JP2004024299A

JP2004024299A - モーションベース

Info

Publication number: JP2004024299A
Application number: JP2002181164A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanabe; 田邊　博史; Shiyoukan Tokunaga; 徳永　昌漢; Yasutada Tanabe; 田辺　安忠
Original assignee: Kawada Industries Inc
Current assignee: Kawada Industries Inc
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: JP3795838B2

Abstract

【課題】最大揺動角度が比較的大きい場合でもアクチュエータの出力を低く済ませ得るようにすることにある。
【解決手段】人が乗る座席２を揺動させるモーションベースにおいて、設置ベース１と、座席２の搭載用の可動ベース３と、設置ベース１に設けられて可動ベース３を、人が乗った状態での座席２と可動ベース３との組立体の重心位置Ｇの下方を通る互いに直行する二本の揺動軸線Ａ１，Ａ２周りに揺動可能に支持する支持部材４と、可動ベース３を設置ベース１に対し上記揺動軸線Ａ１，Ａ２周りに揺動させる電動式アクチュエータ６，７と、可動ベース３と設置ベース１との間に介挿されて、上記揺動軸線Ａ１，Ａ２周りの可動ベース３の揺動に応じて増大するモーメントに対抗する引張りコイルスプリング１０〜１７と、を具えることを特徴とするものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、いわゆる体感ゲーム機等の娯楽機器や、バーチャルリアリティ分野等で利用されるシミュレータ機器その他に用いられる、人が座る椅子や、人が搭乗する模擬車両、模擬船舶、模擬航空機、模擬宇宙船等の乗り物その他の、人が乗る物を対象物として、その対象物を揺動させるモーションベースに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来のモーションベースとしては、例えば、そのモーションベースの左右方向へ延在するピッチ軸線周りの揺動であるピッチ軸運動と、そのモーションベースの前後方向へ延在するロール軸線周りの揺動であるロール軸運動と、そのモーションベースの上下方向へ延在するヨー軸線周りの揺動であるヨー軸運動と、これもそのモーションベースの上下方向へ延在する上下動軸線に沿う上下運動との四自由度を持つものが知られており、従来のモーションベースでは一般に、これら四自由度を、積上げ方式すなわち、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸および上下運動の四つの可動軸の各々の運動をもたらすアクチュエータを順次直列に結合した構造によって実現している。
【０００３】
しかしながら、かかる積上げ方式のモーションベースでは、対象物を直接駆動するアクチュエータ以外のアクチュエータは、対象物に加えてそれを直接駆動するアクチュエータ等の他のアクチュエータも運動させる必要があって、駆動対象の慣性力が大きくなるため、俊敏な応答性が望めないという問題があり、このことは、対象物から最も離れたアクチュエータでは他の三つのアクチュエータも運動させる必要を生じさせることから特に重大であった。しかも各アクチュエータを作動させるための配管や配線が錯綜した状態となるため、装置全体が複雑化するとともに、対象物に対する人の乗降スペースの確保が困難になるという問題もあった。
【０００４】
また、サーボモータでボールネジ軸を回転させて、そのボールネジ軸に螺合されたボールナットをそのボールネジ軸の軸線方向に進退移動させる一軸アクチュエータからなる電動式直線移動機構を六台具え、それぞれ二台ずつＶ字状に配して、対象物において互いに等距離ずつ離間した三点を支持し、それらの電動式直線移動機構を協調作動させることにより対象物に六自由度の運動を与えるモーションベースも実用化されている。
【０００５】
しかしながら、かかる並列方式のモーションベースでは、各電動式直線移動機構が対象物を直接駆動するので慣性力が小さいことから俊敏な応答性は得られるものの、対象物の可動軸の方向と電動式直線移動機構の伸縮作動方向とが一致しておらず、リンクを介して方向転換されているわけでもないので、対象物の位置や運動の制御のために高度な座標変換処理を行わねばならず、複雑な制御装置を必要とするという問題があった。またこのモーションベースでは、使用するアクチュエータの数が多いことから、機構部が大型化かつ複雑化することでコストが嵩み、消費電力も多くなってしまう等の問題があった。
【０００６】
一方、これらの問題点を考慮して対象物の動きを、ピッチ軸運動（前後揺動）とロール軸運動（左右揺動）との連動によるものに限定した二軸モーションベースも知られている。このモーションベースは主に、対象物を一人もしくは二人程度の少人数の人間が乗るものとして、装置全体を小型の座席程度に纏めた簡易体感装置に利用されており、先に述べた六自由度のモーションベースと比較すると自由度は少ないが、対象物を一体的に支持する可動ベースの中央部を、設置ベースに立設した支柱の先端部のジョイントで前後左右揺動自在に支持し、その支柱と並べて可動ベースと設置ベースとの間に介挿した二台の電動式アクチュエータで可動ベースをピッチ軸線およびロール軸線周りに揺動させるものであるため、人が乗った状態での対象物と可動ベースとの組立体の重量のほとんどを支柱で支持するので、二台の電動式アクチュエータの各々の推力が従来の六自由度のモーションベースで使用されているアクチュエータの推力より小さくて済み、振動等の速い動きの表現も可能となっている。
【０００７】
しかしながら、かかる直交二軸モーションベースでは、ジョイントが対象物の下方に位置していることから、ピッチ軸線とロール軸線との二本の揺動軸線が人が乗った状態での対象物と可動ベースとの組立体の重心位置の下方を通るため、人が乗った状態での対象物を搭載した可動ベースが揺動すると、水平からの揺動角度が大きくなる程、上記組立体の重心位置が揺動軸線から水平方向に離れて、人が乗った状態でのその組立体の重さによるモーメントが増大し、その増大したモーメントが電動式アクチュエータに負荷として加わるので、最大揺動角度を大きくするほど、電動式アクチュエータに高い出力が求められ、消費電力も大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決したモーションベースを提供することを目的とするものであり、この発明のモーションベースは、人が乗る物を対象物として、その対象物を揺動させるモーションベースにおいて、設置ベースと、前記対象物の搭載用の可動ベースと、前記設置ベースに設けられて前記可動ベースを、人が乗った状態での前記対象物と前記可動ベースとの組立体の重心位置の下方を通る一本または互いに直行する少なくとも二本の揺動軸線周りに揺動可能に支持する支持部材と、前記可動ベースを前記設置ベースに対し前記揺動軸線周りに揺動させるアクチュエータと、前記可動ベースと前記設置ベースとの間に介挿されて、前記揺動軸線周りの前記可動ベースの揺動に応じて増大するモーメントに対抗する弾性部材と、を具えることを特徴とするものである。
【０００９】
かかるモーションベースにあっては、設置ベースに設けられた支持部材が、対象物を搭載した可動ベースを、人が乗った状態でのその対象物と可動ベースとの組立体の重心位置の下方を通る一本または互いに直行する少なくとも二本の揺動軸線周りに揺動可能に支持し、アクチュエータが、可動ベースを設置ベースに対しその揺動軸線周りに揺動させ、そして可動ベースと設置ベースとの間に介挿された弾性部材が、上記揺動軸線周りの可動ベースの揺動に応じて増大するモーメントに対抗する。
【００１０】
従って、この発明のモーションベースによれば、可動ベースと設置ベースとの間に介挿された弾性部材が、上記揺動軸線周りの可動ベースの揺動に応じて増大するモーメントに対抗するので、アクチュエータは実質的に、人が乗った状態での対象物と可動ベースとの組立体をその慣性力に対抗して駆動すれば足り、それゆえ、最大揺動角度が比較的大きい場合でもアクチュエータの出力を低く済ませることができる。
【００１１】
なお、この発明のモーションベースにおいては、前記アクチュエータは、前記可動ベースと前記設置ベースとに結合され、前記可動ベースへの結合部と前記設置ベースへの結合部との間の距離を伸縮させることで前記可動ベースを揺動させるものであっても良く、このようにすれば、可動ベースへの結合部と揺動軸線との間の距離を可動ベースの駆動のためのモーメントの腕として利用できるので、アクチュエータの出力をより低く済ませることができる。
【００１２】
そして上記の場合に、この発明のモーションベースにおいては、前記アクチュエータは、ボールネジ軸とそこに螺合するボールナットとをサーボモータで相対回動させ、その相対回動により前記ボールナットを前記ボールネジ軸に対し相対的に直線移動させて前記結合部間の距離を伸縮させる電動式直線移動機構であっても良く、また前記アクチュエータは、シリンダ本体に収納されたピストンをそのシリンダ本体に対し相対的に直線移動させて前記結合部間の距離を伸縮させる流体圧シリンダであっても良い。
【００１３】
さらに、この発明のモーションベースにおいては、前記弾性部材は、前記可動ベースと前記設置ベースとに両端部をそれぞれ結合された引張りあるいは圧縮スプリングであっても良く、このようにすれば、安価な構成で、揺動軸線周りの可動ベースの揺動で増大するモーメントに容易に対抗することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明のモーションベースの一実施例を可動ベースが水平な状態で示す斜視図、図２（ａ），（ｂ）は、その実施例のモーションベースを可動ベースが水平な状態で示す平面図および正面図、図３（ａ），（ｂ）は、その実施例のモーションベースを可動ベースが水平な状態で示す左側面図および右側面図である。この実施例のモーションベースは、ここでは床面上に設置固定される板状の設置ベース１と、人が乗る物である対象物としての座席２の搭載用の枠状の可動ベース３とを具え、その可動ベース３は足乗せ台を有しており、その可動ベース３上には座席２が搭載されて固定されている（図では座席２に人の代わりにダミー人形Ｄを座らせている）。
【００１５】
この実施例のモーションベースはまた、上記設置ベース１の中央部に立設された支持部材としての支柱４を具え、この支柱４はユニバーサルジョイント５を介して、上記可動ベース３を、人が乗った状態での上記座席２と可動ベース３との組立体の重心位置Ｇの下方を通る二本の、互いに直行する揺動軸線Ａ１，Ａ２周りに揺動可能に支持する。ここで、揺動軸線Ａ１はピッチ軸線として座席２に対し左右方向に延在し、また揺動軸線Ａ２はロール軸線として座席２に対し前後方向にしている。
【００１６】
さらにこの実施例のモーションベースは、上記可動ベース３を上記設置ベース１に対し上記二本の揺動軸線Ａ１，Ａ２周りにそれぞれ揺動させる二台の電動式アクチュエータ６，７を具え、これらの電動式アクチュエータ６，７は各々、作動ロッド８の先端部を可動ベース３に揺動可能に結合されるとともに、本体９を設置ベース１に揺動可能に結合され、本体９に対し作動ロッド８を進退移動させて可動ベース３への結合部と設置ベース１への結合部との間の距離を伸縮させることで可動ベース３を揺動させるものであり、互いに同一の構成を有している。すなわちこれら電動式アクチュエータ６，７は各々、本体９内のボールネジ軸をサーボモータで回動させ、その回動で、ボールネジ軸に螺合されるとともに作動ロッド８に固定されたボールナットをボールネジ軸に対し直線移動させて、本体９に対し作動ロッド８を進退移動させる、電動式直線移動機構からなる。
【００１７】
さらにこの実施例のモーションベースは、上記可動ベース３と上記設置ベース１との間に介挿されて、上記二本の揺動軸線Ａ１，Ａ２周りの可動ベース３の揺動に応じて増大するモーメントに対抗する、弾性部材としての八本の引張りコイルスプリング１０〜１７を具え、これら八本の引張りコイルスプリング１０〜１７は、二本ずつ組にされて、ユニバーサルジョイント５の前後および左右すなわち各揺動軸線の両側に配置され、支柱４から互いに等距離の位置にて、上下端部を可動ベース３と設置ベース１とにそれぞれ掛止されて、互いに等しい大きさの予備荷重（プリロード）を与えられている。
【００１８】
図４は、この実施例のモーションベースを可動ベース３が揺動軸線Ａ１（ピッチ軸線）周りに後傾した状態で示す斜視図、また図５（ａ），（ｂ）は、その図４に示す状態のこの実施例のモーションベースを示す左側面図および正面図、そして図６は、この実施例のモーションベースを可動ベース３が揺動軸線Ａ２（ロール軸線）周りに右傾（座席２の向きを基準として）した状態で示す斜視図、また図７（ａ），（ｂ）は、その図６に示す状態のこの実施例のモーションベースを示す左側面図および正面図である。
【００１９】
これら図４〜図７に例示するように、この実施例のモーションベースにあっては、設置ベース１に設けられた支柱４が、座席２を搭載する可動ベース３を、人が乗った状態でのその座席２と可動ベース３との組立体の重心位置Ｇの下方を通る、互いに直行する二本の揺動軸線Ａ１，Ａ２周りに揺動可能に支持し、二台の電動式アクチュエータ６，７が、可動ベース３を設置ベース１に対しそれらの揺動軸線Ａ１，Ａ２周りに揺動させて、座席２を搭載する可動ベース３を前後傾および右左傾させ、そして可動ベース３と設置ベース１との間に介挿された引張りコイルスプリング１０〜１７が、上記揺動軸線Ａ１，Ａ２周りの可動ベース３の揺動に応じて増大するモーメントに、以下のようにして対抗する。
【００２０】
図８（ａ），（ｂ）は、上記実施例のモーションベースの作動原理を揺動軸線Ａ１周りの可動ベース３の揺動で代表させて示す、可動ベース３が水平な場合および後傾した場合の略線図であり、図８（ａ）に示すように、ここでは仮に揺動軸線Ａ１と人が乗った状態での座席２と可動ベース３との組立体の重心位置Ｇとの間の距離をＬｇ、揺動軸線Ａ１とスプリング１０〜１３の各々との間の、揺動軸線Ａ１と直行する方向の距離をＬｓ、人が乗った状態での座席２と可動ベース３との組立体の荷重をＭｇ（Ｍは質量、ｇは重力加速度）、二本の後側スプリング１０，１１と二本の前側スプリング１２，１３とのバネ定数をそれぞれｋとすると、図８（ｂ）に示すように、可動ベース３ひいては、重心位置Ｇと揺動軸線Ａ１とを通る直線が例えばθ度だけ後傾揺動した場合、二本の後側スプリング１０，１１の縮み量Δｘおよび二本の前側スプリング１２，１３の伸び量Δｘは共にΔｘ≒Ｌｓ・ｓｉｎθとなり、四本のスプリング１０〜１３による復元モーメントＭｒは、Ｍｒ＝２ｋ・Δｘ・Ｌｓ≒２ｋ・Ｌｓ^２　・ｓｉｎθとなる。
【００２１】
一方、上記のように可動ベース３ひいては、重心位置Ｇと揺動軸線Ａ１とを通る直線が例えばθ度だけ後傾揺動した場合、上記荷重Ｍｇが可動ベース３を後傾揺動させる揺動モーメントＭｓは、Ｍｓ＝Ｍｇ・Ｌｇ・ｓｉｎθとなり、この実施例では、上記復元モーメントＭｒでこの揺動モーメントＭｓを相殺して可動ベース３のバランスをとるので、Ｍｒ＝Ｍｓ、すなわち２ｋ・Ｌｓ^２　・ｓｉｎθ＝Ｍｇ・Ｌｇ・ｓｉｎθとする。この式を整理すると、ｋ＝Ｍｇ・Ｌｇ／２Ｌｓ^２となるように、荷重Ｍｇと距離Ｌｇ，Ｌｓとに応じてバネ定数ｋの大きさを設定すれば良いことが判る。可動ベース３が前傾揺動および左右傾揺動する場合も上記と同様である。なお、厳密には、前後揺動の際の左右のそれぞれの組の二本のスプリング相互および、左右揺動の際の前後のそれぞれの組の二本のスプリング相互でも、上記の如き伸び縮みが生じて上記スプリングと同様に機能する。
【００２２】
従ってこの実施例のモーションベースによれば、可動ベース３と設置ベース１との間に介挿された弾性部材としての引張りコイルスプリング１０〜１７が、上記揺動軸線Ａ１，Ａ２周りの可動ベース３の揺動に応じて増大する、荷重Ｍｇによるモーメントに対抗するので、電動式アクチュエータ６，７は実質的に、人が乗った状態での座席２と可動ベース３との組立体をその慣性力に対抗して駆動すれば足り、それゆえ、最大揺動角度が比較的大きい場合でも電動式アクチュエータ６，７の出力を低く済ませることができる。
【００２３】
また、この実施例のモーションベースによれば、アクチュエータ６，７は、可動ベース３と設置ベース１とに結合され、可動ベース３への結合部と設置ベース１への結合部との間の距離を伸縮させることで可動ベース３を揺動させるものであることから、可動ベース３への結合部と揺動軸線Ａ１，Ａ２との間の距離を可動ベース３の駆動のためのモーメントの腕として利用できるので、アクチュエータ６，７の出力をより低く済ませることができる。
【００２４】
そして上記の場合に、この実施例のモーションベースによれば、アクチュエータ６，７は、ボールネジ軸とそこに螺合するボールナットとをサーボモータで相対回動させ、その相対回動によりボールナットをボールネジ軸に対し相対的に直線移動させて上記結合部間の距離を伸縮させる電動式直線移動機構であることから、高い応答性と高い位置精度とをもって可動ベース３を揺動させることができる。
【００２５】
さらに、この実施例のモーションベースによれば、弾性部材として、可動ベース３と設置ベース１とに両端部をそれぞれ結合された引張りコイルスプリング１０〜１７を具えることから、安価な構成で、揺動軸線Ａ１，Ａ２周りの可動ベース３の揺動で増大するモーメントに容易に対抗することができる。
【００２６】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、設置ベース１は床面上でなく壁面に設置固定されても良く、また可動ベース３は座席２でなく模擬宇宙船等の乗り物を搭載しても良く、そして支柱４は上記二本の揺動軸線Ａ１，Ａ２に直交するもう一本の揺動軸線（ヨー軸線）周りにも揺動可能に可動ベース３を支持しても良い。
【００２７】
さらに、アクチュエータは電動式でなくエアシリンダ等の流体圧シリンダで構成しても良く、また弾性部材は圧縮コイルスプリングあるいは、可動ベース３が水平のときに中立状態とされて揺動状態に応じて引張りと圧縮とを受けるコイルスプリングでも良く、そして弾性部材は板バネや捩じりバネであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のモーションベースの一実施例を可動ベースが水平な状態で示す斜視図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、上記実施例のモーションベースを可動ベースが水平な状態で示す平面図および正面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、上記実施例のモーションベースを可動ベースが水平な状態で示す左側面図および右側面図である。
【図４】上記実施例のモーションベースを可動ベースがピッチ軸線周りに後傾した状態で示す斜視図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図３に示す状態の上記実施例のモーションベースを示す左側面図および正面図である。
【図６】上記実施例のモーションベースを可動ベースがロール軸線周りに右傾（座席の向きを基準として）した状態で示す斜視図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、図５に示す状態の上記実施例のモーションベースを示す左側面図および正面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、上記実施例のモーションベースの作動原理をピッチ軸線周りの可動ベースの揺動で代表させて示す、可動ベースが水平な場合および後傾した場合の略線図である。
【符号の説明】
１　設置ベース
２　座席
３　可動ベース
４　支柱
５　ユニバーサルジョイント
６，７　電動式アクチュエータ
８　作動ロッド８
９　本体
１０〜１７　引張りコイルスプリング
Ａ１，Ａ２　揺動軸線
Ｄ　ダミー人形

Claims

人が乗る物を対象物として、その対象物を揺動させるモーションベースにおいて、
設置ベースと、
前記対象物の搭載用の可動ベースと、
前記設置ベースに設けられて前記可動ベースを、人が乗った状態での前記対象物と前記可動ベースとの組立体の重心位置の下方を通る一本または互いに直行する少なくとも二本の揺動軸線周りに揺動可能に支持する支持部材と、
前記可動ベースを前記設置ベースに対し前記揺動軸線周りに揺動させるアクチュエータと、
前記可動ベースと前記設置ベースとの間に介挿されて、前記揺動軸線周りの前記可動ベースの揺動に応じて増大するモーメントに対抗する弾性部材と、
を具えることを特徴とする、モーションベース。
前記アクチュエータは、前記可動ベースと前記設置ベースとに結合され、前記可動ベースへの結合部と前記設置ベースへの結合部との間の距離を伸縮させることで前記可動ベースを揺動させるものであることを特徴とする、請求項１記載のモーションベース。
前記アクチュエータは、ボールネジ軸とそこに螺合するボールナットとをサーボモータで相対回動させ、その相対回動により前記ボールナットを前記ボールネジ軸に対し相対的に直線移動させて前記結合部間の距離を伸縮させる電動式直線移動機構であることを特徴とする、請求項２記載のモーションベース。
前記アクチュエータは、シリンダ本体に収納されたピストンをそのシリンダ本体に対し相対的に直線移動させて前記結合部間の距離を伸縮させる流体圧シリンダであることを特徴とする、請求項２記載のモーションベース。
前記弾性部材は、前記可動ベースと前記設置ベースとに両端部をそれぞれ結合されたスプリングであることを特徴とする、請求項１から４までの何れか記載のモーションベース。