JP4546747B2 - 負荷部を擬似無慣性制御により水平面内で移動可能にしたバランサー形の荷重取扱装置 - Google Patents

Description

本発明は、先端側に負荷部を備えたアームを有する関節形のアーム機構を、伸縮変形乃至は昇降させて、前記アームの先端（下端）側に設けた負荷部に支持させた荷重（負荷）を、所望の高さに擬似無重力状態で吊下げ保持するようにしたバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を、手元の操作部における指先操作により擬似無慣性状態で水平面内を移動させるようにしたバランサー形の荷重取扱装置に関する。

パントグラフ形の平行なアームや他の形態のアームなどを伸縮自在に接続してなるクレーン状をなす関節形アーム機構を主体に構成したバランサー形の荷重取扱装置は、荷重と対応する駆動源の出力や重錘を仮想定比槓杆上でバランスさせて当該荷重を支持するので、荷重を所望の高さに上下移動させて擬似無重力状態で保持できる装置として、今や各方面で利用され、簡易な構造のクレーン状のバランサー形補力装置として広く知られている。

バランサー形荷重取扱装置の中には、パントグラフをなす平行四辺形リンク機構をクレーン状に組んでアーム機構とし、このアーム機構の先端側アームの先に負荷部を設定し、アーム機構の根元側をブラケットなどに設けたラックピニオンや歯車列などによる昇降機構に連結することにより、前記負荷部を昇降させて、負荷部を所望の高さに位置付け擬似無重力状態で保持することができるようにしたバランサー形の荷重取扱装置が、特許文献１などにより知られている。

一方、バランサー形の荷重取扱装置における他の形態例として、アーム機構の先端側に側面から見て逆Ｌ字状をなすアームを水平旋回可能に設け、該水平旋回アームの下端に負荷部を設けたものがある（特許文献２参照）。負荷部を備えた水平旋回アームは、アーム機構の側面から見た姿勢を変更して負荷部を所望高さに位置付けたところで、当該負荷部を当該アームの水平面内での旋回によって水平移動させ易いように設けたものである。

しかし、いずれのタイプのバランサー形荷重取扱装置であっても、負荷部の水平移動は、人力によってアーム機構を水平方向で伸縮乃至は変形させて前記負荷部を進退させたり、負荷部を有するアームを水平旋回させることにより行っているため、次のような問題があった。
即ち、前記負荷部を有するアームの水平方向での進退、或は、水平旋回は、従来装置では当該装置のオペレータ（作業者）が人力によって行っていたので、負荷部に支持された荷重（負荷ともいう）の重量が大きい場合には相当の労力を必要とするのみならず、その水平方向での進退や旋回が荷重の移動慣性によって所望位置で止められない、或は、止めるためにも大きな労力を要するといった安全性並びに作業性の問題がある。

また、アーム機構の姿勢によっては、負荷部に支持した荷重の作用でアーム機構全体、或は、負荷部を有するアームが勝手に回り出すという、いわゆるアーム流れ現象も生じて、荷重の取扱い（位置決め）上においても、安全上においても問題となっていた。
特開平９−１７５８００号公報 実公平４−１８７８７号公報

そこで本発明では、重量の大きな荷重が負荷部に支持されていても、負荷部の水平方向の移動（進退又は旋回）を駆動力によって行わせると共に、そのための操作部を前記荷重の上下移動の操作ハンドルと同じ場所に設定することにより、操作ハンドルの握りとそのハンドルを握った手の指先による操作で水平移動のための操作を行うことができるようにしたことにより、当該負荷部の上下移動と水平面内での移動とを、作業者が荷重の慣性を感じない、いわば擬似無慣性の感触において行うことを可能にしたバランサー形の荷重取扱装置を提供することを、その課題とするものである。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明荷重取扱装置の構成は、平行リンク機構などによる関節形アーム機構に、先端側に負荷部を有するアームと前記アーム機構の昇降用駆動源と昇降機構を具備したバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を水平移動させるためのサーボモータなどによる水平移動用駆動源を前記アーム機構の根元側に連結して設けると共に、前記昇降用駆動源を作動制御させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平移動用駆動源を作動制御させる水平移動用の指先操作部を設けて成り、作業者が前記操作ハンドルを手で握って昇降用の当該操作ハンドルと水平移動用の指先操作部をその手と指で操作することにより、前記負荷部に支持した負荷を昇降させて所望の高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で擬似無慣性の水平移動をさせるようにしたことを特徴とするものである。

また、上記課題を解決できる本発明荷重取扱装置の他の構成は、平行リンク機構などによる関節形アーム機構に、先端側に負荷部を有するアームと前記アーム機構の昇降用駆動源と昇降機構を具備したバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を有するアームを前記アーム機構の先端側に水平旋回可能にして連結し当該水平旋回アームの回転軸に回転駆動力を与えるモータなどによる駆動源を当該回転軸の近傍に設ける一方、前記アーム機構を支柱などに旋回可能に設けたブラケットに支持させ当該アーム機構をブラケットごと水平旋回させるためにモータ等の駆動源を当該ブラケット等に設けると共に、前記昇降用駆動源を作動させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平旋回駆動源を作動させる水平旋回用の指先操作部を設けて成り、作業者が操作ハンドルを手で握って昇降用の当該操作ハンドルと水平旋回用の指先操作部をその手と指で操作することにより、前記負荷を昇降させて所望の高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で前記水平旋回アームと前記アーム機構の水平旋回を制御し前記負荷部を擬似無慣性の状態で水平移動をさせるようにしたことを特徴とするものである。

本発明は上記構成において、負荷部の水平移動は、負荷部を有するアームの水平旋回動作、又は、負荷部を有するアームの進退動作と、前記いずれかのアーム動作とアーム機構の水平旋回とにより達成されるようにしたことにより、前記負荷部に人が手を添えた状態で作業者が負荷の慣性を感じることなく水平移動させることが可能になる。

本発明は、平行リンク機構などによる関節形アーム機構に、先端側に負荷部を有するアームと前記アーム機構の昇降用駆動源と昇降機構を具備したバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を水平移動させるためのサーボモータなどによる水平移動用駆動源を前記アーム機構の根元側に連結して設けると共に、前記昇降用駆動源を作動制御させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平移動用駆動源を作動制御させる水平移動用操作部を設け、作業者が操作ハンドルを一方の手で握り他方の手を負荷に添えて当該操作ハンドルと水平移動操作部を操作することにより、前記負荷部に支持した負荷を昇降させた高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で擬似無慣性の水平移動をさせるようにしてバランサー形の荷重取扱装置を構成したので、負荷部を有する水平回アームにアーム流れが生じないのみならず、前記負荷部を水平面内で好ましくは直線的に、擬似無慣性状態で人が荷重に手を添えて移動させることが可能になり、従って、バランサー形の補力装置としてきわめて有用である。

次に本発明装置の実施の形態例について図により説明する。図１は本発明バランサー形荷重取扱装置の一例の概要を示す側面図、図２は本発明バランサー形荷重取扱装置の別例の概要を示す側面図、図３は図２の装置の要部の構成を説明するための拡大平面図、図４は操作部の一例を説明するための要部の斜視図、図５は操作部の要部の正断面図、図６は図４のＸ−Ｘ矢視図、図７は操作部に設けた３つのポテンシオメータと３つのモータまでの制御系を説明するための機能ブロック図である。

図１において、１と２は上下で平行な第１アームと第２アーム、３は前記第１アーム１と第２アーム２の先端部に軸により枢着P1，P2した第３アーム、４は第３アーム３と平行で第２アーム２の後端と第１アーム１の後端寄りを軸により枢着P3，P4した第４アームで、第３アーム３の先端５と第１アームの後端６及び第４アームの下端（枢着点P4）とは、常に仮想の直線Ｌ上に位置付けられ、平行なパントグラフ状のリンクを応用したアーム機構AM1の一例を形成する。

上記アーム機構AM1において、第１アーム１の後端６と第４アーム４の下端（枢着点P4）は、ブラケット７に設けた垂直ガイド機構８と水平ガイド機構９とにより、このブラケット７において、第１アーム後端６は上下動自在、第４アーム下端P4は水平移動自在に支持されている。これによってアーム機構AM1における第３アーム３の先端５に設けた負荷部10を自在に昇降（垂直動）させることができると共に、ブラケット７に対し前後動（水平動）させることができる。このアーム機構AM1の変形乃至伸縮により負荷部10が昇降動又は水平動しても、第１アーム後端６と第３アーム先端５と第４アーム下端P4とは、常に可動直線Ｌの上にあるので、この直線Ｌがこのアーム機構AM1における仮想定比槓杆となる。

上記のブラケット７に設けた垂直ガイド機構８と水平ガイド機構９とは、一例として、各アーム端部６とP4に設けたローラ8a，9aとこれらのローラ8a，9aを夫々に直線状にガイドして支持するガイド8b，9bと、各ローラ8a，9aに駆動力を伝えるチェーン8c，9cと、各チェーンに駆動力を伝える、ここではサーボモータ8d，9dとを具備して形成されている。また、ブラケット７は支柱Ｐに水平旋回自在に架装されているが、本発明ではこのブラケット７の旋回をサーボモータ7aを主体とする駆動部の出力によって駆動力で旋回させるようにしている。さらに、第３アーム３の先端５には、ボックス状の筐体11とこの筐体11に設けた角回転可能なハンドル12による操作部13が設けられ、ここでは前記筐体11の下部にフックなどによる負荷部10が設けられている。なお、上述した垂直，水平のガイド機構８と９の構造は、上記例に限られるものではなく、ラック・ピニオン機構、送りネジ機構、歯車列の組合せなどにより、第１アーム１の端部６を昇降させ、第４アーム４の下端を水平方向で移動できるようにした構造であれば足りる。

一方、図２は本発明を適用するバランサー形荷重取扱装置の別例を示したもので、図１の装置と同じ部材，部位は同一符号を用いて説明する。図２において、１と２は水平方向において上，下で平行な第１アームと第２アーム、31は、前記第１，第２アーム１，２の先端部に枢着した垂直向きの連結リンクによる第３アームで、この第3アーム31には水平な向きの第４アーム41が、第3アーム31と平行な垂直軸41aの回りに回転自在に設けられており、この第４アーム41の先端に、下端に負荷部10を有する垂直向きの第５アーム51が設けられ、本発明を適用する第２のアーム機構AM2の例を形成している。

図２において、第５アーム51の下端部に形成される負荷点には、図１の例の場合と同様に、フックや掴み具などによる荷重の負荷部10が設けられると共に、アーム機構AM2を昇降動作させるためボックス状の筐体11とハンドル12を具備した操作部13が設けられている。一方、上記の第１，第２アーム１，２の後端側は、地上Ｇなどに立設された支柱Ｐの上端や、図示しない天井側から吊下したポストの下端に設けた、このアーム機構AM2の昇降のためのモータを始めとする駆動機構81を具備したブラケット７に、垂直面内で上，下揺動できるように取付けられていると共に、前記駆動機構81の出力端に連繋されている。

上記構成のアーム機構AM2の先端側、ここでは第３アーム31に、負荷部10及び操作部13を具備した第４アーム41と第５アーム51による逆Ｌ字状の水平旋回アームHAが垂直軸41aの回りに回転自在に取付けられ、前記アーム機構AM2の根元側が支柱Ｐに旋回自在に設けたブラケット７に装着されて、本発明を適用する第２のバランサー形荷重取扱装置の一例が形成される。

なお、本発明を適用する図２のアーム機構AM2は、一例として第１，第２アーム１，２が平面から見て図３に示すように平面内で平行なダブルアームで設けられ、従って、第３アーム31は、図３のように左右幅を有するリンク部材で形成されている。そして、第４アーム４41後端は、連結リンクである第３アーム３の前面（図３の左側）に設けた軸受ブラケット31aに垂直軸41aにより結合され、この軸4aの回りに水平回転する。ここで、前記水平回転は、前記ブラケット31aが兼用するモータブラケットにギヤードモータなどによる駆動部91を設け、前記軸41aと駆動部91の出力軸を、連結することにより、第４アーム41の水平面内の旋回を駆動部91の駆動力によって行うようにしている。

一方、アーム機構AM2に対しては、そのアーム機構AM2全体を支柱Ｐの上で水平面内旋回させるために、ブラケット７と支柱Ｐの連結部に近いブラケット７の内部に回転駆動源71aが設けられている。以上により本発明を適用するバランサー形の荷重取扱装置の第二例を形成する。なお、負荷部10は、図１に１点鎖線で示す範囲がその可動範囲である。

上述した２つの荷重取扱装置における操作部13は、図４に例示するように、ボックス状の筐体11の側面に、平面から見てほぼ逆Ｔ字状、或は、略Ｉ字状などをなすレバー状の操作ハンドル12が設けられ、このハンドル12の軸12aに関して図４における正，逆方向の角回転運動、或は、図示しない上，下方向への揺動運動を、一例として前記筐体11の内部に設けたポテンシオメータなどによる機械−電気変換手段（図に表われず）によって電気信号に変換し、形成された電気信号に基づいて、前記第１，第２アーム１，２を昇降方向（又は上，下方向）に揺動させる駆動源８又は駆動機構81の出力の方向と大きさを制御するようになっている。

本発明では、図１のアーム機構AM1における負荷部10の進退動作と旋回動作とを、夫々の駆動源9dと7aの出力によって動作させる制御、並びに、図２のアーム機構AM2における負荷部10を設けた水平旋回アームHAとアーム機構AM2との夫々の旋回動作とを、夫々の駆動源91と71aの出力によって動作させる制御を行うため、ハンドル12の一端部に設けた指先操作部14として形成し、この操作部14を一例として図５，図６に示すように形成したので、次に、ハンドル12に設けた指先操作部14の構成例について説明する。

まず、アーム機構AM1，AM2の昇降動作用の操作部13を形成する筒状の操作ハンドル12の先端に、内部が中空の帽体状のキャップ体15を着脱自在15aの構造により設け、このキャップ体15の中に、直交する向きで作動軸16a，17aを交叉させた２つのポテンシオメータなどによる機械-電気変換体16と17（以下、ポテンシオメータ16，17という）を配設している。

一方のポテンシオメータ16は、その軸16aをハンドル12の長さ方向と水平な向きにして台座18に架装する。このポテンシオメータ16を載せた台座18は、ハンドル12の軸12aと平行な向きの軸19と、作動軸17aを前記軸と同軸上に配置してキャップ体15の内面に取付られたもう一方のポテンシオメータ17の軸17aに支持されてキャップ体15の内部で図５の左右に揺動できるように架装している。前記ポテンシオメータ16の軸16aには、該軸16aに直交した向きの略直立したレバー20を取付け、該レバー20の上半部をこのキャップ体15の上面に明けた穴15aから突出させている。

上記構成により、図５においてハンドル12を握った手の指によってレバー20を左右に倒すと、台座18が軸17a，19を中心に揺動するので、ポテンシオメータ17はその軸17aが左右に回転して回転角に応じた信号を出力する。一方、図６においてレバー20を指先で左右に倒すと、このレバー傾倒動によってポテンシオメータ16の軸16aが左右に回転して回転角に応じた信号を出力する。手でハンドル12を握り、軸12aを中心として図５の左右方向に角回転させると、この回転がポテンシオメータ21などによる機-電変換体に作用するので、このポテンシオメータ21からもハンドル12の回転角に応じた信号の出力が得られる。

以上の構成から本発明のバランサー形荷重取扱装置では、操作部13のハンドル12を握って当該ハンドル12を左右に回転させることにより、昇降駆動源8d又は81の出力をポテンシオメータ21の信号に基づいて制御し、アーム機構AM1又はAM2をブラケット７に関して上下揺動させることができる。そして、この状態、つまりハンドル12を握った手の指先で水平移動（前後動又は水平旋回）用の指先操作部14のレバー20を前後、又は、傾倒させることにより、ポテンシオメータ16又は17を個々に乃至同時に作動させることが出来るから、アーム機構AM1又はAM2を水平旋回させたり、或は、第３アーム３（図１参照９を前，後動させて負荷部10を水平移動させたり、水平旋回アームHA（図２参照）を水平旋回させることが可能になるのである。

上記における３つのポテンシオメータ16，17，21は、一例として図７に示すように、夫々にオペアンプ22a〜22cを経て夫々のサーボアンプを含むモータ制御部23a〜23cに接続され、各制御部23a〜23cは、各軸の駆動源9d（91d），7a，8d（81）に接続されて各モータの制御系を構成する。

本発明では、バランサー形荷重取扱装置によって、上，下方向での吊下位置を決めた負荷を水平方向で移動させたいとき、荷重の昇降操作用ハンドル12を握ったままで、そのハンドル12を握っている手の指先によって負荷部を水平に移動させる指先操作部14のレバー20を任意に操作できるので、余っているもう一方の手を負荷（荷重）に添えてその負荷を水平移動させること可能になる。従って、作業者は負荷の水平移動に当り、当該負荷の移動慣性を自分の手に感じることがないので、あたかも水平移動させる負荷が無慣性状態にあるような感覚によってその負荷を水平移動させることができる。

本発明は以上の通りであって、バランサー形荷重取扱装置を、負荷部を水平移動させるためのサーボモータなどによる水平移動用駆動源を前記アーム機構の根元側に連結して設けると共に、前記昇降用駆動源を作動制御させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平移動用駆動源を作動制御させる水平移動用の指先操作部を設け、作業者が操作ハンドルを一方の手で握り他方の手を負荷に添えて当該操作ハンドルと指先操作部とを一方の手で操作できるように構成したので、前記負荷部に支持した負荷を昇降させた高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で擬似無慣性の水平移動をさせることができるという、従来のバランサー形補力装置にはな使い勝手の良さが得られる。

本発明バランサー形荷重取扱装置の一例の概要を示す側面図。 本発明バランサー形荷重取扱装置の別例の概要を示す側面図。 図２の装置の要部を説明するための拡大平面図。 操作部の一例を説明するための要部の斜視図。 操作部の要部の正断面図。 図４のＸ−Ｘ矢視図。 操作部に設けた３つのポテンシオメータと３つのモータまでの制御系を説明するための機能ブロック図。

符号の説明

AM1 第1のアーム機構
１ 第１アーム
２ 第２アーム
３ 第３アーム
４ 第４アーム
５ 第５アーム
HA 水平旋回アーム
６ 第１アームの後端部
７ ブラケット
８ 垂直ガイド機構
９ 水平ガイド機構
10 荷重の負荷部
11 筐体
12 ハンドル
13 昇降操作部
14 指先操作部

Claims (4)

1. 平行リンク機構などによる関節形アーム機構に、先端側に負荷部を有するアームと前記アーム機構の昇降用駆動源と昇降機構を具備したバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を水平移動させるためのサーボモータなどによる水平移動用駆動源を前記アーム機構の根元側に連結して設けると共に、前記昇降用駆動源を作動制御させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平移動用駆動源を作動制御させる水平移動用の指先操作部を設けて成り、作業者が前記操作ハンドルを手で握って昇降用の当該操作ハンドルと水平移動用の指先操作部をその手と指で操作することにより、前記負荷部に支持した負荷を昇降させて所望の高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で擬似無慣性の水平移動をさせるようにしたことを特徴とするバランサー形荷重取扱装置。
2. 平行リンク機構などによる関節形アーム機構に、先端側に負荷部を有するアームと前記アーム機構の昇降用駆動源と昇降機構を具備したバランサー形の荷重取扱装置において、前記負荷部を有するアームを前記アーム機構の先端側に水平旋回可能にして連結し当該水平旋回アームの回転軸に回転駆動力を与えるモータなどによる駆動源を当該回転軸の近傍に設ける一方、前記アーム機構を支柱などに旋回可能に設けたブラケットに支持させ当該アーム機構をブラケットごと水平旋回させるためにモータ等の駆動源を当該ブラケット等に設けると共に、前記昇降用駆動源を作動させるため負荷部の近傍に設けた操作ハンドルに、前記水平旋回駆動源を作動させる水平旋回用の指先操作部を設けて成り、作業者が操作ハンドルを手で握って昇降用の当該操作ハンドルと水平旋回用の指先操作部をその手と指で操作することにより、前記負荷を昇降させて所望の高さで擬似無重力状態に保持すると共に、この状態で前記水平旋回アームと前記アーム機構の水平旋回を制御し前記負荷部を擬似無慣性の状態で水平移動をさせるようにしたことを特徴とするバランサー形荷重取扱装置。
3. 負荷部の水平移動は、負荷部を有するアームの水平旋回動作、又は、負荷部を有するアームの進退動作により達成するか、或は、前記のアーム動作と前記アーム機構の水平旋回動作とにより達成するようにした請求項１又は２のバランサー形荷重取扱装置。
4. 負荷部の水平移動又は水平旋回のための指先操作部は、角回転するレバーやツマミなどによる水平移動用の操作体にバネを介挿した原点復帰機能を付与した構成を具備して、前記アーム機構の昇降用の操作ハンドルに指先操作部として併設した請求項１〜３のいずれかのバランサー形の荷重取扱装置。
   

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