JP4942046B2 - 自由運動フライトシミュレータ装置 - 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フライト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フライト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のように、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２５度となっている。
特開２００１−２５４７９８号公報 株式会社コスメイト、製品紹介サイト、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｓｍａｔｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｃ＿ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｍｏｔｉｏｎ＿ｂａｓｅ／ｍｏｔｉｏｎ＿ｂａｓｅ．ｈｔｍｌ

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２５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、本発明の自由運動フライトシミュレータ装置は、第１には、Ｘ−Ｙ平面上を任意に移動可能としたアクチュエータと、該アクチュエータ上に設置した脚部により支えられたモーションプレートとを有し、モーションプレートをアクチュエータの駆動により位置及び角度を制御可能としたことを特徴とするものである。

また、第２には、上記自由運動フライトシミュレータ装置において、アクチュエータは平面上に２本の直線駆動アクチュエータを直角に交差させたＸ−Ｙユニット３組で構成され、該Ｘ−Ｙユニット３組の各々は円周上の対向位置にその中立点が相互に１２０度間隔で配置すると共に、モーションプレートは、該モーションプレートの上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、該Ｘ−Ｙユニットと、該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、自由運動フライト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。

さらに、第３には、上記自由運動フライトシミュレータ装置において、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連動する脚とは独立して動く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、自由運動フライト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。

本発明のフライト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。特に従来のフライト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。

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、本発明の自由運動フライト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および図３は、本発明の自由運動フライト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。たとえば、この図１、図２、そして図３に例示したように、本発明の自由運動フライト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（２Ａ１，２Ａ２；２Ｂ１，２Ｂ２；２Ｃ１，２Ｃ２）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、アクチュエータ２としては、Ｘ−Ｙ平面上に任意に移動可能とされた３組（２Ａ１，２Ａ２）（２Ｂ１，２Ｂ２）（２Ｃ１，２Ｃ２）のものが配置され、その各々に三つの脚部（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、円板状の形状を有し、脚部３を回転軸受構造４をもって連結している裏面側において、二つの脚部（３Ａ）（３Ｂ）（３Ｃ）の連結部位が同一の平板面にあるようにしている。

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Φを示す。

アクチュエータ２については、たとえば、２本の直線運動アクチュエータ（２Ａ１）（２Ａ２）を相互に十字に交差させ、アクチュエータ（２Ａ２）の上のアクチュエータ（２Ａ１）が任意に直線運動可能とされ、アクチュエータ（２Ａ１）上の球面軸受構造（５Ａ）によって連結された脚部（３Ａ）の下部連結部が任意に直線運動可能とされ、しかも全体としてＸ−Ｙ方向に自由運動可能とされている。

同様にして、アクチュエータ（２Ｂ１）（２Ｂ２），アクチュエータ（２Ｃ１）（２Ｃ２）によって脚部（３Ｂ）（３Ｃ）もＸ−Ｙ平面上を任意に移動可能とされる。

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、フライト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６本ともストローク１５０ｍｍ、分解能０．００５ｍｍの直線運動電動アクチュエータ２を使用し、配置はＸ−Ｙユニット６（６Ａ；６Ｂ；６Ｃ）の中立点、すなわち、各々のアクチュエータのストロークの丁度「中間」の位置であって、相互にクロスさせている位置が半径１８０ｍｍの円周上にくる位置に１２０度間隔とした。モーションプレート下部の受け部の位置は半径３１．５ｍｍの円周上に１２０度の間隔で配置した。なお、モーションプレート１の径は１３０ｍｍとした。まず、モーションプレート１の傾斜角度θについて動作範囲限界を計測した。計測は傾きの方角φ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（θ＝Ｏ）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θは最大８０度まで傾いた。

全ての計測においてθは３０度以上であった。これは最大の傾斜が２０から２５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、Ｘ−Ｙユニットと脚部は各々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θについては、主として、前記Ｘ−Ｙユニットの中立点の半径（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θを大きくすることができる。
［第２の実施の形態］
図７は、本発明の自由運動フライト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７による、もう１つの回転型モーションプレート８を配置している。

このような回転型の場合には、フライト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θ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θについて動作範囲限界を計測した。

図８に計測結果を示す。傾き角度θは傾きの方角φのすべての角度について最大８０度まで傾いた。

全ての計測においてθは最大８０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、特に小形機用フライトシミュレータに適していることが分かる。

本発明によるフライト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、フライトシュミレータ用途に限らず、ロボット、工作機械、アミューズメント機器、医療用支援等に応用可能である。

本発明の自由運動フライト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。 本発明の自由運動フライト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２と同様に、本発明の自由運動フライト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。 実施例でのモーションプレートの傾き角度θ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Φの部位を示す。 第１の実施の形態の計測結果を示す。 本発明の自由運動フライト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。

符号の説明

１ モーションプレート
２，２Ａ１〜２Ａ２，２Ｂ１〜２Ｂ２，２Ｃ１〜Ｃ２ 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
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ Ｘ−Ｙユニット
７ 回転型アクチュエータ
８ 回転型モーションプレート

Claims (3)

1. 平面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Ｘ−Ｙ平面上を任意に移動可能とされたものであって、
   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ことを特徴とする自由運動フライトシミュレータ装置。
2. アクチュエータは平面上に２本の直線駆動アクチュエータを直角に交差させたＸ−Ｙユニット３組で構成され、各々のＸ−Ｙユニット中立点は円周上の対向位置に相互に１２０度間隔で配置されると共に、
   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、
   Ｘ−Ｙユニットで構成される各々のアクチュエータと、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請求項１に記載の自由運動フライトシミュレータ装置。
3. 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に記載の自由運動フライトシミュレータ装置。