JP2013052494A - 荷重補償機構 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の一形態に係る荷重補償機構は、回転体1に荷重が作用する第1の作用点Pと、回転体1に第1の弾性体2の弾性力が作用する第2の作用点Aと、回転体1に第2の弾性体5の弾性力が作用する第3の作用点Bと、を備え、第1の作用点Pに作用する荷重に基づく回転体1の回転軸回りのトルクと、第2の作用点Bに作用する弾性力に基づく回転体1の回転軸回りのトルク及び第3の作用点Cに作用する弾性力に基づく回転体1の回転軸回りのトルクの合力トルクと、が逆向きの回転方向に作用して相殺する荷重補償機構であって、第2の弾性体5に初期弾性力を導入する初期弾性力導入機構7を備える。
【選択図】図1
Description
ここで、当該荷重補償機構は、第2の弾性体に初期弾性力を導入することで、当該荷重の変化に対して対応することができる構成とされている。
本発明の目的は、初期弾性力の導入の労力を低減することができる荷重補償機構を提供することである。
上記荷重補償機構において、前記第2の弾性体と前記第3の弾性体とは平行に配置されていること、が好ましい。
上記荷重補償機構において、前記第2の弾性体と前記第3の弾性体とは直交するように配置されていること、が好ましい。
先ず荷重補償機構の基本原理を説明する。本原理では、図1に示すように、回転体であるリンク1がY軸方向に配置されている。リンク1は、回転軸O1を中心として回転する。リンク1の一方の端部には、荷重mg(以下、単にmgと示す)が作用する第1の作用点Pが設けられている。
[式1] τP=mglPsinθ
但し、第1の作用点Pから回転軸O1までの距離をlPとする。
[式2] x=lAsinθ
但し、第2の作用点Aから回転軸O1までの距離をlAとする。
また、第2の弾性体5のY軸方向の変位yは、[式3]で表される。
[式3] y=lB(1−cosθ)
但し、第3の作用点Bから回転軸O1までの距離をlBとする。
[式4] fA=k1x=k1lAsinθ
但し、第1の弾性体2の弾性係数をk1とする。
また、第3の作用点BにおいてY軸方向に作用する力fBは、[式5]で表される。
[式5] fB=k2y=k2lB(1−cosθ)
但し、第2の弾性体5の弾性係数をk2とする。
[式6] τA=k1lA 2sinθcosθ
また、第3の作用点Bに作用する第2の弾性体5の弾性力に基づく回転軸O1回りの回転トルクτBは、[式7]で表される。
[式7] τB=k2lB 2(1−cosθ)sinθ
[式8] τk=k1lA 2sinθcosθ+k2lB 2(1−cosθ)sinθ
ここで、k1lA 2=k2lB 2とすると、[式8]は[式9]で表される。
[式9] τk=k2lB 2sinθ
そのため、上方に作用する力ωは、[式10]で表される。
[式10] ω=τk/(lpsinθ)=k2lB 2/lp
これにより、上述の原理は上方に作用する力を一定にすることができる。
[式11] τk=Csinθ
そのため、[式1]より、C=mglpを満たせば、mgを補償することができる機構が実現できる。
すなわち、第2の弾性体5に初期弾性力を導入するべく、初期設置点(平衝点)をlB'だけ下方に移動させる。
[式12] y=lB(1−cosθ)+lB'
ここで、lB'を、lBを用いてlB'=lB(α−1)と表すと、[式9]は[式13]で表される。
[式13] τk=Cαsinθ
実施の形態1に係る荷重補償機構を説明する。本実施の形態の荷重補償機構は、図1に示すように、基本原理で説明した構成要素に加えて、初期弾性力導入機構7を備えている。初期弾性力導入機構7は、第3の弾性体8と、リンク機構9と、拘束機構10と、を備えている。
図3では、初期弾性力導入機構7の単純モデルを示している。第4の作用点Cは、Y軸方向に延在するリニアガイド12により、他の方向への動きが拘束されている。第5の作用点Dは、X軸方向に延在するリニアガイド13により、他の方向への動きが拘束されている。そして、第4の作用点Cと第5の作用点Dとは、リンク9aで連結されている。さらに図4に示すように、X軸方向に配置された第3の弾性体8が第5の作用点Dに連結されている。
[式14] p1 2+q1 2=r1 2
但し、リンク9aの長さ(第4の作用点Cと第5の作用点Dとの距離)をr1とする。
[式14]を変形すると、[式15]を導き出すことができる。
[式15] p1=√(r1 2−q1 2)
[式15]をq1で偏微分すると、q1からp1への減速比(ヤコビアン)Jは[式16]で表される(p1 (・)=Jq1 (・))。
[式16] J=−q1/√(r1 2−q1 2)=−q1/p1
[式17] J=−q1/p1=−tanφ1
このヤコビアンにより、力の伝達には[式18]が成り立つ。
[式18] fC=−fDtanφ1
但し、第5の作用点Dに作用する第3の弾性体8の弾性力をfD、第4の作用点Cに作用する力をfCとする。
[式19] fD=−k3p1
但し、第3の弾性体8の弾性係数をk3とする。
このとき、第4の作用点Cに作用する力fCは[式20]で表される。
[式20] fC=k3p1tanφ1=k3q1
[式21] fC'=fB−fC=k2(q1+y)−k3q1
[式22] fC'=k2y
実施の形態2に係る荷重補償機構を説明する。本実施の形態の荷重補償機構は、図10に示すように、基本原理を説明した構成要素に加えて、初期弾性力導入機構71を備えている。初期弾性力導入機構71は、カム機構72を備えている。
[式23] y(θ)=lB(1−cosθ)
[式24] lB'(Ψ)=R(Ψ)−R0
そして、カム本体73に作用するトルクは、[式25]で表される。
[式25] τ=R(Ψ)fx
ここで、[式26]〜[式28]が成り立つ。
[式26] fx=fytanφ2
[式27] fy=k2(y(θ)+lB'(Ψ))
[式28] tanφ2=dR/RdΨ
[式29] τ=k2(y+R−R0)dR/dΨ
[式29]を変数分離して、積分すると[式30]を導くことができる。
[式31] τΨ=k2(yR+R2/2−R0R−yR0+R0 2/2)
[式31]をRについて解くと、[式32]を導くことができる。
[式32] R=R0−y±√(y2+2τΨ/k2)
[式33] τ=k2((R−R0+y)2−y2)/2Ψ
ここで、[式33]は、第4の作用点Cに位置するローラ(カムフォロア75)の直径がゼロとして求めたカムの外周形状であり、実施に当たってはカムフォロアの半径分内側にオフセットした外周形状を用いることとなる。
上述の原理は、リンク1における第1の作用点Pが設けられた側と回転軸O1を挟んで逆側に、第2の作用点A及び第3の作用点Bを設けたが、この限りでない。
<適用形態>
[式34] x1=l1sinθ
但し、第1のリンク111の長さをl1とする。
また、第3のリンク113の他方の端部のX軸方向の変位x2は、[式35]で表される。
[式35] x2=l2(1−cosθ)
但し、第2のリンク112の第2辺112bの長さをl2/2、第3のリンク113の長さをl2/2とする。
2 第1の弾性体
3 基台
4 許容部、4a 突出部、4b 摺動板
5 第2の弾性体
6 許容部、6a 突出部、6b 摺動板
7 初期弾性力導入機構
8 第3の弾性体
9 リンク機構
9a、9b リンク
10 拘束機構、10a リニアガイド、10b 駆動機構、10c 摺動部、10d 突出部
11 許容部、11a 突出部、11b 摺動板
12、13 リニアガイド
14 プーリ
15、16 リニアガイド
17 リンク
18 第1のリンク、18a 第1辺、18b 第2辺
19 第2のリンク
20 第3のリンク
21 第1のリンク
22 第2のリンク
71 初期弾性力導入機構
72 カム機構、73 カム本体、73a 回転軸
74 拘束機構、74a リニアガイド、74b 摺動部、74c 突出部、75 カムフォロア
91 リンク機構、
91a 、91b リンク
92 リンク機構、92a 第1のリンク、92b 第2のリンク、92c 第3のリンク
100 昇降装置
110 リンク機構
111 第1のリンク、111a ローラ
112 第2のリンク、112a 第1辺、112b 第2辺、112c ローラ
113 第3のリンク、113a ローラ
120 基台、121 溝部
130 昇降台、131 溝部
140 第1の弾性体
150 第2の弾性体
160 初期弾性力導入機構、161 第4のリンク、162 第5のリンク、163 第6のリンク、164 第3の弾性体
170 荷物
180、190 連結部材
P 第1の作用点
A 第2の作用点
B 第3の作用点
C 第4の作用点
D 第5の作用点
E 第6の作用点
F 第7の作用点
Claims (6)
- 回転体に荷重が作用する第1の作用点と、前記回転体に第1の弾性体の弾性力が作用する第2の作用点と、前記回転体に第2の弾性体の弾性力が作用する第3の作用点と、を備え、前記第1の作用点に作用する前記荷重に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクと、前記第2の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルク及び前記第3の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、が逆向きの回転方向に作用して相殺する荷重補償機構であって、
前記第2の弾性体に初期弾性力を導入する初期弾性力導入機構を備える荷重補償機構。 - 前記初期弾性力導入機構は、
第3の弾性体と、
前記第2の弾性体における前記第3の作用点と逆側の作用点である第4の作用点と、
前記第3の弾性体の弾性力が作用する第5の作用点と、
前記第4の作用点と前記第5の作用点とを連結するリンク機構と、
前記第2の弾性体の伸縮方向以外の動きを拘束する拘束機構と、を備え、
前記第2の弾性体に初期弾性力を導入するとき、前記第2の弾性体に生じる復元力と、前記第3の弾性体の弾性力に基づき前記第2の弾性体に作用する力と、が相殺する請求項1に記載の荷重補償機構。 - 前記第2の弾性体の弾性係数と前記第3の弾性体の弾性係数とは等しい請求項2に記載の荷重補償機構。
- 前記第2の弾性体と前記第3の弾性体とは平行に配置されている請求項2又は3に記載の荷重補償機構。
- 前記第2の弾性体と前記第3の弾性体とは直交するように配置されている請求項2又は3に記載の荷重補償機構。
- 前記初期弾性力導入機構は、
前記第2の弾性体における前記第3の作用点と逆側の作用点である第4の作用点と、
前記第4の作用点に駆動力を伝達するカム機構と、
前記第2の弾性体の伸縮方向以外の動きを拘束する拘束機構と、を備え、
前記カム機構のカム本体が回転したとき、前記第2の弾性体の復元力により前記カム本体に生じるトルクが一定となるように前記カム本体のカム形状が設定されている請求項1に記載の荷重補償機構。
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