JP2011056640A - 自重補償機構 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性、動作の安定性等に優れた自重補償機構を提供する。
【解決手段】本発明に係る自重補償機構１は、物体１０を保持し回転軸１１を中心に回動するアーム部材２と、アーム部材２の回動に応じて変位し物体１０及びアーム部材２の重量を打ち消す方向へのトルクを発生させる形状を有するカム面１５が形成されたカム部材３と、カム面１５に当接しカム部材３の変位に応じて変位する従動部材４と、従動部材４をカム面１５に圧接させる方向への弾性力を有する弾性部材５と、アーム部材２の回動運動をカム部材３の平行移動運動に変換するリンク部材１２，１６、若しくは弾性部材５の弾性力を間接的に従動部材４に伝達するリンク部材とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、重量を有する物体の保持、移動等を実行する機構において、前記物体の重量による影響を相殺又は低減するための技術に関する。

作業用ロボット、撮像装置用固定具等において、操作の対象となる物体の自重を機械的な構成により打ち消すことができる自重補償機構が用いられる。このような自重補償機構を備えることにより、前記物体を静止状態に維持するための動力を不要又は低減することが可能となる。

特許文献１及び特許文献２において、ワイヤの一端側が引張りバネに連結し、他端側がプーリを介して所定の固定部材に固定され、前記引張りバネの弾性力により物体及びアーム部材の重量を補償する機構が開示されている。

特許文献３において、アーム部材の回動に応じて変位するカム部材と、前記カム部材のカム面に当接するカムフォロアと、前記カムフォロアを前記カム面側に圧接する弾性力を有し収納部材に収納されるバネ部材とを備え、前記カム面は、前記アーム部材の所定の方向への回転に反発するトルクを発生させる形状を有することを特徴とするアームレストが開示されている。

また、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６において、他の自重補償機構が例示されている。

特開２００７−１１９２４９号公報 特開２００３−１８１７８９号公報 特開２００７−１９０１６２号公報 特表２００４−５２０５５８号公報 特開２００４−１００７４５号公報 特開２００６−２８２３００号公報

上記特許文献１及び特許文献２に開示される機構は、前記ワイヤ、前記プーリ等の機構を必要とする。これらの機構は、耐久性を向上させることが困難なものであり、高荷重状態での使用に適さないという問題がある。また、特許文献３に開示される機構は、アームレストを想定するものであって、高荷重状態での使用において、動作の安定性等に不安があるものである。

本発明は、上記問題に鑑み、耐久性、動作の安定性等に優れた自重補償機構を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、物体を保持し、回転軸を中心に回動するアーム部材と、前記アーム部材の回動に応じて変位し、前記物体及び前記アーム部材の重量を打ち消す方向へのトルクを発生させる形状を有するカム面が形成されたカム部材と、前記カム面に当接し、前記カム部材の変位に応じて変位する従動部材と、前記従動部材を前記カム面に圧接させる方向への弾性力を有する弾性部材と、前記アーム部材の回動運動を前記カム部材の平行移動運動に変換するリンク部材とを備える自重補償機構である。

また、本発明の他の態様は、物体を保持し、回転軸を中心に回動するアーム部材と、前記アーム部材の回動に応じて変位し、前記物体及び前記アーム部材の重量を打ち消す方向へのトルクを発生させる形状を有するカム面が形成されたカム部材と、前記カム面に当接し、前記カム部材の変位に応じて変位する従動部材と、前記従動部材を前記カム面に圧接させる方向への弾性力を有する弾性部材と、前記弾性部材の前記弾性力を間接的に前記従動部材に伝達するリンク部材とを備える重量補償機構である。

上記態様によれば、前記物体及び前記アーム部材が重力方向に変位する時、前記カム部材の変位を妨げるようなトルクが発生する。このトルクは、前記カム面の形状、前記リンク部材の構造等により適宜設定可能なものであり、これを前記物体及び前記アーム部材の重量に相当させることができる。これにより、アクチュエータ、操作者等により加えられた純粋なトルクのみにより前記アーム部材を操作することが可能となる。また、上記態様によれば、機構の動作の安定化を図ることができる。

また、上記他の態様において、前記リンク部材は、回転軸を中心に、前記アーム部材の前記回動面に対し平行な平面上を回動する部材からなることが好ましい。これにより、更なる動作の安定化を図ることができる。

また、前記リンク部材に固定され、前記従動部材が前記カム面に当接する圧力を自重により増加させる荷重部材を更に備えてもよい。これにより、前記弾性部材の規模を小さくすることができる。

また、前記カム部材は、少なくとも２つの前記カム面を備えてもよい。このような態様においては、前記カム部材が線対称又は点対称の形状を有することが好ましい。更に、対向する第１及び第２の前記カム面にそれぞれ当接する第１及び第２の前記従動部材と、前記第１及び第２の従動部材をそれぞれ前記カム部材の内部へ向かって加圧する機構とを備えることが好ましい。このような態様により、更なる動作の安定化を図ることができる。また、前記弾性部材の弾性力が前記カム部材に対して両側から略均等に掛かるため、回転軸等の部材に掛かる負担が大幅に軽減される。これにより、耐久性・寿命の向上、小型且つ安価な軸受の使用等が可能となる。

本発明によれば、ワイヤ、プーリ等を必要としない自重補償機構を提供することが可能となる。これにより、耐久性、動作の安定性等に優れた自重補償機構を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る自重補償機構の構成を示す図である。 前記実施の形態２に係るカム部材の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る自重補償機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る自重補償機構の構成を示す図である。

以下に、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、異なる実施の形態において、同一又は同様の作用効果を奏する箇所については、同一の符号を付してその説明を省略する。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る自重補償機構１の構成を示している。前記自重補償機構１は、アーム部材２、カム部材３、従動部材４、及び弾性部材５を備えている。

前記アーム部材２は、その先端部に任意の物体１０を保持可能な機構を備え、その後端部が回転軸１１により所定の固定部材に回動可能に軸支されている。本実施の形態に係る前記アーム部材２は、関節機構を持たないロッド状の部材である。前記物体１０は、所定の質量Ｍを有し、鉛直方向（図中下方）に重量Ｍｇを発生させる。本実施の形態に係る前記アーム部材２は、前記回転軸１１を中心として回動可能なピニオン１２に固定されている。これにより、前記ピニオン１２は前記アーム部材２と共に回動する。

前記カム部材３は、カム面１５を備え、ラック１６に固定されている。前記ラック１６は、前記ピニオン１２と噛合し、前記ピニオン１２の回動に応じて矢印Ａ方向にスライドする。この構成により、前記カム部材３は、前記ピニオン１２の回転（前記アーム部材２及び前記物体１０の変位）に伴い、同一平面上を矢印Ａ方向にスライドする。前記カム面１５は、滑らかな曲面から構成され、本実施の形態においては、矢印ｘ方向に向かうに従い、徐々にその高さｙが大きくなる形状を有している。

前記従動部材４は、前記カム面１５に当接し、前記カム面１５の形状に沿って変位する。前記従動部材４として、例えば車輪等の機構を適用することができる。

前記弾性部材５は、前記従動部材４を前記カム面１５に圧接させる方向（図中矢印Ｆで示す方向）への弾性力を有する。前記弾性部材５として、例えばコイルバネ等を適用することができる。

上記本実施の形態によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記アーム部材２及び前記ピニオン１２は回転角θが増加する方向（矢印の方向）に回動し、前記ラック１６及び前記カム部材３が図中右側にスライドする。この時、前記受動部材４が接する部分の前記カム面１５の高さｙが徐々に高くなり、前記弾性部材５のたわみ量が増加し、前記矢印Ｆ方向への圧力が増加する。これにより、前記カム部材３及び前記ラック１６の図中右側へのスライド、前記ピニオン１２及び前記アーム部材２の前記回転角θの増加方向への回動、及び前記物体１０の下降が妨げられる。

上記構成において、前記物体１０及び前記アーム部材２の重量、前記アーム部材２の長さ等に対応し、前記カム面１５の形状、前記弾性部材５のばね定数、前記ピニオン１２及び前記ラック１６のギア比等を適切に設定することにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重を効果的に補償する（打ち消す）ことができる機構を構築することができる。

実施の形態２
図２は、本発明の実施の形態２に係る自重補償機構２１の構成を示している。前記自重補償機構２１は、上記実施の形態１に係る自重補償機構１と比して、カム部材２３の形状、及び前記アーム部材２と前記カム部材２３との連結構造が異なっている。

本実施の形態に係る前記アーム部材２は、回転板２２に固定されている。前記回転板２２は、前記回転軸１１を中心に回動可能に軸支されている。前記カム部材２３は、前記回転板２２に直接固定されている。

図３は、本実施の形態に係る前記カム部材２３の形状を示している。前記カム部材２３は、カム面２５及び平坦面２６を有する。前記カム面２５は、前記従動部材４が当接する部分であり、曲率が異なる滑らかな曲面から構成される。前記曲率は、回転角αが増加する方向（矢印の方向）に向かうに従い、小さくなる。前記平坦面２６には、回転中心部２７が形成されている。前記回転中心部２７は、前記回転軸１１に固定される部分であり、前記平坦面２６の中心部より図中右側にずれた位置に形成されている。距離ｒは、前記回転中心部２７から前記カム面２５までの距離を示している。前記距離ｒは、前記回転角αが増加するに従い、大きくなる。

上記本実施の形態によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記アーム部材２、前記回転板２２、及び前記カム部材２３は前記回転角θが増加する方向に回動する。この時、前記カム面２５の前記受動部材４が接する部分は、前記回転角αが増加する方向に移行していく。即ち、徐々に前記距離ｒが増加し、前記弾性部材５のたわみ量が増加し、前記矢印Ｆ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。

実施の形態３
図４は、本発明の実施の形態３に係る自重補償機構３１の構成を示している。前記自重補償機構３１は、上記実施の形態２に係る自重補償機構２１と比して、リンク部材３２を備える点で異なっている。

前記リンク部材３２は、弾性部材３５の弾性力を前記従動部材４に間接的に伝達するものである。本実施の形態に係る前記リンク部材３２は、ロッド状の部材であり、その一端部は回転軸３３により矢印Ｃ方向に回動可能に軸支される。前記リンク部材３２の他端部には、前記従動部材４が固定される。また、前記弾性部材３５の一端部は、所定の不動部３６に固定され、その他端部は、前記リンク部材３２の中間部（前記一端部と前記他端部との間）に固定される。前記弾性部材３５は、矢印Ｄ方向への弾性力を有する。

上記本実施の形態によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記弾性部材３５の引張量が増加し、前記矢印Ｆ方向への圧力が増加する。上記のように、前記従動部材４と前記弾性部材３５との間に前記リンク部材３２を介在させることにより、前記従動部材４等の動作を安定化させることができる。

実施の形態４
図５は、本発明の実施の形態４に係る自重補償機構４１の構成を示している。前記自重補償機構４１は、上記実施の形態３に係る自重補償機構３１と比して、カム部材４３の形状、前記リンク部材３２と前記弾性部材３５との連結構造等が異なっている。

前記カム部材４３は、穿設部４４を備える円板状の部材である。前記穿設部４４は、カム面４５及び平坦面４６を有する。前記カム面４５は、上記実施の形態２及び３に係るカム面２５に相当する。本実施の形態に係るカム面４５は、図中右側に向かう程その曲率が小さくなる。前記平坦面４６には、上記実施の形態２係る回転中心部２７（図３参照）に相当する回転中心部４７が形成されている。前記回転中心部４７は、前記平坦面４６の中心部より図中左側にずれた位置に形成されている。また、前記カム部材４３は、前記アーム部材２に直接固定されており、前記回転軸１１を中心に前記アーム部材２と共に回動する。前記従動部材４は、前記穿設部４４内で前記カム面４５に当接する。前記弾性部材３５は、前記リンク部材３２の中間部に連結され、矢印Ｅ方向への弾性力を有する。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム部材４３は前記回転角θが増加する方向に回転する。この時、前記カム面４５の前記受動部材４が接する部分の曲率が徐々に増加し、前記弾性部材３５の引張量が増加し、前記矢印Ｇ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。

実施の形態５
図６は、本発明の実施の形態５に係る自重補償機構５１の構成を示している。前記自重補償機構５１は、上記実施の形態４に係る自重補償機構４１と比して、カム部材５３の形状、加重部材５８を備える点等で異なっている。

前記カム部材５３は、図３に示す前記カム部材２３を、前記平坦面２６を対称線として反転させ一体化した形状を有している。前記カム部材５３は、図中上下にそれぞれ前記カム面２５を備えており、これら両カム面２５の曲率は、共に図中右側程大きく、左側程小さい。前記カム部材５３には、前記回転中心部２７に相当する回転中心部５７が形成されている。前記カム部材５３は、前記アーム部材２に直接固定され、前記回転軸１１を中心に前記アーム部材２と共に回動する。

前記リンク部材３２は、上記実施の形態３又は４と同様に、その一端部が前記回転軸３３により軸支され、その他端部が前記従動部材４に固定されている。そして、前記リンク部材３２の中間部には、前記弾性部材３５が連結されると共に、前記荷重部材５８が固定される。前記弾性部材３５は、矢印Ｈ方向への弾性力を有する。前記荷重部材５８は、質量ｍを有し、鉛直方向に重量ｍｇを発生させる。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム面２５の形状により前記弾性部材３５のたわみ量が増加して前記矢印Ｆ方向への圧力が増加し、更に前記荷重部材５８の重量ｍｇが前記カム面２５に掛かる。これにより、上記他の実施の形態よりもばね定数が小さい前記弾性部材３５を用いて、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重を補償することができる。

実施の形態６
図７は、本発明の実施の形態６に掛かる自重補償機構６１の構成を示している。前記自重補償機構６１の特筆すべき点は、カム部材６３の形状、従動部材６４及び弾性部材６５の配置等である。

前記カム部材６３は、図３に示す上記実施の形態２に係るカム部材２３を、前記回転中心部２７を対称点として１８０°回転させた形状を有している。前記カム部材６３は、図中上下側にそれぞれ前記カム面２５が位置するように配置される。上側の前記カム面２５の曲率は、図中左側へ行く程小さくなり、下側の前記カム面２５の曲率は、図中右側へ行く程小さくなる。前記カム部材６３は、前記アーム部材２に直接固定され、前記回転軸１１を中心に前記アーム部材２と共に回動する。

前記両カム面２５に対応して、それぞれ前記従動部材６４、前記弾性部材６５、ガイド部材６７、及び台部材６８が設けられている。前記従動部材６４は、車輪等により構成され、前記ガイド部材６７に軸支される。前記弾性部材６５の一端部は、前記ガイド部材６７に固定され、その他端部は前記台部材６８に固定される。前記台部材６８は、装置本体のケーシング等に固定される不動の部材である。本実施の形態においては、一対の前記ガイド部材６７及び前記台部材６８の間に、２つの前記弾性部材６５が配置されている。前記弾性部材６５は、矢印Ｉ方向への弾性力を有する。尚、上記構成は、前記カム部材６３の実用的な可動範囲が回転角β程度となるように設計されることが好ましい。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム面２５の形状により前記各弾性部材６５のたわみ量が増加して矢印Ｊ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。このように、本実施の形態においては、前記カム部材６３が点対称の形状を備え、前記弾性部材６５の弾性力が前記カム部材６３の上下方向から作用する。これにより、動作の安定化を図ることができる。また、前記弾性部材６５の弾性力が前記カム部材６３に対して上下方向から略均等に掛かるため、前記回転軸１１等の部材に掛かる負担が大幅に軽減される。これにより、耐久性・寿命の向上、小型且つ安価な軸受の使用による低コスト化等を実現することができる。

実施の形態７
図８は、本発明の実施の形態７に係る自重補償機構７１の構成を示している。前記自重補償機構７１は、上記実施の形態６に係る自重補償機構６１と比して、前記カム部材６３、弾性部材７５、ガイド部材７６の配置等が異なっている。

前記カム部材６３は、前記両カム面２５が図中左右側に位置するように配置される。前記カム部材６３は、前記アーム部材２に固定され、前記アーム部材２と共に回動する。前記従動部材６４は、前記ガイド部材７６に軸支され、前記各カム面２５に当接する。前記両ガイド部材７６は、それらの長手方向が図中上下方向に沿うように配置される。前記弾性部材７５は、前記両ガイド部材７６の間に配置される。前記弾性部材７５の両端部は、前記両ガイド部材７６の対面する両端部に固定される。前記弾性部材７５は、矢印Ｋ方向への弾性力を有する。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム面２５の形状により前記各弾性部材７５の引張量が増加して矢印Ｌ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。このような構成によっても、前記弾性部材７５の弾性力を前記カム部材６３の両側から作用させることができるので、動作の安定化を図ることができる。また、本実施の形態においては、前記弾性部材７５が前記両ガイド部材７６の間に配置されるため、上記実施の形態６に係る前記台部材６８に相当する部材を不要にすることができる。これにより、上記実施の形態６に記載した効果に加え、機構の縮小化、軽量化等を図ることができる。

実施の形態８
図９は、本発明の実施の形態８に係る自重補償機構８１の構成を示している。前記自重補償機構８１は、上記実施の形態７に係る自重補償機構７１と比して、リンク部材８６、弾性部材８５の構造等が異なっている。

前記リンク部材８６は、Ｌ字型の形状を有する。前記リンク部材８６の屈曲部は、回転軸８２により回動可能に軸支される。前記リンク部材８６の一端部には前記従動部材６４が軸支され、その他端部８３には前記弾性部材８５の一端部が固定される。前記弾性部材８５の他端部８４は、ケーシング等の不動部に固定される。前記弾性部材８５は、矢印Ｍ方向への弾性力を有する。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム面２５の形状により前記弾性部材８６の引張量が増加して矢印Ｌ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。このような構成によっても、前記弾性部材８５の弾性力を前記カム部材６３の両側から作用させることができるので、動作の安定化、前記回転軸１１等への負担の軽減、耐久性・寿命の向上、低コスト化等を図ることができる。また、本実施の形態によれば、前記弾性部材８５を複数用いる必要がない。

実施の形態９
図１０は、本発明の実施の形態９に係る自重補償機構９１の構成を示している。前記自重補償機構９１は、上記実施の形態８に係る自重補償機構８１と比して、リンク部材９６、弾性部材９５の構造等が異なっている。

前記リンク部材９６の一端部は、回転軸９２により回動可能に軸支される。前記リンク部材９６の他端部９３は、揺動可能な状態となっている。前記弾性部材９５の一端部は、前記回転軸９２に固定される。前記弾性部材９５の他端部は、前記リンク部材９６の他端部９３に固定される。前記弾性部材９５は、矢印Ｎ方向への弾性力を有する。前記従動部材６４は、前記リンク部材９６の中間部に軸支され、前記カム面２５に当接する。

上記構成によれば、前記物体１０及び前記アーム部材２が図中下方に変位する時、前記カム面２５の形状により前記弾性部材９５の引張量が増加して矢印Ｌ方向への圧力が増加する。これにより、前記物体１０及び前記アーム部材２の自重が補償される。このような構成によっても、前記弾性部材９５の弾性力を前記カム部材６３の両側から作用させることができるので、動作の安定化、前記回転軸１１等への負担の軽減、耐久性・寿命の向上、低コスト化等を図ることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜構成の変更、入れ替え、組み合わせ等が可能なものである。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１ 自重補償機構
２ アーム部材
３，２３，４３，５３，６３ カム部材
４，６４ 従動部材
５，３５，６５，７５，８５，９５ 弾性部材
１５、２５，４５ カム面
３２，８６，９６ リンク部材
５８ 荷重部材
６７，７６ ガイド部材

Claims (8)

1. 物体を保持し、回転軸を中心に回動するアーム部材と、
   前記アーム部材の回動に応じて変位し、前記物体及び前記アーム部材の重量を打ち消す方向へのトルクを発生させる形状を有するカム面が形成されたカム部材と、
   前記カム面に当接し、前記カム部材の変位に応じて変位する従動部材と、
   前記従動部材を前記カム面に圧接させる方向への弾性力を有する弾性部材と、
   前記アーム部材の回動運動を前記カム部材の平行移動運動に変換するリンク部材と、
   を備える自重補償機構。
2. 物体を保持し、回転軸を中心に回動するアーム部材と、
   前記アーム部材の回動に応じて変位し、前記物体及び前記アーム部材の重量を打ち消す方向へのトルクを発生させる形状を有するカム面が形成されたカム部材と、
   前記カム面に当接し、前記カム部材の変位に応じて変位する従動部材と、
   前記従動部材を前記カム面に圧接させる方向への弾性力を有する弾性部材と、
   前記弾性部材の前記弾性力を間接的に前記従動部材に伝達するリンク部材と、
   を備える重量補償機構。
3. 前記リンク部材は、回転軸を中心に前記アーム部材の前記回動面に対し平行な平面上を回動する部材からなる、
   請求項２に記載の自重補償機構。
4. 前記リンク部材に固定され、前記従動部材が前記カム面に当接する圧力を自重により増加させる荷重部材、
   を更に備える請求項２又は３に記載の自重補償機構。
5. 前記カム部材は、少なくとも２つの前記カム面を備える、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の自重補償機構。
6. 前記カム部材は、線対称の形状を有する、
   請求項５に記載の自重補償機構。
7. 前記カム部材は、点対称の形状を有する、
   請求項５に記載の自重補償機構。
8. 対向する第１及び第２の前記カム面にそれぞれ当接する第１及び第２の前記従動部材と、
   前記第１及び第２の従動部材をそれぞれ前記カム部材の内部へ向かって加圧する機構と、
   を備える請求項６又は７に記載の自重補償機構。

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