皆さん、ロボットを組み立てたりプログラミングしたことがある方なら、ガレージでプロトタイプをテストしている場合でも、小規模な産業用セットアップを実行している場合でも、さらには家庭で民生用ロボットを使用している場合でも、騒音が大きな問題点になる可能性があることをご存知でしょう。先週、プラスチックシャーシで作ったモバイルロボットのトラブルシューティングをしていたロボット工学の学生からDMを受け取りましたが、彼らはセンサーデータの記録を困難にする奇妙なきしむ音に対処し続けていました。この会話で私は次のように考えました。私はアルミニウム製ロボット シャーシのサプライヤーですが、騒音レベルと他の素材についてよく質問されます。今日は、アルミニウム製のロボットのシャーシから予想される騒音の量、その原因、および他の一般的なロボット部品との比較を正確に説明します。堅苦しい専門用語は一切なく、これらの部品を毎日扱っている人からの実際の実用的な情報だけです。
まず最初に、はっきりさせておきたいのは、ここでいう「ノイズ」とは、携帯電話が発する大きなビープ音だけではないということです。ロボットにとって、騒音とは可聴音 (聞こえる音) と機械的振動 (作業台や床を通して感じる可能性のあるハム音やガタガタ音) の両方を指します。どちらも非常に重要です。屋内で使用する場合、可聴ノイズは煩わしい場合があり、振動によりセンサーの調整が狂い、ギアの磨耗が早くなり、時間の経過とともに構造上の問題が発生する可能性もあります。私がクライアントと仕事をするときは、それが趣味の愛好家であろうと小規模な製造チームであろうと、常に材料の選択について話し合っています。それがノイズの最大の要因の 1 つだからです。
核心的な質問から始めましょう: アルミニウム製ロボット シャーシの騒音レベルはどのくらいですか?私は社内のラボと実際のユースケースの両方で、何百ものこれらを長年にわたってテストしてきました。ほとんどのアルミニウムシャーシはCNC加工されていますよね？ CNC マシンのロボット アームの部品には、シャーシに使用しているのと同じ精密な切断が使用されているため、ご存知の方もいらっしゃると思います。標準的な移動ロボットのシャーシ (小型から中型のロボットで最も一般的な 6 輪駆動または差動駆動を考えてください) の場合、通常の速度 (たとえば 1 ～ 2 メートル/秒) で移動するときの可聴騒音は、通常 55 ～ 65 デシベル (dB) の間です。参考までに、これは通常の会話や食器洗い機の稼働音とほぼ同じで、気づくには十分な大きさですが、狭い空間では圧倒されるほどではありません。
しかし、待ってください、その数字は確定したものではありません。多くの要因がそれを変えます。シャーシがモーターに対して重すぎると、ホイールとシャーシ フレームの間の摩擦が大きくなり、きしむ音や擦れる音が追加され、最大 70 dB 以上まで押し上げる可能性があります。ボルトを適切に締めないと、個々のアルミニウム パネルがガタガタし、絶対に望まない甲高いきしみ音が発生する可能性があります。ホイールさえも重要です。滑らかなコンクリート上のゴム製ホイールと、粗いアスファルト上のプラスチック製ホイールでは、全体的な騒音が変化しますが、シャーシ自体が基本レベルの大きな部分を占めます。
ここで、これを他のオプションと比較してみましょう。興味深いのはそこからです。なぜプラスチックのロボットシェルやステンレススチール部品を使用しないのかとよく質問されます。それらを分解してみましょう。プラスチックシャーシはかなり軽いですよね？そのため、ベースノイズレベルは低く、通常は 50 ～ 55 dB であり、アルミニウムよりも静かです。ただし、ここに問題があります。プラスチックは柔軟性が高いため、特に高速時に振動が大きくなります。その振動により実際にセンサーデータの精度が低下する可能性があり、時間の経過とともにプラスチックのシャーシに小さな亀裂が発生し、ロボットの移動時に新たなノイズが発生する可能性があります。昨年、小型配送ロボットのシャーシをアルミニウムからプラスチックに切り替えたクライアントがいましたが、3 か月以内にシャーシのガタつきがひどくなり、交換しなければならなくなりました。アルミニウムを使用することで、当社のアルミニウム ロボット シャーシを 2 年間使用している同じ業界の別のクライアントにとって、その煩わしさは回避されました。
ステンレス鋼金属ロボット部品は、特に頑丈な産業用ロボットにとって、もう 1 つの一般的な代替品です。騒音レベルはアルミニウムと同様で、標準使用では約 58 ～ 62 dB ですが、ステンレス鋼は密度が高いため、より多くの振動をロボットの内部コンポーネントに伝えます。つまり、繊細なセンサー (LiDAR やカメラなど) を使用している場合、ステンレススチールのシャーシはアルミニウムよりも振動を吸収しにくいため、より多くの干渉を引き起こす可能性があります。アルミニウムは実際、小さな振動を減衰させるのに非常に優れているため、騒音、重量、耐久性のバランスをとるほとんどのクライアントにとってアルミニウムが頼りになります。
待ってください。ただし、ロボット システム全体だけでなく、シャーシ自体のどこからノイズが発生しているかについて言及する必要があります。多くの人はモーターやホイールだけが騒音源だと考えていますが、シャーシも騒音源の大きな部分を占めています。 CNC 加工されたアルミニウム シャーシの場合、パネル間の継ぎ目、モーターとホイールの取り付けポイント、さらには表面仕上げがすべて重要な役割を果たします。加工されたエッジが鋭い場合、部品が擦れるときに摩擦が大きくなり、きしみ音が発生する可能性があります。そのため、当店では騒音レベルを低くしたいお客様のために、常にエッジのバリを取り、取り付けポイントに薄い潤滑剤を塗布しています。小さな微調整が大きな違いを生みます。
もう 1 つ考慮すべき点は、ロボットを使用する場所です。倉庫内で作業する産業用ロボットの場合は、65 dB でまったく問題ありません。倉庫はもともと騒音が大きいため、多少の騒音は問題ありません。しかし、家庭用ロボット掃除機や教室用の教育用ロボットの場合は、騒音が低い方が良いでしょう。そのような場合には、高品質のアルミニウム製シャーシ、柔らかい内層を備えたゴム製ホイール、ゴム製ダンパーを使用したシャーシへのモーターの適切な取り付けの組み合わせをお勧めします。当店ではこれらのダンパーや潤滑剤などのロボットアクセサリを多数販売しているので、最初から始めなくても低騒音セットアップを簡単に組み立てることができます。
また、私がよく聞く俗説についても触れておきたいと思います。「アルミニウムは常にプラスチックよりも騒音が大きい」。これは、安価で粗悪なプラスチック製のシャーシと高精度のアルミニウム製シャーシを比較した場合にのみ当てはまります。先月、3D プリントした安価なプラスチック シャーシをテストしたところ、1 m/s で 62 dB に達しました。これは、中級のアルミニウム シャーシとほぼ同じです。しかし、2 時間連続使用するとプラスチックが歪み始めたため、テストの終了時には最大 70 dB になりました。同じテストで使用したアルミニウム製シャーシ?ずっと60dBを維持しており、反りや余分なノイズはありませんでした。したがって、材料の品質と製造精度は、単なるベース材料よりもはるかに重要です。
患者の近くで働く医療ロボットや夜間に動作する消費者向けロボットなど、非常に静かである必要があるロボットの場合はどうでしょうか?そういう人にとっては、55dBでも多すぎるかもしれません。ここでの解決策はプラスチックに切り替えることではなく、アルミニウムのシャーシを変更することです。シャーシの底部にゴム製の断熱材を追加し、モーター用のパッド付き取り付けブラケットを使用し、シャーシを薄い吸音フォーム層で覆うことでも、ノイズを 5 ～ 10 dB 下げることができます。昨年、医療ロボットのクライアントにこれを行ってもらいました。そのとき、彼らのロボットの騒音は 62 dB から 53 dB に改善され、診療所で誰にも迷惑をかけずに使用できるほど静かになりました。これはプラスチックよりもはるかに優れた選択肢です。アルミニウムのシャーシが必要な耐久性と構造的剛性を提供し、音響モジュールがノイズの問題を解決するからです。
これを具体的にするために、実際の例について話しましょう。前四半期、私たちは自律型芝刈り機を製造する小規模な新興企業にアルミニウム製ロボット シャーシの注文を出荷しました。顧客からは、芝刈り機の騒音がペットを怖がらせると苦情が寄せられていたため、騒音を心配していました。当社のシャーシをテストしたところ、ベースノイズは 61 dB で、市場のほとんどの芝刈り機よりも低かったです。当社のゴム製ホイール ダンパーと薄いフォーム層をシャーシに追加し、騒音を 54 dB まで下げました。それは通常の会話よりも静かで、顧客からも好評でした。逆に、別のクライアントは工場用ロボットに安価なスチールシャーシを使用していましたが、スチールがマシンビジョンカメラに非常に多くの振動を伝え、鮮明な画像を取得できなかったため、最終的に 68 dB のノイズが発生しました。アルミニウムシャーシに交換すると、この問題も解決されました。
さて、皆さんの中には、「レーシング ロボットのような、非常に速く動くロボットはどうなるのでしょうか?」と考えている人もいると思います。高速ロボット (3+ m/s) の場合、アルミニウム シャーシからのノイズは少し跳ね上がり、通常は 65 ～ 72 dB になります。しかし、その速度であっても、プラスチックよりもアルミニウムの方が優れています。プラスチックは高速で振動しすぎてロボットが不安定になるからです。アルミの剛性により、多少騒音が上がってもロボットは安定します。レーシングロボットにとって、これは価値のあるトレードオフです。数デシベルの余分な騒音よりも安定性の方がはるかに重要だからです。
また、騒音レベルを測定する際には、業界標準である標準騒音計をロボットから 1 メートルの距離で使用していることにも言及しておきます。オンラインのランダム ノイズ テストの多くは、かなり近い場所または遠く離れた場所で行われるため、数値に偏りが生じます。だからこそ、私たちは社内のラボテストを常に信頼しています。なぜなら、私たちはその基準に従っているからです。シャーシの仕様を確認するときは、騒音レベルが同じ方法で測定されていることを確認してください。そうしないと、リンゴとオレンジを比較することになる可能性があります。
それで、ここでのポイントは何でしょうか？アルミニウム製ロボット シャーシの騒音レベルは単一の数値ではなく、構造の品質、アクセサリ、使用例によって異なります。一般に、標準的な使用では 55 ～ 65 dB になります。これは他の金属シャーシと同等であり、振動に敏感な作業ではステンレス鋼よりも静かで、プラスチックよりも耐久性があります。騒音が最優先の場合は、ダンパーやフォームなどの小さな変更を加えることで、信頼性の高いロボットに必要な強度を犠牲にすることなく、騒音を大幅に下げることができます。
アルミニウム製のロボット シャーシを購入している場合、または現在のセットアップの騒音を下げる方法をお知りになりたい場合は、当社が対応します。当社は長年にわたって高品質の CNC 加工ロボット部品を供給してきました。そのため、標準のアルミニウム ロボット シャーシ、カスタム部品、またはロボットの騒音を調整するためのロボット アクセサリが必要な場合でも、当社がお手伝いいたします。あなたの特定のプロジェクトについてチャットするために、遠慮せずに私たちのチームに連絡してください。一般的な仕様だけでなく、実践的な経験からのアドバイスをいつでも喜んで共有します。
さて、ロボット シャーシの振動と騒音の科学をさらに詳しく知りたい人のために、ラボ テストやクライアントからの相談に私が依存している参考文献をいくつか紹介します。
- 国際標準化機構 (ISO) 10816: 機械振動 – 非回転部品の測定による機械振動の評価
- Robotics Industry Association (RIA) 産業用ロボットの騒音と振動に関するレポート、2022 年
- Journal of Robotic Systems: 「移動ロボットシャーシの振動を低減するための材料選択」、Vol. 38、第4号、2021年
- 米国国立標準技術研究所 (NIST) テクニカル ノート: 民生用および産業用ロボットの騒音レベル測定、2020 年
