JP2007040450A - Variable elastic element, joint using the same, vehicle and dynamic vibration absorbing device - Google Patents
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Description
この発明は可変弾性機素とこれを用いた関節や車両及び動的吸振装置に関する。 The present invention relates to a variable elastic element, a joint using the same, a vehicle, and a dynamic vibration absorber.
従来の機械工学においては、剛性の高い関節を用いて精密な制御を施し、目的の運動を達成しようとする傾向が強いように見受けられる。これに対して発明者は、弾性率が可変で制御可能な弾性機素を用いると、例えば固有振動数や固有振動モードを制御出来ることに着目した。そして系の固有振動数が制御できると、動的吸振装置などに応用できる。また弾性率を可変にすると、剛性を高めて所定の姿勢を保つことを重視する状態と、剛性を低下させてショックを吸収することを重視する状態との間で、系を制御できる。このことは車両工学などにおいて、走行時の振動を吸収することと、停止時の姿勢を正確に保つこととを両立可能にする。 In conventional mechanical engineering, it seems that there is a strong tendency to achieve a desired motion by performing precise control using a highly rigid joint. On the other hand, the inventor has paid attention to the fact that the natural frequency and the natural vibration mode can be controlled, for example, by using a controllable elastic element having a variable elastic modulus. If the natural frequency of the system can be controlled, it can be applied to a dynamic vibration absorber. Further, when the elastic modulus is made variable, the system can be controlled between a state where importance is attached to increasing the rigidity and maintaining a predetermined posture and a state where importance is attached to reducing the rigidity and absorbing shocks. In vehicle engineering or the like, this makes it possible to absorb both vibrations during traveling and to maintain an accurate posture when stopped.
さらに関節の両側に、自然長を一定に保ちつつ弾性率が変化可能な可変弾性機素を、プリテンションを加えた状態で、テンションが拮抗する状態で配置すると、関節の位置と剛性とを独立して制御自在になる。そこで関節本体の両側の、言い換えると左右の可変弾性機素の弾性を左右非対称に制御すると関節が回動し、しかも関節の剛性を関節の向き、即ち回動角と独立に制御できる。このような関節は歩行やは虫類の蛇行を模した運動を実現するのに有効で、歩行ロボットやトカゲ状の蛇行運動をする蛇行ロボットに用いることができる。発明者はこのような着想に基づいて、本発明を完成させた。 Furthermore, if variable elastic elements that can change the elastic modulus while keeping the natural length constant are placed on both sides of the joint in a state where the tension is antagonized with pre-tension applied, the position and stiffness of the joint are independent. And become controllable. Therefore, if the elasticity of the left and right variable elastic elements on both sides of the joint body is controlled asymmetrically, the joint rotates, and the joint rigidity can be controlled independently of the joint direction, that is, the rotation angle. Such a joint is effective in realizing a movement that imitates walking and the meandering of a reptile, and can be used for a walking robot and a meandering robot that performs a lizard-like meandering movement. The inventor has completed the present invention based on such an idea.
この発明の課題は、自然長を一定に保ったままで弾性率を制御自在な、可変弾性機素を提供することにある。
請求項2の発明での追加の課題は、コンパクトな可変弾性機素を提供することにある。
請求項3の発明の課題は、外部から印加される負荷に対し、弾性体の剛性の大きい部分または小さい部分が選択されて回転位置する可変弾性機素を提供することにある。
請求項4の発明での追加の課題は、押しバネとしても引きバネとしても作用し、かつリングを確実かつ滑らかに回動させることが出来る可変弾性機素を提供することにある。
請求項5の発明での課題は、向きと剛性とを独立に制御自在な関節を提供することある。
請求項6の発明での課題は、走行時の衝撃を吸収すると共に、停止時に一定の姿勢を保つようにした車両を提供することある。
請求項7の発明での課題は、制振対象の振動数の変化に応じて固有振動数を可変にした動的吸振装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a variable elastic element in which the elastic modulus can be controlled while keeping the natural length constant.
An additional object of the invention of
An object of the invention of claim 3 is to provide a variable elastic element in which a portion having a large or small rigidity of an elastic body is selected and rotated with respect to a load applied from the outside.
An additional object of the invention of claim 4 is to provide a variable elastic element that can act as a push spring or a pull spring and can rotate the ring reliably and smoothly.
An object of the invention of claim 5 is to provide a joint whose direction and rigidity can be controlled independently.
An object of the invention of
An object of the invention of claim 7 is to provide a dynamic vibration absorber in which the natural frequency is made variable in accordance with a change in the vibration target vibration frequency.
この発明は、周方向に沿って剛性が変化するリング状の弾性体と、該弾性体を回動させるための回動手段とを設けた可変弾性機素にある。
ここで可変弾性機素とは、弾性が可変となる部品、部材、装置、その他の機械的要素をいい、自然長を一定にしたままで弾性率が変化可能な特性、加負荷時に弾性率が変化可能な特性を有しているのが好ましい。その可変弾性機素は、一例として同一の曲率を持つ曲がり梁を接合してリング(円環)状にし、回転角により剛性が変化するような構成を有していてもよい。
好ましくは、前記リング状の弾性体の内周にベルトを配設すると共に、前記回動手段として伝動車を前記リング内に配置して前記ベルトを動作させる。
特に好ましくは、前記回動手段として4つの伝道車を設け、これらを伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフにより結合する。
さらにこの発明は、周方向に沿って、剛性が大きい箇所から小さい箇所へ徐々に減少する部分、及び剛性が小さい箇所から大きい箇所へ徐々に増加する部分を少なくとも有するリング状の弾性体と、該弾性体を回動させるための回動手段と、該回動手段を制御することにより、外部から印加される負荷に対応するように前記弾性体の位置を変化させる制御手段とを備える。
The present invention resides in a variable elastic element provided with a ring-shaped elastic body whose rigidity changes along the circumferential direction and a rotating means for rotating the elastic body.
Here, the variable elastic element means a part, member, device, or other mechanical element whose elasticity is variable. The elastic modulus can be changed while keeping the natural length constant. It preferably has a changeable characteristic. For example, the variable elastic element may have a configuration in which bending beams having the same curvature are joined to form a ring (ring), and the rigidity changes depending on the rotation angle.
Preferably, a belt is disposed on the inner periphery of the ring-shaped elastic body, and a transmission vehicle is disposed in the ring as the rotating means to operate the belt.
Particularly preferably, four transmission vehicles are provided as the rotating means, and these are connected by a transmission belt and connected by a pantograph.
Furthermore, the present invention provides a ring-shaped elastic body having at least a portion that gradually decreases from a portion with high rigidity to a small portion along a circumferential direction, and a portion that gradually increases from a portion with low rigidity to a large portion; Rotating means for rotating the elastic body, and control means for controlling the rotating means to change the position of the elastic body so as to correspond to a load applied from the outside.
またこの発明は、リング状の弾性体であって、リングの周方向に沿って剛性が変化するものと、該弾性体を回動させるための回動手段とを設けた可変弾性機素を、関節本体の両側にプリテンションを加えた状態で拮抗するように配置した関節にある。好ましくは、可変弾性機素のリング状の弾性体の内周にベルトを配設すると共に、前記回動手段の伝動車を前記リング内に配置して前記ベルトを動作させる。 The present invention also provides a variable elastic element provided with a ring-shaped elastic body, the rigidity of which varies along the circumferential direction of the ring, and a rotating means for rotating the elastic body. The joint is placed so as to antagonize with pretension applied to both sides of the joint body. Preferably, a belt is disposed on the inner periphery of the ring-shaped elastic body of the variable elastic element, and the belt is operated by disposing a transmission wheel of the rotating means in the ring.
またこの発明は、リングの周方向に沿って剛性が変化するものと、該弾性体を回動させるための回動手段とを設けた可変弾性機素を、サスペンションに用いると共に、走行時に剛性を低下させ、停止時に剛性を増すように、可変弾性機素の回動手段を制御するための制御手段を設けた車両にある。好ましくは、可変弾性機素のリング状の弾性体の内周にベルトを配設すると共に、前記回動手段の伝動車を前記リング内に配置して前記ベルトを動作させる。 In addition, the present invention uses a variable elastic element provided with a variable stiffness element along the circumferential direction of the ring and a rotating means for rotating the elastic body for the suspension, and has rigidity during traveling. The vehicle is provided with a control means for controlling the turning means of the variable elastic element so that the rigidity is lowered and the rigidity is increased when stopped. Preferably, a belt is disposed on the inner periphery of the ring-shaped elastic body of the variable elastic element, and the belt is operated by disposing a transmission wheel of the rotating means in the ring.
さらにこの発明は、リングの周方向に沿って剛性が変化するものと、該弾性体を回動させるための回動手段とを設けた可変弾性機素に、振動子を取り付けると共に、制振対象の振動数に応じて、可変弾性機素の回動手段を制御するための制御手段を設けた、動的吸振装置にある。好ましくは、可変弾性機素のリング状の弾性体の内周にベルトを配設すると共に、前記回動手段の伝動車を前記リング内に配置して前記ベルトを動作させる。 Furthermore, the present invention provides a variable elastic element provided with a variable stiffness element in which rigidity changes along the circumferential direction of the ring and a rotating means for rotating the elastic body, The dynamic vibration absorber is provided with a control unit for controlling the rotation unit of the variable elastic element according to the frequency of the vibration. Preferably, a belt is disposed on the inner periphery of the ring-shaped elastic body of the variable elastic element, and the belt is operated by disposing a transmission wheel of the rotating means in the ring.
この発明の可変弾性機素では、その自然長を一定にしたままで弾性率を制御することができる。
またここでリング状の弾性体の内側にベルトを配設して、ギアやプーリなどの伝動車で駆動すると、駆動機構もリング状の弾性体の内側に収容できるので、コンパクトになる。
さらに4つの伝動車を設けてこれらを伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフで結合すると、可変弾性機素は押しバネとしても引きバネとしても作用し、またリングを確実かつ滑らかに回動させることが出来る。
In the variable elastic element of the present invention, the elastic modulus can be controlled while keeping its natural length constant.
Further, when a belt is disposed inside the ring-shaped elastic body and driven by a transmission vehicle such as a gear or a pulley, the drive mechanism can be accommodated inside the ring-shaped elastic body.
In addition, when four transmission wheels are provided and connected with a transmission belt, and combined with a pantograph, the variable elastic element acts as a push spring and a pull spring, and the ring can be rotated reliably and smoothly. I can do it.
関節本体の両側に左右一対の可変弾性機素をプリテンションを加えた状態で拮抗するように配置すると、即ち左右の可変弾性機素から関節本体に逆向きの力が加わるように配置すると、関節の向きと剛性とを独立に制御できる。例えばこの関節は左右の可変弾性機素の弾性率が釣り合う際に中立となり、弾性率を不均衡にすると、左右に回動する。そして関節の剛性は、左右の可変弾性機素の弾性率の和で定まるので、関節の向きと剛性とを独立に制御できる。このような関節は動物の関節を模したもので、歩行ロボットや蛇行ロボットあるいは人間と同様の作業をする作業ロボットなどに適している。 If a pair of left and right variable elastic elements are arranged on both sides of the joint body so as to antagonize with pretension applied, that is, if a reverse force is applied to the joint body from the left and right variable elastic elements, The direction and rigidity can be controlled independently. For example, this joint is neutral when the elastic moduli of the left and right variable elastic elements are balanced, and when the elastic moduli are unbalanced, the joint rotates left and right. Since the joint stiffness is determined by the sum of the elastic moduli of the left and right variable elastic elements, the joint orientation and stiffness can be controlled independently. Such a joint imitates a joint of an animal and is suitable for a walking robot, a meandering robot, or a working robot that performs the same work as a human.
この発明の可変弾性機素を車両のサスペンションとし、走行時には剛性を低下させて振動が荷台や上部構造側に伝わらないようにし、停止時には剛性を高めて物品の移載や人の乗り降りなどにより傾斜しないようにすると、走行時の振動の吸収と停止時の姿勢の安定性とを両立させた車両が得られる。車両は実施例の搬送台車の他に、乗用車や電車などでも良い。 The variable elastic element of the present invention is used as a vehicle suspension to reduce rigidity when traveling to prevent vibration from being transmitted to the loading platform or superstructure. Otherwise, a vehicle that achieves both the absorption of vibration during traveling and the stability of the posture during stopping can be obtained. The vehicle may be a passenger car, a train, or the like in addition to the transport carriage of the embodiment.
またこの発明の可変弾性機素を動的吸振装置の弾性要素として用いると、制振対象の振動数に合わせて動的吸振装置の固有振動数を制御し、効率的に制振できる。この動的吸振装置は、スタッカークレーンなどの搬送機器の吸振や、精密機器、工作機械、車両などの吸振などに利用出来る。 Further, when the variable elastic element of the present invention is used as an elastic element of a dynamic vibration absorber, the natural frequency of the dynamic vibration absorber can be controlled in accordance with the vibration frequency of the vibration damping object, and vibration can be efficiently suppressed. This dynamic vibration absorber can be used for vibration absorption of conveying equipment such as a stacker crane, vibration absorption of precision equipment, machine tools, vehicles, and the like.
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.
図1〜図7に、実施例を示す。各図において、同じ符号は同じものを表し、可変弾性機素の実施例として、図1の可変弾性機素2と図3の可変弾性機素22,並びに図4の可変弾性機素32の3つの例を示す。図5〜図7の応用では、これらの可変弾性機素2,22,32のいずれを用いても良い。また’付きの符号は、’の無いものと同じものを表す。
An example is shown in FIGS. In the drawings, the same reference numerals denote the same elements. As examples of the variable elastic element, the variable
図1の可変弾性機素2において、可変弾性リング4は、例えばフッ化物ポリマーから成る合成樹脂弾性体で構成された可変弾性リング4を備え、その材質は機素2に必要な弾性率に合わせて選択する。リング4の内面を削って伝動ベルト6を設け、ギア8,10と噛み合わせ、駆動モータ12によりギア8を回動させることにより、リング4を回転させる。13,14はギア8,10に取り付けたアームで、例えばその一方を固定アームとする。なお伝動ベルト6は可変弾性リング4とは別体に設けてその内周に取り付けても良く、また伝動ベルト6は歯付ベルトでも可変弾性リング4の内周をVベルト状などに加工したものでも良い。Vベルト状にする場合は、ギア8,10の代わりにプーリなどで駆動しても良い。
In the variable
可変弾性リング4の内周、即ち伝動ベルト6の内周は円形をしており、その外周は楕円形で、リング4の径方向の肉厚を周方向に沿って不均一にし、図1の短軸S付近で肉厚が最小となり、長軸T付近で肉厚が最大となる。従って、リング4はその周方向に沿って、剛性が大きい箇所から小さい箇所へ徐々に減少する部分、剛性が小さい箇所から大きい箇所へ徐々に増加する部分を備えている。なお、長軸Tがギア8,10に接している状態からの回動角をθとし、リング4の奥行き方向、即ち軸S,Tに直交する方向での厚さは一定としてある。実施例では肉厚の制御によりリング4の剛性を周方向に沿って変化させるが、リング4の材質を周方向に沿って変化させたり、リング4の外周に剛性の高い部材を積層する、あるいはリング4の外周に表面処理を施すなどにより、周方向に沿って剛性が変化するようにしても良い。さらにリング4の外周形状は実施例の楕円に限定されるものではなく、必要な弾性率分布が得られるように遺伝的アルゴリズムなどで適宜設計すると良い。
The inner circumference of the variable elastic ring 4, that is, the inner circumference of the
図2は、リング4をギア8,10間を接続するバネと見なした際の、回動角θと弾性率kとの測定値の例を示し、ここで弾性率は任意単位で示し、遺伝的アルゴリズムによって所望の弾性率分布が得られるように、リング4を設計した際の結果である。図には示さないが、リング4は線形な弾性体で、バネ力は自然長からの変位に比例する。
FIG. 2 shows an example of measured values of the rotation angle θ and the elastic modulus k when the ring 4 is regarded as a spring connecting the
図1の可変弾性機素2は引きバネとして作用するが、押しバネとしても作用するようにしたものが、図3の可変弾性機素22である。23〜26はギアで、これらはパンタグラフ27により結合され、伝動ベルト28により駆動モータ29の駆動力を4つのギア23〜26に伝達する。この例では、4つのギア23〜26を全て駆動ギアとして、4つの駆動ギアで伝動ベルト6を駆動するので、図1のように1つの駆動ギアと1つの従動ギアで伝動ベルト6を駆動する場合に比べ、リング4を確実かつ滑らかに回転させることができる。また図1のギア8,10に対応するギア23,24に加えて、これらと直交する方向に一対のギア25,26を設けている。従って、ギア23,24の間隔が縮められる場合にはギア25,26の間隔が拡げられてリング4を押し、逆にギア25,26の間隔が縮められる場合にはギア23,24の間隔が拡げられてリング4を押すので、リング4を押しバネとしても引きバネとしても動作させることが出来る。さらにリング4において、ギア23,24と接する部分とギア25,26が接する部分とで剛性を異ならせておくと、押しバネとして動作させる場合と引きバネとして動作させる場合とで、リング4の弾性率を容易に異ならせることが出来る。
The variable
図4の可変弾性機素32は、ワームギア34を駆動モータ35で駆動して、ギア23を回動させるようにしたものである。なおワームギア34に代えて、一対のかさ歯車などでモータ35の軸と直角あるいは平行でない方向に動力を伝達しても良く、図4の可変弾性機素32では駆動モータ35をリング4内の空きスペースに収容できるので特にコンパクトである。
The variable
図5は、実施例の可変弾性機素を用いた関節40を示し、関節本体42の左右に一対の可変弾性機素2,2’を配置する。可変弾性機素2,2’はその自然長L0よりもプリテンション用の変位dだけ引き伸ばして張力が逆向きになるように、即ち拮抗するようにプリテンションを加え、44は関節軸、45は制御部で可変弾性機素2,2’の駆動モータを駆動する。そして制御部45が、駆動モータを適宜駆動させることで、可変弾性機素2,2’のリングを所定量だけ回動させることができ、リングはその周方向に沿って、剛性が大きい箇所から小さい箇所へ徐々に減少する部分、及び剛性が小さい箇所から大きい箇所へ徐々に増加する部分を備えているので、外部から印加される負荷に対して、リングを適切な位置に回動させることができる。
FIG. 5 shows a joint 40 using the variable elastic element of the embodiment, and a pair of variable
ここで可変弾性機素2,2’の弾性率が等しい場合、関節本体42は左右対称な姿勢をとり、この状態から制御部45で、左右の可変弾性機素2,2’の弾性率を反対称に制御すると、関節本体42が回転し、回動角θは関節半径をR、可変弾性機素2,2’の変位をxとして、θ=x/Rで与えられる。また左右の可変弾性機素2,2’の弾性率をつり合い状態から左右で逆向きに制御すると、変位xはプリテンション用の変位dに比例するので、関節40に対する回動角θの所望範囲に合わせて変位dを定めると良い。
Here, when the elastic moduli of the variable
関節本体42が中立となる条件は、左右の可変弾性機素2,2’の弾性率が等しいことで、これらの弾性率を不均衡にすることにより、関節本体42を回動させることができ、回動角θは弾性率の差に比例する。また各回動角θにおける関節40の剛性は、左右の可変弾性機素2,2’の弾性率の和で定まる。従って左右の可変弾性機素2,2’の弾性率を独立に制御することにより、関節40の向きと剛性とを独立して制御可能である。
The condition that the
関節40は動物の関節を模したもので、例えば人体の骨格に近いアームを備えたロボットで、各アームを関節40で接続すると、歩行ロボットとすることができる。またこのロボットは人間と同様にものを掴み、所望の姿勢で作業することができる。爬虫類のトカゲや蛇の骨格を模してアームを配置し、これらのアームを関節40で接続すると、蛇行するロボットを得ることができる。このような例えばロボットは通路の広狭に応じて蛇行の幅を変え、穴内の狭いスペースでも作業できる。
The joint 40 imitates the joint of an animal. For example, the joint 40 is a robot having an arm close to a human skeleton. When each arm is connected by the joint 40, it can be a walking robot. In addition, this robot can grasp a thing like a human and work in a desired posture. When arms are arranged to resemble reptile lizards or snake skeletons and these arms are connected by
図6は、搬送台車50への応用を示し、52は台車で、その荷台54を可変弾性機素22を上下方向のサスペンションとして、台車52に接続する。55はガイド軸で、56はガイド部で、水平面内では荷台54が台車52に対して変位しないようにする。58は移載装置で、59は搬送物品である。なお搬送台車50に代えて自動車や電車などとしても良い。
FIG. 6 shows an application to the
搬送台車50は走行方向に鉛直方向に振動し、この振動から搬送物品59を保護する必要がある。なお水平面内での振動も問題な場合、荷台54を水平方向に関しても可変弾性機素22により台車52に接続するとよい。制御部57は、搬送台車50が走行中は可変弾性機素22の弾性率を小さくして、走行時の振動が荷台54に伝わるのを防止する。また搬送台車50が停止し、移載装置58により搬送物品59を移載する際には、制御部57により可変弾性機素22により弾性率を増して、移載装置58を動作させても、荷台54が走行方向の左右に傾かないようにする。さらに走行時の振動をより小さくするため、台車52の振動状態を検出する手段を設けて、振動数や振幅などの振動状態を検出し、これに応じて動的に可変弾性機素22の弾性率を制御しても良い。図6の実施例では、走行時の振動を小さくし、かつ移載時の荷台54の姿勢を固定することができる。
The
図7はスタッカークレーン60の動的吸振装置72として、実施例の可変弾性機素22を用いた例を示す。62は下部台車、63,64は上下の走行レールで、65は上部台車である。66は台車62,65間のマストで、マスト66に沿って昇降台69が昇降し、67は昇降モータ、68は走行モータで、70は上部車輪である。72は前記の動的吸振装置で、可変弾性機素22を介して振動子73を取り付け、制御部74で可変弾性機素22の弾性率を制御する。
FIG. 7 shows an example in which the variable
スタッカークレーン60では走行からの停止時にマスト66が振動し、この振動が収まるまで昇降台69上の搬送物品75の移載が行えない。このため走行停止後に振動が収まるまでの時間がデッドタイムとなる。この時のマスト66の振動数は、昇降台69の位置によって変化し、また搬送物品75の有無によっても変化する。そこで制御部74は昇降台69の高さ、より好ましくはこれに搬送物品75の有無を加味して、可変弾性機素22の弾性率を制御し、マスト66の振動を効率的に吸収できるようにする。スタッカークレーン60に代えて、他の搬送機器や工作機械、精密機械、精密器具、車両などに動的吸振装置72を用いても良い。
In the
2 可変弾性機素
4 可変弾性リング
6 伝動ベルト
8,10 ギア
12 駆動モータ
13,14 アーム
22,32 可変弾性機素
23〜26 ギア
27 パンタグラフ
28 歯付ベルト
29 駆動モータ
34 ワームギア
35 駆動モータ
40 関節
42 関節本体
44 関節軸
45 制御部
50 搬送台車
52 台車
54 荷台
55 ガイド軸
56 ガイド部
57 制御部
58 移載装置
59 搬送物品
60 スタッカークレーン
62 下部台車
63,64 走行レール
65 上部台車
66 マスト
67 昇降モータ
68 走行モータ
69 昇降台
70 上部車輪
72 動的吸振装置
73 振動子
74 制御部
75 搬送物品
S 短軸
T 長軸
θ 回動角
x 変位
L0 自然長
d プリテンション用の変位
R 関節半径
k 弾性率
2 Variable elastic element 4 Variable
S short axis T long axis θ rotation angle x displacement L0 natural length
d Pre-tension displacement R Joint radius k Elastic modulus
Claims (7)
該弾性体を回動させるための回動手段と、
該回動手段の回動を制御することにより、外部から印加される負荷に対応するように前記弾性体の位置を変化させる制御手段とを備える可変弾性機素。 A ring-shaped elastic body having at least a portion that gradually decreases from a portion with high rigidity to a small portion along a circumferential direction, and a portion that gradually increases from a portion with low rigidity to a large portion;
Rotation means for rotating the elastic body;
A variable elastic element comprising: control means for changing the position of the elastic body so as to correspond to a load applied from the outside by controlling the rotation of the rotation means.
A motion is provided, wherein a vibrator is attached to the variable elastic element according to any one of claims 1 to 4, and a control means is provided for controlling the rotating means of the variable elastic element according to the frequency of the vibration control target. Vibration absorber.
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