JP6535014B2 - モーションプラットフォーム - Google Patents

Description

本発明は、モーションプラットフォームに関し、具体的には、モーションプラットフォームにおける６自由度の移動を実行するのに必要な力を減少させるための装置に関する。

モーションプラットフォームは、別称モーションシミュレータとして知られ、航空機又は自動車に例示される、移動車両内に居る感覚をシミュレーションするために利用されている。一般的に、モーションシミュレータは、乗員のために１つ以上の座席を有する、いくつかの筐体、カプセル又はコックピットと、筐体の移動に同期する視聴覚ディスプレイと、を備えている。筐体は、３次元空間に与えられた可動範囲内を任意の軌道で移動できる。通常、そのような筐体の移動を容易にするために、筐体は、スチュワートプラットフォームのような、動きを付与するための一連の作動装置を下部に有する支持面又はプラットフォームに取り付けられている。

スチュワートプラットフォームは周知であり、６自由度の移動、すなわち、Ｘ、Ｙ、及びＺの３つの基本的なデカルト軸のそれぞれについて、独立して同時に並進及び回転が可能である。スチュワートプラットフォームは、３つ全てのデカルト軸について、支持プラットフォームの並進及び回転を行うために、それぞれが伸長可能な、６つの脚を有する。添付図面の図１に示される典型的なスチュワートプラットフォームは、水圧式、空気圧式、又は電気式の作動装置７である、複数の伸長可能な脚によって、支持プラットフォーム５から離れて配置されたベース構造３を有する。

既存のモーションシミュレータにおける筐体の総重量は、乗員を含め、作動装置７のみによって支えられる。ゆえに、作動装置７は、筐体の重量を支え、必要とされる動きを付与するのに十分な大きさでなければならない。

本願第１の発明によれば、支持プラットフォーム及びその上に載置できるペイロードを、ベース構造に対して中立平衡に近い状態で維持するための装置を提供する。支持プラットフォームは、複数の作動装置によってベース構造から離れて位置しており、これらの複数の作動装置は、前後軸、横軸、及び垂直軸について、ベース構造に対する６自由度を支持プラットフォームに持たせる。本装置は、支柱を有しており、支柱は、ベース構造と支持プラットフォームの間に略直立して取り付けられ、支持プラットフォーム及びペイロードの重量を支える。さらに、本装置は、第１バランスアセンブリを有しており、第１バランスアセンブリは、ペイロードがベース構造に対して前後及び／又は横に移動するときに、反作用力を支柱に与える。装置は、第２バランスアセンブリを有しており、第２バランスアセンブリは、ペイロードがベース構造に対して前後及び／又は横の軸回りで回転するときに、反作用力を支持プラットフォームに与える。第１バランスアセンブリ及び第２バランスアセンブリによる反作用力によって、ペイロードによって作動装置に作用する負荷を低減する。

第１バランスアセンブリは、支柱とベース構造の間に接続された、３つ以上の弾性部材を有することが好ましい。この点において、弾性部材は、支柱から外側に延び、ベース構造の上において、略等しい距離の角度間隔で配置されてもよい。

ベース構造は、外側及び上方に延びる、３つ以上の設置アームを備えることができ、これらの設置アームは、略等しい距離の角度間隔で配置される。各弾性部材の一端は、対応する設置アームに固定されてもよい。

各弾性部材は、支柱と設置アームの間で往復して延びる１つ以上の弾性部材、例えば、ゴム紐を有することが好ましい。

支柱は、ベース構造に回転可能に取り付けられたメイン収納部と、メイン収納部に対して垂直方向に移動可能なシリンダーとを有することが好ましい。さらに、支柱は、メイン収納部及びシリンダーの周囲に位置するフレーム構造を有していてもよい。

一実施形態において、弾性部材のゴム紐は、メイン収納部に固定される。他の実施形態において、１つ以上のゴム紐は、フレーム構造又はシリンダーに固定したり、シリンダー及びメイン収納部に固定したり、フレーム構造、シリンダー及びメイン収納部のいずれかを組み合わせたものに固定したりすることができる。

第２バランスアセンブリは、３つ以上の係留ロープを備えることが好ましい。係留ロープでは、第１端部が支持プラットフォーム又はペイロードに接続されているとともに、第２端部が支柱に接続されている。係留ロープは、支持プラットフォーム又はペイロードの上において、略等しい距離の角度間隔で配置されることが好ましい。

支柱のフレーム構造は、シリンダーに固定された上端及びメイン収納部の周囲で延びる下端を有していてもよい。下端は、複数のローラーやスライダー等を有することが好ましく、これらは、シリンダーがメイン収納部に対して垂直に移動するときに、メイン収納部の外表面に沿って走行することができる。各係留ロープの第２端部は、フレーム構造の下端に固定されることが好ましい。

さらに、第２バランスアセンブリは、メイン収納部の外表面に取り付けられた、複数の上部滑車又は上部スプロケットと、ベース構造に取り付けられた、複数の下部滑車又は下部スプロケットと、を有していてもよい。それにより、各係留ロープは、フレーム構造の下端を通過する前に、支持プラットフォーム又はペイロードから、下部滑車又は下部スプロケットの下を通過した後に、上部滑車又は上部スプロケットの上を通過することができる。

各係留ロープは、非弾性部と共に端と端を接続して配置される弾性部を有することが好ましい。この点において、係留ロープの非弾性部は、ケーブルであり、係留ロープの弾性部は、１つ以上のゴム紐であることが好ましい。この点において、１つ以上のゴム紐は、弾性部における第１取付ブロックと第２取付ブロックの間を往復して延びてもよい。

支持プラットフォームは、上部及び下部を有することが好ましい。この点において、下部は、上部に対して回転できることが好ましい。第２バランスアセンブリの各係留ロープにおける第１取付ブロックは、支持プラットフォームの下部に取り付けられることが好ましい。

本願他の発明によって提供されるモーションプラットフォームは、
ベース構造と、
ペイロードが載置される支持プラットフォームと、
ベース構造と支持プラットフォームの間に接続され、ベース構造に対する前後軸、横軸、及び垂直軸の６自由度を支持プラットフォームに与える複数の作動装置と、
ベース構造と支持プラットフォームの間に略直立して取り付けられており、支持プラットフォーム及びペイロードの重量を支える支柱と、
ペイロードがベース構造に対して前後及び／又は横に移動するときに、反作用力を支柱に与える第１バランスアセンブリと、
ペイロードがベース構造に対して前後及び／又は横の軸回りで回転するときに、反作用力を支持プラットフォームに与える第２バランスアセンブリと、を有し、
第１バランスアセンブリ及び第２バランスアセンブリによる反作用力によって、ペイロードによる作動装置への負荷を低減する。

本発明は、作動装置からペイロードの重量の全て又は実質上一部を取り除くため、モーションシミュレータの筐体、カプセル又はコックピットに例示されるペイロードを、作動装置の一部で、最小限の力で動かすことを可能にする点で有利である。この点において、直立した支柱は、支持プラットフォーム及びペイロードの重量を支え、第１バランスアセンブリは、支柱の動きに対して反対のベクトルを持つ力を支柱に与え、第２バランスアセンブリは、ペイロードによって支持プラットフォームの上に働く転倒力の一部又は全てを相殺する力を支持プラットフォームに与える。

さらに、本発明は、ペイロードの可動範囲の全体において、支持プラットフォーム及びペイロードを、中立釣り合い、中立平衡又はそれに近い状態に維持させることが可能であるという点で有利である。この点において、第１バランスアセンブリ及び第２バランスアセンブリによる反作用力によって、安定性と均衡をペイロードに与え、ペイロードに動きを与えるために利用される作動装置をより小さくすることができ、これによって、低コストの作動装置を使用できる。ゆえに、作動装置への負荷を最小限にして、ペイロードを傾いた位置又はオフセット位置に維持することができる。

本発明のさらなる利益及び利点は、以下の、本発明の好ましい実施形態から明らかになる。好ましい実施形態は、前項で述べた内容を限定するものとして考慮されるものではない。

従来技術における（スチュワートプラットフォームとして知られる）モーションプラットフォームの斜視図である。 図１に示すモーションプラットフォーム内に組み込まれる、本発明の一実施形態における装置の斜視図である。 モーションプラットフォームの作動装置を省略した、図２に示す装置の斜視図である。 図３に示す装置において、第２バランスアセンブリを省略した上面斜視図である。 第２バランスアセンブリの一部において、支柱や各種の特徴を説明する側面図である。 ２分割の支持プラットフォームを備えるモーションプラットフォームに組み込まれた、本発明の別の実施形態における装置の斜視図である。

添付図面の図２から図６を参照すると、支持プラットフォーム５及び、この上に載置されるペイロードを、ベース構造３に対して実質的に中立平衡又は均衡に維持するためのバランス機構又は装置１が組み込まれたモーションプラットフォームが示されている。支持プラットフォーム５は、複数の作動装置７によってベース構造３から離れて位置しており、これらの複数の作動装置７は、前後方向のＸ軸、横方向のＹ軸、及び垂直方向のＺ軸について、ベース構造３に対する６自由度を支持プラットフォーム５に持たせる。

装置１は、略直立した支柱９を１つ以上有しており、支柱９は、ベース構造３と支持プラットフォーム５の間に取り付けることができる。支柱９は、実質上、プラットフォーム５及び、その上に載せられたペイロードの重量を支える。通常、ペイロードは、１つ以上の座席を有する筐体、カプセル又はコックピットの１人以上の乗員、視覚ディスプレイ、及び乗車感覚をシミュレーションする制御装置を有する。

装置１は、第１バランスアセンブリ１１を有しており、第１バランスアセンブリ１１は、ペイロードが作動装置７によって、ベース構造３に対して前後及び／又は横に移動する際に、反作用力を支柱９に与える。装置１は、第２バランスアセンブリ１３を有しており、第２バランスアセンブリは、ペイロードが作動装置７によって、ベース構造３に対して前後及び／又は横の軸回りで回転する際に、反作用力を支持プラットフォーム５に与える。

図２を参照すると、支持プラットフォーム５及びペイロードは、作動装置７によって移動し、ロール（Ｘ軸回りの回転）、ピッチ（Ｙ軸回りの回転）、及びヨー（Ｚ軸回りの回転）において、ペイロードを回転させることができる。また、作動装置７は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交する３軸について、前後、左右、及び上下の並進移動を可能にする。

支柱９は、支持プラットフォーム５及びペイロードの、実質的な重量を支えるように機能する。支柱９は、低レートの金属又は伸縮性のばねに例示される、支持プラットフォーム５及びペイロードの重量と略等しい力を発生させる零レートのばねであってもよい。低いばねレートは、垂直変位に関する力の変化を低減する上で有利である。支柱９は、気圧式であって、プログラマブル論理制御装置又はそれに準ずるものによって利用される。この制御装置では、支持プラットフォーム及びペイロードの重量を測定して、圧力を動的に調整することができる。これは、ペイロードの質量の変化に対応できる点で、特に有利である。支柱９は、ベース構造３に回転可能に取り付けられたメイン収納部１５と、メイン収納部１５に対して垂直方向に移動可能なシリンダー１７とを有する。作動装置７による支持プラットフォーム５の垂直移動及び／又は支持プラットフォーム５及びその上のペイロードの重量変化に応じて、支柱９が常にペイロードを一定又はほぼ一定に支えることができるようにするため、メイン収納部１５内の流体の量が調整される。支持プラットフォーム５は、シリンダー１７の上部に回転可能に取り付けられている。さらに、支柱９は、シリンダー１７に固定される上部板状端部２７及び、メイン収納部１５の周りで延びる下部板状端部２９を有する、フレーム構造２５を含むことが好ましい。さらに、フレーム構造２５は、上部板状端部２７と下部板状端部２９の間に位置する複数の細長い棒を有する。

垂直な支柱９は、ベース構造３に対して回転可能に取り付けられている。第１バランスアセンブリ１１は、支柱９の前後左右のバランスを安定にする。この点において、第１バランスアセンブリ１１は、支持プラットフォーム５及びペイロードがベース構造３に対して前後及び／又は左右に動く際に、反作用力を支柱９に与える。

第１バランスアセンブリは、支柱９とベース構造３の間に接続された、３つ以上の弾性部材１８を有することが好ましい。図３に最もよく表されているように、弾性部材１８は、支柱９から外側及び下方に延びており、ベース構造３上において、略等しい距離の角度間隔で配置されている。この点において、ベース構造３は、外側及び上方に延びる、３つ以上の設置アーム１９を備えており、これらの設置アーム１９は、略等しい距離の角度間隔で配置されている。各弾性部材１８の第１端部は支柱９に取り付けられており、反対側の第２端部は設置アーム１９の先端部に固定されている。設置アーム１９上に弾性部材１８を取り付けることによって、弾性部材１８はより水平方向を向くようになる。垂直な支柱９が垂直な直立位置から傾くと、弾性部材１８は全体として反対のバランス力を与える。弾性部材１８に適切なばね定数を設定することによって、転倒力の大部分又は全てを相殺することができる。支柱９が直立しているときに、力が零のベクトルを与えるために、同等の複数の弾性部材１８を等しい角度間隔で配置することが望ましい。ただし、特定の目的のためにオフセットさせたり、偏らせたりすることができる。弾性部材１８は、一般に、等しい距離の角度間隔で配置されることが望ましいが、支柱９が所望の位置にあるときに、複数の弾性部材１８の全体によって力が零のベクトルを与えることができるように、複数の弾性部材１８はよりランダムに配置することができる。

モーションプラットフォームの特に好ましい実施形態において、各弾性部材１８は、支柱９と設置アーム１９の間で延びる、ゴム紐２１のような、１つ以上の伸縮性部材を有する。ばねレート又はばね定数を変更したり、ベース構造３の設置アーム１９に対する弾性部材１８の設置の高さを調整したりすることによって、ペイロードの乗員の数及びサイズに依存すると考えられる、ペイロードの重量の変化に対応することができる。図２、図３、及び図４において、各弾性部材１８は、単一の部材として図示している。しかし、各弾性部材１８は、支柱９と設置アーム１９の間で延びる１つ以上弾性部材を有していてもよい。各弾性部材１８の第一端部は、フレーム構造２５において、対応する細長い棒に取り付けられている。その結果、各弾性部材１８の第一端部は、シリンダー１７が支柱９のメイン収納部に対して垂直移動する間、フレーム構造２５及びシリンダー１７と共に動く。しかし、他の実施形態では、シリンダー１７の垂直移動の間、各弾性部材１８の第一端部が固定された状態を保つように、各弾性部材１８の第一端部を支柱９のメイン収納部１５に取り付けることができる。

第２バランスアセンブリ１３は、ペイロードがロール回転又はピッチ回転する際に反作用力を支持プラットフォームに与えることで、ロール・ピッチのバランスを持たせる。この点において、第２バランスアセンブリ１３は、３つ以上の係留ロープ２３を備えることが好ましい。係留ロープ２３では、第一端部が支持プラットフォーム５又はペイロードに接続されているとともに、第二端部が支柱９に接続されている。図３に示すように、複数の係留ロープ２３は、支持プラットフォーム５の上において、等しい距離の角度間隔で配置されることが好ましい。図６に示す実施形態において、下方板状端部２９は、複数のローラー３１を有しており、これらのローラー３１は、シリンダー１７及びフレーム構造２５がメイン収納部１５に対して垂直に移動する際に、メイン収納部１５の外表面に沿って走行する。

図５及び図６の実施形態に示すように、第２バランスアセンブリ１３は、メイン収納部１５の外表面周りに等間隔に配置された、３つ以上の上部滑車３２と、ベース構造３の上に等間隔で配置された、３つ以上の下部滑車３３を有する。各下部滑車３３は、上部滑車３２に対応した位置に配置されている。係留ロープ２３は、フレーム構造２５の下方板状端部２９を通過する前に、支持プラットフォーム５から下部滑車３３の下を通過して、対応する上部滑車３２の上を通過する。

各係留ロープ２３は、弾性部３５及び非弾性部３７を含むことが好ましい。この点において、弾性部３５は、上部滑車３２及び下部滑車３３に巻き付けながら、非弾性部３７と共に端と端を接続して配置することが好ましい。非弾性部３７は、ワイヤーケーブルに例示されるケーブルであることが好ましい。仮に非弾性部３７が、ローラーチェーンやそれに準ずるものに例示される、チェーンの形態である場合、下部滑車３３及び上部滑車３２は、スプロケットに取り替えることができる。

係留ロープ２３の弾性部３５は、図６に示すような、弾性部３５における第１取付ブロック４１と第２取付ブロック４２の間で延びる、１つ以上のゴム紐３９を含むことが好ましい。これに関して、第１取付ブロック４１を支持プラットフォーム５に取り付けるとともに、第２取付ブロック４２を、係留ロープ２３の非弾性部３７の端部に取り付けることが好ましい。係留ロープ２３の非弾性部３７によって、第１取付ブロック４１から離れるように第２取付ブロック４２が引っ張られており、ゴム紐３９は、張力を持った状態を維持する。ゴム紐のばねレートを変更したり、支持プラットフォーム５の上における第１取付ブロック４１の位置を調整したりすることによって、ペイロード又は乗員の質量変化に対応することができる。図６に示す実施形態では、複数のゴム紐３９が備え付けられているが、第１取付ブロック４１と第２取付ブロック４２の間を往復して延びる単一のゴム紐を代用できる。上記のような係留ロープ２３は、図６に示される、第１バランスアセンブリ１１における弾性部材１８として利用することもできる。

上部滑車３２及び下部滑車３３を通る係留ロープ２３に非弾性部３５を配置することにより、支持プラットフォーム５及びペイロードの前後、左右、及び上下への移動する間に、係留ロープ２３の弾性部３５は、大きな影響を受けない。

特に好ましい実施形態において、図６に示すように、支持プラットフォーム５は、上部４３及び下部４５を有する。ペイロードは、上部４３に取り付けられる。下部４５は、上部４３に対し回転可能であるリングの形態であることが好ましく、これによりペイロードのヨー回転から独立又は分離される。この点において、ペイロードのヨー回転が第２バランスアセンブリ１３の上に大きく影響を及ぼすことがないように、非弾性部３７の第１取付ブロック４１は、支持プラットフォーム５の下部４５に固定されることが好ましい。支持プラットフォーム５の上部４３は、下部４５に対して、垂直軸回りに自由に回転する。

支柱９、第１バランスアセンブリ１１及び第２バランスアセンブリ１３の組み合わせにより、支持プラットフォーム５の上のペイロードは、全ての位置及び向きにおいて実質的な平衡を保つことができる。言い換えると、ペイロードは、中立平衡又は中立平衡に近い状態で保持され、作動装置７に過剰な負担を与えることなく、全ての位置及び向きにおいて静止及び安定に留まることができる。したがって、作動装置７は、ペイロードを支えるというよりも単にペイロードを動かすためのサイズにすることができる。また、装置１は、既存のスチュワートプラットフォームの範囲内でパッケージ化することができ、この動作をほとんど又は完全に受け入れることができる。

本発明は、その主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるため、前述した実施形態は、本発明を限定するものではなく、概括的に解釈されるものと理解しなければならない。様々な変形と均等物は、本発明の精神及び範囲に属するものである。

Claims (20)

1. 支持プラットフォーム及びその上に載置できるペイロードを、ベース構造に対して中立平衡に近い状態で維持するとともに、複数の作動装置によって前記ベース構造から離れて配置された前記支持プラットフォームを、前記ベース構造に対して前後軸、横軸、及び垂直軸の６自由度で移動させることができる装置であって、
   前記ベース構造と前記支持プラットフォームの間に略直立して取り付けられ、前記支持プラットフォーム及び前記ペイロードの重量を支える支柱と、
   前記ペイロードが前記ベース構造に対して前後及び／又は横に移動するときに、反作用力を前記支柱に与える第１バランスアセンブリと、
   前記ペイロードが前記ベース構造に対して前後及び／又は横の軸回りで回転するときに、反作用力を前記支持プラットフォームに与える第２バランスアセンブリと、を有し、
   前記第１バランスアセンブリ及び前記第２バランスアセンブリによる反作用力によって、前記ペイロードによる前記作動装置への負荷を低減することを特徴とする装置。
2. 前記第１バランスアセンブリは、前記支柱と前記ベース構造の間に接続された、３つ以上の弾性部材を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記弾性部材は、前記支柱から外側に延び、前記ベース構造の上において、略等しい距離の角度間隔で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記ベース構造は、外側及び上方に延びる、３つ以上の設置アームを備えており、これらの設置アームは、略等しい距離の角度間隔で配置され、各弾性部材の一端は、対応する前記設置アームに固定されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記各弾性部材は、前記支柱と前記設置アームの間で延びる１つ以上のゴム紐を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記支柱は、前記ベース構造に回転可能に取り付けられたメイン収納部と、前記メイン収納部に対して垂直に移動可能なシリンダーと、を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記支柱は、前記メイン収納部及び前記シリンダーの周囲に位置するフレーム構造を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記弾性部材における１つ以上のゴム紐は、前記支柱の前記フレーム構造に固定されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記弾性部材における１つ以上のゴム紐は、前記支柱の前記メイン収納部に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 前記第２バランスアセンブリは、３つ以上の係留ロープを有し、前記係留ロープの第１端部が前記支持プラットフォーム又は前記ペイロードに接続され、前記係留ロープの第２端部が前記支柱に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
11. 前記係留ロープは、前記支持プラットフォーム又は前記ペイロードの上において、略等しい距離の角度間隔で配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記フレーム構造は、前記シリンダーに固定された上端及び前記メイン収納部の周囲で延びる下端を有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記下端は、前記シリンダーが前記メイン収納部に対して垂直に移動するときに、前記メイン収納部の外表面に沿って走行する複数のローラーを有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記各係留ロープにおける前記第２端部は、前記フレーム構造の前記下端に固定されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
15. 前記第２バランスアセンブリは、前記メイン収納部の外表面に取り付けられた複数の上部滑車と、前記ベース構造に取り付けられた複数の下部滑車と、を有し、前記各係留ロープは、前記上部滑車の上方及び前記下部滑車の下方を通過することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記各係留ロープは、非弾性部と共に端と端を接続して配置される弾性部を有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
17. 前記係留ロープにおける前記弾性部は、１つ以上のゴム紐を有し、このゴム紐は、前記弾性部における第１取付ブロックと第２取付ブロックの間で延びることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記支持プラットフォームは、上部及び下部を有し、前記下部は、前記上部に対して回転可能であることを特徴とする請求項１から１７のうちいずれか一つに記載の装置。
19. 前記支持プラットフォームは、上部及び下部を有し、前記下部は、前記上部に対して回転可能であり、
    前記第１取付ブロックは、前記支持プラットフォームにおける前記下部に取り付けられていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
20. ベース構造と、
    ペイロードが載置される支持プラットフォームと、
    前記ベース構造と前記支持プラットフォームの間に接続され、前記ベース構造に対する前後軸、横軸、及び垂直軸の６自由度を前記支持プラットフォームに与える、複数の作動装置と、
    前記ベース構造と前記支持プラットフォームの間に略直立して取り付けられ、前記支持プラットフォーム及び前記ペイロードの重量を支える支柱と、
    前記ペイロードが前記ベース構造に対して前後及び／又は横に移動するときに、反作用力を前記支柱に与える第１バランスアセンブリと、
    前記ペイロードが前記ベース構造に対して前後及び／又は横の軸回りで回転するときに、反作用力を前記支持プラットフォームに与える第２バランスアセンブリと、を有し、
    前記第１バランスアセンブリ及び前記第２バランスアセンブリによる反作用力によって、前記ペイロードによる前記作動装置への負荷を低減することを特徴とするモーションプラットフォーム。

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