JP4415325B2 - 可変弾性機素とこれを用いた関節、車両、及び動的吸振装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。
こ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２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し、負荷を受けるように位置する可変弾性機素を提供することにある。
こ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３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４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５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。

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の内周にベルトを配設すると共に、前記リング内に４個の伝動車を設けて前記ベルトに噛み合わせ、かつ該４個の伝動車を、伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフにより結合した、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。
さらにこの発明の可変弾性機素は、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の内周にベルトを配設すると共に、前記リング内に４個の伝動車を設けて前記ベルトに噛み合わせ、かつ該４個の伝動車を、伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフにより結合し、前記伝動車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。

またこの発明は、上記のいずれかの可変弾性機素を、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。

またこの発明は、上記のいずれかの可変弾性機素を、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。

さらにこの発明は、上記のいずれかの可変弾性機素に、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。

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。

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。

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。

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。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

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、可変弾性機素の基本構成を示す参考例として図１の可変弾性機素２を示し、実施例として図３の可変弾性機素２２，並びに図４の可変弾性機素３２を示す。図５〜図７の応用では、これらの可変弾性機素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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

参考例の可変弾性機素の要部平面図 図１の可変弾性機素の回動角と弾性率の関係を示す特性図 実施例の可変弾性機素の要部平面図 変形例の可変弾性機素の要部平面図 実施例の可変弾性機素を用いた関節を模式的に示す図で、a)はプリテンションを加えた状態で左右の可変弾性機素の弾性率がつり合っている状態を示し、b)はa)の状態から左右の可変弾性機素の弾性率を不均衡にした状態を示す。 実施例の可変弾性機素を用いた搬送台車の一部切欠部付き側面図 実施例の可変弾性機素を用いたスタッカークレーンの側面図

符号の説明

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

Claims (5)

1. 周方向に沿って剛性が変化するリング状の弾性体の内周にベルトを配設すると共に、前記リング内に４個の伝動車を設けて前記ベルトに噛み合わせ、かつ該４個の伝動車を、伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフにより結合した、可変弾性機素。
2. 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の内周にベルトを配設すると共に、
   前記リング内に４個の伝動車を設けて前記ベルトに噛み合わせ、かつ該４個の伝動車を、伝動ベルトで連結すると共に、パンタグラフにより結合し、
   前記伝動車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。
3. 請求項１または２の可変弾性機素を、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。
4. 請求項１または２の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。
5. 請求項１または２の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。
   

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