JP5477737B2 - 自由運動シミュレータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パラレルメカニズムを用いたモーション機構を有するシミュレータ装置に関するものである。

従来から知られているパラレルメカニズム（並列機構）による自由運動駆動機構はコンパクトな構造、位置・姿勢の誤差が小さい、剛性が高い等の特徴から航空機用や自動車用のシミュレータに応用されている。特に航空業界ではパイロットの養成が急務になっており、フライトシミュレータを使った飛行訓練は、航空法により飛行時間に充当することが可能となることから、天候が安定しない地域での飛行訓練に適している。中でも飛行中の動きを再現するモーションベースにはパラレルメカニズムが多く用いられている。

パラレルメカニズを用いた例としては、特許文献１では外科手術支援を目的とし、手術する部位に応じて要求される動作領域に変更可能とするパラレルメカニズムによる多自由度駆動機構が知られている。

一方、航空機用としては、非特許文献１のように、コクピットやキャビン等に用いられるパラレルメカニズムの代表的な形態であるスチュワートプラットフォーム（Ｓｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）タイプの６軸モーションベースが提供されている。この場合、最大の傾斜は３０度となっている。

特開２００１−２５４７９８号公報

Ｍｏｏｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ、製品紹介サイト、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｏｇ．ｃｏｍ／ｍｅｄｉａ／１／ｆｃｓ−ＭｏｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓＢｒｏｃｈｕｒｅ．ｐｄｆ

しかしながら、航空機用シミュレータの中で、小形機用フライトシミュレータは大形機用に比べて大きな角度を必要とする。また角度を大きく取れるモーションベースは危険度の高いシーンの再現ができるなどメリットが大きい。特許文献１では限定された動作領域に変更可能であるが、動作領域を広範囲に適用可能とすると大きな機構が必要になるとしている。また、非特許文献１ではコクピットやキャビンに用いられた場合の最大傾斜角は３０度であり、小型機の極限的動作、特に失速、きりもみ等の状態の再現では傾斜角は３０度以上を必要とされ、角度が不足している。また、動作範囲が狭いことが短所である。

以上のことから、本発明の課題は、小型、低価格で動作範囲が広く、角度を大きく取れるモーションベースからなる小形機用フライトシミュレータを提供することにあり、従来のスチュワートプラットフォームタイプのパラレルメカニズムとは異なる新規パラレルメカニズムを用いたシミュレーション装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の自由運動シミュレータ装置は、第１には、平面上に配置し、一端を同一軸上に配置した複数のアクチュエータと、脚部を介して支えられたモーションプレートとを有し、アクチュエータの駆動によりモーションプレートの位置及び角度が制御可能としたことを特徴とするものである。

また、上記自由運動シミュレータ装置において、アクチュエータは平面上に、一端を同一軸に固定した、直線駆動アクチュエータを用い、該アクチュエータの他端に直角方向に駆動可能とする駆動装置を設け、円周方向移動と同時に軸方向移動を可能とする３組のアクチュエータで構成されると共に、モーションプレートは、その下部に、円周上の対向位置に１２０度間隔で３組の受け部を配置し、平面上に設置したアクチュエータと、モーションプレートの受け部とを、それぞれ対応するように、上部に回転軸受構造、下部に球面軸受構造を有する３組の脚部で連結したことを特徴とする。これによって、自由運動シミュレータ装置とすることにより、小型で、大きな角度、高速性、高い加速性を実現する。

第２には、モーションプレート側面を下方に４５度傾斜させた構造とし、該側面に回転軸受構造を設けたことを特徴とする。これにより、モーションプレート下部に回転軸受け部が設置された場合に比べ、軸受け部に脚部があたり可動角度が制限されることを防ぎ、可動角度をより大きく取れる構造としている。

第３には、アクチュエータの他端に設けられた直角方向に駆動可能とする駆動装置が、円周方向移動を可能とするガイド溝を有するガイド部材に設置され、前記３組のアクチュエータが該ガイド溝に沿って、円周方向移動と同時に軸方向移動を可能とするように構成されてなることを特徴とする。これにより、アクチュエータの両端が保持され、シミュレータの剛性を高めている。

第４には、アクチュエータの駆動装置において、直線駆動装置に直線リニアモータを設け、円周方向駆動装置に回転リニアモータを設けたことを特徴とする。機械式のアクチュエータに比べ、リニアモータによる電気式のアクチュエータは制御性と動作性が大幅に向上する。

第５には、モーションプレート上部に、アクチュエータの駆動により運動する脚とは独立して動く、回転型アクチュエータと、回転型モーションプレートからなる回転運動機構を配置したことを特徴とする。これによって、自由運動シミュレータ装置とすることにより、広範囲の角度を容易に、かつスムーズに変更することができ、極限状態の再現を可能とする。

本発明のシミュレータ装置は従来のパラレルメカニズムの特徴である多自由度の位置決めをコンパクトな構造で実現可能としている。位置や姿勢、角度の誤差が小さい、剛性が高い、高速駆動が可能等の特徴を有するだけでなく、従来問題であった機構全体の大きさに比べ動作範囲が広く取れない点を、本発明の新規パラレルメカニズムにより、広範囲、高角度の変更を可能とした。特に従来の航空機用のシミュレータ運動では実現できない失速、きりもみなどの極限状態の模擬飛行を安全で低価格に再現することができる。

本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムを示す平面概要図で、第１の実施の形態を示す。 本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムの概要を示す斜視図である。 （ａ）モーションプレート側面を下方に４５度傾斜させ、該側面に回転軸受を設けた軸受け構造を示す斜視図である。（ｂ）モーションプレート下方から該軸受け構造を示す斜視図である。 実施例でのモーションプレートの傾き角度φの部位を示す。 実施例でのモーションプレートのＸＹ平面でのＸ軸がなす角度ψの部位を示す。 第１の実施の形態の計測結果を示す。 ３組のアクチュエータが円周方向移動を可能とするガイド溝を有するガイド部材が設置された構成を示す斜視図である。 アクチュエータの直線駆動装置に直線リニアモータを設け、円周方向駆動装置に回転リニアモータを設けた自由運動シミュレータ装置の斜視図を示す。 回転運動機構を配置した本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムの第２の実施の形態を示す。 第２の実施の形態の計測結果を示す。

以下に本発明の好ましい実施の形態について説明する。もちろん、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムを示す平面概要図である。図２は、本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムの概要を示す斜視図である。図３はモーションプレート側面を下方に４５度傾斜させ、該側面に回転軸受を設けた軸受け構造を示している。たとえば、この図１、図２に例示したように、本発明の自由運動シミュレータ装置は、モーションプレート１とアクチュエータ２（２Ａ；２Ｂ；２Ｃ）が脚部３（３Ａ；３Ｂ；３Ｃ）によって連結されたのもとすることができる。この例では、平面上に配置し、一端を同一軸上に配置した複数のアクチュエータ２と、脚部を介して支えられたモーションプレート１とを有し、アクチュエータの駆動によりモーションプレートの位置及び角度が制御可能とされており、アクチュエータ２としては、平面上に、一端を同一回転軸６に固定した、直線駆動アクチュエータを３組（２Ａ；２Ｂ；２Ｃ）配置され、該アクチュエータ２の他端に直角方向に駆動する駆動装置７（７Ａ；７Ｂ；７Ｃ）と、その各々に三つの脚部３（３Ａ；３Ｂ；３Ｃ）が対応して連結された構成を有している。そして、モーションプレート１と脚部３との上部連結部は下方に４５度傾斜させたモーションプレート１側面に設置した回転軸受構造４（４Ａ；４Ｂ；４Ｃ）をもって構成し、回動自在に軸支された脚部３が非軸支部側において上下の一定方向の回転動のみ可能とされ、モーションプレート１の横方向のブレを防いている。また、アクチュエータ２と脚部３との下部連結部は球面軸受構造５（５Ａ；５Ｂ：５Ｃ）をもって構成し、脚部３が自由運動可能とされている。

また、この例では、モーションプレート１は、正三角形の形状を有し、脚部３を回転軸受構造４を下方４５度の傾斜を有する三つの側面にそれぞれ連結している。本発明では、正三角形の形状を有するモーションプレート１を用いたが、円形、矩形など特に限定されない。

なお、図４は、本実施例でのモーションプレート１の傾き角度φ（θ）を示す。図５は、本実施例でのモーションプレート１のＸＹ平面でのＸ軸がなす角度ψを示す。

三つのアクチュエータ２については、一端を同一軸に固定し、他端に直角方向に駆動可能とする駆動装置を設け、それぞれ円周方向移動と同時に軸方向移動を任意に移動可能としている。

以上のようなアクチュエータ２に対しては、本発明では、たとえば、その運動を電動機構として制御可能とする。

また、モーションプレート１については、その上の人を支えるための形状や構造は、シミュレータとしての用途、目的に応じて適宜に意匠されてよい。アクチュエータ２や脚部３の意匠についても同様である。

ここで、たとえば実例として、図１から図５での３本の脚部３の長さ２５０ｍｍとし、アクチュエータ２には３本ともストローク１５０ｍｍの直線運動電動アクチュエータ２を使用し、配置はアクチュエータの位置が回転軸６を中心とした半径１８０ｍｍの円周上の任意の位置に配置した。１辺が１２１ｍｍの正三角形で側面が下側に４５度の角度をなしているモーションプレートの３辺の側面中央に受け部４を配置した。まず、モーションプレート１の傾斜角度φについて動作範囲限界を計測した。計測は傾きの方角ψを３０度ごとのピッチで行なった。またモーションプレート１を水平（φ＝０）を保った状態でのＺ軸の値（上下移動量）について最大と最小を計測した。

図６に計測結果を示す。傾き角度φは最大９０度まで傾いた。

全ての計測においてφは３０度以上であった。これは最大の傾斜が２３から３９度である従来のスチュワートプラットフォームタイプの製品を上回る。

以上の例は、アクチュエータと脚部は各々３組の場合を示している。この３組は、モーションプレート１の運動自由度を６自由度とするものである。これは好適なものと言える。

また、モーションプレート１の傾き角度φについては、主として、回転軸を中心としたアクチュエータの駆動（Ｒ）と脚部長さ（Ｗ）の比によって決めることができる。

Ｒ／Ｗを小さくすると角度φを大きくすることができる。
以上の実施の形態のバリエーションとして、たとえば図７および図８に例示する実施の形態も考慮することができる。
図７の形態では、３組のアクチュエータ２が円周方向へ移動可能とするガイド溝を有するガイド部材８が配置されている。
また、図８の形態では、アクチュエータ２の直線駆動装置に直線リニアモータ９（９Ａ；９Ｂ；９Ｃ）を設け、円周方向駆動装置に回転リニアモータ１０（１０Ａ；１０Ｂ；１０Ｃ）を設けている。
たとえばこのような形態としても、本発明を構成することができる。
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の自由運動シミュレータ装置のパラメカニズムの実施例の別の形態を示している。モーションプレート１上に、アクチュエータ２の駆動により運動する脚とは独立して、モーションプレート１のＸＹ平面内を回転運動する回転型アクチュエータ１１による、もう１つの回転型モーションプレート１２を配置している。

このような回転型の場合には、シミュレータ装置としてモーションプレート上の人が回転していることを意識しない（気がつかない）ようにする。このため、回転速度については、できるだけ回転加速度の小さい、一定速度で動かすことが望ましい。

回転型での回転角度については、たとえば、±６０度以上回転できるようにすることが考慮される。傾き角度φが最大値をとる値（９０度、２１０度、３３０度）に最短で行きつくような角度まで回転させてやればよいことになる。計測箇所を回転運動機構上とし第１の実施の形態と同一の計測条件で、回転運動機構の傾斜角度φについて動作範囲限界を計測した。

図１０に計測結果を示す。傾き角度φは傾きの方角ψのすべての角度について最大９０度まで傾いた。

全ての計測においてφは最大９０度となり、従来のスチュワートプラットフォームタイ
プの製品よりかなりの傾き角度をとることができ、特に小形航空機用シミュレータに適していることが分かる。

本発明によるシミュレーション装置は小型、軽量で、かつ動作範囲が広く、高速駆動も可能等の特徴を有するため、航空機や自動車のシミュレータ用途に限らず、歩行ロボット、工作機械、アミューズメント機器、医療用支援、リハビリ用のロボットハンド等に応用可能である。

１ モーションプレート
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ アクチュエータ
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 脚部
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 回転軸受構造
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 球面軸受構造
６ アクチュエータ回転軸
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 駆動装置
８ ガイド部材
９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ 直線リニアモータ
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 回転リニアモータ
１１ 回転型アクチュエータ
１２ 回転型モーションプレート

Claims (5)

1. 平面上に配置し、一端を同一軸上に配置した複数のアクチュエータと、脚部を介して支えられたモーションプレートとを有し、アクチュエータの駆動によりモーションプレートの位置及び角度が制御可能とされており、
   アクチュエータは一端を中心に円周方向、及び、軸方向を任意に移動可能とされ、モーションプレートはアクチュエータに対し脚部により連結されている自由運動シミュレータ装置であって、
   該アクチュエータは平面上に、一端を同一軸に固定した、直線駆動アクチュエータを用い、その他端に直角方向に駆動可能とする駆動装置を設け、円周方向移動と同時に軸方向移動を可能とする３組のアクチュエータで構成されると共に、モーションプレートは、その下部に、円周上の対向位置に１２０度間隔で３組の受け部を配置し、平面上に設置したアクチュエータと、モーションプレートの受け部とを、それぞれ対応するように、上部に回転軸受構造、下部に球面軸受構造を有する３組の脚部で連結したことを特徴とする自由運動シミュレータ装置。
2. 前記モーションプレートは、側面を下方に４５度傾斜させた構造からなり、該側面に回転軸受構造を設けたことを特徴とする請求項１に記載の自由運動シミュレータ装置。
3. 前記アクチュエータの他端に設けられた直角方向に駆動可能とする駆動装置が、円周方向移動を可能とするガイド溝を有するガイド部材に設置され、前記３組のアクチュエータが該ガイド溝に沿って、円周方向移動と同時に軸方向移動を可能とするように構成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の自由運動シミュレータ装置。
4. 前記アクチュエータの駆動装置において、直線駆動装置に直線リニアモータを設け、円周方向駆動装置に回転リニアモータを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の自由運動シミュレータ装置。
5. モーションプレート上部に、アクチュエータの駆動により運動する脚とは独立して動く、回転型アクチュエータと、回転型モーションプレートからなる回転運動機構を配置したことを特徴とする請求項１に記載の自由運動シミュレータ装置。