JP2022186428A - 制振装置および移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で減衰特性の変更が容易な制振装置および移動ロボットを提供する。【解決手段】制振装置の一態様は、ボールねじおよびモータを有したアクチュエータと、上記ボールねじのねじ軸を回転自在に保持した保持部と、上記ボールねじのねじ軸の延長上に位置して積載物を支持可能な第１部分と、上記ボールねじのナットが固定された第２部分とを有し、当該ねじ軸に沿って移動可能な可動フレームと、上記ねじ軸の延長上で上記保持部と上記第１部分との間に設けられて振動を抑制する、ばねおよびダンパの少なくとも一方として働くパッシブ要素と、を備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、制振装置および移動ロボットに関する。

従来、工場や病院などで荷台に物をのせて運ぶ移動ロボットが提案され、普及が広がっている。移動ロボットの運用場面が広がるにつれ、運搬対象に対する振動を抑制することも需要が増し、運搬対象物に応じた減衰特性の変更も望まれている。

振動を抑制する制振装置としては、乗り物のサスペンションなどに適用された例が知られている。例えば特許文献１には、サスペンションシステムに空気ばねとボールねじアクチュエータとを平行な荷重経路として備え、加圧ガスの圧力調整によってばね定数を制御する技術が提案されている。

特表２０２０－５１８５１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、ボールねじアクチュエータが空気ばねを貫通して一体化しているため、ばね定数など減衰特性の変更のためには、加圧ガス源などを備えた大がかりなシステムが必要となる。その結果、制振装置の大型化やコスト増を生じる。
そこで、本発明は、簡素な構成で減衰特性の変更が容易な制振装置および移動ロボットを提供することを目的とする。

上記目的のために、本発明に係る制振装置の一態様は、ボールねじおよびモータを有したアクチュエータと、上記ボールねじのねじ軸を回転自在に保持した保持部と、上記ボールねじのねじ軸の延長上に位置して積載物を支持可能な第１部分と、上記ボールねじのナットが固定された第２部分とを有し、当該ねじ軸に沿って移動可能な可動フレームと、上記ねじ軸の延長上で上記保持部と上記第１部分との間に設けられて振動を抑制する、ばねおよびダンパの少なくとも一方として働くパッシブ要素と、を備える。

このような制振装置によれば、パッシブ要素とボールねじのねじ軸とが重ならない簡素な構造になり、保持部と第１部分との間に設けられたパッシブ要素を容易に交換することができるので減衰特性の変更が容易である。

また、上記制振装置において、上記パッシブ要素が空気ばねであることが好ましい。空気ばねは、ばね要素とダンパ要素との双方として機能するとともに、構造として簡素である。

また、空気ばねを備えた上記制振装置において、上記空気ばねは、一端が上記第１部分に取り外し可能に固定され、他端が上記保持部に嵌まっていることが更に好ましい。このような構造で取り付けられた空気ばねは交換が容易である。

上記制振装置において、上記アクチュエータ、上記保持部、上記フレーム、および上記パッシブ要素を有した制振モジュールを複数備え、複数の上記制振モジュールで１つの積載物を支持することも好ましい。複数の制振モジュールを備えることで大きな積載重量にも容易に対応することができる。

また、複数の制振モジュールを備えた上記制振装置において、上記複数の制振モジュールの各アクチュエータを制御して上記積載物の傾きを制御することが望ましい。この制御によって荷台のバランスを保つことができるので、例えば液状の内容物を納めた容器などの搬送において、液面を水平に保った搬送などが可能となる。

上記目的のために、本発明に係る移動ロボットの一態様は、上記制振装置と、上記制振装置および上記積載物を搭載して自走する走行部と、を備える。このような移動ロボットによれば、例えば搬送対象の変更などに伴う減衰特性の変更が容易である。また、構造が簡素であるため小型化や低コスト化にも寄与する。

上記移動ロボットにおいて、上記走行部がサスペンションを有することが好ましい。サスペンションと制振装置とによって、地面からの振動と荷台の振動とを別個に抑制することができる。

本発明の制振装置および移動ロボットは、簡素な構成で減衰特性を容易に変更することができる。

本発明の移動ロボットの一実施形態を示す図である。 移動ロボットにおける振動抑制モデルを示す図である。 制振モジュールの詳細な構造を示す図である。 制振モジュールが収縮した状態を示した図である。 制振モジュールが伸張した状態を示した図である。 力の第１の伝達経路を示す図である。 力の第２の伝達経路を示す図である。 空気ばねの交換手順の第１段階を示す図である。 空気ばねの交換手順の第２段階を示す図である。 空気ばねの交換手順の第３段階を示す図である。 空気ばねの交換手順の第４段階を示す図である。 制振装置における別の実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、先に説明した図に記載の要素については、後の図の説明において適宜に参照する場合がある。
図１は、本発明の移動ロボットの一実施形態を示す図である。
本実施形態の移動ロボット１は、荷台１０と、制振モジュール２０と、走行モジュール３０とを備えている。
荷台１０には、運搬対象の資材などが積載される。

制振モジュール２０は、荷台１０の振動を抑制することにより、荷台１０上の運搬対象を破損や荷崩れなどから保護する。制振モジュール２０は本発明の制振装置の一実施形態に相当し、制振モジュール２０には、空気ばね２１とアクチュエータ２２が備えられている。空気ばね２１は、本発明にいうパッシブ要素の一例に相当し、アクチュエータ２２は本発明にいうアクチュエータの一例に相当する。

走行モジュール３０は、いわゆるＡＧＶ（Automatic Guided Vehicle）として自律的に走行し、指示されたルートで運搬対象を運搬する。走行モジュール３０は、本発明にいう走行部の一例に相当する。走行モジュール３０には、走行時に地面から車輪が受ける力で生じた振動を抑制するサスペンション３１(図２参照)が備えられている。なお、車輪にゴムタイヤが用いられることでサスペンション３１の機能が代用されてもよい。
図２は、移動ロボットにおける振動抑制モデルを示す図である。
移動ロボット１の荷台１０は、空気ばね２１とアクチュエータ２２によって力の並列な伝達経路で支持されている。

空気ばね２１は、ばね要素２１ａおよびダンパ要素２１ｂを兼ねたものとして作用する。空気ばね２１は、荷台１０の振動を受動的に抑制するパッシブ要素である。ばね要素２１ａおよびダンパ要素２１ｂを兼ねた空気ばね２１は、制振モジュール２０の構造の簡素化に寄与する。
アクチュエータ２２は、後述するモータの駆動によって能動的に振動を抑制するアクティブ要素である。

制振モジュール２０は、パッシブ要素である空気ばね２１とアクティブ要素であるアクチュエータ２２との協働によって荷台１０の振動を高い精度で抑制することができる。

走行モジュール３０は空気ばね２１とアクチュエータ２２の双方を支持し、サスペンション３１によって走行モジュール３０と地面Ｇとの間の振動が抑制される。
制振モジュール２０と走行モジュール３０のサスペンション３１によって振動抑制の役割が分担されるので、移動ロボット１全体で振動が効率よく抑制される。
図３は、制振モジュールの詳細な構造を示す図である。

制振モジュール２０は、上述した空気ばね２１とアクチュエータ２２を備え、更に、ベースフレーム２４と、可動フレーム２５と、固定フレーム２６を備えている。
アクチュエータ２２は、モータ２２１とボールねじ２２２とを備え、ボールねじ２２２のねじ軸２２２ａはモータ２２１に連結されて回転駆動される。

可動フレーム２５は、上板２５１と、可動支柱２５２と、下板２５３を備え、本発明にいう可動フレームの一例に相当する。可動フレーム２５は上板２５１で荷台１０を支えており、上板２５１は空気ばね２１によって支えられている。可動支柱２５２で上板２５１と繋がった下板２５３には、ボールねじ２２２のナット２２２ｂが固定されている。上板２５１は、本発明にいう第１部分の一例に相当し、下板２５３は、本発明にいう第２部分の一例に相当する。

なお、振動モジュール２０から見た場合、荷台１０を本発明にいう積載物と観念することもできるし、荷台１０とその上に置かれる運搬対象とをまとめて、本発明にいう積載物と観念することもできる。また、図１に示した実施形態では、上板２５１の上に荷台１０を設けるとしたが、荷台１０を兼ねた形状の上板２５１を設けて運搬対象を上板２５１に積載してもよい。この場合、上板２５１に積載された運搬対象が本発明にいう積載物と観念される。

ベースフレーム２４には、モータフレーム２４１を介してモータ２２１が保持され、モータ２２１を動作制御する制御器２３もベースフレーム２４に保持されている。

固定フレーム２６は、固定板２６２が固定支柱２６１によってベースフレーム２４の上板２４２に固定された構造を有する。固定板２６２は、ボールねじ２２２のねじ軸２２２ａの一端を、図示が省略された軸受によって回転可能に保持しており、本発明にいう保持部の一例に相当する。また、固定板２６２は、空気ばね２１の、上板２５１を支持した一端に対する他端を支持している。
可動フレーム２５は、ナット２２２ｂの固定された下板２５３がねじ軸２２２ａの回転を伴いながら上下方向に移動することで、固定フレーム２６の固定支柱２６１に案内されてボールねじ２２２のねじ軸２２２ａに沿って移動可能となっている。

空気ばね２１とボールねじ２２２は、物理的な配置としては簡素な直列配置となっており、言い換えると、空気ばね２１はボールねじ２２２のねじ軸２２２ａの延長上に配置されている。従って、空気ばね２１の交換が必要になった場合には、ボールねじ２２２に邪魔されること無く容易に交換することができる。空気ばね２１の交換については後で更に詳述する。
図４は、制振モジュール２０が収縮した状態を示した図であり、図５は、制振モジュール２０が伸張した状態を示した図である。

振動によって制振モジュール２０が伸縮すると、可動フレーム２５は、固定フレーム２６の固定支柱２６１に案内されて移動し、可動フレーム２５の上板２５１と固定フレーム２６との距離が変化する。この結果、空気ばね２１も伸縮し、空気ばね２１によって受動的に振動が抑制される。

また、可動フレーム２５の移動に伴ってボールねじ２２２のナット２２２ｂはねじ軸２２２ａに沿って移動する。ねじ軸２２２ａは、ナット２２２ｂの移動に伴うボールねじ２２２の逆作動によって回転し、モータ２２１を回転させる。モータ２２１に電力が供給されるとモータ２２１の回転が抑制され、能動的に振動が抑制される。
ここで、図２で説明した力の並列な伝達経路について、具体的な経路を説明する。
図６は、力の第１の伝達経路を示す図である。

第１の伝達経路では、図中の矢印が示すように、荷台１０からの力が可動フレーム２５の上板２５１から空気ばね２１に掛かり、空気ばね２１から固定フレーム２６へと伝達される。更に固定フレーム２６から、固定フレーム２６が固定されたベースフレーム２４の上板２４２を介してベースフレーム２４へと力が伝達される。
図７は、力の第２の伝達経路を示す図である。

第２の伝達経路では、図中の矢印が示すように、荷台１０からの力が可動フレーム２５の上板２５１から可動支柱２５２を介して下板２５３へと伝達され、ボールねじ２２２のナット２２２ｂを介して力がねじ軸２２２ａに伝達される。ねじ軸２２２ａの回転がモータ２２１の駆動力で制限されると力がねじ軸２２２ａからモータ２２１へと伝達され、更に、モータフレーム２４１を介してベースフレーム２４へと力が伝達される。

制振モジュール２０では、図６および図７に示す２つの並列な伝達経路それぞれで振動が抑制され、効率の良い振動抑制が実現される。制振モジュール２０における振動抑制がより効率的になるためには、運搬対象などに適合した減衰特性を有する空気ばね２１に適宜交換されることが望ましい。

例えば、荷台１０上に平均的な荷重がかかり、モータ２２１の電力が切られている場合に、ボールねじ２２２のナット２２２ｂがねじ軸２２２ａの長手方向中央付近に位置することが望ましい。これにより、ボールねじ２２２の動作範囲が広くなるとともに、空気ばね２１による受動的な振動抑制の寄与が増すからである。従って、荷台１０への平均的な荷重に応じた空気ばね２１の交換が望まれる。また、抑制される振動の周期などに応じた空気ばね２１の交換が望まれる場合もある。
図８から図１１は、空気ばね２１の交換手順を示す図である。

空気ばね２１の交換に際し、まず、可動フレーム２５の上板２５１を可動支柱２５２に固定しているねじ２５４と、空気ばね２１の一端を可動フレーム２５の上板２５１に固定しているナット２５５が、図８中の矢印で示されるように緩められる。
次に、図９に示すように、ねじ２５４とナット２５５が上板２５１から外され、図１０に示すように、上板２５１が可動支柱２５２から外される。

その後、図１１に示すように空気ばね２１が固定フレーム２６から外されて可動フレーム２５の外に取り出される。そして、新たな空気ばね２１が、上述とは逆順で取り付けられる。空気ばね２１は、一端２１１が可動フレーム２５の上板２５１に固定されており、他端(図示せず)が固定フレーム２６の固定板２６２に設けられた穴２６２ａに嵌まっているので交換作業が容易である。
次に、本発明の制振装置における別の実施形態について説明する。
図１２は、制振装置における別の実施形態を示す図である。

図１２に示す制振装置４０は、図３に示す制振モジュール２０と同じ構造を有した複数(ここでは一例として４つ)の制振モジュール４１を備え、それらの制振モジュール４１で１つの荷台１０を支えている。複数の制振モジュール４１は、ベース板４３によって相対位置が固定されている。制振装置４０には、複数の制振モジュール４１それぞれのアクチュエータ２２を制御する制御装置４２も備えられている。
図１２に示す制振装置４０は、例えば複数台の走行モジュール３０や１台の大型のＡＧＶなどに搭載されて運用される。

図１２に示す制振装置４０では、複数の制振モジュール４１によって荷台１０の振動が抑制される。従って、１台の制振モジュール４１を備えた場合に較べて、より大きな積載量に対応することができる。
また、荷台１０には、傾きを検出するための加速度センサ(図示せず)などが設けられてもよいし、３軸加速度センサと３軸ジャイロスコープを具備した慣性計測装置（IMU：Inertial Measurement Unit）が設けられてもよい。制御装置４２は、加速度センサの検出値に基づいて、複数の制振モジュール４１それぞれのアクチュエータ２２を制御することで荷台１０の傾きを制御することができる。これにより、例えば荷台１０を水平に保つことなどができ、振動抑制に限られない幅広い運用が可能となる。

つまり、振動が生じている場合に制振装置４０のアクチュエータ２２を使用して振動吸収と荷台１０の水平維持とを図ってもよいし、振動が空気ばね２１で十分に抑制できる場合に制振装置４０のアクチュエータ２２を荷台１０の水平維持のみに使用してもよい。

なお、上記では、制振装置が、資材などを運搬する移動ロボットに適用される例が示されているが、本発明の移動ロボットは人を運ぶ例えば医療用の移動ロボットであってもよい。本発明の制振装置は、移動ロボット以外の荷台を支持するものであってもよく、例えば、人が運転する車両や船舶などの荷台を支持するものであってもよい。

また、上記では、複数の制振モジュールを備える場合に同一構造の制振モジュールを備えた例が示されているが、本発明の制振装置において複数の制振モジュールを備える場合には、複数種類の制振モジュールを備えてもよい。

また、上記では、制振モジュールがパッシブ要素として空気ばねを備えた例が示されているが、本発明の制振装置は、パッシブ要素としてばねやダンパを備えてもよい。

１…移動ロボット、１０…荷台、２０…制振モジュール、２１…空気ばね、
２２…アクチュエータ、２２１…モータ、２２２…ボールねじ、２２２ａ…ねじ軸、
２２２ｂ…ナット、２３…制御器、２４…ベースフレーム、２５…可動フレーム、
２６…固定フレーム、３０…走行モジュール、３１…サスペンション、
４０…制振装置、４１…制振モジュール、４２…制御装置

Claims (7)

1. ボールねじおよびモータを有したアクチュエータと、
   前記ボールねじのねじ軸を回転自在に保持した保持部と、
   前記ボールねじのねじ軸の延長上に位置して積載物を支持可能な第１部分と、前記ボールねじのナットが固定された第２部分とを有し、当該ねじ軸に沿って移動可能な可動フレームと、
   前記ねじ軸の延長上で前記保持部と前記第１部分との間に設けられて振動を抑制する、ばねおよびダンパの少なくとも一方として働くパッシブ要素と、
   を備えたことを特徴とする制振装置。
2. 前記パッシブ要素が空気ばねであることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
3. 前記空気ばねは、一端が前記第１部分に取り外し可能に固定され、他端が前記保持部に嵌まっていることを特徴とする請求項２に記載の制振装置。
4. 前記アクチュエータ、前記保持部、前記フレーム、および前記パッシブ要素を有した制振モジュールを複数備え、複数の前記制振モジュールで１つの積載物を支持することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制振装置。
5. 前記複数の制振モジュールの各アクチュエータを制御して前記積載物の傾きを制御することを特徴とする請求項４に記載の制振装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の制振装置と、
   前記制振装置および前記積載物を搭載して自走する走行部と、
   を備えたことを特徴とする移動ロボット。
7. 前記走行部がサスペンションを有することを特徴とする請求項６に記載の移動ロボット。

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