JP2874098B2 - シミュレーション装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、遊戯施設や操縦訓練等に使用するシミュレ
ーション装置に関し、特に、リアルな加速度感を疑似的
に体験できるシミュレーション装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来技術として、例えば、「観客の拘束機構を有する
座席と映像表示機構とを備えたゴンドラは全体が少なく
とも観客の前後方向へと回転自在に設けてあり、観客の
視点から撮影した映像の加速度方向と観客に働く重力方
向が一致するようにゴンドラを回転させる」構造が開始
されている（実公昭61−32711）。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した従来のシミュレーション装置では、加速度の
方向を、重力方向に一致させているだけなので、重力以
上の加速度感を得ることができず、しかも、加速度感が
一定で不自然であるという問題があった。

本発明の目的は、前述の課題を解決し、実際の乗り物
等の運転状態に近い、リアルな加速度感を得ることがで
きるシミュレーション装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するために、本発明によるシミュレー
ション装置は、主軸を中心にして回転自在であるととも
に、その主軸の軸方向に移動自在である支持体と，前記
支持体の主軸から放射方向に所定の距離だけ離れた位置
に設けられ、ｘ軸,y軸,z軸の３軸を中心に回転自在であ
る３軸支持機構と，前記３軸支持機構に支持され、搭乗
者を１名以上収容する１以上のコックピットと，前記支
持体をその主軸を中心に回転させるラジアル駆動部と，
前記支持体を主軸の軸方向に移動させるスラスト駆動部
と，前記３軸支持機構をｘ軸を中心に回転させるｘ軸駆
動部と，前記３軸支持機構をｙ軸を中心に回転させるｙ
軸駆動部と，前記３軸支持機構をｚ軸を中心に回転させ
るｚ軸駆動部と，前記ｘ軸,y軸,z軸駆動部により前記各
コックピットの姿勢を決めて、前記ラジアル駆動部，前
記スラスト駆動部により前記コックピットを回転，移動
させることにより、前記搭乗者に３次元的な変位，速
度，加速度を与えるような制御信号を出力する制御部と
から構成してある。

また、本発明によるシミュレーション装置は、主軸を
中心にして回転自在である支持体と，前記支持体の主軸
から放射方向に所定の距離だけ離れた位置に設けられ、
ｘ軸,y軸,z軸の３軸を中心に回転自在である３軸支持機
構と，前記３軸支持機構に支持され、搭乗者を１名以上
収容する１以上のコックピットと，前記支持体をその主
軸を中心に回転させるラジアル駆動部と，前記３軸支持
機構をｘ軸を中心に回転させるｘ軸駆動部と，前記３軸
支持機構をｙ軸を中心に回転させるｙ軸駆動部と，前記
３軸支持機構をｚ軸を中心に回転させるｚ軸駆動部と，
前記ｘ軸,y軸,z軸駆動部により前記各コックピットの姿
勢を決めて、前記ラジアル駆動部により前記コックピッ
トを回転させることにより、前記搭乗者に３次元的な変
位，速度，加速度を与えるような制御信号を出力する制
御部とから構成することができる。

これらの場合に、前記コックピットは、前記搭乗者の
操作信号を前記制御部に入力する入力装置を有するよう
な構成とすることができる。

〔実施例〕

以下、図面等を参照して、実施例について、本発明を
詳細に説明する。

第１図〜第４図は、本発明によるシミュレーション装
置の実施例を示した図であって、第１図は側断面図、第
２図は斜視図、第３図は第１図III−III断面図，第４図
は第１図IV−IV断面図である。

支持体１は、主軸11を中心にして、平行に配置された
２枚の円板12が、回転および昇降できる構造である。

主軸11には、外周に軸と平行な方向に複数の山部11a
が設けられており、各山部11aの間には、ラック部11bが
設けられている（第１図，第３図）、また、円板12の中
心部には、主軸11の断面形状に対応した開口部12aが形
成されている。

主軸11は、上下の軸受13によって回転自在に支持され
ており、上側に設けられた歯車14に、ラジアル駆動部41
の出力軸に設けられたピニオン歯車41aが噛み合ってい
る（第１図）。

円板12の開口部12aの周辺には、スラスト駆動部42が
多数配置されており（第４図）、スラスト駆動部42の出
力軸に設けられたピニオン歯車42aが、主軸11のラック
部11bに噛み合っている。

上側の円板12の上面と下側の円板12の下面には、外周
部に多数のタイヤ15が設けられている（第１図，第３
図）。タイヤ15は、スプリング16により、外側の壁17に
押し付けられている。このタイヤ15,スプリング16は、
本発明にとって必須のものではないが、円板12が回転し
ているときに働く力（遠心力）を少しでも抑えることが
できるとともに、振動を与えて臨場感が出せるように設
けられている。

このように支持体１は、ラジアル駆動部41の駆動力に
より、主軸11を回転させると、山部11aが円板12の開口
部12aに係合して、空回りすることなく一緒に回転でき
る。このとき、スラスト駆動部42の駆動力により、円板
12は、回転運動とは独立に、主軸11のラック部11bに沿
って上下に移動することができる。

なお、支持体１が回転および昇降するスペースは、大
きなものになるので、地下に穴を設けて、設置すること
が好ましい。

第５図は、本発明によるシミュレーション装置の実施
例に用いられる３次元支持機構を説明するための斜視
図、第６図は、前記３次元支持機構の駆動部を示した図
である。

３次元支持機構３は、２枚の円板12の間であって、外
周の内側に多数設けられており、各３次元支持機構３に
は、それぞれコックピット５が取り付けられている。

３次元支持機構３は、外枠31と中枠32と内枠33とから
構成されている。

外枠31は、内側に歯車をもつ外輪31aと、外輪31aの内
側に隙間を設けて配置され、外側に歯車をもつ内輪31b
とからなり、外輪31aと内輪31bの各歯車には、ｘ軸駆動
部43の出力軸に設けられたピニオン歯車43aが噛み合っ
ている。ｘ軸駆動部43は、円周状に多数配置されてい
る。また、外輪31aと内輪31bの各歯車には、ｘ軸駆動部
43を持たないアイドルピニオン歯車43bが、ピニオン歯
車43aの間に配置されており、転がり軸受の転動体の役
割を果たしている。

外輪31aが固定されている場合に、ピニオン歯車43aが
第６図（ａ）の時計方向に自転すると、ピニオン歯車43
aは反時計方向に公転し、内輪31bも反時計方向に回転す
る。

中枠32,内枠33も、外枠31と同様な構造をしており、
ｙ軸駆動部44,z軸駆動部45により同様に駆動される。

この実施例では、外枠31は、外輪が円板12に固定され
ており、内輪がｘ軸を中心に回転する。中枠32は、外輪
が外枠31の内輪に直交するように固定されており、内輪
がｙ軸を中心に回転する。内枠33は、外輪が中枠32の内
輪に直交するように固定されており、内輪がｚ軸を中心
に回転する。

内枠33の内輪には、コックピット５が固定されてい
る。

第７図は、本発明によるシミュレーション装置の実施
例に用いられるコックピットを示した斜視図、第８図
は、前記コックピットの内部を示した斜視図である。

この実施例のコックピット５は、車を例にしたもので
あって、搭乗者が座れる座席51が設けられている。座席
51には重量センサが設けられており、コックピット５の
重心に搭乗者がくるように座席51が自動的に移動する。
また、座席51に搭乗者を固定する安全ベルト等の安全装
置52が設けられている。

座席51の前面，上面，左右側面には、シミュレーショ
ン内容の画像が表示される４台のモニタ53が設けられて
おり、搭乗者の視界に入る全ての画像を再現する。

また、スピーカ54が、座席51を囲むように多数設けら
れており、エンジン音や振動音がサラウンドで再現され
る。

その他にも、運転操作に必要なハンドル55,シフトレ
バー56,アクセル57,ブレーキ58,クラッチ59等が設けら
れている。なお、この実施例では、これらの操作部は機
能しないが、後述する実施例（第19図）では、コントロ
ーラ６への入力装置として使用することができる。

第９図〜第20図は、本発明によるシミュレーション装
置の実施例に用いられるコントローラの動作を説明する
ための図である。

コックピット内の搭乗者に働く力は、実際に乗り物に
乗ったときに働く力の方向と釣り合うように向ければよ
い。このため、コントローラ６では、各動作状態に対す
る力の向けかたを、以下のような場合に分けて制御して
いる。

ここでは、平地を走行していると仮定して、加速状態
（加速，等速，減速），操舵状態（直線，左曲げ，右曲
げ）によって、次のような動作状態がある。

（１）加速−直線 （２）等速−直線 （３）減速−直
線 （４）加速−左曲げ（５）加速−右曲げ（６）等速−左
曲げ （７）等速−右曲げ（８）減速−左曲げ（９）減速−右
曲げ これらの状態に、さらに上り下りの運動を入れると27
通りになり、（０）停止状態を加えた合計28通りの場合
について制御を行えばよい。

この28種類の運動は、状態の変化により次の運動に移
るので、その組み合わせが何通りかでてくる。例えば、
停止状態からの状態の変化は、（１）加速−直線，
（４）加速−左曲げ，（５）加速−右曲げの３種類あ
る。これを次のように表す。

（０）→〔（１），（４），（５）〕３種類 前記（１）〜（９）までの状態の変化を同様に示せば
以下の通りである。

(1)→〔(2),(3),(4),… (8),(9)〕８種類 (2)→〔(1),(3),(4),… (8),(9)〕８種類 (3)→〔(0),(1),(2),(4),(5),… (8),(9)〕９種類 (4)→〔(1),(2),(3),(5) (6),(7) (8),(9)〕８種類 (5)→〔(1),(2),(3),(4),(6),(7) (8),(9)〕８種類 (6)→〔(1),(2),(3),(4),(5),(7),(8),(9)〕８種類 (7)→〔(1),(2),… (6),(8),(9)〕８種類 (8)→〔(0),(1),(2),… (7),(9)〕８種類 (9)→〔(0),(1),(2),… (7),(8)〕８種類 この（０）〜（９）の場合（以下、基本形という）に
は、上りまたは下りの運動があり、さらに、上りまたは
下りの場合から出発する運動もあるので、その組み合わ
せは合計720種類になる。

ただし、装置全体の構造から考えると、基本形に上り
または下りの運動を加えないようにすることができる。
つまり上りまたは下りの運動は、全て基本形（ラジアル
駆動部41による支持体１の回転と、ｘ〜ｚ駆動部43〜45
によるコックピット５の回転）とは別のスラスト駆動部
42の上下の運動により、制御することができる。従っ
て、前述した基本形の78種類と、独立した上下の動きを
考えればよい。

次に、前述した基本形における駆動部の制御について
説明する。第９図〜第18図において、Ｆは搭乗者が感じ
る力、Ｇは重力、Ｃは向心力、Ａは加速力を示しその方
向と大きさを矢印→で示している。正規の回転方向は、
白抜の矢印で示してある。各駆動部41,42,43,44,45
は、オン状態を「１」、オフ状態を「０」で表わし、例
えば、全てのオフの場合には〔0,0,0,0,0〕と表すもの
とする。また、各駆動部41,42,43,44,45の駆動力は、I,
II,III,IV,Vで表すものとする。

（０）停止状態（第９図）では、駆動部は〔0,0,0,0,
0〕の状態に制御する。これは、全く動かない状態であ
り、搭乗者に働く力は重力Ｇのみである。

（１）加速−直線（第10図）のときには、駆動部は〔1,
0,1,1,1〕の状態に制御する。搭乗差は、真下と真後に
かかる力を感じる。駆動力の程度は、加速度の変化によ
って変わる。

（２）等速−直線（第11図）のときには、駆動部は〔0,
0,0,0,0〕の状態に制御する。このときは、前述した停
止状態と同じで、力が何もかからない状態が一番よい
が、駆動力Ｉによる回転がある場合には、第11図（ｄ）
〜（ｆ）のように〔1,0,1,1,1〕の状態に制御する。駆
動力I,III,IV,Vが動いているときでも、なるべく駆動力
Ｉの回転速度が遅いほうがよい。搭乗者は、真下に重力
Ｇしかかからない。なぜなら、上下の動きは、駆動力II
で行うわけであるが、駆動力Ｉが回転していると、上下
の動きは回転速度が遅いほど傾いてしまうからである。
また、駆動力Ｉの回転速度を変化させるときは、搭乗者
に力が真下にかかるように駆動力III,IV,Vを調節する
（第11図（ｄ）〜（ｆ））。

（３）減速−直線（第12図）のときには、駆動部は〔1,
0,1,1,1〕の状態に制御する。減速する場合には、搭乗
者は、真下と前方に力を感じる。ただし、駆動力Ｉは、
正規の回転方向と逆向きに加速する。駆動力III,IV,V
は、力のかかり具合により調節する。

（４）加速−左曲げ（第13図）のときには、駆動部は
〔1,0,1,1,1〕の状態に制御する。加速しながら左に曲
がると、搭乗者は、真下と真後と真横（右）の力を感じ
る。このときは、コックピット５が、ｘ−ｙ平面上を18
0度回転している。また、駆動力III,IV,Vは、力のかか
り具合により調節し、駆動力Ｉは、正規の回転方向と逆
向きに加速または回転する。

（５）加速−右曲げ（第14図）のときには、駆動部は
〔1,0,1,1,1〕の状態に制御する。加速しながら右に曲
がると、搭乗者は、真下と真後と真横（左）の力を感じ
る。このとき、駆動力III,IV,Vは、力のかかり具合によ
り調節する。

（６）等速−左曲げ（第15図）のときには、駆動部は
〔1,0,1,0,0〕の状態に制御する。等速で左に曲がる
と、搭乗者は、真下と真横（右）に力を感じる。駆動力
Ｉの回転速度と遠心力により、駆動力IIIの回転角が決
まる。このときは、コックピット５が、ｘ−ｙ平面上を
180度回転している。

（７）等速−右曲げ（第16図）のときには、駆動部〔1,
0,1,0,0〕の状態に制御する。等速で右に曲がると、搭
乗者は、真下と真横（左）に力を感じる。駆動力Ｉの回
転速度と遠心力により、駆動力IIIの回転角が決まる。

（８）減速−左曲げ（第17図）のときには、駆動部は
〔1,0,1,1,1〕の状態に制御する。減速しながら左に曲
がると、搭乗者は、真下と前方と真横（右）に力を感じ
る。このときは、コックピット５が、ｘ−ｙ平面上を18
0度回転している。駆動力III,IV,Vは力のかかり具合に
より調節する。

（９）減速−右曲げ（第18図）のときには、駆動部は
〔1,0,1,1,1〕の状態に制御する。減速しながら右に曲
がると、搭乗者は、真下と前方と真横（左）に力を感じ
る。駆動力III,IV,Vは、力のかかり具合により調節す
る。駆動力Ｉは、正規の回転方向と逆向きに加速する。

なお、コックピット５が、ｘ−ｙ平面上を180度を回
転する場合に、不自然さを感じさせないように、回転中
に外方向に向いたときに、遠心力を感じないように、ｓ
平面が遠心力と重力の合力に垂直になるように傾けるよ
うにすればよい。

コックピット５の基本的な動作状態は、以上の10種類
である（ただし、以上のものはほんの１例にすぎず、他
の方法もある）。なお、駆動力III,IV,Vは、動かなくて
もよいような場合にも動いているが、これはそのときの
力の配分の具合で調節するためである。また、駆動力II
は、上下動用であるため、すべての状態で停止している
が、駆動力IIを作動させれば、残り68の各状態をシミュ
レーションできる。

コントローラ５で制御されるシミュレーションの内容
は、前述の基本的な動作を組み合わせて、駆動力III,I
V,Vなどの微調整をすることにより所定のサーキットコ
ース等を走行する車の状態を再現するようにすればよ
い。

例えば、（０）停止状態から（１）加速−直線の動作
に移るような場合には、駆動力Ｉで正規回転方向（時計
方向）回転させ、その駆動力の加速度に合わせて、駆動
力Ｖを調節し、さらに、駆動力III,IVで微調整を行う。

（０）停止状態から（４）加速−左曲げの動作に移る
場合には、駆動力Ｖによりコックピット５を180度回転
させたのち、駆動力Ｉで逆（反時計方向）に回転させ、
駆動力Ｉの加速に合わせて、駆動力III,IV,Vで微調整を
行う。

（０）停止状態から（５）加速−右曲げの動作に移る
場合には、駆動力Ｉの加速に合わせて、駆動力III,IV,V
で微調整を行う。

（１）加速−直線の動作から（３）減速−直線の動作
に移るような場合には、第19図に示すように、駆動力Ｉ
を逆方向に加速しながら（このとき駆動力Ｉは正規方向
に回転している）、駆動力Ｖを調整し、それと同時に途
中で遠心力を感じさせないように、駆動力III,IVで調整
を行う。つまり、（１）加速−直線の状態から、駆動力
Ｉを逆方向に加速しておいて、駆動力Ｖを反時計方向に
回転し（第19図（ａ）〜（ｃ））、駆動力IIIを駆動力
Ｖが回転途中で搭乗者が遠心力を感じさせないように、
反時計方向に回転し、再び水平に戻す（第19図（ｄ）〜
（ｆ））。なお、駆動力IVは、必要がある場合に微調整
をする。

（１）加速−直線の動作から（４）加速−左曲げの動
作に移るような場合には、さらに複雑になり、第20図に
示すように、まず、駆動力Ｉが加速を緩めて次第に逆方
向に加速しながら駆動力Ｖが時計方向に回転する。さら
に、遠心力が加速度として自然に感じられるように、駆
動力I,III,IV,Vで微調整を行う。そのとき、駆動力Ｉの
加速はまだ正規の方向であり、横方向の加速度として感
じられることになる。第20図のように上から見た場合
に、前がｙ軸の負の方向を向き、第20図（ｄ）の状態に
なるまでは、駆動力Ｉは正規の方向に加速して、その後
に逆方向に加速する。

なお、第20図（ｂ）をみれば分かるように、ここです
でに（４）減速−右曲げの状態になっており、その状態
を保っていればよいようであるが、この状態が長く続く
と（もちろん、短い間であれば大丈夫であるが）、コッ
クピット５の速度が増加しすぎる可能性があるし、次の
動作に移るのが困難になる。いずれにしても、このよう
に基本的な（０）〜（９）の状態は、前述した例に限ら
ず、種々の方法でそれらの状態にすることができる。

第21図，第22図は、本発明によるシミュレーション装
置の他の実施例を示した図であって、第21図は制御部、
第22図は支持体を示した図である。

前述した実施例では、支持体に多数のコックピットを
装備して、それらを一律に駆動制御しているので、搭乗
者は、シミュレーション装置の動くままに受け身であ
り、能動的なアクションをとることはできない。

この実施例では、第７図、第８図で説明したコックピ
ット５のハンドル55,シフトレバー56,アクセル57,ブレ
ーキ58,クラッチ59等を入力装置として、第21図に示す
ように、搭乗者からのアクションをコントローラ６に入
力し、搭乗者の操作によりシミュレーション装置を駆動
するようにしたものである。

この場合には、第22図に示すように、支持体２とし
て、主軸21を中心に回転するアーム22により、３次元駆
動機構３を支持するようにすればよい。

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明の
範囲内で種々の変形を施すことができる。

例えば、支持体は、主軸に円板を固定して、主軸を上
下に移動するようにしてもよい。

主軸を上下に移動させないようにすれば構造が簡単に
なり、装置全体が数分の１程度に小さくできるうえ、制
御も簡単になる。

多数のコックピットをアームをもつ支持体で支持する
ようにしてもよいし、１個のコックピットを２枚の円板
で支持してもよい。

シミュレーションの内容は、車に限らず地上，水上，
水中，空中，および主軸を長くすれば重力圏外等を移動
するあらゆる乗り物に使用できる。また、地震の疑似体
験などにも使用できる。

〔発明の効果〕

以上詳しく説明したように、本発明によれば、支持体
によりコックピットを回転または移動させてコックピッ
ト内の搭乗者に加速度感を与えるときに、コックピット
を３次元支持機構で姿勢制御をしているので、実際に近
いリアルな加速度感を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明によるシミュレーション装置
の実施例を示した図であって、第１図は側断面図、第２
図は斜視図、第３図は第１図III−III断面図，第４図は
第１図IV−IV断面図である。 第５図は、本発明によるシミュレーション装置の実施例
に用いられる３次元支持機構を説明するための斜視図、
第６図は、前記３次元支持機構の駆動部を示した図であ
る。 第７図は、本発明によるシミュレーション装置の実施例
に用いられるコックピットを示した斜視図、第８図は、
前記コックピットの内部を示した斜視図である。 第９図〜第20図は、本発明によるシミュレーション装置
の実施例に用いられるコントローラの動作を説明するた
めの図である。 第21図，第22図は、本発明によるシミュレーション装置
の他の実施例を示した図であって、第21図は制御部、第
22図は支持体を示した図である。 1,2……支持体 ３……３次元駆動機構 41……ラジアル駆動部、42……スラスト駆動部 43……ｘ軸駆動部、44……ｙ軸駆動部 45……ｚ駆動部 ５……コックピット ６……コントローラ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸を中心にして回転自在であるととも
   に、その主軸の軸方向に移動自在である支持体と，前記
   支持体の主軸から放射方向に所定の距離だけ離れた位置
   に設けられ、ｘ軸,y軸,z軸の３軸を中心に回転自在であ
   る３軸支持機構と，前記３軸支持機構に支持され、搭乗
   者を１名以上収容する１以上のコックピットと，前記支
   持体をその主軸を中心に回転させるラジアル駆動部と，
   前記支持体を主軸の軸方向に移動させるスラスト駆動部
   と，前記３軸支持機構をｘ軸を中心に回転させるｘ軸駆
   動部と，前記３軸支持機構をｙ軸を中心に回転させるｙ
   軸駆動部と，前記３軸支持機構をｚ軸を中心に回転させ
   るｚ軸駆動部と，前記ｘ軸,y軸,z軸駆動部により前記各
   コックピットの姿勢を決めて、前記ラジアル駆動部，前
   記スラスト駆動部により前記コックピットを回転，移動
   させることにより、前記搭乗者に３次元的な変位，速
   度，加速度を与えるような制御信号を出力する制御部と
   から構成したシミュレーション装置。
2. 【請求項２】主軸を中心にして回転自在である支持体
   と，前記支持体の主軸から放射方向に所定の距離だけ離
   れた位置に設けられ、ｘ軸,y軸,z軸の３軸を中心に回転
   自在である３軸支持機構と，前記３軸支持機構に支持さ
   れ、搭乗者を１名以上収容する１以上のコックピット
   と，前記支持体をその主軸を中心に回転させるラジアル
   駆動部と，前記３軸支持機構をｘ軸を中心に回転させる
   ｘ軸駆動部と，前記３軸支持機構をｙ軸を中心に回転さ
   せるｙ軸駆動部と，前記３軸支持機構をｚ軸を中心に回
   転させるｚ軸駆動部と，前記ｘ軸,y軸,z軸駆動部により
   前記各コックピットの姿勢を決めて、前記ラジアル駆動
   部により前記コックピットを回転させることにより、前
   記搭乗者に３次元的な変位，速度，加速度を与えるよう
   な制御信号を出力する制御部とから構成したシミュレー
   ション装置。
3. 【請求項３】前記コックピットは、前記搭乗者の操作信
   号を前記制御部に入力する入力装置を有することを特徴
   とする請求項（１）または（２）記載のシミュレーショ
   ン装置。