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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2016

研究論文

ロボット要素技術としての可変自重補償機構（免荷装置）
木 村 宏 樹 ＊ 1、 酒 井 昌 夫 ＊ 2、 竹 中 清 人 ＊ 2Development of Variable Gravity Compensation Mechanismfor Robotics Elemental Technology
Hiroki KIMURA *1 , Masao SAKAI * 2 and Kiyoto TAKENAKA *2
Industrial Research Center * 1 * 2ロボットの本質安全につながる要素技術として、対象物の重量をバネの弾性力で支える（自重補償）機構を提案している。本機構は、形状を工夫したカムにより一定の支持力を発現し、 対象物の重量に応じて支持力の調整が可能であることを特徴とする。 本研究では、機構の支持荷重特性を評価し、明らかになった支持荷重誤差（非定荷重、ヒステリシス特性）について、その要因と改善方法について考察した。 幾何計算に加え数値計算による手法を導入し、理論モデルを再構築すると共に、機構の設計パラメータを最適化することで、支持荷重特性が向上できることを示した。

１．はじめにするものである。また、簡単な調整により支持力の調整自動車部品や家電・情報機器などの生産ラインや医が可能である。これまで機構が満たすべき関係式を明ら

療・介護の現場などにおいて、人とロボットが協調してかにするとともに、異なる重量物に対して支持力の調整作業をすることが期待されている。このような場では法が可能であることを幾何計算により示してきた 2)。図１

規制による安全確保が重要で、産業用ロボットでは労働は、提案する可変自重補償機構を岐阜大学 川﨑・毛利研

安全衛生規則第 150 条の 80W 規制の解釈が見直され、究室が開発する「床上で利用可能なリハビリ支援システ

生活支援ロボットでは国際安全規格 ISO13482 が発行さム」の腕や機構の重量を免荷する装置に適用した例であれたところである。ロボットの安全方策として、搭載する（以下、現行機）。現行機では、荷重支持が可能である

るアクチュエータの低出力化は本質安全につながる。

ことを示す一方、支持力に誤差が大きいことが課題としセル生産方式の普及などにより、人とロボットが協調て挙がった。

して作業する工程の構築が期待されている。このような本研究では、現行機の支持荷重特性を評価し、課題で場では、安全面からロボットの低出力化が求められる。

ある支持力誤差の要因を特定すると共に、提案する可変しかし、低出力化は作業対象である部品を軽量なものに自重補償機構を要素技術として向上させることを目指す。

制限し、ロボットが担える作業を減らすことになる。

支持機構部

平行リンク機構部

この課題を解決する方法の一つとして、作業対象の重量をロボットではなく、別の装置で免荷する方法が考え

バネ伸び量調整機構部られる。工場での作業者の負担軽減、作業の効率化を目固定位置調整ネジ的として、バランサーや専用機など対象物の重さを免荷する装置が利用されている。しかし、これらの多くは、単一の重量物のみを免荷することを目的とするものが多く、また、電動式やエアー式のアクチュエータを搭載したものである 1)。セル生産ラインのように、複数の部品

l2

バネ
カムプーリを扱う工程では、それぞれの部品の重量に対して免荷でき、また、安全面から低出力（無動力）であることが求※腕の吊り下げはイメージめられる。我々の提案する可変自重補償機構は、対象物ワイヤーの重量をバネの弾性力を利用して免荷するもので、形状を工夫したカムを用いることで、対象物を定荷重で支持
＊

mg

図１

1 産業技術センター 自動車・機械技術室（現産業労働部 産業振興課）

可変自重補償機構（現行機）概観
2 産業技術センター 自動車・機械技術室＊

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バネ伸び量調整機構部
バネl3l2

τK

カムl2ｇ

ワイヤー

θ2＋

J2 τg

Xp

J1

J4m2g J3－プーリ

Yp

m 3g

θ3K

FK

項目

支持機構部

平行リンク機構部

r(θ2)

φ－

θ2

≒90°

mg m4g＋内容
対象物の質量
平行リンク機構部質量支持機構部質量〃
重力加速度
平行リンク機構部長さ〃重心位置
支持機構部長さ
プーリ位置〃J2 関節角度
カム径
カム角度
バネ定数
バネ初張力mm2m3m4gl2l2gl3Xp
Yp
θ2dθ0Kf0

J2r(θ2)=dcos(θ2/2+θ0)

図２

可変自重補償機構のモデル図

カム部拡大図設計値
1.9[kg]1.4[kg]2.0[kg]4.0[kg]9.8[m/s2]
319.5[mm]192.0[mm]280.0[mm]37.0[mm]75.0[mm]45.5[mm]45.0[deg]
13.5[N/mm]
110.1[N]リンク長さ l2、バネの初期伸び量 x0 が式(5)、(6)を満

２．可変自重補償機構の原理
可変自重補償機構のモデルを図２に示す。本機構は、たす時、自重によるトルク τg とバネによるトルク τK が対象物を保持する支持機構部と平行リンク機構部、バネ、釣り合う。また、対象物の自重 m に合わせてリンク長さカムで構成される。支持機構部に荷重が作用すると平行l2 を式(5)に基づき調整することで、支持荷重の調整が可

リンク機構部が傾き、カムが回転し、ワイヤーを介して能である。

引っ張られるバネの弾性力により対象物を支持する。平
併せてカムの形状を工夫することで、機構の姿勢によら３．可変自重補償機構の支持荷重特性ず常に一定の荷重で対象物を支持することができる。固

現行機の支持荷重特性を評価するため、支持力の計測定位置調整ネジにより、平行リンク機構部の位置を調整を行った。図３に示すように、万能試験機（（株）島津することで支持荷力の調整が可能である。バネ伸び量調製作所 AG-100kNE 型）を用いて、機構を引っ張り・戻整機構部でバネの初期伸び量を変更でき、支持力の微調す（加荷・除荷）サイクル動作を行った。機構の先端に整ができる。また、機構の各関節は受動関節であり、対ロードセル、ワイヤーを取り付け、プーリを介して万能象物の水平・垂直方向の動きを妨げない。

試験機により定速度で加荷・除荷する。その間のロード行リンク機構部により、支持機構部は常に水平が保たれ、対象物の自重により、関節 J2 に作用するトルク τg（式セルの出力値を PC に取り込み支持力を計測した。機構(1)）とバネの弾性力によるトルク τK（式(2)）が、関節の関節角度は、デジタルカメラにより動画撮影をし、高J2 の角度 θ2 に依らず釣り合えば、対象物を常に定荷重で速度カメラシステム（フォトロン（株） HV-W modelA）支持する（自重補償）ことができる。式(1)、(2)中の r(θ 2 )を用いて関節部に貼付したマーカーをデジタイズ処理

はカムの径、 x(θ 2 ) はバネの伸び量であり、式(3)、(4)（画像処理）することで計測した。それぞれの測定周期で与えられる。釣り合い条件は、幾何計算により式(5)、は 300ms とし、LED の発光により同期処理をした。

(6)のように求められる。

測定結果を図４に示す。測定結果から、設計上得られ
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

但し、る理論値と一致せず、目標である定荷重ではなく非定荷重（誤差約 2kgf）となっていることが分かった。また、加荷時と除荷時において、支持荷重が一致しないヒステリシス特性があることが分かった。

４．誤差要因と理論モデルの再構築
非定荷重かつヒステリシス特性を示した要因として、①幾何計算におけるモデルの簡単化による影響、②カム形状の誤差による影響、③バネ、ワイヤーの特性に54

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万能試験機

可変自重補償機構

デジタイズ処理
用マーカー
ロードセル

ワイヤー
デジタル
カメラ

プーリ

ロードセルデータ取得用機器・PC

同期信号用LED

図３

プーリ

可変自重補償機構の支持荷重測定

非定荷重(誤差約2kgf)θ2r(θ2)
≒90°

加荷

J2

J2

ヒステリシス
幾何計算では、簡単化のためワイヤーは特定の位置90°で接すると仮定

除荷

図５
図４

θ2r’(θ2)

真のモーメントアーム、ワイヤー巻取量を数値解析により算出

カムとワイヤーの位置関係

アーム角度と支持荷重特性よる影響が考えられる。以下、それぞれについて検証する。
4.1 幾何計算の簡単化による誤差（非定荷重）

X２章で本機構の原理を紹介し、機構が満たすべき条件を求めた。この際、幾何計算の簡単化のため、カムとワイヤーは特定の位置 90°で接すると仮定した。しかし、カムの径は一様でないため、ワイヤーが接する位置は一Y意でない。ワイヤーの接点が変われば、ワイヤーの巻取

図６

カム形状の測定結果量すなわちバネの伸び量、J2 関節中心からの距離であるモーメントアームも変わる。従って、バネによる J2 関節除荷に作用するトルクの大きさも変わることになる（図５）。
そこで、ワイヤーがカムと接する位置を数値解析により加荷厳密に求め、真のモーメントアーム、ワイヤーの巻取量を求めた。

伸び量に差4.2 カム形状による誤差（非定荷重）（ヒステリシス）

使用したカムは式(3)に基づき設計した。カム形状を三次元測定機で測定し、設計値照合によりその形状誤差を検証した。結果を図６に示す。カムは一部摩耗と考えら

図７

ワイヤーの特性評価（引張試験）

れる形状崩れがあるものの許容誤差範囲の形状（輪郭度500μm 以下）となっていることを確認した。

併せてバネの特性評価も行った。ワイヤーの引張試験結4.3 ワイヤー、バネの特性による誤差（ヒステリシス）

果を図７に示す。ワイヤーの長さは360mmとし、機構にヒステリシス特性の要因として、ワイヤーの伸びが疑使用しているものと同一にした。荷重を加えることによわれるため、引張試験機によりその特性を評価した。

り、ワイヤーには伸びが生じ、また、除荷の際、加荷時55に生じた伸びが残存し、加荷と除荷において同一荷重を加えても伸び量が異なるヒステリシス特性があることがヒステリシス非定荷重確認できた。バネについては、ヒステリシス特性は見られず、初張力以上の荷重においては荷重と伸びの関係は、加荷仕様どおり線形であった。
4.4 理論モデルの再構築

除荷

現行機の支持荷重誤差は、幾何計算の簡単化による誤差とワイヤーのヒステリシス特性が主な要因と考えられる。そこで、カムとワイヤーの接触位置を数値解析により厳密に求めるとともに、ワイヤーの特性を加荷と除荷

図８

支持荷重の厳密計算結果に分けてそれぞれ数式化して理論モデルに盛り込んだ。

誤差低減

その結果、図８に示すように支持荷重は非定荷重となり、(±0.4kgf)

加荷と除荷で荷重が異なるヒステリシス特性を示した。
図４で示した測定値と同様な傾向が確認できた。

５．最適化計算による設計（誤差低減）（Xp,Yp）=（35.0, 196.3）

現行機の支持荷重の測定値に生じた誤差について、理論モデルにワイヤーとカムの位置関係とワイヤーの伸びを考慮することで説明することができた。しかし、対象

図９

プーリ位置の最適化による支持荷重誤差

物の自重を補償するためには、支持荷重は定荷重である必要がある。非定荷重となった要因は、カムとワイヤーの接触位置の他に、プーリの位置が影響すると考えられる。そこで、定荷重を実現するため、最適なプーリ位置を求めた。機構の各姿勢（関節角度）における支持荷重(Xp,Yp)=(37.0,163.0)
d=44.25（l2=308.0）

誤差の総和を最小とする式(7)を評価関数とし、プーリの位置（ Xp、Yp）の最適値を求めた。なお、式(7)中の ei(θ)(i=1,2)は、J2 関節角度 θ における加荷、除荷時の支持荷重誤差である。
(7)
結果を図９に示す。プーリ位置を最適化することで、支持荷重誤差を低減できることが分かる。しかし、ヒス

図１０

ヒステリシスが無い場合の支持荷重誤差を最適化することで、支持荷重誤差を低減できる可能性があることを示した。

テリシス特性により、±0.4kgf 程度の誤差が生じた。ヒ
ステリシスの要因はワイヤーの伸びであることから、伸７．謝辞

びのない部材を使用したと仮定し、併せて、プーリの位本研究を進めるにあたり、機構の支持荷重特性評価の置（Xp、Yp）、カム径 d（リンク長さ l2 に依存）の設計ため岐阜大学 川﨑・毛利研究室より現行機をお借りしま

パラメータを式(7)の評価関数に基づき最適化し、計算ししたこと、川崎特任教授・名誉教授、毛利准教授からごた結果を図１０に示す。このことから、ヒステリシスの助言いただきましたことに感謝申し上げます。

ないワイヤーを使用することで、定荷重を実現できるこ

文献とが示唆された。

1）村上英之，武居直行，松本邦保，鴻巣仁司，藤本英６．結び

雄：日本ロボット学会誌，28(5)，624-630(2010)

提案する可変自重補償機構について、支持荷重特性を

2）木村宏樹，石槫康彦，毛利哲也，川﨑晴久，伊藤聡，評価し、ヒステリシス・非定荷重特性とその要因を明ら

西本裕，青木隆明：第 23 回バイオメカニズムシンポかにした。幾何計算に加え数値計算による手法を導入し、ジウム予稿集，291-297(2013)

理論モデルを再構築すると共に、機構の設計パラメータ