JP2018172193A - 荷重補償装置及び補償荷重調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】荷重補償装置において補償する荷重をより適切に調整可能とすること。【解決手段】荷重補償装置１は、基台Ｂと、下リンク部材Ｌ１と、上リンク部材Ｌ２と、直動支持部材Ｌ３と、荷重支持用弾性部材を構成する第２ばね部材Ｃ２と、を備える。基台Ｂは、荷重補償装置１の支持体となる。下リンク部材Ｌ１は、基台に一端側が回転可能に連結される。上リンク部材Ｌ２は、基台に一端側が回転可能に連結され、下リンク部材Ｌ１と平行リンクを構成する。直動支持部材Ｌ３は、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２それぞれの他端側に回転可能に連結され、負荷となる物体の重さが作用する荷台Ｓを直動支持する。第２ばね部材Ｃ２は、荷台Ｓを弾性支持し、荷台Ｓに作用する物体の重さに応じて伸縮することにより、当該重さを補償する弾性力を発生させる。【選択図】図１

Description

本発明は、アームの荷重に対してバランスさせる機能を備えた荷重補償装置及び補償荷重調整方法に関する。

物を動かし運ぶ運搬活動は、生活の中で頻繁に行われる。重量物の運搬を行う場合、機械を用いてアクチュエーションを行うが、これには多くのエネルギー投入を必要とする問題がある。特に、持ち上げ運動を行う際に大きなエネルギーが必要となるため、その低減が望まれている。この問題を解決する方法の１つとして、機構によって重量を補償する荷重補償装置が考案されている。
ここで、特許文献１には、アクチュエータを使用しない機械的な荷重補償装置として、補償重量切換式荷重補償装置が開示されている。
特許文献１に記載された補償重量切換式荷重補償装置では、機械的自重補償機構の構造に加え、新たに荷重が追加された場合にも対応可能とするため、２つ目のばねと、歯車によって構成された切り換え機構とを追加することで、アームの自重補償状態、及び、設定した荷重が追加された場合の２つの状態の荷重補償を可能としている。
また、特許文献２には、特許文献１に記載された補償重量切換式荷重補償装置に対し、荷重の重量が不明な場合でも、３つ目のばねによって補償力を自動で調節し、任意の荷重に対して補償を行う機構が開示されている。

特開２０１１−０９８８２１号公報 特開２０１５−２２９５３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、重量に応じて手動調節を行うことにより重量を機械的に補償することを可能としている。そのため、従来の機械的な荷重補償装置を、重量物の運搬作業を支援するために使用する場合、重量が未知であるような重量物の運搬において、手動調節により適切な補償力とすることが困難であると考えられる。補償力のずれが発生した場合には、補償トルクが不十分になることや、過剰な補償トルクが発生することが考えられ、荷重補償装置の挙動が不適切となる可能性がある。
また、特許文献２に記載された技術においては、補償すべき荷重を調節する場合、荷重補償用のばねを一度外し、別のばねを用いたばね計りの線形性によってリンクパラメータを決定し、最後に荷重補償用ばねの張力を掛け直して補償が実現される。この場合、荷重補償用ばねの張力を掛け直す作業に所定の力を要し、補償力が増大する程、作業に必要な力も大きくなる。
このように、従来の技術においては、荷重補償装置において補償する荷重を適切に調整する上で、改善の余地があった。

本発明の課題は、荷重補償装置において補償する荷重をより適切に調整可能とすることである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る荷重補償装置は、
支持体となる基台と、
前記基台に一端側が回転可能に連結された第１リンク部材と、
前記基台に一端側が回転可能に連結され、前記第１リンク部材と平行リンクを構成する第２リンク部材と、
前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材それぞれの他端側に回転可能に連結され、負荷となる物体の重さが作用する物体設置部を直動支持する第３リンク部材と、
前記物体設置部を弾性支持し、前記物体設置部に作用する前記物体の重さに応じて伸縮することにより、当該重さを補償する弾性力を発生させる荷重支持用弾性部材と、
を備える。

本発明によれば、荷重補償装置において補償する荷重をより適切に調整可能とすることができる。

本発明に係る荷重補償装置１の全体構成を示す模式図である。 荷重補償装置１における自重補償の条件を説明するための模式図である。 荷重補償装置１における荷重補償の条件を説明するための模式図である。 第１ばね部材Ｃ１とワイヤＷ１、及び、第２ばね部材Ｃ２とワイヤＷ２をそれぞれ揺動スライダクランク機構ＭＣとして構成した荷重補償装置１の構成例を示す模式図である。 複数の荷重補償装置１を対称に動作する配置として構成した複合的な荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。 パラレルリンク機構の一例を示す模式図である。 複数の荷重補償装置１を入れ子状に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。 複数の荷重補償装置１を並列に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。 複数の荷重補償装置１を放射状に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。 複数の荷重補償装置１を放射状に配置した荷重補償装置２の他の構成例を示す模式図である。 ユニットを並列に連結した構成例を示す模式図である。 ユニットを直列に連結した構成例を示す模式図である。 揺動スライダクランク機構ＭＣを用いた荷重補償装置１の実装例を示す模式図である。 直動機構ＬＭの構成例を示す模式図である。 直動機構ＬＭを上方から見た構成を示す模式図である。 揺動スライダクランク機構ＭＣを用いた荷重補償装置１を複合させた荷重補償装置２の実装例を示す模式図である。 図１６の荷重補償装置２を上面から見た状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
［構成］
図１は、本発明に係る荷重補償装置１の全体構成を示す模式図である。なお、図１においては、荷重補償装置１のリンク構造を模式的に示している。
図１において、荷重補償装置１は、基台Ｂと、下リンク部材Ｌ１（第１リンク部材）と、上リンク部材Ｌ２（第２リンク部材）と、直動支持部材Ｌ３（第３リンク部材）と、第１ばね部材Ｃ１（自重支持用弾性部材）と、第２ばね部材Ｃ２（荷重支持用弾性部材）と、荷台Ｓ（物体設置部）と、底板Ｐとを備えている。
基台Ｂは、鉛直方向に起立する支柱（支持体）として機能し、荷重補償装置１の他の部材を支持する。

下リンク部材Ｌ１は、一端を第１回転軸Ｒ１を介して基台Ｂに回転可能に支持され、他端において、第２回転軸Ｒ２を介して直動支持部材Ｌ３の下端部を回転可能に支持する。
また、下リンク部材Ｌ１の先端側（第２回転軸Ｒ２寄り）の箇所に、第１ばね部材Ｃ１の一端が連結され、第１ばね部材Ｃ１の他端には、ワイヤＷ１の一端が連結されている。ワイヤＷ１の他端は、下リンク部材Ｌ１の第１回転軸Ｒ１寄りの箇所に設置された第１プーリＰ１を経由して、基台Ｂにおける第１回転軸Ｒ１と第３回転軸Ｒ３との間の連結点Ｑに連結されている。
この第１ばね部材Ｃ１は、下リンク部材Ｌ１と基台Ｂとを荷重（自重）に抗して弾性的に連結している。

上リンク部材Ｌ２は、一端から所定距離の箇所を第３回転軸Ｒ３を介して基台Ｂに回転可能に支持され、他端において、第４回転軸Ｒ４を介して直動支持部材Ｌ３の上端部を回転可能に支持する。
また、上リンク部材Ｌ２の一端には、第２ばね部材Ｃ２の一端が連結されている。第２ばね部材Ｃ２の他端には、ワイヤＷ２の一端が連結されている。ワイヤＷ２の他端は、上リンク部材Ｌ２の所定箇所（本実施形態では、第３回転軸Ｒ３の箇所）に設置された第２プーリＰ２を経由して、荷台Ｓの一端に連結されている。荷台Ｓの一端は、直動支持部材Ｌ３の長手方向に形成された摺動孔Ｇ１（直動案内部）内を直動案内される部分となっている。荷台Ｓが摺動孔Ｇ１（直動案内部）の最上端に位置している場合、ワイヤＷ２は上リンク部材Ｌ２と平行となる。一方、荷台Ｓは、直動支持部材Ｌ３の摺動孔Ｇ１（直動案内部）内を第２ばね部材Ｃ２の弾性力を受けながら移動可能である。そのため、荷台Ｓに物体を載置すると、荷台Ｓに入力される物体の重さにより荷台Ｓが押し下げられると共に、第２ばね部材Ｃ２が伸長する。そして、第２ばね部材Ｃ２が発生する弾性力のうち、直動案内部の直動方向の成分（即ち、鉛直方向の成分）が物体の重さと釣り合う位置で荷台Ｓが静止する。荷台Ｓには、荷台Ｓの位置を直動支持部材Ｌ３に対して固定するストッパーＲが備えられている。そのため、荷台Ｓに物体が載置され、その重さと第２ばね部材Ｃ２の弾性力とが釣り合った位置に、荷台Ｓを固定することができる。
この第２ばね部材Ｃ２は、荷台Ｓと上リンク部材Ｌ２とを荷重に抗して弾性的に連結していると共に、物体の重さを支持する弾性力（荷重補償力）を発生している。

直動支持部材Ｌ３は、第２回転軸Ｒ２を介して下端部において下リンク部材Ｌ１に回転可能に支持されている。また、直動支持部材Ｌ３は、第４回転軸Ｒ４を介して上端部において上リンク部材Ｌ２に回転可能に支持されている。
また、直動支持部材Ｌ３は、長手方向に形成された摺動孔Ｇ１（直動案内部）を有し、摺動孔Ｇ１内を移動可能に荷台Ｓの一端を保持している。

以上のような構成において、荷重補償装置１の下リンク部材Ｌ１と上リンク部材Ｌ２とは、平行に設置されている。また、下リンク部材Ｌ１における第１回転軸Ｒ１と第２回転軸Ｒ２との距離は、上リンク部材Ｌ２における第３回転軸Ｒ３と第４回転軸Ｒ４との距離と同一に設定されている。即ち、基台Ｂ、下リンク部材Ｌ１、上リンク部材Ｌ２及び直動支持部材Ｌ３は、平行リンク機構を構成している。そのため、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が基台Ｂに対して搖動する場合、直動支持部材Ｌ３は、基台Ｂと平行な状態（即ち、鉛直方向に延びる状態）を維持して移動する。
なお、図１における第１回転軸Ｒ１〜第４回転軸Ｒ４は、いずれも紙面に垂直な回転軸である。

そして、荷重補償装置１の下リンク部材Ｌ１と上リンク部材Ｌ２とが水平となる状態で荷台Ｓに物体を載置し、第２ばね部材Ｃ２と物体の重さとが釣り合う位置で荷台ＳをストッパーＲで固定する。なお、ストッパーＲで荷台Ｓを固定する場合、ねじ止め等の受動的手段（弾性エネルギー等を能動的に付与する必要がない手段）で足りるため、作業負担は小さいものとなる。

すると、下リンク部材Ｌ１、上リンク部材Ｌ２、直動支持部材Ｌ３、第１ばね部材Ｃ１、第２ばね部材Ｃ２、第３ばね部材Ｃ３及び荷台Ｓ等の自重は、下リンク部材Ｌ１及び第１ばね部材Ｃ１からなるリンク構造によって補償される。
また、荷台Ｓに載置された負荷となる物体の重さによる荷重は、上リンク部材Ｌ２及び第２ばね部材Ｃ２からなるリンク構造によって補償される。
即ち、荷重補償装置１では、補償する荷重をより適切に調整することが可能となっている。

［自重補償の条件］
図２は、荷重補償装置１における自重補償の条件を説明するための模式図である。
図２に示すように、荷重補償装置１の自重をｍ、重力加速度をｇ、第１回転軸Ｒ１と自重ｍの重心との距離をｌ、第１回転軸Ｒ１と連結点Ｑとの距離をｈ１、下リンク部材Ｌ１の第１回転軸Ｒ１と第１プーリＰ１との距離をｐ１とする。このとき、下リンク部材Ｌ１の第１回転軸Ｒ１回りにおいて、自重に作用する重力によるトルクτｇ１と第１ばね部材Ｃ１の弾性力によるトルクτｓ１とが釣り合うことが、自重補償の条件となる。
自重に作用する重力によるトルクτｇ１は、
τｇ１＝ｍ×ｇ×ｌ×ｃｏｓθ１ （１）
と表される。なお、θ１は水平方向を基準とした下リンク部材Ｌ１の回転角度である。

また、第１ばね部材Ｃ１の弾性力によるトルクτｓ１は、
τｓ１＝ｋ１×ｐ１×ｘ１×ｓｉｎφ （２）
と表される。なお、ｋ１は第１ばね部材Ｃ１のばね定数、ｘ１は下リンク部材Ｌ１の第１プーリＰ１から連結点Ｑまでの距離、φはワイヤＷ１と下リンク部材Ｌ１とがなす角度である。

ここで、下リンク部材Ｌ１、ワイヤＷ１及び基台Ｂの幾何学的関係から、
τｓ１＝ｋ１×ｐ１×ｈ１×ｃｏｓθ１ （３）
と表すことができる。
したがって、τｇ１＝τｓ１の関係から、第１ばね部材Ｃ１が自重補償を行うためのばね定数ｋ１の条件は、式（１）及び（３）より、
ｋ１＝（ｍ×ｇ×ｌ）／（ｈ１×ｐ１） （４）
となる。

［荷重補償の条件］
図３は、荷重補償装置１における荷重補償の条件を説明するための模式図である。
図３に示すように、負荷となる物体の質量をＭ、上リンク部材Ｌ２の第３回転軸Ｒ３と荷重の作用点との距離をＬ、負荷となる物体の重心と上リンク部材Ｌ２の先端との距離をｈ２、上リンク部材Ｌ２の先端から第２ばね部材Ｃ２の弾性力の作用点までの距離をｐ２とする。このとき、第２ばね部材Ｃ２の弾性力によって、負荷となる物体による荷重を補償するためのばね定数ｋ２の条件は、図２と同様の考察により、
ｋ２＝（Ｍ×ｇ×Ｌ）／（ｈ２×ｐ２） （５）
となる。

また、物体に作用する重力と第２ばね部材Ｃ２の弾性力の鉛直方向成分との釣り合いは、
ｋ２×ｘ２×ｓｉｎψ＝Ｍ×ｇ （６）
と表される。なお、ｘ２は物体の重心と第２プーリＰ２との距離、ψは水平方向に対するワイヤＷ２の角度である。
ここで、上リンク部材Ｌ２、ワイヤＷ２及び直動支持部材Ｌ３の幾何学的関係から、
ｈ２＝ｘ２×ｓｉｎψ＋ｐ２×ｓｉｎθ２ （７）
と表すことができる。
式（６）及び（７）からｘ２とψを消去すると、
ｈ２＝（Ｍ×ｇ）／ｋ２＋ｐ２×ｓｉｎθ２ （８）
となる。

また、式（５）からｈ２を消去すると、
ｋ２×ｓｉｎθ２×ｐ２^２＋Ｍ×ｇ×ｐ２−Ｍ×ｇ×Ｌ＝０ （９）
となる。
本実施形態において、荷重補償装置１における荷重の調整を下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が水平の状態で行うものとすると、式（９）より、
θ２＝０，ｐ２＝Ｌ （１０）
という制約条件が導出される。
即ち、式（１０）の制約条件を充足することにより、本実施形態の荷重補償装置１では、荷台Ｓを低い位置に配置した状態で物体を荷台Ｓに載置することができるため、荷重となる物体を設置するための作業負担が軽減される。また、荷台Ｓに物体を載置した後、釣り合った位置で荷台ＳをストッパーＲで固定すればよいため、補償荷重を調整する作業に大きなエネルギーを投入する必要がなく、より容易に作業を行うことができる。

［作用］
上述の構成を有する荷重補償装置１では、荷台Ｓに物体が載置されていない場合、第１ばね部材Ｃ１によって、荷重補償装置１の自重が補償され、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２等を含む可動部は、任意の角度で静止することができる。
ここで、荷台Ｓに種々の重さを有する物体が載置される場合、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２を水平の状態として荷台Ｓに物体を載置する。
すると、荷台Ｓに入力される物体の重さにより荷台Ｓが押し下げられると共に、第２ばね部材Ｃ２が伸長する。そして、第２ばね部材Ｃ２が発生する弾性力のうち、直動案内部の直動方向の成分（鉛直方向の成分）が物体の重さと釣り合う位置で荷台Ｓが静止する。

そして、荷台Ｓが静止した位置で、ストッパーＲによって荷台Ｓを固定する。このとき、荷台Ｓが押し下げられた距離は、物体の重さに応じた距離となっている。
物体の重さによるモーメントと、荷台Ｓが押し下げられる距離と、荷台Ｓが押し下げられることによって生じる第２ばね部材Ｃ２によるモーメントは、上述の関係を有するものとされているため、荷重補償装置１の自重を含めて、種々の重さを有する物体の荷重が補償される。
これにより、種々の重さを有する物体を荷台Ｓに載置する場合であっても、その物体の重さに応じて、補償する荷重を適切に調整することが可能となる。

［具体的構成例］
次に、荷重補償装置１の具体的構成例について説明する。
［揺動スライダクランク機構を用いた構成例］
図４は、第１ばね部材Ｃ１とワイヤＷ１、及び、第２ばね部材Ｃ２とワイヤＷ２をそれぞれ揺動スライダクランク機構ＭＣとして構成した荷重補償装置１の構成例を示す模式図である。
第１ばね部材Ｃ１とワイヤＷ１、及び、第２ばね部材Ｃ２とワイヤＷ２を揺動スライダクランク機構ＭＣとする場合、摺動保持部材Ｍ１及び摺動リンク部材Ｍ２に対して、第１ばね部材Ｃ１あるいは第２ばね部材Ｃ２が設置される。

摺動保持部材Ｍ１は、点Ｑの位置、及び、上リンク部材Ｌ２と基台Ｂとの連結点の位置において基台Ｂに回転可能に連結される。
摺動リンク部材Ｍ２は、一端を荷台Ｓが直動支持される部分に回転可能に連結され、摺動保持部材Ｍ１に摺動保持されると共に、他端に第１ばね部材Ｃ１あるいは第２ばね部材Ｃ２を備える。
図１に示す構成例では、第１ばね部材Ｃ１及び第２ばね部材Ｃ２が引っ張りばねとして構成されるのに対し、図４に示す構成例では、第１ばね部材Ｃ１及び第２ばね部材Ｃ２は、圧縮ばねとして構成されている。
また、図１に示す構成例では、ワイヤＷ１，Ｗ２が第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２の位置で屈曲する構成となるのに対し、図４に示す構成例では、ワイヤＷ１，Ｗ２が一定の剛性を有する摺動リンク部材Ｍ２に置換されるため、ワイヤＷ１，Ｗ２の屈曲により生じ得る課題（摩耗や誤差等）を抑制することができる。

［荷重補償装置１を複合させた構成例１］
図５は、複数の荷重補償装置１を対称に動作する配置として構成した複合的な荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。
図５においては、２つの荷重補償装置１において、基台Ｂを互いに近接して設置し、それぞれの可動部（下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２等）が逆方向に延びるよう配置されている。
また、各荷重補償装置１は共通の荷台Ｓを支持していると共に、荷台Ｓを支持する部分は、可動部の揺動に対して、揺動面に沿ってスライドするスライド機構によって連結されている。

図１に示す構成例では、可動部の揺動に対して、荷台Ｓが鉛直方向のみならず、水平方向にも移動するものとなる一方、図５に示す構成では、共通の荷台Ｓは上下方向にのみ移動するものとなる。
また、複数の荷重補償装置１で荷重を補償するため、より大きな荷重を補償することが可能となる。

なお、図５に示す例の他、パラレルリンク機構を有する種々の荷重補償装置を対象として、荷重補償装置１を複合させた荷重補償装置２を構成することができる。
パラレルリンク機構とは、荷重補償装置の接地面と荷台Ｓとを直鎖リンク群を並列配置することで連結し、接地点でリンクを回転駆動することによって荷台Ｓを駆動するものである。

図６は、パラレルリンク機構の一例を示す模式図である。
図６に示すように、パラレルリンク機構では、１つまたは複数のリンクが直列に連結されたリンク構造（直鎖リンク構造）を並列配置することで、荷台Ｓが支持される。
また、各直鎖リンク構造において、接地点における回転角度及びトルクを駆動制御することで、目的とする荷台Ｓの荷重補償を行うことができる。なお、図６に示す各リンク構造の自由度は、実際の装置構成に応じて、適宜変更して実装することが可能である。
以下、複数の荷重補償装置１を複合させた荷重補償装置２の他の構成例について説明する。

［荷重補償装置１を複合させた構成例２］
図７は、複数の荷重補償装置１を入れ子状に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。
図７においては、４つの荷重補償装置１の基台Ｂを荷台Ｓ下部の中央に一列に配置し、内側２つの荷重補償装置１の可動部が一方（図７における右方）に延び、外側２つの荷重補償装置１の可動部が逆方向（図７における左方）に延びるよう配置されている。
このような配置とすることで、複数の荷重補償装置１によって均等に荷台Ｓを支持することができる。
なお、各荷重補償装置１の向き及び配置は、設置条件等に応じて適宜入れ替えることも可能である。

［荷重補償装置１を複合させた構成例３］
図８は、複数の荷重補償装置１を並列に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。
図８においては、複数の荷重補償装置１の可動部が互いに並列するよう配置されており、これらの向きは同一となっている。
このような構成により、必要な荷重補償力に応じて、設置する荷重補償装置１の数を簡単に増減することができる。
なお、各荷重補償装置１の向きは、全て同一とすることの他、荷重補償装置１の向きを一部逆向きすることも可能である。

［荷重補償装置１を複合させた構成例４］
図９は、複数の荷重補償装置１を放射状に配置した荷重補償装置２の構成例を示す模式図である。
図９において、各荷重補償装置１は、基台Ｂを中心側に設置し、可動部が半径方向の外方に延びるよう設置されている。
これにより、荷台Ｓの周縁側を支持することができるため、荷台Ｓ上の種々の位置に物体が載置された場合でも、荷台Ｓを安定して支持することができる。

［荷重補償装置１を複合させた構成例５］
図１０は、複数の荷重補償装置１を放射状に配置した荷重補償装置２の他の構成例を示す模式図である。
図１０において、各荷重補償装置１は、基台Ｂを外周側に設置し、可動部が半径方向の内方に延びるよう設置されている。
これにより、荷台Ｓの中心側を支持することができるため、荷台Ｓのサイズを小型化することができる。

［荷重補償装置１を複合させた構成例６］
荷重補償装置１または複合的な荷重補償装置２を１つのユニットとして、複数のユニットを種々の形態で連結した構成とすることができる。
図１１は、ユニットを並列に連結した構成例を示す模式図である。
図１１においては、基台Ｂから逆方向に延びる可動部を有する荷重補償装置２をユニットとして、このユニットを２つ並べて配置した構成となっている。
このような構成とすることにより、より大型の荷台Ｓを安定して支持したり、より大きな荷重を補償したりすることが可能となる。

［荷重補償装置１を複合させた構成例７］
図１２は、ユニットを直列に連結した構成例を示す模式図である。
図１２においては、基台Ｂから逆方向に延びる可動部を有する荷重補償装置２をユニットとして、１つのユニットの荷台Ｓに他のユニットを配置した構成となっている。
このような構成とすることにより、上側に配置されたユニットの荷台Ｓをより高い位置で保持（荷重補償）することができる。

［荷重補償装置の実装例］
次に、荷重補償装置２の実装例について説明する。
図１３は、揺動スライダクランク機構ＭＣを用いた荷重補償装置１の実装例を示す模式図である。
図１３においては、第１ばね部材Ｃ１とワイヤＷ１、及び、第２ばね部材Ｃ２とワイヤＷ２をそれぞれ揺動スライダクランク機構ＭＣとして構成し、直動支持部材Ｌ３及び荷台Ｓを含む直動機構ＬＭを、ラックアンドピニオン機構を用いて実現した構成となっている。
図１３における直動機構ＬＭでは、ラックアンドピニオン機構によって荷台Ｓの直動を可能としていると共に、２つ目のラックギアをストッパーＲとして用いている。

図１４は、直動機構ＬＭの構成例を示す模式図である。
鈴１４に示すように、直動機構ＬＭは、第１ラックギアＬＧ１と、ピニオンギアＰＧと、第２ラックギアＬＧ２と、支持板ＢＰと、ヒンジＪＴと、係止部ＬＰとを備えている。
第１ラックギアＬＧ１は、直動支持部材Ｌ３を構成するものであり、上端部において、第４回転軸Ｒ４を介して上リンク部材Ｌ２の先端に回転可能に保持されている。また、第１ラックギアＬＧ１は、下端部において、第２回転軸Ｒ２を介して下リンク部材Ｌ１の先端に回転可能に保持されている。また、第１ラックギアＬＧ１は、荷台Ｓと連結されたピニオンギアＰＧと噛み合っており、補償荷重の調整が行われる場合、ピニオンギアＰＧが第１ラックギアＬＧ１と噛み合いながら移動することにより、第２ばね部材Ｃ２の弾性力と物体の重さとが釣り合う位置でピニオンギアＰＧが静止する。

第２ラックギアＬＧ２は、係止部ＬＰと共に、ピニオンギアＰＧの位置を固定するストッパーＲを構成するものであり、下端部において、ヒンジＪＴを介して支持板ＢＰに連結されている。なお、支持板ＢＰは、第１ラックギアＬＧ１の底部に固定された板状部材である。即ち、第２ラックギアＬＧ２は、ヒンジＪＴを介して、第１ラックギアＬＧ１に対して揺動可能であり、補償荷重の調整が行われる場合、第２ラックギアＬＧ２はピニオンギアＰＧを固定しない状態（即ち、ストッパーＲとして機能しない状態）とされる。一方、第２ラックギアＬＧ２は、ピニオンギアＰＧの位置を固定する場合、第１ラックギアＬＧ１と対向し、第１ラックギアＰＧ１との間でピニオンギアＰＧを挟み込む状態とされる。この状態において、第２ラックギアＬＧ２の上端に設置された係止部ＬＰによって第１ラックギアＬＧ１に対して固定されることにより、ピニオンギアＰＧは、直動しない状態となる。

また、直動機構ＬＭは、第１ラックギアＬＧ１及びピニオンギアＰＧに加わる弾性力から、それぞれの歯車を保護する機構を備えている。
図１５は、直動機構ＬＭを上方から見た構成を示す模式図である。
図１５に示すように、ピニオンギアＰＧは、同軸にローラＰＧＲを備えており、ローラＰＧＲの半径は、ピニオンギアＰＧの半径よりも小さく構成されている。
また、第１ラックギアＬＧ１は、ピニオンギアＰＧと対向して設置されていると共に、第１ラックギアＬＧ１に隣接する位置には、ローラＰＧＲと対向してローラガイドＲＧが設置されている。ローラガイドＲＧは、第１ラックギアＬＧ１よりもローラＰＧＲに向けて突出している。
そして、第１ラックギアＬＧ１とピニオンギアＰＧとの距離は、ローラガイドＲＧとローラＰＧＲとの距離よりも所定の長さだけ大きくなっている。

即ち、第１ラックギアＬＧ１とピニオンギアＰＧとが当接する場合には、これに先行してローラガイドＲＧとローラＰＧＲとが接触する構成となっている。
そのため、第１ラックギアＬＧ１及びピニオンギアＰＧにおいては、第２ばね部材Ｃ２の弾性力から、それぞれの歯車を保護することが可能となっている。
なお、本実施形態においては、第２ラックギアＬＧ２側にも、第１ラックギアＬＧ１と同様に、ローラガイドＲＧが設置されている。
そのため、ピニオンギアＰＧの位置を固定する際に、係止部ＬＰによって第２ラックギアＬＧ２が第１ラックギアＬＧ１に固定された場合にも、第１ラックギアＬＧ１、第２ラックギアＬＧ２及びピニオンギアＰＧの歯車が、ローラＰＧＲ及びローラガイドＲＧによって保護される。
なお、ローラガイドＲＧ、ローラＰＧＲ、第１ラックギアＬＧ１、第２ラックギアＬＧ２、ピニオンギアＰＧの位置関係及び大きさは、上述の例に限られない。例えば、図１５における左右方向（ローラＰＧＲの半径方向）において、第１ラックギアＬＧ１のローラガイドＲＧ、ローラＰＧＲ及び第２ラックギアＬＧ２のローラガイドＲＧの長さの合計が、第１ラックギアＬＧ１、ピニオンギアＰＧ及び第２ラックギアＬＧ２の長さの合計と等しいという条件を設定することができ、この条件を充足する種々の実装形態を採用することができる。

［荷重補償装置２の他の実装例］
次に、荷重補償装置２の他の実装例について説明する。
図１６は、揺動スライダクランク機構ＭＣを用いた荷重補償装置１を複合させた荷重補償装置２の実装例を示す模式図である。なお、図１６においては、荷重補償装置２を正面から見た状態を示している。
また、図１７は、図１６の荷重補償装置２を上面から見た状態を示す模式図である。なお、図１７においては、可動部の主要な構成のみを模式的に示している。

図１６及び図１７においては、揺動スライダクランク機構ＭＣを用いた荷重補償装置１の構成を複合した構成となっている。ただし、図１６及び図１７に示す荷重補償装置２では、自重補償のための揺動スライダクランク機構ＭＣと荷重補償のための揺動スライダクランク機構ＭＣとが１対１に対応して設置されてはおらず、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２も異なる数で設置されている。

そして、２つの自重補償のための揺動スライダクランク機構ＭＣで自重を補償し、３つの荷重補償のための揺動スライダクランク機構ＭＣで荷重を補償するように、第１ばね部材Ｃ１及び第２ばね部材Ｃ２のばね定数等のパラメータがそれぞれ設定される。
なお、図１６及び図１７に示す荷重補償装置２の動作としては、図５に示す荷重補償装置２と略同様であり、荷台Ｓは上下方向にのみ移動するものとなる。

以上説明したように、本発明に係る荷重補償装置１は、基台Ｂと、下リンク部材Ｌ１と、上リンク部材Ｌ２と、直動支持部材Ｌ３と、荷重支持用弾性部材を構成する第２ばね部材Ｃ２と、を備える。
基台Ｂは、荷重補償装置１の支持体となる。
下リンク部材Ｌ１は、基台に一端側が回転可能に連結される。
上リンク部材Ｌ２は、基台に一端側が回転可能に連結され、下リンク部材Ｌ１と平行リンクを構成する。
直動支持部材Ｌ３は、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２それぞれの他端側に回転可能に連結され、負荷となる物体の重さが作用する荷台Ｓを直動支持する。
第２ばね部材Ｃ２は、荷台Ｓを弾性支持し、荷台Ｓに作用する物体の重さに応じて伸縮することにより、当該重さを補償する弾性力を発生させる。
これにより、荷台Ｓに種々の重さの物体が載置された場合に、それぞれの物体の重さに応じて第２ばね部材Ｃ２が伸縮する。第２ばね部材Ｃ２の伸縮により、物体の重さによる荷重が補償される。
したがって、荷重補償装置１において補償する荷重をより適切に調整することが可能となる。

第２ばね部材Ｃ２は、上リンク部材Ｌ２と基台Ｂとの連結点の位置を経由して、荷台Ｓが直動支持される部分に連結される。
荷台Ｓに作用する物体の重力の鉛直方向の成分と、荷台Ｓが直動支持される部分に作用する第２ばね部材Ｃ２の弾性力の鉛直方向成分とが釣り合っている。
これにより、第２ばね部材Ｃ２が種々の設置構造とされる場合において、直動支持される荷台Ｓに作用する物体の重さが変化しても、第２ばね部材Ｃ２の弾性力の鉛直方向成分によって、荷重を補償することができる。

下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が水平の状態、かつ、物体の重さが作用していない状態において、上リンク部材Ｌ２の基台Ｂとの連結点から直動支持部材Ｌ３との連結点までの距離と、上リンク部材Ｌ２の基台Ｂとの連結点から荷台Ｓを直動支持する点までの距離とが等しい。
これにより、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が水平の状態において、荷重を補償する対象となる物体を荷台Ｓに載置して、第２ばね部材Ｃ２による荷重補償力を調整することができる。
したがって、補償荷重を調整する際の作業負担をより小さいものとできる。

また、荷重補償装置１は、自重支持用弾性部材を構成する第１ばね部材Ｃ１を備える。
第１ばね部材Ｃ１は、荷重補償装置１を構成する部材の自重を支持する。
これにより、荷重補償装置１を構成する部材の自重を補償しながら、物体が載置された場合には、その物体の重さを適切に補償することが可能となる。

また、第１ばね部材Ｃ１は、下リンク部材Ｌ１と基台Ｂとを自重に抗して弾性的に連結する。
第２ばね部材Ｃ２は、荷台Ｓと上リンク部材Ｌ２、または、荷台Ｓと基台Ｂとを物体の重さによる荷重に抗して弾性的に連結する。
これにより、簡単な構造で、荷重補償装置１において補償する荷重をより適切に調整することが可能となる。

第２ばね部材Ｃ２は、上リンク部材Ｌ２と基台Ｂとの連結点の位置に対して、荷台Ｓとは逆側の上リンク部材Ｌ２の部分に設置される。
第２ばね部材Ｃ２と荷台Ｓが直動支持される部分とは、柔軟性を有するワイヤＷ２によって、上リンク部材Ｌ２と基台Ｂとの連結点の位置を経由して連結されている。
これにより、第２ばね部材Ｃ２の設置方向とは異なる方向に、荷重補償用の弾性力を発生させることができる。

また、荷重補償装置１は、揺動スライダクランク機構ＭＣとしての摺動保持部材Ｍ１と、摺動リンク部材Ｍ２とを備える。
摺動保持部材Ｍ１は、上リンク部材Ｌ２と基台Ｂとの連結点の位置において基台Ｂに回転可能に連結される。
摺動リンク部材Ｍ２は、一端を荷台Ｓが直動支持される部分に回転可能に連結され、摺動保持部材Ｍ１に摺動保持されると共に、他端に第２ばね部材Ｃ２を備える。
これにより、一定の剛性を有する摺動リンク部材Ｍ２によって弾性力を伝達することができるため、耐久性の向上及び誤差の低減を図ることができる。

また、荷重補償装置２は、下リンク部材Ｌ１、上リンク部材Ｌ２、直動支持部材Ｌ３及び第２ばね部材Ｃ２を含む可動部を複数備える。
これにより、より大きな荷重を補償することが可能となる。

複数の可動部が、動作が対称となるように配置されている。
これにより、可動部の揺動による水平方向の動きの影響を低減することができる。

複数の可動部が、水平方向に配列されている。
これにより、複数の可動部を目的に応じて水平方向に配列した構成とすることができ、より安定して支持すること、あるいは、より大きな荷重を補償することが可能となる。

複数の可動部が、鉛直方向に配列されている。
これにより、複数の可動部を目的に応じて鉛直方向に配列した構成とすることができ、より高い位置において荷重を補償することが可能となる。

また、本発明に係る補償荷重調整方法では、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が水平の状態、かつ、物体の重さが作用していない状態において、上リンク部材Ｌ２の基台Ｂとの連結点から荷台Ｓとの連結点までの距離と、上リンク部材Ｌ２の基台Ｂとの連結点から荷台Ｓを直動支持する点までの距離とを等しいものとし、荷台Ｓを第２ばね部材Ｃ２によって弾性支持し、荷台Ｓに作用する物体の重さに応じて伸縮することにより、第２ばね部材Ｃ２が当該重さを補償する弾性力を発生させる。
これにより、下リンク部材Ｌ１及び上リンク部材Ｌ２が水平の状態において、荷重を補償する対象となる物体を荷台Ｓに載置して、第２ばね部材Ｃ２による荷重補償力を調整することができる。
したがって、補償荷重を調整する際の作業負担をより小さいものとできる。

なお、上記実施形態において、荷台Ｓに物体を載置する場合を例に挙げて説明したが、本発明によって荷重を補償する対象としては、荷台Ｓに物体を載置する場合に限られない。即ち、着脱式あるいはねじ止め等によって先端部分の部材や負荷を取り換え可能なシステム（例えば種々の遮断棒を設置可能な手動式の遮断機等）に本発明を適用することが可能である。

また、上記実施形態において示す荷重補償装置１のリンク構造と実質的に同一の機能を奏するものであれば、弾性部材を複数に分割して設置したり、１つのリンクを複数に分割して設置したりすることが可能である。

また、本発明は、電源を必要とすることなく、補償する荷重を適切に調整可能な構成を有しているため、広範な状況において利用可能である。
例えば、本発明は、省エネルギー化や作業アシストを目的として利用することができる。
即ち、農業あるいは林業の分野では、木材や収穫物の運搬時に、毎回変化する重量に対応して、持ち上げ作業で生じる荷重を補償することができる。
漁業の分野では、本発明を適用した荷重補償装置を船内クレーンに搭載することで、小型の船（クレーン）であっても大出力を実現することができる。また、人力による各種運搬活動のアシストを行うことができる。
鉱業、採石業あるいは砂利採取業の分野では、輸送車へ積載する際の持ち上げ作業に本発明を適用した荷重補償装置を活用することができる。
建設業の分野では、建設時の足場や構造物、作業者等における重量物の持ち上げ作業全般に本発明を適用した荷重補償装置を活用することができる。
製造業の分野では、製造ライン上でワークを上下させる際、種類の変化やオプションの追加に対応して、その重量を補償して上下運動させることができる。
電気、ガス、熱供給あるいは水道業の分野では、各種工事点検時の、作業者を含む重量物の持ち上げ作業に本発明を適用した荷重補償装置を活用できる。
運輸業あるいは郵便業の分野では、 機械もしくは人力で行われる、倉庫内移動や荷詰め作業時に頻繁に行われる持ち上げ作業に、本発明を適用した荷重補償装置活用できる。
生活関連サービス業あるいは娯楽業の分野では、収容物が変化しても荷重を補償できるため、垂直方向に引き出せる家具やシステムキッチンを実現することができる。
医療あるいは福祉の分野では、要介護者の体重に自在に対応し、日常移動動作や起き上がり等の姿勢変化を含む、各種介護作業のアシストを行うことができる。

また、例えば、本発明は、災害時対策を目的として利用することができる。
即ち、建設業の分野では、災害時等、電気供給が不可能な状態でもエレベータを作動させたい場合があるところ、本発明を適用した荷重補償装置は、積載重量を受動的に補償するため、手動で作動させることができる。これは、介護施設や病院での利用に特に効果的である。
電気、ガス、熱供給あるいは水道業の分野では、電気供給が不可能な状況下で復旧工事を行う場合、従来は行うことができなかった重量物（作業者を含む）の持ち上げを、本発明を適用した荷重補償装置を用いて行うことができる。
医療あるいは福祉の分野では、電気供給が不可能な場合でも、手動で介護活動が可能な荷重補償装置を実現することができる。

なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２ 荷重補償装置、Ｂ 基台、Ｌ１ 下リンク部材、Ｌ２ 上リンク部材、Ｌ３ 直動支持部材、Ｃ１ 第１ばね部材、Ｃ２ 第２ばね部材、Ｓ 荷台、Ｐ 底板、Ｒ１ 第１回転軸、Ｒ２ 第２回転軸、Ｒ３ 第３回転軸、Ｒ４ 第４回転軸、Ｗ１，Ｗ２ ワイヤ、Ｐ１，Ｐ２ プーリ、Ｇ１ 摺動孔、Ｒ ストッパー、Ｍ 摺動スライダクランク機構、ＭＣ 揺動スライダクランク機構、Ｍ１ 摺動保持部材、Ｍ２ 摺動リンク部材

Claims (12)

1. 支持体となる基台と、
   前記基台に一端側が回転可能に連結された第１リンク部材と、
   前記基台に一端側が回転可能に連結され、前記第１リンク部材と平行リンクを構成する第２リンク部材と、
   前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材それぞれの他端側に回転可能に連結され、負荷となる物体の重さが作用する物体設置部を直動支持する第３リンク部材と、
   前記物体設置部を弾性支持し、前記物体設置部に作用する前記物体の重さに応じて伸縮することにより、当該重さを補償する弾性力を発生させる荷重支持用弾性部材と、
   を備えることを特徴とする荷重補償装置。
2. 前記荷重支持用弾性部材は、前記第２リンク部材と前記基台との連結点の位置を経由して、前記物体設置部が直動支持される部分に連結され、
   前記物体設置部に作用する前記物体の重力の鉛直方向の成分と、前記物体設置部が直動支持される部分に作用する前記荷重支持用弾性部材の弾性力の鉛直方向成分とが釣り合っていることを特徴とする請求項１に記載の荷重補償装置。
3. 前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材が水平の状態、かつ、前記物体の重さが作用していない状態において、前記第２リンク部材の前記基台との連結点から前記第３リンク部材との連結点までの距離と、前記第２リンク部材の前記基台との連結点から前記物体設置部を直動支持する点までの距離とが等しいことを特徴とする請求項２に記載の荷重補償装置。
4. 当該荷重補償装置を構成する部材の自重を支持する自重支持用弾性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の荷重補償装置。
5. 前記自重支持用弾性部材は、前記第１リンク部材と前記基台とを前記自重に抗して弾性的に連結し、
   前記荷重支持用弾性部材は、前記物体設置部と前記第２リンク部材、または、前記物体設置部と前記基台とを前記物体の重さによる荷重に抗して弾性的に連結する請求項４に記載の荷重補償装置。
6. 前記荷重支持用弾性部材は、前記第２リンク部材と前記基台との連結点の位置に対して、前記物体設置部とは逆側の前記第２リンク部材の部分に設置され、
   前記荷重支持用弾性部材と前記物体設置部が直動支持される部分とは、柔軟性を有する連結部材によって、前記第２リンク部材と前記基台との連結点の位置を経由して連結されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の荷重補償装置。
7. 前記第２リンク部材と前記基台との連結点の位置において前記基台に回転可能に連結された摺動保持部材と、
   一端を前記物体設置部が直動支持される部分に回転可能に連結され、前記摺動保持部材に摺動保持されると共に、他端に前記荷重支持用弾性部材としての圧縮ばねを備えた摺動リンク部材と、
   を有する揺動スライダクランク部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の荷重補償装置。
8. 前記第１リンク部材、前記第２リンク部材、第３リンク部材及び前記荷重支持用弾性部材を含む可動部を複数備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の荷重補償装置。
9. 複数の前記可動部が、動作が対称となるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の荷重補償装置。
10. 複数の前記可動部が、水平方向に配列されていることを特徴とする請求項８に記載の荷重補償装置。
11. 複数の前記可動部が、鉛直方向に配列されていることを特徴とする請求項８に記載の荷重補償装置。
12. 基台に一端側が回転可能に連結された第１リンク部材と、前記基台に一端側が回転可能に連結され、前記第１リンク部材と平行リンクを構成する第２リンク部材と、前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材それぞれの他端側に回転可能に連結され、負荷となる物体の重さが作用する物体設置部を直動支持する第３リンク部材と、を有する荷重補償装置において補償する荷重を調整する補償荷重調整方法であって、
    前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材が水平の状態、かつ、前記物体の重さが作用していない状態において、前記第２リンク部材の前記基台との連結点から前記物体設置部との連結点までの距離と、前記第２リンク部材の前記基台との連結点から前記物体設置部を直動支持する点までの距離とを等しいものとし、
    前記物体設置部を荷重支持用弾性部材によって弾性支持し、前記物体設置部に作用する前記物体の重さに応じて伸縮することにより、前記荷重支持用弾性部材が当該重さを補償する弾性力を発生させることを特徴とする補償荷重調整方法。

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