者的合重心相對於第二 201201891 與第三支點連線的距離，承載物體與使用者的合重心 需落於支撐軸相對第二支點與第三支點的另一側，利 用重力做為回饋以拉緊繩索，平台底部設一連桿機構 或伸縮裝置以約束平台產生偏擺（yaw)，控制兩繩索 長度時，可以使平台作前後傾斜（pitch)與滾轉（r〇11) 兩個自由度的可控運動。 16. 如申請專利範圍第15項之動態平台，其中改變繩索 # 長度的方式可以藉由馬達捲動繩索來完成，該馬達設 置於平台底下。 17. 如申請專利範圍第15項之動態平台，其中平台寬度 與長度可以調整，以改變平台運動前後傾斜⑽⑻與 滾轉（roll)的極限角度。 18. ^申請專利範圍第15項之動態平台，其中支樓轴的 尚度可以調整’配合繩索長度的選擇，以改變平台運 • 動前後傾斜(Pitch)與滚轉（roll)的極限角度。 19. -種動態平台，其特徵為湘二個支點所構成之平 面作為動態平台’其中第-支點是由單自由度接頭 與支標轴所組成，另第二支點以連結一條繩索的方 j構成第-支點相對於第二支點之距離要小於平 :承載物體與使用者的合重心、相對於第—支點的距 :承載物體與使用者的合重心需落於支撐轴相對 -支點的另一側’利用重力做為回饋以拉緊繩 17 201201891 索，控制繩索長度時，可以使平台作前後傾斜（pitch) 的可控運動。 20·如申請專利範圍第19項之動態平台，其中改變繩索 長度的方式可以藉由馬達捲動繩索來完成，該馬達設 置於平台底下。