JP2005505783A - 運転シミュレータ - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、例えば特許文献1から既知であるような、請求項1の前文に記載の試験者に対して運動印象を生じさせるための運動システムに関する。
【背景技術】
【0002】
自動車製造の分野では、開発時間およびコストの継続的低減に大きな関心がある。このことにより、早期の開発段階において設計マージンを明らかにし、また引き続く開発段階の短縮および反復ループの省略を可能にするために物理的制限を判断する必要性が生じている。この理由のため、自動車設計の予想される走行快適性(走行特性)および運転挙動(操縦特性)に関する情報が、引き続く高価で時間を喰う実現段階における開発ループを避けるために、非常に早い開発段階で利用可能にならなければならない。
【0003】
早期の開発段階の自動車設計を試験するために、オフラインでのシミュレーションとならんで、特に運転シミュレータが使用される。基本的に、これらのシミュレータにより、電子制御および調整システムと組み込み済みのハードウェア構成要素とを含む数学的合成の自動車設計を提起できる可能性が提供され、この自動車設計は、運転者の要求に応じて作動するコンピュータ内に確立されており、運転者がシミュレーションを「経験する」ことを可能にする。かくして、運転シミュレータは、基本的に、従来の開発プロセス以前の試験走行に応じてデジタル自動車による仮想の走行を可能にする。運転シミュレータを自動車開発のツールとして有効に利用するために必要な前提条件は、走行快適性および運転挙動の両方、およびこれらの特性の組み合わせに関係する可能な最大数の運転操作の現実的なシミュレーションである。このため、一方で、交通状態を視覚化するために、また、自動車および騒音等をシミュレートするために、適切なシステムおよび方法が利用可能でなければならない。他方で、自動車の走行特性および操作特性の両方に関して、現実に可能な限り近い状態下で、運転者が加速度および加速度の変化を認識できるように使用できる運動システムを用意することが必要である。
【0004】
同一分野を形成する特許文献1は、実際の走行状態をシミュレートするためのシステムを開示し、このシステムでは、自動車の操作者制御要素(ステアリングホイール、作動ペダル等)は自動車のキャビンに対して運動可能(可動)であるように配置される。これらの操作者制御要素は、制御ユニットを用いて作動される割り当てられた作動要素によって、互いに対してかつシートに対して複数の運動方向にさまざまな種類の運動をすることができる。この場合、運動のタイプは、シミュレートされる自動車の運動のタイプから決定される。特許文献1に記載されている運転シミュレーションシステムの運動要素は、非常に短い変位経路を有する。この理由のため、このシステムは、高周波励振(>3Hz)が重要な役割を果たす運転操作をシミュレートするためにもっぱら適切である。したがって、このような運転シミュレーションシステムは、自動車の走行関連特性、例えばでこぼこの道路で運転するときや、縁石を超えて運転するとき等の印象の試験に限定される。
【0005】
自動車の操縦特性は、低周波加速の効果がそれらの特性の実現において決定的な役割を果たすので、特許文献1から公知のシステムを使用して現実的に表すことができない。自動車の低周波励振を実現できるようにするために、運転シミュレータが使用され、その運転者キャビンは、全体が運動可能であるように装着され、また特定の距離および角度範囲にわたって異なる運動軸内で横方向にかつ回転して運動される。この結果、加速、コーナリング、制動等のような操縦関連の状態が作り出される。このようなシステムは、例えば、特許文献2および特許文献3から公知である。この場合、達成可能な周波数スペクトルの下端は、運転シミュレータの最大利用可能な変位距離によって直接制限される。特許文献2に記述されているように、自動車キャビンの回転運動によって、比較的長く持続する水平方向の(横向きの)加速度をシミュレートするために、いわゆる「ウォッシュアウトアルゴリズム」を使用することが可能であるが、このような方法によって、約0.7Hz未満の周波数範囲の操縦関連の操作が非常に不満足に示されているに過ぎない。
【0006】
アイオワ大学からのNADS(ナショナルアドバンストドライビングシミュレータ、http://www.nads−sc.uiowa.edu)は、単一システムで低周波の(操縦に関連する)励振、及び高周波の(走行に関連する)励振の両方をシミュレートする第1の試みを示している。このシステムは6脚に固定される自動車ドームを備え、6脚および自動車ドームから構成されるアセンブリは、ベルト牽引駆動部を有する1対の交差直線軸に装着され、前記ベルト牽引駆動部を用いて、アセンブリを20m×20mの基部面で運動することができる。検査すべき自動車のホイールは、ラムによってドームの底板に接続され、これらのラムを用いて自動車の垂直方向の励振を実行することが可能である。
【0007】
NADSは、ある程度は、また選択された励振方向に、操縦関連および走行関連の励振を可能にするが、次のようないくつかの相当の不都合を有する。
−全体的な運動学と関連したNADSの走行作動システム(車輪の垂直方向の励振)は、ある走行状態について十分な運動印象を与えず、例えば、現実に近い状態下で、関連する比較的高い周波数の水平方向の加速度(>20Hz)を有する悪路での運転をシミュレートすることが不可能であり、
−NADSの基部面は余りに小さく、重要な低周波成分で現実的に特定の展開に関連する運転操作(例えば、ブレーキをいっぱいに掛けた車線変更、カーブでの制動)をシミュレートすることができない。
【0008】
【特許文献1】
独国特許出願公開第39 36 877 A1号明細書
【特許文献2】
独国特許出願公開第28 42 409 A1号明細書
【特許文献3】
欧州特許出願公開第335 585 A1号明細書
【特許文献4】
独国特許出願公開第196 36 100 A1号明細書
【特許文献5】
国際公開第99/55488号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
したがって、本発明は、公知の運動システムと比較して、極めてより多くの数の開発関連の運転操作を表現する(表す)ことが可能である運転シミュレータ用の運動システムを提供する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的は、本発明により請求項1の特徴によって達成される。
【0011】
解決方法は、低周波範囲の励振および高周波範囲の励振の両方が、現実に近い状態下で多数の運転操作をシミュレートすることが必要であるという構想に基づいている。本発明によれば、このために、カスケード式システムが使用され、全体の作動システムは次のシステムに分けられる。
−小さな高周波運動のための作動システム(低速度のシミュレーションにおいて特に重要な役割を果たす)
−大きな低周波運動のための作動システム(高速度のシミュレーションにおいて特に重要な役割を果たす)。
【0012】
高周波励振を実現するための作動システムとして、多軸走行システムが使用され、その重要な特徴は、例えば特許文献1から公知である。このシステムは、シートと操作者制御要素とを有するキャビンを備え、シートおよび/または操作者制御要素は、運動可能に配置され、また割り当てられた作動要素によって複数の運動方向に互いに対して運動することができる。本発明によれば、この走行システムは、低周波励振を実現するための作動システムとして機能する多軸マニピュレータに組み込まれる。次に、マニピュレータ自体はカスケード式システムであり、回転プレートと6軸運動ユニットと水平変位装置とを備え、したがって、走行システムは回転プレートに装着され、この回転プレートを用いてその垂直軸を中心にして回転することができ、走行システムと回転プレートとから構成されたアセンブリは、6軸運動ユニットに装着され、この運動ユニットを用いて低周波範囲で制御して運動され、次に、走行システムと回転プレートと6軸運動ユニットとから構成されたアセンブリは、水平変位装置を用いて2つの水平軸線に沿って運動され、この変位装置は最低周波運動を実現するために使用される。
【0013】
可能な最低周波運動を表す(表現する)ことができるようにするために、水平変位装置(カスケード内の最も低い点に配置されたアクチュエータステージとして)は、最大可能な距離を対象と(カバー)しなければならない。しかし、この場合、運動面を拡大することが、運動すべき質量の非常にゆるやかな拡大しか伴わないことを確実にする必要があるが、この理由は、さもなければ、生じる力およびモーメントのため大きな運動面を実現できないからである。この要件を満たすために、本発明によれば、6軸運動ユニットは、平坦な基部面に自由に変位可能に装着されるキャリヤキャリッジに装着され、このキャリヤキャリッジは、水平変位装置の変位経路によって画定され、かつ水平変位装置によって基部面に対して引かれるかおよび/または押される。一方で、支持を提供し、他方で、水平方向に案内するかまたは3つの空間方向すべての運動量を吸収する機能は、運動システムのこの設計によって分離される。この結果、従来技術から公知の運動システムと比較して、運動すべき質量を小さくしてより大きな基部面を対象とする(カバーする)ことができる。特に、本発明による運動システムは、最低周波数範囲における運転シミュレータの周波数(振動数)スペクトルの著しい拡大を伴う、例えば40m×40mの基部面をカバーすることを可能にする。
【0014】
キャリヤキャリッジ、6軸運動ユニット、回転プレート、およびキャビンから構成された基部ユニットの変位および加速をガタ付きなしに行うために、基部ユニットと基部面との間の摩擦を可能な限り小さくする必要がある。したがって、キャリヤキャリッジは、空気軸受および/または空気クッションによって基部面に対して装着されることが有利である(請求項2参照)。このような空気軸受は、基部ユニットが基部面で自由に変位可能であるようにし、また最小の摩擦力で基部ユニットと基部面との間に結合される。さらに、空気軸受は高度の剛性を特徴とし、基部面での基部ユニットの障害のない摺動にとって重要な前提条件である。代わりに、基部ユニットはまた、摺動軸受またはころ軸受(転がり軸受け)によって基部面に対して装着することができる。
【0015】
第1の特に有利な改良では、水平変位装置は、2つの線形変位装置、具体的には、
−第1の水平軸線(Y方向)に沿って基部ユニットを制御して変位させかつ加速するための第1の線形変位装置と、
−上記第1の線形変位装置と上記基部ユニットとから構成されたアセンブリを、第1の水平軸線に対してほぼ垂直に配向される第2の水平軸線(X方向)に沿って制御して変位させかつ加速するための第2の線形変位装置と、から構成される(請求項3)。
【0016】
水平変位装置のこの改良は、基部ユニットの(大きな表面にわたる)水平運動が互いに階層的に接続される2つの線形変位装置によって実施されるので、運動システムのさらなるカスケードを可能にする。
【0017】
連続カスケード段の間には、運動システムのモジュール式の全体調整を可能にするために、最小の相互作用部または結合部のみがあるべきである。この結果、システムの複雑さが低減され、制御性が改善される。
【0018】
第2の線形変位装置は、ガントリブリッジとして具体化することが適切である(請求項3)。ガントリブリッジという用語は、本明細書では、変位装置と理解すべきと意図され、この変位装置は、その運動方向に対して横断方向に、基部面の全幅に跨り、かつレール(または代わりの案内手段)の2つの横断端部に支持され、またガントリブリッジの2つの横断端部に配置されるかあるいはそれに対して作用する線形駆動部によって基部面に対して変位しかつ加速される。ガントリブリッジは、一方で、線形駆動部を介して印加される駆動力をX方向の基部ユニットに伝え、他方で、基部ユニットの作用力をX方向の線形駆動部に誘導する。
【0019】
ガントリブリッジは、線形変位装置のXおよびY方向の運動の優れた分離を確実にするために、また基部ユニットが加速されるときに第1の線形変位装置によってガントリブリッジの上に及ぼされる力と負荷とを可能な限り低く維持するために、可能な限り最大の局所的な剛性を有するべきである。他方で、ガントリブリッジの質量は、運転シミュレータの運動質量を加速し、また制動するために消費されなければならない力を可能な限り小さく維持するために、可能な限り小さくすべきである。これらの2つの要件を満たすために、ガントリブリッジの支持構造体は、骨組み構造体として適切に構成され、第1の線形変位装置の接続箇所に印加される力をガントリブリッジ全体にわたって分布するために使用することができる。第1の線形変位装置の接続領域において、ガントリブリッジはまた、特に高度の局所的な剛性をもたらすことができる強化された垂直方向のキャリヤを有することが適切である。
【0020】
ガントリブリッジは、その2つの横断端部で基部面または適切に設計されたレールに支持される。跨げられるべき基部面のサイズおよびガントリブリッジの重量に応じて、ガントリブリッジの端部の支持体に加えて、ガントリブリッジの中央領域に別の支持体を設けることが有利かもしれない(請求項5参照)。支持体は、可能な限り小さな摩擦で基部面に対するガントリブリッジの摺動を可能にするために、基部面に対して空気軸受を有することが適切である。
【0021】
ガントリブリッジの運動励振は、ベルト牽引駆動部によって実施することができる(請求項6参照)。この場合、ベルト、特にY方向に延び、ガントリブリッジの横断端部に取り付けられ、またプレストレスが加えられるスチールベルトが、使用される。ベルト(スチールベルト)は、運動フィールドの端部の各々のドラムの周りに延び、このドラムによって、それぞれのベルト(スチールベルト)に(したがって、このベルトに永久的に接続されるガントリブリッジの端部に)牽引力を加えることができる。ドラムは、電動モータによって駆動される。ガントリブリッジを高精度に方向付けるために、2つのベルト牽引駆動部は同期制御されなければならない。
【0022】
代わりに、ガントリブリッジの運動励振は、ガントリブリッジの2つの横断端部に配置される2つの電磁(電気)式線形駆動部によって実施することができる(請求項7参照)。ベルト牽引駆動部と比較して、この解決方法では、ランナはガントリブリッジの端部に直接配置され、また静止要素をレール内に一体化できるので、よりコンパクトな設計の利点を有する。さらに、電磁(電気)式線形駆動部を使用する場合、ベルト牽引駆動部と比較して、システムの振動のぎこちない(不調の)機械的励振の危険が大部分防止される。電磁(電気)式線形駆動部は中間変速機を必要としないので、それらの摩擦も特に低い。ガントリブリッジを高精度に方向付けるために、2つの電磁(電気)式線形駆動部は同期作動しなければならない。
【0023】
ガントリブリッジの端部に作用する2つの駆動モータの上述の同期制御によって、通常の捻運転(動作)中に垂直軸線を中心とするガントリブリッジのねじり(捻れ)を大部分防止することが可能であるが、故障の場合、著しいねじりが生じる可能性がある。このため、ガントリブリッジのねじりを補償するために使用できる機構を設けること、および不可逆の歪みによるガントリブリッジに対する損傷を回避することが適切である。このため、ガントリブリッジの一方の端部は、この端部に作用する駆動要素に対し回転可能に装着され、一方、ガントリブリッジの他方の端部とこの箇所に作用する駆動要素との接続は、Y方向に直線的に限定的に変位可能な回転接続部によって行われる(請求項8参照)。
【0024】
基部ユニットをY方向に制御して変位させかつ加速するために、電磁(電気)式線形直接駆動部(請求項9参照)によって好ましくは形成される第2の線形変位装置が、ガントリブリッジに設けられる。第2の線形変位装置に対する基部ユニットのねじり(捻れ)および傾きを避けるために、基部ユニットのキャリヤキャリッジが、結合要素によって第2の線形変位装置に対して適切に支持される(請求項10)。このような結合要素は、基部ユニットと第2の線形変位ユニットとの間の任意の空間方向のねじり補償を可能にする。結合要素の特に有利な一実施形態では、電磁(電気)式線形駆動部の回転子は、回転子に対してY方向にオフセット(軸違いに)されかつばねダンパ要素によって回転子に結合される2つの受動要素に接続される。基部ユニットは、多関節支柱(マルチジョイントストラット、マルチ接合支柱)によって電磁(電気)式線形駆動部の回転子と接続され、枢着可能なストラット(支柱)によって2つの受動要素に接続される。
【0025】
ガントリブリッジの歪みによる運動システムの可能な限り小さな摩耗を達成するために、また摩耗から生じる秩序を乱した加速を避けるために、可能な限りモーメントなしに、基部ユニット側でガントリブリッジに及ぼされる作用力を、このガントリブリッジに導入しなければならない。これを確実にするために、ガントリブリッジに対する水平力のすべての印加が、ガントリブリッジの重心のレベルで行われるように、基部ユニットとガントリブリッジとの接続箇所は、ガントリブリッジの重心のレベルにあることが有利である(請求項11参照)。さらに、同様に、X方向の基部ユニットの反力が線形駆動部に導かれるガントリブリッジのレールを、このレベルに配列することが適切である。また、基部ユニットからのまた基部ユニットへの水平力束が基部ユニットの重心のレベルで行われるように、ガントリブリッジがそのレベルに関して基部ユニットに対して配置されるならば、さもなければ支持モーメントによる追加の力を吸収するために生じる基部ユニットの垂直軸受の必要性を排除できる。
【0026】
操作の不具合の際、特に電源故障が生じたときに運動システムに対する重大な損傷を回避するために、2つの線形変位装置の駆動部に受動ブレーキ系(例えば渦電流ブレーキ)を設けることが適切であり、これによって、非常時に運動システムの水平軸線の迅速な自動車制動を実行することができる(請求項12参照)。さらに、エンドストップ(先止め)が両方の軸に設けられる(請求項13参照)。電源故障の場合に、少なくとも基部ユニットが完全に停止するまで基部ユニットの空気軸受が維持されることを確実にするために、圧力タンクを設けることが推奨される。
【0027】
カスケード式に配置される2つの線形変位装置として水平変位装置を具体化する代替方法として、水平変位装置はまた、交差するベルト牽引駆動部によって実現することができる(請求項14参照)。この場合、XおよびY方向の運動のカスケードが排除され、運動すべき質量が高い質で最小にされる。基部ユニットの運動の高精度の制御を確実にできるようにするために、X方向およびY方向それぞれに平行に延び、各々同期制御される2つのベルト牽引駆動部を用意することが推奨される。
【0028】
さらなる実施形様では、水平変位装置は、平坦な電磁駆動部によって形成される(請求項15参照)。このため、正規の磁気グリッドが基部面に設けられる。さらに、基部面に対して低い摩擦(例えば空気軸受により)で変位できる変位(シュー、靴部、足部)が設けられる。変位シューの各々には電磁コイルが装着され、これを使用して、変位シューを基部面の磁石に対して任意に変位させることができる。キャリヤキャリッジに装着される基部ユニットは、1つまたは複数の変位シューに機械的に結合され、前記変位シューを用いて基部面に対し運動される。運動中に変位シューに及ぼされるモーメントを可能な限り低く維持するために、あるいは可能な限り対称的にそれらを分布させるために、少なくとも2つの変位シューを設けること、およびキャリヤキャリッジの周りに対称的に変位シューを配置することが有利である。複数のシュー(変位シュー)は、キャリヤキャリッジがこれらの変位シューに対し固定空間位置を取るように、互いに平行にかつ同期して運動される(請求項16参照)。
【0029】
キャリヤキャリッジに配置される6軸運動ユニットは、電磁(電気)駆動部を使用して運動されることが適切である(請求項17参照)。装置に関して非常に複雑であり、かつ大型で重量のあるアセンブリ、ポンプ、高圧ライン等を伴う油圧駆動装置と比較して、運動ユニットを電気的に駆動することは、装置に関して比較的簡単である利点を有し、取扱いがより容易であり、また相当小さな重量で済む。
【0030】
6軸運動ユニットとして6脚が使用されることが有利である(請求項18参照)。このような6脚は、6つの支柱(ストラット)を備え、これらの支柱(ストラット)は、キャリヤキャリッジに固定され、長さが調整可能であり、またこれら支柱の端部に取り付けられた運動プラットホームを有する。このことは、運動プラットホームが6つのすべての自由度で、すなわち3つの並進自由度および3つの回転自由度で運動することを可能にし、この場合、大きな力の量の吸収を確実にできる。6脚は、例えば特許文献4から、また特許文献5から公知である。
【0031】
キャビンと周囲(シミュレータホールと運動システム)との間の視覚的および聴覚的な分離を実行するために、6脚の運動プラットホームの上方に、自動車のキャビンの全側面を囲むドームを設けることが適切である(請求項19参照)。ドームには、運転シミュレータの視覚化システム用に映写面が提供され、これによって、試験走行中に交通シナリオが表示される。ドームは、その内部に対する運動システムの動作ノイズを音響学的に減衰する。これによって、試験走行中に自動車のキャビンのサウンドシステム内で発生するノイズが、無関係な動作ノイズによって歪められないことが確実になる。
【0032】
以下に、図面に例示する複数の例示的実施形態によって、本発明についてより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0033】
図1a及び図1bは、試験者3に対して運動印象を生じさせるための運転シミュレータ2用の運動システム1の概略平面図(図1a)および側面図(図1b)を示している。運動システム1はドーム4によって囲まれるキャビン5を備え、かつ走行作動システム6(以下により詳細に説明する)を有する。キャビン5は、マニピュレータ7に固定して配置され、マニピュレータ自体は次の構成要素を備える。
−キャビン5の垂直軸9を中心としてキャビン5を制御する回転運動のための回転プレート8、
−回転プレート8およびキャビン5から構成されたアセンブリを、6つのすべての自由度(3つの並進自由度と3つの回転自由度)で運動させるための6軸運動ユニット10、
−6軸運動ユニット10と回転プレート8とキャビン5とから構成されたアセンブリを、2つの水平方向の軸線XおよびYに沿って制御して変位させかつ加速するための水平変位装置11。
【0034】
6軸運動ユニット10はキャリヤキャリッジ(搬送荷台)12に装着され、このキャリヤキャリッジ12は、6軸運動ユニットが平坦な基部面13で自由に変位可能であるように配置され、かつ水平変位装置11によって基部面13に対して引かれるかおよび/または押される。キャリヤキャリッジ12、6軸運動ユニット10、回転プレート8、およびキャビン5から構成されたアセンブリは、以下、基部ユニット14と呼ぶ。図2aは、この基部ユニット14の詳細図の略断面図である。
【0035】
本発明の目的は、運転シミュレータ2を使用して現実に近い状態で可能な多様の運転操作を表現することであり、これに必要な速度および加速度は、運動システム1によって加えなければならない。この結果、特に低周波の励振を表すために大きな運動領域が必要である。本実施例では、水平方向(X方向およびY方向)に40m×40mのX−Y運動領域15が選択され、前記領域の内部境界は、図1aの点線で示されている。シミュレーションでは、開発自動車の主要な関連操作を納得できるようにシミュレートするために、このサイズの運動領域を使用できることが示されている。本明細書では、周波数範囲<1Hzは、水平変位装置11および回転プレート8によってX方向およびY方向で対象とされる(カバーされる)。約1Hz〜約3Hzの周波数範囲の運動は6軸運動ユニット10によって実現され、一方、より高周波のすべての励振は、走行作動システム6および回転プレート8によって対象とされる(カバーされる)。しかし、X−Y運動領域15が大きな寸法であることにより、運動ユニット1のすべての構成要素に対し非常に高い要求が行われ、このため、以下に説明するように、個々の要素の構造およびそれらの相互作用の両方を、X−Y運動領域15のサイズに適切に合わせなければならない。
【0036】
異なる操作のために必要な速度と加速度とを、高解像度および高品質で加えることができるように、数トンの重量の基部ユニット14は、可能な限り小さな摩擦で基部面13に対して装着する必要がある。このことは、図1と図2の例示的実施形態では、図2bの詳細図に概略的に示されているように、キャリヤキャリッジ12の空気軸受16によって基部面13に対して実現されており、プレート面(基部面)13に対してキャリヤキャリッジ12を支持するために、27個の同一の空気軸受16’が使用され、その各々は、(図2bに概略的に示されているように)3つの主グループ18に3つの個々の軸受を有する3つのサブグループ17を含む。この場合、3つの個々の軸受16’は、玉継手を介してキャリヤに接続され、こうしてサブグループ17を形成する。次に、3つのサブグループ17はそれぞれ玉継手によって別のキャリヤに接続され、こうして主グループ18を形成する。次に、各主グループ18はそれぞれ玉継手によってキャリヤキャリッジ12に接続される。これにより、基部面13におけるキャリヤキャリッジ12の静定の取り付け(配置、実装)が得られる。さらに、基部面13は非常に平坦な摺動面20として実現しなければならない。
【0037】
水平変位装置11は、図1と図2の例示的実施形態の2つの線形変位装置24、25から構成される。基部ユニット14は、第1の線形変位装置24を使用してY方向に変位し、かつ加速される。基部ユニット14と第1の変位装置24とから構成されたアセンブリは、第2の線形変位装置25を使用してX方向に変位し、かつ加速される。
【0038】
第2の線形変位装置25は、図1と図2の例示的実施形態のガントリブリッジ26として具体化される。ガントリブリッジ26は床はり(横材)27を備え、その2つの端部28、28’は、基部面13に対して変位可能であるように装着される足部29に着座する。床はり27は、Y方向に摺動基部20の全体に跨り、したがって、Y方向の運動距離(移動距離)30(40m)、非常走行ゾーン21(2×3m)、及びキャリヤキャリッジ12の幅(8m)からなる54mの長さの距離に跨る。
【0039】
床はり27は、鋼および/またはCFRPの軽量構造であり、また小さな重量で可能な限り最も高い固有振動数を有するように構成され、このことは、運転シミュレータ2の操作中に、シミュレーションシステムの運動の表示に悪影響を及ぼす床はり27の固有振動数の励振を回避するために重要である。
【0040】
最も低い周波数、したがって、ガントリブリッジ26に関連(該当)する固有モードは、垂直方向(Z)軸線を中心とする床はり27の第1の曲げ振動である。運転シミュレータ2が動作している間にこの固有振動数が励振されないように確実に可能にするために、運動の間に生じる水平変位装置11(<1Hz)および6軸運動ユニット10(3Hzまで)のすべての形態の運動が固有振動数の十分にはるか下方にあるように、固有振動数は高くなければならない。この結果、床はり27は、この形態の振動において、3Hzを十分に上回る第1の固有振動数を生じるべきであり、同時に、構造体26の質量は、40tを超えてはならない。
【0041】
これらの要件は、例えば、鋼製の骨組み構造体で満たすことができる。本実施例では、床はり27は、第1の線形変位装置24が接続されかつ力が基部ユニット14に導かれる、該基部ユニット14と対面する領域31において、高度の局所的な剛性を有する必要がある。したがって、図1と図2の例示的実施形態では、この領域31は、溶接鋼板から製造されるシェル構造体32によって形成される。床はり27の残りの構造体は、過剰に規定される骨組みとして構成される。ロッドまたはビームは、円形チューブ状または長方形チューブ状の断面を有し、また摩擦ロック式および/または確動ロック式に互いに結合される。必要な曲げ剛性を得るために、多段式骨組み構造体を用意することが適切であり、シェル構造体32の剛性は、このシェル構造体の背後に配置される約2〜3mの深さの骨組み精密構造体によって高められ、構造体の全体的な剛性は、背後に配置されて後部に13m変位されるコードを有する別の骨組みによってもたらされる。
【0042】
垂直(Z)方向に必要とされる取付け空間を最小にすると同時に、それ自体の重量によるたるみを低減するために、ガントリブリッジ26は、Y方向に事前に分布された複数の支持体33によって基部面13に対して支持される。支持体33は、ガントリブリッジ26を低い摩擦でX方向に変位できることを確実にするために、空気軸受34によってまたは空気摺動クッションによって基部面13に対して装着される。支持体33の位置および剛性は、振動技術上の基準に従って決定される。
【0043】
Y方向のガントリブリッジ26の静定の軸受を確実にするために、案内部35、35’が両側に設けられ、ガントリブリッジ26は、一方の側面で固定軸受を介して他方の側面で可動軸受によって案内部35、35’に対して装着される。軸受内では、垂直(Z)軸線周りのモーメントは吸収されない(取り除かれない)ので、ガントリブリッジ26の曲げおよび/または僅かな傾斜の際にひっかかりは生じない。
【0044】
ガントリブリッジ26をX方向に制御して運動させるために、ガントリブリッジ26の2つの端部28、28’に作用する2つの駆動部36、36’が使用される。ガントリブリッジ26に適切な駆動部36、36’が選択される場合、原則として次の周辺状態を考慮すべきである。
−ガントリブリッジ26の運動領域、したがって駆動部36、36’の必要な動作領域は、基部面13の寸法に起因し、したがって非常に大きい(ここで考慮される例示的実施形態では、上述のように54mである)。
−X方向においてガントリブリッジ26のために最大に必要とされる駆動力は、約300,000Nである。これは、極限の運転操作のために加えられる0.6gの加速度、および50tまでのガントリブリッジ26および基部ユニット14から構成されたアセンブリの許容される全体の運動質量から得られる。この場合、2つの個々の駆動部36、36’を寸法決めする際、基部ユニット14の最端の縁部位置を考慮しなければならない。この最端の縁部位置により、個々の駆動部36、36’の必要な力の変動が+/−20%まで生じる。したがって、各々の個々の駆動部36、36’は、180,000Nの最大力を印加しなければならない。
−X方向において20W/kgの必要とされる駆動パワーは、対応する負荷パターン(負荷プロフィール)によるシミュレーション計算から得られる。
−選択された運転操作を現実に近い状態の下でシミュレートするために必要な加速度解析または加速度量子化は、0.02m/s2である。このため、ガントリブリッジ26の推進力を1000Nよりも精密に配分できなければならない。さらに、設計関連の干渉力(例えば摩擦)は、加速度の表示誤差が0.1m/s2未満であることを確実にするために、5000N未満でなければならない。
【0045】
これらの要件を満たすために、第1の例示的実施形態によれば、ガントリブリッジ26を駆動するためにベルト駆動部37が使用され(図3の概略図参照)、ガントリブリッジ26の案内部35、35’の外端38には、ローラ40を介してプレストレス循環エンドレススチールベルト41を摩擦ロック式に駆動する電動モータ39が取り付けられる。このスチールベルト41は、ガントリブリッジ26の床はり27の端部28、28’に取り付けられる。スチールベルト41が大きな自由長を有するため、駆動部37の調整ベルト幅の領域に位置するベルト(スチールベルト)41の固有振動が生じる可能性があり、シミュレーションシステム2の運動表示に悪影響を及ぼす。このような影響を避けるため、スチールベルト41にプレストレスを加え、またスチールベルト41の低周波固有振動を防止するために、ガントリブリッジ案内手段35に沿って追加の支持機構42を設けることが有利である。モータ39とローラ40との間に減速用変速機を設けてもよい。
【0046】
バンド駆動部37の代わりに、第2の例示的実施形態では、ガントリブリッジ26を駆動するために電磁線形駆動部43が使用される(図2aの足部29およびガントリブリッジ26の詳細図としての図4の概略図参照)。これらの駆動部(電磁線形駆動部)43の機能原理は、「表現用に開発された」電動モータに対応する。電磁線形駆動部43は、ベルト駆動部37と比較して力の非接触伝達という大きな利点を有し、またベルト駆動部37と比較して、機械的運動の力伝達要素または伝達手段の使用を必要としない。この結果、一方で、特に空気軸受34’が支持および案内要素として使用される場合にシステム内の摩擦が最小となるので、運動の表現についての質が改良される。他方、より頻繁な修理間隔を必要とするであろう摩耗に弱い構成要素(例えば変速機またはスチールベルト)が使用されないので、有用性が向上する。
【0047】
非同期駆動部および同期駆動部の両方は、従来の回転電動モータの例に見られるように、電気式線形駆動部(電磁線形駆動部)43として使用することができる。
【0048】
非同期モータの機能原理は、受動2次コイル45内に次に電流を誘導する交番磁界を発生するために使用できる能動1次コイル44に基づく。場が1次コイル44を通して移動するときに推進力を発生する力は、レンツの法則に従って電流が流れる2次コイル45の導体に作用する。基本的に、1次および2次コイル44、45の両方は、モータ、すなわち回転子46の「可動」部分に取り付けることができる。
【0049】
非同期モータは、基本的にずれを伴って作動し、すなわち、結果として生じる力は場と回転子46との間の相対速度の関数である。低い相対速度では、2次コイル45内の各場の変化速度、したがって誘導電流はより低く、すなわち発生される力は小さい。ずれが増加するにつれ、力はより大きくなる。発生される力のサイズにとって第2の重要な干渉要因は、1次および2次コイル44、45の間の「磁気的空隙ギャップ」47のレベルであり、誘導電流の強さ、したがって生じる力は、1次コイルの場の強さに直接比例して関係する。次に、その場の強さは、「磁気的空隙ギャップ」47のレベルの2乗で増加する。したがって、「磁気的空隙ギャップ」47は、十分な出力密度を確実にするために、非同期駆動部では比較的小さくなければならない(典型的には約0.5mm)。ガントリブリッジ26用の対応する構造の場合、これは、寸法公差および製作精度に関し比較的高い要件をもたらす。
【0050】
同期モータを使用する場合、これらの不都合を回避することができ、誘導によって対向場が2次コイル45に発生する非同期駆動部とは対照的に、同期モータでは、対向場は永久磁石45’の形態で「永久的に組み込まれる」。1次コイル44によって発生される交番磁界は、1次コイル44の極と永久磁石45’の極との間の磁気引力と反発力とを駆動のために使用できるように、回転子速度と同期して移動されなければならない。永久磁石45’の場と1次コイル44の場との間の位相角は、推進力にとって決定的である。原則として、モータの力は1次コイル44を流れる電流に比例する。同期モータにおける「磁気的空隙ギャップ」47の役割は、非同期モータと比較してはるかに小さく、すなわち、同期駆動部は、相当大きな「磁気的空隙ギャップ」47(典型的な値:2mm)に匹敵する力で作動することができる。さらに、空隙ギャップの変動に対する力の関係は原理的に小さい。これは、とりわけ作動中の制御性に、したがって力の計量性(計量できる可能性)にも有利である。
【0051】
床はり27の端側に配置される2つの駆動部36、36’を用いるガントリブリッジ26の前述の駆動に加えて、このガントリブリッジ26に沿って別の力印加点を設けることが適切であり得る。
【0052】
ガントリブリッジ26を運動させるためにベルト駆動部37または電磁線形駆動部43を使用するかの問題に関わらず、ガントリブリッジ26が傾斜するのを回避するために、床はり27の2つの端部28を平行にかつ互いに同期して運動させることが重要であり、床はり27の端部28に駆動部(ベルト駆動部)37または(電磁線形駆動部)43が接続され、したがって、床はり27の端部28を介して(外部の)力がガントリブリッジ26に印加される。この理由のため、駆動部37、43((ベルト駆動部)37または(電磁線形駆動部)43)の電動モータ39または43は同期作動されなければならない。ガントリブリッジ26に対する損傷を伴うことなく小さな程度の傾斜を許容できるようにするために、ガントリブリッジ26の床はり27が、ヒンジ48によって駆動部36’に対してその一方の端部28’に装着され、またその他方の端部28において、床はり27は自由であるか、あるいは長手方向力を伝達できるために、Y方向に直線的に限定的に変位可能なヒンジ49によって駆動部36に対して案内される。(大幅に誇張された形状でガントリブリッジ26の傾斜を概略的に示している図5では、この変位可能なヒンジ(回転接続部)49は細長い孔49’として具体化される)。駆動部が不具合になるか、あるいは2つの駆動部36、36’の同期に欠陥がある場合、X−Y方向のガントリブリッジ26の傾斜をこのように補償することができる。しかし、床はり27がこのような角度公差で装着されると、揺動運動の形態の大きな領域にわたるガントリブリッジ26の制御しがたい角度偏位の危険性がある。この理由により、角度偏位を監視するために、スイッチ50が変位可能なヒンジ49内に設けられ、また前記スイッチ50は、許容可能な最大揺動角度α(例えば1度)を超えた場合、ガントリブリッジ26の電動(駆動)モータ39または43の即時の分離を開始する。
【0053】
基部ユニット14をY方向に変位させかつ加速するために使用される第1の線形変位装置24は、例えば図2aから明白なように、基部ユニット14に対面するガントリブリッジ26の領域28に取り付けられる。その領域28において、床はり27は上述のようにシェル構造体32を有し、したがって特に高レベルの剛性を示す。第1の線形変位装置24は、電磁(電気)線形駆動部51を使用して駆動されることが好ましい。ガントリブリッジ26に対してキャリヤキャリッジ12を案内するために、Y方向に配向されるレール52がシェル構造体32の領域に設けられ、電磁(電気)線形駆動部51の固定子53は、前記レール52に一体化することが適切であり、このことは、図6aのZ方向の平面図に、また図6bのX方向の平面図に、概略的に示されている。電磁(電気)線形駆動部51の回転子54は、中央の結合要素55によってキャリヤキャリッジ12に取り付けられる。結合要素55は、ヒンジ57によって、回転子54とキャリヤキャリッジ12とに結合されるロッド56を備える。垂直(Z)軸線を中心とする基部ユニット14の回転および/または回転運動を防止するために、別の横方向結合要素55’が中央の結合要素55の各側面に設けられる。これらの横方向結合要素55’のロッド56’の一方の端部は、ヒンジ57’によってキャリヤキャリッジ12に取り付けられ、また他方の端部は、別のヒンジ57’によって支持要素58に取り付けられており、この支持要素はレール52内で変位可能に案内され、かつ、ばねダンパ要素59によって回転子54に接続されている。したがって、駆動部36、36’、(電磁線形駆動部)51によって、ガントリブリッジ26および第1の線形変位装置24に印加される力は、水平面(X−Y面)の基部ユニット14の運動を生成するために、結合要素55、55’を介してキャリヤキャリッジ12に伝達される。中央の結合要素55は、Y方向の回転子54とキャリヤキャリッジ12との間に剛性接続部を形成し、こうして、Y方向の基部ユニット14との力接続を形成するように機能する。2つの横方向結合要素55’は、基部ユニット14のY方向の運動があるとき、または回転プレート8が回転するとき、X方向の力およびZ軸を中心とする基部ユニット14の作用トルクを吸収する(取り除く)。
【0054】
レール52は、基部面13に対して、第2の線形変位装置25の重心のレベル(水準、高さ)に対応し、同時に基部ユニット14の動作点のレベル(すなわち、通常位置の基部ユニット14の重心)に対応するレベル85に配置される。こうして、基部ユニット14は、その動作点のレベル85で水平変位装置11に結合されるので、XおよびY方向の力に起因するモーメントは、基部ユニット14と水平変位装置11との間に生じない。この結果、キャリヤキャリッジ12の軸受16は、基部ユニット14を静止して支持し、かつ垂直方向の動的な力を支持しなければならないが、軸受16は、X−Y方向の力からの(追加の)モーメントを支持する必要はない。さらに、基部ユニット14と水平変位装置11とのこの種類の接続により、駆動力と制動力とに起因する基部ユニット14の傾斜が排除される。
【0055】
前記第1の線形変位装置25を運動させるために使用される、第2の線形変位装置25に装着される第1の線形変位装置24を有する、上述の水平変位装置11のカスケード式の実施形態の代わりに、XおよびY方向の運動が同一のベルト牽引駆動部60、60’によって具体化されるベルト牽引設計によって、水平変位装置11を実現することもできる。これは、図7aと図7bに概略的に示されている。
【0056】
このため、2対の左右公差した(横断した)スチールの(鋼製の)ベルト61、61’が使用され、これらの両方はキャリヤキャリッジ12に作用し、これらの両方にプレストレスが加えられ、またこれらの両方は、X−Y方向の運動領域15の端部の各々の1対のドラム62、62’の周りに延びる。駆動は、ドラム62、62’上の電動モータ63、63’によって行われる。その都度、スチールの(鋼製の)ベルト61、61’を互いに対して正しい位置に維持するために、ドラム62、62’、およびこれらのドラムに接続された電動モータ63、63’は、キャリヤキャリッジ12と同期してかつキャリアキャリッジ12と平行に運動しなければならない。基部ユニット14の電源は、キャリヤキャリッジ12の上方に配置されかつ基部ユニット14と同期して運動する運動可能なガントリクレーン64を使用して供給される。
【0057】
図7aと図7bに示されている水平変位装置11は、ベルト牽引設計を有し、図1のカスケード式設計と異なり、高い質で運動されるように、質量を最小にする利点を有する。しかし、ベルト61、61’の共振現象は、ベルト牽引力設計の重要な要因であり、前記現象は、駆動モータ63、63’からのあるいは6軸運動ユニット10からの特に時間的に変化する作用力の結果励振される可能性がある。この場合、鋼製のベルト61、61’の共振周波数はプレストレス、材料密度、および自由長に関係し、これらのパラメータは、鋼製のベルト61、61’の固有振動数が、常に水平変位装置11(<1Hz)および6軸運動ユニット10(3Hzまで)の動作振動数の上方にあるように設定されなければならない。図1aと図1bのガントリ設計と比較して、図7aと図7bのベルト牽引設計は、複数の異なるユニット(それぞれ4つの駆動モータ63と63’、電源を供給するためのガントリトレイン64の駆動部等)を互いに同期して駆動しなければならないので、より複雑なシステムである。
【0058】
別の例示的実施形態(図8a〜図8c参照)では、水平変位装置は平坦な電磁駆動部65として具体化される。この場合、1次コイル66の2次元グリッドが、基部面13(図8bの基部面の詳細平面図)に設けられ、この1次コイル66により、交番磁界をXおよびY方向に発生することができる。基部ユニット14の運動を励振するために、複数の「シュー(変位シュー、靴部)」67が設けられ、複数のシューの内部に2次コイル(または永久磁石)68が装着され、また基部面13に対して低摩擦で(例えば空気軸受によって)装着される。1次コイル66によって場が移動すると、図8aの矢印86による推進力が2次コイル(または永久磁石)68内に発生される。原則として、上述のガントリブリッジ26の電磁線形駆動部43と同様に、平坦な駆動部(電磁駆動部)65は、(関連する利点および不都合を伴う)同期駆動部または非同期駆動部として、具体化することができる。「シュー」67は互いに同期して運動し、また結合要素69によって空気軸受を有する基部ユニット14のキャリヤキャリッジ12に接続される。基部ユニット14によって「シュー」67に及ぼされる作用力を有利に補償できるようにするために、「シュー」67は、キャリヤキャリッジ12に対して対称(例えば三角形または正方形)の構造に配置されるべきである。
【0059】
6軸運動ユニット10は、6脚70として(例えば図2a参照)以前に考慮された例示的実施形態に具体化され、少なくとも3Hzまでの周波数範囲の往復運動、並びに、横揺れおよび縦揺れ運動を表す(表現する)ために、また約1Hz〜少なくとも3Hzまでの周波数帯のXおよびY方向の運動を表す(表現する)ために使用される。片揺れ運動は、6脚70の運動プラットホーム(運動台)71に配置される回転プレート8によって伝達される。偏揺運動からの反応モーメントは、6脚70によって吸収されて、キャリヤキャリッジ12に伝達されなければならない。
【0060】
油圧式作動または電気式作動の6脚70’、70”が、6脚70として使用され得る。油圧式作動の6脚70’は、電気式作動の6脚70”と比較して高エネルギ密度の利点を有する。大きな長さおよび大きな角度を示すことができるために、(シリンダの表面状態に適合された)特別なバルブを有する差動シリンダを、油圧シリンダ72として使用することが好ましい。6脚70’自体の重量はほぼ2.5tであり、さらに、水平変位装置11では、アセンブリからアセンブリに至る約2tの空重量(自重)を有する供給ホース(図2aに図示せず)を考慮することが必要である。代わりに、アセンブリをキャリヤキャリッジ12上で運動することができ、この場合、水平変位装置11上のホース(供給ホース)は省略されるが、キャリヤキャリッジ12上の重量は約3t増加する。
【0061】
代わりに、油圧式作動の6脚70’よりも高い動力を有する電気式作動の6脚70”を使用することが可能である。電気式作動の6脚70”を使用する場合、油圧式6脚70’と比較して運動される質量が半減でき、さらに、油圧式の別形態と比較して6脚70の電力需要も半減できる。
【0062】
本出願に適切な電気式6脚70”の実施例が図9に示されており、この6脚は、頂部で運動プラットホーム71にまた底部でキャリヤキャリッジ12に取り付けられる6つの電磁式のアクチュエータ73を備える。アクチュエータ73には、磁気クラッチによって積極的に開放される機械式ブレーキ(図9に図示せず)が設けられ、アクチュエータには、抵抗によって短絡される駆動電動モータの形態のダンパ(図9にも示されていない)として機能する電気式ブレーキも装備される。この結果、必要な場合、6脚70”を自動的に停止させることが可能であり、この工程において、水平変位装置11の運動による6脚70”の運動を回避するために、現在位置に固定することが可能である。
【0063】
さらに、基準の静荷重を支持するために3つの空圧シリンダ74が設けられる。この幾何学的な構造は、水平変位装置11が静止したとき、ほとんどすべて場合に、水平な安定位置に6脚70”が自動的に下降され、アクチュエータ73が短絡され、空気圧システム74がスイッチオフされ、またブレーキが解放されることを確実にする。図9の空圧シリンダ74の四面体のような装置の代わりに、アクチュエータ73と平行に配置される6つの空圧シリンダを使用することも可能である。
【0064】
関連するエレクトロニクスおよび空圧装置を含む電気式作動の6脚12の全重量は、約3tであり、有効荷重(積載質量)は約3.5tである。電気アクチュエータ(空圧シリンダ)74の作動は、6つのデジタル増幅器を介してPCベースのリアルタイムコンピュータを使用して実施される。さらに、約300リットルの容積および3barの圧力を有する蓄圧器が必要である。
【0065】
図2aから明らかなように、走行作動システム6を有するキャビン5が装着される回転プレート8は、6脚70の運動プラットホーム71内に一体化される。運転シミュレータ1による新規な運動表示(例えば、いわゆる「遠心分離機モード」)を実現できるようにするために、回転プレート8は、任意の所望のサイズの角度にわたる自動車キャビン5の自由な回転を許容するように構成される。走行作動システム6の構成要素は回転プレート8の中心に装着され、走行システム6の閉ループおよび開ループ制御エレクトロニクスも回転プレート8内に収容される。
【0066】
適切な変速機を介した減速付き油圧モータ、ステップダウン(減速)付き変速機を有する電動モータ、または直流駆動部を回転プレート8の駆動部として使用することができる。特に油圧式作動の6脚70’が使用されるならば、油圧モータを使用することが適切であり、さもなければ、油圧モータは回転運動のみのために独立した圧力供給を必要とするので、油圧モータを使用することは不利である。
【0067】
回転プレート8の運動を励振するために直接電気駆動部を使用することは、摩擦を受けるだけでなく摩耗にさらされる変速機または歯付きベルトのような機械的結合要素を完全に省略することが可能であるという利点は有する。モータは、回転プレート8が回転子を形成するように運動プラットホーム71と回転プレート8との間に一体化されることが好ましく、また運動プラットホーム71の周囲領域は電動モータの固定子を形成する。
【0068】
運転者の近くにあり、かつ3Hzを超える自動車振動を表すために使用される走行作動システム6を有する運転者キャビン5は、回転プレート8に装着される。このような高周波振動は、前記試験者の触覚インタフェース(シート75、ステアリングホイール76、ペダル77)における振動として試験者3によって主に知覚される。走行作動システム6によって設定される要件の大部分は、運転者のシート(シートユニット)75に作用する振動パラメータに関する。このため、運転者のシート75に関する運動構想(コンセプト)が以下に考慮され、次に、然るべくスケーリングされ、かつ修正された後、例えば、ステアリングホイール76またはペダルシステム77付きのフロアプレートのような他の走行関連の自動車部分に適用される。
【0069】
現実に近い状態下で3Hz〜30Hzの自動車振動を表すための、運転者シート75の下に配置される作動システム78を構成するために、適切な運動学的システムを最初に選択することが必要である。この周波数範囲を達成するためには、8mm×4mm×20mmの小さな運動領域で十分であり、この運動領域のために、分解された6脚79の運動学を利用することが有利である。図10aと図10bは、それぞれ略X−Z断面および略X−Y断面のこのような運動学的システムの有利な実施形態を示している。運転者シート用の作動システム78は、Z方向の3つのアクチュエータ80、80’、80’’と、Y方向の2つのアクチュエータ81、81’と、X方向のアクチュエータ82とを備える。分解された6脚の運動学的システムを利用する大きな利点は、アクチュエータ80−82の直交配置および小さな運動領域に基づく運動システム79全体の直線的な構成である。このようなシステムは、調整技術に関して、個々のアクチュエータのレベルの状態調整システムを用いて制御することができ、またすべての空間方向の高周波範囲で高性能に操作することができる。走行作動システム6には、電気アクチュエータ80−82を使用することが有利である。この場合、それぞれの個々のアクチュエータ80−82は、電気駆動部と、該電気駆動部と平行に接続されたばねと、構造体を接続するための適切な軸受システムとから構成される。ばねは、アクチュエータ80−82の静荷重を緩和するために必要である。システムの制動は調整装置によって実現される。
【0070】
走行作動システム6の非常運転特性は、カスケード式の運動システム(運動シミュレータ)2のモデル全体に構成されなければならず、電源が不具合になった場合、アクチュエータ(電気駆動部)80−82は抵抗によって短絡されるので、走行作動システム6は、著しく減衰されたばね質量系となる。非常に小さな運動領域のため、力を吸収するストッパが追加して設けられる。走行作動システム6を固定するために、代わりにまたは追加して機械式ブレーキを設けることができる。
【0071】
運動システム1全体の安全構想(コンセプト)は、あらゆる状況下で、試験者3がシミュレータ2内で傷害を受けることがないように構成される。この場合、重要な基準は、例えば、アクチュエータの不具合による停止のためシステムを制動するときに作用する加速が、特定の閾値を超えないことである。通常のシミュレータモードでは、10m/s2の最大値までの加速度が前提とされる。さらに、シミュレータ自体および環境がいかなる状況下でも損傷しないことを確実にすることが必要である。この場合、肝心なことは、例えば、空気軸受16または基部面13のようなすべての構成要素を損傷することなく運動質量を静かに制動することである。
【0072】
安全性構想の中心は、安全性に不可欠な状態を認識し、次にシステムを安全な状態に置くことである。このことは、構成システムが不具合になった場合、安全な状態に静かに移行するために、なお機能している他の構成システムを使用できるように、多数の段階で実施することができる。この場合の前提条件は、運動システム1が安全な状態または停止状態に達するまで、空気軸受16、34のすべてが、短時間でこれらを十分に坦持する効果を有することであり、このことは、適切に構成された蓄圧器によって確実にされる。空気軸受16、34自体は、圧力低下が生じた場合に自動的にシステム1を停止できるために、連続的に監視されなければならない。
【0073】
次に、システム1を安全な状態に自動的に置かなければならない運動システム1の完全欠陥(アクチュエータ6、8、10、11すべての電源の完全な中断に対応する)の例を用いて、安全構想について考慮する。
【0074】
この場合、重大性の最も小さい要因は、電源が中断するときに簡単に電源が遮断され、もはやトルクを生じないステアリングホイール76用のアクチュエータ83であり、したがって、ステアリングホイール76は自由に回転できる。他のすべての運動構成要素システム(走行作動システム6、回転プレート8、6脚70、および水平変位装置11)では、個々のアクチュエータは、電源が中断するときに、これら個々のアクチュエータが自動的に制動され、したがって、許容可能な最大減速を考慮しつつ、システムが可能な限り迅速に停止するように構成される。こうして、走行作動システム6の小さな運動領域のため、シート75およびペダル76はそれらの通常位置に実質的に留まる。回転プレート8の場合、停止位置は重要でない。
【0075】
6脚70は、最も不都合な場合、運動プラットホーム71が極端に傾斜している位置で停止する。このため、システム1全体が停止した後に運動プラットホーム71が平坦な位置に静かに下降される第2の非常運転段階も用意される。このことは、例えば、ブレーキを解放して(ゆるめて)、アクチュエータ72、73をダンパとして使用することによって達成され、この目的のために、適切に構成された抵抗で電気的にアクチュエータが短絡されるか(電気式作動の6脚70’の場合)、あるいはアクチュエータの圧力が対応する流出バルブを介して解放される(油圧式作動の6脚70”の場合)。
【0076】
水平変位装置11の安全構想に関し、ガントリブリッジ26とこれに取り付けられた第1の線形変位装置24とから構成された図1〜図6のカスケード式の実施形態について、特別な例として以下に考慮する。この場合の主な目的は、過度に大きく、したがって安全性にとって重大である床はり27の角度偏位を防止することである。一定の制動力(すなわち、駆動速度と無関係である制動力)を有する機械式ブレーキが、ガントリブリッジ26および第1の線形変位装置24の電気駆動部36、36’、51用のブレーキとして使用されるか、あるいは電磁駆動部36、36’、51自体が、適切に構成された抵抗による短絡によってブレーキとして使用され、この場合、速度に比例する制動力が得られる。2つの原理を組み合わせることも可能である。制動力は駆動方向に常に作用し、また水平変位ユニット11は複数の駆動部36、36’、51を備えるので、駆動部36、36’、51すべてが同一の一定の制動力を有する場合に得られる減速は、常に方向に関係する。例えば、水平変位装置11が10m/s2の対応する減速でX方向にまたY方向の両方に制動されると、対角線の方向に移動するとき、14m/s2の減速度が得られる。
【0077】
一定の制動力をXおよびY方向に印加する機械式ブレーキが駆動36、36’、51に設けられるならば、各々の場合に、7.1m/s2のほぼ一定の減速度が各軸方向X、Yに得られ、したがって、7.1mの制動距離が得られる。Y方向では、このことはキャリヤキャリッジ12の位置と本質的に無関係である。対照的に、X方向では、キャリッジの位置は大きな影響を及ぼし、キャリヤキャリッジ12が中心の外側に配置されるならば、基部ユニット14の重心は中心に関して変位し、このことは、左右への制動力が一定で等しい大きさである場合、2つの案内部35、35’に沿って異なる制動距離、したがって、床はり27の角度偏位をもたらす。これは、速度に比例して制動力を印加する(電磁)ダンパをX方向に追加することによって、部分的に補償することができる。こうして、床はり27の望ましくない大きな角度偏位を防止することができる。さらに、ブレーキが不十分にしか作動していない最悪の場合、水平変位装置11を完全に停止させるバッファ(緩衝器)84が設けられる。
【0078】
運動システム1のブレーキの一般的な構造に関して、運転者シート75および6脚70の各々が、それ自体がまさに制動される水平変位装置11に対して制動される事実を考慮することが必要である。したがって、制動は、最小の(相対的な)運動領域を有するシステム(すなわち運転者のシート75)が最初に停止し、次に6脚70が停止し、次に水平変位装置11が停止するように、階層的に行われなければならない。しかし、可能な限り最速の制動を行うために、システム75、70、11すべては、可能な限り同時に制動する必要があり、どのシステムも他のシステムが完全に停止するまで待てない。このことは、制動が行われるときに、運転者のシート75が最大の減速を受け、6脚70が中程度の減速を受け、また水平変位装置11が最小の減速を受けることを意味する。逆の場合、例えばガントリブリッジ26が制動された場合、6脚70は、過度に小さな制動力のためさもなければそのストッパ内に簡単に「移動する」であろう。
【0079】
以前に考慮した実施形態のキャリヤキャリッジ12およびガントリブリッジ26の支持体33の、低摩擦の軸受のために、空気軸受16、34が考慮されるならば、これらの構成要素には、原則として、低摩擦のころ軸受(転がり軸受)または滑り軸受の形態の軸受を設けることができる。
【0080】
6脚70の代わりに、運転者のシート(シートユニット)75について上述した運動学的システムと同様の、分解した6脚の運動学的システムによって、6軸運動ユニット10を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0081】
【図1a】運転シミュレータ用の本発明による運動システムの概略平面図である。
【図1b】図1aの運動システムの側面図である。
【図2a】図1bの側面図の運動システムの基部ユニットの概略図である。
【図2b】基部ユニットの空気軸受の概略断面図である。
【図3】ガントリブリッジのバンド駆動部を有する図1aの運動システムの側面図である。
【図4】図2aの円形セクションIVによって示されたガントリブリッジの電磁線形駆動部の詳細図である。
【図5】ガントリブリッジの傾斜の概略図である。
【図6a】結合要素による基部ユニットとガントリブリッジとの接続部のZ方向の概略平面図である。
【図6b】図6aによる基部ユニットとガントリブリッジとの接続部のX方向の平面図である。
【図7a】ベルト駆動部によって駆動される水平変位装置の概略平面図である。
【図7b】図7aの水平変位装置の横断面図である。
【図8a】平坦駆動部によって駆動される水平変位装置の概略平面図である。
【図8b】図8aの基部面の詳細図である。
【図8c】図8aによる平坦駆動部を有する水平変位装置の横断面図である。
【図9】電磁駆動される6脚の斜視図である。
【図10a】運転者シート用の作動システムの概略X−Z断面図である。
【図10b】図10aの運転者シートの作動システムの概略X−Z断面図である。
Claims (19)
- 試験者に対して運動印象を生じさせるための運転シミュレータ用の運動システムであって、
−シートと、ステアリング装置および作動ペダルのような操作者制御要素とを備えるキャビンであって、
−前記シートおよび/または前記操作者制御要素の各々が、ホルダによって運動可能に配置され、かつ変位のための制御ユニットを介して、割り当てられた作動要素によって複数の運動方向に互いに対して可変に作動されることができるキャビンを有する運動システムであって、
前記キャビン(5)が、
−前記キャビン(5)の垂直軸を中心とする、前記キャビン(5)の制御された回転運動のための回転プレート(8)と、
−前記回転プレート(8)と前記キャビン(5)とから構成された、前記アセンブリを6つのすべての自由度で運動するための6軸運動ユニット(10)と、
−前記6軸運動ユニット(10)と前記回転プレート(8)と前記キャビン(5)とから構成されたアセンブリを、2つの水平軸線に沿って制御して変位させかつ加速するための水平変位装置(11)と、
を備えるマニピュレータ(7)に固定配置されており、
前記6軸運動ユニット(10)が、平坦な基部面(13)に自由に変位可能に装着されるキャリヤキャリッジ(12)に固定装着され、該キャリヤキャリッジが前記水平変位装置(11)の運動経路によって画定され、かつ前記水平変位装置(11)によって前記基部面(13)に対して引かれるかおよび/または押されることを特徴とする運動システム。 - 前記キャリヤキャリッジ(12)が、空気軸受(16)および/または空気クッションによって前記基部面(13)に対して装着されることを特徴とする、請求項1に記載の運動システム。
- 前記水平変位装置(11)が、2つの線形変位装置(24、25)、
具体的には、
−前記6軸運動ユニット(10)と前記回転プレート(8)と前記キャビン(5)とから構成された前記アセンブリを、第1の水平軸線(Y)に沿って制御して変位させかつ加速するための第1の線形変位装置(24)と、
−前記第1の線形変位装置(24)と前記6軸運動ユニット(10)と前記回転プレート(8)と前記キャビン(5)とから構成された前記アセンブリを、前記第1の水平軸線(Y)に対してほぼ垂直に配向される第2の水平軸線(X)に沿って制御して変位させかつ加速するための第2の線形変位装置(25)と、から構成されることを特徴とする、請求項1あるいは2に記載の運動システム。 - 前記第2の線形変位装置(25)が、ガントリブリッジ(26)として具現化されることを特徴とする、請求項3に記載の運動システム。
- 前記ガントリブリッジ(26)が、空気軸受(34)および/または空気クッションによって前記基部面(13)に対して支持されることを特徴とする、請求項4に記載の運動システム。
- 前記ガントリブリッジ(26)の運動励振が、端部に配列される2つのベルト牽引駆動部(37)によって実施されることを特徴とする、請求項3あるいは4に記載の運動システム。
- 前記ガントリブリッジ(26)の運動励振が、端部に配列される2つの電磁線形駆動部(43、43’)によって実施されることを特徴とする、請求項3あるいは4に記載の運動システム。
- 前記ガントリブリッジ(26)が、ヒンジ(48)によって2つの駆動部のうち一方の駆動部(36)と接続され、またY方向に直線的に限定的に変位することができる回転接続部(49)によって他方の駆動部(36’)に対して装着されることを特徴とする、請求項6あるいは7に記載の運動システム。
- 前記第1の線形変位装置(24)を駆動するために、前記6軸運動ユニット(10)と前記回転プレート(8)と前記キャビン(5)とから構成された前記アセンブリを、前記ガントリブリッジ(26)に対して変位させるために使用できる電磁線形駆動部(51)が設けられることを特徴とする、請求項4〜8のいずれか1項に記載の運動システム。
- 前記キャリヤキャリッジ(12)が、結合要素(55、55’)によって前記第1の線形変位装置(24)に対して支持されることを特徴とする、請求項3に記載の運動システム。
- 前記第1の線形変位装置(24)が、前記第2の線形変位装置(25)の重心のレベルに対応するレベル(85)で前記第2の線形変位装置(25)に接続されることを特徴とする、請求項3に記載の運動システム。
- 前記第1の線形変位装置(24)の前記少なくとも1つの駆動部(51)および/または前記第2の線形変位装置(25)の前記少なくとも1つの駆動部(36、36’)に、受動ブレーキ系が設けられることを特徴とする、請求項3に記載の運動システム。
- 前記第1および/または第2の線形変位装置(24、25)に、制動の場合に生じる力を誘導するためのエンドストップ(84)が設けられることを特徴とする、請求項3に記載の運動システム。
- 前記水平変位装置(11)が、2つのベルト牽引駆動部または2対のベルト牽引駆動部(60、60’)によって形成され、前記ベルト牽引駆動部の作用方向が互いにほぼ直角であることを特徴とする、請求項1あるいは2に記載の運動システム。
- 前記水平変位装置(11)が、平坦な電磁駆動部(65)によって形成されることを特徴とする、請求項1あるいは2に記載の運動システム。
- 前記平坦な電磁駆動部(65)が、少なくとも2つの電磁駆動される変位シュー(67)を備え、該変位シューが互いに同期して運動することができ、また該変位シューに前記キャリヤキャリッジ(12)が機械的に結合されることを特徴とする、請求項15に記載の運動システム。
- 前記6軸運動ユニット(10、70)が、電気駆動部(73)を用いて運動されることを特徴とする、請求項1〜16のいずれか1項に記載の運動システム。
- 前記6軸運動ユニット(10)が6脚(70)であることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載の運動システム。
- 前記キャビン(5)が、前記回転プレート(8)に永久的に接続されるドーム(4)内に配置されることを特徴とする、請求項1〜18のいずれか1項に記載の運動システム。
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