(57)【要約】【課題】シンプルかつ軽量な構成で、リンクへの負荷の変化に応じて、自重補償の補償重量を高応答に制御する。【解決手段】本発明に係る自重補償装置１０は、回転軸を中心に上下方向に回動可能な回転体であるアーム１１と、アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するようにアーム１１を支持する弾性支持部１２とを備え、弾性支持部１２は少なくとも一部に、長さを変化させることなく、ばね定数を変化させることができる可変弾性体１２ａを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に上下方向に回動可能な、回転体と、
前記回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように前記回転体を支持する、弾性支持部とを備え、
前記弾性支持部は、少なくとも一部に、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体を含むことを特徴とする自重補償装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自重補償装置において、
前記可変弾性体は、筒状の弾性部材と繊維とを含んで構成された筒状体を有し、前記筒状体の内部への流体による押圧力が一定値以上である場合には、長さを変化させることなく前記押圧力に応じてばね定数を変化させることができる、流体圧式弾性体である、自重補償装置。
【請求項３】
請求項２に記載の自重補償装置において、
前記流体圧式弾性体は、前記筒状の弾性部材の軸方向に沿って複数の前記繊維が埋設されて構成されている、自重補償装置。
【請求項４】
請求項２に記載の自重補償装置において、
前記流体圧式弾性体は、前記筒状の弾性部材の外周が、スリーブ状に編み込まれた前記繊維で覆われて構成されている、または、前記筒状の弾性部材に、前記スリーブ状に編み込まれた繊維が埋設されて構成されている、自重補償装置。
【請求項５】
請求項１に記載の自重補償装置において、
前記可変弾性体は、弾性体と、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体が封入され、前記流体への電界または磁界の印加によりばね定数を変化させることができる、封入体とを、直列または並列に接続して構成されている、自重補償装置。
【請求項６】
請求項５に記載の自重補償装置において、
前記弾性体は、筒状の弾性部材と繊維とを含んで構成された筒状体を有し、前記筒状体の内部への流体による押圧力が一定値以上である場合には、長さを変化させることなく前記押圧力に応じてばね定数を変化させることができる、流体圧式弾性体である、自重補償装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の自重補償装置において、
前記回転体の上下方向の回動を減衰させるダンパをさらに有し、
前記ダンパは、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体が封入された封入体を備えており、前記流体への電界または磁界の印加により前記回転体の上下方向の回動を減衰させる減衰力を変化させることができる、可変ダンパである、自重補償装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の自重補償装置を備え、前記回転体を介して利用者に所定の力覚を提示するように、前記可変弾性体のばね定数を制御することを特徴とする力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自重補償装置およびそれを用いた力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然環境との共存を目指し、様々な機器の省エネ・省電力化が求められている。特に、産業部門からのＣＯ２排出量、つまりエネルギー排出量は、社会全体の消費エネルギーの約４割を占めるとも言われており、省エネ・省電力化が求められている。例えば、建設現場および工場ラインなどの労働現場において、建設機械のアーム、工場ラインで利用される産業用ロボットのアーム、重量物を運搬する際に人を補助する荷役機械のアームなどのアーム自体および荷物の上下移動に伴う位置エネルギーの消費が大きい。例えば、ブルドーザのアーム先端のバケットは７００ｋｇ程度であり、土砂をトラックに積み込むために約１００ｋＪの位置エネルギーを消費すると言われている。
【０００３】
上述したようなアームを移動可能とするリンク機構の位置エネルギーの消費低減を図る手段として、自重補償がある。自重補償には大きく分けて、回転軸を中心に上下方向に回動する（回転軸を中心に水平軸回りに回転する）リンクの自重トルクに釣り合う重りを用いる、カウンタ・ウェイト方式と、一定の重力下での所定の幾何学的関係により決まる釣り合い状態を利用して、弾性要素を用いてリンクの自重トルクを補償する、弾性要素方式（例えば、特許文献１参照）とがある。
【０００４】
カウンタ・ウェイト方式では、総重量および慣性力が増加すること、重りがリンクと反対方向に突出することなど、実用上の問題がある。これに対して、弾性要素方式では、総重量の増加が抑制され、コンパクトに構成可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８４９６５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、弾性要素方式では、所定の幾何学的関係により決まる釣り合い状態を利用して、弾性要素、具体的には、ばねを用いて、リンクの自重トルクを補償する。ここで、リンクへの負荷が変化すると、ばねが伸張または収縮して所定の幾何学的関係が満たされなくなり、十分な自重補償能力が得られなくなることがある。
【０００７】
リンクへの負荷の変化に応じて自重補償の補償重量を調整し、十分な自重補償能力を得る方法としては、リンクへの負荷の変化に応じて、長さが同じでばね定数が異なるばねに交換する方法（第１の方法）、長さおよびばね定数が異なるばねに交換し、リンクの変位とばねの圧縮長または伸張長とを調整する方法（第２の方法）、レールなどを用いてリンクの取り付け位置を変更する方法（第３の方法）等がある。
【０００８】
第１の方法および第２の方法では、ばねの交換が必要であるため、リンクへの負荷の変化に応じた瞬時的な調整が困難であるという問題がある。また、第２の方法では、複数のばね長に対応する機構が必要になるという問題がある。また、第３の方法では、リンクの取り付け位置を変更するための機構が必要になるため、装置の複雑化、重量化、大型化、高コスト化などを招く、また、瞬時的な幾何学的関係の変更は困難であるという問題がある。
【０００９】
このように従来の方法では、シンプルかつ軽量な構成で、リンク（回転体）への負荷の変化に応じて、自重補償の補償重量を高応答に制御することが困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、シンプルかつ軽量な構成で、回転体への負荷の変化に応じて、自重補償の補償重量を高応答に制御することができる自重補償装置、および、それを用いた力覚提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る自重補償装置は、回転軸を中心に上下方向に回動可能な、回転体と、前記回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように前記回転体を支持する弾性支持部とを備え、前記弾性支持部は、少なくとも一部に、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体を含む。
【００１２】
なお、本明細書において、「長さを変化させることなく」とは、本発明の作用効果が得られる範囲内において長さが実質的に変化しなければよく、また、所望の少なくとも１つの所定条件（例えば、自然状態、所定の引張状態、所定の圧縮状態等）下における長さが変化（実質的に変化）しなければよい。
【００１３】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記可変弾性体は、筒状の弾性部材と繊維とを含んで構成された筒状体を有し、前記筒状体の内部への流体による押圧力が一定値以上である場合には、長さを変化させることなく前記押圧力に応じてばね定数を変化させることができる、流体圧式弾性体であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記流体圧式弾性体は、前記筒状の弾性部材の軸方向に沿って複数の前記繊維が埋設されて構成されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記流体圧式弾性体は、前記筒状の弾性部材の外周が、スリーブ状に編み込まれた前記繊維で覆われて構成されている、または、前記筒状の弾性部材に、前記スリーブ状に編み込まれた繊維が埋設されて構成されている、ことが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記可変弾性体は、弾性体と、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体が封入され、前記流体への電界または磁界の印加によりばね定数を変化させることができる、封入体とを、直列または並列に接続して構成されていることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記弾性体は、筒状の弾性部材と繊維とを含んで構成された筒状体を有し、前記筒状体の内部への流体による押圧力が一定値以上である場合には、長さを変化させることなく前記押圧力に応じてばね定数を変化させることができる、流体圧式弾性体であるであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る自重補償装置において、前記回転体の上下方向の回動を減衰させるダンパをさらに有し、前記ダンパは、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体が封入された封入体を備えており、前記流体への電界または磁界の印加により前記回転体の上下方向の回動を減衰させる減衰力を変化させることができる、可変ダンパであることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る力覚提示装置は、上述したいずれかの自重補償装置を備え、前記回転体を介して利用者に所定の力覚を提示するように、前記可変弾性体のばね定数を制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、シンプルかつ軽量な構成で、回転体への負荷の変化に応じて、自重補償の補償重量を高応答に制御することができる自重補償装置、および、それを用いた力覚提示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る自重補償装置の構成例を示す図である。
【図２】複数のアームおよび複数のばねを用いた自重補償装置の構成例を示す図である。
【図３】圧縮ばねを用いた自重補償装置の構成例を示す図である。
【図４】カムを用いた自重補償装置の構成例を示す図である。
【図５】ワイヤおよびプーリーを用いた自重補償装置の構成例を示す図である。
【図６】ギヤを用いた自重補償装置の構成例を示す図である。
【図７】図１に示す自重補償装置の可変弾性体として用いられる流体圧式弾性体（軸方向繊維強化型人工筋肉）を示す図であり、図７（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す２Ｂ−２Ｂ線に沿った横断面図であり、図７（ｃ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す側面図である。
【図８】図７に示す流体圧式弾性体の内部構成例を示す断面図であり、図８（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図８（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図９】図７，８に示す流体圧式弾性体の内部の圧力に対する変位の特性を示す図である。
【図１０】図１に示す自重補償装置の可変弾性体として用いられる流体圧式弾性体（マッキベン型人工筋肉）の構成例を示す図であり、図１０（ａ）は、流体圧式弾性体の一部断面側面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す流体圧式弾性体の繊維の伸張時および収縮時の様子を示す図である。
【図１１】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体の内部構成例を示す断面図であり、図１１（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図１２】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体の別の内部構成例を示す断面図であり、図１２（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１２（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図１３】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１３（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１３（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図１４】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１４（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図１５】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１５（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１５（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【図１６】付加的機械要素を有する流体圧式弾性体のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１６（ａ）は、流体圧式弾性体の伸張時の様子を示す断面図であり、図１６（ｂ）は、流体圧式弾性体の収縮時の様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して例示説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または同等の構成要素を示している。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る自重補償装置１の構成例を示す図である。
【００２４】
図１に示す自重補償装置１は、支持体１０と、アーム（回転体）１１と、弾性支持部１２とを備える。
【００２５】
支持体１０は、床面に固定されて立設している。支持体１０には、回転軸１３ａを中心に上下方向（鉛直方向上下）に回動可能（即ち、回転軸１３ａを中心に水平軸回りに回動可能）にアーム１１が取り付けられている。また、支持体１０には、回転軸１３ａよりも上方に回転軸１３ｂが設けられている。
【００２６】
弾性支持部１２の一端は、回転軸１３ｂを中心に回動可能に（回転軸１３ｂを中心に水平軸回りに回転可能に）支持体１０に取り付けられ、弾性支持部１２の他端は、アーム１１において回転軸１３ａから所定距離だけ離れた位置にある固定部１５に固定されている。弾性支持部１２は、弾性を有しており、回転体であるアーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように（アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を弾性支持部１２が負担するように）アーム１１を支持する。ここで、弾性支持部１２は、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体１２ａを含んでいる。なお、可変弾性体１２ａの詳細については後述する。可変弾性体１２ａは、長さと剛性とを独立に制御することができ、そのため、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、
【００２７】
図１に示す自重補償装置１においては、アーム１１への負荷の変化に応じて、可変弾性体１２ａのばね定数を制御する。例えば、アーム１１に作用する荷重が増加する場合、可変弾性体１２ａのばね定数を大きくする。可変弾性体１２ａは、長さを変化させることなく、ばね定数を変化させることができるので、アーム１１と弾性支持部１２との幾何学的関係を保持しつつ、補償重量を調整し、自重補償を行うことができる。
【００２８】
なお、図１の例においては、自重補償装置１が、弾性要素である弾性支持部１２を直接、回転体であるアーム１１に取り付ける直結方式により、自重補償を行っているが、自重補償の方式はこれに限られるものではない。
【００２９】
自重補償の方式としては、例えば、複数のアームと、複数のばねとを用いた方式がある。このような方式を適用した自重補償装置１Ａの構成例を図２に示す。
【００３０】
図２に示す自重補償装置１Ａは、支持体１０と、アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、連結部材１６と、ばね１７ａ，１７ｂとを備える。
【００３１】
図２に示す自重補償装置１Ａにおいては、床面に立設する支持体１０に、回転軸１３ａを中心に上下方向に回動可能にアーム１１ａが取り付けられ、回転軸１３ｂを中心に回動可能にアーム１１ｂが取り付けられている。アーム１１ａの先端の固定部１５ａとアーム１１ｂの先端の固定部１５ｂとが連結部材１６により回動可能に連結されている。また、アーム１１ａの先端の固定部１５ａには、アーム１１ｃが固定されている。
【００３２】
ばね１７ａ，１７ｂは、自然長が零であるばね（零長ばね）である。ばね１７ａは、一端が回転軸１３ｂを中心に回動可能に支持体１０に取り付けられている。ばね１７ｂの他端は、アーム１１ａにおいて回転軸１３ａから所定距離だけ離れた位置にある固定部１５ｃに固定されている。ばね１７ｂの一端は、アーム１１ｂの先端の固定部１５ｂに固定されている。ばね１７ｂの他端は、アーム１１ｃにおいて固定部１５ａから所定距離だけ離れた位置にある固定部１５ｄに固定されている。
【００３３】
ばね１７ａ，１７ｂは、アーム１１ａ，１１ｃに作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように各アームを支持している。すなわち、ばね１７ａ，１７ｂは、図１に示す自重補償装置１における、回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように回転体（アーム１１ａ，１１ｃ）を直接または間接に支持する弾性支持部１２に相当する。本実施形態に係る自重補償装置１は、図２に示す自重補償装置１Ａのばね１７ａ，１７ｂの少なくとも一方を、可変弾性体１２ａに変更した構成（弾性支持部１２の少なくとも一部に可変弾性体１２ａを含む構成）としてもよい。
【００３４】
また、自重補償の方式としては、例えば、圧縮ばねを用いた方式がある。このような方式を適用した自重補償装置１Ｂの構成例を図３に示す。
【００３５】
図３に示す自重補償装置１Ｂは、支持体１０と、アーム１１と、ガイドロッド１８と、スライダ２０と、圧縮ばね２１とを備える。
【００３６】
図３に示す自重補償装置１Ｂにおいては、アーム１１が、アーム１１の軸方向の中央部分近傍において、床面に立設する支持体１０に、回転軸１３ａを中心に上下方向に回動可能に取り付けられている。また、支持体１０には、スライダ２０が回転軸１３ａよりも下方にある回転軸１３ｃを中心に上下方向に回動可能に取り付けられている。スライダ２０には、ガイドロッド１８を導く孔部あるいは溝部が設けられている。ガイドロッド１８の一端は、アーム１１の一端に設けれられた固定部１５に回動可能に固定されている。そして、ガイドロッド１８は、スライダ２０に設けられた孔部あるいは溝部に導かれ、アーム１１の変位に応じて、スライダ２０内をスライドすることができる。ガイドロッド１８の他端には、ストッパ１９が設けられている。ストッパ１９とスライダ２０との間には、自然長から所定の長さだけ圧縮された圧縮ばね２１が設けられている。圧縮ばね２１は、伸縮方向に付勢されているばねである。
【００３７】
図３に示す自重補償装置１Ｂにおいては、アーム１１に作用する荷重をガイドロッド１８を介して圧縮ばね２１で受けることで、自重補償を行っている。圧縮ばね２１は、図１に示す自重補償装置１における、回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように回転体を直接または間接に支持する弾性支持部１２に相当する。本実施形態に係る自重補償装置１は、図３に示す自重補償装置１Ｂの圧縮ばね２１を、可変弾性体１２ａに変更した構成としてもよい。
【００３８】
また、自重補償の方式としては、例えば、カムを用いた方式がある。このような方式を適用した自重補償装置１Ｃの構成例を図４に示す。
【００３９】
図４に示す自重補償装置１Ｃは、アーム１１と、カム２２と、引っ張りばね２３ａ，２３ｂとを備える。
【００４０】
アーム１１は、回転軸１３を中心に上下方向に回動可能にカム２２に取り付けられている。カム２２は、アーム１１の回動に応じて回転する。カム２２には張力伝達要素であるワイヤ２４が巻き付けられている。ワイヤ２４の一端には引っ張りばね２３ａの一端が接続されており、ワイヤ２４の他端には引っ張りばね２３ｂの一端が接続されている。引っ張りばね２３ａの他端および引っ張りばね２３ｂの他端は、床面に固定されている。引っ張りばね２３ａ，２３ｂは、圧縮方向に付勢されているばねである。
【００４１】
図４に示す自重補償装置１Ｃにおいては、アーム１１の回動に応じてカム２２が回転し、カム２２の回転に応じて、引っ張りばね２３ａ，２３ｂが伸縮することで、アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように、所定のトルクがアーム１１に与えられる。引っ張りばね２３ａ，２３ｂは、図１に示す自重補償装置１における、回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように回転体を直接または間接に支持する弾性支持部１２に相当する。本実施形態に係る自重補償装置１は、図４に示す自重補償装置１Ｃの引っ張りばね２３ａ，２３ｂの少なくとも一方を、可変弾性体１２ａに変更した構成（弾性支持部１２の少なくとも一部に可変弾性体１２ａを含む構成）としてもよい。
【００４２】
また、自重補償の方式としては、例えば、ワイヤおよびプーリーを用いた方式がある。このような方式を適用した自重補償装置１Ｄの構成例を図５に示す。
【００４３】
図５に示す自重補償装置１Ｄは、支持体１０と、アーム１１と、引っ張りばね２３と、プーリー２５と、ワイヤ２６とを備える。
【００４４】
アーム１１は、回転軸１３を中心に上下方向に回動可能に支持体１０に取り付けられている。プーリー２５は、自由回転可能な円盤（索輪）を有しており、索輪が回転可能に支持体１０に設けられている。プーリー２５の索輪には、ワイヤ２６が巻き掛けられている。ワイヤ２６の一端は、アーム１１において回転軸１３から所定距離だけ離れた位置にある固定部１５に固定されている。ワイヤ２６の他端は、引っ張りばね２３の一端に接続されている。引っ張りばね２３の他端は壁面に固定されている。
【００４５】
図５に示す自重補償装置１Ｄにおいては、アーム１１の変位に応じて引っ張りばね２３が伸張することで、アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように、所定のトルクがアーム１１に与えられる。ここで、ワイヤ２６が零長ばねとして作用するため、図１に示す直結方式と比べて、広範囲で自重補償が可能となる。引っ張りばね２３は、図１に示す自重補償装置１における、回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように回転体を直接または間接に支持する弾性支持部１２に相当する。本実施形態に係る自重補償装置１は、図５に示す自重補償装置１Ｄの引っ張りばね２３を、可変弾性体１２ａに変更した構成としてもよい。
【００４６】
また、自重補償の方式としては、例えば、ギヤを用いた方式がある。このような方式を適用した自重補償装置１Ｅの構成例を図６に示す。
【００４７】
図６に示す自重補償装置１Ｅは、アーム１１と、支持体１０と、圧縮ばね２１ａ，２１ｂと、スライダ２７とを備える。
【００４８】
スライダ２７は、ガイドロッド１８の軸方向に沿ってスライド可能に設けられている。具体的には、スライダ２７は、円形歯車であり、回転可能なピニオン２８と、ピニオン２８とかみ合う歯切りがされた棒状のラック２９とを備えている。ピニオン２８には、回転軸１３を中心に上下方向に回動可能にアーム１１が取り付けられている。アーム１１の変位に応じてピニオン２８が回転し、ピニオン２８の回転に応じて、ピニオン２８とラック２９とがかみ合うことで、スライダ２７は、ガイドロッド１８の軸方向に沿ってスライドする。
【００４９】
ガイドロッド１８の一端にはストッパ１９ａが設けられており、ガイドロッド１８の他端にはストッパ１９ｂが設けられている。ストッパ１９ａとスライダ２７との間には圧縮ばね２１ａが設けられており、ストッパ１９ｂとスライダ２７との間には圧縮ばね２１ｂが設けられている。ガイドロッド１８の両端のストッパ１９ａ，１９ｂは、支持体１０に固定されている。
【００５０】
図６に示す自重補償装置１Ｅにおいては、アーム１１の変位に応じてピニオン２８が回転し、ピニオン２８の回転に応じて、スライダ２７がガイドロッド１８に沿ってスライドする。スライドに応じて圧縮ばね２１ａ，２１ｂが伸縮する。圧縮ばね２１ａ，２１ｂが伸縮することで、アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように、所定のトルクがアーム１１に与えられる。圧縮ばね２１ａ，２１ｂは、図１に示す自重補償装置１における、回転体に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するように回転体を直接または間接に支持する弾性支持部１２に相当する。本実施形態に係る自重補償装置１は、図６に示す自重補償装置１Ｅの引っ張りばね２３ａ，２３ｂの少なくとも一方を、可変弾性体１２ａに変更した構成（弾性支持部１２の少なくとも一部に可変弾性体１２ａを含む構成）としてもよい。
【００５１】
また、図２から図６を参照して説明した自重補償の方式の他、例えば、ばねの代わりにシリンダ（例えば、油圧シリンダ）を用いた方式もある。本実施形態に係る自重補償装置１は、このシリンダを可変弾性体１２ａに変更した構成としてもよい。また、上述した自重補償装置１Ａ〜１Ｅの他、弾性要素を用いた種々の自重補償装置がある。本実施形態に係る自重補償装置１は、弾性要素を用いた種々の自重補償装置の弾性要素を可変弾性体１２ａに変更した構成とすることができる。
【００５２】
次に、可変弾性体１２ａについて説明する。
【００５３】
上述したように、可変弾性体１２ａは、長さを変化させることなく、ばね定数を変化させることができる、弾性体である。このような弾性体としては、筒状の弾性部材と繊維とを含んで構成された筒状体を有し、筒状体の内部への流体による押圧力の増大に伴い、筒状体が径方向に膨張するとともに、筒状体の軸方向に収縮する流体圧式弾性体を用いることができる。流体圧式弾性体の具体例としては、例えば、人工筋肉（軸方向繊維強化型人工筋肉、マッキベン型人工筋肉など）として知られているものが挙げられる。
【００５４】
以下では、可変弾性体１２ａとして用いられる流体圧式弾性体１００の例について、図７，８，１０を参照して説明する。なお、図７，８においては、流体圧式弾性体１００が軸方向繊維強化型人工筋肉である例を示しており、図１０においては、流体圧式弾性体１００がマッキベン型人工筋肉である例を示している。
【００５５】
図７は、可変弾性体１２ａとして用いられる流体圧式弾性体１００を示す図であり、図７（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す２Ｂ−２Ｂ線に沿った横断面図であり、図７（ｃ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す側面図である。図８は、図７に示す流体圧式弾性体１００の内部構成例を示す断面図であり、図８（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図８（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【００５６】
図７，８に示すように、流体圧式弾性体１００は、両端が開放された筒状の筒状体１１０と、筒状体１１０の両側の開放端に設けられた一対の蓋部材１２０と、一対の拡径抑止リング１３０とを有している。筒状体１１０の両側の開放端は、蓋部材１２０によって塞がれている。なお、以下では、筒状体１１０の中心軸線Ｏ１に平行な方向を「筒状体１１０の軸方向」という。
【００５７】
図７（ｂ）に示すように、筒状体１１０は、弾性部材（例えば、ゴム部材）からなる内側弾性層１１３と、内側弾性層１１３の外周側に隣接して設けられた繊維層１１２と、繊維層１１２の外周側に隣接して設けられ、弾性部材（例えば、ゴム部材）からなる外側弾性層１１１とを有している。内側弾性層１１３、繊維層１１２および外側弾性層１１１は、一体に構成されている。すなわち、筒状体１１０は、筒状の弾性部材と、筒状の弾性部材に埋設された繊維とを含んで構成されている。
【００５８】
繊維層１１２は、それぞれ筒状体１１０の軸方向に平行に延在する多数の繊維体１１２ａを有している。繊維体１１２ａは、例えば、カーボンロービングなどの撚りをかけていない単一無撚繊維（例えば、径が５〜１５μｍ程度のもの）であることが好ましい。ただし、繊維体１１２ａは、このような単一無撚繊維を複数本撚って又は束ねて製作された繊維コードであってもよい。また、繊維体１１２ａは、ほとんど伸縮性の無いように構成されている（非伸縮性を有している）。繊維層１１２を構成する多数の繊維体１１２ａは、筒状体１１０の周方向に沿って配列されてなる環状繊維群を複数構成している。各環状繊維群は、互いに径が異なり、同軸状に配置されている。図７（ｂ）では、繊維層１１２が、繊維体１１２ａどうしの間に、内側弾性層１１３および外側弾性層１１１と一体の弾性部材を有している。ただし、繊維層１１２は、繊維体１１２ａどうしの間に弾性部材を有していなくてもよい。
【００５９】
図８に示すように、流体圧式弾性体１００は、筒状体１１０の内周面によって、流体室１４０を区画している。流体室１４０の軸方向の両端は、一対の蓋部材１２０によって区画されている。流体室１４０は、流体圧式弾性体１００の外部との間で流体（例えば、空気）を流通させるための流体通路１５０に連結されている。流体通路１５０は、蓋部材１２０に設けられている。なお、図８においては、図の簡略化のため、流体通路１５０を１本の通路で示しているが、流体通路１５０は、流体室１４０への流体の流入用と流体室１４０からの流体の排出用とで兼用されてもよいし、あるいは、流体室１４０への流体の流入用と流体室１４０からの流体の排出用とで別々の流体通路１５０が設けられてもよい。
【００６０】
筒状体１１０の両端部には、外周側に、筒状体１１０の拡径変形を抑止する環状の拡径抑止リング１３０が設けられている。拡径抑止リング１３０は、例えば金属製である。図８に示すように、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１、１６２において、拡径抑止リング１３０と、筒状体１１０の内周側に配置された蓋部材１２０とが、筒状体１１０を挟持している。
【００６１】
上述のように構成された筒状体１１０は、流体通路１５０から流体室１４０へ流体が供給されると、流体室１４０内の流体圧（筒状体１１０の内部への流体による押圧力）の増大に伴い、図７（ｃ）に示すように、筒状体１１０が、径方向に膨張（拡径）するとともに軸方向に収縮する。その後、流体室１４０から流体通路１５０を介して流体が排出されると、図７（ａ）に示すように、流体室１４０内の流体圧の減少に伴い、筒状体１１０が、径方向に縮小（縮径）するとともに軸方向に伸長する。
【００６２】
なお、流体圧式弾性体１００では、軸方向に埋設された繊維体１１２ａの作用によって、ゴム部材である内側弾性層１１３および外側弾性層１１１の軸方向の伸びが抑止される。そのため、図７（ａ）に示す内圧を印加していない状態と、図７（ｃ）に示す内圧を印加した状態とでは、筒状体１１０の外表面に沿って測ったときの筒状体１１０の両端間の長さは同じである。
【００６３】
図９は、流体圧式弾性体１００の内部の圧力に対する軸方向の変位の特性を示す図である。
【００６４】
無負荷で流体圧式弾性体１００（軸方向強化型人工筋肉）の内部に圧力を印加した場合、図９に示すように、ある圧力Ｐｔで流体圧式弾性体１００の軸方向の変位が飽和するという特性がある。すなわち、流体圧式弾性体１００の内部の圧力がある圧力Ｐｔよりも大きい状態では、流体圧式弾性体１００の長さは一定のまま、流体圧式弾性体１００のばね定数だけが変化する。したがって、流体圧式弾性体１００の内部の圧力を圧力Ｐｔ以上の範囲で制御することで、流体圧式弾性体１００を、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体１２ａとして用いることができる。
【００６５】
なお、流体圧式弾性体１００の内部（流体室１４０）の圧力をリアルタイムに制御してもよいし、流体室１４０を弁によって密閉してもよい。流体室１４０を弁によって密閉する場合、容量がある程度大きいアキュムレータを流体室１４０に連通させることで、流体圧式弾性体１００の内部の圧力を一定に制御した場合と同等の効果を得ることができる。つまり、流体圧式弾性体１００の内部の圧力を常に制御しなくても、一定のばね定数を得ることができる。
【００６６】
また、上述したように、可変弾性体１２ａとして用いる流体圧式弾性体１００は、軸方向繊維強化型人工筋肉に限られるものではなく、例えば、マッキベン型人工筋肉を用いることもできる。
【００６７】
図１０は、可変弾性体１２ａとして用いられる流体圧式弾性体１００（マッキベン型人工筋肉）の構成例を示す図であり、図１０（ａ）は、流体圧式弾性体１００の一部断面側面図である。
【００６８】
マッキベン型人工筋肉である流体圧式弾性体１００は、図１０（ａ）に示すように、筒状の弾性部材（ゴムチューブ）１１４の外周が、スリーブ状に繊維１１５ａが編み込まれた繊維コード１１５で覆われた構成をしている。なお、図１０（ａ）においては、筒状の弾性部材１１４の外周が、スリーブ状に繊維１１５ａが編み込まれた繊維コード１１５で覆われた例を示しているが、筒状の弾性部材１１４に、スリーブ状に繊維１１５ａが編み込まれた繊維コード１１５が埋設されていてもよい。
【００６９】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す流体圧式弾性体の繊維の伸張時および収縮時の様子を示す図である。
【００７０】
流体圧式弾性体１００の内部（筒状の弾性部材１１４の内部）に内圧が印加されると、内圧の増大に伴い、図１０（ｂ）に示すように、筒状体１１０の軸方向に対して繊維１１５ａがなす角度θが大きくなるとともに、流体圧式弾性体１００の筒状体１１０は径方向に膨張し、軸方向に収縮する。また、流体圧式弾性体１００の外圧が増大すると、外圧の増大に伴い、流体圧式弾性体１００の筒状体１１０は径方向に収縮し、軸方向に膨張する。
【００７１】
図１０（ａ）に示す流体圧式弾性体１００（マッキベン型人工筋肉）も、軸方向繊維強化型人工筋肉と同様に、無負荷で内部に圧力を印加した場合、ある圧力Ｐｔで軸方向の変位が飽和するという特性がある。したがって、マッキベン型人工筋肉である流体圧式弾性体１００も、長さを変化させることなくばね定数を変化させることできる、可変弾性体１２ａとして用いることができる。
【００７２】
なお、流体圧式弾性体１００は、内部に付加的機械要素を有していてもよい。
【００７３】
図１１は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００の構成例を示す断面図であり、図１１（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。なお、以下の図１１〜１６では、流体圧式弾性体１００が繊維体１１２ａまたは繊維１１５を備えていても、省略している。
【００７４】
図１１に示す流体圧式弾性体１００は、付加的機械要素として、ベローズ４１０を有する。
【００７５】
ベローズ４１０は、例えば、樹脂製または金属製の蛇腹状の周壁からなる、両端が開放された筒状に構成されている。ベローズ４１０は、軸方向（ベローズ４１０の中心軸線に沿う方向）にのみ伸縮可能である。ベローズ４１０は、内周面によって流体室４１１を区画している。ベローズ４１０の両側の開放端は、蓋部材１２０によって塞がれている。流体室４１１は、流体圧式弾性体１００の外部との間で流体を流通させるための流体通路４１２に連結されている。
【００７６】
ベローズ４１０の軸方向は、流体圧式弾性体１００の軸方向と平行である。また、ベローズ４１０の両端は、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１、１６２（より具体的には、一対の蓋部材１２０）に、それぞれ接続（固定）されている。なお、図１１では、流体圧式弾性体１００とベローズ４１０とは、同軸状に配置されており、すなわち、流体圧式弾性体１００の軸Ｏ１とベローズ４１０の中心軸線とが一致する。これにより、ベローズ４１０は、流体圧式弾性体１００の軸方向の伸縮に連動して、軸方向の収縮または伸長のみで流体室４１１の大きさを変化させることができる。
【００７７】
図１１に示す流体圧式弾性体１００は、流体圧式弾性体１００の内周面とベローズ４１０の外周面とによって区画される流体室１４０と、ベローズ４１０の内周面によって区画される流体室４１１とを有している。流体室１４０，４１１は、外部に連通する流体通路１５０，４１２を介して、任意のタイミングで、能動的に加圧または減圧されてもよいし、あるいは、大気開放されるなどして受動的に圧力が変化または固定されるようにしてもよい。流体室１４０，４１１内に供給される流体の圧力および流体の種類は、流体室毎に任意に選択されてよい。また、流体室１４０と流体室４１１とは、例えば、ベローズ４１０に連通孔（不図示）を形成するなどして連通されてもよい。
【００７８】
流体室１４０，４１１を能動的に加圧（流体の供給）または減圧（流体の排出）するための機構としては、例えば、流体室１４０，４１１に連結された流体通路１５０，４１２に、流体圧式弾性体１００の外部で、それぞれ例えば電磁弁を接続する。そして、各電磁弁には、例えば、流体供給装置（例えば、エアコンプレッサ）および制御装置（例えば、マイコンおよびＤ／Ａコンバータを含む制御装置）を接続する。これによって、流体室１４０，４１１への流体の供給および流体室１４０，４１１からの流体の排出を、それぞれ所定のタイミングおよび圧力で、自動制御により行うことができる。
【００７９】
ベローズ４１０を設けることで、流体室４１１内の減圧された流体が一対の蓋部材１２０を軸方向内側に引っ張る力が、流体圧式弾性体１００の軸方向内側への収縮力と同じ向きに働く。その結果、ベローズ４１０を設けない場合と比べて、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１，１６２に作用する軸方向内側への収縮力を向上させることができる。また、ベローズ４１０を設けることで、ベローズ４１０を設けない場合と比べて、流体室１４０の体積が小さくなる分だけ、流体圧式弾性体１００の駆動に必要な流体の量を減らし、流体圧式弾性体１００の反応速度を向上させることができる。
【００８０】
また、ベローズ４１０を設けることで、流体室１４０内の圧力と流体室４１１内の圧力との大小関係を適宜調整することにより、流体圧式弾性体１００の軸方向内側に向けて生じる収縮力の大きさと、ベローズ４１０によって軸方向外側に向けて生じる伸長力の大きさとの大小関係を調整し、流体圧式弾性体１００の剛性を任意に調整することができる。
【００８１】
なお、流体圧式弾性体１００の内部に設ける付加的機械要素はベローズ４１０に限られるものではない。
【００８２】
図１２は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００の別の内部構成例を示す断面図であり、図１２（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１２（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【００８３】
図１２に示す流体圧式弾性体１００は、図１１に示す流体圧式弾性体１００と比較して、ベローズ４１０の流体室４１１内にオリフィス部材６００が設けられている点が異なる。オリフィス部材６００にはオリフィス６００ａが設けられており、オリフィス部材６００は、オリフィス６００ａによって流体の流路を絞るように設けられている。
【００８４】
流体圧式弾性体１００を収縮させる方向の振動が入力されると、流体圧式弾性体１００およびベローズ４１０が一緒に軸方向に収縮する。このとき、流体がオリフィス部材６００のオリフィス６００ａを通ることにより生じる流体抵抗によって、振動を減衰することができる。なお、オリフィス部材６００は、流体通路４１２に設けられてもよい。また、オリフィス部材６００は複数設けられてもよい。
【００８５】
図１３は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１３（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１３（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【００８６】
図１３に示す流体圧式弾性体１００は、付加的機械要素としてシリンダ４２０を有する。
【００８７】
シリンダ４２０は、両端が閉じられた筒状のシリンダチューブ４２５と、ピストン４２６と、ピストンロッド４２７とを有している。ピストン４２６は、シリンダチューブ４２５の内面に沿って、シリンダチューブ４２５の軸方向（シリンダ４２０の中心軸線に沿う方向）に摺動可能である。シリンダチューブ４２５の内部には、ピストン４２６によって軸方向に分割された２つの流体室４２１，４２２が区画されている。これらの流体室４２１，４２２は、流体圧式弾性体１００の外部との間で流体を流通させるための流体通路４２３，４２４にそれぞれ連結されている。
【００８８】
シリンダ４２０は、筒状体１１０の内周面によって区画される流体室１４０の内部に配置されており、流体圧式弾性体１００と並列に接続されている。より具体的には、シリンダ４２０の軸方向は、流体圧式弾性体１００の軸方向と平行である。また、シリンダ４２０の両端は、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１、１６２にそれぞれ接続（固定）されている。より具体的には、シリンダチューブ４２５の軸方向一方側の端部が、軸方向一方側の蓋部材１２０に固定されており、ピストンロッド４２７の軸方向他方側の端部が、軸方向他方側の蓋部材１２０に固定されている。なお、図１３では、流体圧式弾性体１００とシリンダ４２０とは、同軸状に配置されており、すなわち、流体圧式弾性体１００の軸Ｏ１とシリンダ４２０の中心軸線とが一致する。これにより、シリンダ４２０は、流体圧式弾性体１００の軸方向の伸縮に連動して、流体室４２１の大きさを軸方向の収縮または伸長のみで変化させるとともに、流体室４２２の大きさを軸方向の収縮または伸長のみで変化させる。
【００８９】
図１３に示す流体圧式弾性体１００は、シリンダ４２０の内部の２つの流体室４２１，４２２と、流体圧式弾性体１００の内周面とシリンダ４２０の外表面とによって区画される流体室１４０とを有している。各流体室１４０，４２１，４２２は、外部に連通する流体通路１５０，４２３，４２４を介して、任意のタイミングで、能動的に加圧または減圧されてもよいし、あるいは、大気開放されるなどして受動的に圧力が変化または固定されるようにしてもよい。各流体室１４０，４２１，４２２内に供給される流体の圧力および流体の種類は、流体室毎に任意に選択されてよい。また、流体室１４０と流体室４２１、および／または、流体室１４０と流体室４２２とは、例えば、シリンダチューブ４２５に連通孔４２８，４２９（図１３に破線で示す）を形成するなどして連通されてもよい。
【００９０】
図１３に示す流体圧式弾性体１００では、流体室４２２内の加圧された流体に起因する蓋部材１２０を軸方向内側に引っ張る力が、流体圧式弾性体１００の軸方向内側への収縮力と同じ向きに働く結果、シリンダ４２０を設けない場合に比べて、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１，１６２に作用する軸方向内側への収縮力を高めることができる。また、シリンダ４２０を設けない場合に比べて、流体室１４０の体積が小さくなる分だけ、流体圧式弾性体１００の駆動に必要な流体の量を減らし、流体圧式弾性体１００の反応速度を向上することができる。
【００９１】
なお、流体室４２２を流体通路４２４を介して加圧（流体を供給）するのに代えて、または、これに加えて、流体室４２１を流体通路４２３を介して減圧（流体を排出）しても、同様に、流体圧式弾性体１００の反応速度を向上することができる。
【００９２】
また、図１３に示す流体圧式弾性体１００では、流体室１４０内の圧力と、流体室４２１，４２２内それぞれの圧力との大小関係を適宜調整することにより、流体圧式弾性体１００によって軸方向内側に向けて生じる収縮力の大きさと、シリンダ４２０によって軸方向外側に向けて生じる伸長力の大きさとの大小関係を調整し、流体圧式弾性体１００の剛性を任意に調整することができる。
【００９３】
また、図示は省略するが、図１３に示す流体圧式弾性体１００において、シリンダ４２０内の流体室４２１から流体通路４２３までの流路内、および／または、シリンダ４２０内の流体室４２２から流体通路４２４までの流路内における、任意の１か所以上にオリフィス部材６００を設けてもよい。オリフィス部材６００を設けることで、流体圧式弾性体１００を収縮させる方向の振動が入力されると、流体圧式弾性体１００およびシリンダ４２０が一緒に軸方向に収縮する。このとき、流体がオリフィス部材６００のオリフィス６００ａを通ることにより生じる流体抵抗によって、振動が減衰される。
【００９４】
図１４は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１４（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【００９５】
図１４に示す流体圧式弾性体１００は、付加的機械要素としてベローズ４１０およびシリンダ４２０を有する。
【００９６】
ベローズ４１０は、流体圧式弾性体１００の内部に配置されており、流体圧式弾性体１００に並列かつ同軸状に接続されている。ベローズ４１０の軸方向一方側の端部は、流体圧式弾性体１００の軸方向の端部のうち、シリンダ４２０のピストンロッド４２７と接続された端部１６１に接続（固定）されている。ベローズ４１０の軸方向他方側の端部は、シリンダ４２０のシリンダチューブ４２５の軸方向の端部のうち、流体圧式弾性体１００とは接続されていないほうの端部に接続（固定）されている。
【００９７】
図１４に示す流体圧式弾性体１００は、シリンダ４２０の内部の２つの流体室４２１、４２２と、流体圧式弾性体１００の内周面とシリンダ４２０およびベローズ４１０の外表面とによって区画される流体室１４０と、ベローズ４１０の内部の流体室４１１とを有している。各流体室１４０，４２１，４２２，４１１は、外部に連通する流体通路１５０，４２３，４２４，４１２を介して、任意のタイミングで、能動的に加圧または減圧されてもよいし、あるいは、大気開放されるなどして受動的に圧力が変化または固定されるようにしてもよい。各流体室１４０，４２１，４２２，４１１内に供給される流体の圧力および流体の種類は、流体室毎に任意に選択されてよい。また、流体室１４０と流体室４２１、流体室１４０と流体室４２２、流体室４２２と流体室４１１、および／または、流体室４１１と流体室１４０とは、それぞれ連通孔４２８，４２９，４３０，４１３（図１４に破線で示す）を形成するなどして連通されてもよい。
【００９８】
図１５は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１５（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１５（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【００９９】
図１５に示す流体圧式弾性体１００は、付加的機械要素としてベローズ４１０およびイナータ５００を有する。
【０１００】
イナータ５００は、ベローズ４１０の内部に配置されており、流体圧式弾性体１００およびベローズ４１０と並列かつ同軸状に接続されている。イナータ５００の軸方向の両端部は流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１，１６２に接続されている。
【０１０１】
イナータ５００は、マス要素であり、軸方向一方側が開放し流体圧式弾性体１００の端部１６２に固定された筒状の筐体５０１と、外周面にねじが形成され軸方向一方側の端部が流体圧式弾性体１００の端部１６１に固定されたシャフト５１２と、筐体５０１の内部に収容され、シャフト５１２の周りに配置されたマス部材としてのフライホイール５１３とを有している。フライホイール５１３は、シャフト５１２の軸方向の移動によって、シャフト５１２の周りで回転するようにされている。
【０１０２】
図１５に示す流体圧式弾性体１００において、流体圧式弾性体１００が軸方向に収縮すると、流体圧式弾性体１００の収縮に連動して、シャフト５１２が筐体５０１の内部の奥へ進入し、イナータ５００も軸方向に収縮するとともに、シャフト５１２の周りでフライホイール５１３が回転される。これにより、慣性が生じる。
【０１０３】
図１６は、付加的機械要素を有する流体圧式弾性体１００のさらに別の内部構成例を示す断面図であり、図１６（ａ）は、流体圧式弾性体１００の伸張時の様子を示す断面図であり、図１６（ｂ）は、流体圧式弾性体１００の収縮時の様子を示す断面図である。
【０１０４】
図１６に示す流体圧式弾性体１００は、付加的機械要素として筒対向型機械要素４４０を有する。
【０１０５】
筒対向型機械要素４４０は、流体圧式弾性体１００の内部に配置されており、流体圧式弾性体１００に並列かつ同軸状に接続されている。筒対向型機械要素４４０の軸方向の両端部は、流体圧式弾性体１００の軸方向両側の端部１６１，１６２に接続されている。
【０１０６】
筒対向型機械要素４４０は、一対の筒部材４４３，４４４を有しており、各筒部材４４３，４４４は、軸方向の互いに対向する側の端がそれぞれ開放されており、軸方向の他方側の端がそれぞれ閉塞されている。筒対向型機械要素４４０の内部には、流体室４４１が区画されている。また、一方の筒部材４４４は他方の筒部材４４３よりも小径に構成されている。一方の筒部材４４４と他方の筒部材４４３との間には、軸方向に伸縮可能なコイルばねが配設されている。これにより、筒対向型機械要素４４０は、流体圧式弾性体１００の軸方向の収縮に連動して、軸方向の収縮または伸長のみで流体室４４１の大きさを変化させるように構成されている。
【０１０７】
図１６に示す流体圧式弾性体１００において、流体圧式弾性体１００が軸方向に収縮すると、流体圧式弾性体１００の収縮に連動して、一対の筒部材４４３、４４４が互いに近づくことにより、筒対向型機械要素４４０（ひいては流体室４４１）も軸方向のみに収縮する。
【０１０８】
図１６に示す流体圧式弾性体１００は、流体圧式弾性体１００の内周面と筒対向型機械要素４４０の外表面とによって区画される流体室１４０と、筒対向型機械要素４４０の内部の流体室４４１とを有している。各流体室１４０，４４１は、外部に連通する流体通路１５０，４４２を介して、任意のタイミングで、能動的に加圧または減圧されてもよいし、あるいは、大気開放されるなどして受動的に圧力が変化または固定されるようにしてもよい。各流体室１４０，４４１内に供給される流体の圧力および流体の種類は、流体室毎に任意に選択されてよい。また、流体室１４０と流体室４４１とは、連通孔４４５（図１６に破線で示す）を形成するなどして連通されてもよい。
【０１０９】
図１４〜図１６に示す流体圧式弾性体１００においても、反応速度の向上、剛性の調整などを図ることができる。
【０１１０】
なお、可変弾性体は、２つの流体圧式弾性体１００を直列に接続した構成であってもよい。
【０１１１】
また、可変弾性体は、電界の印加により粘性が変化するＥＲ（Ｅｌｅｃｔｏｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体、磁界の印加により粘性が変化するＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体などを用いて構成することもできる。
【０１１２】
具体的には、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体を、一定の可撓性を有する材料、例えば、樹脂材料で構成される容器に封入し、当該流体を封入した封入体と、ばねなどの弾性体とを直列または並列に接続することで、可変弾性体１２ａを構成してもよい。
【０１１３】
封入体に封入した流体に電界または磁界を印加することで、封入体に封入した流体の粘性が変化する。流体が封入された容器は可撓性を有するため、流体の粘性の変化に応じて、流体を封入した封入体の硬さも変化する。そのため、この封入体と弾性体とを直列または並列に接続した接続体では、封入体に封入した流体への電界または磁界を印加により、接続体の全長は変化することなく、接続体の見かけ上のばね定数が変化する。したがって、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体を封入した封入体と、ばねなどの弾性体とを直列または並列に接続した接続体は、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体１２ａとして用いることができる。
【０１１４】
なお、自重補償による補償重量とアーム１１に作用する荷重とを完全に釣り合わせることは難しく、補償重量とアーム１１に作用する荷重とのずれによりアーム１１の微小な振動が生じることがある。一般に、自重補償装置を小型の装置に適用する場合には、アームも小型・軽量であるため、摩擦力などによりそのような微小な振動を抑制することができる。一方、自重補償装置を建設機械などの大型の装置に適用する場合には、アームも大型・高重量であるため、慣性力が大きくなり、摩擦力などによっても振動を抑制することができない。
【０１１５】
そこで、回転体の回転軸の近傍などに、アーム１１の上下方向の回動を減衰させるためのダンパを設けてもよい。特に、ＥＲ流体あるいはＭＲ流体を用いた、電界または磁界の印加により、アーム１１の上下方向の回動を減衰させる減衰力を制御することができる可変ダンパを設けることが好ましい。このような可変ダンパは、例えば、一定の可撓性を有する材料で構成され、電界または磁界の印加により粘性が変化する流体が封入された封入体を備えて構成することができる。このような可変ダンパによれば、流体への電界または磁界の印加により減衰力を変化させることができる。可変ダンパを設けることで、例えば、アーム１１の移動時には、可変ダンパによる減衰力を弱め、アーム１１の停止時には、可変ダンパによる減衰力を高め、アーム１１の振動を抑制することができる。
【０１１６】
このように本実施形態においては、自重補償装置１は、回転軸を中心に上下方向に回動可能な回転体としてのアーム１１と、アーム１１に作用する下向きの荷重の少なくとも一部を補償するようにアーム１１を支持する弾性支持部１２と、を備え、弾性支持部１２は少なくとも一部に、長さを変化させることなくばね定数を変化させることができる、可変弾性体１２ａを含む。
【０１１７】
可変弾性体１２ａは、長さを変化させることなく、ばね定数を変化させることができるので、回転体（アーム１１）への負荷の変化に応じて、回転体と弾性支持部１２との幾何学的関係を保持しつつ、補償重量を調整し、自重補償を行うことができる。また、リンクへの負荷の変化に応じて、ばねなどを切り替えるための機構を設ける必要が無いので、シンプルかつ軽量な構成で、自重補償を行うことができる。
【０１１８】
また、自重補償にばねなどを用いる場合、自重補償の対象の大型化・高重量化に伴って、自重補償に用いるばねの自重も大きくなる。ばねの自重が大きくなると、自重補償の効果が低減したり、装置の自重が重くなって、携帯性が低下したりといった問題がある。上述した流体圧式弾性体１００は、軽量であるため、流体圧式弾性体１００を可変弾性体１２ａとして用いることで、自重補償の効果の低減、携帯性の低下といった問題を解決することができる。
【０１１９】
また、食品工場、医療現場（磁場を利用するＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）を用いる現場）などでは、非金属のアーム機構が利用されている。非金属のアーム機構に対して自重補償を行う場合、自重補償の対象に近い部分では、金属部品を使えない場合があった。この場合、非金属ばねを用いて自重補償を行うか、自重補償の対象から遠く離れた位置に自重補償を行うためのばねを用いる必要があった。流体圧式弾性体１００は全てを非金属で構成しても、高い弾性が得られるため、流体圧式弾性体１００を可変弾性体１２ａとして用いることで、適用範囲を広げることができる。
【０１２０】
また、ばねを用いて自重補償を行う場合、ばねがギターの弦を張ったようにリンク間に強く張られるため、アーム１１の移動のたびにばねを発信源としるきしみ音が発生する。自重補償装置を人が装着し、人体の腕の動作を補助する腕動作補助装置などに適用した場合、ばねを発生源とする音あるいは振動が装着者に伝わり、装着者がストレスを感じる原因となる。流体圧式弾性体１００では、上述したようなきしみ音は発生しない、あるいは、発生したとしても、流体圧式弾性体１００を構成するゴムによる減衰により大きく低減することができる。
【０１２１】
なお、本実施形態に係る自重補償装置１は、利用者に力覚を提示する力覚提示装置に用いることもできる。この場合、自重補償装置１のアーム１１を介して利用者に力覚が提示される。そして、可変弾性体１２ａのばね定数を制御することで、利用者に所定の力覚を提示することができる。
【０１２２】
本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【符号の説明】
【０１２３】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ    自重補償装置
１０    支持体
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ    アーム（回転体）
１２    弾性支持部
１２ａ    可変弾性体
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ    回転軸
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ    固定部
１６    連結部材
１７ａ，１７ｂ    ばね
１８    ガイドロッド
１９，１９ａ，１９ｂ    ストッパ
２０，２７    スライダ
２１，２１ａ，２１ｂ    圧縮ばね
２２    カム
２３，２３ａ，２３ｂ    引っ張りばね
２４，２６    ワイヤ
２５    プーリー
２８    ピニオン
２９    ラック
１００    流体圧式弾性体
１１０    筒状体
１１１    外側弾性層（弾性部材）
１１２    繊維層
１１２ａ    繊維体
１１３    内側弾性層（弾性部材）
１１４    ゴムチューブ（弾性部材）
１１５    繊維コード
１１５ａ    繊維
１２０    蓋部材
１３０    拡径抑止リング
１４０    流体室
１５０    流体通路
１６１，１６２    流体圧式弾性体の端部
４１０    ベローズ
４１１    流体室
４１２    流体通路
４１３    連通孔
４２０    シリンダ
４２１，４２２    流体室
４２３，４２４    流体通路
４２５    シリンダチューブ
４２６    ピストン
４２７    ピストンロッド
４２８、４２９、４３０    連通孔
４４０    筒対向型機械要素
４４１    流体室
４４２    流体通路
４４３、４４４    筒部材
４４５    連通孔
５００    イナータ
５０１    筐体
５１２    シャフト
５１３    フライホイール
６００    オリフィス部材
【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５】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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