JP3789150B2

JP3789150B2 - 動的体感発生装置

Info

Publication number: JP3789150B2
Application number: JP18279995A
Authority: JP
Inventors: 孟阿部; 俊治熊澤
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2015-07-19
Also published as: JPH0934348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動的体感発生装置に関する。詳しくは、乗物への搭乗時やスポーツ時などで体感する運動を模擬するシステム等において、動的体感を与える動的体感発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、乗物等の運動を模擬するシステム等においては、実際に近い動揺を発生させるために、油圧や電気を駆動源とする複雑で且つ大がかりな装置が用いられていた。従って装置は高価とならざるを得なかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の技術においては、例えば、運動模擬システムにおいて、有効な動的体感を、簡単安価な手段で与えることは困難もしくは不可能であった。
【０００４】
本発明は上記従来の問題点に鑑み、簡単安価な構成で実際と同様な動的体感を与えることができる動的体感発生装置を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の動的体感発生装置に於いては、ジンバル機構により揺動自在に支承された疑似乗物部に、才差軸を介して１個もしくは複数個の慣性回転輪を回転可能に設け、該慣性回転輪が回動したときの角運動量及び才差トルクの反動を前記才差軸を介して前記疑似乗物部に伝え、前記疑似乗物部に実乗物の疑似運動をさせることを特徴とする。
【０００６】
また、前記慣性回転輪の個数、回転数及び複数個の慣性回転輪の回転軸の相互角度は、慣性回転輪の発生する回転反動トルク及び才差トルクの合成ベクトルによる体感を最適に与えることができるように任意に設定できることを特徴とする。また、前記慣性回転輪は、内周に複数の磁極を有し、回転磁界を発生する固定子により回転駆動されることを特徴とする。この構成を採ることに依り、簡単安価な構成で実際と同様な動的体感を与えることができる動的体感発生装置が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は本発明の第１の実施の形態を示す図であり、モーターボートシミュレータの動揺装置に応用した例で、図１は鳥瞰図、図２は側面断面図、図３は平面図である。
本実施の形態は、図１〜図３に示すように、基台１に１対の支持台２，２′が所定の間隔で設けられ、該支持台２，２′の上部には軸受３，３′が設けられている。そして該軸受３，３′には略楕円形状のジンバル枠４が、その長手方向の前後に設けられた軸５，５′（該軸の中心をロール軸Ｒ−Ｒ′が通る。）を介して左右に揺動可能に支持されている。
【０００８】
また、前記ジンバル枠４には長手方向の略中央の左右に軸受６，６′が設けられており、該軸受６，６′には船体７が、その左右に設けられた軸８，８′（該軸の中心をピッチ軸Ｐ−Ｐ′が通る。）を介して前後に揺動可能に支持されている。なお、前記支持台２，２′及びジンバル枠４に設けられた軸受３，３′，６，６′は玉軸受けを用いることが好ましい。
【０００９】
船体７には、船底板９の上にステアリング軸１０とその一端に取り付けられたステアリングハンドル１１と、操縦者用の座席１２と、後述する慣性回転輪の才差軸を回動させるサーボモータ１３と、角度検出器１４等が設けられている。
【００１０】
船底板９には図２に示すように４箇所に軸受１５，１６，１７，１８が設けられている。そして、一番前の軸受１５は、船底板９を斜めに貫通してステアリング軸１０が挿通され、該ステアリング軸１０の先端には傘歯車１９が取り付けられている。また前から２番目の軸受１６は、前記ステアリング軸１０の傘歯車１９に噛み合う傘歯車２０と第１のプーリ２１とを軸２２により回転可能に支持している。なお、前記軸受１６、１７、１８には玉軸受を用いることが好ましい。
【００１１】
また、前から３番目の軸受１７は、船体７のピッチ軸Ｐ−Ｐ′より前方に位置しており、該軸受け１７には、第１慣性回転輪２３と該第１慣性回転輪２３を回転輪支持軸３４を介して支持したフォーク状の枠２４と第２のプーリ２５とが才差軸２６（該軸の中心を才差軸Ｇ₁−Ｇ₁′が通る。）を介して回転可能に支持されている。そして第２のプーリ２５と前記第１のプーリ２１との間にはベルト２７が掛け渡され、ハンドル１１の回転に対し、才差軸２６が逆の方向に回転するようになっている。なお、ハンドル１１とプーリ２５の回転比は傘歯車１９，２０のギア比及びプーリ２１，２５の直径の比を適宜選択して決めることができる。
【００１２】
また、前から４番目の軸受１８は、船体７のピッチ軸Ｐ−Ｐ′より後方に位置しており、該軸受１８には、第２慣性回転輪２８と、該第２慣性回転輪２８を回転輪支持軸３４′を介して支持したフォーク状の枠２９とが才差軸３０（該軸の中心を才差軸Ｇ₂−Ｇ₂′が通る。）を介して支持されている。そして、該才差軸３０は船底板を貫通して船体内に突出し、先端に平歯車３１が取り付けられており、該平歯車３１は前記サーボモータ１３に取り付けられた平歯車３２、及び角度検出器１４に取り付けられた平歯車３３と噛み合っている。
【００１３】
前記第１，第２の慣性回転輪２３，２８は二相電気モータの機能を有し、図４の断面図に示すような構造を有している。同図において２４（又は２９）は才差軸２６（又は３０）に設けられたフォーク状の枠であり、該枠には回転輪支持軸３４（該軸３４は回転しない。）がナット３５，３５′により締付固定されている。そして、該軸３４には回転磁界印加用コイル３６を有する固定子３７が固定され、その両側に１対の玉軸受３８，３８′を介して回転板３９，３９′が支持され、該回転板３９，３９′により複数の磁界を有するリング磁石４０と磁性材料よりなる外側リング４１が挟持されている。なお、コイル３６への入力電源は図示なきフレキシブルワイヤによって回転輪外部から供給されるようになっている。
【００１４】
図５は本発明の実施の形態における制御系を示す図である。同図において、５０はインスツルメントパネルであり、該インスツルメントパネル５０には、エンジンキー５１、ジンバル角度設定レバー５２、制御レバー５３が設けられている。そして、エンジンキー５１はＯＮ，０ＦＦ，ＳＴＡＲＴの各接点を有し、そのＳＴＡＲＴ接点がリレー５４の駆動コイルに接続されている。また、慣性回転輪角度設定レバー５２は図示なき角度設定回路を有し、その慣性回転輪角度設定信号（０°〜９０°）を送出する信号線がリレー５４のａ₁接点に接続され、慣性回転輪角度９０°設定信号を送出する信号線がリレー５４のａ₂接点に接続されている。
【００１５】
また該リレー５４の接片はサーボ増幅器５５に接続している。このサーボ増幅器５５は運転席からの慣性回転輪角度設定信号によってサーボモータ１３を駆動し、才差軸３０をＧ−Ｇ′線回りに０〜９０°の範囲で回転するようになっていて、平歯車３１と噛み合う平歯車３３によって駆動される角度検出器１４からのフィードバック信号によって任意の角度に設定できるようになっている。また、制御レバー５３は、第１，第２慣性回転輪２３，２８の固定子コイル３６に供給する電流を制御する制御電源部５６に接続し、第１，第２慣性回転輪２３，２８の始動・停止及び正転・逆転を制御することができるようになっている。
【００１６】
このように構成された本発明の実施の形態の作用を次に説明する。
▲１▼先ず、ハンドル１１を中立の位置にする。これにより第１慣性回転輪２３の慣性回転輪支持軸３４はＰ−Ｐ′軸と平行になる。
▲２▼次に、慣性回転輪角度設定レバー５２を０に合わせる。これにより第２の慣性回転輪２８の慣性回転輪支持軸３４′もＰ−Ｐ′軸と平行になる。
【００１７】
▲３▼次に、エンジンキー５１を右に回してＯＦＦからＯＮにする。これにより本装置の搭載機器に必要な電源が供給される。また、才差軸３０を駆動して第２慣性回転輪２８の慣性回転輪支持軸３４′の向きを上から見て時計回りに回転させ、Ｒ−Ｒ′軸に平行にする。この動作は慣性回転輪角度設定レバー５２が０°に合わせられていても、エンジンキー５１がＯＮ位置では、リレー５４の接片が電気的に接点ａ₂側になり、慣性回転輪角度９０°の設定信号がサーボモータ１３へ伝達される。
【００１８】
▲４▼次に、エンジンキー５１を“ＳＴＡＲＴ”の位置に回す。次いで制御レバー５３をＦ（前進）位置に操作する。これにより、第２慣性回転輪２８を後ろから見て時計回りに回転させるように回転磁界発生用制御電源５６からコイル３６に入力電源が供給される。この第２慣性回転輪２８の回転の反動トルクによって船体７は、後ろから見て反時計回りに回転し、実船のスクリュープロペラ始動時（プロペラが時計回りのとき）と同様な体感を操縦者に与える。
【００１９】
▲５▼次に、第２慣性回転輪２８の回転始動後、約３秒後にリレー５４の接片は自動的に接点ａ₁側に切り換わる。同時に（イ）第２慣性回転輪２８の回転輪支持軸３４は、上方から見て反時計回りに、Ｐ−Ｐ′軸と平行な位置に約２０°／秒の速度で自動的に戻される。（ロ）第１慣性回転輪２３へは船体右側から見て時計回りの回転が与えられるように、回転磁界発生用制御電源５６から入力電源が供給され、回転始動される。
【００２０】
以上の▲１▼〜▲５▼のシーケンスは、シミュレータの制御回路のブログラムによって実行される。これにより第１慣性回転輪２３の回転反動トルクと、第２慣性回転輪２８の回転輪支持軸３４のＰ−Ｐ′軸方向への戻り時に発生する才差トルク（船体後方より見て反時計回りのトルク）と、回転増速による反動トルクとによって船体７をＰ−Ｐ′軸回りに、実船増速時と同様なノーズアップ動揺を生ぜしめることができる。
後進の場合は、第１、第２慣性回転輪２３、２８のシーケンス上の回転方向を全て逆にすることにより、ノーズダウンの動揺を生ぜしめることができる。
【００２１】
第１，第２慣性回転輪２３，２８の正又は逆の回転の増速は、制御レバー５３の倒す角度を大きくすることによって、制御電源５６からコイル３６への出力電圧を上昇させて夫々の慣性回転輪２３，２８に与えるようになっている。この慣性回転輪２３，２８の増速時の反動は操縦者に増速時の動揺を体感させることになる。
【００２２】
また、図５の回転輪角度設定レバー５２を回して第２慣性回転輪２８の回転支持軸３４′の方向をＰ−Ｐ′軸に対して、任意の角度に設定することにより、船体７をＲ−Ｒ′軸及びＰ−Ｐ′軸の回りに縦波や横波による船体の動揺を任意に与えることができる。
【００２３】
次に、ハンドル１１を、上方から見て時計まわりに回すと、第１慣性回転輪２３には反時計まわりのトルクＴが加わり、第１慣性回転輪２３の回転支持軸３４は図６に示すように、Ｒ−Ｒ′軸のＲ′側から見て３４″のように時計まわりに回転し、船体７をＲ−Ｒ′軸まわりにＲ′側から見て時計方向に回転させ、実船の右旋回操舵時の船体の傾きと同様な運動を与える。また、ハンドル１１を、上方から見て反時計まわりに回すと、船体７を前記とは逆にＲ−Ｒ′軸まわりにＲ′側から見て反時計まわりに回転させることができ、実船の左旋回時と同様な傾きを発生させることができる。
【００２４】
この時、船体７の傾きの速さは次のようになる。図６において、
慣性回転輪の角運動量ベクトル：Ｈ
慣性回転輪の回転軸に関する慣性能率：Ｉ
慣性回転輪の回転角速度：ω
才差運動角速度：Ω

【００２５】
実際例として、慣性回転輪の外径：３０cm，慣性回転輪の重量：１５kg，慣性回転輪の回転速度：３０００ｒｐｍとして、例えば入力トルクＴ＝１０kgcmを加えると、（１），（２）式よりΩは７°／秒となる。
【００２６】
なお、上述の第１の実施の形態においては、船体７は、操縦者が搭乗した時に、ロール軸Ｒ−Ｒ′及びピッチ軸Ｐ−Ｐ′に関して、バランスするように重量配分して製作されるが、安全上、船体７の動きの範囲限定を、支持台２（又は２′）と軸５（又は５′）との間、およびジンバル枠４と軸８（又は８′）との間にそれぞれ機械的ストッパを設けることによって達成できることは勿論である。
【００２７】
また、本第１の実施の形態と、景況映像発生装置および音響発生装置と組み合わせることにより、モーターボートシミュレータを、より実船的なものとして構成することができる。また、慣性回転輪に複数の光反射板を設けて光を反射させ、本装置周囲面上に映し出される反射走行光群を用いて、視覚による動的感覚を与えることも可能である。さらに、慣性回転輪上に複数枚の送風用羽根を設け、該羽根によって慣性回転輪の回転と同時に空気流を生ぜしめ、その空気流によって動的感覚を与えることも可能である。
【００２８】
図７乃至図９は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、二輪自動車シミュレータの動揺装置に応用した例で、図７は鳥瞰図、図８は側面図、図９は平面図である。
本実施の形態は、図７に示すように、基台６０に１対の支持台６１，６１′が所定の間隔で設けられ、該支持台６１，６１′の上部には軸受６２，６２′が設けられている。そして該軸受６２，６２′には矩形枠状のジンバル枠６３が、その長手方向の前後に設けられた軸６４，６４′（該軸の中心をロール軸Ｒ−Ｒ′が通る。）を介して左右に揺動可能に支持されている。
【００２９】
また、前記ジンバル枠６３には長手方向の中間部の左右に軸受６５，６５′が設けられており、該軸受６５，６５′には二輪自動車の車体６６が、その左右に設けられた軸６７，６７′（該軸の中心をピッチ軸Ｐ−Ｐ′が通る。）を介して前後に揺動可能に支持されている。そして、該車体６６には、前部にステアリング軸６８が回動自在に設けられ、該ステアリング軸６８の上端には加減速用操作グリップ６９を有するハンドル７０が、下端にはプーリ７１がそれぞれ取り付けられている。なお、前記加減速用操作グリップ６９には図示なき可変抵抗器が取付けられ、この可変抵抗器を介して慣性回転輪７７の二相モーターに加速用昇圧電力、又は減速用逆起電力を与えるようになっている。
【００３０】
また、車体６６の中央部には、スラスト軸受７２及びラジアル玉軸受７３によって垂直な才差軸７４（該軸の中心を才差軸Ｇ−Ｇ′が通る。）が、車体６６のピッチ軸Ｐ−Ｐ′と交差して設けられている。該才差軸７４は下方に垂下し、その下端にフォーク状の枠７５が設けられ、該枠には回転輪支持軸７６を介して慣性回転輪７７が設けられている。また、該才差軸７４の中間にはプーリ７８が設けられ、該プーリ７８と前記ステアリング軸のプーリ７１との間にベルト７９が掛け渡されている。
【００３１】
このように構成された第２の実施の形態の作用について図７により説明する。図７において、慣性回転輪７７に電源を供給し、車体６６の右側から見て時計まわり（矢印Ａ方向）に回転始動すると、回転反動トルクによって、車体６６はＰ−Ｐ′軸まわりに回動してノーズアップの状態となり、実車走行開始時の運動と同様な運動を生ぜしめることができる。また、慣性回転輪７７に減速用逆起電力を与えて、回転減速を行うと、回転反動トルクによって車体６６はノーズダウンの運動を生じ実車の減速時と同じ動揺を与えることができる。
【００３２】
また、ハンドル７０を上方から見て、反時計まわりに回すと、プーリ７１からベルト７９及びプーリ７８を介して才差軸７４が上方から見て反時計方向に回転される。才差軸７４が反時計方向に回転されると、図６に示すように、慣性回転輪７７は車体後方から見て時計まわりの才差運動を生ずる。また、搭乗者が車体後側から見て身体を左に倒すと、慣性回転輪７７には図１０に示すように反時計まわりのトルクＴが加わり上方から見て、慣性回転輪７７の角運動量ベクトルＨは合成ベクトルＨ′へ向かって移動し、反時計まわりの才差運動を生じ、その結果ハンドル７０を反時計まわりに回転させて実車における現象と同じ動揺を生ぜしめることがでいる。もし、身体を右へ倒すと、動揺は逆向きに生ずる。
【００３３】
なお、車体６６は、搭乗者が搭乗した時に、ロール軸Ｒ−Ｒ′及びピッチ軸Ｐ−Ｐ′に関して、バランスするように重量配分して製作されるが、安全上、車体７７の動きの範囲限定を軸６４（又は６４′）と支持台６１（又は６１′）との間に、それぞれ機械的バネストッパを設けることによって達成できることは勿論である。
【００３４】
また、慣性回転輪の回転速度とハンドル回りの大きさと速度、あるいは身体のＲ−Ｒ′軸まわりの倒す大きさと速度によって慣性回転輪７７の才差運動の速度が変わるのは第１の実施の形態の場合と同様である。
【００３５】
なお、本実施の形態の動揺装置と、景況映像発生装置および音響発生装置と組み合わせることにより、二輪自動車シミュレータを、より実車的な物として構成することができる。また、慣性回転輪上に複数の光反射板を設け、該光反射板によって、光を反射せしめ、動揺装置周囲面上映し出される反射走行光群を用いて、視覚による動的感覚を与えることも可能である。
【００３６】
さらに、慣性回転輪７７上に送風用の複数の羽根を設け、該羽根によって、慣性回転輪７７の回転と同時に空気流を生ぜしめて体感させ、動的感覚を与えることも可能である。なお本発明は、上述の実施の形態に限るものではなく、慣性回転輪の反動トルク及び才差運動トルクを利用して運動感覚を与える装置に広く応用できるものである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に依れば、１個または複数個の慣性回転輪を用い、その回転反動トルク及び才差運動トルクを利用することにより、動的体感を与えることができる装置を簡単・安価に構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す鳥瞰図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す側面断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す平面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における慣性回転輪を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における制御系を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における慣性回転輪の作用を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す鳥瞰図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す側面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の作用説明図である。
【符号の説明】
１，６０…基台
２，２′，６１，６１′…支持台
３，３′，６，６′，１５〜１８，３８，３８′，６２，６２′，６５，６５′…軸受
４，６３…ジンバル枠
５，５′，８，８′，２２，６４，６４′，６７，６７′…軸
７…船体
９…船底板
１０，６８…ステアリング軸
１１…ステアリングハンドル
１２…座席
１３…サーボモータ
１４…角度検出器
１９，２０…傘歯車
２１，２５，７１，７８…プーリ
２３…第１慣性回転輪
２４，２９，７５…フォーク状の枠
２６，３０，７４…才差軸
２７，７９…ベルト
２８…第２慣性回転輪
３１，３２，３３…平歯車
３４，７６…回転輪支持軸
３５，３５′…ナット
３６…コイル
３７…固定子
３９，３９′…回転板
４０…リング磁石
４１…外側リング
５０…インスツルメントパネル
５１…エンジンキー
５２…回転輪角度設定レバー
５３…制御レバー
５４…リレー
５５…サーボ増幅器
５６…制御電源部
６６…車体
６９…加減速用操作グリップ
７０…ハンドル

Claims

ジンバル機構により揺動自在に支承された疑似乗物部に、才差軸を介して１個もしくは複数個の慣性回転輪を回転可能に設け、該慣性回転輪が回動したときの角運動量及び才差トルクの反動を前記才差軸を介して前記疑似乗物部に伝え、前記疑似乗物部に実乗物の疑似運動をさせることを特徴とする動的体感発生装置。
前記慣性回転輪の個数、回転数及び複数個の慣性回転輪の回転軸の相互角度は、慣性回転輪の発生する回転反動トルク及び才差トルクの合成ベクトルによる体感を最適に与えることができるように任意に設定できることを特徴とする請求項１記載の動的体感発生装置。
前記慣性回転輪は、内周に複数の磁極を有し、回転磁界を発生する固定子により回転駆動されることを特徴とする請求項１又は２記載の動的体感発生装置。