(57)【要約】【課題】  バネが自然長になることに依存せずに間接トルクを補償するバランサー装置を実現できる、直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータを提供する。【解決手段】  第１ベース部２に回転自由に接続された第１回転体３ａと、第１ベース部と相対変位する第２ベース部４に回転自由に接続された第２回転体５ａと、第１回転体の第１側面７ｘと第２回転体の側面５ｘとに巻き付けられて張り渡される第１可撓性連結部材６ａと、第１回転体の第２側面７ｙと第２回転体の側面とに巻き付けられて張り渡されかつ、第１可撓性連結部材とは逆方向のトルクを作用させる第２可撓性連結部材６ｂとを備え、第１側面及び第２側面が、第１回転体の回転角度θにかかわらずＲ≧０かつ、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となるθがある形状であり、ＲはＲ１−Ｒ２であり、Ｒ１、Ｒ２は第１及び第２側面での第１回転体の回転中心から可撓性連結部材の厚み中心までの距離である。【選択図】図１
2014140925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ベース部と、
前記第１ベース部に回転自由に接続される第１回転体と、
前記第１ベース部に対して相対的に直動可能に設けられた第２ベース部と、
前記第２ベース部に回転自由に接続される第２回転体と、
一端が前記第１回転体の第１側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡される第１可撓性連結部材と、
一端が前記第１回転体の第２側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の前記側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡されかつ、前記第１可撓性連結部材とは逆方向のトルクを、張力によって前記第１回転体と前記第２回転体とに作用させる第２可撓性連結部材と、
を備え、
前記第１側面及び前記第２側面は、その形状が、前記第１回転体の回転角度θにかかわらずＲ≧０となるとともに、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる回転角度θが存在するよう形作られた側面であり、
ＲはＲ１−Ｒ２であり、
θは、前記第１回転体が巻き付けられた前記第１可撓性連結部材が解かれる方向を正とする前記第１回転体の回転角度であり、
Ｒ１は、前記第１回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
Ｒ２は、前記第１回転体の前記回転中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
前記第２回転体の側面は、その形状が、前記第２回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材及び前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた側面であり、
前記第２ベース部の直動と前記第１回転体の回転とを変換、若しくは、前記第１ベース部の直動と前記第２回転体の回転とを変換する、直動回転変換装置。
【請求項２】
前記第１回転体は、前記第１側面を有する第１回転板と、前記第２側面を有する第２回転板とで構成される請求項１に記載の直動回転変換装置。
【請求項３】
前記第２側面は、その形状が、前記第１回転体の回転中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた湾曲側面である請求項１又は２に記載の直動回転変換装置。
【請求項４】
前記第１側面が、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した面であり、各曲率半径の中心は、前記第１側面より前記第１回転体の回転中心側に位置する請求項１〜３のいずれか１つに記載の直動回転変換装置。
【請求項５】
前記第２側面が、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した面であり、各曲率半径の中心は、前記第２側面より前記第１回転体の回転中心側に位置する請求項１〜４のいずれか１つに記載の直動回転変換装置。
【請求項６】
前記第１可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向とが平行になるように、前記第１可撓性連結部材の張り渡し位置を規制する第１滑車部をさらに備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の直動回転変換装置。
【請求項７】
前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向が平行になるように、前記第２可撓性連結部材の張り渡し位置を規制する第２滑車部をさらに備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の直動回転変換装置。
【請求項８】
前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向が平行になる位置に、前記第２回転体の回転中心を配置した請求項７に記載の直動回転変換装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の直動回転変換装置と、
前記直動回転変換装置に接続される弾性装置とを備え、前記弾性装置の発生力を変換することで外部負荷に対するバランス力を発生させるバランサー装置。
【請求項１０】
アームと、
前記アームの自重により発生する関節トルクを補償する請求項９に記載のバランサー装置とを備えるマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直動動作と回転動作とを相互に変換する直動回転変換装置において、動滑車機構を用いることで、直動動作と回転動作との変換比の振動的な変化を可能にする、直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
バネの発生力をワイヤ等の可撓性部材を介して回転トルクに変換する直動回転変換装置として、リンク構造式の装置（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）、及び、非円形プーリ式の装置（例えば、特許文献２、非特許文献２参照）が知られている。このような直動回転変換装置は、マニピュレータの自重補償用のバランサー装置等に用いられる。このうち、水平軸回りにアームが回転し、アーム先端が上下動するマニピュレータのバランサー装置では、バネの発生力をワイヤ等の可撓性連結部材に作用させ、可撓性連結部材に作用する張力を、直動回転変換装置を用いて水平軸回りのトルクに変換して、アームの自重による水平軸回りのトルクと釣り合わせている。アームの質量をＭとし、水平軸からアーム重心までの距離をＬとし、アームの垂直上方からの角度をθとする。すると、アームの自重によるトルクは、ＭＬｓｉｎθと表される。直動回転変換装置は、バネ定数をＫとし、バネ変位をＸとしたときのバネの発生力ＫＸがＭＬｓｉｎθと釣り合うように、角度θに応じて変換比を変化させながら直動回転変換を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１４４０２１号公報
【特許文献２】特開２００９−２９１８４３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学会論文集（Ｃ編）７７巻７７７号の２０４２〜２０５１ページ、２０１１年５月発行
【非特許文献２】日本ロボット学会誌２８巻１号の７７〜８４ページ、２０１０年１月発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アームの自重による水平軸回りのトルクは、θ＝０とθ＝πとにおいて０となる。すなわち、アームが垂直上方を向いた状態と垂直下方を向いた状態との二つの状態においては、アームの自重によるトルクが０になるので、バネの発生力による水平軸回りのトルクも０にする必要がある。従来のリンク構造式及び非円形プーリ式の構成で、θ＝０〜πの範囲で釣り合いをとるためには、水平軸から張力が作用する可撓性連結部材までの距離が０となる状態を作ることで、一方の自重によるトルク０の状態に対応している。また、もう一方の自重によるトルク０の状態については、バネが自然長になることで、発生力が０になる状態を利用せざるを得なかった。したがって、アームの上下動が行われる際に、可撓性連結部材に作用する張力は大きく変動することになる。可撓性連結部材は、屈曲しやすくする観点から剛性の向上には限界があるため、可撓性連結部材の伸び量が動作中に大きく変動することになり、正確な自重補償が困難になるとともに、張力が小さい状態ではプーリへの押し付け力が弱くなり、機構的に不安定な状態となることでも、正確な自重補償が困難になるという課題があった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、直動側に作用するバネが自然長になることに依存せずにマニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置を容易に実現できる、直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００８】
本発明の第１態様によれば、第１ベース部と、
前記第１ベース部に回転自由に接続される第１回転体と、
前記第１ベース部に対して相対的に直動可能に設けられた第２ベース部と、
前記第２ベース部に回転自由に接続される第２回転体と、
一端が前記第１回転体の第１側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡される第１可撓性連結部材と、
一端が前記第１回転体の第２側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡されかつ、前記第１可撓性連結部材とは逆方向のトルクを、張力によって前記第１回転体と前記第２回転体とに作用させる第２可撓性連結部材と、
を備え、
前記第１側面及び前記第２側面は、その形状が、前記第１回転体の回転角度θにかかわらずＲ≧０となるとともに、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる回転角度θが存在するよう形作られた側面であり、
ＲはＲ１−Ｒ２であり、
θは、前記第１回転体が巻き付けられた前記第１可撓性連結部材が解かれる方向を正とする前記第１回転体の回転角度であり、
Ｒ１は、前記第１回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
Ｒ２は、前記第１回転体の前記回転中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
前記第２回転体の側面は、その形状が、前記第２回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材及び前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた側面であり、
前記第２ベース部の直動と前記第１回転体の回転とを変換、若しくは、前記第１ベース部の直動と前記第２回転体の回転とを変換する、直動回転変換装置を提供する。
【０００９】
これらの概括的かつ特定の態様は、システム、方法、並びに、システム及び方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の前記態様によれば、直動回転変換装置の直動側に作用する力は、動滑車に力を加えた場合と同様に、第１可撓性連結部材及び第２可撓性連結部材を介して回転側に伝えられる。回転側には、第１可撓性連結部材の張力により作用するトルクと第２可撓性連結部材の張力により作用するトルクとが、それぞれ逆方向に作用するようになる。すなわち、本発明の前記態様によれば、第１可撓性連結部材を介した変換により、直動側に作用する力を角度に応じて異なる比で回転側のトルクに変換するとともに、第２可撓性連結部材を介した変換により、回転側に作用する余剰トルクをキャンセルできるようになる。よって、直動側に作用するバネが自然長になることに依存せずに、マニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置を容易に実現できる、直動回転変換装置が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態における直動出力化装置のθ＝０における概略を示す正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における直動出力化装置のθ＝０における概略を示す左側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における直動出力化装置のθ＝−π／２における概略を示す正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態における直動出力化装置のθ＝−πにおける概略を示す正面図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態における第１回転板の形状とθ＝０における共通接線との関係を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態における第１回転板の形状とθ＝−π／２における共通接線との関係を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の第１実施形態における第１回転板の形状とθ＝−πにおける共通接線との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態における第１回転板の形状と曲率半径との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態における基準円と共通接線と第１回転板の形状との関係を示す図である。
【図８】曲率半径の式における（α／（α−β））３及び（β／（β−α））３とα／｜β｜との関係を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態における別の構成の直動出力化装置のθ＝０における概略を示す正面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態における別の構成の直動出力化装置のθ＝０における概略を示す正面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態における第１直動出力化装置を用いたマニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置のθ＝０における概略を示す正面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態における第１直動出力化装置を用いたマニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置のθ＝０における概略を示す左側面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態における第１直動出力化装置を用いたマニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置のθ＝−π／２における概略を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１３】
本発明の第１態様によれば、第１ベース部と、
前記第１ベース部に回転自由に接続される第１回転体と、
前記第１ベース部に対して相対的に直動可能に設けられた第２ベース部と、
前記第２ベース部に回転自由に接続される第２回転体と、
一端が前記第１回転体の第１側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡される第１可撓性連結部材と、
一端が前記第１回転体の第２側面に巻き付けられ、他端が前記第２回転体の側面に巻き付けられ、前記第１回転体と前記第２回転体との間を張り渡されかつ、前記第１可撓性連結部材とは逆方向のトルクを、張力によって前記第１回転体と前記第２回転体に作用させる第２可撓性連結部材と、
を備え、
前記第１側面及び前記第２側面は、その形状が、前記第１回転体の回転角度θにかかわらずＲ≧０となるとともに、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる回転角度θが存在するよう形作られた側面であり、
ＲはＲ１−Ｒ２であり、
θは、前記第１回転体が巻き付けられた前記第１可撓性連結部材が解かれる方向を正とする前記第１回転体の回転角度であり、
Ｒ１は、前記第１回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
Ｒ２は、前記第１回転体の前記回転中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、
前記第２回転体の側面は、その形状が、前記第２回転体の回転中心から前記第１可撓性連結部材及び前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた側面であり、
前記第２ベース部の直動と前記第１回転体の回転とを変換、若しくは、前記第１ベース部の直動と前記第２回転体の回転とを変換する、直動回転変換装置を提供する。
【００１４】
このような構成によれば、直動回転変換装置の直動側に作用する力は、動滑車に力を加えた場合と同様に、第１可撓性連結部材及び第２可撓性連結部材を介して回転側に伝えられる。回転側には、第１可撓性連結部材の張力により作用するトルクと第２可撓性連結部材の張力により作用するトルクとが、それぞれ逆方向に作用するようになる。すなわち、本発明の前記態様によれば、第１可撓性連結部材を介した変換により、直動側に作用する力を角度に応じて異なる比で回転側のトルクに変換するとともに、第２可撓性連結部材を介した変換により、回転側に作用する余剰トルクをキャンセルできるようになる。よって、直動側に作用するバネが自然長になることに依存せずに、マニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置を容易に実現できる、直動回転変換装置が得られるようになる。
【００１５】
本発明の第２態様によれば、前記第１回転体は、前記第１側面を有する第１回転板と、前記第２側面を有する第２回転板とで構成される第１の態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００１６】
このような構成によれば、第１回転体の製作が容易になると共に、第１可撓性連結部材と第２可撓性連結部材が干渉しにくくなるので、より製作の容易な直動回転変換装置が得られるようになる。
【００１７】
本発明の第３態様によれば、前記第２側面は、その形状が、前記第１回転体の回転中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた湾曲側面である第１又は２の態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００１８】
このような構成によれば、第１回転体部の側面の形状が単純になるので、より製作の容易な直動回転変換装置が得られるようになる。
【００１９】
本発明の第４態様によれば、前記第１側面が、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した面であり、各曲率半径の中心は前記第１側面より前記第１回転体の回転中心側に位置する第１〜３のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００２０】
このような構成によれば、第１回転体の回転中心から第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離が回転角度に応じて連続的に変化するようになるので、回転角度変化に伴う特性変化がなめらかな直動回転変換装置が得られるようになる。
【００２１】
本発明の第５態様によれば、前記第２側面が、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した面であり、各曲率半径の中心は、前記第１側面より前記第１回転体の回転中心側に位置する第１〜４のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００２２】
このような構成によれば、第１回転体の回転中心から第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離が回転角度に応じて連続的に変化するようになるので、回転角度変化に伴う特性変化がなめらかな直動回転変換装置が得られるようになる。
【００２３】
本発明の第６態様によれば、前記第１可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向とが平行になるように、前記第１可撓性連結部材の張り渡し位置を規制する第１滑車部をさらに備える第１〜５のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００２４】
このような構成によれば、前記第１ベースと前記第２ベースが相対変位しても、前記第１可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向が変化しなくなるので、より設計の容易な直動回転変換装置が得られるようになる。
【００２５】
本発明の第７態様によれば、前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向が平行になるように、前記第２可撓性連結部材の張り渡し位置を規制する第２滑車部をさらに備える第１〜６のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００２６】
このような構成によれば、前記第１ベースと前記第２ベースが相対変位しても、前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向が変化しなくなるので、より設計の容易な直動回転変換装置が得られるようになる。
【００２７】
本発明の第８態様によれば、前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向と前記第２ベース部の変位方向が平行になる位置に、前記第２回転体の回転中心を配置した第７の態様に記載の直動回転変換装置を提供する。
【００２８】
このような構成によれば、前記第１ベースと前記第２ベースが相対変位しても、前記第２可撓性連結部材が前記第２回転体から引き出される方向が変化しなくなるので、より設計の容易な直動回転変換装置が得られるようになる。
【００２９】
本発明の第９態様によれば、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置と、
前記直動回転変換装置に接続される弾性装置とを備え、前記弾性装置の発生力を変換することで外部負荷に対するバランス力を発生させるバランサー装置を提供する。
【００３０】
このような構成によれば、前記第１〜８のいずれか１つの態様に記載の直動回転変換装置を備えたバランサー装置を構成することができて、前記直動回転変換装置の作用効果を奏することができるバランサー装置を得ることができる。
【００３１】
本発明の第１０態様によれば、アームと、
前記アームの自重により発生する関節トルクを補償する第９の態様に記載のバランサー装置とを備えるマニピュレータを提供する。
【００３２】
このような構成によれば、前記第９の態様に記載のバランサー装置を備えたマニピュレータを構成することができて、前記バランサー装置の作用効果を奏することができるマニピュレータを得ることができる。
【００３３】
以下、本発明の実施形態にかかる直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータについて、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
＜構成＞
図１、及び図２は、本発明の第１実施形態における直動回転変換装置の一例として機能する直動出力化装置１ａのθ＝０における概略をそれぞれ正面と左側面とにて示す。図３は、本発明の第１実施形態における直動出力化装置１ａのθ＝−π／２における概略を示す。図４は、本発明の第１実施形態における直動出力化装置１ａのθ＝−πにおける概略を示す。
【００３５】
第１直動出力化装置１ａは、第１ベース部の一例としてのベース板２と、第１回転体の一例としての第１複合板３ａと、第２ベース部の一例としてのスライダ４と、第２回転体の一例としての第１円板５ａと、第１可撓性連結部材の一例としての第１スチールベルト６ａと、第２可撓性連結部材の一例としての第２スチールベルト６ｂとを備える。
【００３６】
第１複合板３ａは、第１側面７ｘを有する第１回転板７ａと、第２側面７ｙを有する第２回転板７ｂとで構成されて、ベース板２に回転自由に接続される。一例として、第２回転板７ｂは円板であり、第１回転板７ａは湾曲面を有する一種の円弧カムである。第１回転板７ａには、第１スチールベルト６ａの一端（図１において第１回転板７ａと接触している部分）が固定され、第１複合板３ａが反時計回りに回転するにしたがって第１側面７ｘに第１スチールベルト６ａが巻き付けられるよう構成されている。図４において、第１スチールベルト６ａが巻き付けられている範囲までが、第１側面７ｘとなる。第１側面７ｘは湾曲面である。第２回転板７ｂには、第２スチールベルト６ｂの一端（図４において第２回転板７ｂと接触している部分）が固定され、第１複合板３ａが時計回りに回転するにしたがって第２側面７ｙに第２スチールベルト６ｂが巻き付けられるよう構成されている。図１において、第２スチールベルト６ａが巻き付けられている範囲までが第２側面７ｙとなる。第２側面７ｙは湾曲面である。第１複合板３ａには、回転軸８が固定されており、回転軸８は、ベース板２に対して回転自由に連結されている。一例として、第２回転板７ｂでは、円板の中心位置に回転軸８が固定されており、第１回転板７ａでは、円弧カムの中心から偏心した位置に回転軸８が固定されている。
【００３７】
スライダ４は、ベース板２に対して相対的に直動可能に設けられている。具体的には、スライダ４は、ベース板２の下端に固定されて下向きに垂下されたガイドレール９に対して、図１及び図２の上下方向に移動自由に連結されている。スライダ４には、表面側に固定軸１０が突出して固定されている。固定軸１０に対して、第１円板５ａがその中心位置で回転自由に連結されている。第１円板５ａの湾曲側面５ｘには、第１スチールベルト６ａの他端が固定され、第１円板５ａが反時計回りに回転するにしたがって第１スチールベルト６ａが第１円板５ａの湾曲側面５ｘに巻き付けられるよう構成されている。また、第１円板５ａの湾曲側面５ｘには、第２スチールベルト６ｂの他端も固定され、第１円板５ａが時計回りに回転するにしたがって第２スチールベルト６ｂが第１円板５ａの湾曲側面５ｘに巻き付けられるよう構成されている。
【００３８】
第１スチールベルト６ａは、第１回転板７ａと第１円板５ａとの間で第１滑車１１ａに掛けられることで、第１滑車１１ａから第１円板５ａまでの間においてスライダ４の移動方向（すなわち、図１の上下方向）と平行になるよう構成されている。第１滑車１１ａは、ベース板２の表面の下部に固定された滑車軸１２ａに対して回転自由に連結されている。第２スチールベルト６ｂは、第２回転板７ｂと第１円板５ａとの間で第２滑車１１ｂに掛けられることで、第２滑車１１ｂから第１円板５ａまでの間においてスライダ４の移動方向（すなわち、図１の上下方向）と平行になるよう構成されている。第２滑車１１ｂは、ベース板２の表面の下部に固定された滑車軸１２ｂに対して回転自由に連結されている。よって、第１滑車１１ａと第２滑車１１ｂとは、ベース板２の表面側で、ガイドレール９の軸方向を間に挟むように位置している。なお、回転軸８の軸心と固定軸１０の軸心は、ガイドレール９の軸方向上に配置されている。
【００３９】
次に、この第１直動出力化装置１ａの作用を説明する。
【００４０】
図１の状態では、回転軸８を介して第１複合板３ａに作用する反時計回りのトルクＴは、第１スチールベルト６ａの張力により第１回転板７ａに作用する時計回りのトルクと、第２スチールベルト６ｂの張力により第２回転板７ｂに作用する反時計回りのトルクとの合成トルクと釣り合う。回転自由な第１円板５ａには、第１スチールベルト６ａの張力による時計回りのトルクと第２スチールベルト６ｂの張力による反時計回りのトルクとの合成トルクが作用するが、加減速を伴わない定常状態では、第１円板５ａに作用する合成トルクは０になる。
【００４１】
第１円板５ａの外形は円であり、第１スチールベルト６ａの厚みは一定である。このため、第１円板５ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離、すなわち、第１円板５ａから第１滑車１１ａまで張り渡される第１スチールベルト６ａの厚み中心の線まで、第１円板５ａの回転中心から引いた垂線の長さは、第１円板５ａの半径と第１スチールベルト６ａの厚みの半分との和となり、第１円板５ａの回転角度にかかわらず一定となる。同様に、第２スチールベルト６ｂの厚みは第１スチールベルト６ｂの厚みと等しく一定である。このため、第１円板５ａの回転中心から第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離、すなわち、第１円板５ａから第２滑車１１ｂまで張り渡される第２スチールベルト６ｂの厚み中心の線まで、第１円板５ａの回転中心から引いた垂線の長さは、第１円板５ａの半径と第２スチールベルト６ｂの厚みの半分との和となり、第１円板５ａの回転角度にかかわらず一定となる。したがって、第１円板５ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離と第１円板５ａの回転中心から第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離とは常に等しくなる。このため、第１スチールベルト６ａの張力と第２スチールベルト６ｂの張力とは、加減速を伴わない定常状態では常に等しくなる。なお、ここでいう厚み中心までの距離とは、張力を伝達する主要部分の厚みに対する中心までの距離であり、トルク／張力で表される半径に相当する。すなわち、可撓性連結部材の一例としての第１スチールベルト６ａ又は第２スチールベルト６ｂの表面に突起状の構造を付加する等の加工が行われても、厚み中心までの距離は変化しない。
【００４２】
よって、第１複合板３ａに作用する反時計回りのトルクＴにより発生する第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとの張力Ｎは、第１複合板３ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離Ｒ１と、第１複合板３ａの回転中心から第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離Ｒ２とを用いて、Ｎ＝Ｔ／（Ｒ１−Ｒ２）と表される。第１複合板３ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離とは、第１回転板７ａから第１滑車１１ａまで張り渡される第１スチールベルト６ａの厚み中心の線まで、第１複合板３ａの回転中心から引いた垂線の長さである。第１複合板３ａの回転中心から第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離とは、第２回転板７ｂから第２滑車１１ｂまで張り渡される第２スチールベルト６ｂの厚み中心の線まで、第１複合板３ａの回転中心から引いた垂線の長さである。第１実施形態では、第２回転板７ｂの外形（第２側面７ｙ）は円であることから、第１複合板３ａの回転角度にかかわらず、距離Ｒ２は一定である。
【００４３】
スライダ４には、固定軸１０及び第１円板５ａを介して、第１スチールベルト６ａの張力と第２スチールベルト６ｂの張力との和が上向きの力Ｆ＝２Ｎとして作用する。したがって、第１直動出力化装置１ａにより、回転軸８に作用する反時計回りのトルクＴを、スライダ４の上向きの力Ｆ＝２Ｔ／（Ｒ１−Ｒ２）に、変換することができる。
【００４４】
第１実施形態では、回転軸８に作用する反時計回りのトルクＴ＝−Ａｓｉｎθ（−π≦θ＜０）を、スライダ４の上向きの力Ｆ＝Ｋ（Ｘ＋Ｘ０）に変換する。ここで、Ａ、Ｋ、Ｘ０は正の定数である。後述のマニピュレータ３１の関節トルクを補償するバランサー装置３２においては、定数Ａはマニピュレータの自重による最大関節トルクに相当し、定数Ｋはバネ定数に相当し、定数Ｘ０はバネの最小変位に相当する。前記トルクＴの式の中のθは第１複合板３ａの回転角度を表し、図１の状態がθ＝０となる。回転角度θは、第１複合板３ａが反時計回りに回転するほど減少し、図４の状態がθ＝−πとなる。前記力Ｆの式の中のＸはスライダ４の変位を表し、図１の状態がＸ＝０となる。変位Ｘは、スライダ４が上に移動するほど増加し、図４の状態がＸ＝Ｘｍａｘとなる。図４の状態でも、第１円板５ａはベース２には接触せず、回転可能になっている。
【００４５】
エネルギーの釣り合いより、Ｘ＝−Ｘ０＋ｓｑｒｔ（２Ａ（１−ｃｏｓθ）／Ｋ＋Ｘ０２）となり、Ｘｍａｘ＝−Ｘ０＋ｓｑｒｔ（４Ａ／Ｋ＋Ｘ０２）となる。力Ｆを回転角度θの関数として表すと、Ｆ＝ｓｑｒｔ（２ＡＫ（１−ｃｏｓθ）＋Ｋ２Ｘ０２）となる。したがって、Ｒ１＝Ｒ２−２Ａｓｉｎθ／ｓｑｒｔ（２ＡＫ（１−ｃｏｓθ）＋Ｋ２Ｘ０２）≧Ｒ２となる。第１回転板７ａの第１側面７ｘは、第１回転板７ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離がＲ１となるように形作られる。
【００４６】
第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状について、さらに詳しく説明する。第１複合板３ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離がＲ１になる形状とは、それぞれの回転角度θにおいて、第１複合板３ａの回転中心と同軸の半径Ｒ１の円と第１滑車１１ａのピッチ円との共通接線を引いたときの全ての共通接線に接する曲線が外形となる形状である。
【００４７】
この様子を、図５Ａ、図５Ｂ、及び、図５Ｃに示す。
【００４８】
図５Ａは、θ＝０における状態であり、Ｒ１＝Ｒ２の基準円７１ａと第１滑車１１ａのピッチ円との共通接線として、共通接線７２ａが引かれる。
【００４９】
図５Ｂは、θ＝−π／２における状態であり、Ｒ１＝Ｒ２−２Ａ／ｓｑｒｔ（２ＡＫ＋Ｋ２Ｘ０２）の基準円７１ｂと第１滑車１１ａのピッチ円との共通接線として、共通接線７２ｂが引かれる。
【００５０】
図５Ｃは、θ＝−πにおける状態であり、Ｒ１＝Ｒ２の基準円７１ｃと第１滑車１１ａのピッチ円との共通接線として、共通接線７２ｃが引かれる。
【００５１】
第１回転板７ａの外形の実線で表される第１側面部分は、共通接線７２ａと、共通接線７２ｂと、共通接線７２ｃとの全てに接する曲線になっている。この部分が、第１回転板７ａの形状の主たる部分になる。この曲線により規定される第１回転板７ａの第１側面部分（第１側面７ｘの形状）は、屈曲部が無く、滑らかに湾曲した面であり、図６に示すように、異なる曲率半径Ｒ’１、Ｒ’２、Ｒ’３をそれぞれ有する複数の微小な円弧７３ａ、７３ｂ、７３ｃの集まり（例えば、微小な円弧の無限個の集まり）で形成される湾曲した面として表現することもできる。このとき、第１回転板７ａの第１側面部分の形状は、第１回転板７ａの回転中心から見て常に凸形状になる。このため、曲率半径Ｒ’１、Ｒ’２、Ｒ’３の円弧の中心７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、第１回転板７ａの外形（第１側面７ｘ）に対して、常に第１回転板７ａの回転中心側に存在するようになる。なお、図５Ａ、図５Ｂ、及び、図５Ｃにおいて、第１回転板７ａの外形のうちの破線で表される部分については、第１複合板３ａの回転中に第１スチールベルト６ａと接触しないように、全ての共通接線に接触しない形状であれば、自由に選択することができる。
【００５２】
第１回転板７ａの形状について、図７を用いてさらに詳しく説明する。図７は、ある回転角度θにおける基準円７１と共通接線７２と第１回転板７ａの外形との関係を示している。図中のＷは、基準円７１と共通接線７２との接点と、第１回転板７ａの第１側面７ｘと共通接線７２との接点との間隔を表している。θｃは、第１軸９ａの中心とそれぞれの接点とを結んだ線がなす角を表している。Ｒｃは、第１軸９ａの中心から第１回転板７ａの第１側面７ｘと共通接線７２との接点までの距離を表している。
【００５３】
まず、第１複合板３ａの回転中心と第１滑車１１ａの回転中心との間隔が無限である場合について説明する。この場合、共通接線７２の方向は、回転角度θが変化しても、常に、第１複合板３ａの回転中心と第１滑車１１ａの回転中心とを結んだ方向となる。このとき、第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状は、回転角度θの関数としての距離Ｒｃと角θｃとを用いて、半径Ｒｃと角度θ＋θｃとでプロットした形状となる。距離Ｒｃはｓｑｒｔ（Ｒ１２＋Ｗ２）であり、角θｃはｔａｎ−１（Ｗ／Ｒ１）で表される。第１複合板３ａの回転中心と第１滑車１１ａの回転中心との間隔が無限である場合は、距離Ｒ１を回転角度θで微分したｄＲ１／ｄθを間隔Ｗとする。このようにすることで、それぞれの回転角度θにおける全ての共通接線に接する第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状を得ることができる。
【００５４】
次に、第１複合板３ａの回転中心と第１滑車１１ａの回転中心との間隔が有限の値Ｙで表される場合について説明する。この場合、共通接線７２の向きが、回転角度θにより変化するようになる。このため、第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状は、半径Ｒｃと回転角度θ＋θｃ−ｓｉｎ−１（（Ｒ１＋Ｒｐ）／Ｙ）とでプロットした形状となる。このとき、共通接線７２の方向は、第１複合板３ａの回転中心と第１滑車１１ａの回転中心とを結んだ方向からｓｉｎ−１（（Ｒ１＋Ｒｐ）／Ｙ）だけ傾くようになる。ただし、Ｒｐは第１滑車１１ａのピッチ円半径である。そして、間隔Ｗを
【数１】
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とすることで、それぞれの回転角度θにおける全ての共通接線に接する第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状を得ることができる。さらに、第１実施形態のように、第１回転板７ａと第１滑車１１ａとで第１スチールベルト６ａの曲げ方向が逆になる構成ではなく、後述の別の構成のように曲げ方向が同じになる構成にする場合には、Ｒ１＋Ｒｐを全てＲ１−Ｒｐで置き換えることで、第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状を得ることができる。ただし、以上のようにして求められる第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状は、第１滑車１１ａのピッチ円に相当するものであるため、実際に製作すべき形状は、回転中心側の法線方向に第１スチールベルト６ａの厚みの半分だけオフセットした形状となる。
【００５５】
第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状について前述の通り規定したが、実現可能な形状になるためには、距離Ｒ２にも条件がある。第１回転板７ａの第１側面７ｘの曲率半径Ｒ’を式で表すと、Ｒ’＝Ｒ１＋（α／（α−β））３（ｄ２Ｒ１／ｄθ２）−（β／（β−α））３（Ｒ１±Ｒｐ）となる。ここで、α＝ｓｑｒｔ（Ｙ２−（Ｒ１±Ｒｐ）２））であり、β＝ｄＲ１／ｄθである。Ｒ１±Ｒｐは、第１実施形態のように第１回転板７ａと第１滑車１１ａとで第１スチールベルト６ａの曲げ方向が逆になる場合はＲ１＋Ｒｐとなり、後述の第２実施形態のように曲げ方向が同じになる場合はＲ１−Ｒｐとなる。図８に、（α／（α−β））３及び（β／（β−α））３とα／｜β｜との関係を示す。図８より、α≪｜β｜の場合には曲率半径Ｒ’は半径Ｒｐに収束し、α≫｜β｜の場合には曲率半径Ｒ’はＲ１＋ｄ２Ｒ１／ｄθ２に収束することがわかる。αが距離Ｒ１以上になるのは値Ｙが大きくなれば容易に実現されるが、｜β｜が距離Ｒ１以上になるには指数関数的な急激な変化が必要になる。したがって、α／｜β｜＞３程度が現実的に想定される範囲となる。この場合、Ｒ１＋３×ｄ２Ｒ１／ｄθ２が負の値になるような状態だと、曲率半径Ｒ’が負になる危険性が高いことになる。全ての回転角度θに対して曲率半径Ｒ’が正の値を維持できれば、第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状は曲率半径の中心が常に第１複合板３ａの回転中心側に存在する形状になる。このため、第１スチールベルト６ａを巻き付けることが可能な形状となるが、曲率半径Ｒ’が負になる場合、曲率半径の中心が第１複合板３ａの回転中心とは反対側に位置するようになり、第１スチールベルト６ａを巻き付けることのできない形状となる。
【００５６】
第１実施形態では、Ｒ１＝Ｒ２−２Ａｓｉｎθ／ｓｑｒｔ（２ＡＫ（１−ｃｏｓθ）＋Ｋ２Ｘ０２）であるので、距離Ｒ１は距離Ｒ２により調節可能である。Ｒ＝Ｒ１−Ｒ２として、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる回転角度θが存在する特性を実現する場合、従来の単一の非円形プーリを用いた変換では不可能であっても、第１実施形態では距離Ｒ２の効果により実現可能になる。すなわち、曲率半径Ｒ’は距離Ｒ１とｄ２Ｒ１／ｄθ２との影響が支配的なので、これらが増加するよう距離Ｒ２を選定すればよい。第１実施形態におけるＲ＝−２Ａｓｉｎθ／ｓｑｒｔ（２ＡＫ（１−ｃｏｓθ）＋Ｋ２Ｘ０２）についても、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる領域が存在し、単一の非円形プーリを用いた変換では実現不可能である。距離Ｒ２を一定とする構成は、距離Ｒ１の増加に効果があり、ｄ２Ｒ１／ｄθ２には影響を与えないので利用可能である。距離Ｒ２を一定とする構成は、設計と製作が容易な点で望ましい。また、第２回転板７ｂの第２側面７ｙが実現可能な構成となるように、第２側面７ｙの曲率半径も正の値でなければならない。第２側面７ｙの曲率半径は、第１側面７ｘと同様にして求めることができる。ｄ２Ｒ２／ｄθ２は０以上であることが望ましいが、ｄ２Ｒ／ｄθ２が十分に大きい回転角度θの範囲については負の値になっても問題はない。
【００５７】
このように、第１側面７ｘ及び第２側面７ｙは、その形状が、第１複合板３ａの回転角度θにかかわらずＲ≧０となるとともに、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる回転角度θが存在するよう形作られた側面として形成することができる。ここで、前記したように、ＲはＲ１−Ｒ２であり、θは、第１複合板３ａが巻き付けられた第１スチールベルト６ａが解かれる方向を正とする第１複合板３ａの回転角度であり、Ｒ１は、第１複合板３ａの回転中心から第１スチールベルト６ａの厚み中心までの距離であり、Ｒ２は、第１複合板３ａの回転中心から第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離である。また、第１円板５ａの側面５ｘは、その形状が、第１円板５ａの回転中心から第１スチールベルト６ａ及び第２スチールベルト６ｂの厚み中心までの距離が一定値となるように形作れられた側面である。このように構成した第１直動出力化装置１ａにより、スライダ４の直動と第１複合板３ａの回転とを変換、若しくは、前記第１ベース部の直動と第１円板５ａの回転とを変換するようにしている。
【００５８】
＜効果＞
前記第１実施形態にかかる構成によれば、第１直動出力化装置１ａのスライダ４に作用する力は、動滑車に力を加えた場合と同様に、第１スチールベルト６ａ及び第２スチールベルト６ｂを介して第１複合板３ａに伝えられる。第１複合板３ａには、第１スチールベルト６ａの張力により作用するトルクと第２スチールベルト６ｂにより作用するトルクとが、それぞれ逆方向に作用するようになる。すなわち、前記第１実施形態によれば、第１スチールベルト６ａを介した変換により、スライダ４に作用する力を、角度に応じて異なる比で、第１複合板３ａのトルクに変換するとともに、第２スチールベルト６ｂを介した変換により、第１複合板３ａに作用する余剰トルクをキャンセルできるようになる。よって、スライダ４に作用するバネが自然長になることに依存せずに、マニピュレータの関節トルクを補償するバランサー装置を容易に実現できる、第１直動出力化装置１ａが得られるようになる。
【００５９】
なお、第１実施形態では、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとをそれぞれ第１複合板３ａと第１円板５ａとに直接接続しているが、これに限るものではなく、同様の作用効果を呈する構成であれば、別の構造体を介して間接的に接続するようにしても良い。
【００６０】
なお、第１実施形態では、可撓性連結部材の例としてスチールベルトを用いているが、これに限るものではなく、金属製以外のベルト、又は、ワイヤロープ等の紐状のものであっても同様に実施可能である。また、紐状の部材を用いる場合、一例として、対応する第１回転板７ａ、第２回転板７ｂ、及び第１円板５ａ、並びに、第１滑車１１ａ、第２滑車１１ｂのそれぞれの外周には、脱落防止のための溝を設ける。また、紐状の部材を用いる場合、第１回転板７ａ、第２回転板７ｂ、及び第１円板５ａの回転角度は１回転未満に限るものではなく、ドラム状の回転体とすることで、複数回、回転させるようにしても良い。また、紐状の部材を用いる場合、第１可撓性連結部材の一端と第２可撓性連結部材の一端とを連結して、第２回転体に巻き付けるようにしても良い。
【００６１】
なお、第１実施形態では、第１複合板３ａの回転とスライダ４の直動とを変換しているが、これに限るものではなく、第１円板５ａの回転とベース板２の直動とを変換する直動回転変換装置としても利用可能である。
【００６２】
なお、第１実施形態では、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとの厚みを等しくしているが、これに限るものではなく、それぞれの厚みを異ならせても良い。
【００６３】
なお、第１実施形態では、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとが交差する構成としているが、これに限るものではなく、交差しない配置としても良い。この際、第１実施形態のように第１回転板７ａと第２回転板７ｂとが段違いに配置された構成とせずに、１枚の板となるような配置としてもよい。また、第１実施形態では、距離Ｒ２を一定としているが、これに限るものではなく、第１回転板７ａと第２回転板７ｂとが実現可能な範囲で回転角度θに対する自由な関数とすることができる。
【００６４】
第１実施形態の変形例として、図９に、１枚の板の一例を含む第１実施形態における別の構成の直動出力化装置１ｂのθ＝０における概略を示す。第２複合板３ｂは、第１回転板７ａと第２回転板７ｂとにそれぞれ相当する第３回転板部７ｃと第４回転板部７ｄとを一体化した１枚の板部材で構成されている。そして、第２複合板３ｂの回転を第１円板５ａに相当する第２円板５ｂの直動に変換しているが、その変換特性は図１の構成と同一である。第２複合板３ｂは、第３回転板部７ｃと第４回転板部７ｄとが同じ高さに存在して一体化しているので、１枚の板状の部材になっている。これに伴って、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとは、それぞれの端部が連結され、一続きのスチールベルトになっている。図９の構成では、図１の構成に比べて、第１滑車１１ａと第２滑車１１ｂとの配置位置が入れ替わり、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとが交差しない構成となっている。そして、第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとが、第２円板５ｂに対して、図１の第１円板５ａに対する場合とは反対側に巻き付けられている。これに伴って、第２円板５ｂは、図１の第１円板５ａとは逆方向に回転するようになっている。また、図９の構成では、図１の構成と比べると、第３回転板部７ｃと第１滑車１１ａとで第１スチールベルト６ａの曲げ方向が同じに変化している一方で、第４回転板部７ｄと第２滑車１１ｂとで第２スチールベルト６ｂの曲げ方向は逆のままである。第２複合板３ｂを１枚の板部材とする構成としては、これに限るものではなく、第３回転板部７ｃと第１滑車１１ａとで第１スチールベルト６ａの曲げ方向が逆の構成であっても、第４回転板部７ｄと第２滑車１１ｂとで第２スチールベルト６ｂの曲げ方向が同じ構成であっても、同様に実現可能である。また図９では、距離Ｒ２が角度により変化する構成としている。この場合の第２回転板部７ｄの第２側面７ｙの形状については、第１回転板部７ｃの第１側面７ｘの形状を求める手順と同様にして求めることができる。したがって、第２回転板部７ｄの第２側面７ｙの形状も、第１回転板部７ｃの第１側面７ｘの形状と同様に、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の微小な円弧の集まり（例えば、微小な円弧の無限個の集まり）で形成される湾曲した面として表現することができる。さらに、第２回転板部７ｄの第２側面７ｙの形状は、第２回転板部７ｄの回転中心から見て常に凸形状になるため、それぞれの微小な円弧の中心は、第２回転板部７ｄの外形（第２側面７ｙ）に対して、常に第２回転板部７ｄの回転中心側に存在するようになる。
【００６５】
なお、第１実施形態では、第１滑車１１ａと第２滑車１１ｂとを用いることで第１スチールベルト６ａと第２スチールベルト６ｂとの位置をそれぞれ規制しているが、これに限るものではない。例えば、図１０に示す第１実施形態の別の変形例における別の構成の直動出力化装置１ｃのように、距離Ｒ２を一定としつつ、第２回転板７ｂに相当する円形の第６回転板７ｆと第１円板５ａに相当する第３円板５ｃとの間を張り渡されるスチールベルト６ｂの向きと第３円板５ｃの移動方向とが等しくなるよう、第３円板５ｃを配置することで、第２滑車１１ｂが無くても、第１回転板７ａに相当する第５回転板７ｅとの組み合わせにより同様の特性が得られるようになる。また、第１滑車１１ａについても、距離Ｒ１の変動が小さい場合、又は、回転軸８と固定軸１０との間隔が広い場合などには、変換特性に大きな影響が生じないので、省略することができる。
【００６６】
なお、第１実施形態では、マニピュレータのバランサー装置のための特性を備えた第１直動出力化装置１ａを実現しているが、これに限るものではなく、Ｒ＋３×ｄ２Ｒ／ｄθ２＜０となる領域が存在する単体の非円形プーリでは実現できないその他の特性、例えば発生力が変位に伴って増減を繰り返す特性を実現する直動変換装置としても利用可能である。
【００６７】
さらに、第１実施形態における第１直動出力化装置１ａを用いるマニピュレータ３１の関節トルクを補償するバランサー装置３２のθ＝０における構成例を図１１と図１２とにそれぞれ正面図と左側面図として示す。図１３は、バランサー装置３２のθ＝−π／２における構成例を示す。
【００６８】
図１１のバランサー装置３２は、第１直動出力化装置１ａのベース板２の両側に、弾性装置の一例である圧縮バネユニット２１ａ、２１ｂを固定している。圧縮バネユニット２１ａ、２１ｂは、それぞれ圧縮バネボックス２２ａ、２２ｂにロッド２３ａ、２３ｂを押し込むことで、圧縮バネボックス２２ａ、２２ｂに内蔵された圧縮バネが圧縮されて反発力が発生する構造になっている。圧縮バネユニット２１ａ、２１ｂのロッド２３ａ、２３ｂは、スライダ４に固定されており、図１１における下方向への力を発生するようになっている。圧縮バネユニット２１ａ、２１ｂは、それぞれバネ定数がＫ／２で、図１１の状態で初期変位としてＸ０が与えられている。マニピュレータ３１は、基台２４の上にベースリンク２５が固定されている。ベースリンク２５には、バランサー装置３２が固定されている。バランサー装置３２の回転軸８はベースリンク２５に回転自由に支持されつつ貫通し、アームリンク２６と接続されている。アームリンク２６の質量はＭであり、回転軸８の中心からアームリンク２６の重心までの距離はＬであり、第１直動出力化装置１ａにおける定数ＡとＡ＝ＭｇＬの関係にある。ｇは重力加速度である。
【００６９】
このような構成とすることで、アームリンク（アーム）２６の自重はバランサー装置３２によりバランスされ、アームリンク２６の自重を気にすることなく（言い換えれば、アームリンク（アーム）２６の自重により発生する関節トルクを補償しつつ）回転することができるとともに、θ＝−π〜０の任意の角度、例えば図１２のようにθ＝−π／２の角度でアームリンク２６を静止させることができるようになる。
【００７０】
なお、バランサー装置３２における弾性装置としては、圧縮バネに限るものではなく、同様の作用効果を呈するものであれば、任意の公知技術の組み合わせが利用可能である。例えば、弾性装置として、気体の圧力を用いたバネ又は磁気力を用いたバネを用いても良い。さらに、圧縮バネの代わりに引っ張りバネを用いて下方から引っ張る構成としても良い。また、バネ特性も線形に限るものではなく、非線形バネを用いても良い。このときの第１回転板７ａの第１側面７ｘの形状は、変位Ｘを回転角度θで表す際に用いた線形バネの弾性エネルギー変化をそれぞれの弾性体における弾性エネルギーの変化に置き換えることで、同様に求めることができる。
【００７１】
なお、マニピュレータ３１の構成についても、図１１の構成に限るものではなく、補償トルクが関節角度の関数として表せる構成であれば同様に適用可能である。
【００７２】
なお、上記様々な実施形態又は変型例のうちの任意の実施形態又は変型例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明にかかる直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータは、バネが自然長になることに依存せずに関節トルクを補償することができ、有用である。また、本発明にかかる直動回転変換装置、それを用いたバランサー装置及びマニピュレータは、バランサー装置又はアクチュエータ以外でも、仮想的な中立点に対する復元力を与える復元装置、又は、マニピュレータ等の接触力、剛性を調節するクッション装置、又は、位置により反発力が変化することで操作感覚を提示するインターフェース装置としても応用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１ａ、１ｂ、１ｃ  第１、第２、第３直動出力化装置
２  ベース板
３ａ、３ｂ、３ｃ  第１、第２、第３複合板
４  スライダ
５ａ、５ｂ、５ｃ  第１、第２、第３円板
５ｘ  側面
６ａ、６ｂ  第１、第２スチールベルト
７ａ、７ｂ、７ｅ、７ｆ  第１、第２、第５、第６回転板
７ｃ、７ｄ  第３、第４回転板部
７ｘ  第１側面
７ｙ  第２側面
８  回転軸
９  ガイドレール
１０  固定軸
１１ａ、１１ｂ  第１、第２滑車
１２ａ、１２ｂ  第１、第２滑車軸
２１ａ、２１ｂ  圧縮バネユニット
２２ａ、２２ｂ  圧縮バネボックス
２３ａ、２３ｂ  ロッド
２４  基台
２５  ベースリンク
２６  アームリンク
３１  マニピュレータ
３２  バランサー装置
７１、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ  基準円
７２、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ  共通接線
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ  円弧
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ  円弧の中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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