(57)【要約】本発明は、運転シミュレータ用の変位システムに関し、前記変位システムは、カスケード式システムの形態であり、全体の作動システムは、小さな高周波運動のための作動システムと、大きな低周波運動のための作動システムとに分割される。低周波励振を実現するために使用される作動システムは、回転式テーブルと６軸変位ユニットと水平変位装置とからなるカスケードシステムの形態のマニピュレータである。可能な限り低い低周波である変位を表示できるようにするために、（カスケード内の最も低いアクチュエータ段としての）水平変位装置は、４０ｍ×４０ｍの大きな変位面積を対象とする。回転式テーブルと高周波作動システムとを有する６軸変位ユニットは、水平変位装置の運動経路によって対象とされる平坦面に自由に変位可能に位置決めされるキャリヤキャリッジに装着され、水平変位装置によって前記平坦面に対して引かれるかまたは押される。
2005505783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験者に対して運動印象を生じさせるための運転シミュレータ用の運動システムであって、
−シートと、ステアリング装置および作動ペダルのような操作者制御要素とを備えるキャビンであって、
−前記シートおよび／または前記操作者制御要素の各々が、ホルダによって運動可能に配置され、かつ変位のための制御ユニットを介して、割り当てられた作動要素によって複数の運動方向に互いに対して可変に作動されることができるキャビンを有する運動システムであって、
前記キャビン（５）が、
−前記キャビン（５）の垂直軸を中心とする、前記キャビン（５）の制御された回転運動のための回転プレート（８）と、
−前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成された、前記アセンブリを６つのすべての自由度で運動するための６軸運動ユニット（１０）と、
−前記６軸運動ユニット（１０）と前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成されたアセンブリを、２つの水平軸線に沿って制御して変位させかつ加速するための水平変位装置（１１）と、
を備えるマニピュレータ（７）に固定配置されており、
前記６軸運動ユニット（１０）が、平坦な基部面（１３）に自由に変位可能に装着されるキャリヤキャリッジ（１２）に固定装着され、該キャリヤキャリッジが前記水平変位装置（１１）の運動経路によって画定され、かつ前記水平変位装置（１１）によって前記基部面（１３）に対して引かれるかおよび／または押されることを特徴とする運動システム。
【請求項２】
前記キャリヤキャリッジ（１２）が、空気軸受（１６）および／または空気クッションによって前記基部面（１３）に対して装着されることを特徴とする、請求項１に記載の運動システム。
【請求項３】
前記水平変位装置（１１）が、２つの線形変位装置（２４、２５）、
具体的には、
−前記６軸運動ユニット（１０）と前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成された前記アセンブリを、第１の水平軸線（Ｙ）に沿って制御して変位させかつ加速するための第１の線形変位装置（２４）と、
−前記第１の線形変位装置（２４）と前記６軸運動ユニット（１０）と前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成された前記アセンブリを、前記第１の水平軸線（Ｙ）に対してほぼ垂直に配向される第２の水平軸線（Ｘ）に沿って制御して変位させかつ加速するための第２の線形変位装置（２５）と、から構成されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の運動システム。
【請求項４】
前記第２の線形変位装置（２５）が、ガントリブリッジ（２６）として具現化されることを特徴とする、請求項３に記載の運動システム。
【請求項５】
前記ガントリブリッジ（２６）が、空気軸受（３４）および／または空気クッションによって前記基部面（１３）に対して支持されることを特徴とする、請求項４に記載の運動システム。
【請求項６】
前記ガントリブリッジ（２６）の運動励振が、端部に配列される２つのベルト牽引駆動部（３７）によって実施されることを特徴とする、請求項３あるいは４に記載の運動システム。
【請求項７】
前記ガントリブリッジ（２６）の運動励振が、端部に配列される２つの電磁線形駆動部（４３、４３’）によって実施されることを特徴とする、請求項３あるいは４に記載の運動システム。
【請求項８】
前記ガントリブリッジ（２６）が、ヒンジ（４８）によって２つの駆動部のうち一方の駆動部（３６）と接続され、またＹ方向に直線的に限定的に変位することができる回転接続部（４９）によって他方の駆動部（３６’）に対して装着されることを特徴とする、請求項６あるいは７に記載の運動システム。
【請求項９】
前記第１の線形変位装置（２４）を駆動するために、前記６軸運動ユニット（１０）と前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成された前記アセンブリを、前記ガントリブリッジ（２６）に対して変位させるために使用できる電磁線形駆動部（５１）が設けられることを特徴とする、請求項４〜８のいずれか１項に記載の運動システム。
【請求項１０】
前記キャリヤキャリッジ（１２）が、結合要素（５５、５５’）によって前記第１の線形変位装置（２４）に対して支持されることを特徴とする、請求項３に記載の運動システム。
【請求項１１】
前記第１の線形変位装置（２４）が、前記第２の線形変位装置（２５）の重心のレベルに対応するレベル（８５）で前記第２の線形変位装置（２５）に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の運動システム。
【請求項１２】
前記第１の線形変位装置（２４）の前記少なくとも１つの駆動部（５１）および／または前記第２の線形変位装置（２５）の前記少なくとも１つの駆動部（３６、３６’）に、受動ブレーキ系が設けられることを特徴とする、請求項３に記載の運動システム。
【請求項１３】
前記第１および／または第２の線形変位装置（２４、２５）に、制動の場合に生じる力を誘導するためのエンドストップ（８４）が設けられることを特徴とする、請求項３に記載の運動システム。
【請求項１４】
前記水平変位装置（１１）が、２つのベルト牽引駆動部または２対のベルト牽引駆動部（６０、６０’）によって形成され、前記ベルト牽引駆動部の作用方向が互いにほぼ直角であることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の運動システム。
【請求項１５】
前記水平変位装置（１１）が、平坦な電磁駆動部（６５）によって形成されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の運動システム。
【請求項１６】
前記平坦な電磁駆動部（６５）が、少なくとも２つの電磁駆動される変位シュー（６７）を備え、該変位シューが互いに同期して運動することができ、また該変位シューに前記キャリヤキャリッジ（１２）が機械的に結合されることを特徴とする、請求項１５に記載の運動システム。
【請求項１７】
前記６軸運動ユニット（１０、７０）が、電気駆動部（７３）を用いて運動されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の運動システム。
【請求項１８】
前記６軸運動ユニット（１０）が６脚（７０）であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の運動システム。
【請求項１９】
前記キャビン（５）が、前記回転プレート（８）に永久的に接続されるドーム（４）内に配置されることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の運動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば特許文献１から既知であるような、請求項１の前文に記載の試験者に対して運動印象を生じさせるための運動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車製造の分野では、開発時間およびコストの継続的低減に大きな関心がある。このことにより、早期の開発段階において設計マージンを明らかにし、また引き続く開発段階の短縮および反復ループの省略を可能にするために物理的制限を判断する必要性が生じている。この理由のため、自動車設計の予想される走行快適性（走行特性）および運転挙動（操縦特性）に関する情報が、引き続く高価で時間を喰う実現段階における開発ループを避けるために、非常に早い開発段階で利用可能にならなければならない。
【０００３】
早期の開発段階の自動車設計を試験するために、オフラインでのシミュレーションとならんで、特に運転シミュレータが使用される。基本的に、これらのシミュレータにより、電子制御および調整システムと組み込み済みのハードウェア構成要素とを含む数学的合成の自動車設計を提起できる可能性が提供され、この自動車設計は、運転者の要求に応じて作動するコンピュータ内に確立されており、運転者がシミュレーションを「経験する」ことを可能にする。かくして、運転シミュレータは、基本的に、従来の開発プロセス以前の試験走行に応じてデジタル自動車による仮想の走行を可能にする。運転シミュレータを自動車開発のツールとして有効に利用するために必要な前提条件は、走行快適性および運転挙動の両方、およびこれらの特性の組み合わせに関係する可能な最大数の運転操作の現実的なシミュレーションである。このため、一方で、交通状態を視覚化するために、また、自動車および騒音等をシミュレートするために、適切なシステムおよび方法が利用可能でなければならない。他方で、自動車の走行特性および操作特性の両方に関して、現実に可能な限り近い状態下で、運転者が加速度および加速度の変化を認識できるように使用できる運動システムを用意することが必要である。
【０００４】
同一分野を形成する特許文献１は、実際の走行状態をシミュレートするためのシステムを開示し、このシステムでは、自動車の操作者制御要素（ステアリングホイール、作動ペダル等）は自動車のキャビンに対して運動可能（可動）であるように配置される。これらの操作者制御要素は、制御ユニットを用いて作動される割り当てられた作動要素によって、互いに対してかつシートに対して複数の運動方向にさまざまな種類の運動をすることができる。この場合、運動のタイプは、シミュレートされる自動車の運動のタイプから決定される。特許文献１に記載されている運転シミュレーションシステムの運動要素は、非常に短い変位経路を有する。この理由のため、このシステムは、高周波励振（＞３Ｈｚ）が重要な役割を果たす運転操作をシミュレートするためにもっぱら適切である。したがって、このような運転シミュレーションシステムは、自動車の走行関連特性、例えばでこぼこの道路で運転するときや、縁石を超えて運転するとき等の印象の試験に限定される。
【０００５】
自動車の操縦特性は、低周波加速の効果がそれらの特性の実現において決定的な役割を果たすので、特許文献１から公知のシステムを使用して現実的に表すことができない。自動車の低周波励振を実現できるようにするために、運転シミュレータが使用され、その運転者キャビンは、全体が運動可能であるように装着され、また特定の距離および角度範囲にわたって異なる運動軸内で横方向にかつ回転して運動される。この結果、加速、コーナリング、制動等のような操縦関連の状態が作り出される。このようなシステムは、例えば、特許文献２および特許文献３から公知である。この場合、達成可能な周波数スペクトルの下端は、運転シミュレータの最大利用可能な変位距離によって直接制限される。特許文献２に記述されているように、自動車キャビンの回転運動によって、比較的長く持続する水平方向の（横向きの）加速度をシミュレートするために、いわゆる「ウォッシュアウトアルゴリズム」を使用することが可能であるが、このような方法によって、約０．７Ｈｚ未満の周波数範囲の操縦関連の操作が非常に不満足に示されているに過ぎない。
【０００６】
アイオワ大学からのＮＡＤＳ（ナショナルアドバンストドライビングシミュレータ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｄｓ−ｓｃ．ｕｉｏｗａ．ｅｄｕ）は、単一システムで低周波の（操縦に関連する）励振、及び高周波の（走行に関連する）励振の両方をシミュレートする第１の試みを示している。このシステムは６脚に固定される自動車ドームを備え、６脚および自動車ドームから構成されるアセンブリは、ベルト牽引駆動部を有する１対の交差直線軸に装着され、前記ベルト牽引駆動部を用いて、アセンブリを２０ｍ×２０ｍの基部面で運動することができる。検査すべき自動車のホイールは、ラムによってドームの底板に接続され、これらのラムを用いて自動車の垂直方向の励振を実行することが可能である。
【０００７】
ＮＡＤＳは、ある程度は、また選択された励振方向に、操縦関連および走行関連の励振を可能にするが、次のようないくつかの相当の不都合を有する。
−全体的な運動学と関連したＮＡＤＳの走行作動システム（車輪の垂直方向の励振）は、ある走行状態について十分な運動印象を与えず、例えば、現実に近い状態下で、関連する比較的高い周波数の水平方向の加速度（＞２０Ｈｚ）を有する悪路での運転をシミュレートすることが不可能であり、
−ＮＡＤＳの基部面は余りに小さく、重要な低周波成分で現実的に特定の展開に関連する運転操作（例えば、ブレーキをいっぱいに掛けた車線変更、カーブでの制動）をシミュレートすることができない。
【０００８】
【特許文献１】
独国特許出願公開第３９  ３６  ８７７  Ａ１号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第２８  ４２  ４０９  Ａ１号明細書
【特許文献３】
欧州特許出願公開第３３５  ５８５  Ａ１号明細書
【特許文献４】
独国特許出願公開第１９６  ３６  １００  Ａ１号明細書
【特許文献５】
国際公開第９９／５５４８８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は、公知の運動システムと比較して、極めてより多くの数の開発関連の運転操作を表現する（表す）ことが可能である運転シミュレータ用の運動システムを提供する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、本発明により請求項１の特徴によって達成される。
【００１１】
解決方法は、低周波範囲の励振および高周波範囲の励振の両方が、現実に近い状態下で多数の運転操作をシミュレートすることが必要であるという構想に基づいている。本発明によれば、このために、カスケード式システムが使用され、全体の作動システムは次のシステムに分けられる。
−小さな高周波運動のための作動システム（低速度のシミュレーションにおいて特に重要な役割を果たす）
−大きな低周波運動のための作動システム（高速度のシミュレーションにおいて特に重要な役割を果たす）。
【００１２】
高周波励振を実現するための作動システムとして、多軸走行システムが使用され、その重要な特徴は、例えば特許文献１から公知である。このシステムは、シートと操作者制御要素とを有するキャビンを備え、シートおよび／または操作者制御要素は、運動可能に配置され、また割り当てられた作動要素によって複数の運動方向に互いに対して運動することができる。本発明によれば、この走行システムは、低周波励振を実現するための作動システムとして機能する多軸マニピュレータに組み込まれる。次に、マニピュレータ自体はカスケード式システムであり、回転プレートと６軸運動ユニットと水平変位装置とを備え、したがって、走行システムは回転プレートに装着され、この回転プレートを用いてその垂直軸を中心にして回転することができ、走行システムと回転プレートとから構成されたアセンブリは、６軸運動ユニットに装着され、この運動ユニットを用いて低周波範囲で制御して運動され、次に、走行システムと回転プレートと６軸運動ユニットとから構成されたアセンブリは、水平変位装置を用いて２つの水平軸線に沿って運動され、この変位装置は最低周波運動を実現するために使用される。
【００１３】
可能な最低周波運動を表す（表現する）ことができるようにするために、水平変位装置（カスケード内の最も低い点に配置されたアクチュエータステージとして）は、最大可能な距離を対象と（カバー）しなければならない。しかし、この場合、運動面を拡大することが、運動すべき質量の非常にゆるやかな拡大しか伴わないことを確実にする必要があるが、この理由は、さもなければ、生じる力およびモーメントのため大きな運動面を実現できないからである。この要件を満たすために、本発明によれば、６軸運動ユニットは、平坦な基部面に自由に変位可能に装着されるキャリヤキャリッジに装着され、このキャリヤキャリッジは、水平変位装置の変位経路によって画定され、かつ水平変位装置によって基部面に対して引かれるかおよび／または押される。一方で、支持を提供し、他方で、水平方向に案内するかまたは３つの空間方向すべての運動量を吸収する機能は、運動システムのこの設計によって分離される。この結果、従来技術から公知の運動システムと比較して、運動すべき質量を小さくしてより大きな基部面を対象とする（カバーする）ことができる。特に、本発明による運動システムは、最低周波数範囲における運転シミュレータの周波数（振動数）スペクトルの著しい拡大を伴う、例えば４０ｍ×４０ｍの基部面をカバーすることを可能にする。
【００１４】
キャリヤキャリッジ、６軸運動ユニット、回転プレート、およびキャビンから構成された基部ユニットの変位および加速をガタ付きなしに行うために、基部ユニットと基部面との間の摩擦を可能な限り小さくする必要がある。したがって、キャリヤキャリッジは、空気軸受および／または空気クッションによって基部面に対して装着されることが有利である（請求項２参照）。このような空気軸受は、基部ユニットが基部面で自由に変位可能であるようにし、また最小の摩擦力で基部ユニットと基部面との間に結合される。さらに、空気軸受は高度の剛性を特徴とし、基部面での基部ユニットの障害のない摺動にとって重要な前提条件である。代わりに、基部ユニットはまた、摺動軸受またはころ軸受（転がり軸受け）によって基部面に対して装着することができる。
【００１５】
第１の特に有利な改良では、水平変位装置は、２つの線形変位装置、具体的には、
−第１の水平軸線（Ｙ方向）に沿って基部ユニットを制御して変位させかつ加速するための第１の線形変位装置と、
−上記第１の線形変位装置と上記基部ユニットとから構成されたアセンブリを、第１の水平軸線に対してほぼ垂直に配向される第２の水平軸線（Ｘ方向）に沿って制御して変位させかつ加速するための第２の線形変位装置と、から構成される（請求項３）。
【００１６】
水平変位装置のこの改良は、基部ユニットの（大きな表面にわたる）水平運動が互いに階層的に接続される２つの線形変位装置によって実施されるので、運動システムのさらなるカスケードを可能にする。
【００１７】
連続カスケード段の間には、運動システムのモジュール式の全体調整を可能にするために、最小の相互作用部または結合部のみがあるべきである。この結果、システムの複雑さが低減され、制御性が改善される。
【００１８】
第２の線形変位装置は、ガントリブリッジとして具体化することが適切である（請求項３）。ガントリブリッジという用語は、本明細書では、変位装置と理解すべきと意図され、この変位装置は、その運動方向に対して横断方向に、基部面の全幅に跨り、かつレール（または代わりの案内手段）の２つの横断端部に支持され、またガントリブリッジの２つの横断端部に配置されるかあるいはそれに対して作用する線形駆動部によって基部面に対して変位しかつ加速される。ガントリブリッジは、一方で、線形駆動部を介して印加される駆動力をＸ方向の基部ユニットに伝え、他方で、基部ユニットの作用力をＸ方向の線形駆動部に誘導する。
【００１９】
ガントリブリッジは、線形変位装置のＸおよびＹ方向の運動の優れた分離を確実にするために、また基部ユニットが加速されるときに第１の線形変位装置によってガントリブリッジの上に及ぼされる力と負荷とを可能な限り低く維持するために、可能な限り最大の局所的な剛性を有するべきである。他方で、ガントリブリッジの質量は、運転シミュレータの運動質量を加速し、また制動するために消費されなければならない力を可能な限り小さく維持するために、可能な限り小さくすべきである。これらの２つの要件を満たすために、ガントリブリッジの支持構造体は、骨組み構造体として適切に構成され、第１の線形変位装置の接続箇所に印加される力をガントリブリッジ全体にわたって分布するために使用することができる。第１の線形変位装置の接続領域において、ガントリブリッジはまた、特に高度の局所的な剛性をもたらすことができる強化された垂直方向のキャリヤを有することが適切である。
【００２０】
ガントリブリッジは、その２つの横断端部で基部面または適切に設計されたレールに支持される。跨げられるべき基部面のサイズおよびガントリブリッジの重量に応じて、ガントリブリッジの端部の支持体に加えて、ガントリブリッジの中央領域に別の支持体を設けることが有利かもしれない（請求項５参照）。支持体は、可能な限り小さな摩擦で基部面に対するガントリブリッジの摺動を可能にするために、基部面に対して空気軸受を有することが適切である。
【００２１】
ガントリブリッジの運動励振は、ベルト牽引駆動部によって実施することができる（請求項６参照）。この場合、ベルト、特にＹ方向に延び、ガントリブリッジの横断端部に取り付けられ、またプレストレスが加えられるスチールベルトが、使用される。ベルト（スチールベルト）は、運動フィールドの端部の各々のドラムの周りに延び、このドラムによって、それぞれのベルト（スチールベルト）に（したがって、このベルトに永久的に接続されるガントリブリッジの端部に）牽引力を加えることができる。ドラムは、電動モータによって駆動される。ガントリブリッジを高精度に方向付けるために、２つのベルト牽引駆動部は同期制御されなければならない。
【００２２】
代わりに、ガントリブリッジの運動励振は、ガントリブリッジの２つの横断端部に配置される２つの電磁（電気）式線形駆動部によって実施することができる（請求項７参照）。ベルト牽引駆動部と比較して、この解決方法では、ランナはガントリブリッジの端部に直接配置され、また静止要素をレール内に一体化できるので、よりコンパクトな設計の利点を有する。さらに、電磁（電気）式線形駆動部を使用する場合、ベルト牽引駆動部と比較して、システムの振動のぎこちない（不調の）機械的励振の危険が大部分防止される。電磁（電気）式線形駆動部は中間変速機を必要としないので、それらの摩擦も特に低い。ガントリブリッジを高精度に方向付けるために、２つの電磁（電気）式線形駆動部は同期作動しなければならない。
【００２３】
ガントリブリッジの端部に作用する２つの駆動モータの上述の同期制御によって、通常の捻運転（動作）中に垂直軸線を中心とするガントリブリッジのねじり（捻れ）を大部分防止することが可能であるが、故障の場合、著しいねじりが生じる可能性がある。このため、ガントリブリッジのねじりを補償するために使用できる機構を設けること、および不可逆の歪みによるガントリブリッジに対する損傷を回避することが適切である。このため、ガントリブリッジの一方の端部は、この端部に作用する駆動要素に対し回転可能に装着され、一方、ガントリブリッジの他方の端部とこの箇所に作用する駆動要素との接続は、Ｙ方向に直線的に限定的に変位可能な回転接続部によって行われる（請求項８参照）。
【００２４】
基部ユニットをＹ方向に制御して変位させかつ加速するために、電磁（電気）式線形直接駆動部（請求項９参照）によって好ましくは形成される第２の線形変位装置が、ガントリブリッジに設けられる。第２の線形変位装置に対する基部ユニットのねじり（捻れ）および傾きを避けるために、基部ユニットのキャリヤキャリッジが、結合要素によって第２の線形変位装置に対して適切に支持される（請求項１０）。このような結合要素は、基部ユニットと第２の線形変位ユニットとの間の任意の空間方向のねじり補償を可能にする。結合要素の特に有利な一実施形態では、電磁（電気）式線形駆動部の回転子は、回転子に対してＹ方向にオフセット（軸違いに）されかつばねダンパ要素によって回転子に結合される２つの受動要素に接続される。基部ユニットは、多関節支柱（マルチジョイントストラット、マルチ接合支柱）によって電磁（電気）式線形駆動部の回転子と接続され、枢着可能なストラット（支柱）によって２つの受動要素に接続される。
【００２５】
ガントリブリッジの歪みによる運動システムの可能な限り小さな摩耗を達成するために、また摩耗から生じる秩序を乱した加速を避けるために、可能な限りモーメントなしに、基部ユニット側でガントリブリッジに及ぼされる作用力を、このガントリブリッジに導入しなければならない。これを確実にするために、ガントリブリッジに対する水平力のすべての印加が、ガントリブリッジの重心のレベルで行われるように、基部ユニットとガントリブリッジとの接続箇所は、ガントリブリッジの重心のレベルにあることが有利である（請求項１１参照）。さらに、同様に、Ｘ方向の基部ユニットの反力が線形駆動部に導かれるガントリブリッジのレールを、このレベルに配列することが適切である。また、基部ユニットからのまた基部ユニットへの水平力束が基部ユニットの重心のレベルで行われるように、ガントリブリッジがそのレベルに関して基部ユニットに対して配置されるならば、さもなければ支持モーメントによる追加の力を吸収するために生じる基部ユニットの垂直軸受の必要性を排除できる。
【００２６】
操作の不具合の際、特に電源故障が生じたときに運動システムに対する重大な損傷を回避するために、２つの線形変位装置の駆動部に受動ブレーキ系（例えば渦電流ブレーキ）を設けることが適切であり、これによって、非常時に運動システムの水平軸線の迅速な自動車制動を実行することができる（請求項１２参照）。さらに、エンドストップ（先止め）が両方の軸に設けられる（請求項１３参照）。電源故障の場合に、少なくとも基部ユニットが完全に停止するまで基部ユニットの空気軸受が維持されることを確実にするために、圧力タンクを設けることが推奨される。
【００２７】
カスケード式に配置される２つの線形変位装置として水平変位装置を具体化する代替方法として、水平変位装置はまた、交差するベルト牽引駆動部によって実現することができる（請求項１４参照）。この場合、ＸおよびＹ方向の運動のカスケードが排除され、運動すべき質量が高い質で最小にされる。基部ユニットの運動の高精度の制御を確実にできるようにするために、Ｘ方向およびＹ方向それぞれに平行に延び、各々同期制御される２つのベルト牽引駆動部を用意することが推奨される。
【００２８】
さらなる実施形様では、水平変位装置は、平坦な電磁駆動部によって形成される（請求項１５参照）。このため、正規の磁気グリッドが基部面に設けられる。さらに、基部面に対して低い摩擦（例えば空気軸受により）で変位できる変位（シュー、靴部、足部）が設けられる。変位シューの各々には電磁コイルが装着され、これを使用して、変位シューを基部面の磁石に対して任意に変位させることができる。キャリヤキャリッジに装着される基部ユニットは、１つまたは複数の変位シューに機械的に結合され、前記変位シューを用いて基部面に対し運動される。運動中に変位シューに及ぼされるモーメントを可能な限り低く維持するために、あるいは可能な限り対称的にそれらを分布させるために、少なくとも２つの変位シューを設けること、およびキャリヤキャリッジの周りに対称的に変位シューを配置することが有利である。複数のシュー（変位シュー）は、キャリヤキャリッジがこれらの変位シューに対し固定空間位置を取るように、互いに平行にかつ同期して運動される（請求項１６参照）。
【００２９】
キャリヤキャリッジに配置される６軸運動ユニットは、電磁（電気）駆動部を使用して運動されることが適切である（請求項１７参照）。装置に関して非常に複雑であり、かつ大型で重量のあるアセンブリ、ポンプ、高圧ライン等を伴う油圧駆動装置と比較して、運動ユニットを電気的に駆動することは、装置に関して比較的簡単である利点を有し、取扱いがより容易であり、また相当小さな重量で済む。
【００３０】
６軸運動ユニットとして６脚が使用されることが有利である（請求項１８参照）。このような６脚は、６つの支柱（ストラット）を備え、これらの支柱（ストラット）は、キャリヤキャリッジに固定され、長さが調整可能であり、またこれら支柱の端部に取り付けられた運動プラットホームを有する。このことは、運動プラットホームが６つのすべての自由度で、すなわち３つの並進自由度および３つの回転自由度で運動することを可能にし、この場合、大きな力の量の吸収を確実にできる。６脚は、例えば特許文献４から、また特許文献５から公知である。
【００３１】
キャビンと周囲（シミュレータホールと運動システム）との間の視覚的および聴覚的な分離を実行するために、６脚の運動プラットホームの上方に、自動車のキャビンの全側面を囲むドームを設けることが適切である（請求項１９参照）。ドームには、運転シミュレータの視覚化システム用に映写面が提供され、これによって、試験走行中に交通シナリオが表示される。ドームは、その内部に対する運動システムの動作ノイズを音響学的に減衰する。これによって、試験走行中に自動車のキャビンのサウンドシステム内で発生するノイズが、無関係な動作ノイズによって歪められないことが確実になる。
【００３２】
以下に、図面に例示する複数の例示的実施形態によって、本発明についてより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１ａ及び図１ｂは、試験者３に対して運動印象を生じさせるための運転シミュレータ２用の運動システム１の概略平面図（図１ａ）および側面図（図１ｂ）を示している。運動システム１はドーム４によって囲まれるキャビン５を備え、かつ走行作動システム６（以下により詳細に説明する）を有する。キャビン５は、マニピュレータ７に固定して配置され、マニピュレータ自体は次の構成要素を備える。
−キャビン５の垂直軸９を中心としてキャビン５を制御する回転運動のための回転プレート８、
−回転プレート８およびキャビン５から構成されたアセンブリを、６つのすべての自由度（３つの並進自由度と３つの回転自由度）で運動させるための６軸運動ユニット１０、
−６軸運動ユニット１０と回転プレート８とキャビン５とから構成されたアセンブリを、２つの水平方向の軸線ＸおよびＹに沿って制御して変位させかつ加速するための水平変位装置１１。
【００３４】
６軸運動ユニット１０はキャリヤキャリッジ（搬送荷台）１２に装着され、このキャリヤキャリッジ１２は、６軸運動ユニットが平坦な基部面１３で自由に変位可能であるように配置され、かつ水平変位装置１１によって基部面１３に対して引かれるかおよび／または押される。キャリヤキャリッジ１２、６軸運動ユニット１０、回転プレート８、およびキャビン５から構成されたアセンブリは、以下、基部ユニット１４と呼ぶ。図２ａは、この基部ユニット１４の詳細図の略断面図である。
【００３５】
本発明の目的は、運転シミュレータ２を使用して現実に近い状態で可能な多様の運転操作を表現することであり、これに必要な速度および加速度は、運動システム１によって加えなければならない。この結果、特に低周波の励振を表すために大きな運動領域が必要である。本実施例では、水平方向（Ｘ方向およびＹ方向）に４０ｍ×４０ｍのＸ−Ｙ運動領域１５が選択され、前記領域の内部境界は、図１ａの点線で示されている。シミュレーションでは、開発自動車の主要な関連操作を納得できるようにシミュレートするために、このサイズの運動領域を使用できることが示されている。本明細書では、周波数範囲＜１Ｈｚは、水平変位装置１１および回転プレート８によってＸ方向およびＹ方向で対象とされる（カバーされる）。約１Ｈｚ〜約３Ｈｚの周波数範囲の運動は６軸運動ユニット１０によって実現され、一方、より高周波のすべての励振は、走行作動システム６および回転プレート８によって対象とされる（カバーされる）。しかし、Ｘ−Ｙ運動領域１５が大きな寸法であることにより、運動ユニット１のすべての構成要素に対し非常に高い要求が行われ、このため、以下に説明するように、個々の要素の構造およびそれらの相互作用の両方を、Ｘ−Ｙ運動領域１５のサイズに適切に合わせなければならない。
【００３６】
異なる操作のために必要な速度と加速度とを、高解像度および高品質で加えることができるように、数トンの重量の基部ユニット１４は、可能な限り小さな摩擦で基部面１３に対して装着する必要がある。このことは、図１と図２の例示的実施形態では、図２ｂの詳細図に概略的に示されているように、キャリヤキャリッジ１２の空気軸受１６によって基部面１３に対して実現されており、プレート面（基部面）１３に対してキャリヤキャリッジ１２を支持するために、２７個の同一の空気軸受１６’が使用され、その各々は、（図２ｂに概略的に示されているように）３つの主グループ１８に３つの個々の軸受を有する３つのサブグループ１７を含む。この場合、３つの個々の軸受１６’は、玉継手を介してキャリヤに接続され、こうしてサブグループ１７を形成する。次に、３つのサブグループ１７はそれぞれ玉継手によって別のキャリヤに接続され、こうして主グループ１８を形成する。次に、各主グループ１８はそれぞれ玉継手によってキャリヤキャリッジ１２に接続される。これにより、基部面１３におけるキャリヤキャリッジ１２の静定の取り付け（配置、実装）が得られる。さらに、基部面１３は非常に平坦な摺動面２０として実現しなければならない。
【００３７】
水平変位装置１１は、図１と図２の例示的実施形態の２つの線形変位装置２４、２５から構成される。基部ユニット１４は、第１の線形変位装置２４を使用してＹ方向に変位し、かつ加速される。基部ユニット１４と第１の変位装置２４とから構成されたアセンブリは、第２の線形変位装置２５を使用してＸ方向に変位し、かつ加速される。
【００３８】
第２の線形変位装置２５は、図１と図２の例示的実施形態のガントリブリッジ２６として具体化される。ガントリブリッジ２６は床はり（横材）２７を備え、その２つの端部２８、２８’は、基部面１３に対して変位可能であるように装着される足部２９に着座する。床はり２７は、Ｙ方向に摺動基部２０の全体に跨り、したがって、Ｙ方向の運動距離（移動距離）３０（４０ｍ）、非常走行ゾーン２１（２×３ｍ）、及びキャリヤキャリッジ１２の幅（８ｍ）からなる５４ｍの長さの距離に跨る。
【００３９】
床はり２７は、鋼および／またはＣＦＲＰの軽量構造であり、また小さな重量で可能な限り最も高い固有振動数を有するように構成され、このことは、運転シミュレータ２の操作中に、シミュレーションシステムの運動の表示に悪影響を及ぼす床はり２７の固有振動数の励振を回避するために重要である。
【００４０】
最も低い周波数、したがって、ガントリブリッジ２６に関連（該当）する固有モードは、垂直方向（Ｚ）軸線を中心とする床はり２７の第１の曲げ振動である。運転シミュレータ２が動作している間にこの固有振動数が励振されないように確実に可能にするために、運動の間に生じる水平変位装置１１（＜１Ｈｚ）および６軸運動ユニット１０（３Ｈｚまで）のすべての形態の運動が固有振動数の十分にはるか下方にあるように、固有振動数は高くなければならない。この結果、床はり２７は、この形態の振動において、３Ｈｚを十分に上回る第１の固有振動数を生じるべきであり、同時に、構造体２６の質量は、４０ｔを超えてはならない。
【００４１】
これらの要件は、例えば、鋼製の骨組み構造体で満たすことができる。本実施例では、床はり２７は、第１の線形変位装置２４が接続されかつ力が基部ユニット１４に導かれる、該基部ユニット１４と対面する領域３１において、高度の局所的な剛性を有する必要がある。したがって、図１と図２の例示的実施形態では、この領域３１は、溶接鋼板から製造されるシェル構造体３２によって形成される。床はり２７の残りの構造体は、過剰に規定される骨組みとして構成される。ロッドまたはビームは、円形チューブ状または長方形チューブ状の断面を有し、また摩擦ロック式および／または確動ロック式に互いに結合される。必要な曲げ剛性を得るために、多段式骨組み構造体を用意することが適切であり、シェル構造体３２の剛性は、このシェル構造体の背後に配置される約２〜３ｍの深さの骨組み精密構造体によって高められ、構造体の全体的な剛性は、背後に配置されて後部に１３ｍ変位されるコードを有する別の骨組みによってもたらされる。
【００４２】
垂直（Ｚ）方向に必要とされる取付け空間を最小にすると同時に、それ自体の重量によるたるみを低減するために、ガントリブリッジ２６は、Ｙ方向に事前に分布された複数の支持体３３によって基部面１３に対して支持される。支持体３３は、ガントリブリッジ２６を低い摩擦でＸ方向に変位できることを確実にするために、空気軸受３４によってまたは空気摺動クッションによって基部面１３に対して装着される。支持体３３の位置および剛性は、振動技術上の基準に従って決定される。
【００４３】
Ｙ方向のガントリブリッジ２６の静定の軸受を確実にするために、案内部３５、３５’が両側に設けられ、ガントリブリッジ２６は、一方の側面で固定軸受を介して他方の側面で可動軸受によって案内部３５、３５’に対して装着される。軸受内では、垂直（Ｚ）軸線周りのモーメントは吸収されない（取り除かれない）ので、ガントリブリッジ２６の曲げおよび／または僅かな傾斜の際にひっかかりは生じない。
【００４４】
ガントリブリッジ２６をＸ方向に制御して運動させるために、ガントリブリッジ２６の２つの端部２８、２８’に作用する２つの駆動部３６、３６’が使用される。ガントリブリッジ２６に適切な駆動部３６、３６’が選択される場合、原則として次の周辺状態を考慮すべきである。
−ガントリブリッジ２６の運動領域、したがって駆動部３６、３６’の必要な動作領域は、基部面１３の寸法に起因し、したがって非常に大きい（ここで考慮される例示的実施形態では、上述のように５４ｍである）。
−Ｘ方向においてガントリブリッジ２６のために最大に必要とされる駆動力は、約３００，０００Ｎである。これは、極限の運転操作のために加えられる０．６ｇの加速度、および５０ｔまでのガントリブリッジ２６および基部ユニット１４から構成されたアセンブリの許容される全体の運動質量から得られる。この場合、２つの個々の駆動部３６、３６’を寸法決めする際、基部ユニット１４の最端の縁部位置を考慮しなければならない。この最端の縁部位置により、個々の駆動部３６、３６’の必要な力の変動が＋／−２０％まで生じる。したがって、各々の個々の駆動部３６、３６’は、１８０，０００Ｎの最大力を印加しなければならない。
−Ｘ方向において２０Ｗ／ｋｇの必要とされる駆動パワーは、対応する負荷パターン（負荷プロフィール）によるシミュレーション計算から得られる。
−選択された運転操作を現実に近い状態の下でシミュレートするために必要な加速度解析または加速度量子化は、０．０２ｍ／ｓ２である。このため、ガントリブリッジ２６の推進力を１０００Ｎよりも精密に配分できなければならない。さらに、設計関連の干渉力（例えば摩擦）は、加速度の表示誤差が０．１ｍ／ｓ２未満であることを確実にするために、５０００Ｎ未満でなければならない。
【００４５】
これらの要件を満たすために、第１の例示的実施形態によれば、ガントリブリッジ２６を駆動するためにベルト駆動部３７が使用され（図３の概略図参照）、ガントリブリッジ２６の案内部３５、３５’の外端３８には、ローラ４０を介してプレストレス循環エンドレススチールベルト４１を摩擦ロック式に駆動する電動モータ３９が取り付けられる。このスチールベルト４１は、ガントリブリッジ２６の床はり２７の端部２８、２８’に取り付けられる。スチールベルト４１が大きな自由長を有するため、駆動部３７の調整ベルト幅の領域に位置するベルト（スチールベルト）４１の固有振動が生じる可能性があり、シミュレーションシステム２の運動表示に悪影響を及ぼす。このような影響を避けるため、スチールベルト４１にプレストレスを加え、またスチールベルト４１の低周波固有振動を防止するために、ガントリブリッジ案内手段３５に沿って追加の支持機構４２を設けることが有利である。モータ３９とローラ４０との間に減速用変速機を設けてもよい。
【００４６】
バンド駆動部３７の代わりに、第２の例示的実施形態では、ガントリブリッジ２６を駆動するために電磁線形駆動部４３が使用される（図２ａの足部２９およびガントリブリッジ２６の詳細図としての図４の概略図参照）。これらの駆動部（電磁線形駆動部）４３の機能原理は、「表現用に開発された」電動モータに対応する。電磁線形駆動部４３は、ベルト駆動部３７と比較して力の非接触伝達という大きな利点を有し、またベルト駆動部３７と比較して、機械的運動の力伝達要素または伝達手段の使用を必要としない。この結果、一方で、特に空気軸受３４’が支持および案内要素として使用される場合にシステム内の摩擦が最小となるので、運動の表現についての質が改良される。他方、より頻繁な修理間隔を必要とするであろう摩耗に弱い構成要素（例えば変速機またはスチールベルト）が使用されないので、有用性が向上する。
【００４７】
非同期駆動部および同期駆動部の両方は、従来の回転電動モータの例に見られるように、電気式線形駆動部（電磁線形駆動部）４３として使用することができる。
【００４８】
非同期モータの機能原理は、受動２次コイル４５内に次に電流を誘導する交番磁界を発生するために使用できる能動１次コイル４４に基づく。場が１次コイル４４を通して移動するときに推進力を発生する力は、レンツの法則に従って電流が流れる２次コイル４５の導体に作用する。基本的に、１次および２次コイル４４、４５の両方は、モータ、すなわち回転子４６の「可動」部分に取り付けることができる。
【００４９】
非同期モータは、基本的にずれを伴って作動し、すなわち、結果として生じる力は場と回転子４６との間の相対速度の関数である。低い相対速度では、２次コイル４５内の各場の変化速度、したがって誘導電流はより低く、すなわち発生される力は小さい。ずれが増加するにつれ、力はより大きくなる。発生される力のサイズにとって第２の重要な干渉要因は、１次および２次コイル４４、４５の間の「磁気的空隙ギャップ」４７のレベルであり、誘導電流の強さ、したがって生じる力は、１次コイルの場の強さに直接比例して関係する。次に、その場の強さは、「磁気的空隙ギャップ」４７のレベルの２乗で増加する。したがって、「磁気的空隙ギャップ」４７は、十分な出力密度を確実にするために、非同期駆動部では比較的小さくなければならない（典型的には約０．５ｍｍ）。ガントリブリッジ２６用の対応する構造の場合、これは、寸法公差および製作精度に関し比較的高い要件をもたらす。
【００５０】
同期モータを使用する場合、これらの不都合を回避することができ、誘導によって対向場が２次コイル４５に発生する非同期駆動部とは対照的に、同期モータでは、対向場は永久磁石４５’の形態で「永久的に組み込まれる」。１次コイル４４によって発生される交番磁界は、１次コイル４４の極と永久磁石４５’の極との間の磁気引力と反発力とを駆動のために使用できるように、回転子速度と同期して移動されなければならない。永久磁石４５’の場と１次コイル４４の場との間の位相角は、推進力にとって決定的である。原則として、モータの力は１次コイル４４を流れる電流に比例する。同期モータにおける「磁気的空隙ギャップ」４７の役割は、非同期モータと比較してはるかに小さく、すなわち、同期駆動部は、相当大きな「磁気的空隙ギャップ」４７（典型的な値：２ｍｍ）に匹敵する力で作動することができる。さらに、空隙ギャップの変動に対する力の関係は原理的に小さい。これは、とりわけ作動中の制御性に、したがって力の計量性（計量できる可能性）にも有利である。
【００５１】
床はり２７の端側に配置される２つの駆動部３６、３６’を用いるガントリブリッジ２６の前述の駆動に加えて、このガントリブリッジ２６に沿って別の力印加点を設けることが適切であり得る。
【００５２】
ガントリブリッジ２６を運動させるためにベルト駆動部３７または電磁線形駆動部４３を使用するかの問題に関わらず、ガントリブリッジ２６が傾斜するのを回避するために、床はり２７の２つの端部２８を平行にかつ互いに同期して運動させることが重要であり、床はり２７の端部２８に駆動部（ベルト駆動部）３７または（電磁線形駆動部）４３が接続され、したがって、床はり２７の端部２８を介して（外部の）力がガントリブリッジ２６に印加される。この理由のため、駆動部３７、４３（（ベルト駆動部）３７または（電磁線形駆動部）４３）の電動モータ３９または４３は同期作動されなければならない。ガントリブリッジ２６に対する損傷を伴うことなく小さな程度の傾斜を許容できるようにするために、ガントリブリッジ２６の床はり２７が、ヒンジ４８によって駆動部３６’に対してその一方の端部２８’に装着され、またその他方の端部２８において、床はり２７は自由であるか、あるいは長手方向力を伝達できるために、Ｙ方向に直線的に限定的に変位可能なヒンジ４９によって駆動部３６に対して案内される。（大幅に誇張された形状でガントリブリッジ２６の傾斜を概略的に示している図５では、この変位可能なヒンジ（回転接続部）４９は細長い孔４９’として具体化される）。駆動部が不具合になるか、あるいは２つの駆動部３６、３６’の同期に欠陥がある場合、Ｘ−Ｙ方向のガントリブリッジ２６の傾斜をこのように補償することができる。しかし、床はり２７がこのような角度公差で装着されると、揺動運動の形態の大きな領域にわたるガントリブリッジ２６の制御しがたい角度偏位の危険性がある。この理由により、角度偏位を監視するために、スイッチ５０が変位可能なヒンジ４９内に設けられ、また前記スイッチ５０は、許容可能な最大揺動角度α（例えば１度）を超えた場合、ガントリブリッジ２６の電動（駆動）モータ３９または４３の即時の分離を開始する。
【００５３】
基部ユニット１４をＹ方向に変位させかつ加速するために使用される第１の線形変位装置２４は、例えば図２ａから明白なように、基部ユニット１４に対面するガントリブリッジ２６の領域２８に取り付けられる。その領域２８において、床はり２７は上述のようにシェル構造体３２を有し、したがって特に高レベルの剛性を示す。第１の線形変位装置２４は、電磁（電気）線形駆動部５１を使用して駆動されることが好ましい。ガントリブリッジ２６に対してキャリヤキャリッジ１２を案内するために、Ｙ方向に配向されるレール５２がシェル構造体３２の領域に設けられ、電磁（電気）線形駆動部５１の固定子５３は、前記レール５２に一体化することが適切であり、このことは、図６ａのＺ方向の平面図に、また図６ｂのＸ方向の平面図に、概略的に示されている。電磁（電気）線形駆動部５１の回転子５４は、中央の結合要素５５によってキャリヤキャリッジ１２に取り付けられる。結合要素５５は、ヒンジ５７によって、回転子５４とキャリヤキャリッジ１２とに結合されるロッド５６を備える。垂直（Ｚ）軸線を中心とする基部ユニット１４の回転および／または回転運動を防止するために、別の横方向結合要素５５’が中央の結合要素５５の各側面に設けられる。これらの横方向結合要素５５’のロッド５６’の一方の端部は、ヒンジ５７’によってキャリヤキャリッジ１２に取り付けられ、また他方の端部は、別のヒンジ５７’によって支持要素５８に取り付けられており、この支持要素はレール５２内で変位可能に案内され、かつ、ばねダンパ要素５９によって回転子５４に接続されている。したがって、駆動部３６、３６’、（電磁線形駆動部）５１によって、ガントリブリッジ２６および第１の線形変位装置２４に印加される力は、水平面（Ｘ−Ｙ面）の基部ユニット１４の運動を生成するために、結合要素５５、５５’を介してキャリヤキャリッジ１２に伝達される。中央の結合要素５５は、Ｙ方向の回転子５４とキャリヤキャリッジ１２との間に剛性接続部を形成し、こうして、Ｙ方向の基部ユニット１４との力接続を形成するように機能する。２つの横方向結合要素５５’は、基部ユニット１４のＹ方向の運動があるとき、または回転プレート８が回転するとき、Ｘ方向の力およびＺ軸を中心とする基部ユニット１４の作用トルクを吸収する（取り除く）。
【００５４】
レール５２は、基部面１３に対して、第２の線形変位装置２５の重心のレベル（水準、高さ）に対応し、同時に基部ユニット１４の動作点のレベル（すなわち、通常位置の基部ユニット１４の重心）に対応するレベル８５に配置される。こうして、基部ユニット１４は、その動作点のレベル８５で水平変位装置１１に結合されるので、ＸおよびＹ方向の力に起因するモーメントは、基部ユニット１４と水平変位装置１１との間に生じない。この結果、キャリヤキャリッジ１２の軸受１６は、基部ユニット１４を静止して支持し、かつ垂直方向の動的な力を支持しなければならないが、軸受１６は、Ｘ−Ｙ方向の力からの（追加の）モーメントを支持する必要はない。さらに、基部ユニット１４と水平変位装置１１とのこの種類の接続により、駆動力と制動力とに起因する基部ユニット１４の傾斜が排除される。
【００５５】
前記第１の線形変位装置２５を運動させるために使用される、第２の線形変位装置２５に装着される第１の線形変位装置２４を有する、上述の水平変位装置１１のカスケード式の実施形態の代わりに、ＸおよびＹ方向の運動が同一のベルト牽引駆動部６０、６０’によって具体化されるベルト牽引設計によって、水平変位装置１１を実現することもできる。これは、図７ａと図７ｂに概略的に示されている。
【００５６】
このため、２対の左右公差した（横断した）スチールの（鋼製の）ベルト６１、６１’が使用され、これらの両方はキャリヤキャリッジ１２に作用し、これらの両方にプレストレスが加えられ、またこれらの両方は、Ｘ−Ｙ方向の運動領域１５の端部の各々の１対のドラム６２、６２’の周りに延びる。駆動は、ドラム６２、６２’上の電動モータ６３、６３’によって行われる。その都度、スチールの（鋼製の）ベルト６１、６１’を互いに対して正しい位置に維持するために、ドラム６２、６２’、およびこれらのドラムに接続された電動モータ６３、６３’は、キャリヤキャリッジ１２と同期してかつキャリアキャリッジ１２と平行に運動しなければならない。基部ユニット１４の電源は、キャリヤキャリッジ１２の上方に配置されかつ基部ユニット１４と同期して運動する運動可能なガントリクレーン６４を使用して供給される。
【００５７】
図７ａと図７ｂに示されている水平変位装置１１は、ベルト牽引設計を有し、図１のカスケード式設計と異なり、高い質で運動されるように、質量を最小にする利点を有する。しかし、ベルト６１、６１’の共振現象は、ベルト牽引力設計の重要な要因であり、前記現象は、駆動モータ６３、６３’からのあるいは６軸運動ユニット１０からの特に時間的に変化する作用力の結果励振される可能性がある。この場合、鋼製のベルト６１、６１’の共振周波数はプレストレス、材料密度、および自由長に関係し、これらのパラメータは、鋼製のベルト６１、６１’の固有振動数が、常に水平変位装置１１（＜１Ｈｚ）および６軸運動ユニット１０（３Ｈｚまで）の動作振動数の上方にあるように設定されなければならない。図１ａと図１ｂのガントリ設計と比較して、図７ａと図７ｂのベルト牽引設計は、複数の異なるユニット（それぞれ４つの駆動モータ６３と６３’、電源を供給するためのガントリトレイン６４の駆動部等）を互いに同期して駆動しなければならないので、より複雑なシステムである。
【００５８】
別の例示的実施形態（図８ａ〜図８ｃ参照）では、水平変位装置は平坦な電磁駆動部６５として具体化される。この場合、１次コイル６６の２次元グリッドが、基部面１３（図８ｂの基部面の詳細平面図）に設けられ、この１次コイル６６により、交番磁界をＸおよびＹ方向に発生することができる。基部ユニット１４の運動を励振するために、複数の「シュー（変位シュー、靴部）」６７が設けられ、複数のシューの内部に２次コイル（または永久磁石）６８が装着され、また基部面１３に対して低摩擦で（例えば空気軸受によって）装着される。１次コイル６６によって場が移動すると、図８ａの矢印８６による推進力が２次コイル（または永久磁石）６８内に発生される。原則として、上述のガントリブリッジ２６の電磁線形駆動部４３と同様に、平坦な駆動部（電磁駆動部）６５は、（関連する利点および不都合を伴う）同期駆動部または非同期駆動部として、具体化することができる。「シュー」６７は互いに同期して運動し、また結合要素６９によって空気軸受を有する基部ユニット１４のキャリヤキャリッジ１２に接続される。基部ユニット１４によって「シュー」６７に及ぼされる作用力を有利に補償できるようにするために、「シュー」６７は、キャリヤキャリッジ１２に対して対称（例えば三角形または正方形）の構造に配置されるべきである。
【００５９】
６軸運動ユニット１０は、６脚７０として（例えば図２ａ参照）以前に考慮された例示的実施形態に具体化され、少なくとも３Ｈｚまでの周波数範囲の往復運動、並びに、横揺れおよび縦揺れ運動を表す（表現する）ために、また約１Ｈｚ〜少なくとも３Ｈｚまでの周波数帯のＸおよびＹ方向の運動を表す（表現する）ために使用される。片揺れ運動は、６脚７０の運動プラットホーム（運動台）７１に配置される回転プレート８によって伝達される。偏揺運動からの反応モーメントは、６脚７０によって吸収されて、キャリヤキャリッジ１２に伝達されなければならない。
【００６０】
油圧式作動または電気式作動の６脚７０’、７０”が、６脚７０として使用され得る。油圧式作動の６脚７０’は、電気式作動の６脚７０”と比較して高エネルギ密度の利点を有する。大きな長さおよび大きな角度を示すことができるために、（シリンダの表面状態に適合された）特別なバルブを有する差動シリンダを、油圧シリンダ７２として使用することが好ましい。６脚７０’自体の重量はほぼ２．５ｔであり、さらに、水平変位装置１１では、アセンブリからアセンブリに至る約２ｔの空重量（自重）を有する供給ホース（図２ａに図示せず）を考慮することが必要である。代わりに、アセンブリをキャリヤキャリッジ１２上で運動することができ、この場合、水平変位装置１１上のホース（供給ホース）は省略されるが、キャリヤキャリッジ１２上の重量は約３ｔ増加する。
【００６１】
代わりに、油圧式作動の６脚７０’よりも高い動力を有する電気式作動の６脚７０”を使用することが可能である。電気式作動の６脚７０”を使用する場合、油圧式６脚７０’と比較して運動される質量が半減でき、さらに、油圧式の別形態と比較して６脚７０の電力需要も半減できる。
【００６２】
本出願に適切な電気式６脚７０”の実施例が図９に示されており、この６脚は、頂部で運動プラットホーム７１にまた底部でキャリヤキャリッジ１２に取り付けられる６つの電磁式のアクチュエータ７３を備える。アクチュエータ７３には、磁気クラッチによって積極的に開放される機械式ブレーキ（図９に図示せず）が設けられ、アクチュエータには、抵抗によって短絡される駆動電動モータの形態のダンパ（図９にも示されていない）として機能する電気式ブレーキも装備される。この結果、必要な場合、６脚７０”を自動的に停止させることが可能であり、この工程において、水平変位装置１１の運動による６脚７０”の運動を回避するために、現在位置に固定することが可能である。
【００６３】
さらに、基準の静荷重を支持するために３つの空圧シリンダ７４が設けられる。この幾何学的な構造は、水平変位装置１１が静止したとき、ほとんどすべて場合に、水平な安定位置に６脚７０”が自動的に下降され、アクチュエータ７３が短絡され、空気圧システム７４がスイッチオフされ、またブレーキが解放されることを確実にする。図９の空圧シリンダ７４の四面体のような装置の代わりに、アクチュエータ７３と平行に配置される６つの空圧シリンダを使用することも可能である。
【００６４】
関連するエレクトロニクスおよび空圧装置を含む電気式作動の６脚１２の全重量は、約３ｔであり、有効荷重（積載質量）は約３．５ｔである。電気アクチュエータ（空圧シリンダ）７４の作動は、６つのデジタル増幅器を介してＰＣベースのリアルタイムコンピュータを使用して実施される。さらに、約３００リットルの容積および３ｂａｒの圧力を有する蓄圧器が必要である。
【００６５】
図２ａから明らかなように、走行作動システム６を有するキャビン５が装着される回転プレート８は、６脚７０の運動プラットホーム７１内に一体化される。運転シミュレータ１による新規な運動表示（例えば、いわゆる「遠心分離機モード」）を実現できるようにするために、回転プレート８は、任意の所望のサイズの角度にわたる自動車キャビン５の自由な回転を許容するように構成される。走行作動システム６の構成要素は回転プレート８の中心に装着され、走行システム６の閉ループおよび開ループ制御エレクトロニクスも回転プレート８内に収容される。
【００６６】
適切な変速機を介した減速付き油圧モータ、ステップダウン（減速）付き変速機を有する電動モータ、または直流駆動部を回転プレート８の駆動部として使用することができる。特に油圧式作動の６脚７０’が使用されるならば、油圧モータを使用することが適切であり、さもなければ、油圧モータは回転運動のみのために独立した圧力供給を必要とするので、油圧モータを使用することは不利である。
【００６７】
回転プレート８の運動を励振するために直接電気駆動部を使用することは、摩擦を受けるだけでなく摩耗にさらされる変速機または歯付きベルトのような機械的結合要素を完全に省略することが可能であるという利点は有する。モータは、回転プレート８が回転子を形成するように運動プラットホーム７１と回転プレート８との間に一体化されることが好ましく、また運動プラットホーム７１の周囲領域は電動モータの固定子を形成する。
【００６８】
運転者の近くにあり、かつ３Ｈｚを超える自動車振動を表すために使用される走行作動システム６を有する運転者キャビン５は、回転プレート８に装着される。このような高周波振動は、前記試験者の触覚インタフェース（シート７５、ステアリングホイール７６、ペダル７７）における振動として試験者３によって主に知覚される。走行作動システム６によって設定される要件の大部分は、運転者のシート（シートユニット）７５に作用する振動パラメータに関する。このため、運転者のシート７５に関する運動構想（コンセプト）が以下に考慮され、次に、然るべくスケーリングされ、かつ修正された後、例えば、ステアリングホイール７６またはペダルシステム７７付きのフロアプレートのような他の走行関連の自動車部分に適用される。
【００６９】
現実に近い状態下で３Ｈｚ〜３０Ｈｚの自動車振動を表すための、運転者シート７５の下に配置される作動システム７８を構成するために、適切な運動学的システムを最初に選択することが必要である。この周波数範囲を達成するためには、８ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍの小さな運動領域で十分であり、この運動領域のために、分解された６脚７９の運動学を利用することが有利である。図１０ａと図１０ｂは、それぞれ略Ｘ−Ｚ断面および略Ｘ−Ｙ断面のこのような運動学的システムの有利な実施形態を示している。運転者シート用の作動システム７８は、Ｚ方向の３つのアクチュエータ８０、８０’、８０’’と、Ｙ方向の２つのアクチュエータ８１、８１’と、Ｘ方向のアクチュエータ８２とを備える。分解された６脚の運動学的システムを利用する大きな利点は、アクチュエータ８０−８２の直交配置および小さな運動領域に基づく運動システム７９全体の直線的な構成である。このようなシステムは、調整技術に関して、個々のアクチュエータのレベルの状態調整システムを用いて制御することができ、またすべての空間方向の高周波範囲で高性能に操作することができる。走行作動システム６には、電気アクチュエータ８０−８２を使用することが有利である。この場合、それぞれの個々のアクチュエータ８０−８２は、電気駆動部と、該電気駆動部と平行に接続されたばねと、構造体を接続するための適切な軸受システムとから構成される。ばねは、アクチュエータ８０−８２の静荷重を緩和するために必要である。システムの制動は調整装置によって実現される。
【００７０】
走行作動システム６の非常運転特性は、カスケード式の運動システム（運動シミュレータ）２のモデル全体に構成されなければならず、電源が不具合になった場合、アクチュエータ（電気駆動部）８０−８２は抵抗によって短絡されるので、走行作動システム６は、著しく減衰されたばね質量系となる。非常に小さな運動領域のため、力を吸収するストッパが追加して設けられる。走行作動システム６を固定するために、代わりにまたは追加して機械式ブレーキを設けることができる。
【００７１】
運動システム１全体の安全構想（コンセプト）は、あらゆる状況下で、試験者３がシミュレータ２内で傷害を受けることがないように構成される。この場合、重要な基準は、例えば、アクチュエータの不具合による停止のためシステムを制動するときに作用する加速が、特定の閾値を超えないことである。通常のシミュレータモードでは、１０ｍ／ｓ２の最大値までの加速度が前提とされる。さらに、シミュレータ自体および環境がいかなる状況下でも損傷しないことを確実にすることが必要である。この場合、肝心なことは、例えば、空気軸受１６または基部面１３のようなすべての構成要素を損傷することなく運動質量を静かに制動することである。
【００７２】
安全性構想の中心は、安全性に不可欠な状態を認識し、次にシステムを安全な状態に置くことである。このことは、構成システムが不具合になった場合、安全な状態に静かに移行するために、なお機能している他の構成システムを使用できるように、多数の段階で実施することができる。この場合の前提条件は、運動システム１が安全な状態または停止状態に達するまで、空気軸受１６、３４のすべてが、短時間でこれらを十分に坦持する効果を有することであり、このことは、適切に構成された蓄圧器によって確実にされる。空気軸受１６、３４自体は、圧力低下が生じた場合に自動的にシステム１を停止できるために、連続的に監視されなければならない。
【００７３】
次に、システム１を安全な状態に自動的に置かなければならない運動システム１の完全欠陥（アクチュエータ６、８、１０、１１すべての電源の完全な中断に対応する）の例を用いて、安全構想について考慮する。
【００７４】
この場合、重大性の最も小さい要因は、電源が中断するときに簡単に電源が遮断され、もはやトルクを生じないステアリングホイール７６用のアクチュエータ８３であり、したがって、ステアリングホイール７６は自由に回転できる。他のすべての運動構成要素システム（走行作動システム６、回転プレート８、６脚７０、および水平変位装置１１）では、個々のアクチュエータは、電源が中断するときに、これら個々のアクチュエータが自動的に制動され、したがって、許容可能な最大減速を考慮しつつ、システムが可能な限り迅速に停止するように構成される。こうして、走行作動システム６の小さな運動領域のため、シート７５およびペダル７６はそれらの通常位置に実質的に留まる。回転プレート８の場合、停止位置は重要でない。
【００７５】
６脚７０は、最も不都合な場合、運動プラットホーム７１が極端に傾斜している位置で停止する。このため、システム１全体が停止した後に運動プラットホーム７１が平坦な位置に静かに下降される第２の非常運転段階も用意される。このことは、例えば、ブレーキを解放して（ゆるめて）、アクチュエータ７２、７３をダンパとして使用することによって達成され、この目的のために、適切に構成された抵抗で電気的にアクチュエータが短絡されるか（電気式作動の６脚７０’の場合）、あるいはアクチュエータの圧力が対応する流出バルブを介して解放される（油圧式作動の６脚７０”の場合）。
【００７６】
水平変位装置１１の安全構想に関し、ガントリブリッジ２６とこれに取り付けられた第１の線形変位装置２４とから構成された図１〜図６のカスケード式の実施形態について、特別な例として以下に考慮する。この場合の主な目的は、過度に大きく、したがって安全性にとって重大である床はり２７の角度偏位を防止することである。一定の制動力（すなわち、駆動速度と無関係である制動力）を有する機械式ブレーキが、ガントリブリッジ２６および第１の線形変位装置２４の電気駆動部３６、３６’、５１用のブレーキとして使用されるか、あるいは電磁駆動部３６、３６’、５１自体が、適切に構成された抵抗による短絡によってブレーキとして使用され、この場合、速度に比例する制動力が得られる。２つの原理を組み合わせることも可能である。制動力は駆動方向に常に作用し、また水平変位ユニット１１は複数の駆動部３６、３６’、５１を備えるので、駆動部３６、３６’、５１すべてが同一の一定の制動力を有する場合に得られる減速は、常に方向に関係する。例えば、水平変位装置１１が１０ｍ／ｓ２の対応する減速でＸ方向にまたＹ方向の両方に制動されると、対角線の方向に移動するとき、１４ｍ／ｓ２の減速度が得られる。
【００７７】
一定の制動力をＸおよびＹ方向に印加する機械式ブレーキが駆動３６、３６’、５１に設けられるならば、各々の場合に、７．１ｍ／ｓ２のほぼ一定の減速度が各軸方向Ｘ、Ｙに得られ、したがって、７．１ｍの制動距離が得られる。Ｙ方向では、このことはキャリヤキャリッジ１２の位置と本質的に無関係である。対照的に、Ｘ方向では、キャリッジの位置は大きな影響を及ぼし、キャリヤキャリッジ１２が中心の外側に配置されるならば、基部ユニット１４の重心は中心に関して変位し、このことは、左右への制動力が一定で等しい大きさである場合、２つの案内部３５、３５’に沿って異なる制動距離、したがって、床はり２７の角度偏位をもたらす。これは、速度に比例して制動力を印加する（電磁）ダンパをＸ方向に追加することによって、部分的に補償することができる。こうして、床はり２７の望ましくない大きな角度偏位を防止することができる。さらに、ブレーキが不十分にしか作動していない最悪の場合、水平変位装置１１を完全に停止させるバッファ（緩衝器）８４が設けられる。
【００７８】
運動システム１のブレーキの一般的な構造に関して、運転者シート７５および６脚７０の各々が、それ自体がまさに制動される水平変位装置１１に対して制動される事実を考慮することが必要である。したがって、制動は、最小の（相対的な）運動領域を有するシステム（すなわち運転者のシート７５）が最初に停止し、次に６脚７０が停止し、次に水平変位装置１１が停止するように、階層的に行われなければならない。しかし、可能な限り最速の制動を行うために、システム７５、７０、１１すべては、可能な限り同時に制動する必要があり、どのシステムも他のシステムが完全に停止するまで待てない。このことは、制動が行われるときに、運転者のシート７５が最大の減速を受け、６脚７０が中程度の減速を受け、また水平変位装置１１が最小の減速を受けることを意味する。逆の場合、例えばガントリブリッジ２６が制動された場合、６脚７０は、過度に小さな制動力のためさもなければそのストッパ内に簡単に「移動する」であろう。
【００７９】
以前に考慮した実施形態のキャリヤキャリッジ１２およびガントリブリッジ２６の支持体３３の、低摩擦の軸受のために、空気軸受１６、３４が考慮されるならば、これらの構成要素には、原則として、低摩擦のころ軸受（転がり軸受）または滑り軸受の形態の軸受を設けることができる。
【００８０】
６脚７０の代わりに、運転者のシート（シートユニット）７５について上述した運動学的システムと同様の、分解した６脚の運動学的システムによって、６軸運動ユニット１０を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１ａ】運転シミュレータ用の本発明による運動システムの概略平面図である。
【図１ｂ】図１ａの運動システムの側面図である。
【図２ａ】図１ｂの側面図の運動システムの基部ユニットの概略図である。
【図２ｂ】基部ユニットの空気軸受の概略断面図である。
【図３】ガントリブリッジのバンド駆動部を有する図１ａの運動システムの側面図である。
【図４】図２ａの円形セクションＩＶによって示されたガントリブリッジの電磁線形駆動部の詳細図である。
【図５】ガントリブリッジの傾斜の概略図である。
【図６ａ】結合要素による基部ユニットとガントリブリッジとの接続部のＺ方向の概略平面図である。
【図６ｂ】図６ａによる基部ユニットとガントリブリッジとの接続部のＸ方向の平面図である。
【図７ａ】ベルト駆動部によって駆動される水平変位装置の概略平面図である。
【図７ｂ】図７ａの水平変位装置の横断面図である。
【図８ａ】平坦駆動部によって駆動される水平変位装置の概略平面図である。
【図８ｂ】図８ａの基部面の詳細図である。
【図８ｃ】図８ａによる平坦駆動部を有する水平変位装置の横断面図である。
【図９】電磁駆動される６脚の斜視図である。
【図１０ａ】運転者シート用の作動システムの概略Ｘ−Ｚ断面図である。
【図１０ｂ】図１０ａの運転者シートの作動システムの概略Ｘ−Ｚ断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月24日(2003.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
試験者に対して運動印象を生じさせるための運転シミュレータ用の運動システムであって、
−シートと、特にステアリング装置および作動ペダルのような操作者制御要素とを備えるキャビンであって、
−前記シートおよび／または前記操作者制御要素の各々が、ホルダによって運動可能に配置され、かつ変位のための制御ユニットを介して、割り当てられた作動要素によって複数の運動方向に互いに対して可変に作動されることができるキャビンを有する運動システムであって、
前記キャビン（５）が、
−前記キャビン（５）の垂直軸を中心とする、前記キャビン（５）の制御された回転運動のための回転プレート（８）と、
−前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成された、前記アセンブリを６つのすべての自由度で運動するための６軸運動ユニット（１０）と、
−前記６軸運動ユニット（１０）と前記回転プレート（８）と前記キャビン（５）とから構成されたアセンブリを、２つの水平軸線に沿って制御して変位させかつ加速するための水平変位装置（１１）と、
を備えるマニピュレータ（７）に固定配置されており、
前記６軸運動ユニット（１０）が、平坦な基部面（１３）に自由に変位可能に装着されるキャリヤキャリッジ（１２）に固定装着され、該キャリヤキャリッジが前記水平変位装置（１１）の運動経路によって画定され、かつ前記水平変位装置（１１）によって前記基部面（１３）に対して引かれるかおよび／または押されることを特徴とする運動システム。
【国際調査報告】
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