CN2766912Y - 模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构，该二自由度运动机构是直接安装在模拟自行车运动的设备上，控制设备的左右倾斜以及前后俯仰，包括左右倾斜装置和前后俯仰装置，其中左右倾斜装置包括左右倾斜驱动电机、连接至左右倾斜驱动电机且用于改变转轴方向的伞齿轮、一用于驱动左右倾斜转轴的蜗轮蜗杆及用于测定转角的角位移传感器；前后俯仰装置包括前后俯仰驱动电机、连接至电机的摇臂机构、连接摇臂机构的杠杆装置及用于测定俯仰角度的角位移传感器。本实用新型的用于模拟自行车运动的设备的倾斜机构能够进行前后，左右的倾斜，并能自动采集俯仰和倾斜的角度并反馈给控制装置，以实现对于仿真自行车倾斜状态的实时控制。

Description

模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构

技术领域

本实用新型涉及由计算机控制的模拟自行车的设备，尤其涉及用于该种模拟自行车运动的设备上的二自由度运动机构。

背景技术

自行车运动，尤其是越野自行车运动是一项很有吸引力的运动，但是由于条件所限，很多人无法亲身体验这种运动。虚拟技术的出现解决了这个问题，比如在申请号为200320109395.6，题为“模拟自行车运动的设备”的中国专利申请以及申请号为200310108296.0，题为“模拟自行车运动的设备和方法”的中国专利申请中都公开了一种模拟自行车运动的设备，这两份申请的申请人就是本申请的申请人，上述两份申请的全部内容全部引用与此以供参考。在这种模拟自行车运动的设备上，骑上模拟自行车，可通过脚蹬踏板、改变龙头的方向，握刹车等操纵动作，来改变车速、行驶方向。这种设备还能够模拟出脚踏的阻力、路面的起伏等等状况。

对于真实的自行车运动来说，在车辆行进的过程中的左右倾斜以及前后俯仰都会出现。因此，如何在模拟的设备中模拟出上述的状况对于能很好地模拟出自行车运行是很重要的。因此，就需要一种更好的安装在自行车上的二自由度运动机构，而不是运动平台，来实现仿真自行车的倾斜以及俯仰。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构，其能够实现前后俯仰、左右的倾斜的运动，并能自动采集俯仰和倾斜的角度反馈给控制装置，以实现仿真自行车二自由度状态的实时控制。

根据本实用新型，提供一种模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构，该二自由度运动机构是直接安装在所述模拟自行车运动的设备上，控制所述设备的左右倾斜以及前后俯仰，其中，所述二自由度运动机构包括左右倾斜装置和前后俯仰装置，

该左右倾斜装置包括左右倾斜驱动电机、连接至所述左右倾斜驱动电机且用于改变转轴方向的伞齿轮、一用于驱动左右倾斜转轴的蜗轮蜗杆及用于测定转角的角位移传感器；左右倾斜驱动电机输出转矩，通过伞齿轮改变转矩方向，带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，进而带动倾斜转轴进行左右倾斜运动，所述角位移传感器测定转角信号并反馈；

前后俯仰装置包括前后俯仰驱动电机、连接至所述电机的摇臂机构、连接摇臂机构的杠杆装置及用于测定俯仰角度的角位移传感器；所述前后俯仰电机输出转矩带动摇臂旋转，摇臂机构带动杠杆装置，角位移传感器测得转角信号并反馈。

根据本实用新型的一个实施例，所述左右倾斜装置还包括用于增加转矩的减速机构，与所述左右倾斜驱动电机相连，增加所述电机的输出转矩。所述前后俯仰装置也包括用于增加转矩的减速机构，与所述前后俯仰驱动电机相连，增加所述电机的输出转矩。

根据本实用新型的一个实施例，所述左右倾斜装置还包括自锁装置，当电机停止运转时，制动左右倾斜装置。所述前后俯仰装置也包括自锁装置，当电机停止运转时，制动前后俯仰装置。

本实用新型所述的二自由度运动机构可用于模拟自行车运动的设备上，该种设备可包括安装在一底盘上的车架、车把、座椅、踏脚以及车轮，所述二自由度运动机构安装在所述车架及底盘上并连接至上述的各个组件。

所述左右倾斜装置中，所述左右倾斜驱动电机安装在车架上并绕倾斜电机转轴转动，所述倾斜电机转轴连接到一伞齿轮，所述倾斜驱动电机的外壳上有螺纹，所述螺纹与一蜗秆蜗轮相咬合，所述蜗秆蜗轮连接至所述车架的倾斜转轴，以实现所述模拟自行车运动的设备的左右倾斜，所述倾斜转轴上具有角位移传感器，以产生倾斜角度的反馈信号。

所述前后俯仰装置中，所述前后俯仰驱动电机安装在底盘上，所述俯仰摇臂的一端连接于前后俯仰驱动电机而另一端连接于车架上的杠杆装置，所述俯仰摇臂在前后俯仰驱动电机的驱动带动车架上的杠杆装置，以带动车架实现上下俯仰；所述车架的一端固定于所述底盘上并绕一俯仰轴转动，所述俯仰轴上具有角度传感器，以产生俯仰角度的反馈信号。

采用了上述的技术方案之后，本实用新型的用于模拟自行车运动的设备的倾斜机构能够进行前后，左右的倾斜，并能自动采集俯仰和倾斜的角度并反馈给控制装置，以实现对于仿真自行车倾斜状态的实时控制。

附图说明

本实用新型的特征和优势将在下面结合附图对实施例进行的详细描述之后变得更加明显，其中：

图1A是模拟自行车运动的设备的侧面结构图；

图1B是模拟自行车运动的设备的正面结构图；

图2A和2B是本实用新型的二自由度运动机构中的左右倾斜装置的结构图；

图3A和3B是本实用新型的二自由度运动机构中中的前后俯仰装置的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本实用新型的技术方案。

参考在申请号为200320109395.6和申请号为200310108296.0两份专利申请中所公开的模拟自行车运动的设备，其包括下述的组件，除安装在一底盘上的基本自行车部件车架、车把、座椅和踏脚外，还包括数据采集装置、加载装置、震动装置、俯仰装置、倾斜装置和惯性装置。本实用新型是对其中的控制自行车设备倾斜和俯仰的倾斜装置和俯仰装置进行了改进。

参考图1A和图1B，是模拟自行车运动的设备的总体结构图。其包括：

一底盘100，架设在底盘100上的车架102。车架102为一中空的桶状结构(参考图1的正面结构图)，在车架102上安装有绕倾斜电机转轴转动的倾斜驱动电机、连接到倾斜电机转轴的伞齿轮、与倾斜驱动电机外壳上的螺纹相咬合的蜗秆蜗轮、以及角位移传感器，这些装置将在下面结合其他的附图做进一步描述。车架102的内部还有模拟骑行时阻力的加载伺服电机104和反馈速度信号的测速电机106，这两个电机都连接到踏脚108，踏脚108伸出车架102的外部。在车架102的两端有用于模拟震动的前轮气缸105和后轮气缸107。车架102的上端有车把110和坐垫112，还有控制车辆左右摇摆的摇摆驱动电机114和摇摆轴115。车架102的下方，后端通过一转轴固定于底盘100上，该转轴就是车辆进行俯仰时的俯仰转轴。前端连接于一车轮116。底盘上具有前后俯仰驱动电机，同时，俯仰摇臂的一端连接于前后俯仰驱动电机，俯仰摇臂的另一端连接于车架102上的杠杆装置，当俯仰摇臂绕轮轴转动时，支架102会在杠杆装置的带动下随之上下起伏，从而达到俯仰的效果。底盘100上还有惯性装置118。

图2A和2B所示是本实用新型的二自由度运动机构中的左右倾斜装置的结构图。其中，图2A是左倾的图，而图2B是右倾的图。如图所示，本实用新型的二自由度运动机构的左右倾斜装置包括：左右倾斜驱动电机200、连接至左右倾斜驱动电机200且用于改变转轴方向的伞齿轮204、一用于驱动左右倾斜转轴208的蜗轮蜗杆206及用于测定转角的角位移传感器210；左右倾斜驱动电机200输出转矩，通过伞齿轮204改变转矩方向，带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，进而带动倾斜转轴208进行左右倾斜运动，角位移传感器210测定转角信号并反馈。在该实施例中，左右倾斜装置还包括用于增加转矩的减速机构，与左右倾斜驱动电机200相连，增加电机的输出转矩。还包括自锁装置，当电机200停止运转时，制动左右倾斜装置。

结合图2所示的具体实施例，左右倾斜驱动电机200安装于车架102上，左右倾斜驱动电机200可绕倾斜电机转轴202转动，倾斜电机转轴202连接到一伞齿轮204，倾斜驱动电机转轴202的外壳上有螺纹，螺纹与一蜗轮蜗杆206相咬合，蜗轮蜗杆206连接至车架102的倾斜转轴208，以实现模拟自行车运动的设备的左右倾斜，倾斜转轴208上还具有角位移传感器210，以产生倾斜角度的反馈信号。从图2A和2B中可见，倾斜转轴208位于车架102的中心，左右倾斜驱动电机200、倾斜电机转轴202、伞齿轮204、蜗秆蜗轮206以及加载伺服电机104、车把110、坐垫112和踏脚108都可以绕着倾斜转轴208转动。在工作时，左右倾斜驱动电机200提供模拟自行车倾斜动力。连接于倾斜电机转轴202上的伞齿轮204改变扭力传递方向。蜗杆蜗轮206增加扭力并锁住模拟自行车，利用蜗轮蜗杆206的自锁特性使自行车在无动力的情况下不会倾斜。角位移传感器210用来提供倾斜后的反馈信号。在该实施例中，左右倾斜装置中还包括减速齿轮，可安装于倾斜电机转轴202和伞齿轮204之间，用来降低驱动电机的转速并增加扭力。

图3A和图3B是本实用新型的倾斜机构中的俯仰装置的结构图。图3A是仰起的示意图而图3B是俯下的示意图。本实用新型的前后俯仰装置包括前后俯仰驱动电机300、连接至电机300的摇臂机构302、连接摇臂机构的杠杆装置303及用于测定俯仰角度的角位移传感器306；前后俯仰电机300输出转矩带动摇臂302旋转，摇臂机构302带动杠杆装置303，角位移传感器306测得转角信号并反馈。根据图示的实施例，前后俯仰装置还包括用于增加转矩的减速机构，与前后俯仰驱动电机相连，增加电机的输出转矩。还包括自锁装置，当电机停止运转时，制动前后俯仰装置。

如图所示，本实用新型的俯仰装置包括：安装于车轮116上的前后俯仰驱动电机300，一端连接于前后俯仰驱动电机300且另一端连接于车架102上的杠杆装置303的俯仰摇臂302，俯仰摇臂302在前后俯仰驱动电机300的驱动下绕车轮116的轮轴转动，以带动车架102实现上下俯仰。如图3所示，由于俯仰摇臂302是固定于车架102下的一个固定的点上，因此当俯仰摇臂302绕车轮116的轮轴转动时，会带动杠杆装置303上下起伏，从而带动车架102会随之上下起伏，车架102的一端固定于底盘100上并绕一俯仰轴304转动，俯仰轴304就是车架102和底盘100的连接点的位置。俯仰轴304上还具有俯仰传感器306，以产生俯仰角度的反馈信号。工作时，前后俯仰驱动电机300提供俯仰动力驱动俯仰摇臂302用来抬起放下车架102以模拟自行车产生俯仰感觉，角位移传感器306用来提供俯仰后的反馈信号。在该实施例中，还包括一电磁刹车作为自锁机构，用来制动俯仰机构以防止模拟自行车的车架102不会滑落。也可以在前后俯仰驱动电机300和俯仰摇臂302之间增加减速机构来降低电机转速并提高电机转距。

上述的倾斜装置和俯仰装置在诸如计算机的控制装置的控制下进行，倾斜以及俯仰的角度使用如下的公式进行计算：

L：自行车的车长；

l：座椅到车尾的距离；

s：在给定时间Δt内自行车的行程为；

K：自行车的转动比；

d：路面“沟”间距；

h₀：自行车的前一地点的高度；h₁：此时的高度为；h₂：下个地点的高度；

(x₀，y₀)：自行车前一地点的坐标；(x₁，y₁)：此时的地点坐标；(x₂，y₂)：下个地点的坐标；

v₀：自行车此时的速度；v₁：下个地点的速度；

θ₀：自行车行驶的方向和正东方的夹角；θ₁：下一个地点自行车行驶的方向和正东方的夹角；

φ：前轮和运动方向的偏角；

倾角的计算： ${\mathrm{tg}}^{-1}=\left(\frac{2\×\sin \left({\mathrm{tg}}^{-1}(\mathrm{tg}\left(\mathrm{\φ}\right)\×\frac{l}{L})\right)\×s}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2\×g\×\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\φ}\×\frac{l^2}{L^2}}}\right)$

采用了上述的技术方案之后，本实用新型的用于模拟自行车运动的设备的倾斜机构能够进行前后，左右的倾斜，并能自动采集俯仰和倾斜的角度并反馈给控制装置，以实现对于仿真自行车倾斜状态的实时控制。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.模拟自行车运动的设备的二自由度运动机构，该二自由度运动机构是直接安装在所述模拟自行车运动的设备上，控制所述设备的左右倾斜以及前后俯仰，其特征在于，

所述二自由度运动机构包括左右倾斜装置和前后俯仰装置，

其中左右倾斜装置包括左右倾斜驱动电机、连接至所述左右倾斜驱动电机且用于改变转轴方向的伞齿轮、一用于驱动左右倾斜转轴的蜗轮蜗杆及用于测定转角的角位移传感器；左右倾斜驱动电机输出转矩，通过伞齿轮改变转矩方向，带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，进而带动倾斜转轴进行左右倾斜运动，所述角位移传感器测定转角信号并反馈；

前后俯仰装置包括前后俯仰驱动电机、连接至所述电机的摇臂机构、连接摇臂机构的杠杆装置及用于测定俯仰角度的角位移传感器；所述前后俯仰电机输出转矩带动摇臂旋转，摇臂机构带动杠杆装置，角位移传感器测得转角信号并反馈。

2.如权利要求1所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述左右倾斜装置还包括用于增加转矩的减速机构，与所述左右倾斜驱动电机相连，增加所述电机的输出转矩。

3.如权利要求1所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述前后俯仰装置还包括用于增加转矩的减速机构，与所述前后俯仰驱动电机相连，增加所述电机的输出转矩。

4.如权利要求1所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述左右倾斜装置还包括自锁装置，当电机停止运转时，制动左右倾斜装置。

5.如权利要求1所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述前后俯仰装置还包括自锁装置，当电机停止运转时，制动前后俯仰装置。

6.如权利要求1至5中任一项所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述模拟自行车运动的设备包括安装在一底盘上的车架、车把、座椅、踏脚以及车轮，所述二自由度运动机构安装在所述车架及底盘上并连接至上述的各个组件。

7.如权利要求6所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述左右倾斜装置中，所述左右倾斜驱动电机安装在车架上并绕倾斜电机转轴转动，所述倾斜电机转轴连接到一伞齿轮，所述倾斜驱动电机的外壳上有螺纹，所述螺纹与一蜗秆蜗轮相咬合，所述蜗秆蜗轮连接至所述车架的倾斜转轴，以实现所述模拟自行车运动的设备的左右倾斜，所述倾斜转轴上具有角位移传感器，以产生倾斜角度的反馈信号。

8.如权利要求6所述的二自由度运动机构，其特征在于，所述前后俯仰装置中，所述前后俯仰驱动电机安装在底盘上，所述俯仰摇臂的一端连接于前后俯仰驱动电机而另一端连接于车架上的杠杆装置，所述俯仰摇臂在前后俯仰驱动电机的驱动带动车架上的杠杆装置，以带动车架实现上下俯仰；所述车架的一端固定于所述底盘上并绕一俯仰轴转动，所述俯仰轴上具有角度传感器，以产生俯仰角度的反馈信号。

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