JP7229517B2 - シミュレータ用水平移動装置及びドライブシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、シミュレータを水平面内で移動させるシミュレータ用水平移動装置及びドライブシミュレータに関する。

乗物に搭乗した状態を模擬するシミュレータが、操縦訓練やアミューズメントなどの目的で広く用いられている。シミュレータの例として、自動車に搭乗した状態を模擬するものであって、搭乗時に座席に伝わる振動や座席の姿勢を模擬するようなシミュレータが知られている（特許文献１参照）。このシミュレータでは、座席に複数のアクチュエータが結合されており、搭乗者の運転操作に応じて座席が動くように構成されている。アクチュエータによって座席を上下軸周りに回転させると、旋回などで発生するヨーイング（上下軸周りの回転運動）を模擬することができる。

特開２０１６－２１２２３６号公報

現実の自動車の挙動に関しては、走行速度、ステアリングの角度、路面状況などによって、様々なパターンの水平面内での挙動が起こり得る。例えば自動車の旋回について言えば、前後輪とも路面をグリップして旋回する場合と、後輪が横滑りして旋回する場合とでは、自動車の水平面内における姿勢や搭乗者に作用する横方向の慣性力は異なってくる。特許文献１のシミュレータにおいては、横方向に移動できる量が限定されているため、旋回状態をはじめ水平面内の挙動を精緻に模擬することが難しい。

搭乗者に違和感を与えないよう、座席の向きとステアリング及びペダルの位置とが整合したまま乗物の水平面内の挙動を精緻に模擬するためには、シミュレータを水平面内で並進移動及び回転させる機能が必要となる。

上記問題点を鑑みて、本発明は、簡便な構成でシミュレータを水平面内で並進移動及び回転させることが可能なシミュレータ用水平移動装置及びドライブシミュレータを提供することを目的とする。

本発明は、乗物に搭乗した状態を模擬するシミュレータが載置される載置台と、前記載置台を水平面内で移動自由に支持する支持手段と、前記載置台を水平面内で駆動する駆動手段と、水平面内の一の方向に前記載置台が並進移動するのを拘束する拘束手段と、を備え、前記駆動手段が２個のリニアアクチュエータを有することを特徴とするシミュレータ用水平移動装置である。

本発明のシミュレータ用水平移動装置において、前記載置台がテーブルに設けられており、前記支持手段が前記テーブルに取り付けられており、前記駆動手段が前記テーブルと連結することを特徴とする。

本発明のシミュレータ用水平移動装置において、前記拘束手段が、水平面内で前記一の方向に垂直な方向に延びるガイド溝と、前記ガイド溝に嵌る円柱状のガイドピンとを有することを特徴とする。

本発明のシミュレータ用水平移動装置において、前記支持手段がキャスタを含むことを特徴とする。

本発明は、前記シミュレータ用水平移動装置と、前記シミュレータ用水平移動装置に載置される乗物に搭乗した状態を模擬するシミュレータとを備えることを特徴とするドライブシミュレータである。

本発明によれば、簡便な構成でシミュレータを水平面内で並進移動及び回転させることが可能なシミュレータ用水平移動装置及びドライブシミュレータを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置のテーブルを示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ断面を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置のベースを示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）正面図である。 本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置を示す図であって、（ａ）は図３におけるＢ－Ｂ断面を示す拡大断面図であり、（ｂ）は図３におけるＣ－Ｃ断面を示す拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置にシミュレータを載置した状態を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面部分切断図である。

次に、本発明に係るシミュレータ用水平移動装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な実施形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

また以下の説明において、名称が同じで符号が異なる複数の要素を総称する場合に、符号において共通する数字部分のみを使用して総称することがある。例えば、載置台１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを総称して「載置台１１」と呼ぶ場合がある。

ここで以下の説明において使用される座標軸について説明する。Ｘ軸はシミュレータの左右方向に延び、Ｘ軸正の向きは左向きとしている。Ｙ軸はシミュレータの前後方向に延び、Ｙ軸正の向きは後向きとしている。Ｚ軸はシミュレータの上下方向に延び、Ｚ軸正の向きは上向きとしている。ＸＹ平面が水平面を表している。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の構成について、図１～３に基づき説明する。本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１は、テーブル１０、ベース２０及びリニアアクチュエータ３１，３２を主要な構成要素とする（図３参照）。

まずテーブル１０について、図１に基づき説明する。ＸＹ平面上に広がりを有するテーブル１０は、直線状の角パイプが連結されて成る平面視において外枠が略矩形のフレーム１２を有し、フレーム１２の４角には載置台１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及びプレート１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが結合されている。また、フレーム１２には、角パイプから成る部材１５ａ，１５ｂを介して、プレート１６が結合されている。

載置台１１は、その上にシミュレータが載置されるよう構成されており、シミュレータの重量をフレーム１２に伝達するよう強度及び剛性を備えている。また、プレート１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにはボールキャスタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄがそれぞれ下向きに突出するよう結合されており（図１（ｂ）参照）、プレート１３は支持反力をフレーム１２に伝達するよう強度及び剛性を備えている。ボールキャスタ１４に設けられているボールＳＰは、低摩擦で回転するよう構成されている。

プレート１６には円柱状のガイドピン１７が下向きに突出するよう設けられている。ガイドピン１７の外周面は摩擦が小さくなるよう滑らかに仕上げられている。このようなテーブル１０は、これ単体では水平面上を任意な方向に移動可能でありスライダーということができる。

なお、本実施形態において、フレーム１２は角パイプが連結されて構成されているが、十分な強度及び剛性を有する様式を任意に選択可能である。また本実施形態において載置台１１、プレート１３及びプレート１６はいずれも板材を折り曲げて形成されているが、十分な強度及び剛性を有する部材を任意に選択可能である。

次にベース２０について、図２に基づき説明する。ＸＹ平面上に広がりを有するベース２０は、直線状の角パイプが連結されて成る外枠が矩形のフレーム２１を有し、フレーム２１には矩形の平板からなる支持板２２，２３が結合されている。なお、本実施形態においてフレーム２１を構成する部材は角パイプであるが、十分な強度及び剛性を有する部材を任意に選択可能である。

ベース２０の平面視での略中央付近には、Ｘ軸方向に延びる断面四角形の二本の部材２４ａ，２４ｂが、所定の距離を置き平行に設けられており、部材２４ａ，２４ｂはフレーム２１に結合されている。部材２４ａと部材２４ｂとの間の距離は、Ｘ軸方向に延びるガイド溝２５を構成する。ガイド溝２５の幅（すなわち部材２４ａと部材２４ｂとの間の距離）は、テーブル１０に設けられているガイドピン１７がガタつきの無いよう嵌りつつＸ軸方向に移動可能なように設定される。そのため、ガイド溝２５を構成する部材２４ａ，２４ｂの側面は、摩擦が小さくなるよう滑らかに形成されている。

支持板２２，２３それぞれの上側の面は移動面２２ａ，２３ａとして平坦に形成されており、この上をボールキャスタ１４のボールＳＰが転がっても抵抗が小さいように設計されている。

次に、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の全体を、図３に基づき説明する。シミュレータ用水平移動装置１は、ベース２０の上にテーブル１０が配置され、ベース２０とテーブル１０とを繋ぐリニアアクチュエータ３１，３２が更に設けられて構成されている。

まず、テーブル１０とベース２０との関係について説明する。テーブル１０において下に突出するよう設けられているボールキャスタ１４のうち、ボールキャスタ１４ａ，１４ｂは支持板２２の移動面２２ａに載るように、ボールキャスタ１４ｃ，１４ｄは支持板２３の移動面２３ａに載るように、ベース２０に対してテーブル１０が配置されている。

図４（ａ）は、図３においてボールキャスタ１４ｃの近傍であるＢ－Ｂ断面を示す拡大断面図である。図４（ａ）に示すように、ボールキャスタ１４ｃは支持板２３の移動面２３ａの上に載っており、ボールキャスタ１４ｃのボールＳＰが移動面２３ａの上を転がるように構成されている。全てのボールキャスタ１４は図４（ａ）に示したのと同様に配置されており、テーブル１０のボールキャスタ１４のボールＳＰは全て、平坦に形成された移動面２２ａ，２３ａの上を転がるため、テーブル１０は低摩擦で移動可能に構成されている。

これにより、テーブル１０はベース２０に対して水平面内（ＸＹ平面内）で移動可能となっている。すなわち、テーブル１０に設けられている載置台１１は、移動面２２ａ，２３ａ及びボールキャスタ１４によって、水平面内で移動自由に支持されており、移動面２２ａ，２３ａ及びボールキャスタ１４はシミュレータ用水平移動装置１の支持手段を構成している。

次にガイドピン１７とガイド溝２５との関係について説明する。図４（ｂ）は、図３においてガイドピン１７の近傍であるＣ－Ｃ断面を示す拡大断面図である。図４（ｂ）に示すように、テーブル１０において下に突出するよう設けられている円柱状のガイドピン１７は、ベース２０に設けられた、Ｘ軸方向に延びるガイド溝２５にガタつきの無いよう嵌っている。これにより、テーブル１０はベース２０に対してＹ軸方向の並進移動が拘束されている。すなわち、テーブル１０に設けられている載置台１１は、ガイドピン１７及びガイド溝２５によって、Ｙ軸方向の並進移動が拘束されており、ガイドピン１７及びガイド溝２５はシミュレータ用水平移動装置１の拘束手段を構成している。

なお、ガイドピン１７は円柱状であるため、ガイドピン１７はガイド溝２５内で回転することができる。すなわち、テーブル１０はベース２０に対してＸ軸方向に並進移動ができるとともに、Ｚ軸周りに回転できる。このときテーブル１０の回転中心は、円柱状のガイドピン１７の中心となる。

次に、ベース２０とテーブル１０とを繋ぐリニアアクチュエータ３１，３２について説明する。リニアアクチュエータ３１，３２は、制御によりその全長が伸縮するよう構成されている。２個のリニアアクチュエータ３１，３２は、ベース２０の対角線上の２つの角にそれぞれ配置され、それぞれのロッド側端部３１ａ，３２ａがテーブル１０に結合されており、シリンダ側端部３１ｂ，３２ｂがベース２０に結合されている。リニアアクチュエータ３１，３２が伸縮することにより、ベース２０からテーブル１０に対して荷重が作用する。リニアアクチュエータ３１，３２が発生する荷重の水平成分が、テーブル１０の水平面内における姿勢を変化させる。

先述のとおり、テーブル１０はベース２０に対して、Ｘ軸方向の並進自由度及びＺ軸周りの回転自由度の、合計二自由度で移動可能に構成されている。したがって、二本のリニアアクチュエータ３１，３２の長さによって、ＸＹ平面内におけるベース２０に対するテーブル１０の姿勢は一意に決まり、テーブル１０の姿勢が制御される。すなわち、リニアアクチュエータ３１，３２が、テーブル１０に設けられた載置台１１を水平面内で駆動する、駆動手段を構成している。

なお図３において、リニアアクチュエータ３１，３２とテーブル１０及びベース２０との結合部分については図示を省略しているが、リニアアクチュエータ３１，３２のロッド側端部３１ａ，３２ａはテーブル１０の部材に、シリンダ側端部３１ｂ，３２ｂはベース２０の部材に、それぞれ回転自由に結合されている。回転自由に結合するには公知の任意の方法を採用することができる。例えば、球面軸受とブラケットに設けられた軸体との組合せによって、回転自由に結合することができる。

なお、リニアアクチュエータ３１，３２については、空圧、水圧、油圧、電動など、任意の動力源を採用することが可能である。

次に、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の動作について、図５に基づき説明する。図５は、シミュレータ用水平移動装置１上に、自動車に搭乗した状態を模擬するシミュレータ９０が載せられてなり、シミュレータ用水平移動装置１とシミュレータ９０とで自動車に搭乗した状態を精緻に模擬できるドライブシミュレータを形成する。ここでシミュレータ９０には、特開２０１６－２１２２３６号公報に記載のシミュレータを用いることができる。

図５に示すように、シミュレータ用水平移動装置１には、自動車に搭乗した状態を模擬するシミュレータ９０が載せられており、シミュレータ９０の脚９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄがそれぞれテーブル１０の載置台１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに載置されている。ここでベース２０は水平な床の上に置かれている。

シミュレータ９０は、シミュレータ９０が有するアクチュエータを制御するコントローラ（図示省略）を備えており、シミュレータ用水平移動装置１のリニアアクチュエータ３１，３２もこのコントローラに制御されるよう構成されている。シミュレータ９０のコントローラは、シミュレータ９０が有するアクチュエータの動作とリニアアクチュエータ３１，３２の動作とが整合するように制御する。すなわち、シミュレータ９０のステアリング９３及びペダル９４の操作は、シミュレータ９０が有するアクチュエータの動作に反映されるのに加え、シミュレータ用水平移動装置１のリニアアクチュエータ３１，３２の動作にも反映される。

たとえば、ステアリング９３を回して旋回運動を行ったときに、コントローラによりリニアアクチュエータ３１，３２を動かして、テーブル１０をベース２０に対して水平面内で移動するよう制御することが可能である。このとき、テーブル１０に設けられた四つの載置台１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが一体的に水平面内で移動するため、載置台１１に載置されたシミュレータ９０も一体的に水平面内で移動する。したがって、シミュレータ用水平移動装置１によって、シミュレータ９０の座席９２とステアリング９３及びペダル９４との位置関係を変えることなく、旋回運動を模擬することが可能となる。すなわち、搭乗者は精緻な模擬を体感することができる。

また、シミュレータ用水平移動装置１はＸ軸方向の並進自由度及びＺ軸周りの回転自由度の二自由度を独立に制御することができるため、これらの運動の成分を適宜組み合わせることで、様々な走行速度や路面状況における自動車の旋回の挙動を精緻に模擬することが可能となる。例えば、後輪側を起点に旋回する通常の走行、前輪側を起点に後輪が横滑りする走行、レーシングカーの高速走行のように車体の中心を起点に前輪側を旋回させるとともに後輪を横滑りさせる走行などを模擬することができる。

［第一実施形態の変形例］
なお、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の載置台１１は、シミュレータ９０が有する脚９１に対応するようにその数と位置が設定されており、載置するシミュレータに応じて適宜設定可能である。

シミュレータ用水平移動装置１の載置台１１は、テーブル１０のフレーム１２の上面全体を板で覆いこれを載置台とすることもできる。またテーブル１０のフレーム１２に対して２枚の板を短手方向、又は長手方向に掛け渡し、これを載置台とすることもできる。

また、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の拘束手段は、テーブル１０に設けられたガイドピン１７とベース２０に設けられたガイド溝２５との組合せで構成されているが、ベース２０にガイドピンを設け、テーブル１０にガイド溝を設けて、ガイドピンがガイド溝に嵌るよう構成することも可能である。また、拘束手段として他の機構を採用することも可能であり、例えば、Ｘ軸方向に移動可能にされた公知の直動装置に軸受を設けて、その軸受にテーブル１０に設けられたガイドピンを収容するよう構成すると、テーブル１０はＹ軸方向の移動は拘束されつつ、Ｘ軸方向の並進とＺ軸周りの回転は自由となる。

また、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１のガイド溝２５は、平行に延びる二つの部材２４ａ，２４ｂにより形成されているが、これに代えて、溝が彫られた一つの部材で構成することも可能である。

また、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１の駆動手段は、二本のリニアアクチュエータ３１，３２であるが、テーブル１０をＸ軸方向に駆動するリニアアクチュエータと、Ｚ軸周りに回転駆動するロータリーアクチュエータとの組み合わせとすることも可能である。

また、上述したシミュレータ９０には乗物の挙動を模擬するアクチュエータが備わっていたが、座席、ステアリング及びペダルを備えつつもアクチュエータを備えないようなシミュレータをシミュレータ用水平移動装置１に載置することも可能である。このとき、乗物の挙動を模擬する役割は、シミュレータ用水平移動装置１が有するリニアアクチュエータ３１，３２が担うことになる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２の構成について、図６に基づき、第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２は、テーブル１０、ベース２０及びリニアアクチュエータ３１，３２，３３を主要な構成要素とする。

本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２のテーブル１０には、第一実施形態で採用されていたガイドピンが設けられておらず（図６（ｂ）参照）、そのためテーブル１０は、Ｙ軸方向の移動が拘束されていない。すなわち、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２では、第一実施形態で採用されていた拘束手段が備えられていない。したがって、テーブル１０はベース２０に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向いずれにも並進移動できるとともにＺ軸周りにも回転できるため、ＸＹ平面内において三自由度で移動可能に構成されている。

リニアアクチュエータ３１，３２は第一実施形態と同様に採用されているが、本実施形態では、更にリニアアクチュエータ３３が追加されている（図６（ａ）参照）。３個のリニアアクチュエータ３１，３２，３３は、三角形を形成するように、リニアアクチュエータ３１，３２が第１実施形態と同様にベース２０の対角線上の２つの角にそれぞれ、またリニアアクチュエータ３３がベース２０の他の角に配置されている。リニアアクチュエータ３３のロッド側端部３３ａはテーブル１０に回転自由に結合されており、シリンダ側端部３３ｂはベース２０に回転自由に結合されている（これらの結合部分については図６において図示を省略している）。回転自由に結合するには公知の任意の方法を採用することができる。

先述のとおり、テーブル１０はベース２０に対して、Ｘ軸方向の並進自由度、Ｙ軸方向の並進自由度及びＺ軸周りの回転自由度の、合計三自由度で移動可能に構成されている。したがって、三本のリニアアクチュエータ３１，３２，３３の長さによって、ＸＹ平面内におけるベース２０に対するテーブル１０の姿勢は一意に決まり、テーブル１０の姿勢が制御される。すなわち、リニアアクチュエータ３１，３２，３３が、テーブル１０に設けられた載置台１１を水平面内で駆動する駆動手段である。

次に、本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２の動作について説明する。第一実施形態と同様に、シミュレータ用水平移動装置２の上にシミュレータを載せ、シミュレータが有するコントローラにより、リニアアクチュエータ３１，３２，３３が制御されるよう構成される。このコントローラは、シミュレータが有するアクチュエータの動作とリニアアクチュエータ３１，３２，３３の動作とが整合するように制御する。リニアアクチュエータ３１，３２，３３が動作することによって、シミュレータ用水平移動装置２の上に載せられたシミュレータは、全体として水平面内で移動することになる。

本実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置２によれば、その上に載置したシミュレータを、Ｘ軸方向の並進及びＺ軸周りの回転だけでなく、Ｙ軸方向、すなわち前後方向にも並進移動させることが可能となるため、例えば図５と同様にシミュレータ用水平移動装置２とシミュレータ９０とでドライブシミュレータを構成すれば、搭乗者は精緻な模擬を体感することができる。例えば、後輪側を起点に旋回する通常の走行、前輪側を起点に後輪が横滑りする走行、レーシングカーの高速走行のように車体の中心を起点に前輪側を旋回させるとともに後輪を横滑りさせる走行、さらには加速状態、減速状態を模擬することができる。

［その他の実施形態］
上述の二つの実施形態に係るシミュレータ用水平移動装置１，２において、支持手段にボールキャスタ１４が使用されているが、これに限られず、車輪が回転して移動する形態のキャスタを使用することも可能である。

また上述の二つの実施形態では、ボールキャスタ１４が移動面２２ａ，２３ａの上を転がることで、テーブル１０に設けられた載置台１１が水平面内で移動するよう構成されていたが、この支持手段の構成に代えて、摩擦の小さい対向する二つの平滑な面が摺動して移動可能となるような支持手段を採用することもできる。

また上述の二つの実施形態では、テーブル１０を載せるベース２０が使用されていたが、ベース２０を使用せず水平に仕上げた床面にテーブル１０を直接置くよう構成することもできる。このとき、支持手段の一部（例えば移動面）や、拘束手段の一部（例えばガイド溝）を床面に形成することも可能である。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更及び修正を容易に想定するであろう。従って、そのような変更及び修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１，２ シミュレータ用水平移動装置
１０ テーブル
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 載置台
１２ フレーム
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ プレート
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ボールキャスタ（支持手段）
１５ａ，１５ｂ 部材
１６ プレート
１７ ガイドピン（拘束手段）
２０ ベース
２１ フレーム
２２，２３ 支持板
２２ａ，２３ａ 移動面（支持手段）
２４ａ，２４ｂ 部材
２５ ガイド溝（拘束手段）
３１，３２，３３ リニアアクチュエータ（駆動手段）
３１ａ，３２ａ，３３ａ ロッド側端部
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ シリンダ側端部
９０ シミュレータ
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ 脚
９２ 座席
９３ ステアリング
９４ ペダル
ＳＰ ボール

Claims (5)

1. 乗物に搭乗した状態を模擬するシミュレータが載置される載置台と、
   前記載置台を水平面内で移動自由に支持する支持手段と、
   前記載置台を水平面内で駆動する駆動手段と、
   水平面内の一の方向に前記載置台が並進移動するのを拘束する拘束手段と、
   を備え、
   前記駆動手段が２個のリニアアクチュエータを有する
   ことを特徴とするシミュレータ用水平移動装置。
2. 前記載置台がテーブルに設けられており、
   前記支持手段が前記テーブルに取り付けられており、
   前記駆動手段が前記テーブルと連結する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシミュレータ用水平移動装置。
3. 前記拘束手段が、
   水平面内で前記一の方向に垂直な方向に延びるガイド溝と、
   前記ガイド溝に嵌る円柱状のガイドピンとを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシミュレータ用水平移動装置。
4. 前記支持手段がキャスタを含む
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のシミュレータ用水平移動装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のシミュレータ用水平移動装置と、
   前記シミュレータ用水平移動装置に載置される乗物に搭乗した状態を模擬するシミュレータとを備える
   ことを特徴とするドライブシミュレータ。

Images