JP7576735B2 - モーションシミュレーション装置 - Google Patents

Description

本明細書では、モーションシミュレーション装置の様々な実施の形態について説明する。

モーションシミュレーションには、人が移動する乗り物に搭乗している際の効果や感覚を作り出す必要がある。点（０；０；０）を乗り物の重心に有するデカルト座標系を用いて、様々なタイプのモーションについて説明できる。ｘ軸は、乗り物の前後間の直線的な加速および減速の線に沿って延在する。ｙ軸は、ｘ軸に対して直角であり、乗り物の一方の側から他方の側に延在する。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸の両方に対して直角である。したがって、乗り物の様々なタイプの動きを以下のように定義する。
「ピッチ」は、ｙ軸を中心とした回転量である。
「ロール」は、ｘ軸を中心とした回転量である。
「ヨー」は、ｚ軸を中心とした回転量である。
「サージ」は、ｘ軸に沿った加速または減速である。
「スウェイ」は、ｙ軸に沿った加速度または減速度である。
「ヒーブ」は、ｚ軸に沿った加速度または減速度である。

以上のように、乗り物の動きには６種類ある。乗り物の動きは全て、これら動きのうちの１つ以上度合いによって説明できることがわかる。例えば、コーナリングは通常、スウェイ、ヨー、および、場合によってはロールも入れた組み合わせである。制動や加速は、ピッチとサージの組み合わせである。

少なくとも直線運動の要素であるサージとスウェイをシミュレートすることは困難である。これは、モーションシミュレーションプラットフォームが持続的な直線運動用に設定されていないからである。

一般的に、サージは次の２つの技術のいずれかを使用してシミュレートできる。
シミュレートされたモーション方向にシミュレータを加速する。つまり、線形加速を生成する。
シミュレータを垂直軸（ｚ軸）から離れるようにピッチングすることによってユーザは結果的に生じる重力に対する方向の変化を、ｘ軸に沿ってピッチ方向から離れる加速または減速として認識する。

初期のモーションシミュレータの多くが、モーションシミュレータの座席の下に配置された旋回機構を有する２自由度（２ＤＯＦ）モデルを採用している。このようなシミュレータでは、加速と制動をシミュレートするためのピッチと、コーナリング時に体験する遠心力をシミュレートするためのロールしか生成できない。

リアルな動きを生成するには、このようなシミュレータでは能力に制限がある。例えば、加速をシミュレートするために使用されるピッチは、通常、検出可能な仮想的な減速をもたらす。シートの向きを変えて仮想的に加速するためには、逆方向へ加速させて目標方向に到達する必要がある。このような逆方向への加速は検出されることが多い。また、このようなシミュレータでは、旋回をシミュレートする際のヨーとロールを生成することは困難である。したがって、シミュレータではロールのみが生成され、旋回よりも傾斜として認識されやすくなる。

このようなシミュレータには、動きの程度が大きくなるほど、動きがリアルでなくなるという問題がある。恐らくは、このことからビジネス市場をターゲットにしたこの種のシミュレータにあまり動きが無いと思われる。

リアルなモーションシミュレーションを実現するための試みの１つとして、スチュアートプラットフォーム（Stewart Platform, https://en.wikipedia.org/wiki/Stewart_platform）がある。現在、このプラットフォームは、高性能フライトシミュレーション、工作機械技術、クレーン技術、およびその他の様々な用途で使用されている。

スチュアートプラットフォームは、プラットフォームのベースの３箇所に対をなして取り付けられた油圧ジャッキや電動アクチュエータ等の六つの角柱状アクチュエータを備えている。したがって、天板上に載置された装置で上述した六種類の動作を体験できる。

このプラットフォームは高価であり、かさばることがある。例えば、乗り物の動きをシミュレートするゲーム装置では、アクチュエータは全て座席の下に配置される。さらに、六つのアクチュエータを使用すると、プラットフォームに多大な費用がかかり、一般的にゲーム業界で使用できない。

本発明の第１の態様によれば、以下を含むモーションシミュレーション装置が提供される。
モーションプラットフォームと、
前記モーションプラットフォームに搭載され、ユーザが搭乗するためのキャリアと、
固定端が基板上に回動可能に取り付けられて前記基板に対して動作の２自由度をもって回動するとともに、作用端がモーションプラットフォームに回動可能に接続されて前記モーションプラットフォームに対して動作の２自由度をもって回動する駆動アームと、
二本のガイドアームとを備え、前記ガイドアームのそれぞれは、下端が前記基板上に回動可能に取り付けられて基板に対して３自由度の動きで回転し、上端が前記モーションプラットフォームに回動可能に接続されて前記モーションプラットフォームに対して３自由度の動きで回転し、前記駆動アーム、前記ガイドアームおよび前記モーションプラットフォームは、前記基板に対して回動可能な動的フレームを画定し、その結果としての前記モーションプラットフォームの動きを前記キャリアに伝達可能である。

前記駆動アームと前記ガイドアームとは、前記基板と仮想回動点との間に前記モーションプラットフォームが介在した状態で、前記各アームの長手方向の軸が前記仮想回動点で交差するように、前記基板から前記モーションプラットフォームに向かって互いに傾斜していてもよい。

前記駆動アームは、前記ガイドアームに対して前方に位置していてもよい。

前記各アームの固定端および作用端が位置する各平面は、互いに角度的にオフセットされていてもよく、前記駆動アームがそれぞれの前記平面の前記角度的なオフセットに対応して回転するにつれて、前記動的フレームの前記回転によって前記駆動アームが前記モーションプラットフォームに回転を与えてもよい。

前記モーションシミュレーション装置は、二つのアクチュエータを含み、前記各アクチュエータは、直線的に固定された端部であって、前記基板に対して回転２自由度で回動するように前記基板に回動可能に取り付けられた端部と、前記キャリアに対して回転３自由度で回動可能に取り付けられ、前記アームが前記アクチュエータの間に挿入された作用端とを有していてもよい。

前記アクチュエータは前記固定端から前記作用端にかけて互いに収束してもよい。

前記ガイドアームは、略同じ長さであってもよい。

前記モーションシミュレーション装置は、ベース組立体を備えていてもよく、前記キャリアは前記ベース組立体の上方に配置された座席組立体を含み、前記座席組立体は座席支持体と背面支持体とを備えていてもよい。

前記モーションプラットフォームは、前記背面支持体の頭部領域に固定されたハブを含んでおり、前記駆動アームは、作動可能な上側コネクタと作動可能な下側コネクタとを有する駆動軸であり、前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記駆動軸に対する前記ハブの動きを回転２自由度に制限する上側ジョイントを提供し、前記下側コネクタは、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対する前記駆動軸の動きを回転２自由度に制限する下側ジョイントを提供してもよい。

前記二本のアームは二本のガイド支柱であり、前記各ガイド支柱は前記駆動軸のそれぞれの側に配置され、動作可能な上側コネクタと動作可能な下側コネクタとを備えており、前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記各ガイド支柱に対する前記ハブの３自由度の動きによる回転運動を許容する上側ジョイントを提供し、前記下側コネクタはそれぞれ、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対して、前記各ガイド支柱に対する前記ハブの３自由度の動きによる回転運動を許容する下側ジョイントを提供してもよい。

前記装置は、二つの線形アクチュエータを備え、前記アクチュエータは、前記駆動軸が左右いずれにも傾斜していないときに、前記駆動軸が位置する作動垂直面の両側に位置しており、前記各線形アクチュエータは前記ベース組立体と前記座席組立体とを相互接続してもよい。
前記駆動軸の上側および下側ジョイントと前記ガイド支柱は、ほぼそれぞれの平面内に位置して、前記ベース組立体に対して回動可能な動的フレームを画定しており、結果として得られる前記ハブの動きが前記座席組立体に伝達されてもよい。

前記ベース組立体の構成は、前記ベース組立体および前記ハブの相対的な角度方向を変更するように調整可能であり、その結果、前記動的フレームの回動によって、前記駆動軸が前記ハブに回転を与えてヨーをシミュレートしてもよい。

前記駆動軸の前記上側コネクタおよび前記ハブの前記補助コネクタは、前記駆動軸の上側ユニバーサルジョイントおよび前記下側コネクタによって提供され、前記ベース組立体の前記補助コネクタは、下側ユニバーサルジョイントによって提供されてもよい。

各線形アクチュエータは、その固定端において、前記線形アクチュエータと前記ベース組立体との相対的な動きを少なくとも回転２自由度の動きに制限するジョイントによって前記ベース組立体に接続されており、各線形アクチュエータの作用端において、前記線形アクチュエータと前記座席組立体との相対的な動きを二または４自由度の動きに制限するジョイントによって座席組立体に接続されていてもよい。

前記装置は、前記ベース組立体と前記座席組立体との間に配置されるコックピットフロアを備えていてもよい。

前記座席支持体と前記コックピットフロアとの間には、前記コックピットフロアに対して前記座席組立体が２自由度の動きで回転可能となるように、２自由度の動きをもって回転運動を与えるように構成されたジョイント組立体が配置されている。

前記モーションシミュレーション装置は、２つの制御支柱組立体を備えており、前記各制御支柱組立体は、前記コックピットフロアの両側において、前記駆動軸と前記コックピットフロアとの間で回転２自由度の動きおよび並進３自由度の動きを許容するジョイントによって、前記駆動軸と前記コックピットフロアとを相互接続し前記コックピットフロアのロールを制限してもよい。

前記コックピットフロアと前記ベース組立体との間にはコネクタ組立体が配置されていてもよい。前記コネクタ組立体は、前記ベース組立体に対して前記コックピットが、前記座席組立体の前部に配置された作動垂直軸を中心として回動しやすくなるように構成されていてもよい。前記コネクタ組立体は、一端が前記ベースに回動可能に接続され、反対側の端部が前記座席組立体の前方で前記コックピットフロアに接続されている回動アームを含んでいてもよい。前記コネクタ組立体は、前記コックピットフロアと前記ベースとの間に配置され、前記コックピットフロアの前後方向の動きを行いやすくする線形ベアリング組立体を備えていてもよい。

このような構成は、モーションシミュレーションの要件を満たすことができる。すなわち、加速効果を生じるいかなる動作も、後続の加速が、シミュレーションが先行する動作によってもはや説得力のないほどまでに損なわれることがないように、シミュレータを位置決めすべきである。このような要件は、上述の背景技術において言及したモーションシミュレータではほとんど達成不可能であることが実証されている。

本明細書に記載の装置は、シミュレートされる方向とは反対の方向に検出可能な力を発生させることなく、線形加速から仮想加速への遷移を達成することができる。より詳細には、本明細書に記載される装置の構成は、現在の基準座標系からの初期の線形加速が、要求される「シミュレートされた」加速の方向において、シミュレートされた加速が要求する位置または方向に到達することを可能にし得るものである。

前記駆動軸の上側および下側ジョイントと前記ガイド支柱は、ほぼそれぞれの実質的に平行な平面内に位置しており、頂点を接合することによって、対向する四辺形が存在する動的フレームを画定している。

本発明の第二の態様によれば、以下を含むモーションシミュレーション装置が提供される。
ベース組立体と、
前記ベース組立体の上方に配置された座席組立体であて、座席支持体と背面支持体とを備える前記座席組立体と、
前記背面支持体の頭部領域に固定されたハブと、
作動可能な上側コネクタと作動可能な下側コネクタとを有する駆動軸とを備え、前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記駆動軸に対する前記ハブの動きを回転２自由度に制限する上側ジョイントを画定し、前記下側コネクタは、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対する前記駆動軸の動きを回転２自由度に制限する下側ジョイントを画定し、
二本のガイド支柱のそれぞれは、前記駆動軸のそれぞれの側に配置され、動作可能な上側コネクタと動作可能な下側コネクタとを備えており、前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記各ガイド支柱に対する前記ハブの３自由度の動きによる回転運動を許容する上側ジョイントを画定し、前記下側コネクタはそれぞれ、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対する前記各ガイド支柱の３自由度の動きによる回転運動を許容する下側ジョイントを画定し、
二つの線形アクチュエータを備え、前記アクチュエータは、前記駆動軸の前記下側ジョイントが位置する作動垂直面の両側に位置しており、前記各線形アクチュエータは前記ベース組立体と前記座席組立体とを相互接続することを特徴とする。

単一のアクチュエータおよび単一の回動アームによって生成されるモーションを示す概略図である。 一端がコントロールアームと相互接続された二つの回動アームに作用する単一アクチュエータによって生成されるモーションを示す概略説明図である。 モーションシミュレーション装置の動的フレームを上から見た図である。 図３の動的フレームを正面から見た図である。 動的フレームの斜視図である。 動的フレームを側面から見た図であり、動的フレームによって生成されるヨーの程度を調整する方法を示す図である。 モーションシミュレーション装置を右側から見た３次元図である。 モーションシミュレーション装置の上面図である。 モーションシミュレーション装置の底面図である。 モーションシミュレーション装置の背面図である。 モーションシミュレーション装置の正面図である。 モーションシミュレーション装置のベース組立体を示す図である。 ベース組立体の上面図である。 モーションシミュレーション装置のヨー取付具および関連する構成要素の上方から見た詳細を示す図である。 コックピット揺動アームと線形レール組立体とを含むベース組立体の一部の詳細を示す図である。 モーションシミュレーション装置のドリフト駆動機構を下から見た図である。 モーションシミュレーション装置のドリフト駆動機構を上から見た図である。 モーションシミュレーション装置の座席組立体を取り付けるためのジョイント組立体を示す図である。 明確に示すためにコックピット組立体および座席組立体を除いた、モーションシミュレーション装置を上から見た図である。 モーションシミュレーション装置のコックピット組立体を示す図である。 モーションシミュレーション装置の背面の一部を詳細に示す図である。 モーションシミュレーション装置のハブおよび関連する駆動軸の一部を詳細に示す図である。 モーションシミュレーション装置の背面を詳細に示す側面図である。 モーションシミュレーション装置の座席組立体、アクチュエータ、および動的フレームを示す概略図である。 モーションシミュレーション装置の背面を示す簡略図である。 モーションシミュレーション装置の３次元図であり、様々な形態の動作を示すために、簡略化した図である。 モーションシミュレーション装置の別の３次元図であり、様々な形態の動作を示すために、さらに簡略化した図である。 別の実施の形態におけるモーションシミュレーション装置の簡略化された背面図である。

図１には、第１の回動アーム１２を含む回動組立体１０が示されている。回動アーム１２は、基板１４に対して回転１自由度で回動可能に、回動アーム１２の下端１６が基板１４に回動可能に取り付けられている。説明の便宜上、回動アーム１２は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３箇所に図示されている。回動アーム１２の上端１８は、アクチュエータ２２の作用端２０に対して回動可能に連結されており、作用端２０に対して回転１自由度で回動する。アクチュエータ２２の非作用端２４は、基板１４に対して回動可能に取り付けられ、基板１４に対して回転１自由度で回動する。

図１に示されるように、回動アーム１２の上端１８は、円形経路２６に沿って移動する。

図２の参照符号３０は、第２の回動アーム３２を含む回動組立体の全体を示している。説明の便宜上、回動アーム３２は、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の３箇所に図示されている。回動組立体３０は、一方の端部が回動アーム１２の上端１８に回転１自由度で回動可能に連結され、他端部が第２の回動アーム３２の上端３６に回転１自由度で回動可能に連結されたコントロールアーム３４を有している。第２の回動アーム３２の下端３３は、基板１４に回転１自由度で回動可能に連結されている。

この構成では、第１および第２の回動アーム１２、３２からそれぞれ延在する線が交差する箇所において発生する仮想回動点Ｐが示されている。この仮想回動点の発生は、以下に説明すモーションシミュレーション装置の動作の重要な側面である。図示される各位置の仮想回動点Ｐからわかるように、アクチュエータ２２の動作によって、コントロールアーム３４が回動アーム１２、３２の往復回動に伴って一定範囲の直線運動を行うように回動点Ｐを移動させる。

コントロールアーム３４によって、本発明の各実施の形態によるモーションシミュレーション装置のモーションプラットフォームが確立される。適用する際に、モーションプラットフォームはモーションシミュレーション装置の座席に連結させることができる。したがって、各仮想回動点Ｐはユーザの頭上に位置することになる。その結果、ユーザの前庭領域は、各仮想回動点Ｐの位置が調整されるにつれて直線運動または並進運動、それに続く同じ方向の振子運動を経験することができる。これは、上述したように乗り物の六種類の動きのいずれか、またはこれらの組み合わせに現実感を持たせるために使用することができる。また、座席のベースの動きを、ユーザの頭部の動きよりも相対的に大きくすることができる。これは加速および減速をシミュレートするには最適である。このような動きは、上述したスチュアートプラットフォームでも実現が困難である。

図３～図６において、参照符号４０は、概略的な回動組立体または回動組立体３０から発展した動的フレームの全体を示す。特に明記されない限り、前述の図面を参照して同様の参照符号は同じ部品を示している。

回動組立体４０には、第３の回動アームが用いられており、この第３の回動アームは、動的フレームがアクチュエータによって回動する際の駆動アームまたは駆動軸４２とみなすことができる。駆動アーム４２の下端は、基板１４または固定ベースまたはベース組立体に回動可能に接続されており、基板１４に対して移動２自由度で回動する。第１および第２の回動アームは、第１および第２のガイドアーム又は第１および第２の支柱１２、３２とみなすことができる。駆動アーム４２は、ガイドアーム１２、３２に対して前方に位置している。ガイドアーム１２、３２は、略同じ長さである。

モーションプラットフォーム４６（図５）は、ガイドアーム１２、３２の上端１８、３６と駆動アーム４２の上端４８にそれぞれが接続されており、ガイドアーム１２、３２はそれぞれモーションプラットフォーム４６に対して回転３自由度で旋回可能であり、駆動アーム４２はモーションプラットフォーム４６に対して回転２自由度で旋回可能である。したがって、回動組立体４０では、モーションプラットフォーム４６が、コントロールアーム３４の効果的な代替となる。図１および図２は、図３～図６に示される構成を２次元的に示したものであることが理解できるであろう。したがって、上述した仮想回動点Ｐは、モーションプラットフォーム４６の上方に設定される。駆動アーム４２とガイドアーム１２、３２とは、基板と仮想回動点Ｐとの間にモーションプラットフォーム４６が介在した状態で、アーム１２、３２、４２の長手方向の軸が仮想回動点Ｐで交差するように、基板からモーションプラットフォーム４６に向かって互いに傾斜している。

回動組立体４０をモーションシミュレーションに使用する場合、アーム１２、３２、４２の下端１６、３３、４４はそれぞれ互いに固定されており、基板は、シミュレーションの間、動作可能となるように固定される。アーム１２、３２、４２の上端１８、３６、４８は、モーションプラットフォーム４６が基板１４に対して移動可能である間、互いに固定されている。モーションプラットフォーム４６の可動範囲は、アーム１２、３２、４２によって制限されることが理解されるであろう。

モーションシミュレーション装置または機器におけるキャリアなどの構成要素は、モーションプラットフォーム４６上に取り付けられるか、またはその延長である。構成要素は適切なアクチュエータで駆動でき、これによりモーションプラットフォームのあらゆる点が、３次元空間特有の曲面上の動きに制限される。

本明細書に記載されるモーションシミュレーション装置において、駆動アーム４２は、回動組立体または動的フレーム３０を二等分する垂直面内に位置するように回動する。以下に示すように、駆動アーム４２は、モーションシミュレーション装置の駆動軸を形成することができる。以下の説明において、「構成要素」とは、モーションシミュレーション装置の座席組立体である。但し、構成要素は、ユーザと装置との間の任意の他のインターフェースであってもよいことを理解されたい。

第２および第３の回動アーム３２、１２は、以下にさらに詳述するように、第１および第２の（または左右）のガイドアームまたは支柱の形態とすることができる。

図３～図６に示されるように、回動アーム１２、３２および駆動アーム４２は、モーションプラットフォーム４６との接続点が三角形の頂点を規定し、基板１４との接続点も三角形の頂点を規定するように、適切な上下のコネクタを用いて、モーションプラットフォーム４６と基板１４との間に接続できる。また、回動アーム１２、３２および駆動アーム４２は、基板１４からモーションプラットフォーム４６に向かって互い向かって傾斜している。基板１４において画定される三角形は、駆動アーム４２が直角を画定する頂点から延びる直角二等辺三角形の形態とすることができる。上述した構成、回動アーム１２、３２および駆動アーム４２が実質的に同じ長さであること、およびそれぞれの三角形が平行な平面内にあることにより、モーションプラットフォームは、アームの回動によって３次元空間内の球面内の運動に制限される。また、仮想回動点は、モーションプラットフォーム４６の動作可能な上方の点で、回動アーム１２、３２、４２の長手方向の軸が交差する箇所によって確定される。アクチュエータの動作によって、仮想回動点は曲線状に変位する。したがって、人の前庭領域がモーションプラットフォーム４６またはその近傍に位置する場合、前庭領域は、加速または減速のシミュレーションを強化するとされている初期の直線運動とそれに続く振子運動を経験することとなる。

モーションプラットフォーム４６との接続点によって確定される三角形が、基板１４との接続点によって確定される三角形と平行である場合、モーションプラットフォーム４６と固定ベース１４の、これら三角形に直角な線４９を中心とした相対的な回転は、回動アーム１２、３２、４２が当該線に対して傾斜しているときには実質的に存在しないことが理解されるであろう。しかしながら、図６に示されるように、固定ベース１４は、回動アーム１２、３２および駆動アーム４２の基板１４にたいする接続点によって画定される三角平面を傾けて角度５１を調整するように構成することができる。これにより、アームの各端部が位置するそれぞれの平面が互いに角度オフセット関係になり、それぞれの平行な平面から三角形が離れることになる。換言すれば、回動アーム１２、３２の端部におけるユニバーサルジョイントの回転の前方傾斜軸（ヨー軸）が平行でない場合、モーションプラットフォームを左または右にシフトさせることにより、モーションプラットフォーム４６が若干回転し、その結果、アーム１２、３２はｚ軸を中心に回転する。この状態において、回動組立体４０が左または右に傾斜すると、駆動アーム４２は、その動きに適応するようにモーションプラットフォーム４６をねじり駆動する。したがって、座席組立体、コックピット、またはその他のユーザ装置がモーションプラットフォーム４６に取り付けられている場合、これらの装置は回動組立体４０が傾斜するとともにヨー運動することができる。その結果、ロール効果に加えてヨーも発生する。ヨーの範囲は、角度５１を調整することによって較正することができる。

モーションプラットフォーム４６に必要となるロールおよびヨーを提供するために、必要となるのは基板１４からモーションプラットフォーム４６にかけて組立体４０を二等分する平面の両サイドに設けられた２つのアクチュエータのみであることが理解されるであろう。以下に図７～２２を参照して、適切なアクチュエータの例について記載する。各アクチュエータの直線的に固定された端部、または非作用端は基板１４に対して回転２自由度または回転３自由度で回動可能である一方、各アクチュエータの作用端はモーションプラットフォームに連結された装置に対して回転３自由度で回動可能である。

以下に記載する実施の形態からわかるように、基板１４は、例えば図１２を参照して記載されるドリフトフレームのようなプラットフォームを形成することができ、ベースに対して変位可能である。これ、さらにシミュレートされた動きを提供するために使用できる。また、座席や類似する形態のキャリッジは、プラットフォームまたはフレームに対して限定的な直線上に変位可能である。これにより、上述の動きと併せて、２つのアクチュエータのみで現実的な整合性のあるシミュレートされた動きを発生させることができる。

角度５１を適切に較正されたアクチュエータを相対的に調整することにより、モーションプラットフォームの動きをカスタマイズして上述の六種類の動きをシミュレートすることができる。アクチュエータの前述した相対的な調整によって、アクチュエータを六つ個別に設けることなく、前述した仮想回動点の運動を生じさせて、六種類の異なる動きを提供することができる。また、モーションプラットフォームは、前記構成要素の下ではなく後方に配置することで、例えばスチュアートプラットフォームと比較して、大幅なスペースの節約を可能とする。

図７～図１１において、参照符号１００は、全体的に本発明の一態様によるモーションシミュレーション装置の少なくとも一部を示している。特に明記されない限り、前述の図面を参照して同様の参照符号は同じ部品を示している。装置１００は、図１から図６を参照して上述した原理の実用的な実施の形態であることを理解されたい。

装置１００は、ベース組立体１０２を含んでいる。ベース組立体１０２は、ベース１０４と、ベース１０４に取り付けられたドリフトフレーム１０６（図１２）とを含んでいる。

図９に示されるように、ベース１０４は、後方から前方へ互いに向かって収束する２本のビーム１０８を含んでいる。ビーム１０８の前端は互いに連結されている。ビーム１０８は、後方に配置されたクロスビーム１１０によって相互接続され、ビーム１０８の後端は、リアクロスビーム１１２上に配置される。

２本の対向するリアアーム組立体１１４は、それぞれのビーム１０８から延在する。各アーム組立体１１４は、対応するビーム１０８から延在するにつれて収束する２本のアーム１１６を含んでいる。

２本の対向するフロントアーム組立体１１８は、それぞれ対応するビーム１０８からリアアーム組立体１１４の前方に延在する。各アーム組立体１１８は、対応するビーム１０８から延在するにつれて収束する２本のアーム１２０を含んでいる。

ビーム１０８、クロスビーム１１０、１１２およびアーム１１６はそれぞれ、略矩形の断面を有しており、ベース１０４の上面がローラを適切に支持するほぼ平坦に画定されるように同じ高さとなっている。

ドリフトフレーム１０６（図１２）は、ビーム１０８を覆い、後方から前方へ互いに向かって収束する２本のビーム１２４を含む。ビーム１２４は、その前端がフロント回動組立体１２６（図１１）によって連結されている。フロント回動組立体１２６によって、ドリフトフレーム１０６の前部は、ドリフトフレーム１０６がベース１０４に対してベース１０４のほぼ頂点を中心に回動可能となるようにベース１０４に連結されている。回動組立体１２６はまた、ベース１０４およびドリフトフレーム１０６を少なくとも前記頂点において互いに離間された状態に維持するように構成されている。回動組立体１２６は、フロント回動体１２７（図１１）を含んでいる。フロント回動体１２７は、ビーム１０８の前端においてビーム１２４の前端をベース１０４に搭載されたベアリング組立体と係合させる。したがって、ドリフトフレーム１０６は、ベース１０４に対して１自由度で回動することができる。

ドリフトフレーム１０６は、２つの対向するローラ取付具１２８を有しており、これらローラ取付具１２８は、それぞれビーム１２４から延在しアーム１１６を覆っている。リアローラ組立体１３０（図１０）は、それぞれのリアローラ取付具１２８に取り付けられている。各リアローラ組立体１３０はローラ１３２を有しており、各ローラ１３２はそれぞれのアーム１１６に支持されている。ローラ１３２は、ドリフトフレーム１０６がベース１０４に対して回転する際に、ローラ１３２がアーム１１６に沿って回転するように方向付けられている。

ドリフトフレーム１０６もまた、２つの対向するローラ取付具１３４を有しており、これらローラ取付具１３４は、それぞれビーム１２４から延在しフロントアーム１２０を覆っている。フロントローラ組立体１３６（図１１）は、それぞれのフロントローラ取付具１３４に取り付けられている。各リアローラ組立体１３６はローラ１３８を有しており、各ローラ１３８はそれぞれのアーム１２０に支持されている。ローラ１３８およびアーム１２０は、ドリフトフレーム１０６がベース１０４に対して回転する際に、ローラ１３８がアーム１２０に沿って回転するように方向付けられている。

スピーカ組立体１４０は、ビーム１２４の間に取り付けられている（図７）。

装置１００は、ドリフト駆動機構１４２を含んでいる（図１２、図１３）。ドリフト駆動機構１４２は、クロスビーム１１０上に取り付けられて前方に延びる駆動部組立体取付具１４４を含んでいる。ドリフト駆動機構１４２の詳細は、図１５および図１６に示されている。駆動組立体１４６は、取付具１４４上に取り付けられる。ドリフト駆動機構１４２は、ドリフトフレーム１０６のビーム１２４間に延在し、これらビームを相互に接続するドリフト駆動レール１４８を含んでいる。駆動組立体１４６は、レール１４８と係合するプーリ組立体１５０を含んでいる。駆動組立体１４６は、ドリフトフレーム１０６が、ベース１０４に対してフロント回動組立体１２６を中心に１自由度で回動するように作動させることができる。装置１００が乗り物の動きのシミュレート用に使用される場合、機構１４２は、車両のドリフトをシミュレートするか、またはヨーを調節する役割を担う。例えば、装置１００は、シミュレートされたドリフトが装置の他の動き、例えばロールおよびヨーを伴うように、適切な制御系統によって制御される。

コックピット組立体１５２は、ドリフトフレーム１０６上に取り付けられる（例えば、図７を参照）。

コックピット組立体１５２は、コックピットフロア１５４を含んでいる（例えば、図１７、１８を参照）。コックピットフロア１５４は、クロススパイン１６６と、クロススパイン１６６から前方に延在し、ペダル組立体１６０と、Ｂｕｔｔｋｉｃｋｅｒｓ（商標）として知られる運動強化装置１６１などの付属品とを支持する一対の対向する細長いペダルランナ１５８とを含んでいる。ペダルランナ１５８間にはフロアパネル１５６が配置されている。

クロススパイン１６６には、そこから前方へ延在する２本のコックピットランナ１６２が固定されている。各コックピットランナ１６２は、コックピット本体１７４（例えば、図１９参照）を支持する線形ベアリングレール１６４を含んでおり、これによってコックピット本体１７４は、コックピットフロア１５４に対して、前後に直線的にスライドすることができる。コックピット本体１７４は、線形ベアリングレール１６４とそれぞれ係合する２本の対向するガイドレール１７６（図１９）を含んでいる。

心棒１６８は、スパイン１６６（図１８）を貫通している。心棒１６８の端部は、それぞれの傾斜アーム１７０に連結され、傾斜アーム１７０は、さらに以下に説明するコックピットガイドアーム１７２に連結されている。

コックピット本体１７４はさらに、ガイドレール１７６上に配置され、そこから上方に延びる制御支持組立体１７８（図１９）を含む。制御支持組立体１７８は、ステアリング機構１８０、ギアボックス組立体１８２、およびハンドブレーキ組立体１８４を含む装置１００の制御部を支持するように構成される。

ビーム１２４間には、回動取付具１８６（図１３、１４）が延在する。コックピット揺動アーム１８８は、後端において回動取付具１８６に回動可能に取り付けられている。揺動アーム１８８の前端には、２つの対抗するローラ組立体１９０が取り付けられている。揺動アームランナ１９２は、ビーム１２４上に取り付けられ、ローラ１９４を収容するローラ組立体１９０のほぼ平坦な表面を画定する。これにより、揺動アーム１８８が一方から他方へ揺動または回動するにつれて、ローラ１９４がランナ１９２に沿って移動することができる。

揺動アーム１８８には、線形レール組立体１９６が取り付けられており、ローラ組立体１９０背後のある点からローラ組立体１９０を超えた点まで延在する。線形レール組立体１９６は、揺動アーム１８８に対して後方から前方へ上向きに傾斜している。線形レール組立体１９６は、線形レール１９８を含んでいる。レール１７６の間には、揺動アーム取付具２００が固定されている。揺動アーム取付具２００には、ベアリングブロック回動部２０２が回動可能に取り付けられており、線形レール１９８にほぼ直交する軸を中心に回動する。ベアリングブロック回動部２０２には、線形ベアリングブロック２０４が取り付けられており、これを通して線形レール１９８がベアリングブロック２０４に摺動可能に収容されている。

装置１００は、ドリフトフレーム１０６上方に配置される座席組立体２１０（図７）の形態のキャリアを含んでいる。座席組立体２１０は、座席支持体２１２および背面支持体２１４を含んでいる。

座席支持体２１２は、間隔を置いて配置され、全体的に後方から前方に延びる２本の支持アーム２１６を含んでいる（例えば、図１７参照）。ジョイント組立体２１８は、支持アーム２１６とクロススプライン１６６とを相互接続する。したがって、座席組立体２１０は、座席アセンブリ２１０がコックピット本体１７４に対して直線的に変位可能となるように、コックピットランナ１６２に対して固定される。

ジョイント組立体２１８は、クロススプライン１６６上に配置された前後のジョイントブレース２２０を含んでいる。ジョイント組立体２１８は、支持アーム２１６を相互接続する上側心棒組立体２２２を含んでいる。ジョイント組立体２１８は、上側心棒組立体２２２に固定され、上側心棒組立体２２２にほぼ直交する下側心棒組立体２２４を含んでいる。２つのジョイント取付具２２６が、それぞれのジョイントブレース２２０上に取り付けられている。下側心棒組立体２２４は、ジョイント取付具２２６を相互接続する。これにより、ジョイント組立体２１８は、座席支持体２１２およびクロススパイン１６６が２自由度で相対的に回動することができる。
背面支持体２１４は、支持アーム２１６（例えば、図１７参照）のそれぞれの後端から延在する２本のアーム２２８を含んでいる。支持アーム２２８は、動作可能となるように上方に収束する。支持アーム２２８の間の位置または各支持アーム２２８の下端付近には、バッククロスブレース２３０（例えば、図１０参照）が延在している。

座席２３１（図７）は、座席支持体２１２に固定されている。

ヨー取付具２３４（図１２、図１３、図１３Ａ）は、ドリフトフレーム１０６の後端において、ドリフトフレーム１０６のビーム１２４の間に配置される。ヨー取付具２３４は、ビーム１２４間に延びる支持ビーム４００を含んでいる。ビーム１２４のそれぞれの端部には取付プレート４０２が固定されている。各取付プレート４０２は、ボルト４０６のシャンクのような締結具を受容し取付プレート４０２をそれぞれのビーム１２４に固定するための複数の締結具またはボルト穴４０４を画定している。ボルト穴４０４は、支持ビーム４００が矢印４０８で示されるように回転可能となるように適切なパターンで配置される。これにより、締結具４０６に適したボルト穴４０４を選択することによって、有効な水平面に対して軸線４１０および４１２（図１３Ａ）の角度を調整できることが理解されるであろう。この目的について、さらに詳しく以下に説明する。

図１３Ａに示されるように、下側ユニバーサルジョイント２４０（図２１）の下側スパイダ４１４は、ヨー取付具２３４に装着されたフットヨーク２４４に装着されている。これにより、スパイダ４１４が直線または軸４１０の周りに回動可能となり、直線または軸線４１２が取付具２３４に対して角度移動可能となる。

図２１に示されるように、ハブ２３６の形態をとるモーションプラットフォームは、背面支持体２１４の上端に取り付けられている。ハブ２３６は、背面支持体２１４の頭部領域に固定することができる。

駆動軸２３８の形態をとる駆動アームは、その下端部が、下側ユニバーサルジョイント２４０の下側コネクタによってヨー取付具２３４に連結される一方、上端部が、上側ユニバーサルジョイント２４２の上側コネクタによってハブ２３６に連結される。

ジョイント２４０はまた、駆動軸２３８の下端に取り付けられた下側シャフトヨーク２４６（図１８）を含んでいる。フットヨーク２４４は、下側スパイダ４１４によってシャフトヨーク２４６に連結され、駆動軸が線４１０、４１２を中心に回動可能となる。したがって、駆動軸２３８は、取付具２３４に対して２自由度の回動運動が可能となる。

上側ユニバーサルジョイント２４２は、駆動軸２３８の上端に取り付けられた上側駆動軸２５０（図１８）を含んでいる。ハブ２３６は、座席ヨーク２５２を含んでいる（図２１）。軸２５０および座席ヨーク２５２は、下側スパイダ４１４と実質的に同一である上上側スパイダ２５５によって互いに接続されており、これによりハブ２３６および駆動軸２３８が移動２自由度で互いに相対的に回動可能となっている。駆動軸２３８は、軸２５１を中心としてハブ２３６に対して回転可能であり、軸２５３（図２１）を中心としてハブ２３６に対して回転可能である。

左側ブレース部材２３２．１および右側ブレース部材２３２．２の形態をとる２つのブレース部材が、ビーム１２４（図２０）のそれぞれの後端から延びている。ハブ２３６は、駆動軸２３８の両側において座席ヨーク２５２（図２１）から後方に延在する左側ガイド取付具２５４．１および右側ガイド取付具２５４．２の形態をとる２つの離間したガイド取付具を含んでいる。左側ガイドアームまたは支柱２５６．１は、下側ボールジョイント２５８．１および上側ボールジョイント２６０．１によって提供される下側コネクタおよび上側コネクタによって左側ブレース部材２３２．１と左側ガイド取付具２５４．１とを相互接続する。右側ガイドアームまたは支柱２５６．２は、下側ボールジョイント２５８．２および上側ボールジョイント２６０．２によって提供される下側コネクタおよび上側コネクタによって右側ブレース部材２３２．２と右側ガイド取付具２５４．２とを相互接続する。ボールジョイント２５８、２６０は、支柱２５４、２５６がハブ２３６およびブレース部材２３２に対して３自由度で回動可能にしている。静止状態において、駆動軸２３８が左右に傾いていない状態で静止している場合、駆動軸２３８は、駆動軸２３８、支柱２５４、２５６、ハブ２３６、およびベース組立体１０２によって画定される動的フレームを二分する垂直面内に配置される。

例えば、図２０、図２２に示されるように、左側線形アクチュエータ２６２．１および右側線形アクチュエータ２６２．２は、ドリフトフレーム１０６とクロスブレース２３０とを相互接続する。リアローラ取付具１２８の一方には左側アクチュエータ取付具２６４．１が配置され、リアローラ取付具１２８の他方には右側アクチュエータ取付具２６４．２が配置されている。各取付具２６４には、トラニオン２６６が回動可能に取り付けられている。各アクチュエータ２６２のシリンダ２６８は、シリンダ２６８がドリフトフレーム１０６に対して２自由度で回動可能となるように、関連するトラニオン２６６に回動可能に取り付けられている。したがって、アクチュエータ２６２は、駆動軸２３８が左右いずれにも傾斜していないときに、駆動軸２３８が位置する作動垂直面の両側に位置する。また、アクチュエータ２６２の間には、駆動軸２３８とガイドス支柱２５４、２５６とが介在している。したがって、図１～図６を参照すると、アーム１２、３２、４２は、線形アクチュエータ間に挿入される。アクチュエータ２６２は、ベース組立体１０２と座席組立体２１０とを相互接続する。

各アクチュエータ２６２は、ピストンまたは軸２６９（図２０）を含んでおり、ピストンまたはシャフトは、作用端において、ボールジョイント２７０を介してクロスブレース２３０に接続される。アクチュエータ２６２は、ローラ取付具１２８からクロスブレース２３０にかけて互いに収束する。したがって、座席組立体２１０とドリフトフレーム１０６との相対的な動きは、２自由度の動きに制限され、これは特に回転または並進ではない。

コックピットガイド取付具２７２（例えば、図１８）は、駆動軸２３８に固定され、駆動軸２３８の両側から延びる。コックピットガイドアーム１７２の上端は、ボールジョイント１６９を介してガイド取付具２７２の一端に連結されている。各傾斜アーム１７０は、ボールジョイント１７１によって各コックピットガイドアーム１７２の下端に連結されている。したがって、ガイドアーム１７２の端部は、各傾斜アーム１７０およびガイド取付具２７２に対して、並進３自由度および回転２自由度で移動可能である。ガイドアーム１７２および傾斜アーム１７０は、座席組立体２１０のロールを制限する働きをする。

左側ガイドレール１７６には、直立ガイド２７４が配置されている（図２２）。コックピットガイド取付具２７６は、左側支持アーム２２８に取り付けられている。左側コックピットガイドアームまたは支柱２７８は、ボールジョイントを介して、直立ガイド２７４と左側ガイド取付具２７６とを相互接続する。

装置１００の動作原理および方法は、図２３～図２６に示される。

図２３には、図３～図６の概略図が、駆動軸２３８（駆動アーム４２）、ガイド支柱２５６、ベース１０４、およびハブ２３６に重ねられている。こうすることにより、ハブ２３６が３次元空間における曲面領域内で移動するように制限されていることを示す。より詳細には、回動アーム１２は右側ガイド支柱２５６．２に相当し、回動アーム３２は左側ガイド支柱２５６．１に相当し、駆動アーム４２は駆動軸２３８に相当する。ハブ２３６はモーションプラットフォーム４６を画定し、ドリフトフレーム１０６は基板１４を画定する。

駆動軸２３８の下側ユニバーサルジョイント２４４およびガイド支柱２５６の下側ボールジョイント２５８は、三角形２８０の頂点とみなすことができる。同様に、駆動軸２３８の上側ユニバーサルジョイント２４２およびガイド支柱２５６の上側ボールジョイント２６０は、三角形２８２の頂点とみなすことができる。支柱２５６と駆動軸２３８とが同様の長さであり、三角形２８０、２８２が平行な平面内に配置されている場合、３次元空間における湾曲した表面積は、回転楕円体とすることができる。しかしながら、上述したように、このような構成では必要なヨーを生じさせることができない。

上述したように、駆動軸２３８は、軸線２５３、４１０を中心として回動可能である。三角形２８０の平面が三角形２８２の平面に平行である場合には、このような回動運動によって駆動軸３４が回転したりねじれたりすることはないことが理解されるであろう。しかしながら、ヨー取付具２３４がドリフトフレーム１０６に対して回動調整された場合、つまり上述したように軸２５３、４１０が互いに角度をなし、三角形２８０、２８２が互いに傾斜するように、ヨー取付具２３４がドリフトフレーム１０６に対して回動調整された場合、このような回動運動は、取付具２３４が軸線４１２を中心として下側スパイダ４１４に対して回転可能に固定されていることから、軸２５３、４１０の相対的な角度方向に適応するために、駆動軸２３８を取付具２３４に対して回転させることとなる。この回転は、軸２５３のスウェイと同期され、事実上比例する。この効果は、一般的に「位相整合」と呼ばれる。したがって、ベース組立体１０２の構成は、ベース組立体１０２およびハブ２３６の相対的な角度方向を変更するように調整可能であり、その結果、上述した動的フレームの回動によって、駆動軸２３８がハブ２３６に回転を与えてヨーをシミュレートする。

この駆動軸２３８の回転は、上側スパイダ２５５を介してハブ２３６に伝達される。軸２５３、４１２の間に画定される角度のサイズは、軸４１０を中心とする下側スパイダ４１４、ひいては駆動軸２３８の回動運動から生じる回転の範囲を決定する。座席組立体２１０がハブ２３６に固定されている場合、このような回転は座席組立体２１０に伝達されヨーをシミュレートすることができる。したがって、ヨーの範囲は、ドリフトフレーム１０６に対するヨー取付具２３４の回動調整によって調整することができる。

図７および図８において、領域２８４は、座席２３１に着座する人の概ねの質量中心を示す。また、領域２８６は、座席２３１に着座する人の概ねの前庭系の位置を示す。

図から分かるように、ハブ２３６は、前庭系に向かって位置しており、領域２８６のわずかに下方にある。図２を再度参照すると、これは仮想回動点が前庭領域２８６の上方に配置されることを意味している。その結果、ハブ２３４がアクチュエータ２６２の差動動作によって駆動されている間に、上述した曲面内の回動点を調整することにより、より現実感のある動きをシミュレートすることができる。その理由は、図１～図６を参照して上述したように、回動点の調整により、振子運動と一致して前庭領域の一定量の直線運動を発生させることができるためである。

図２５は、アクチュエータ２６２の差動動作によって可能となる種々の運動を示している。例えば、ジョイント組立体２１８によって、座席組立体２１０は、点線２８８によって示されるように、ｚ軸とみなすことができる領域２８４（図７）介して概ね上方に延びる軸を中心に回動可能となり、上述したように座席組立体２１０のヨーに対応するモーションを生成可能となる。またジョイント組立体２１８によって、座席組立体２１０は、線２９０によって示されるように、上方軸に直交するシミュレートされた加速または減速の線に沿ったｘ軸としてみなすことができる軸を中心に回動可能となり、上述したように生成される座席組立体２１０のロールモーションを生成することが可能となる。このようなヨーとロールの組み合わせは、装置によるコーナリングのシミュレーション中に発生する可能性がある。

コックピット揺動アーム１８８は、線２９２によって示されるように、回動取付具１８６に対して回動可能であり、また線２９３によって示されるように、揺動アーム取付具２００に対して回動可能である。この回動は、挿入されたジョイント組立体２１８の結果、座席組立体２１０（図７）とは独立している。換言すれば、コックピットフロア１５４は、座席組立体２１０とはある程度独立して回動可能である。これは、例えば以下で詳述するように、ユーザの手足に対する制御装置の相対測位によってコーナリング中のシミュレートされた動きに現実感を与えるのに貢献する。

点線２９４は、座席組立体２１０に対するガイドレール１７６、つまりコックピットフロア１５４（図１８）の直線運動の方向を示している。

実線２９５、２９８は、アクチュエータ２６２の動作結果としてのコックピットフロア１５４に対する座席組立体２１０の傾斜を示している。具体的には、曲線２９５が、座席組立体２１０における傾動回転を示しており、曲線２９８は、ベアリングブロック２０４の回転に対応する傾動回転を示している。

アクチュエータ２６２の差動動作によって、駆動軸２３８は、取付具２３４に対して回転可能であり、傾斜アーム１７０の差動回転を生じさせることが理解されるであろう。これは、直線２９７によって示されるように、線形レール１９８および揺動アーム取付具２００の相対的な回転に対応するコックピットフロア１５４のロールを引き起こす。ガイドアーム１７２は伸張不能である。したがって、座席組立体２１０のロールの範囲は、傾斜アーム１７０に対応する回動の範囲によって制限される。また上述したように、ドリフトフレーム１０６に対して取付具２３４を適切に調整することにより、ロールに加えてヨーも発生させてコーナリングのシミュレートが可能となる。

したがって、例えば軸２６９の一方がもう一方にたいして伸長している場合、駆動軸が傾斜して回転するにつれてハブ２３６も傾斜して回転する。これは、前庭領域２８６において線形運動、回転および振子運動の両方を発生させ、線形運動、回転および振子運動が他で強調されるシミュレーションと比較して、現実感を高めることができる。

軸２９９を中心にした駆動軸２３８の前後方向への傾斜によって、コックピット本体１７４に対してコックピットフロア１５４が相対的に変位するようにアクチュエータ２６２を作動させることもできる。これにより、コックピット組立体１５２が効果的に短縮または延長され、それによって減速または加速のシミュレーションが向上する。

これら相対的な動作は図２６に示されている。例えば、点線の直線２９６は、コックピット本体１７４とコックピットフロア１５４との相対的な動きを示している。

ジョイント組立体２１８が、座席組立体２１０を前後に回転させてピッチをシミュレート可能にすることが理解されるであろう。この動作はコックピットガイド支柱２７８によってガイドされ、実線の曲線２９１で示されるように、ガイド直立体２７４の周りを回動することができる。コックピットガイド支柱２７８は、対向するボールジョイント２７７によってガイド直立体２７４およびガイド取付具２７６に連結されている。ジョイント組立体２１８はまた、座席組立体２１０を一方から他方へと回動可能にしている。この動作もまた、コックピットガイド支柱２７８と対向するボールジョイントによってガイドされる。この動作は点線の曲線２９３で示されている。

装置１００は、２つの独立したモーションシステムを画定している。これには、ヨー取付具２３４、駆動軸２３８、上側および下側ユニバーサルジョイント２４２、２４０、およびハブ２３６によって画定される１次モーションプラットフォームが含まれる。具体的には、これら構成要素は、図３～６を参照して説明したように、三角形の底面、３つの四角形の側面、および三角形の頂部を有する動的フレームを画定している。そのフレームの側面は実質的にそれぞれが４本のバーからなる３つ連結機構であり、２つのアクチュエータはそれぞれ一端が（フレームに対して）固定された取付具または支持部と係合し、反対側の端部が三角形の頂部から三角形の底部にかけてフレームを二等分する平面の各側面と係合しており、アクチュエータの動作によってフレームのねじれを生じさせるようになっている。このねじれは、ボールジョイントなどの適切な種類のジョイントによって調整される。三角形の頂部は、前記４本のバーからなる３つの連結機構の共通のロッカーを形成または画定していることが理解されるであろう。このロッカーは１次的なシミュレーションプラットフォームであり、そのあらゆる点を固有の３次元表面に制約する。上述の各実施の形態において、ロッカーはハブ２３６の形態をとっている。したがって、ロッカーの動きは、座席組立体２１０またはロッカーに接続されたすべての他の構成に伝達可能である。

上述したように、アクチュエータは共に動作して、ロッカーを３次元表面内で制御し、最終的に位置決めする。アクチュエータがロックされると、フレームは実質的に硬直する。

１次的なモーションプラットフォームでは、駆動軸２３８は４自由度で動作可能である。これは、２つのＵＶジョイント２４２、２４４によって可能となり、並進運動は、ヨー取付具２３４が配置されたドリフトフレーム１０６によって可能となる。２本のガイド支柱２５６は、それぞれ５自由度で動作可能である。支柱２５６が、ブレース部材２３２からハブ２３６まで延在するため、支柱２５６の各端部におけるボールジョイント２５８、２６０によって３自由度の回動または回転運動が可能となり、ドリフトフレーム１０６によって２自由度の並進運動が可能となる。２つのアクチュエータ２６２は、それぞれ５自由度で動作可能である。トラニオン２６６およびボールジョイント２７０は共に３自由度の回動または回転運動が可能である一方、トラニオンが取り付けられているドリフトフレーム１０６は２自由度の並進運動を可能にしている。
したがって、駆動軸２３８には、２つのモーション制約があり、各支柱２５６には、１つのモーション制約があり、各アクチュエータ２６２には、１つのモーション制約がある。したがって、システムには６つのモーション制約がある。

この１次的なモーションプラットフォームはまた、ジョイント組立体２１８に取り付けられた座席組立体２１０の形態をとる２つの補助的なモーションプラットフォームを制御する。これにより、アクチュエータ２６２が適切に調整されたヨー取付具２３４とともに稼働すると、座席組立体２１０がピッチとヨーを行うことができる。

コックピットフロア１５４の形態をとる２次的なモーションプラットフォームは、座席組立体２１０、コックピットランナ１６２、ベアリングレール１６４、ジョイント組立体２１８、および座席組立体２１０を介して１次的なプラットフォーム（ハブ２３６）と機械的に連結している。この連結は、コックピットフロアが予測可能な動的関係で動作可能であるものの、１次的なプラットフォームと一致して動作することはないというものである。その理由は、駆動軸２３８が前後に傾くにつれて、座席組立体２１０がコックピットフロア１５４に対して直線的に動くことができ、結果的にコックピットフロア１５４と座席組立体２１０とが相対的に傾斜するからである。

２次的なモーションプラットフォーム（コックピットフロア１５４）のモーションは、揺動アーム１８８の動きおよびジョイント組立体２１８の動作によって決定される。

揺動アーム１８８は、運動５自由度を有している。フロント回動組立体１２６を中心としたドリフトフレーム１０６の回動運動は、１自由度の回転または回動運動を可能とし、線形レール組立体１９６は並進１自由度および回転１自由度の形態で２自由度の動きを可能にしている。ベアリングブロック回動部２０２および線形ベアリングブロック２０４（図１４）は、回動２自由度の動きを可能にしている。ジョイント組立体２１８（図１７）は、回転２自由度の動きを可能にしている。ガイドアーム１７２（図１８）のボールジョイント１６９、１７１は、３自由度の動きを可能とする一方、コックピットガイド支柱２７８（図２２）は、５自由度の動きを可能にしている。

したがって、揺動アーム１８８には１つのモーション制約があり、ジョイント組立体２１８には、４つのモーション制約があり、ガイドアーム１７２およびガイド支柱２７８には、１つのモーション制約がある。

３次的なモーションプラットフォーム（図１９の制御支持組立体１７８）は、１次的なモーションプラットフォームおよび２次的なモーションプラットフォームに機械的に連結されており、予測可能な動的関係で１次的および２次的なモーションプラットフォームと共に動作するが、いずれとも一致した動作はしない。

３次的なモーションプラットフォームのモーションは、コックピットガイド支柱２７８（図２２）およびガイドレール１７６、１６２によって決定される。コックピットガイド支柱２７８は、制御支持組立体１７８が、支持アーム２２８に連結されたガイド支柱２７８によって座席組立体２１０に連結されている可能性が高いため、ボールジョイント２７４、２７６による回転３自由度の動きと、並進２自由度の動きと５自由度の動きが可能である。ガイドレール１７６、１６２による直線スライド構造は、並進１自由度の動きを可能にする。

したがって、３次的なモーションプラットフォームのモーション制約には、コックピットガイド支柱２７８による１つのモーション制約と、ガイドレール１７６、１６２による５つのモーション制約が含まれる。

図２７において、参照符号３００は全体的に、モーションシミュレーション装置の別の実施の形態を示す。特に明記されない限り、前述の図面を参照して同様の参照符号は同じ部品を示している。

本例には、ベース３０２が提供されている。支持構造３０４は、ベース３０２の後部から上方に延在する。支持構造３０４は、上側ベアリング組立体３２８．１および下側ベアリング組立体３２８．２が取り付けられる後部支持体３０６を含んでいる。キャリア３２６は、ベアリング組立体３２８と共に後部支持体３０６に取り付けられる。キャリア３２６は、クレードル３２０を含んでいる。上側キャリアアーム３２２．１は、一端がクレードル３２０に回動可能に連結され、他端が上側ベアリング組立体３２８．１と共に後部支持体３０６に回動可能に連結されている。下側キャリアアーム３２２．２は、一端がクレードル３２０に回動可能に連結され、他端が下側ベアリング組立体３２８．２と共に後部支持体３０６に回動可能に連結されている。

モーションシミュレーション装置３００は、座席組立体３１０を含んでいる。座席組立体３１０は、座席フレーム３１２を含んでいる。座席フレーム３１２は、座席支持体３１４および座席背面部３１６を含んでいる。

スタブ心棒組立体３１８は、座席背面部３１６とクレードル３２０とを相互接続する。スタブ心棒組立体３１８は、クレードル３２０に固定された心棒取付具３３０を含んでいる。キャリッジ３２４は、座席支持体３１４と組立体３１８の心棒とを相互接続して、座席組立体３１０がキャリア３２６に対してｘ軸周りに回動可能にしている。

この構成により、点線３３６で示されるように、４つのバーからなる連結機構または動的フレームが画定されることが理解されるであろう。連結機構３３６は、動作時に、ユーザの前庭領域上方に仮想回動点を提供できる。仮想回動点の目的は、装置１００を参照して上述した通りである。但し、仮想回動点は必ずしも頭上にあるとは限らない。上側アーム３２２．１は、座席背面部３１６をクレードル３２０とほぼ平行に保つ働きをする。この構成によって画定される形状は、他の安定性も可能にする。例えば、連結機構は位置エネルギーが自身の中間点で最も低い状態にあるため、自ずと中心に位置合わせされる。これにより、以下に説明するアクチュエータの電力要求が低減される。

２つの上側アクチュエータ取付具３３１は、クレードル３２０の両側において座席背面部３１６に配置される。２つの下側アクチュエータ取付具３３２は、ベース３０２の両側において支持構造３０４に配置される。アクチュエータ３３４は、クレードル３２０の両側においてボールジョイントによって、上側および下側の取付部３３０、３３２の各ペアの間に取り付けられており、アクチュエータ３３４はそれぞれの端部が、座席フレーム３１２およびベース３０２に対して３自由度で回転可能となっている。

アクチュエータ３３４の動作は、連結機構３３６の傾斜または歪み、およびクレードル３２０に対するキャリッジ３２４の回転を引き起こす。例えば、アーム３２２が前方向（または、左側から見て反時計回り）に回動することによって、クレードル３２０が時計回りに回転し、仮想回動点が頭上から下方向へ移動し（フルブレーキ時のシミュレーション）、ユーザの腹部辺りに移動する（フル加速時のシミュレーション）。また、アクチュエータ３３４の差動動作は、クレードル３２０に対するキャリッジ３２４の回転を引き起こすことができる。したがって、アクチュエータ３３４の適切な動作によって、ベースに対する座席組立体３１０の動きが生じ、上述した６種類の動きをシミュレートすることができる。

動的フレームまたは４本のバーからなる連結機構の様々な他の形態が、異なる構成で達成され得ることが想定され得る。

モーションシミュレーション装置では、線形加速から仮想加速への遷移は、意図するシミュレーションとは反対方向の力ベクトルを検出することなく生じるべきである。簡単に述べると、要求される加速が特定の一方向だとすると、仮想加速を開始するには、現在の座標系から要求される位置または方向へ到達するために、前記一方向への初期加速を発生させる必要がある。上述したように、仮想回動点は、仮想回動点を中心とする回動中に変位する。前庭領域２８６の位置は、仮想回動点のこの変位により、前庭領域２８６に線形変位を生じさせるようなものであり、これは横方向の加速にのみ該当する。

ドリフト駆動機構１４２によって生成されるドリフト運動とは別に、座席組立体２１０の他のすべての運動は、たった２つのアクチュエータ２６２によって生成される。これは、６つの角柱状のアクチュエータを必要とし、当該アクチュエータを座席またはモーションプラットフォームの下に収容する必要があるスチュアートプラットフォームとは対照的に考えるべきである。

以下の動作を状況に当てはめるには、背景技術で述べた６種類の動作を考慮するべきである。

例えば、加速および制動において、アクチュエータ２６２は同時に、且つ、非差動的に作動して、初期範囲の線形加速を生じさせ、その後上述したようにピッチにスワップされる。より詳細には、仮想回動点は、振子モーションの開始に先立って、前庭領域２８６と同じ方向に、まず前後方向にシフトする。初期の作動によって、コックピットフロア１５４および座席組立体２１０が相対的に変位する。コックピットフロア１５４および座席組立体２１０が互いに離間する方向に変位する場合、例えば軸２６９が同時に伸長することにより加速のシミュレーションが強化される。同様に、コックピットフロア１５４および座席組立体２１０が互いに近づく方向に変位する場合、例えば軸２６９が同時に抽出されることにより減速のシミュレーションが強化される。このようなコックピットフロア１５４と座席組立体２１０との相対的な運動により、ユーザの固有感覚性系統（身体部分間での運動学的な認知）が慈樹される。これにより、現実感が向上する。また、ユーザが操舵ハンドルを把持し、さらにコックピット本体１７４によってコックピットフロア１５４に連結される別の制御装置を把持している可能性があると仮定すると、これら構成要素は、ユーザから引き離されることによって加速時の初期に発生する力を模倣したり、ユーザに向けて押されて減速時の初期に発生する力を模倣したりする。

コーナリングをシミュレートするために、アクチュエータ２６２を別々に作動させて、前庭領域２８６のスウェイおよびヨーを発生させることができる。上述したように、両モーションは、アクチュエータ２６２を差動的に作動させることによる仮想回動点のコーナリング方向への初期変位によって効果的にシミュレートされる。上述のように、初期線形変位は振子運動に遷移する。コーナリングはまた、アクチュエータ２６２によってさらにスウェイをシミュレートすることによって、持続的なコーナリングがシミュレートされる。上述のヨーは、座席組立体２１０、コックピットフロア１５４、およびペダル組立体１６０の相対的な運動によって生じる視覚的なインプットおよび身体の歪みとともに、（知覚されることが望まれない）ロールをスウェイと認識させる。

線形加速および線形減速の場合と同様に、コーナリングの際には、図２５および図２６を参照して説明したように、座席組立体２１０およびコックピットフロア１５４が相対的に回動変位させることができる。把持される制御装置は、コーナリング中に、運転者よりもターンの方向にさらに移動させることができ、これによって腕をターンの方向から押し離すコーナリングの遠心力を模倣することができる。同様に、ペダルランナ１５８に取り付けられたペダル組立体１６０は、運転者よりもターンの方向にさらに移動させることができ、これによって脚をターンの方向から押し離すコーナリングの遠心力を模倣することができる。また、上述した相対的な傾斜によって、コックピットフロア１５４が座席組立体よりも緩やかにターン方向に傾斜し、実際の遠心力によって経験し得るようにターンの外側の脚により多くの圧力がかかり、ターン内側の脚にかかる圧力が減少する。

座席そのものに歪みが発生させて、太腿にかかる圧力を制動時に増加させ、加速時には減少させたり、コーナリング時に外側の太腿にかかる圧力を増加させ、内側の太腿にかかる圧力が減少させたりすることも想定される。

このように、把持された制御装置とフットペダルの双方に対して、ユーザの身体に対する制御された動きを受ける。これらは、北米の基準に従った、女性の５パーセントから男性の９５パーセントまでの人体測定範囲内に収まるように、操作する四肢の動きの範囲が調整されるように、様々な速度で意図的に駆動される。

上述した運動学的歪みは、機械的連結を介して受動的に生成され、２つのアクチュエータ２６２以外に別の入力を必要としないことが理解されるであろう。

ガイドアーム１７２、２５６、２７８および駆動軸２３８は、ハブ２３６のモーションをチューニングできるように、それぞれの長さが手動で調整可能である。このチューニングは、アクチュエータ２６２の動作中に、前庭領域２８６のヒーブ（高さの変化）を抑制する。

以上の説明から、上述の仮想回動点の変位によって、ユーザに対して加速および減速の合図を生成することができ、これによってシミュレーションが向上する。より具体的には、上述した初期の線形加速から振子運動への遷移は、継続する線形加速の感覚を生じさせる。本明細書に記載されるシミュレーション装置は、「座席下」のモデルとは対照的にユーザが経験する仮想的な加速が、中央またはニュートラルの位置からの座席またはキャリアの初期オフセットに比例し、同じ方向になり得るように移動する。

添付の特許請求の範囲は、上記の説明に組み込まれているものとみなされる。

本明細書中に任意の数または範囲が記載される場合、他に明確に記載されない限り、その数または範囲は近似である。本明細書における値の範囲の記載は、本明細書に別段の指示がない限り、その範囲内にある各値を個別に参照する簡単な方法として機能することを意図しており、そのような各値および各値によって定義される下位範囲は、本明細書に個別に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。

「前」、「後」、「背面」、「下向き」、「上向き」などの方向または向きを表す文言は便宜上使用されるものである。本発明者は、様々な実施の形態が、例えば販売時の提示のように、非動作状態で使用され得ることを想定している。したがって、そのような文言は、本質的に例示的なものとみなされるべきであり、限定的なものとみなされるべきではない。

本明細書全体を通して、いかなる利点、約束、目的等への言及も、累積的、複合的及び／又は集合的とみなされるべきではなく、保証として述べられるよりも好ましい又は望ましいとみなされるべきである。

本明細書を通じて、別段の指示がない限り、「構成する」、「次を含む」、「構成する」、または「含む」のような関連用語は、記載された整数または整数のグループが１つ以上の他の記載されていない整数または整数のグループを含み得るように、排他的にではなく包含的に使用される。

用語「および／または」、例えば、「Ａおよび／またはＢ」は、「ＡおよびＢ」または「ＡまたはＢ」のいずれかを意味するものと理解されるものとし、両方の意味またはいずれかの意味に対する明示的なサポートを提供するものと解釈されるものとする。

上記で使用された用語は説明のためのものであり、限定的なものとみなすべきではないことを理解されたい。記載された実施形態は、その範囲を限定することなく、本発明を例示することを意図している。本発明は、当業者に容易に理解されるような種々の修正および追加によって実施することができる。

Claims (20)

1. モーションシミュレーション装置であって、
   モーションプラットフォームと、
   前記モーションプラットフォームに搭載され、ユーザが搭乗するためのキャリアと、
   下端が基板上に回動可能に取り付けられて前記基板に対して動作の２自由度をもって回動するとともに、上端がモーションプラットフォームに回動可能に接続されて前記モーションプラットフォームに対して動作の２自由度をもって回動する駆動アームと、
   ２本のガイドアームと、
   を備え、
   前記２本のガイドアームのそれぞれは、下端が前記基板上に回動可能に取り付けられて基板に対して３自由度の動きで回動し、上端が前記モーションプラットフォームに回動可能に接続されて前記モーションプラットフォームに対して３自由度の動きで回動し、
   前記駆動アームと前記２本のガイドアームとは、前記基板と、前記２本のガイドアームのそれぞれから延在する線が交差する箇所において発生する点である仮想回動点との間に前記モーションプラットフォームが介在した状態で、前記駆動アーム及び前記２本のガイドアームのそれぞれの長手方向の軸が前記仮想回動点で交差するように、前記基板から前記モーションプラットフォームに向かって互いに傾斜しており、
   前記駆動アーム、前記２本のガイドアームおよび前記モーションプラットフォームは、前記基板に対して回動可能な動的フレームを画定し、その結果としての前記モーションプラットフォームの動きを前記キャリアに伝達可能であることを特徴とする。
2. 請求項１に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記駆動アームは、前記２本のガイドアームに対して前方に位置していることを特徴とする。
3. 請求項２に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記駆動アーム及び前記２本のガイドアームのそれぞれの端部が位置する各平面は、互いに角度的にオフセットされており、前記駆動アームがそれぞれの前記平面の前記角度的なオフセットに対応して回転するにつれて、前記動的フレームの前記回転によって前記駆動アームが前記モーションプラットフォームに回転を与えることを特徴とする。
4. 請求項１に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記モーションシミュレーション装置は、２つのアクチュエータを含み、
   前記２つのアクチュエータのそれぞれは、直線的に固定された端部であって、前記基板に対して少なくとも回転２自由度で回動するように前記基板に回動可能に取り付けられた端部と、前記キャリアに対して回転３自由度で回動可能に取り付けられ、前記２本のガイドアームのそれぞれが前記２つのアクチュエータの間に挿入された作用端とを有することを特徴とする。
5. 請求項４に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記２つのアクチュエータは、それぞれの前記直線的に固定された端部から前記作用端にかけて互いに収束することを特徴とする。
6. 請求項１に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記２本のガイドアームは、略同じ長さであることを特徴とする。
7. 請求項１に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   ベース組立体を備え、前記キャリアは前記ベース組立体の上方に配置された座席組立体を含み、前記座席組立体は座席支持体と背面支持体とを備えていることを特徴とする。
8. 請求項７に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記モーションプラットフォームは、前記背面支持体の頭部領域に固定されたハブを含んでおり、
   前記駆動アームは、作動可能な上側コネクタと作動可能な下側コネクタとを有する駆動軸であり、
   前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記駆動軸に対する前記ハブの動きを回転２自由度に制限する上側ジョイントを提供し、
   前記下側コネクタは、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対する前記駆動軸の動きを回転２自由度に制限する下側ジョイントを提供する。
9. 請求項８に記載のモーションシミュレーション装置であって、
   前記２本のガイドアームは２本のガイド支柱であり、
   前記２本のガイド支柱は前記駆動軸の左右両側に配置され、動作可能な上側コネクタと動作可能な下側コネクタとを備えており、
   前記上側コネクタは、前記ハブの補助コネクタと係合し、前記各ガイド支柱に対する前記ハブの３自由度の動きによる回転運動を許容する上側ジョイントを提供し、
   前記下側コネクタはそれぞれ、前記ベース組立体の補助コネクタと係合し、前記ベース組立体に対して、前記各ガイド支柱に対する前記ハブの３自由度の動きによる回転運動を許容する下側ジョイントを提供する。
10. 請求項９に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    ２つの線形アクチュエータを備え、前記２つの線形アクチュエータのそれぞれは、前記駆動軸が左右いずれにも傾斜していないときに、前記駆動軸が位置する作動垂直面の両側に位置しており、前記２つの線形アクチュエータのそれぞれは前記ベース組立体と前記座席組立体とを相互接続することを特徴とする。
11. 請求項９に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記駆動軸の上側および下側ジョイントと前記２本のガイド支柱は、ほぼそれぞれの平面内に位置して、前記ベース組立体に対して回動可能な動的フレームを画定しており、結果として得られる前記ハブの動きが前記座席組立体に伝達されることを特徴とする。
12. 請求項９に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記ベース組立体の構成は、前記ベース組立体および前記ハブの相対的な角度方向を変更するように調整可能であり、その結果、前記動的フレームの回動によって、前記駆動軸が前記ハブに回転を与えてヨーをシミュレートすることを特徴とする。
13. 請求項９に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記駆動軸の前記上側コネクタおよび前記ハブの前記補助コネクタは、前記駆動軸の上側ユニバーサルジョイントおよび前記下側コネクタによって提供され、前記ベース組立体の前記補助コネクタは、下側ユニバーサルジョイントによって提供されることを特徴とする。
14. 請求項１０に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記２つの線形アクチュエータのそれぞれは、その固定端において、前記２つの線形アクチュエータのそれぞれと前記ベース組立体との相対的な動きを少なくとも回転２自由度の動きに制限するジョイントによって前記ベース組立体に接続されていることを特徴とする。
15. 請求項９に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記ベース組立体と前記座席組立体との間に配置されるコックピットフロアを備えていることを特徴とする。
16. 請求項１５に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記座席支持体と前記コックピットフロアとの間には、前記コックピットフロアに対して前記座席組立体が２自由度の動きで回転可能となるように、２自由度の動きをもって回転運動を与えるように構成されたジョイント組立体が配置されていることを特徴とする。
17. 請求項１６に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    ２つの制御支柱組立体を備えており、前記各制御支柱組立体は、前記コックピットフロアの両側において、前記駆動軸と前記コックピットフロアとの間で回転２自由度の動きおよび並進３自由度の動きを許容するジョイントによって、前記駆動軸と前記コックピットフロアとを相互接続し前記コックピットフロアのロールを制限することを特徴とする。
18. 請求項１７に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記ベース組立体は、ベースと、前記ベースに取り付けられたドリフトフレームとを含み、
    前記コックピットフロアと前記ベースとの間に介在するドリフトフレームを備えており、前記ドリフトフレームは、前記ベースに対して前記コックピットフロアが、前記座席組立体の前部に配置された作動垂直軸を中心として回動しやすくなるように構成されていることを特徴とする。
19. 請求項１８に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記ドリフトフレームは、一端が前記ベースに回動可能に接続され、反対側の端部が前記座席組立体の前方で前記コックピットフロアに接続されている揺動アームを含んでいることを特徴とする。
20. 請求項１８に記載のモーションシミュレーション装置であって、
    前記ドリフトフレームは、前記コックピットフロアと前記ベースとの間に配置され、前記コックピットフロアの前後方向の動きを行いやすくする線形ベアリング組立体を備えていることを特徴とする。

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