JPH10501897A - 移動制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 模擬操縦飛行機や“仮想現実（バーチャルリアリティ）”機室又は乗物等の物体の移動を制御する装置であって、この装置は、物体と地面との間に配置された好ましくは１つ以上の電磁作動器と、この電磁作動器へ種々の信号を出力して電磁作動器を押し出し動作させる制御装置とを備えている。物体の動作が、模擬操縦飛行機に搭乗している使用者の動きに影響したり或いは他の決まった動作に影響するように、この装置には、物体と地面との間の相対的な位置や移動の特性、地面と電磁作動器と物体との間に作用する力の特性を監視して、その特性を示す種々の信号を出力する手段が設けられている。制御装置は、監視手段から出力された信号に応答すると共に、電磁作動器に供給するための制御信号を発生及び変更する手段を備えている。このような構成において、物体の移動を制御することによって、“仮想現実”システムのような移動システムを形成することが可能となると共に、乗物のような安定したサスペンションシステムを構成することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 移動制御システム この発明は物体の移動を制御する為の装置に関係している。より詳細には、ピ ストンとシリンダとを有し電磁力によりピストンとシリンダとの間に相対的な移 動を生じさせる電磁アクチュエータの如きアクチュエータにより力を発生させる 装置の為の移動制御装置に関係している。このような電磁駆動ラムの例は、公開 番号ＷＯ９３／０１６４６号として公開されたＰＣＴ／英国出願９２／０１２７ ７号に開示されている。 この発明はまた、例えば電磁アクチュエータの如きアクチュエータにより物体 の動きを制御する為の対応する方法にも関係している。この発明は動作のシミュ レーションの分野に適用される。動作シミュレータは今日、例えばパイロットの 訓練の為のフライトシュミレータやオートバイのレースの如き活動を基礎にした 室内ゲーム機において使用されている。これらの例において、動作シミュレーシ ョンは現実の動きをより本物らしくする為に一般的に音響画像信号を使用者に提 供することにより強調される。このような動作シミュレータは今日では「バーチ ャルリアリティ」機械として大衆に知られており、娯楽及び教育目的の為により 広く使用されるようになって来た。一般的に動作シミュレータは、シミュレータ キャビン中またはシミュレータ台上にいる使用者を移動させる為に必要な力を生 み出すアクチュエータとして液圧または気体圧ラムを使用することが知られてい る。より最近では、この出願の発明者が動作シミュレータにおけるスラスト力発 生器として電磁アクチュエータを使用することを提案した（例えば、公開番号Ｗ ０９３／０１５７７号として公開されたＰＣＴ／英国出願９２／０１２７９号を 参照）。 所定のプログラムに従って動作シミュレーションを提供する為に基礎台とシミ ュレータ台またはキャビンとの間に複数のアクチュエータを備えており、シミュ レータキャビンまたはシミュレータ台に適用されるスラスト力または移動の連続 を生じさせる為に所定の時間隷属機能または予め記憶されていたデータに従い個 々のアクチュエータを動作させることは、動作シミュレータにとり既に知られて いることである。このようにしてシミュレータ台上の使用者は、例えば良く知ら れているモータレース場を回ったり良く知られているトボガン（ｔｏｂｏｇｇａ ｎ）走路を下る「バーチャルリアリティ乗り」を体験出来る。このようなシミュ レータは、キャビン中またはシミュレータ台上の使用者の一部のいかなる動きと も無関係にアクチュエータがシミュレータ台またはキャビンに対してスラスト力 または動きの連続を与えることにより所定の体験の「固い（ｈａｒｄ）」なシミ ュレーションを提供していると言える。 また例えば操縦輪またはジョイスティック制御システムの操作により、使用者 または外部操作者がキャビンまたはシミュレータ台に適用されるスラスト力を制 御することが出来ることもまた知られている。このようなシミュレータは予め決 められていないシミュレーションを提供することが出来るが、キャビンまたはシ ミュレータ台に適用される動きまたはスラスト力が、例え一時的にしろ、外部の 命令にのみ応答するコンピュータ制御機構により依然として決定されるので、依 然として「固い（ｈａｒｄ）」シミュレーションを提供していると言える。 上述した２つの種類の「固い（ｈａｒｄ）」シミュレーションの合体を採用し ている動作シミュレータの特定の例はフライトシミュレータであり、ここにおい ては、内部がコックピットのように見えまた感じるようにされたキャビン中の使 用者が本物の飛行機の操作制御に類似した操作制御により「飛行機」の模型を制 御する。これらの制御からの信号は処理されてコックピットの位置や姿勢を変更 するよう配置された複数のアクチュエータに適用され、この結果として使用者は 使用者の動作がもしも飛行機で実行されたならば取り返しのつかない破滅（ｃｒ ａｓｈ）の結果となる時まで飛行機に対する自身の制御の効果を体験することが 出来る。そした上述した如き時には、複数のアクチュエータの制御は使用者から 完全に切り離され、代わりに複数のアクチュエータは所定の動きの連続により破 滅をシミュレートするよう制御される。この例に従ったフライトシミュレータが 第１モード（即ち、使用者の制御下での）にあるか、または第２モード（即ち、 所定の「破滅」の手順を実行している）にあるか、には無関係に、複数のアクチ ュエータが外部からの駆動指令にのみ対応するという事実を考慮すると、このシ ミュレーションは「固い（ｈａｒｄ）」と言える。 １つのアクチュエータまたは複数のアクチュエータに向かい創出された信号が 外部指令からのみでなく、例えばキャビン中またはシミュレータ台上の使用者の 動きからも決定される動作シミュレータを提供することが望まれている。使用者 の移動の結果として決定される信号は、シミュレートされている物体の動作に影 響を与えている操作者の位置の変化を操作者が感じるような所定の信号の連続に 加えて、複数のアクチュエータに負荷される。 例えば海上におけるサーフィンをシミュレートする為のシミュレータにおいて は、サーフボードがシミュレータ台上に載置され、シミュレータ台があたかも波 の動きの下にあるかのように動くよう複数のアクチュエータに信号が提供される 。そしてこのことに加え、複数のアクチュエータには「サーファー」がサーフボ ード上でサーフボードに対して自身の体重を相対的に移動させた場合にサーフボ ードの動きがサーファーの体重移動により影響されるよう追加の信号が提供され る。このようなシミュレーションは「柔らかい（ｓｏｆｔ）」と言われる。 この発明に従えば、部材と基礎との間に配置されたアクチュエータと、アクチ ュエータへの制御信号を創出しアクチュエータにスラスト力を発生させる為の制 御組織とを備えており、さらに部材と基礎との相対的な位置または移動の特徴ま たは、基礎とアクチュエータと部材との間の力の特徴をモニタリングし、上記特 徴を指摘する信号を提供する為のモニタリング手段をさらに備えており、上記制 御組織が上記モニタリング手段により提供された上記信号に反応し、アクチュエ ータに提供すべき上記制御信号を修正または発生する為の手段を備えている、部 材の動きを制御する為の装置が提供される。 この発明の好適な実施例では、複数の電磁アクチュエータを使用し、電気信号 をスラスト力に変換するということに加えて、これらに負荷された力の結果とし てこれらが直接電気信号を創出するというこれらの特徴を利用する。 上述した如き動きのシミュレーションの分野においては、この発明の１つの実 施例に従った装置は一般に、基礎に載置された台と使用者が「乗る」物体との間 に配置された複数のアクチュエータを備えている。使用者が「乗る」物体は複数 のアクチュエータに取り付けられた台上に配置されるか、または複数のアクチュ エータ自体に取り付けられる。 動きのシミュレーションを「柔らかい（ｓｏｆｔ）」とする為には、部材上の 使用者の一部の位置または動きの特徴をモニタリングする為の手段を含むことが 一般に上記装置に必要であり、しかしながら幾つかの状況において基台の対応し ている特徴をモニタすることも必要になる。この発明に従った装置の好適な実施 例を使用した複数の動きシミュレータにおいては、ピストンとシリンダとの間に 相対的な動きがある時に電磁アクチュエータのコイル中に電流が発生し、この電 流をモニタリングすることにより使用者の動きの結果としての複数のアクチュエ ータの伸縮を、複数のアクチュエータに複数のコネクタまたは複数の検知器をさ らに設置する必要なし、にモニタリング出来る。また、しかしながら、使用者の 動きを、例えば複数のアクチュエータの間の角度や複数のアクチュエータの長さ の伸縮の程度の如き他の特徴をモニタリングすることにより検知することも出来 る。また使用者または部材に取り付けられたいかなる形式の動き検知器やその他 の適切な手段によって使用者の動きを直接検知することも出来る。 モニタリング手段のいかなる形式によっても得ることが出来る部材の動きの位 置の特徴を示す信号は、コンピュータ制御手段により複数のアクチュエータに対 する１つ１つの制御信号である１つのアクチュエータに対する制御信号を創出す るよう処理される。また、使用者の動きの効果を所定の乗り物の上に「重複（s ｕｐｅｒｉｍｐｏｓe）」させる為に、モニタリング手段から受け取る信号の結 果として制御信号の所定の流れを変更することが出来る。このような状況でも、 シミュレートされた動きは「柔らかい（ｓｏｆｔ）」と言うことが出来る。 以上説明したように、この発明の実施例を使用している動きのシミュレータは 一般的に１つ以上の電磁ラムを含み、そしてまた、空気ばねの如き他の支持手段 を含むことが出来る。しかしながら、複数のアクチュエータが絶対的に必要な訳 ではなく、１つのアクチュエータで充分であるこの発明の実施例のさらなる適用 が以下に概略説明される。 ばねシステムとばね減衰器（スプリング・ダンパ）との複数の組み合わせをコ ンピュータにより設計することが出来、理想的なばね及び／またはダンパーシス テムをこのようにして設計することが出来る、ことは良く知られている。しかし ながら、このようなコンピュータ設計を実行する時には、設計の妥協を行わなけ ればならないことがしばしばある。過去においては、ばねと減衰器との複数の組 み合わせは減衰器の特性を切り替えることが出来る程度には調整が可能であった が、可能なコンピュータ設計と比較した時にはこれらは非常に未熟である。高い スラスト力を発生することが出来る電磁ピストンとシリンダの出現は、設計者に いかなる所望のスラスト力特性をも創出させることを許容した。 我々は現在、特定の１つのばね，または複数のばねの組み合わせ，または複数 のばねと複数の減衰器との組み合わせとをシミュレートする為に、設計者により 決定された割合と、これもまた設計者により決定された限界位置の間で、ピスト ンを前方及び後方へ駆動する為の電磁ピストン及びシリンダ装置の制御可能な概 念を使用することを提案している。電磁ラムシステムを使用することの利点は、 ピストンとシリンダとの間の相対的な移動を生じさせるコイルの切り替えが既に コンピュータ制御の下にあるので、新たなプログラムをコンピュータに供給して コンピュータにピストン及びシリンダ装置の特性を変えさせることが出来る、こ とである。 上述した如くこの発明の幾つかの実施例に従って制御された複数のピストン及 びシリンダアクチュエータは「バーチャルリアリティ（仮想現実）」の分野にお いて使用されている専門用語を使用すれば、「バーチャル（仮想）ばね」，「バ ーチャル（仮想）減衰器」または「バーチャル（仮想）ばね／減衰器の組み合わ せ」として機能するよう構成されている。このような実施例の特定の適用は、車 両の為の能動懸架装置（アクティブ・サスペンション・システム）の如き懸架装 置（サスペンション・システム）の分野である。上述した如く、この発明の実施 例に従って制御された電磁アクチュエータは、それが１つのばね，または複数の ばねの組み合わせ，または１つの減衰器，または複数の減衰器の組み合わせ，ま たは複数のばねと複数の減衰器との組み合わせの如く動作するよう制御される。 懸架装置において動きを制御する目的は、例えば車両が不規則な地形を移動して いる場合には使用者が出来る限り滑らかに乗ることが出来ることが一般的な要望 であるので、動きのシミュレーションにおけるその逆と考えられる。動きのモニ タリングは従って、「基礎水準（ｇｒｏｕｎｄ ｌｅｖｅｌ）」を横切って移動 すると考えられる基台または複数の車輪の組み合わせの動きに原則的に向けられ るが、複数の動きのシミュレータに関連して記載されているこれらと同様なモニ タリング手段を使用することが出来る。 この発明の他の適用は、この発明の種々の実施例の全体の記載から明らかにな るであろう。 第１図は、本発明の一実施例において制御される公知のタイプの作動シミュレ ータの概略図を示している。 第２図は、第１図に示されるようなシミュレータ機構の斜視図を示している。 第３図は、電磁アクチュエータの基本的な２つの構成要素を示している。 第４図は、電磁アクチュエータの一例において使用されるに適したピストンを 示している。 第５図ないし第７図は、電磁アクチュエータの他の構成を示している。 第８図は、電磁アクチュエータに電流を供給するとともに電磁アクチュエータ からの電流を受ける回路を示している。 第９図は、本発明に係る動作制御装置の一実施例の概略図を示している。 第１０図は、本発明の一実施例において制御される自動車のサスペンションシ ステムの概略図を示している。 以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。第１図には、 本発明の動作制御装置の一実施例が適用される作動シミュレータが概略的に示さ れている。“ハード”シミュレーションがないこの種の作動シミュレータは、本 発明の出願人によって既に提出された国際出願（国際公開ＷＯ９４／１０６６５ ）において開示されている。 図示のように、底面１０は、床の上に載置されるか、あるいは、安定して支持 される。底面１０上には、例えば模擬動作を行なう図示しないカプセルやオート バイ、あるいはサーフボードなどが装着される。カプセルとしては、航空機の客 室のようなキャビンを挙げることができる。この場合、ユーザーは、使用中、シ ミュレーション動作を受けることができるように、キャビン内にとどまる。 底面１０上には、直線状に伸長可能な電磁ラムである３つのアクチュエータ３ ０が装着されている。第１図にはアクチュエータ３０への接続が図示されていな いが、後述するように、この接続は、電力もしくは流体を電磁ラム３０へ供給す るために必要である。各アクチュエータ３０は、底面１０上の点２４を中心とし て１自由度でＡ方向に自由に回転することができるように、底面１０上に装着さ れている。例えば、アクチュエータ３０はヒンジ２６によって装着されており、 ヒンジ２６の軸は底面１０内に位置している。一般に、アクチュエータ３０のこ の回転軸（例えばヒンジ２６の軸）は、底面１０上に３つの辺２２を有する仮想 三角形２０の頂点で互いに交わるように延びている。この実施例において、仮想 三角形２０は正三角形である。アクチュエータ３０の軸は、底面１０上の仮想三 角形２０の辺２２の中点である点２４で、アクチュエータ３０の回転軸と交差す る。これらの点２４はアクチュエータ３０の連結点として設定し得る。この実施 例では、各連結点２４は仮想三角形２０の各辺２２の中点である。したがって、 各連結点２４は仮想三角形２０の内側で小さな三角形を形成する。このため、ア クチュエータ３０の軸は、それらの角度位置にかかわらず、共通の直線上の一点 から分岐する。この共通の直線は、好ましくは、底面１０に対して垂直で且つ仮 想三角形２０とその内側に形成される前記小さな三角形の少なくとも一方の重心 を通過する線である。 各アクチュエータ３０は、そのピストン３２の突出長さを変化させることによ って、Ｂ方向に伸縮することができる。一般に、ピストン３２の長さは、アクチ ュエータ３０の長さ以下に設定されるが、ピストン３２がテレスコープ動作を伴 って段階的に伸長する場合あるいはシリンダの端部開口を通じてピストン３２が 動作可能である場合には、アクチュエータ３０の長さよりも長くても構わない。 シミュレーション機構の構造をより強固にするために、ピストン３２はスライド ベアリング３８によって支持される。各アクチュエータ３０のピストン３２はそ れぞれユニバーサルベアリング３６によってシミュレータ面４０上の一点に連結 されており、３つのユニバーサルベアリング３６は仮想三角形５０を形成してい る。この場合、仮想三角形５０は、正三角形であり、シミュレータ面４０内に位 置している。２つの仮想二角形２０，５０の大きさは、互いに同じであっても或 いは異なっていても良いが、必要とされる動作量および安定性に応じて決定され る。しかしながら、カプセルの質量中心は、仮想三角形５０の重心よりも上側に 位置していなければならない。また、カプセルの質量中心は、底面１０に対する 各アクチュエータ３０の３つの連結点（からなる三角形）の重心位置の上側で必 要とされる正確な高さ(level)に維持されなければならない。この状態は、仮想 三角形２０，５０の大きさと位置、アクチュエータ３０の長さ、あるいは、アク チュエータ３０の伸縮によって引き起こされる動作形態の外的な制御を適当に選 択することによって、維持される。この場合の外的な制御は、アクチュエータ３ ０が物理的に所定の角度範囲から外れることを防止することによって、あるいは 、所定のアルゴリズムもしくは同次演算（contemporaneous calculations）に基 づいてアクチュエータ３０の長さをコンピュータ制御することによって、なされ る。したがって、底面１０上の仮想三角形２０に対するアクチュエータ３０の各 連結点２４は互いに十分に離間され、これによって、仮想三角形２０が十分な大 きさとなって、アクチュエータ３０によって形成される力を安定な底面１０に伝 達するための手段を形成するようになる。 第２図は、第１図に概略的に示されたシミュレータ機構の斜視図である。第１ 図および第２図に示されたシミュレータ機構が本発明においてどのように制御さ れるかについて説明する前に、そのような機構において使用されるにふさわしい いくつかの電磁アクチュエータについて第３図ないし第６図を参照しながら説明 することとする。このような電磁アクチュエータは、本発明の出願人によって既 に提出された国際出願（国際公開ＷＯ９３／０１６４６）において開示されてい る。 第３図は、電磁アクチュエータの２つの要素、すなわちシリンダ１３０とピス トン１３５とが示されている。この実施例では、シリンダ１３０内に複数の環状 コイル１３１が収容されている。これらの環状コイル１３１は、ポールリング（ pole-piece ring）１３２によって互いに離間されている。ピストン１３５は、 シリンダ１３０の中央孔内でスライドできるような寸法に設定されており、円筒 状のスチールスリーブ１３６からなる。スチールスリーブ１３６の外周面には複 数の区分された巻き線（コイル）１３７が装着されている。ピストン１３５のコ イル１３７を流れる電流と相互に作用する径方向の磁場が形成されるように、シ リンダ１３０のコイル１３１に電流が流される。このような状態は、ピストン１ ３５の位置と押出し方向（ピストン１３５の移動方向）とに応じて制御される。 無論、ピストン１３５のコイル１３７を流れる電流によって、シリンダ１３０の コイル１３１に流れる電流と相互に作用する径方向の磁場が形成されても良い。 このようなアクチュエータのピストンが第４図に示されている。図示のように、 ピストンは、環状の複数のポール部材１４１とコイル１４２とを有するスチール コア１４０からなる。 第５図および第６図には他の２つの実施例が示されている。第５図に示される アクチュエータは、シリンダ１９１に複数の環状コイル１９２が設けられ、ピス トン１９０に径方向に磁化されたリング磁石１９３が設けられている。コイル１ ９２に適当な電流を流すことによって、ピストン１９０が磁力を受け、アクチュ エータが伸縮動作する。また、第６図では、スチールシリンダ２０１に径方向に 磁化された一連の複数のリング磁石２０２が設けられ、ピストン２０３に複数の 区分されたコイル２０４が設けられている。この場合、アクチュエータを伸縮動 作させる磁力が形成されるように、コイル２０４に電流が流される。 本発明の実施例において使用される前述の電磁アクチュエータから明らかなよ うに、電磁アクチュエータは、様々な形態があり、ピストンもしくはシリンダの 一方側のコイルを励磁して、ピストンもしくはシリンダの他方側のマグネティッ クシステムと前記コイルとの間で磁力を形成することができる。この場合、マグ ネティックシステムは、単一の永久磁石や、一連の複数の永久磁石、あるいは、 少なくとも１つの通電コイルであっても良い。 電磁アクチュエータの基本的な作用は押出し力を形成することであるが、本発 明の実施例における利点は、アクチュエータが往復動作を行なうことができると いう点である。この利点は、シリンダとピストンの一方のコイルに電流を流し、 その結果としてシリンダとピストンとの間の相対的な動きを実現するものである 。これにより、コイルを流れる電流をモニタすることによって、ピストンとシリ ンダとの位置関係の僅かな変化を検知することができる。さらに、バッテリーを 再充電するために、例えば装置を使用するための電力を形成するために、コイル に電流を流すこともできる。 本発明の実施例における使用に適した別のタイプの電磁アクチュエータについ て第７図を参照しながら簡単に説明する。なお、詳細については国際出願（国際 公開ＷＯ９３／０１６４６）に記載されている。この実施例では、電磁ラムは、 固定子コイル(stator coil)２３１を有するシリンダ２３０と、永久磁石２３３ ，２３４を有するピストン２３２とからなる。固定子コイル２３１はその両端に 導電性リング２３５を有している。導電性リング２３５は、銅やアルミニウム等 によって形成されており、電気的な緩衝作用を果たして動作の終端でのピストン による激しい衝撃を防止する。 前述したように、電磁アクチュエータは、基本的にはシリンダとピストンとを 有しているが、本発明の実施例では、回転トルクアクチュエータのような他のタ イプのアクチュエータを使用することも有益である。したがって、本発明は、ピ ストン／シリンダ構造のアクチュエータシステムに制限されず、また、電磁アク チュエータのシステムに制限されない。 一般に、ピストンの動作によって圧縮された流体をシリンダの内部から外部に 流すための手段を電磁ラムに設けることが必要である。この実施例では、エアー ポンプを兼ねるエアーリザーバに接続される複数のポートが設けられる。エアー ポンプを兼ねるこのエアーリザーバは、大きな押圧力を形成する場合において電 磁ラムをアシストするために使用される。すなわち、流体圧を所定のレベルまで 制御することによって、負荷が変化し或いは移動するまでの間、流体圧によって 負荷が完全に維持される。そのような負荷の変化が、ピストンに作用する負荷か らの圧力を変化させると、ピストンは、エアーリザーバポンプからピストンに作 用する圧力と前述した作用とによって移動する。そして、ピストンとシリンダと の相対的な動作が電磁電流を形成し、検知された電流をモニタすることによって ピストンの移動を検知することができ、そのような相対的な動作によって形成さ れた電流がシステムに電力を供給するため或いは充電に使用される。 電磁アクチュエータに電流を供給し或いは電磁アクチュエータから電流を受け てモニタするための回路について第８図を参照しながら簡単に説明する。 このシステムは、組合わされたアクチュエータ／ダンパユニット３１０を備え 、このユニットは、通常は、電池等のエネルギ貯蔵部からパワースイッチング装 置 ３１２を介してパワーを供給される。ユニットに所要の動きを与えるため、パワ ースイッチング装置３１２は、アクチュエータ／ダンパユニット３１０に対する 供給パワーのパルス幅調整を行うコントローラ３１４により、制御される。エネ ルギ貯蔵部３１１は、適切であれば、整流器３１５を介して交流源から再充電す ることができる。 アクチュエータ／ダンパユニット３１０および駆動装置は、これまでは、本願 出願人の国際特許出願ＷＯ９３／０１６４６に記載のようなものである。 このユニット３１０を駆動するためのパワーが供給されないときは、このユニ ット３１０のピストンおよびシリンダの相対動により、電力を発生するために用 いることができる。必要な場合には、このパワーを電気貯蔵部３１１に戻すこと ができる。したがって、コントローラ３１４は、他のパワースイッチ３２０を制 御し、ユニット３１０から電流を受取りかつこれを電流変圧器３１２および整流 器３２２を介して貯蔵部３１１に送るために用いることができる。 上述のシステムは、アクチュエータ／ダンパユニットを駆動するエネルギ貯蔵 部を補給するために使用されるシステムの緩衝作用を意図したものであるが、し かし、アクチュエータ／ダンパユニット３１０に必ずしも関係しない他の目的に 対して使用することができる。しかし、緩衝作用に関連して直接的に有益な目的 のために使用することが好ましい。空気ばね動ベースの場合、ユニット３１０か ら戻されたエネルギは、例えば空気リザーバを充填する圧縮器を駆動するために 使用することができる。以下、第９図を参照して本発明の実施例を説明する。こ れは、本発明の好ましい実施例による制御装置の動きを、電磁アクチュエータと 共に示しており、この電磁アクチュエータは、上述のように適宜の形式のもので あってもよいが、本実施例ではシリンダ上のコイルに電流が流れる形式のもので ある。コンピュータ制御装置は、１セットのパルス幅調整スイッチに信号を供給 し、これらのスイッチは、コンピュータ制御装置から受けた制御信号に応答して シリンダ内のコイルに対するパワー供給を制御する。コイルにパワーが供給され ることにより、ピストンは、電磁力により形成されたスラスト荷重を受ける。 上述の特徴では、この装置は「硬い（hard）］シュミレーションを行うことが できる。この装置が「柔らかい（soft）」シュミレーションを行うことができる ようにするために、シリンダおよびピストン上のポイントの相対位置、あるいは 、シリンダに対するピストンの相対速度等のアクチュエータ部材の他の特質を検 出するための手段が設けられる。位置検出手段は、この実施例では、ピストンお よびシリンダの相対位置を示す信号をコンピュータ制御装置に送り、そして、コ ンピュータ制御装置は、位置関係を上述のどのような関係ともする力が発生でき るように、スイッチング装置に送る信号を変更しあるいは制御信号を発生するこ とができる。 コンピュータおよび制御装置で定まる応答は、種々の方法で定めることができ る。上記の装置の２つの簡単な応用例は、「仮想ばね」として、あるいは、「仮 想ダンパ」としてである。これらは、応答が定まる方法を示す。 通常のばねをシュミレートするためには、戻し力が所定距離にわたってピスト ンの移動距離に直接的に比例することが必要である。これは、ばね特性として知 られており、 Ｐ＝−ｋｘ の式で表すことができる。 ここに、Ｐは戻し力であり、ｘは基準点からの距離であり、ｋはばね定数あるい はばね係数である。選択したばね係数は、ユーザーにより登録され、データとし て記憶され、検出した位置関係に対する応答を定めるためにコンピュータ制御装 置に供給される。 同様に、通常のダンパをシュミレートするために、動きに対抗する戻し力は、 距離の変化割合すなわち基準点に対する移動点の速度に比例する必要がある。こ れは、 Ｐ＝−ｑｖ の式で表すことができる。 ここに、ｖは点の速度であり、ｑは緩衝係数である。 選択した緩衝係数は、ユーザーにより登録され、データとして記憶され、検出 した速度に対する応答を定めるためにコンピュータ制御装置で用いられる。 本発明の上記の２つの用途は、例えばばねとダンパとを並列にシュミレートす ることが望ましい場合に、以下の式で戻し力を計算することにより、重ね合せる ことができる。 Ｐ＝−ｋｘ−ｑｖ 係数ｋおよびｑは個々に選択でき、例えば臨界的緩衝（critical damping）を 行うために配置される対象物の動的質量にしたがって選択することができる。 上述の主直線状関係で現せない実際のばねの特徴は、その弾性限度に達するば ね、および、ばね破損を含む。その弾性限度に達するばねをシュミレートするた めに、基準点からの所定位置で、「ばね」がそれ以上の伸びに抵抗するように、 復元力が極めて大きくされる。一方、ばね破損をシュミレートするために、ばね 係数をゼロに減ずることにより、復元力を急激に減少させることができる。 更に、実際のばねおよびダンパでは得ることのできない多くを含む広範囲のば ねあるいはダンパ特性を模倣することができることは明らかである。 用途のうちには、負荷の動力学に合せて特性を可変のばねとして、この装置を 用いることが有益である。例えば、ばね係数を合致するものに代えることにより 、質量が予め定められずあるいは実際に不明のシステムの共振周波数を調整する ことができる。更に、例えば制御されたプロセスにより、質量が時間で変化する 場合は、所要の共振特性を達成するために実際の時間で、アクチュエータの力： 距離特性も変化することができる。 上述のように、本発明の好ましい実施例の用途は、仮想現実的動作のシュミレ ータである。第１図および第２図を再度参照すると、「仮想現実サーフィン」を 提供するために、シュミレータ平面４０上にサーフボードが配置される。ユーザ ーがいない場合は、アクチュエータ３０は、シュミレータ平面４０が波の作用に よる静止状態あるいは水を切るときの動きを模倣するように、信号を送ることが できる。アクチュエータは、所定のアルゴリズムにしたがって規則的な動きある いは所定のシーケンスを生じさせ、あるいは、制御装置で予め定めた限度内でラ ンダムあるいは偽ランダムな動きを生じさせることができる（第９図参照）。 ユーザーは、ボード上あるいはシュミレータ平面４０上に登ったときに、アク チュエータの状態を変更し、シュミレータ平面の重心に対してその重量を移動し たときはいつでも変更し続ける。検出手段（第９図参照）によりモニタされるた め、アクチュエータの状態のこのような変化を検出したときに、各アクチュエー タへの制御信号は、アクチュエータを制御するアルゴリズムを変化することによ り、あるいは、時間−変化および例えばシュミレータ平面上におけるユーザー位 置のそれ以上の変化に応じたものでよい緩衝係数およびばね係数を導入すること により、変更することができる。このような制御により、ユーザーは、その動き がサーフボードあるいはシュミレータ平面の動きに影響していることを感得する ことができる。 なお、複数のアクチュエータを有するモーションコントロールシステムにおい ては、所定のシーケンス動をさせて、例えば上述のサーフボード上の波の作用を シュミレートするためには、アクチュエータへの制御信号は例えば別個のコンピ ュータシステムにより個々に供給することで十分である。しかし、モーションコ ントロール装置が、ユーザーの動きを検出しかつ応答することにより「柔らかい 」シュミレーション作用を「硬い」シュミレーションに重ねることが望ましい場 合は、一般には、ユーザーの動きをモニタするために１以上のセンサが必要とな る。ピストン上に装着された磁石とシリンダ内の誘導ループとの相対動によるア クチュエータのシリンダ内の誘導ループにおける電流の形成等のアクチュエータ のモニタ作用によりユーザーの動きがモニタされる好ましい実施例では、一般に 現実的な応答を計算するために、中央コンピュータ装置により、アクチュエータ のいくつかあるいは全てで信号をモニタすることが必要である。例えば、ユーザ ーが第１図および第２図に示すシュミレータの３つのアクチュエータの１に向け て、その重さを移動すると、第１アクチュエータは「正のエラー信号」を形成し 、他の２つは「負のエラー信号」を形成する。新たな制御信号を定めるためには 、３つの信号を比較あるいは解析することが必要である。 本発明は乗り物用のアクティブサスペンションの分野にも適用できる。 車や他の乗り物は一般にサスペンションシステムを備えている。車用の典型的 なサスペンションシステムは、互いに等価な一揃いの複雑なスプリング／ダンパ ー複合体からなり、これらは車の本体と車輪の間に設けられる。適当なスプリン グ特性とダンパー特性を選ぶことによって、車の運転手にふたつの大きな利益を 提供するサスペンションシステムが得られる。そのひとつは、車の車輪が道にあ る隆起や穴に通過するときなどに受ける急激な衝撃がシステムによって吸収され ることであり、これにより車の運転手は快適な運転ができる。もうひとつは、サ スペンションシステムのない車では路面との接触を失うような状況、このような 事態は例えば過剰な速度で隆起を通過する際に起きるが、このような状況におい ても、車の車輪と路面との接触が維持されることである。この利益は前述の利益 と関連しており、良好な路面のホールディングを可能にし、より良好な舵取りと 制動を実現し、車の摩耗と裂けを減少させる。 公知のタイプの車や他の乗り物用のサスペンションシステムは、機械式サスペ ンションシステムや流体式サスペンションシステムや気体式サスペンションシス テムを含んでいる。 乗り物用のサスペンションシステムのスプリング特性とダンパー特性は一般に 調整可能である。この調整を行なうには車を止める必要があるが、ある種の車、 特にレースに使用される車では、車に備え付けのコントローラーによって走行中 にサスペンション特性の調整が行なえる。路面コンディションの変化に応じてサ スペンションの堅さが調整でき、変動する地面を通過する際に車が殆ど限界近く 減衰されるのを可能にする。 最近では、特にレースの分野では、「アクティブサスペンション」として知ら れるサスペンションが実用されている。アクティブサスペンションでは、サスペ ンションシステムのスプリング特性とダンパー特性は、検出される運転コンディ ションの変化に応じて、例えば、舵取りの変化、凸凹な路面や傾斜した路面によ る車の傾き、車により運ばれる質量や配分の変化、その他の変化などに応じて自 動的に調整される。アクティブサスペンションの主な狙いは、乗り物が様々に変 化する路面上を走行する際にスプリング特性とダンパー特性を継続的に変化させ 、これにより運転手がサスペンションシステムに直接指令を出さずとも、検出さ れる運転コンディションの変化に応じてスプリング特性とダンパー特性が調整変 化されるようにすることである。レースの分野で知られているアクティブサスペ ンションは一般に流体式減衰サスペンションシステムを用いている。このシステ ムにおいては、運転コンディションの変化の検出結果によってシステム中の流体 の圧力あるいはオイルの体積が変えられる。運転コンディションの変化は、車輪 支持構造体に取り付けられた歪ゲージあるいは別の方法によって検出される。 図１０は車のサスペンションシステムを模式的に示している。この模式図は車 の前面を示しており、アクティブサスペンションシステムの説明に関与する特徴 部のみを描写している。 箱６０で示される車本体はステアリングコラム６５によってステアリングボッ クス７０に連結しており、ステアリングコラム６５はステアリング制御手段６２ によってそれに与えられた舵取りの指示をステアリングボックス７０に伝える。 指示は電気信号または機械信号または流体信号または気体信号であり、あるいは 他のタイプの信号であってもよい。ステアリングボックス７０は支持体７５によ って軸７８を介して前輪８０に連結しており、支持体は舵取り指示に応じて移動 し、車輪の回転軸を変えて車の向きを変える。車の本体６０と車輪支持体７５の 間にはサスペンションシステム８５があり、これはピストン・シリンダーシステ ムとして模式的に描かれている。 サスペンションシステム８５はサスペンション制御システム８２によって制御 されるように描かれている。サスペンション制御システム８２は車本体６０の内 部にある必要はない。さらに、全てのサスペンションシステムの制御をひとつの サスペンション制御システム８２が行なってもよく、あるいは、ひとつのサスペ ンション制御システムがひとつのサスペンションシステムまたは一組のサスペン ションシステムの制御を行なってもよい。路面９５の凸凹等の運転コンディショ ンを検出するため、種々なタイプのセンサーたとえば歪ゲージが支持体７５の内 部あるいは適当な箇所に設けられている。図には、センサーはリーフスプリング ７７に取り付けられた歪ゲージ７６で示されており、歪ゲージは図示してない連 結手段によってサスペンション制御手段８２に電気的に連結されている。 サスペンションシステム８５は最初はスプリング／ダンパー複合体が所定のス プリング／ダンパー特性を持っているように動作するように制御され、ここで所 定のスプリング／ダンパー特性は例えば平均的な負荷をもって平均的な速度で平 均的な起伏の道路を走行中の車の臨界の減衰に近いものである。スプリング／ダ ンパー特性は、サスペンション制御システム８２から異なる信号を供給すること によって、コンディションの変化に対して与える臨界の減衰が調整され、ここで 異なる信号はサスペンションシステムが流体式であれば流体信号である。サスペ ンションが「アクティブサスペンション」であると認められるためには、サスペ ンションシステム８５が少なくとも部分的に運転コンディションの特性の検出結 果たとえば車輪が通る路面の凸凹や車輪の舵取り方向等から決まる方法によって 制御されなければならない。サスペンションシステム８５の制御は減衰ファクタ ーの変更であり、それは例えば一定の間隔で、あるいは閾値レベルを越える変化 が検出されたときに、あるいは連続的に行なわれる。あるいはサスペンションシ ステム８５の制御はピストンとシリンダーの複合体の長さの変更である。この種 の制御では、車輪８０が穴や隆起を通過する際にも、凸凹の見積り大きさに応じ て車本体６０と支持体７５の間の長さを調整することによって、車本体を所定の 絶対的な高さに維持することができる。 別の意図による、運転コンディションをモニターしてサスペンションシステム を制御する概念を用いた別の制御について説明する。 本発明がサスペンションシステムの分野、特にアクティブサスペンションに適 用できることは、ひとつに、電磁ラムが制御される速度と正確さによる。また、 適切なアクチュエーター好適には電磁アクチュエーターは、力発生源として機能 するだけでなく、他の力によるそれ自体の動きのセンサーとしても機能すること による。 再び図１０において、サスペンションシステム８５が電磁ラムを有していれば 、支持体７５あるいは車輪８０を概念的な「地面」とみなし、車本体６０をその 動きが制御される物体とみなすことができる。固定の地面に対して物体の動作を 動作させることを意図している動作シミュレーションの分野とは対照的に、アク ティブサスペンションの分野では、一般に例えば車輪が道路にある穴や隆起を通 過することによって生じる車輪あるいは支持構造体である地面の動きに対する車 本体である物体の動きを減らすことが意図されている。 サスペンションシステム８５に適切な電磁アクチュエーターを使用することに より、車本体６０と支持体７５の間の相対的な動きの特性は、電磁ラムのピスト ンまたはシリンダーの電磁要素に発生する電流を検出することによりモニターで きる。発生した電流を示す信号は（図１０に示されていない連結手段によって） 、信号の所定のファンクションあるいは電磁ラムのコンディションに依存する他 の 情報に従ってサスペンションシステム７５のスプリングとダンパーの特性あるい は他の特性を変えることのできるサスペンション制御手段８２に供給される。従 って、アクティブサスペンションの提供を可能にするに十分な運転コンディショ ンをモニターする独立のセンサーシステム７６、７７を不要にすることができる 。実際、独立のセンサーからの信号の代わりに電磁ラムからの信号をモニターす ることによって、車本体６０と車輪８０または支持構造体７５との間の相対的な 動きをより直接的に示す特性をモニターすることができ、従って運転コンディシ ョンの適切な特性をより直接的にモニターできる。従って、この方法においては 「エラー信号」はアクチュエーター自体によって生成されることが好ましいが、 エラー信号は本発明の他の実施による別の手法によって生成されることも考えら える。 動作シミュレーションとサスペンションシステムの分野に加えて、本発明の実 施は多くの他の分野に適用されることが考えられる。多くの力発生源を越える電 磁アクチュエーターの特徴的な利点を利用することにより、本発明の実施は、特 に、人と物体が動かされなければならない、あるいは支持体の動きに依らずに安 定化されなければならないといった、動きの制御がシステムの内部あるいは外部 の特性の検出に依存している状況に適用されることが予測される。例えば、電磁 ラムがエレベーターに力発生源として使用された場合、人がリフトを出入りする ことによるリフト内の乗員の全重量の変化などの特性がモニターされ、ラムへの 制御信号がその変化に従って変えられる。激しい振動で損傷し兼ねない壊れ易い 物体の輸送が適切な制御電磁ラムの使用によって非常に滑らかなものとなる。 電磁アクチュエーターの主要な利点は上述した通りである。これらは特に、適 切な電気信号が与えられたときに推力を生成することに加えて、アクチュエータ ーの要素間に相対的な動きを引き起こす力を受けたときに電気信号を直接生成す ることもできるという特徴によるものである。しかしながら本発明の実施は電磁 アクチュエーターを使用したものに限らない。物体と地面の間の相対的な位置あ るいは動き、または動きを見積り計算するための信号を得るための地面とアクチ ュエーターと物体の間の力、またはシステムにかかる力の変化といった特性をモ ニターする手段を内部あるいはその表面を備えている他のタイプのアクチュエー ター、例えばボールスクリューアクチュエーターが使用可能である。また、アク チュエーターの要素間の相対的な動きのモニターとは独立に、力をモニターでき るセンサーが使用可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９４１１１５２．３ (32)優先日 1994年６月３日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＲＵ，ＵＳ (72)発明者 ワッツ、マーティン・ポール イギリス国、ビーエイチ13・７エイチエ フ、ドーセット、プール、ブランクサム・ パーク、マルテーロ・ロード・サウス ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 物体の移動を制御する装置であって、 前記物体と地面との間に配置された作動器と、 種々の制御信号を前記作動器に供給することによって前記作動器を押し出し動 作させる制御装置と、 前記物体と前記地面の相対的な位置及び移動の特性、前記地面と前記作動器と 前記物体との間に作用する力の特性を監視して、その特性を示す種々の信号を出 力する手段と、を備えており、 前記制御装置は、前記監視手段から出力された信号に応答すると共に、前記作 動器に供給するための前記制御信号を発生及び変更する手段を備えている物体移 動制御装置。 ２． 前記作動器は、ピストンとシリンダとを備えている請求の範囲第１項に記 載の物体移動制御装置。 ３． 前記監視手段は、前記ピストンと前記シリンダの相対的な位置及び移動の 特性を監視する請求の範囲第２項に記載の物体移動制御装置。 ４． 前記作動器は、電磁作動器である請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか １に記載の物体移動制御装置。 ５． 前記監視手段は、前記ピストンに設けられた磁気素子と前記シリンダに設 けられた導電性回路との間の相対的な移動によって発生した種々の電気信号を監 視する請求の範囲第２項乃至第４項のいずれか１に記載の物体移動制御装置。 ６． 前記監視手段は、前記シリンダに設けられた磁気素子と前記ピストンに設 けられた導電性回路との間の相対的な移動によって発生した種々の電気信号を監 視する請求の範囲第２項乃至第４項のいずれか１に記載の物体移動制御装置。 ７． 前記磁気素子は、永久磁石である請求の範囲第５項又は第６項に記載の物 体移動制御装置。 ８． 前記磁気素子は、導電性回路である請求の範囲第５項又は第６項に記載の 物体移動制御装置。 ９． 前記制御装置は、予め規定された一連の制御信号を前記作動器に供給する ことによって、前記作動器を予め規定した一連の押し出し動作させる請求の範囲 第１項乃至第８項のいずれか１に記載の物体移動制御装置。 １０． 前記制御装置は、前記監視手段からの信号に基づいて、前記予め規定さ れた一連の制御信号を変更することによって、前記作動器の押し出し動作に変更 を加える手段を更に備えている請求の範囲第９項に記載の物体移動制御装置。 １１． 前記制御装置は、前記監視手段から出力された信号に基づいて、予め規 定されたファンクションに対応する種々の制御信号を出力する手段を備えている 請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１に記載の物体移動制御装置。 １２． 前記予め規定されたファンクションとは、前記物体と前記地面の相対的 な位置が変更するように、前記制御信号によって前記作動器を押し出し動作させ ることである請求の範囲第１１項に記載の物体移動制御装置。 １３． 前記予め規定されたファンクションとは、予め規定された釣り合った変 位状態から前記物体を前記地面に対して相対的に変位させるように、前記制御信 号によって前記作動器を押し出し動作させることである請求の範囲第１２項に記 載の物体移動制御装置。 １４． 前記予め規定されたファンクションとは、前記物体が前記地面との間の 相対的な位置が所定の割合で変化するように、前記制御信号によって前記作動器 を押し出し動作させることである請求の範囲第１１項乃至第１３項のいずれか１ に記載の物体移動制御装置。 １５． 前記予め規定されたファンクションとは、前記物体と前記地面との間の 相対的な位置が一定の割合で変化するように、前記制御信号によって前記作動器 を押し出し動作させることである請求の範囲第１４項に記載の物体移動制御装置 。 １６． 請求の範囲第１項乃至第１５項に記載の物体移動制御装置を備えた移動 制御システムであって、地面と物体との間に１つ以上配置され且つ押し出し動作 可能な作動器を備えている移動制御システム。。 １７． 前記作動器の下端部は、安定したベース部に取り付けられている請求の 範囲第１６項に記載の移動制御システム。 １８． 前記作動器の上端部には、可動面が形成されており、前記作動器の押し 出し動作によって前記可動面が移動する請求の範囲第１７項に記載の移動制御シ ステム。 １９． 前記可動面が移動する際には、前記作動器には、種々の力が作用する請 求の範囲第１８項に記載の移動制御システム。 ２０． 前記作動器の下端部は、ある一面を横断して移動制御システムを動作さ せる動作手段に取り付けられている請求の範囲第１６項に記載の移動制御システ ム。 ２１． 前記動作手段に作用する種々の力は、前記作動器に伝達される請求の範 囲第２０項に記載の移動制御システム。 ２２． 前記制御装置は、前記物体に働く力を最小化又は安定化させるように、 前記作動器を制御する請求の範囲第１６項乃至第２１項のいずれか１に記載の移 動制御システム。 ２３． 前記作動器は、電磁作動器である請求の範囲第１６項乃至第２２項のい ずれか１に記載の移動制御システム。 ２４． 複数の作動器と、これら作動器の位置及び移動の特性を監視して、その 特性を示す種々の信号を共通の制御装置へ出力する監視手段とを備えており、前 記監視手段は、前記信号に応答すると共に、前記作動器に供給するための制御信 号を発生及び変更する手段を備えている請求の範囲第１６項乃至第２３項のいず れか１に記載の移動制御システム。 ２５． 前記制御装置は、前記作動器へ予め規定された一連の制御信号を出力す る手段を備えている請求の範囲第１６項乃至第２４項のいずれか１に記載の移動 制御システム。 ２６． 前記制御装置は、外部制御手段からの信号に応答して、前記作動器へ種 々の制御信号を出力する手段を備えている請求の範囲第１６項乃至第２５項のい ずれか１に記載の移動制御システム。 ２７． 前記制御装置は、任意の制御信号又は偽似乱数の制御信号を前記作動器 へ出力する手段を備えている請求の範囲第１６項乃至第２６項のいずれか１に記 載の移動制御システム。 ２８． 前記制御装置は、前記監視手段からの信号に応答して、前記制御信号を 変更する手段を更に備えている請求の範囲第２５項乃至第２７項のいずれか１に 記載の移動制御システム。 ２９． 請求の範囲第１６項乃至第２４項のいずれか１に記載の移動制御システ ムを備えたサスペンションシステム。 ３０． ２つの物体の間に配置された作動器によって成される押し出し動作を制 御する制御方法であって、 前記２つの物体の相対的な位置及び移動の特性、前記２つの物体の間に働く力 の特性を監視して、それらの特性を示す信号を制御手段へ出力する工程とを有し ており、 前記制御手段は、前記監視手段からの信号に応答して制御信号を発生及び変更 すると共に、前記制御信号を前記作動器へ出力して、前記制御信号に基づいて前 記作動器を押し出し動作させる制御方法。 ３１． 前記作動器は、電磁作動器である請求の範囲第３０項に記載の制御方法 。