JP2004238091A

JP2004238091A - ２関節アーム装置のアームバランス機構

Info

Publication number: JP2004238091A
Application number: JP2003025848A
Authority: JP
Inventors: Kenro Motoda; 謙郎元田
Original assignee: MOTODA GIKEN KK
Current assignee: MOTODA GIKEN KK
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】アーム流れ現象をほぼ完璧といえるレベルで阻止乃至抑制することができる２関節アーム装置のアームバランス機構を提供すること。
【解決手段】横向きに配設される平行な第１，第２アーム１，２と、該第１，第２アーム１，２の先端部に上端部が枢着されると共に、下端部に荷重を支持する負荷点Ｐ５を形成した第３アーム３を具備し、前記第１又は第２アームの後端側のいずれか一方が前記負荷点Ｐ５を昇降させるための昇降力の作用点Ｐ６として、及び、前記後端側の他方がアーム機構の支点Ｐ４として、駆動源を有するブラケット５に、前記作用点Ｐ６と支点Ｐ４において支持された２関節アーム装置において、前記第１アーム１又は第２アーム２に、そのアームを前記作用点Ｐ６の上方において当該作用点Ｐ６の側に引寄せるアームバランス用の制御された力を作用させるように形成したこと。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平行リンクを利用した２関節アーム装置におけるアーム流れ現象を効果的に阻止乃至抑制できるアームバランス機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、パントグラフ状をなす平行リンクを利用して２関節アーム機構を形成し、このアーム機構の先端側に荷重を支持する負荷点を設ける一方、当該アーム機構の後端側に設定する支点を、駆動源を備えたブラケットに昇降自在乃至上下方向に旋回自在に支持させて２関節アーム装置に形成し、前記駆動源の出力によって前記アーム機構を伸縮させたり昇降させることにより、前記負荷点に支持した荷重を垂直移動或は水平移動させるようにした２関節アーム装置は、広く知られている。（例えば、特許文献１、２参照）
【０００３】
公知の２関節アーム装置では、そのアーム機構が仮想定比槓杆としてその支点において支持されているので、アーム機構が姿勢を変化させると当該アーム機構の重心が支点に対して移動し、この結果、重心移動に伴って前記アーム機構の姿勢が勝手に変化するという、いわゆるアーム流れ現象が生じることこが知られている。このアーム流れ現象が生じると、負荷点に支持した荷重がアーム流れによって勝手に移動して不都合であるのみならず、荷重が大重量物の場合にはその移動慣性も大きくなって安全上好ましいことは明らかである。
【０００４】
従来、上記アーム流れ現象を阻止乃至抑制するため、アーム機構をその支点に関して上方へ持上げる乃至は上方へ引張るように、上方に向けて作用するバランス用スプリングをアーム機構に設けたり、或は、アーム機構のアーム後方側を前記支点に関して当該アーム後方側に延長し、その延長端部にバランス用の重錘を設けることが行われている。
【０００５】
しかし乍ら、上記のバランス用スプリングでは、アーム機構の姿勢変化によってバネ長が変化するため、バネ張力が変化してしまい、アーム機構の姿勢の如何によってはバランス作用が減少してアーム流れ現象を効果的に防止できないという問題がある。また、バランス用スプリングは、アーム機構の自重が大きい許容荷重の大きな大重量タイプであると、大きな張力のスプリングを用いることとなるが、バランス用スプリングの張力が大きいと人力によってはアーム機構の負荷部の水平移動をさせることができなくなるという問題もある。
【０００６】
一方、バランス用重錘は、上記スプリングのようなアーム流れは生じないが、許容取扱い荷重が大きな大重量タイプのアーム機構では、バランス用の重錘も大きくなって大重量のものとなるため、動作時特に、水平移動時に移動慣性が大きくなり易く、取扱い難くなるという別の問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭５３−１５３６号（第１〜２頁、第７図）
【特許文献２】
特公昭５３−３３１８０号（第１〜３頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような２関節アーム装置におけるアーム流れ現象に鑑み、そのアーム流れ現象をほぼ完璧といえるレベルで阻止乃至抑制することができる２関節アーム装置のアームバランス機構を提供することをその課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することを目的としてなされた２関節アーム装置のための本発明アームバランス機構の構成は、横向きに配設される平行な第１，第２アームと、該第１，第２アームの先端部に上端部が枢着されると共に、下端部に荷重を支持する負荷点を形成した第３アームを具備し、前記第１又は第２アームの後端側のいずれか一方が前記負荷点を昇降させるための昇降力の作用点として、及び、前記後端側の他方がアーム機構の支点として、駆動源を有するブラケットに、前記作用点と支点において支持された２関節アーム装置において、前記第１アーム又は第２アームに、そのアームを前記作用点の上方において当該作用点の側に引寄せるアームバランス用の制御された力を作用させるように形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明アームバランス機構の実施形態例について、図を参照しつつ説明する。図１は本発明バランス機構の一例の構成を説明するための正面図、図２は本発明アームバランス機構の他の例を説明するための正面図、図３は本発明アームバランス機構の制御系の一例のブロック図、図４はアーム機構の各姿勢において負荷点を水平移動させるのに要する力を例示した側面図である。
【００１１】
図１，図２において、１は横向きに配された第１アーム、２は前記第１アームに平行な第２アーム、３は前記第１アーム１と第２アームの先端に上端とその下方を枢着Ｐ１，Ｐ２した第３アーム、４は前記第３アーム３に平行であって、前記第２アーム２の後端と第１アーム１の後端より前方とに、そのアーム上，下端部を枢着Ｐ３，Ｐ４した第４アームで、前記４本のアーム１〜４は、第３アーム３の下端Ｐ５と、第２アーム２と第４アーム４の枢着点Ｐ４と第１アーム１の後端点Ｐ６の３点を通る仮想線分Ｌが前記枢着点Ｐ４を支点（以下、支点Ｐ４ともいう）とし、第３アーム３の下端点Ｐ５を負荷点（以下、負荷点Ｐ５ともいう）、第１アーム１の後端点Ｐ６を作用点（又は力点、以下、作用点Ｐ６又は力点Ｐ６ともいう）とする仮想定比槓杆をなす２関節アーム機構ＡＭ１とＡＭ２の一例を形成する。
【００１２】
上記アーム機構ＡＭ１，ＡＭ２において、図１のアーム機構ＡＭ１は、その支点Ｐ４がブラケット（機筺）５に設けた水平ガイド６に、力点Ｐ６が垂直ガイド７に、それぞれに支持され、前記力点Ｐ６を昇降させ、かつ、位置決めするための昇降力（又は、駆動力ともいう）が作用するように形成されることにより、負荷点Ｐ５に支持した荷重を上下方向で移動させると共に、水平方向でも移動させることができる２関節アーム装置ＡＳ１の一例に形成される。図１において、８は、チェーン８ａ，ガイドスプロケット８ｂ，ブレーキ付ギアドモータ８ｃなどにより形成され、力点Ｐ６に対する駆動力を出力するための駆動源である。
【００１３】
上記アーム装置ＡＳ１は従来からよく知られており、また、アーム機構ＡＭ１の姿勢の如何によってアーム流れ現象が生じるため、スプリングやカウンタウエイトによりアーム機構ＡＭ１のバランスを取るようにしているが、アーム流れ現象を十分に阻止できないという問題があることについては、先に述べた通りである。
【００１４】
そこで本発明では、従来のアーム流れ現象を防止するためのスプリングやカウンタ重錘に代えて、アーム流れを完璧といえるレベルで防止するバランス機構を提供するものであるから、本発明アームバランス機構の一例について、図１により説明する。
【００１５】
図１の本発明アームバランス機構では、アーム機構ＡＭ１における第１アーム１の前半部に連繋したチェーン９を、アーム流れが生じないように、常時制御された力を出力する引張り駆動源１０の引張力により、後方へ引張るように形成した。
【００１６】
即ち、９ａは第１アーム１の前方側に設けた中間スプロケット、９ｂはブラケット５の内部上方に設けた中継スプロケット、９ｃは駆動スプロケットであり、前記チェーン９は、その前端を、ブラケット５の内部に設けた圧力センサ１１に圧力作用を及ぼすように結合する一方、当該チェーンタ９の他端側を中間スプロケット９ａを通してターンさせると共に、中継スプロケット９ｂを経由して方向を９０度変え、駆動スプロケット９ｃに押えプーリ９ｄを介して噛合させている。そして、ギアドモータ１０ａの出力歯車１０ｂと噛合された入力歯車１０ｃと共軸一体に前記駆動スプロケット９ｃが設けられていることにより、前記モータ１０ａの出力によって駆動スプロケット９ｃがここでは時計回り方向に回転させられる力を受けると、前記アーム機構ＡＭ１を吊上げ方向（上方）に引上げようとする引張力が当該チェーン９に作用するのである。
【００１７】
上記のチェーン９に掛けられる駆動源１０の出力による引張力は、圧力センサ１１に得られるこのチェーン９に作用するアーム機構ＡＭ１の重量に対応したセンサ出力に基づいて前記駆動源１０のを制御することにより、このアーム機構ＡＭ１の姿勢変化の如何に拘らず、当該アーム機構ＡＭ１にアーム流れが生じることがないように制御される。
【００１８】
図１により説明したアーム流れをほぼ完全に防止できる本発明バランス機構は、図２のアーム機構ＡＭ２を有する２関節アーム置ＡＳ２についても適用可能であるから、本発明バランス機構の他の例を、図２を参照しつつ説明する。なお、図２において、図１と同一符号は同一部材，同一部位を示すものとする。
【００１９】
図２のアーム機構ＡＭ２は、第１アーム１の後端点Ｐ６がブラケット５に水平軸５１で枢着されると共に、当該第１アーム１と第４アーム４の枢着点Ｐ３よりも少し前方側がチェーン１２の先端に固着され、当該チェーン１２の後方が駆動スプロケット１３によって当該スプロケット１３の後方に引込まれたり繰出されることによってこのアーム機構ＡＭ２が前記軸５１を中心に上下揺動（角回転）する点で、図１のアーム機構ＡＭ１とアーム機構の上下動機構が異なるアーム装置ＡＳ２に形成されている。なお、１３ａは中継スプロケット、１３ｂはチェーン押えプーリ、１４は駆動スプロケット１３と共軸一体の入力歯車、１５はブレーキ付きギアドモータ１６の出力歯車で前記入力歯車１４と噛合している。
【００２０】
図２の２関節アーム装置ＡＳ２において、そのアーム機構ＡＭ２のアーム流れを防ぐため、第１アーム１の先端寄りの位置に圧力センサ１１を設け、このセンサ１１に先端を結合したチェーン９がブラケット５の内部に設けた中継スプロケット９ｂを経由して駆動スプロケット９ｃに噛合させて配置され、当該スプロケット９ｃが図１の例と同構成の駆動源１０に結合されることにより、本発明アームバランス機構の他の例を形成している。なお、９ｄはチェーン押えプーリである。
【００２１】
次に、以上に説明した本発明アームバランス機構の作用例について説明する。図１，図２のアーム機構ＡＭ１，ＡＭ２では、アーム機構の姿勢が変化する、具体的には、両アーム機構ＡＭ１，ＡＭ２の支点Ｐ４が水平ガイド６の上でその前端から後端の間で移動することにより、夫々のアーム機構ＡＭ１，ＡＭ２が伸長状態から短縮状態に姿勢変形すると、前記支点Ｐ４に対する夫々の姿勢におけるアーム機構全体の重心の位置も変化し、支点Ｐ４に対して移動することになるから、チェーン９にかかるアーム機構自重のモーメントによる張力にも変化が生じる。
【００２２】
因みに、発明者がアーム機構ＡＭ１における第１アーム１後端の力点Ｐ６の上，下方向の位置を複数箇所に変え、当該第１アーム１後端の力点Ｐ６の各位置において支点Ｐ４の位置をガイド６の前方，中間点，後方に変化させたとき、このアーム機構ＡＭ１の負荷点Ｐ５を水平方向に移動させるのに要する力（逆にいうとアーム流れの力）は図４に例示するように、負荷点Ｐ５がブラケット５から大きく離れたとき、或は、ブラケット５に最も近付いたときに大きいこと、また、このアーム流れ力（水平方向に移動させるための力）の傾向は、第１アーム１後端の力点Ｐ６がガイド７の下方（つまり、負荷点Ｐ５が上方）に行く程大きく現れた。なお、図４における丸囲み数字は、負荷点Ｐを水平方向に人力によって移動させるために必要な力の大きさ（ｋｇ）を示したものである。
【００２３】
そこで本発明アームバランス機構では、アーム機構における力点Ｐ６を上下方向の各位置に昇降（又は旋回）させ、力点Ｐ６の各位置におけるアーム機構の姿勢を、支点Ｐ４を適宜ピッチで移動させることにより変化させるとき、アーム流れが生じないときにチェーン９に作用している張力と、第１アーム１後端の力点Ｐ６の各位置（又は角度）において支点Ｐ４の位置を変化させたときに生じるアーム流れ発生時チェーン９に作用する張力とを、圧力センサ１１により逐時検出し、その検出値をトレースして分析することにより、第１アーム１後端の力点Ｐ６の上下方向の各位置（又は各角度）における支点Ｐ４の各位置でアーム流れを生じさせないチェーン９に作用させるべき張力値を、予め得ておく。そして、実際にアーム機構ＡＭ１又はＡＭ２の姿勢を、第１アーム１後端の力点Ｐ６の上下方向での各位置（又は各角度）において支点Ｐ４の位置を変えてアーム機構の姿勢を変化させるとき、圧力センサ１１からその時々にチェーン９に作用する張力を示す検出信号を出力させ、このセンサ出力に基づいて駆動源１０のモータ出力を制御することにより、アーム機構の姿勢の如何に拘らず、アーム流れが生じるのをほぼ完全に防ぐことができることとなる。
【００２４】
上記の本発明アームバランス機構の制御系は、一例として図３のブロック図に示す制御系に構成することができる。即ち、２１はアーム機構の力点Ｐ６と支点Ｐ４の位置を電子リニアスケールやエンコーダなどで検出する力点Ｐ６と支点Ｐ４の現在位置検出部、２２は力点Ｐ６と支点Ｐ４の任意の位置においてチェーン９にかかる張力データを予め設定している張力設定部、２３は張力設定部２２での設定張力値に基づいて設定されるモータ出力設定部、２４はセンサ１１に得られるチェーン９に現在作用しているアーム機構による現在張力の検出部、２５は張力設定部２２の設定張力と検出部２４に得られる現在張力とを比較演算する比較演算部であり、ここでの演算結果はモータ出力に変換されて、モータ出力設定部２３のモータ出力設定値に加算器２６で加減算されてモータ１０ａの出力制御部２７に供給され、この制御部２７の信号によりモータ１０ａの駆動を制御するように構成する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明アームバランス機構は、パントグラフ状の平行リンクによるアーム機構を用いた２関節ーム装置において、第１アーム又は第２アームに、そのアーム機構の負荷点を昇降させる力の作用点の上方において当該作用点側にアーム機構を引寄せるための制御された可変の引張力を作用させるようにしたので、アーム流れ現象がアーム機構の姿勢の如何を問わず生じることがなく、従って、２関節装置のアーム流れを完全に防止することができる。
【００２６】
また、上記アームバランス機構は、簡潔な構成であるから、容易かつ低コストで様々なタイプの２関節アーム装置に適用できるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明バランス機構の一例の構成を説明するための正面図
【図２】本発明アームバランス機構の他の例を説明するための正面図
【図３】本発明アームバランス機構の制御系の一例のブロック図
【図４】アーム機構の各姿勢において負荷点を水平移動させるのに要する力を例示した側面図
【符号の説明】
ＡＭ１，ＡＭ２２関節アーム機構
１第１アーム
２第２アーム
３第３アーム
４第４アーム
Ｐ４支点
Ｐ５負荷点
Ｐ６力点（作用点）
５ブラケット
６，７水平ガイド，垂直ガイド
８アーム機構の動作
９チェーン
１０チェーン引張力の駆動源
１１圧力センサ

Claims

横向きに配設される平行な第１，第２アームと、該第１，第２アームの先端部に上端部が枢着されると共に、下端部に荷重を支持する負荷点を形成した第３アームを具備し、前記第１又は第２アームの後端側のいずれか一方が前記負荷点を昇降させるための昇降力の作用点として、及び、前記後端側の他方がアーム機構の支点として、駆動源を有するブラケットに、前記作用点と支点において支持された２関節アーム装置において、前記第１アーム又は第２アームに、そのアームを前記作用点の上方において当該作用点の側に引寄せるアームバランス用の制御された力を作用させるように形成したことを特徴とする２関節アーム装置のアームバランス機構。
アーム機構の負荷点を昇降させる昇降力の作用点は、ブラケットに上下揺動可能に枢着された請求項１の２関節アーム装置のアームバランス機構。
アーム機構の負荷点を昇降させる昇降力の作用点は、ブラケットに昇降可能に支持された請求項１の２関節アーム装置のアームバランス機構。