(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に一端が枢着されたリンクと、一端が固定端となるばね部材と、該ばね部材の他端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、
前記連結部材は、前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に設けられた方向変換部材を経由して屈曲し前記リンクの基準点に連結され、
前記基準点と枢着部との距離と、前記作用点と前記枢着部との距離とを等しく設定することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、
前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償することを特徴とする機械的自重補償装置。
【請求項２】
基台に一端が枢着されたリンクと、該リンク上に他端が固定されたばね部材と、該ばね部材の一端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、
前記連結部材は、前記リンク上の基準点に設けられた方向変換部材を経由して前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に連結され、
前記基準点と前記枢着部との距離を前記作用点と前記枢着部との距離よりも大きく設定して前記ばね部材の張力を調整することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、
前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償することを特徴とする機械的自重補償装置。
【請求項３】
前記ばね部材が引張りばね単独または引張りばねとこの引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと並行運動機構からなることを特徴とする請求項２記載の機械的自重補償装置。
【請求項４】
基台に一端が枢着されたリンクと、一端が前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に連結されるとともに他端が前記リンク上の基準点に連結されたばね部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、
前記ばね部材が引張りばねとこの引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと、前記引張りばね及び前記定荷重ばねを並行状態で運動させる並行運動機構とからなり、
前記定荷重ばねの弾性力が、前記引張りばねの自然長パラメータをキャンセルするように設定されることにより、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償することを特徴とする機械的自重補償装置。
【請求項５】
前記機械的自重補償装置を前記作動体として２個以上直列的に接続することを特徴とする請求項２又は３記載の機械的自重補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータ、ロボット、各種作業機器などの作動アームの重力とのバランスをとる機械的自重補償装置に関し、特に空間内の直交する３軸の回転運動に対して適用可能な機械的自重補償装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般にこの種のマニピュレータなどの作動アームにおいては、作業用アームを持ち上げる際に重力に逆らって作業用アームを動かす必要があることから、その分の出力が要求される。そこで、アクチュエータなどにより作業用アームを所定の位置で保持し続けることが考えられるが、作業用アームが大型化すればするほど作業用アームを保持するため出力の大きなアクチュエータを稼動し続けなければならず効率的でなく、またこのような作業用アームでは細かな作業には適さないという問題点がある。
【０００３】
このような問題点を解決するために引張りコイルばねなどのばね部材を用いた自重補償装置が提案されている。この自重補償装置は、概念的には図１５に示すように基台１と、この基台１に一端が枢着されたリンク２と、他端が前記リンク２に連結されるとともに一端が前記基台１のリンク２の回転軸Ｏの垂直上方に取り付けられた引張りコイルばね３とを有し、このリンク２に該リンク２の回動により変移する図示しない作動体が取り付けられるものである。このような自重補償装置は、コイルばね３によりリンク２に加わる自重及び作動体の重量に基づく重力Ｇを補償するものであるが、コイルばね３のばね定数及びコイルばね３の自然長と、リンク２が基台に対してなす角度θが自重トルクに対して釣り合う条件を満たした時にその一姿勢でのみ自重トルクと補償トルクとが釣り合っていたにすぎず、リンク２の回動範囲及び自重補償範囲が非常に制限されるものであった。
【０００４】
さらに、重力Ｇによりリンク２に加わる力荷はリンク２が基台１に対してなす角度θにより変動するものであり、角度によってコイルばね３の弾性力と釣り合いがとれないこともその要因である。
【０００５】
ところで、近年のロボット工学の発達及び作業器機の複雑化に伴い、より複雑な動きが要求されるようになり、マニピュレータなどの作動アームは、片持状のリンク構造を直列的に配列することにより対応しているが、前述したようなコイルばね３での自重補償では、その運動範囲の制限とリンク２がその固定端となる基台１に対してなす角度θとの関係で空間内での運動を行うために必要となる直交する３軸、すなわちピッチ軸，ヨー軸及びロール軸を備えた多自由度の作業用アームを構成するには不充分であるという問題点がある。
【０００６】
もし、コイルばねなどのばね部材を用いたシンプルな構造で自重補償が可能で空間内の直交する３つの回転軸を備えた多自由度の作業用アームを提供できれば、これら作業用アームの作業性（過搬重量、作業速度）の向上、消費電力の低減を期待でき、より複雑で精密な作業が可能となるなどの応用範囲の発展が期待できて望ましい。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造でマニピュレータ、ロボット、作動機器などの作動アームの重力とのバランスを３次元空間内の運動に対してとることの可能な機械的自重補償装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の機械的自重補償装置は、基台に一端が枢着されたリンクと、一端が固定端となるばね部材と、該ばね部材の他端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記連結部材は、前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に設けられた方向変換部材を経由して屈曲し前記リンクの基準点に連結され、前記基準点と枢着部との距離と、前記作用点と前記枢着部との距離とを等しく設定することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものである。このような構成を採用することにより、リンクの角度にかかわらず自重を補償することができるので、角度のファクターに拘束されることがなく、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸及びロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【０００９】
また、請求項２記載の機械的自重補償装置は、基台に一端が枢着されたリンクと、該リンク上に他端が固定されたばね部材と、該ばね部材の一端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記連結部材は、前記リンク上の基準点に設けられた方向変換部材を経由して前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に連結され、前記基準点と前記枢着部との距離を前記作用点と前記枢着部との距離よりも大きく設定して前記ばね部材の張力を調整することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものである。このような構成を採用することにより、リンクの回動にかかる張力の影響は、ばね部材の基準点と枢着部との距離にあることから、この距離をばね部材の作用点と枢着部との距離に基づいて設定することにより、ばね部材の自然長を０とすることができ、リンクの回動により自重トルクが変化してもその角度に応じてばね部材が伸縮して自重補償トルクを発揮することができ、これによりリンクの角度にかかわらず自重を補償することができる。このため、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。また、基準点と作用点とが一致することがないので、回動範囲の制限が少なくなる。
【００１０】
請求項１記載の機械的自重補償装置は、前記ばね部材の他端には連結部材が接続されていて、この連結部材は、前記基台上の作用点に設けられた方向変換部材を経由して前記リンクの基準点に連結され、前記基準点と枢着部との距離と、前記ばね部材の作用点と前記枢着部との距離とを等しく設定することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものである。このため、リンクの角度の影響は実際のばね部材の長さではなく、リンク上におけるばね部材の基準点と枢着部との距離にあることから、前記ばね部材の作用点と枢着部との距離と同じく設定することにより、ばね部材の自然長を０とすることができ、これによりリンクの角度にかかわらず自重を補償することができるので、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【００１１】
請求項４記載の機械的自重補償装置は、基台に一端が枢着されたリンクと、一端が前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に連結されるとともに他端が前記リンク上の基準点に連結されたばね部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記ばね部材が引張りばねとこの引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと、前記引張りばね及び前記定荷重ばねを並行状態で運動させる並行運動機構とからなり、前記定荷重ばねの弾性力が、前記引張りばねの自然長パラメータをキャンセルするように設定されることにより、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものである。このような構成を採用することにより、定荷重ばねは駆動角によらず一定の張力を発生するので、リンクの回動により自重トルクが変化してもその角度に応じた自重補償トルクを発揮することができるので、定荷重ばねの弾性力を前記コイルばねの自然長パラメータに基づき設定することで、リンクの角度にかかわらず自重を補償することができ、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【００１２】
請求項３記載の機械的自重補償装置は、前記請求項２において、前記ばね部材が引張りばね単独または引張りばねとこの引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと並行運動機構からなるものである。これにより正確な自重補償が可能となる。
【００１３】
さらに、請求項５記載の機械的自重補償装置は、前記請求項２又は３において、前記機械的自重補償装置を前記作動体として２個以上直列的に接続するものである。これにより、複数のリンクが空間内の直交３軸に対し自由に運動できかつ自重補償が可能であるので、より複雑な動きが可能でエネルギー消費の少ない作業アームなどの作動体を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、本発明について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実施例の機械的自重補償装置を概念的に示す図面であり、同図において、１は基台であり、この基台１にはリンク２の一端が枢着部たる回転軸Ｏにおいて枢着されている。また、３は一端を固定したばね部材たる引張りコイルばねであり、このコイルばね３の他端には連結部材たるワイヤ４が接続されている。一方基台１の回転軸Oの垂直上側には、方向変換部材たるベアリング内蔵プーリ５が設けられており、ワイヤ４はこのベアリング内蔵プーリ５を経てリンク２の中央部の基準点Ａで連結される。このベアリング内蔵プーリ５はコイルばね３の作用点Ｂとなる。
【００１５】
上述したような機械的自重補償装置において、基準点Ａは、基準点Ａと枢軸部Ｏとの距離ｐと、作用点Ｂと回転軸Ｏとの距離ｈとが等しくなるように設定されている。これは以下のような理由による。すなわち、自重トルクとコイルばねによる補償トルクとの釣り合いは、左辺を自重トルク項、右辺をコイルばねによる自重補償トルク項とすると、 Gｌｃｏｓθ=（ｐｈｃｏｓθ／ｌs）｛ｋ（ｌs−ｌs0）｝・・・（１）
（式中、Ｇは作動体の重量も含む自重であり、ｌは回転軸Ｏから重心までの距離であり、ｌsはコイルばねの長さであり、ｌs0はコイルばねの自然長である。）の関係が成立する必要がある。
【００１６】
この式において、角度に依らず正確な自重補償を行うためには、両辺がθを含まない定数で表される必要がある。ところが、（１）式においてｌs（ばねの長さ）はθに依存する非線形パラメータであり、角度（θ）が変わることによって両辺の値が等しくならず、このままでは釣り合いが取れないことが明らかである。しかしながら、ｌs0をキャンセルすることができれば、このｌsを消去することができ角度に依らず両辺の値を等しく保つことが可能となり、正確な自重補償が実現できることがわかる。
【００１７】
そこで、本発明者が種々研究した結果、回転軸Oから基準点Aまでの距離をばねの全長ｌｓではなく，たわみと等しい長さと見なせる機構を考案すれば問題が解決できるという着想で、コイルばね３の他端にワイヤ４を繋ぎ、一度回転軸Ｏの垂直上方に設けたプーリ５を介して屈曲させ、ワイヤ４の基準点Ａをｐ=ｈとなるリンク４上の位置に配置することにより、駆動軸にかかるコイルばね３の自然長ｌs0=０と捉えることができることを見出した。これにより式（１）をGｌｃｏｓθ=（ｐｈｃｏｓθ＊ｋｌｓ）／ｌｓ・・・（２）
と表すことができ、上記式（２）において右辺の変数パラメータｌsは消去することができ、角度に依らず常に正確な自重補償を行うことができる。
【００１８】
前記構成につきその作用について説明する。まずリンク２は角度θの位置にあり、コイルばね３はある程度伸長した状態でその自重補償トルクと、リンク２の自重トルクとが釣り合っている。そして、リンク２が上方（反時計回り）に回動する（θが大きくなる）と、リンク２の自重トルクが減少するが、これに伴いコイルばね３のたわみも減少して両者の釣り合いが維持される。このリンク２は上方に関してはプーリ５とリンク２とが当接するまで（＋９０°）回動可能となっており、その可動範囲が拡大している。一方、リンク２が下方（時計回り）に回動する（θが小さくなる）と、リンク２の自重トルクが増大するが、これに伴いコイルばね３のたわみが増大して両者の釣り合いが維持される。なお、本明細書中においては、説明の便宜上、図示時計方向の回転をマイナス（−）、反時計方向の回転をプラス（＋）として表すこととする。
【００１９】
次に、本発明の第２実施例の機械的自重補償装置について説明する。図２は、第２実施例の機械的自重補償装置を概念的に示す図面であり、前述した第１実施例と同一の構成には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。本実施例においては、リンク２の先端側に他端を固定して該リンク２と並行に引張りコイルばね３が取り付けられていて、このコイルばね３の一端にはワイヤ４が接続されている。そして、リンク２の中間部には基準点Ａとなるベアリング内蔵プーリ５が設けられており、ワイヤ４はこのベアリング内蔵プーリ５を経由して基台１の回転軸Ｏの垂直上側の作用点Ｂで連結される。
【００２０】
上述したような機械的自重補償装置において、ベアリング内蔵プーリ５が位置する基準点Ａは、該基準点Ａと回転軸Ｏとの距離ｐがコイルばね３の作用点Ｂと回転軸Ｏとの距離ｈよりも大きく、かつ、初期状態（θ＝９０°）において｜ｐ−ｈ｜だけコイルばね３が伸びた状態となるように設定されている。これは以下のような理由による。すなわち、コイルばね３をリンク２と並行に配置することでリンク２の可動範囲からコイルばね３を除外することができ、十分な可動域を確保することが可能となっている。また、前述した第１実施例においては、ｐ＝ｈとしていたが、このままでは、基準点Ａと作用点Ｂとが接触してしまい±９０°以上の可動角を確保できない。そこで、本実施例のようにｐをｈより大きくすることで基準点Ａと作用点Ｂとの接触を回避する。
【００２１】
このようにｐをｈより大きく設定すると前述した式（１）においてｌs0＝０とすることができなくなり、そのままでは式（１）の釣り合いがとれなくなるが、本実施例においては、回転軸Ｏに自重トルクのかからない初期状態（θ＝９０°）において｜ｐ−ｈ｜だけコイルばね３を伸ばした状態でコイルばね３を張ることによって調整している。すなわち、この初期状態において式（１）は以下のように表される。
Gｌｃｏｓθ=（ｐｈｃｏｓθ／ｌs）｛ｋ（（ｌs−ｌs0）＋（ｐ−ｈ））｝・・・（３）
これにより、ｌs0をキャンセルすることができ、角度に依らず、−１８０°≦θ≦＋１８０°の範囲で回動可能でかつ自重補償が可能となる。
【００２２】
前記構成につきその作用について説明する。まず、リンク２は角度θの位置にあり、コイルばね３はある程度伸長した状態でその自重補償トルクと、リンク２の自重トルクとが釣り合っている。そして、リンク２が上方（反時計回り）に回動する（θが大きくなる）と、リンク２の自重トルクが減少するが、これに伴いコイルばね３のたわみも減少して両者の釣り合いが維持される。このリンク２は上方に関してはコイルばね３が許容する範囲内であれば＋１８０°回動可能となっている。一方、リンク２が下方（時計回り）に回動する（θが小さくなる）と、リンク２の自重トルクが増大するが、これに伴いコイルばね３のたわみが増大して両者の釣り合いが維持される。リンク２は下方に関してもコイルばね３が許容する範囲内であれば−１８０°回動可能となっている。
【００２３】
本発明の第３実施例の機械的自重補償装置について説明する。図３は、本発明の第３実施例の機械的自重補償装置を概念的に示す図面であり、前述した第２実施例と基本的には同じ構成を有するので同一の構成には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。本実施例の機械的自重補償装置は、ばね部材がコイルばね３とこのコイルばね３に並列的に配置された定荷重ばね３Ａと、これらを並行状態で運動させる並行運動機構とからなる以外前述した第２実施例と同じ構成を有する。
【００２４】
上述したような機械的自重補償装置において、定荷重ばね３Ａの張力をＴ＝ｋ｜ｐ−ｈ｜とすることで式（１）は以下のように表される。
Gｌｃｏｓθ=（ｐｈｃｏｓθ／ｌs）｛ｋ（ｌs−ｌs0）＋Ｔ）｝・・・（４）
ここで、前述した第２実施例の場合と同様に基台１におけるコイルばね３の作用点Ｂからリンク２上の屈曲点である基準点Ａまでの距離をコイルばね３のひずみと考えることによって、Ｔ＝ｋ｜ｐ−ｈ｜＝ｋｌs0と表すことができ、角度に依らず正確な自重補償が可能である。このような第３実施例の機械的自重補償装置は、前述した第２実施例のものと同様の作用効果を奏する。
【００２５】
本発明の第４実施例の機械的自重補償装置について説明する。図４は本実施例の機械的自重補償装置を概念的に示す図面であり、同図において、１は基台であり、この基台１にはリンク２の一端が回転軸Ｏにおいて枢着されている。また、基台１の回転軸Ｏの垂直上側にはばね部材がコイルばね３とこのコイルばね３に並列的に配置された定荷重ばね３Ａと、これらを並行状態で運動させる並行運動機構とからなるばね部材30の一端が連結された作用点Ｂとなっており、このコイルばね部材30の他端はリンク２の中央部の基準点Ａに連結されている。
【００２６】
上述したような機械的自重補償装置において、定荷重ばね３Ａは駆動角に依らず一定の張力Ｔを発生するので式（１）は以下のように表される。
Gｌｃｏｓθ=（ｐｈｃｏｓθ／ｌｓ）｛ｋ（ｌs−ｌs0）＋Ｔ｝・・・（５）
ここで定荷重ばね３Ａの張力をＴ＝ｋｌs0と設定することによって、自然長パラメータｌs0をキャンセルすることができ、角度に依存しない正確な自重補償が可能となる。
【００２７】
前記構成につきその作用について説明する。まずリンク２は角度θの位置にあり、ばね部材30はある程度伸長した状態でその自重補償トルクと、リンク２の自重トルクとが釣り合っている。そして、リンク２が上方（反時計回り）に回動する（θが大きくなる）と、リンク２の自重トルクが減少するが、これに伴いコイルばね３のたわみも減少して両者の釣り合いが維持される。
【００２８】
本実施例のように結果的にコイルばね３の自然長パラメータｌs0をキャンセルすることができ、リンク２の自重トルクをリンク２の角度に依存することなくばね部材30の弾性力により補償することができれば、前述した第１乃至第３実施例のような構成に限らず種々の態様とすることができる。
【００２９】
前述した第１乃至第４実施例から明らかなようにこれら各実施例の機械的自重補償装置によりリンク２の角度に依存することなく自重補償が可能となるが、このことはピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の全ての回転方向に対して自重補償可能であることを意味する。そこで、機械的自重補償装置の多自由度化について以下検討する。
【００３０】
まず、本発明の第５実施例について説明する。図５は本発明の機械的自重補償装置に好適なリンク機構を示しており、同図において11は基台であり、この基台11には主リンク12の一端が回転軸Ｏにおいて枢着されていて、この主リンク12の他端には、フロントリンク13が枢着されている。また、主リンク12の両端部には一対のプーリ14，14Ａが取り付けられていて、このプーリ14，14Ａにはタイミングベルト15が装架されている。
【００３１】
上述したようなリンク機構を採用した理由は以下のとおりである。すなわち、コイルばねを用いた自重補償機構においては、(１)コイルばねの設置点（作用点）は駆動軸となる回転軸Ｏの垂直上方に位置していること、(２)フロントリンク13が生じるモーメントを基台に伝達しないことなどの要件が必要とされる。ところで、従来用いられてきた図６に示すような４本リンクを用いたリンク機構では、基台21の上下に主リンク22及び従リンク23の一端をそれぞれ枢着し、これら主リンク22及び従リンク23の他端側にフロントリンク24を設けたものが用いられてきた。しかしながら、このようなリンク機構では、主リンク22及び従リンク23がある程度上方に回動すると、図示一点鎖線で示すように主リンク22及び従リンク23が接触するため可動角が±９０°未満に限られていた。これに対し本実施例のような構成を採用することにより、回動するのは一対の主リンク12のみであるのでリンクの接触という事態が回避され、平行リンクに要求される２つの要件を満たしつつ可動角を拡大することが可能となる。なお、本実施例においてはプーリ14，14Ａとタイミングベルト15とによりとによりリンクを構成したが、プーリ14，14Ａの代わりに歯車を用いるとともに、タイミングベルト15の代わりにチェーンを用いて、歯車にチェーンを装架するなどの変形実施が可能である。
【００３２】
以上、曲げ回転運動に対する自重補償装置について検討してきたが、短いリンク長で広い可動領域が求められるマニピュレータなどの作動アームでは、ねじり回転運動が必要であり、そしてこのねじり回転運動においても自重補償ができることが同様に有効となる。多自由度マニピュレータにおいてねじり回転運動に対して自由補償を行う場合であっても同様に(１)コイルばねの設置点（作用点）は駆動軸となる回転軸Ｏの垂直上方に位置していること、(２)フロントリンクが生じるモーメントを基台に伝達しないこと、の要件を満たしている必要がある。したがって、第６実施例である図７に示すように基台31にリンク32の一端を回転軸Ｏを有するユニバーサルジョイント33により直交する２軸方向に対してそれぞれ回動自在に支持し、他端にフロントリンク37を設けたものにおいて、リンク32の中央部にコイルばね34の他端を連結し、このコイルばね34の一端にワイヤ35を接続して基準点Ａとなるベアリング内蔵プーリ36を介して方向転換して回転軸Ｏの垂直上方の作用点Ｂに連結することにより、ねじり回転運動においても自重補償を行うことができる。
【００３３】
次に本発明の第７実施例である直交３軸の回転運動に対する自重補償装置について説明する。図８乃至図11は、本発明の第６実施例の機械的自重補償装置を概念的に示す図面であり、同図において41は基台であり、この基台41には同一平面上においてその中心軸が直交するヨー軸42及びロール軸43と、このヨー軸42及びロール軸43の中心軸の交点に中心軸を有し、ヨー軸42及びロール軸43の中心軸とそれぞれ直交するピッチ軸44とが取り付けられており、このヨー軸42、ロール軸43及びピッチ軸44のそれぞれ中心軸の交点Ｏにリンク45の一端が接続されている。また、リンク45の先端側に他端を固定して該リンク45と並行に引張りコイルばね46が取り付けられていて、このコイルばね46の一端にはワイヤ47が接続されている。そして、リンク45の中間部には基準点Ａとなるベアリング内蔵プーリ48が設けられており、ワイヤ47はこのベアリング内蔵プーリ48を経由して交点Ｏの垂直上側において作用点Ｂとして固定されている。そして、本実施例ではＯＡ間の距離ｐはＯＢ間の距離ｈよりも大きくなるように設定されている。
【００３４】
上述したような機械的自重補償装置において、実施例１から５ではコイルばね46の張力は長手方向へのたわみによる張力としてのみ検討しており、リンク45がねじり運動をする場合にはリンク45のねじれ回転運動をコイルばね46に伝えないようコイルばね46とリンク45とをねじり回転に対してフリーな機構で繋ぐ必要がある。これにより前述した第１実施例と同様の図９に示すようなピッチ軸44による回転における自重補償と、第６実施例と同様の図10に示すようなロール軸43による回転における自重補償のメカニズムが成立する。また、ヨー軸42による回転については、図11に示すようにヨー軸42にかかる自重トルクが変化しないのに対して、コイルばね46もたわむことがないように配置されているので、ヨー軸42の回転運動と自重補償機構とは非干渉となっている。したがって、本発明の機械的自重補償装置は、直交３軸回転運動においても正確な自重補償を行うことができることがわかる。
【００３５】
さらに、前述したようにヨー軸42は非干渉であるので前述した第７実施例において図12に示すようにピッチ軸44及びロール軸43による２軸の回転運動における自重補償機構とすることもできるし、その一方でヨー軸42だけの１軸回転運動とするなど自重補償機構の運動方向を任意に選択して組み合わせることができる。
【００３６】
次に本発明の具体例である第８実施例について図１３及び図１４を参照して詳細に説明する。第８実施例は、本発明の機械的自重補償装置を２個直列的に配置したものであり、図１３及び図１４において、51は第１の機械的自重補償装置であり、61はこの第１の機械的自重補償装置のフロントリンクに接続された第２の機械的自重補償装置である。まず、第１の機械的自重補償装置51は、基台52に主リンク53の一端が枢着部たる回転軸Ｏにおいて回動自在に枢着されており、この主リンク53の先端側に他端を固定して主リンク53と並行に引張りコイルばね54が取り付けられていて、このコイルばね54の一端にはワイヤ55が接続されている。そして、主リンク53の中間部には基準点Ａとなるベアリング内蔵プーリ56が設けられており、ワイヤ55はこのベアリング内蔵プーリ56を経由して基台52の垂直上側の作用点Ｂで連結されている。また、この主リンク53の他端には第１のフロントリンク57が枢着されていて、その両端部には一対のプーリ58，58Ａが取り付けられており、このプーリ58，58Ａにはタイミングベルト59が装架されている。そして、このような第１の機械的自重補償装置51において、ＯＡ間の距離ｐはＯＢ間の距離ｈよりも大きくなるようにベアリング内蔵プーリ56及び作用点Ｂの位置が設定されている。
【００３７】
また、第２の機械的自重補償装置61は、前述した第１の機械的自重補償装置51の作動体としてフロントリンク57に接続されたものであり、このフロントリンク57には取り付けケーシング57Ａが取り付けられていて、この取り付けケーシング57Ａ内には、基台62が収納されている。この基台62にはモータ63とこのモータ63により回動可能に設けられた第１の傘歯車64とが取り付けられていて、この第１の傘歯車64には第２の傘歯車65が歯合しており、この第２の傘歯車65には駆動軸66を介して駆動ギア67が取り付けられている。さらに、この駆動ギア67は従動ギア68に歯合していて、主リンク69の一端に設けられたプーリ70を回動する。このプーリ70の中心が回転軸Ｏ2となっている。一方、主リンク69の先端側には他端を固定して該主リンク69と並行に引張りコイルばね71が取り付けられていて、このコイルばね71の一端にはワイヤ72が接続されている。そして、主リンク69の中間部には基準点Ａ2となるベアリング内蔵プーリ73が設けられており、ワイヤ72はこのベアリング内蔵プーリ73を経由して基台62の垂直上側の取り付けケーシング57Ａ内に作用点Ｂ2として連結されている。また、この主リンク69両端部には一対のプーリ70，70Ａが取り付けられていて、このプーリ70，70Ａにはタイミングベルト74が装架されている。そして、この前方のプーリ70Ａ，70Ａ間には、減速機75を備えたモータ76が設置されていて、第２のフロントリンク77の取付枠78内に収納された傘歯車（図示せず）の組み合わせにより第２のフロントリンク77が回転駆動可能となっている。このような第２の機械的自重補償装置61において、Ｏ2Ａ2間の距離ｐはＯ2Ｂ2間の距離ｈよりも大きくなるようにベアリング内蔵プーリ73及び作用点Ｂ2の位置が設定されている。
【００３８】
このような構成を採用することにより図示しない駆動機構により第１の機械的自重補償装置51を駆動して第１のフロントリンク57をヨー軸及びピッチ軸周りに回転させて駆動機構を停止する。そうするとコイルばね54により主リンク53、第１のフロントリンク57及び第２の機械的自重補償装置61などの自重を補償することができるので、主リンク53、フロントリンク57及び第２の機械的自重補償装置61を静止した状態に維持することができる。同様にモータ63を駆動して第２のフロントリンク77をロール軸周りに回転させ、さらにモータ76を駆動して主リンク69をピッチ軸周りに回転させることができる。そして、コイルばね71により主リンク69、第２のフロントリンク77等の自重を補償することができる。
【００３９】
上述したように機械的自重補償装置を２個直列的に配置することにより最先端に位置する第２のフロントリンク77の位置を一層自由に変位することができ、しかもその自重を保持して姿勢を維持することができるので、このために駆動力を消費する必要がないので、駆動装置であるモータ63、76などは次の動作時にのみ可動すればよく、消費電力が少なく効率的な機械的自重補償装置となっている。しかも、装置自身の自重は補償されているため微細な動きにも適している。
【００４０】
以上本発明の機械的自重補償装置について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は前記実施例に制限されず、種々の変形実施が可能である。例えば、前記実施例においては、連結部材として、線状のワイヤを用いているが、装置の重さに応じて、紐、縄、糸あるいはこれらと剛直な部材との組み合わせであってもよく、剛直部材の場合には屈曲していてもよい。
【００４１】
上述したような本発明の機械的自重補償装置は、マニピュレータ、ロボットアーム、クレーン車などの土木作業機器、各種試験等の作業機器、深海、地中あるいは高層作業機器などの大小種々の作用機器、手術で用いるような医療用機器、玩具、自動化された家庭電化製品など家庭用機器、さらには電気スタンドや監視カメラの台等のアクチュエータを搭載しない手動の台などにも応用可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の機械的自重補償装置は、基台に一端が枢着されたリンクと、一端が固定端となるばね部材と、該ばね部材の他端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記連結部材は、前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に設けられた方向変換部材を経由して屈曲し前記リンクの基準点に連結され、前記基準点と枢着部との距離と、前記作用点と前記枢着部との距離とを等しく設定することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、角度のファクターに拘束されることがなく、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸及びロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【００４３】
また、請求項２記載の機械的自重補償装置は、基台に一端が枢着されたリンクと、該リンク上に他端が固定されたばね部材と、該ばね部材の一端に接続された連結部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記連結部材は、前記リンク上の基準点に設けられた方向変換部材を経由して前記リンクと基台の枢着部の鉛直上方の作用点に連結され、前記基準点と前記枢着部との距離を前記作用点と前記枢着部との距離よりも大きく設定して前記ばね部材の張力を調整することにより、前記ばね部材の自然長パラメータをキャンセルし、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、ばね部材の基準点と枢着部との距離をばね部材の作用点と枢着部との距離に基づいて設定することにより、ばね部材の自然長を０とすることができ、これによりリンクの角度にかかわらず自重を補償することができる。このため、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。また、基準点と作用点とが一致することがないので回動範囲の制限が少なくなる。
【００４４】
請求項１記載の機械的自重補償装置は、前記ばね部材の他端には連結部材が接続されていて、この連結部材は、前記基台上の作用点に設けられた方向変換部材を経由して前記リンクの基準点に連結され、前記基準点と枢着部との距離と、前記ばね部材の作用点と前記枢着部との距離とを等しく設定することにより、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、リンク上におけるばね部材の基準点と枢着部との距離を前記ばね部材の作用点と枢着部との距離と同じく設定することにより、ばね部材の自然長を０とすることができ、これによりリンクの角度にかかわらず自重を補償することができるので、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【００４５】
請求項４記載の機械的自重補償装置は、前記ばね部材の一端が前記基台の作用点に連結されているとともに他端が前記リンクに連結されていて、前記ばね部材が、引張りばねと、この引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと、前記引張りばね及び前記定荷重ばねを並行状態で運動させる並行運動機構とからなり、前記定荷重ばねの弾性力が、前記引張りばねの自然長パラメータをキャンセルするように設定されることにより、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、定荷重ばねの弾性力を前記コイルばねの自然長パラメータに基づき設定することで、リンクの角度にかかわらず自重を補償することができるため、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に対する多自由度の作業用アームとすることができる。
【００４６】
請求項３記載の機械的自重補償装置は、前記請求項２おいて、前記ばね部材が引張りばね単独または引張りばねとこの引張りばねに並列して設けられた定荷重ばねと並行運動機構からなるものであるので、一層正確な自重補償が可能となる。
【００４７】
さらに、請求項５記載の機械的自重補償装置は、前記請求項２又は３において、前記機械的自重補償装置を前記作動体として２個以上直列的に接続するものであるので、複数のリンクが空間内の直交３軸に対し自由に運動できかつ自重補償が可能であるため、より複雑な動きが可能でエネルギー消費の少ない作業アームなどの作動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【図２】本発明の第２実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【図３】本発明の第３実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【図４】本発明の第４実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【図５】本発明の第５実施例による機械的自重補償装置に適用可能なリンク機構を概念的に示す側面図である。
【図６】従来のリンク機構を概念的に示す側面図である。
【図７】本発明の第６実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す正面図である。
【図８】本発明の第７実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す斜視図である。
【図９】前記第７実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【図１０】前記第７実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す正面図である。
【図１１】前記第７実施例による機械的自重補償装置を概念的に示す上図である。
【図１２】前記第７実施例の変形例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第８実施例による機械的自重補償装置を示す斜視図である。
【図１４】前記第８実施例における第２の機械的自重補償装置を示す斜視図である。
【図１５】従来の機械的自重補償装置を概念的に示す側面図である。
【符号の説明】
１，11，21，31，41，52，62 基台
２，32，45 リンク
３，34，46，54，71 引張りコイルばね（ばね部材）
４，35，47，55，72 ワイヤ（連結部材）
５，36，48，56，73 プーリ（方向変換部材）
12，22，53，69 主リンク
Ａ 基準点
Ｂ 作用点
Ｏ 回転軸（支点）
【図１】
0004144021.tif 000002
【図２】
0004144021.tif 000003
【図３】
0004144021.tif 000004
【図４】
0004144021.tif 000005
【図５】
0004144021.tif 000006
【図６】
0004144021.tif 000007
【図７】
0004144021.tif 000008
【図８】
0004144021.tif 000009
【図９】
0004144021.tif 000010
【図１０】
0004144021.tif 000011
【図１１】
0004144021.tif 000012
【図１２】
0004144021.tif 000013
【図１３】
0004144021.tif 000014
【図１４】
0004144021.tif 000015
【図１５】
0004144021.tif 000016