一種模擬地震演示平臺系統及其演示方法
【專利摘要】本發明提出了一種改進的模擬地震的演示平臺系統及其演示方法。該模擬地震演示平臺系統包括用戶操作系統、模擬斷層沙盤、阻尼式能量積蓄和釋放系統、六自由度懸掛系統、模擬地表沙盤；所述用戶操作系統包括兩個操作桿，兩個操作桿中的每個均與所述阻尼式能量積蓄和釋放系統相連接；所述模擬斷層沙盤耦合到所述阻尼式能量積蓄和釋放系統；所述六自由度懸掛系統設置在所述模擬斷層沙盤上；所述六自由度懸掛系統支撐所述模擬地表沙盤。
【專利說明】一種模擬地震演示平臺系統及其演示方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于教學、科普的演示平臺系統，更具體地，涉及一種模擬地震的演示平臺系統及其演示方法。
【背景技術】
[0002]近年來，在我國地震頻發，大部分人對地震的形成、以及地震發生的狀況仍處于未知狀態，從而在心理上對地震感到畏懼，為了向公眾進行地震的科普或實驗教學，當前也存在一些模擬地震的演示系統。
[0003]現有的模擬地震演示系統一般采用液壓或機械式震動平臺方式模擬地震。系統包括電力輸入、液壓或機械臂傳動等結構，通過液壓缸或機械臂支撐平臺進行上下左右運動。然而現有的模擬地震演示系統，大多由機械或液壓傳動系統、多連桿連接支撐系統、電力輸入系統組成。一方面，傳統地震平臺演示系統一般采用氣缸、連桿等硬性連接結構，只能實現多個自由度的約束運動。另一方面，傳統地震平臺采用液壓、電力等動力供給方式，此方式缺陷在于:耗能大，動力釋放緩慢，震動效果不逼真。因此現有的模擬地震演示系統的缺點主要有:體積大，自重高，能耗大、震動平臺震動生硬、自由度低，不符合實際地震時震動情形。
【發明內容】
[0004]本發明正是為了克服上述缺陷，而提出了一種改進的模擬地震演示平臺系統及其演示方法。
[0005]一方面，本發明的實施例提供了一種模擬地震演示平臺系統，包括用戶操作系統、模擬斷層沙盤、阻尼式能量積蓄和釋放系統、六自由度懸掛系統、模擬地表沙盤；所述用戶操作系統包括兩個操作桿，兩個操作桿中的每個均與所述阻尼式能量積蓄和釋放系統相連接；所述模擬斷層沙盤耦合到所述阻尼式能量積蓄和釋放系統；所述六自由度懸掛系統設置在所述模擬斷層沙盤上；所述六自由度懸掛系統支撐所述模擬地表沙盤。
[0006]其中，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統包括用于積蓄外力的阻尼式能量積蓄機構。
[0007]其中，所述六自由度懸掛系統為對稱結構，在所述六自由度懸掛系統的每一側均包括支撐柱、磁體對、支撐彈簧以及滾輪組。
[0008]其中所述支撐柱設置在對應的模擬斷層沙盤上；所述支撐彈簧設置在對應的支撐柱上；所述磁體對中的磁體分別設置在每個支撐柱朝向內部的側面以及模擬地表沙盤的底部凸塊的對應側面，其中每個磁體對的兩個磁體彼此相對；所述滾輪組的一側與相應的支撐彈簧附接，而另一側支撐模擬地表沙盤。
[0009]其中所述六自由度懸掛系統包括兩個支撐柱、兩個磁體對、兩個支撐彈簧以及兩個滾輪組。
[0010]其中，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統為對稱結構，兩側均包括壓縮彈簧、彈簧套桿、阻尼滑塊、壓簧軸承、行程限位板。
[0011]其中，所述彈簧套桿與用戶操作系統的操作桿進行套裝，所述彈簧套桿與操作桿之間放置所述壓縮彈簧，所述彈簧套桿耦合所述阻尼滑塊，所述阻尼滑塊下方靠近所述壓簧軸承的一角為45度倒角，所述壓簧軸承和所述行程限位板固定于展臺底座。
[0012]本發明還提供了一種利用上述模擬地震演示平臺系統的演示方法，所述方法包括以下步驟:推動操作桿；操作桿通過連接阻尼式能量積蓄和釋放系統，使所述操作桿的推動力由阻尼式能量積蓄和釋放系統吸收；當推動力達到阻尼式能量積蓄和釋放系統臨界點時，阻尼滑塊壓下壓簧軸承，快速向前撞上行程限位板，使所述阻尼式能量積蓄和釋放系統釋放，推力被釋放出，從而帶動所述模擬斷層沙盤運動；所述模擬斷層沙盤通過所述六自由度懸掛系統的支撐彈簧、磁體對連接模擬地表沙盤，以帶動所述模擬地表沙盤進行六自由度自王運動。
[0013]其中，在第一步中，由用戶來推動所述操作桿。
[0014]本發明通過上述技術方案，有助于改善操作者對地震的認知和人機互動性，同時還有助于地震研究者對地震的研究。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的構造示意圖；以及
[0016]圖2是本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的六自由度懸掛系統的構造示意圖；
[0017]圖3示出了本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的阻尼式能量積蓄和釋放系統其中一側的構造示意圖；
[0018]圖4示出阻尼式能量積蓄釋放系統效果簡圖。
[0019]如圖所示，為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標注了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發明限定在該特定結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在后附的權利要求的范圍中。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種模擬地震演示平臺系統及其演示方法進行詳細描述。同時在這里做以說明的是，為了使實施例更加詳盡，下面的實施例為最佳、優選實施例，對于一些公知技術本領域技術人員也可采用其他替代方式而進行實施；而且附圖部分僅是為了更具體的描述實施例，而并不旨在對本發明進行具體的限定。同時，需要注意的是附圖僅為示意性的，其具體部件的尺寸不必需按實際比例給出。此外，對于本領域公知的技術，例如簡單的機械連接等，這里將不在贅述。
[0021]圖1示出了本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的構造示意圖。如圖1所示，本發明的模擬地震演示平臺系統主要包括用戶操作系統、模擬斷層沙盤、阻尼式能量積蓄和釋放系統、六自由度懸掛系統、模擬地表沙盤。其中，模擬斷層沙盤與模擬地表沙盤通過六自由度懸掛系統進行聯動，通過操作者對操作桿進行動作、能量輸入，引發模擬斷層沙盤的相對運動，經過阻尼式能量積蓄和釋放系統的作用，使模擬斷層沙盤產生一個突然震動，并通過六自由度懸掛系統傳遞給模擬地表沙盤，使其產生震動，形象模擬地震發生時地表的運動情況。
[0022]用戶操作系統包括操作桿，在本發明的優選實施例中，該操作桿包括兩個，然而本領域技術人員可以理解的是，操作桿的數量不限于此，可以根據需要而設置為任意數量。在本發明的優選實施例中，所述用戶操作系統包括兩個操作桿，兩個操作桿中的每個均與所述阻尼式能量積蓄和釋放系統相連接；所述模擬斷層沙盤耦合到阻尼式能量積蓄和釋放系統。該阻尼式能量積蓄和釋放系統包括阻尼式能量積蓄機構，當積蓄的外力超過阻尼式能量積蓄機構限制值后，阻尼式能量積蓄機構猛然失去作用，積蓄外力猛然釋放，形成巨大的震動效果，從而模擬地震的發生。
[0023]在模擬斷層沙盤上面設置有將在下面詳述的本發明的六自由度懸掛系統。六自由度懸掛系統支撐模擬地表沙盤，如圖所示。為了形象的描述地震發生的情況，還可在模擬地表沙盤上根據工程力學、材料力學等比例地來設置樹木、房屋、建筑等參照物。
[0024]圖2示出了本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的六自由度懸掛系統的構造示意圖。如圖所述，該六自由度懸掛系統為對稱結構，在每一側均包括支撐柱、磁體對、支撐彈簧以及滾輪組，其中支撐柱設置在對應的模擬斷層沙盤上，支撐彈簧設置在對應的支撐柱上；磁體對中的每個磁體分別設置在每個支撐柱朝向內部的側面(即朝向六自由度懸掛系統內部的一側)以及模擬地表沙盤底部凸塊的對應側面，其中每個磁體對的兩個磁體彼此相對；滾輪組的一側與每個支撐彈簧附接，另一側支撐模擬地表沙盤。該六自由度懸掛系統由于采用彈簧懸掛與磁懸浮技術相結合的懸掛方式，實現六自由度自主運動，并且具有水平方向運動行程大，上下震動幅度小的特性，符合地震時，上下震動幅度小，水平方向運動劇烈的特點。
[0025]圖3示出了本發明實施例的模擬地震演示平臺系統的阻尼式能量積蓄和釋放系統的構造示意圖。如圖所示，該阻尼式能量積蓄和釋放系統為對稱結構，兩側均包括壓縮彈簧、彈簧套桿、阻尼滑塊、壓簧軸承、行程限位板、展臺底座等，其中彈簧套桿與用戶操作系統的操作桿進行套裝，二者之間放置壓縮彈簧，彈簧套桿耦合阻尼滑塊，阻尼滑塊下方靠近壓簧軸承的一角為45度倒角，壓簧軸承和行程限位板固定于展臺底座。在這里，本發明雖然描述了一個具體的阻尼式能量積蓄和釋放系統，然而并發明并非限于此，機械領域的技術人員也可以構思其它方式的阻尼式能量積蓄和釋放系統。
[0026]該系統通過操作者推桿，壓縮彈簧并推進阻尼滑塊運動，阻尼滑塊下方靠近壓簧軸承的一角憑借其45度倒角壓下壓簧軸承，從而積蓄推力，當達到臨界值時，造成操作者推力的突然釋放，同時行程限位板控制阻尼滑塊位置，操作者松手后，壓簧軸承將阻尼滑塊彈回原位，操作桿也恢復到初始位置，同時通過連接桿連接到阻尼式能量積蓄和釋放系統的模擬斷層沙盤接收到能量的釋放。該系統將操作者給予的持續的外力轉化為能量的積蓄和突然釋放，形象模擬了地震發生時的能量積蓄和釋放過程。
[0027]接下來，將詳細描述該模擬地震演示平臺系統的演示方法。
[0028]首先，操作者可分別站立在模擬地震演示平臺系統兩側，推動操作桿；
[0029]接著，操作桿通過連接阻尼式能量積蓄和釋放系統，使所述操作桿的推動力由阻尼式能量積蓄和釋放系統吸收；
[0030]隨后，當操作者的推動力達到阻尼式能量積蓄和釋放系統臨界點時，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統釋放，推力被釋放出，從而帶動所述模擬斷層沙盤運動；
[0031]之后，模擬斷層沙盤通過六自由度懸掛系統的彈簧、磁體懸掛機構連接模擬地表沙盤，帶動模擬地表沙盤進行上下左右前后六自由度自主運動，從而形象模擬地震發生時，地表的運動情況；操作者可觀看到模擬地表沙盤上樹木、房屋、建筑等參照物在模擬地震中的運動狀況。
[0032]本發明的模擬地震演示平臺系統一方面通過使用戶通過操作，親自觀察地震成因、發生過程、傳播規律等知識，相比于傳統科普教育方式的圖文、動畫等抽象的演示方式，本發明更有助于改善操作者對地震的認知和人機互動性，同時還有助于地震研究者對地震的研究。
[0033]本發明另一方面通過采用六自由度懸掛系統，實現了六自由度自主運動，每個自由度的運動行程完全取決于模擬地表沙盤受動力大小情況而定。可以真實模擬地震波傳播特性，即:縱波傳遞速度快，先到達地面，橫波傳播速度慢，后到達地面，橫波造成地面水平方向大幅運動，產生巨大危害。
[0034]此外，本發明的模擬地震演示平臺系統由于采用阻尼式能量釋放系統，通過吸收操作者通過操作桿所施加的作用力，積蓄能量，當到達阻尼系統釋放臨界值后，突然釋放，帶動模擬斷層沙盤劇烈震動，再通過磁性懸掛系統傳遞到模擬地表沙盤，從而產生了更加形象逼真的地震效果，也能夠給用戶帶來更加震撼的視覺效果。
[0035]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種模擬地震的演示平臺系統，包括用戶操作系統、模擬斷層沙盤、阻尼式能量積蓄和釋放系統、六自由度懸掛系統、模擬地表沙盤；其特征在于: 所述用戶操作系統包括兩個操作桿，兩個操作桿中的每個均與所述阻尼式能量積蓄和釋放系統相連接； 所述模擬斷層沙盤耦合到所述阻尼式能量積蓄和釋放系統； 所述六自由度懸掛系統設置在所述模擬斷層沙盤上； 所述六自由度懸掛系統支撐所述模擬地表沙盤。
2.根據權利要求1所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統包括用于積蓄外力的阻尼式能量積蓄機構。
3.根據權利要求1所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于，所述六自由度懸掛系統為對稱結構，在所述六自由度懸掛系統的每一側均包括支撐柱、磁體對、支撐彈簧以及滾輪組。
4.根據權利要求3所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于， 所述支撐柱設置在對應的模擬斷層沙盤上； 所述支撐彈簧設置在對應的支撐柱上； 所述磁體對中的磁體分別設置在每個支撐柱朝向內部的側面以及所述模擬地表沙盤的底部凸塊的對應側面，其中每個磁體對的兩個磁體彼此相對； 所述滾輪組的一側與相應的支撐彈簧附接，而另一側支撐模擬地表沙盤。
5.根據權利要求1或2所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于，所述六自由度懸掛系統包括兩個支撐柱、兩個磁體對、兩個支撐彈簧以及兩個滾輪組。
6.根據權利要求1所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統為對稱結構，兩側均包括壓縮彈簧、彈簧套桿、阻尼滑塊、壓簧軸承、行程限位板。
7.根據權利要求6所述的模擬地震演示平臺系統，其特征在于，所述彈簧套桿與用戶操作系統的操作桿進行套裝，所述彈簧套桿與操作桿之間放置所述壓縮彈簧，所述彈簧套桿耦合所述阻尼滑塊，所述阻尼滑塊下方靠近所述壓簧軸承的一角為45度倒角，所述壓簧軸承和所述行程限位板固定于展臺底座。
8.一種利用權利要求1-7中的任一項所述的模擬地震演示平臺系統的演示方法，所述方法包括以下步驟: 推動操作桿； 操作桿通過連接阻尼式能量積蓄和釋放系統，使所述操作桿的推動力由阻尼式能量積蓄和釋放系統吸收； 當推動力達到阻尼式能量積蓄和釋放系統臨界點時，所述阻尼式能量積蓄和釋放系統釋放，推力被釋放出，從而帶動所述模擬斷層沙盤運動； 所述模擬斷層沙盤通過所述六自由度懸掛系統的支撐彈簧、磁體對連接模擬地表沙盤，以帶動所述模擬地表沙盤進行六自由度自主運動。
9.根據權利要求8所述的演示方法，其特征在于，在第一步中，由用戶來推動所述操作桿。
【文檔編號】G09B23/40GK104252809SQ201410478894
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】付叢茂 申請人:中國科學技術館