JP4144021B2

JP4144021B2 - Mechanical weight compensation device

Info

Publication number: JP4144021B2
Application number: JP2001382223A
Authority: JP
Inventors: 寿郎森田; 史好栗原; 裕樹塩澤; 重樹菅野
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: JP2003181789A

Description

【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）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mechanical weight compensator that balances the gravity of operating arms of manipulators, robots, various work devices, and the like, and in particular, mechanical weight compensation that can be applied to rotational motions of three orthogonal axes in space. Relates to the device.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
In general, in an operating arm such as this type of manipulator, when the working arm is lifted, it is necessary to move the working arm against the gravity, so that output is required. Therefore, it is conceivable to keep the work arm in a predetermined position by an actuator or the like. However, the larger the work arm, the more the actuator having a higher output must be kept running in order to hold the work arm. There is a problem that it is not efficient, and such a working arm is not suitable for fine work.
[0003]
In order to solve such problems, a self-weight compensator using a spring member such as a tension coil spring has been proposed. As shown in FIG. 15, this self-weight compensator conceptually includes a base 1, a link 2 having one end pivotally attached to the base 1, the other end connected to the link 2 and one end at the end. A tension coil spring 3 is mounted vertically above the rotation axis O of the link 2 of the base 1, and an operating body (not shown) that is changed by the rotation of the link 2 is attached to the link 2. Such a self-weight compensation device compensates the gravity G based on the self-weight applied to the link 2 by the coil spring 3 and the weight of the operating body, but the spring constant of the coil spring 3, the natural length of the coil spring 3, and the link When the angle θ made by the base 2 with respect to the base satisfies the condition for balancing the weight torque, the weight torque and the compensation torque are balanced only in one posture, and the rotation range of the link 2 and the weight compensation. The range was very limited.
[0004]
Furthermore, the load applied to the link 2 by the gravity G varies depending on the angle θ formed by the link 2 with respect to the base 1, and the factor is that the elastic force of the coil spring 3 cannot be balanced by the angle. .
[0005]
By the way, with the recent development of robot engineering and the complexity of work implements, more complex movements are required, and operating arms such as manipulators are arranged by arranging cantilevered link structures in series. Correspondingly, in the self-weight compensation by the coil spring 3 as described above, the range of motion and the angle θ formed by the link 2 with respect to the base 1 serving as the fixed end thereof are in space. There is a problem that it is not sufficient to construct a multi-degree-of-freedom working arm having three orthogonal axes necessary for movement, that is, a pitch axis, a yaw axis, and a roll axis.
[0006]
If a simple structure using a spring member such as a coil spring can compensate for its own weight and provide a multi-degree-of-freedom working arm with three orthogonal rotating shafts in the space, the workability of these working arms It can be expected to improve (overloading weight, working speed) and reduce power consumption, and can be expected to develop a range of applications such as enabling more complicated and precise work.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and is a mechanical structure that can balance the gravity of the operating arm of a manipulator, robot, operating device, etc. with respect to the motion in a three-dimensional space with a simple structure. An object is to provide a self-weight compensation device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The mechanical weight compensator according to claim 1 of the present invention includes a link having one end pivotally attached to a base, a spring member having one end fixed, and a connecting member connected to the other end of the spring member. The link is provided with a mechanical weight compensator to which an operating body that changes in a fixed posture by rotation of the link is attached, wherein the connecting member is provided between the link and the pivot part of the base. It is bent via a direction changing member provided at a vertically upper action point and is connected to the reference point of the link, and the distance between the reference point and the pivot part, and the distance between the action point and the pivot part. Are set equal to each other, the natural length parameter of the spring member is canceled, and the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link. By adopting such a configuration, the weight can be compensated regardless of the angle of the link, so that it is not constrained by the angle factor, and three orthogonal axes in the space, that is, the pitch axis, the yaw axis, and A working arm having a high degree of freedom with respect to the roll axis can be obtained.
[0009]
The mechanical weight compensator according to claim 2 is a link having one end pivotally attached to a base, a spring member having the other end fixed on the link, and a connecting member connected to one end of the spring member. And a self-weight compensator that is attached to the link with an operating body that changes in a fixed posture by rotation of the link, wherein the connecting member is provided at a reference point on the link. The link is connected to an action point directly above the pivot part of the base via the direction changing member, and the distance between the reference point and the pivot part is determined as the distance between the action point and the pivot part. By adjusting the tension of the spring member by setting it to be larger than that of the spring member, the natural length parameter of the spring member is canceled, and the self-weight torque of the link and the operating body does not depend on the angle of the link. Compensating by elastic force A. By adopting such a configuration, the influence of the tension on the rotation of the link lies in the distance between the reference point of the spring member and the pivoting portion. The natural length of the spring member can be set to zero, and even if the weight torque changes due to the rotation of the link, the spring member expands and contracts according to the angle and the weight compensation torque This can compensate for its own weight regardless of the link angle. For this reason, it can be set as the working arm of the multi-degree-of-freedom with respect to three orthogonal axes in space, ie, a pitch axis, a yaw axis, and a roll axis. In addition, since the reference point and the action point do not coincide with each other, the limitation of the rotation range is reduced..
[0010]
The mechanical weight compensator according to claim 1, wherein a connecting member is connected to the other end of the spring member, and the connecting member passes through a direction changing member provided at an action point on the base. And connecting the reference point of the link, and setting the distance between the reference point and the pivoting portion and the distance between the action point of the spring member and the pivoting portion to be equal to each other. The parameter is canceled, and the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link. For this reason, the influence of the link angle is not the actual length of the spring member but the distance between the reference point of the spring member on the link and the pivot portion. Since the natural length of the spring member can be set to 0 and the self-weight can be compensated regardless of the link angle, the three orthogonal axes in the space, that is, the pitch axis, A multi-degree-of-freedom working arm for the yaw axis and roll axis can be obtained.
[0011]
Claim4The mechanical self-weight compensator described is connected to a link having one end pivotally attached to a base, one end connected to an action point vertically above the link and a pivotal portion of the base, and the other end on the link. A mechanical member having a spring member connected to a reference point, wherein the link is provided with an operating body that changes in a fixed posture by rotation of the link, wherein the spring member is a tension spring; A constant load spring provided in parallel with the tension spring; and a parallel motion mechanism that moves the tension spring and the constant load spring in parallel. The elastic force of the constant load spring is a natural force of the tension spring. By setting so as to cancel the long parameter, the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link. By adopting such a configuration, the constant load spring generates a constant tension regardless of the drive angle, so even if its own weight torque changes due to the rotation of the link, it exerts its own weight compensation torque according to that angle. Therefore, by setting the elastic force of the constant load spring based on the natural length parameter of the coil spring, the self-weight can be compensated regardless of the link angle, and three orthogonal axes in the space, that is, the pitch axis The working arm can have a high degree of freedom with respect to the yaw axis and the roll axis.
[0012]
Claim3A mechanical weight compensation device according to claim2The spring member comprises a tension spring alone or a tension spring, a constant load spring provided in parallel with the tension spring, and a parallel motion mechanism. This enables accurate weight compensation.
[0013]
And claims5The mechanical weight compensation device according to claim 2 is the above-mentioned claim 2.Or 3And two or more of the mechanical weight compensation devices are connected in series as the operating body. Accordingly, since a plurality of links can freely move with respect to three orthogonal axes in the space and can compensate for their own weight, it is possible to provide an operating body such as a work arm that can perform more complicated movement and consume less energy. it can.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a view conceptually showing a mechanical weight compensator according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a base, and one end of a link 2 is pivotally attached to the base 1. The rotary shaft O is pivotally attached. Reference numeral 3 denotes a tension coil spring which is a spring member having one end fixed, and a wire 4 which is a connecting member is connected to the other end of the coil spring 3. On the other hand, a pulley 5 with a built-in bearing, which is a direction changing member, is provided vertically above the rotation axis O of the base 1, and the wire 4 is connected to a reference point A at the center of the link 2 through the pulley 5 with a built-in bearing. The This pulley 5 with a built-in bearing serves as an action point B of the coil spring 3.
[0015]
In the mechanical weight compensator as described above, the reference point A is set such that the distance p between the reference point A and the pivot O and the distance h between the action point B and the rotation axis O are equal. . This is due to the following reasons. That is, the balance between the self-weight torque and the compensation torque by the coil spring is as follows. If the left side is the self-weight torque term and the right side is the self-weight compensation torque term by the coil spring, Glcosθ = (phcosθ / ls) {k (ls−ls0)}.・ (1)
(Wherein, G is its own weight including the weight of the operating body, l is the distance from the rotation axis O to the center of gravity, ls is the length of the coil spring, and ls0 is the natural length of the coil spring.) The relationship needs to be established.
[0016]
In this equation, in order to perform accurate self-weight compensation regardless of the angle, both sides need to be expressed by constants that do not include θ. However, in equation (1), ls (spring length) is a non-linear parameter that depends on θ, and it is clear that the values on both sides do not become equal when the angle (θ) changes, and that it is not possible to balance it. is there. However, if ls0 can be canceled, this ls can be erased, and the values on both sides can be kept equal regardless of the angle, and it is understood that accurate self-weight compensation can be realized.
[0017]
Therefore, as a result of various studies by the present inventor, the idea is that the problem can be solved by devising a mechanism in which the distance from the rotation axis O to the reference point A can be regarded as a length equal to the deflection instead of the total length ls of the spring. The wire 4 is connected to the other end of the wire 3, bent once via a pulley 5 provided vertically above the rotation axis O, and the reference point A of the wire 4 is arranged at a position on the link 4 where p = h. The inventors have found that the natural length ls0 = 0 of the coil spring 3 applied to the drive shaft can be grasped. As a result, the equation (1) is changed to Glcosθ = (phcosθ * kls) / ls (2)
In the above equation (2), the variable parameter ls on the right side can be eliminated, and accurate self-weight compensation can always be performed regardless of the angle.
[0018]
The effect | action is demonstrated about the said structure. First, the link 2 is at an angle θ, and the self-weight compensation torque of the coil spring 3 is balanced with the self-weight torque of the link 2 with the coil spring 3 extended to some extent. When the link 2 rotates upward (counterclockwise) (θ increases), the link 2 torque decreases, but the deflection of the coil spring 3 decreases accordingly, and the balance between the two is maintained. Is done. The link 2 can be rotated (+ 90 °) until the pulley 5 and the link 2 abut on the upper side, and the movable range is expanded. On the other hand, when the link 2 rotates downward (clockwise) (θ decreases), the link 2's own weight torque increases, but with this, the deflection of the coil spring 3 increases and the balance between the two is maintained. The In the present specification, for convenience of explanation, the clockwise rotation shown in the drawing is expressed as minus (−), and the counterclockwise rotation is expressed as plus (+).
[0019]
Next, a mechanical self-weight compensator according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram conceptually showing the mechanical weight compensator of the second embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In this embodiment, the other end is fixed to the distal end side of the link 2 and a tension coil spring 3 is attached in parallel to the link 2, and a wire 4 is connected to one end of the coil spring 3. A pulley 5 with a built-in bearing serving as a reference point A is provided at an intermediate portion of the link 2, and the wire 4 passes through the pulley 5 with a built-in bearing and acts on the vertical upper side of the rotation axis O of the base 1. Connected with
[0020]
In the mechanical self-weight compensator as described above, the reference point A where the pulley 5 with a built-in bearing is located is such that the distance p between the reference point A and the rotating shaft O is the distance between the operating point B of the coil spring 3 and the rotating shaft O. It is set so that the coil spring 3 is extended by | p−h | in the initial state (θ = 90 °). This is due to the following reasons. That is, by arranging the coil spring 3 in parallel with the link 2, the coil spring 3 can be excluded from the movable range of the link 2, and a sufficient movable range can be secured. In the first embodiment described above, p = h, but the reference point A and the action point B come into contact with each other as it is, and a movable angle of ± 90 ° or more cannot be secured. Therefore, contact between the reference point A and the action point B is avoided by making p larger than h as in this embodiment.
[0021]
If p is set to be larger than h in this way, it is impossible to set ls0 = 0 in the above-described equation (1), and the equation (1) cannot be balanced as it is, but in this embodiment, the rotation axis O is not balanced. In the initial state where no self-weight torque is applied (θ = 90 °), adjustment is performed by tensioning the coil spring 3 with the coil spring 3 extended by | p−h |. That is, in this initial state, the expression (1) is expressed as follows.
Glcos [theta] = (phcos [theta] / ls) {k ((ls-ls0) + (ph))} (3)
As a result, ls0 can be canceled, and can be rotated in the range of −180 ° ≦ θ ≦ + 180 ° regardless of the angle, and the self-weight compensation can be performed.
[0022]
The effect | action is demonstrated about the said structure. First, the link 2 is at the position of the angle θ, and the self-weight compensation torque of the coil spring 3 is balanced with the self-weight torque of the link 2 with the coil spring 3 extended to some extent. When the link 2 rotates upward (counterclockwise) (θ increases), the link 2 torque decreases, but the deflection of the coil spring 3 decreases accordingly, and the balance between the two is maintained. Is done. If the link 2 is within the range allowed by the coil spring 3 with respect to the upper side, the link 2 can be rotated by + 180 °. On the other hand, when the link 2 rotates downward (clockwise) (θ decreases), the link 2's own weight torque increases, but with this, the deflection of the coil spring 3 increases and the balance between the two is maintained. The The link 2 can also be rotated by -180 ° as far as the link spring 3 is within the range allowed by the coil spring 3.
[0023]
A mechanical weight compensator according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram conceptually showing a mechanical self-weight compensator according to a third embodiment of the present invention. Since it has basically the same configuration as the second embodiment, the same reference numerals are used for the same configurations. And detailed description thereof is omitted. The mechanical self-weight compensator of the present embodiment is the same as that described above except that the spring member is composed of the coil spring 3, the constant load spring 3 </ b> A arranged in parallel to the coil spring 3, and the parallel motion mechanism that moves them in parallel. This has the same configuration as the second embodiment.
[0024]
In the mechanical self-weight compensator as described above, Equation (1) is expressed as follows by setting the tension of the constant load spring 3A to T = k | p−h |.
Glcosθ = (phcosθ / ls) {k (ls−ls0) + T)} (4)
Here, as in the case of the second embodiment described above, the distance from the operating point B of the coil spring 3 on the base 1 to the reference point A that is the bending point on the link 2 is considered as the strain of the coil spring 3. , T = k | p−h | = kls0, and accurate self-weight compensation is possible regardless of the angle. Such a mechanical weight compensator of the third embodiment has the same effects as those of the second embodiment described above.
[0025]
A mechanical weight compensator according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram conceptually showing the mechanical weight compensation device of the present embodiment. In FIG. 4, 1 is a base, and one end of a link 2 is pivotally attached to the base 1 on a rotation axis O. ing. Further, on the vertical upper side of the rotation axis O of the base 1, a spring member includes a coil spring 3, a constant load spring 3 </ b> A arranged in parallel to the coil spring 3, and a parallel motion mechanism that moves these in parallel. One end of the spring member 30 is connected to an action point B, and the other end of the coil spring member 30 is connected to a reference point A at the center of the link 2.
[0026]
In the mechanical self-weight compensator as described above, the constant load spring 3A generates a constant tension T regardless of the driving angle, so that the expression (1) is expressed as follows.
Glcos [theta] = (phcos [theta] / ls) {k (ls-ls0) + T} (5)
Here, by setting the tension of the constant load spring 3A as T = kls0, the natural length parameter ls0 can be canceled, and accurate self-weight compensation independent of the angle becomes possible.
[0027]
The effect | action is demonstrated about the said structure. First, the link 2 is at an angle θ, and the spring member 30 is stretched to some extent, so that its own weight compensation torque and the own weight torque of the link 2 are balanced. When the link 2 rotates upward (counterclockwise) (θ increases), the link 2 torque decreases, but the deflection of the coil spring 3 decreases accordingly, and the balance between the two is maintained. Is done.
[0028]
As a result, the natural length parameter ls0 of the coil spring 3 can be canceled as in this embodiment, and the self-weight torque of the link 2 can be compensated by the elastic force of the spring member 30 without depending on the angle of the link 2. If possible, the present invention is not limited to the configurations of the first to third embodiments described above, and various aspects can be adopted.
[0029]
As is apparent from the first to fourth embodiments described above, the mechanical weight compensation device of each of the embodiments enables the weight compensation without depending on the link 2 angle. This means that the weight can be compensated for all the rotation directions of the roll shaft. Therefore, the following discussion will be made on the increase in the degree of freedom of the mechanical weight compensator.
[0030]
First, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 shows a link mechanism suitable for the mechanical weight compensator of the present invention, in which 11 is a base, and one end of a main link 12 is pivotally attached to the base 11 on a rotation axis O. A front link 13 is pivotally attached to the other end of the main link 12. A pair of pulleys 14 and 14A are attached to both ends of the main link 12, and a timing belt 15 is mounted on the pulleys 14 and 14A.
[0031]
The reason for adopting the link mechanism as described above is as follows. That is, in the self-weight compensation mechanism using a coil spring, (1) the installation point (action point) of the coil spring is positioned vertically above the rotation axis O serving as a drive shaft, and (2) the front link 13 is Requirements such as not transmitting the resulting moment to the base are required. By the way, in the conventional link mechanism using four links as shown in FIG. 6, one end of the main link 22 and the sub link 23 is pivotally mounted on the top and bottom of the base 21, respectively. What provided the front link 24 in the other end side of the link 23 has been used. However, in such a link mechanism, when the main link 22 and the sub link 23 are rotated upward to some extent, the main link 22 and the sub link 23 come into contact with each other as shown by a dashed line in the figure, so that the movable angle is less than ± 90 °. It was limited. On the other hand, by adopting the configuration as in this embodiment, since only the pair of main links 12 rotate, the situation of contact of the links is avoided, and the two requirements for parallel links are satisfied. In addition, the movable angle can be enlarged. In this embodiment, the pulleys 14 and 14A and the timing belt 15 are used to form a link. However, a gear is used instead of the pulleys 14 and 14A, and a chain is used instead of the timing belt 15 so that the gear is used. Modifications such as mounting a chain are possible.
[0032]
As described above, the self-weight compensation device for the bending rotational motion has been studied. However, an operating arm such as a manipulator that requires a wide movable area with a short link length needs torsional rotational motion. What can be done is equally effective. Even in the case of performing free compensation for torsional rotational motion in a multi-degree-of-freedom manipulator, (1) the installation point (action point) of the coil spring is located vertically above the rotational axis O serving as the drive shaft. (2) The requirement that the moment generated by the front link is not transmitted to the base must be satisfied. Therefore, as shown in FIG. 7 showing the sixth embodiment, one end of a link 32 is supported on a base 31 by a universal joint 33 having a rotation axis O so as to be rotatable in two orthogonal directions, and the other end. The other end of the coil spring 34 is connected to the center portion of the link 32, and the wire 35 is connected to one end of the coil spring 34 via a pulley 36 with a built-in bearing serving as a reference point A. By changing the direction and connecting to the action point B directly above the rotation axis O, the self-weight compensation can be performed even in the torsional rotational motion.
[0033]
Next, a description will be given of a self-weight compensator for rotational motion of three orthogonal axes that is a seventh embodiment of the present invention. FIGS. 8 to 11 are drawings conceptually showing a mechanical self-weight compensator according to a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 41 denotes a base, and this base 41 has its base on the same plane. A pitch axis having a central axis at the intersection of the central axes of the yaw axis 42 and the roll axis 43, and orthogonal to the central axes of the yaw axis 42 and the roll axis 43, respectively. 44 is attached, and one end of a link 45 is connected to the intersection O of the central axes of the yaw axis 42, roll axis 43 and pitch axis 44. In addition, the other end is fixed to the front end side of the link 45 and a tension coil spring 46 is attached in parallel with the link 45, and a wire 47 is connected to one end of the coil spring 46. A pulley 48 with a built-in bearing serving as a reference point A is provided at an intermediate portion of the link 45, and the wire 47 is fixed as an action point B on the vertical upper side of the intersection point O via the pulley 48 with a built-in bearing. . In this embodiment, the distance p between OA is set to be larger than the distance h between OB.
[0034]
In the mechanical self-weight compensator as described above, in the first to fifth embodiments, the tension of the coil spring 46 is considered only as the tension due to the deflection in the longitudinal direction, and when the link 45 is torsionally moved, It is necessary to connect the coil spring 46 and the link 45 by a mechanism that is free from torsional rotation so that the torsional rotational motion is not transmitted to the coil spring 46. As a result, self-weight compensation in the rotation by the pitch shaft 44 as shown in FIG. 9 as in the first embodiment and the self-weight compensation mechanism in the rotation by the roll shaft 43 as in FIG. 10 as in the sixth embodiment. Is established. Further, regarding the rotation by the yaw shaft 42, the self-weight torque applied to the yaw shaft 42 does not change as shown in FIG. 11, whereas the coil spring 46 is also arranged so as not to be bent. There is no interference between the rotational motion and the self-weight compensation mechanism. Therefore, it can be seen that the mechanical weight compensation device of the present invention can perform accurate weight compensation even in the orthogonal three-axis rotational motion.
[0035]
Further, since the yaw axis 42 is non-interfering as described above, in the seventh embodiment described above, a self-weight compensation mechanism in the biaxial rotational motion by the pitch axis 44 and the roll axis 43 can be used as shown in FIG. On the other hand, the motion direction of the self-weight compensation mechanism can be arbitrarily selected and combined, such as a uniaxial rotational motion of only the yaw axis 42.
[0036]
Next, an eighth embodiment, which is a specific example of the present invention, will be described in detail with reference to FIGS. In the eighth embodiment, two mechanical weight compensators of the present invention are arranged in series. In FIGS. 13 and 14, 51 is the first mechanical weight compensator, and 61 is the first weight compensator. 2 is a second mechanical weight compensation device connected to the front link of the first mechanical weight compensation device. First, in the first mechanical weight compensator 51, one end of a main link 53 is pivotally attached to a base 52 so as to be rotatable about a rotation axis O that is a pivotally attached portion. A tension coil spring 54 is attached in parallel to the main link 53 with the end fixed, and a wire 55 is connected to one end of the coil spring 54. A pulley 56 with a built-in bearing serving as a reference point A is provided at an intermediate portion of the main link 53, and the wire 55 is connected to an action point B on the vertical upper side of the base 52 via the pulley 56 with a built-in bearing. ing. Further, a first front link 57 is pivotally attached to the other end of the main link 53, and a pair of pulleys 58 and 58A are attached to both ends thereof, and a timing belt is attached to the pulleys 58 and 58A. 59 is mounted. In such a first mechanical self-weight compensation device 51, the positions of the pulley 56 with a built-in bearing and the operating point B are set so that the distance p between OAs is larger than the distance h between OBs.
[0037]
The second mechanical weight compensation device 61 is connected to the front link 57 as an operating body of the first mechanical weight compensation device 51 described above, and a mounting casing 57A is attached to the front link 57. The base 62 is accommodated in the mounting casing 57A. A motor 63 and a first bevel gear 64 that is rotatably provided by the motor 63 are attached to the base 62, and a second bevel gear 65 is toothed on the first bevel gear 64. A drive gear 67 is attached to the second bevel gear 65 via a drive shaft 66. Further, the drive gear 67 meshes with the driven gear 68 and rotates a pulley 70 provided at one end of the main link 69. The center of the pulley 70 is a rotation axis O2. On the other hand, the other end is fixed to the front end side of the main link 69 and a tension coil spring 71 is attached in parallel with the main link 69, and a wire 72 is connected to one end of the coil spring 71. A pulley 73 with a built-in bearing serving as a reference point A2 is provided at an intermediate portion of the main link 69, and the wire 72 acts in a mounting casing 57A on the vertical upper side of the base 62 via the pulley with a built-in bearing 73. Connected as point B2. A pair of pulleys 70 and 70A are attached to both ends of the main link 69, and a timing belt 74 is mounted on the pulleys 70 and 70A. A motor 76 having a reduction gear 75 is installed between the front pulleys 70A and 70A, and a bevel gear (not shown) housed in a mounting frame 78 of the second front link 77 is installed. The second front link 77 can be rotationally driven by the combination. In such a second mechanical weight compensation device 61, the positions of the pulley 73 with a built-in bearing and the operating point B2 are set so that the distance p between O2A2 is larger than the distance h between O2B2.
[0038]
By adopting such a configuration, the first mechanical weight compensator 51 is driven by a drive mechanism (not shown), and the first front link 57 is rotated around the yaw axis and the pitch axis to stop the drive mechanism. Then, the coil spring 54 can compensate for the weights of the main link 53, the first front link 57, the second mechanical weight compensator 61, and the like, so the main link 53, the front link 57, and the second mechanical weight. The compensator 61 can be kept stationary. Similarly, the motor 63 can be driven to rotate the second front link 77 around the roll axis, and the motor 76 can be driven to rotate the main link 69 around the pitch axis. Then, the self-weight of the main link 69, the second front link 77, etc. can be compensated by the coil spring 71.
[0039]
As described above, by placing two mechanical weight compensators in series, the position of the second front link 77 located at the forefront can be displaced more freely, and while maintaining its own weight, the posture is maintained. Therefore, it is not necessary to consume driving force for this purpose, so the motors 63, 76, etc., which are driving devices, need only be moved during the next operation, and consume less power and efficient mechanical It is a self-weight compensator. Moreover, since the weight of the device itself is compensated, it is suitable for fine movement.
[0040]
Although the mechanical weight compensation device of the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, a linear wire is used as the connecting member, but depending on the weight of the device, a string, a rope, a thread, or a combination of these and a rigid member may be used. In the case of a rigid member, it may be bent.
[0041]
Mechanical self-weight compensation device of the present invention as described above, civil engineering equipment such as manipulators, robot arms, crane cars, working equipment such as various tests, large and small working equipment such as deep sea, underground or high-rise working equipment, The present invention can be applied to medical devices used in surgery, toys, household devices such as automated home appliances, and manual tables that are not equipped with actuators such as table lamps and monitor camera tables.
[0042]
【The invention's effect】
The mechanical weight compensator according to claim 1 of the present invention includes a link having one end pivotally attached to a base, a spring member having one end fixed, and a connecting member connected to the other end of the spring member. The link is provided with a mechanical weight compensator to which an operating body that changes in a fixed posture by rotation of the link is attached, wherein the connecting member is provided between the link and the pivot part of the base. It is bent via a direction changing member provided at a vertically upper action point and is connected to the reference point of the link, and the distance between the reference point and the pivot part, and the distance between the action point and the pivot part. Is set equal to cancel the natural length parameter of the spring member, and the self-weight torque of the link and operating body is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link. Constrained by the angle factor No Rukoto three orthogonal axes in space, that is, the working arm of the multiple degrees of freedom with respect to the pitch axis, yaw axis and roll axis.
[0043]
The mechanical weight compensator according to claim 2 is a link having one end pivotally attached to a base, a spring member having the other end fixed on the link, and a connecting member connected to one end of the spring member. And a self-weight compensator that is attached to the link with an operating body that changes in a fixed posture by rotation of the link, wherein the connecting member is provided at a reference point on the link. The link is connected to an action point directly above the pivot part of the base via the direction changing member, and the distance between the reference point and the pivot part is determined as the distance between the action point and the pivot part. By adjusting the tension of the spring member by setting it to be larger than that of the spring member, the natural length parameter of the spring member is canceled, and the self-weight torque of the link and the operating body does not depend on the angle of the link. Compensating by elastic force Therefore, by setting the distance between the reference point of the spring member and the pivot portion based on the distance between the operating point of the spring member and the pivot portion, the natural length of the spring member can be reduced to zero. Can compensate for its own weight regardless of the link angle. For this reason, it can be set as the working arm of the multi-degree-of-freedom with respect to three orthogonal axes in space, ie, a pitch axis, a yaw axis, and a roll axis. Further, since the reference point and the action point do not coincide with each other, the limitation of the rotation range is reduced.
[0044]
The mechanical weight compensator according to claim 1, wherein a connecting member is connected to the other end of the spring member, and the connecting member passes through a direction changing member provided at an action point on the base. Are connected to the reference point of the link, and the distance between the reference point and the pivoting portion and the distance between the action point of the spring member and the pivoting portion are set equal to each other, Since the self-weight torque is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link, the distance between the reference point of the spring member and the pivoting portion on the link is the pivot point of the spring member. By setting the same as the distance to the landing portion, the natural length of the spring member can be reduced to zero, and thus the self-weight can be compensated regardless of the angle of the link. Pitch axis, yaw axis, low Can be a working arm of the multi-degree-of-freedom with respect to the axis.
[0045]
Claim4The mechanical self-weight compensation device according to the present invention has one end of the spring member connected to the operating point of the base and the other end connected to the link. The spring member includes a tension spring and the tension spring. And a parallel motion mechanism that moves the tension spring and the constant load spring in parallel, and the elastic force of the constant load spring determines the natural length parameter of the tension spring. By setting so as to cancel, the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by the elastic force of the spring member without depending on the angle of the link. By setting based on the natural length parameter of the coil spring, it is possible to compensate for its own weight regardless of the link angle, so that three orthogonal axes in space, that is, the pitch axis, Over shaft can be a working arm of the multiple degrees of freedom relative to the roll axis.
[0046]
Claim3A mechanical weight compensation device according to claim2In this case, since the spring member is composed of a tension spring alone or a tension spring, a constant load spring provided in parallel with the tension spring, and a parallel motion mechanism, more accurate self-weight compensation is possible.
[0047]
And claims5The mechanical weight compensation device according to claim 2 is the above-mentioned claim 2.Or 3In the above, since two or more of the mechanical weight compensation devices are connected in series as the operating body, a plurality of links can freely move with respect to three orthogonal axes in the space and can compensate for the weight. Therefore, it is possible to provide an operating body such as a work arm that can move more complicatedly and consume less energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view conceptually showing a mechanical weight compensator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view conceptually showing a mechanical weight compensator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view conceptually showing a mechanical weight compensation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view conceptually showing a mechanical self-weight compensator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a side view conceptually showing a link mechanism applicable to a mechanical weight compensator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a side view conceptually showing a conventional link mechanism.
FIG. 7 is a front view conceptually showing a mechanical weight compensation apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view conceptually showing a mechanical weight compensation apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a side view conceptually showing a mechanical weight compensation apparatus according to the seventh embodiment.
FIG. 10 is a front view conceptually showing the mechanical weight compensation apparatus according to the seventh embodiment.
FIG. 11 is a top view conceptually showing a mechanical weight compensation apparatus according to the seventh embodiment.
FIG. 12 is a perspective view showing a modification of the seventh embodiment.
FIG. 13 is a perspective view showing a mechanical weight compensator according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view showing a second mechanical weight compensator in the eighth embodiment.
FIG. 15 is a side view conceptually showing a conventional mechanical weight compensator.
[Explanation of symbols]
1,11,21,31,41,52,62 base
2, 32, 45 links
3, 34, 46, 54, 71 Tension coil spring (spring member)
4, 35, 47, 55, 72 Wire (connecting member)
5, 36, 48, 56, 73 Pulley (direction changing member)
12, 22, 53, 69 Main link
A reference point
B Action point
O Rotating shaft (fulcrum)

Claims

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。A link having one end pivotally attached to the base, a spring member having one end as a fixed end, and a connecting member connected to the other end of the spring member, the link being fixed by rotation of the link A mechanical self-weight compensator to which an operating body that changes its position is attached,
The connecting member is bent via a direction changing member provided at a vertical upper working point of the pivot and the base of the link and connected to the reference point of the link;
Canceling the natural length parameter of the spring member by setting the distance between the reference point and the pivoting portion equal to the distance between the action point and the pivoting portion;
A mechanical self-weight compensator according to claim 1, wherein the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by an elastic force of the spring member without depending on an angle of the link.

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。A link having one end pivotally attached to the base; a spring member having the other end fixed on the link; and a connecting member connected to one end of the spring member. Is a mechanical weight compensation device to which an operating body that changes in a constant posture is attached,
The connecting member is connected to an operating point vertically above the pivot and the pivot of the base via a direction changing member provided at a reference point on the link,
The natural length parameter of the spring member is canceled by adjusting the tension of the spring member by setting the distance between the reference point and the pivot portion to be larger than the distance between the action point and the pivot portion. ,
A mechanical self-weight compensator according to claim 1, wherein the self-weight torque of the link and the operating body is compensated by an elastic force of the spring member without depending on an angle of the link.

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。 3. The mechanical self-weight compensator according to claim 2, wherein the spring member comprises a tension spring alone or a tension spring, a constant load spring provided in parallel with the tension spring, and a parallel motion mechanism.

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。A link having one end pivotally attached to the base, and a spring member having one end connected to the vertical upper working point of the link and the base pivot part and the other end connected to a reference point on the link A mechanical self-weight compensator to which an operating body that changes in a fixed posture is attached by rotation of the link is attached to the link;
The spring member comprises a tension spring, a constant load spring provided in parallel with the tension spring, and a parallel motion mechanism that moves the tension spring and the constant load spring in a parallel state.
By setting the elastic force of the constant load spring so as to cancel the natural length parameter of the tension spring, the elastic force of the spring member does not depend on the link weight and the weight of the operating body depending on the angle of the link. Mechanical self-weight compensator characterized by compensating by force.

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。Mechanical weight compensation device according to claim 2 or 3, wherein the connecting the mechanical weight compensation device in series two or more as the operating body.