JP6324313B2 - 改善された平衡機能を有する負荷マニピュレータ - Google Patents

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Description

本発明は、改善された平衡機能を有し、負荷を平衡状態で負荷を動かすマニピュレータに関する。
マニピュレータとは、所定の作業空間内において負荷を取り扱うことができる多関節システムである。このシステムは、複数の自由度を伴う自由な動きによる取扱いを可能にするべく、負荷の重量を平衡させるものである。
実際には、マニピュレータの質量は、その負荷容量と同一レベルの大きさを有する。したがって、構造の平衡状態のみならず、負荷の平衡状態を考慮することが重要である。
変形可能な平行四辺形の原理に基づいたマニピュレータが存在している。例えば、このようなマニピュレータは、特許文献1に開示されている。このマニピュレータは、互いに平行となるように取り付けられたブームアームとリターンアームを備えている。ブームアームとリターンアームの各端部は、ローディングバーとカウンターバーによりヒンジ結合されて変形可能な平行四辺形を形成している。ローディングバーは、その自由端に、負荷による力の印加点を有する。平行四辺形のアームのうちの1つは、フレームによって支持されたほぼ水平を向く回動軸に連結されている。また、マニピュレータは、所与の値の負荷に対して補償力を加える補償器を備えている。この補償器は、負荷による力の作用点と回動軸が常に一直線上となるような点において動作する。この補償器は、装置の重量を無負荷状態に平衡させる適当な釣合錘と、例えば負荷がゼロでない場合に補償力を生成する牽引手段とを備えている。
数値計算は、釣合錘の値とカウンターバー上におけるその位置が、システムを形成する部品の形状および重量の関数としてのみ算出されることを示している。このようなマニピュレータの製造は、特に寸法上の制約により、複雑なものとなりうる。例えば機能や制約を伴う作業空間に基づいてマニピュレータの形状が決定されると、例えば回動軸から数メートルの場所に釣合錘の位置が変更不能に定められる。そして、釣合錘は、マニュピレータを非常に煩雑にするとともに、動作の邪魔になる。
平衡機能における製造上の不確実性に対処するために、釣合錘の位置および重量が調節可能であることが望ましい。しかしながら現実的には、値の調節は複雑となるであろう。
仏国特許出願公開第2754527号明細書
したがって、本発明の目的の1つは、シンプルな設計でコストが低廉であり、作業空間のすべての地点においてマニピュレータと取扱い対象の負荷の重量の完全な補償を提供するマニピュレータを開示することである。
本発明の目的は、変形可能な平行四辺形型のマニピュレータにより達成される。当該マニピュレータは、互いに平行に取り付けられたブームアームとリターンアームを備えている。ブームアームとリターンアームの端部は、ローディングバーとカウンターバーによって連結され、変形可能な平行四辺形を形成している。当該平行四辺形は、ほぼ水平な回転軸を中心としてフレームに連結されている。当該マニピュレータは、負荷補償力を印加する手段と、無負荷時におけるマニピュレータ構造の重量を補償する手段を備えている。当該補償手段は、少なくとも2つの釣合錘として第1釣合錘と第2釣合錘を備えている。第1釣合錘の重量は、負荷による力が印加される点と一直線上となる印加点に印加されている。当該印加点は、負荷の位置とは無関係に、水平軸と当該平行四辺形を含む平面との交点として定義される。第2釣合錘の重量は、ブームアームまたはリターンアームに印加されている。負荷を補償する力を印加する手段は、補償力印加点に力を印加する。
複数の釣合錘を使用する本発明により、これら釣合錘の値と位置を計算する際の自由度が獲得される。この自由度は、システムが動作中に占有するスペースが最小となるように当該複数の釣合錘が配置されうることを意味する。また、マニピュレータの構造平衡機能と負荷平衡機能は別個のものである。
本出願において、「釣合錘を形成する手段」は、無負荷のマニピュレータを平衡させる力を印加可能な手段を表している。当該手段は、自身の重量により力が発生される要素に関連しうる。また、当該手段は、無負荷のマニピュレータを平衡させうる力を印加するようにリターンアームとブームアームに固定されたバネに関連しうる。
特に好ましい一実施形態においては、マニピュレータは、さらに2つの釣合錘を備えている。その一方は、カウンターバー上に配置されている。他方は、リターンアーム上に配置されている。これらの釣合錘の位置は、調節可能である。
これらの釣合錘は、無負荷時のマニピュレータを正確に平衡させうる。この事実は、負荷の重量に比例する補償力が印加されうることを意味する。すなわち、負荷により印加される力と補償力に係る関数は、線形関数である。これにより、システムの製造時における不確実性を排除することもできる。
さらに、釣合錘の位置は、順次に調節されるのであって、相関していない。これにより、平衡をとる作業が簡易かつ正確なものとなる。
そして、本発明を特定する事項は、
互いに平行に取り付けられ、その端部がローディングバーとカウンターバーによりヒンジ結合されることにより変形可能な平行四辺形を形成しているブームアームおよびリターンアームと、
前記ブームアームまたは前記リターンアームが連結され、当該ブームアームまたは当該リターンアームと交差し、フレームにより支持されたほぼ水平な回転軸と、
負荷による所与の値の力を補償する力を含む複数の力を補償力印加点に印加する平衡手段と、
を備えている負荷マニピュレータであって、
前記補償力印加点は、前記ローディングバーにおいて前記負荷による力が印加される点、および前記回転軸において前記変形可能な平行四辺形の面内に配置される点と常に一直線上となるように、前記カウンターバー、および前記回転軸を中心として連結されていないアームの少なくとも一方に位置する点であり、
前記平衡手段は、
無負荷状態において前記負荷マニピュレータを平衡させる第1釣合錘と第2釣合錘と、
前記負荷による力の値を補償する手段と、
を備えており、
前記第1釣合錘の重量、および前記負荷による力の値を補償する力は、前記補償力印加点に印加されており、
前記第2釣合錘の重量は、前記回転軸に連結された前記ブームアームまたは前記リターンアームに印加されている、
負荷マニピュレータである。
特に好ましい例においては、前記マニピュレータは、第3釣合錘と第4釣合錘を備えている。前記第3釣合錘は、前記回転軸に連結されていない前記リターンアームにより支持されている。前記第4釣合錘は、前記カウンターバーにより支持されている。前記第3釣合錘の値と、前記第4釣合錘の値および位置は、前記補償力印加点に印加される平衡力の値が、前記負荷により前記ローディングバーに印加される力の線形関数となるように選ばれている。前記第3釣合錘の位置は、前記第4釣合錘が無負荷の前記負荷マニピュレータの平衡に与える影響を補償するように選ばれている。
好ましくは、前記第3釣合錘の位置は、当該第3釣合錘を支持する前記リターンアームに沿って調節可能である。また、前記第4釣合錘の位置は、前記カウンターバーに沿って調節可能である。この場合、複数の釣合錘の重量はそれほど正確には計算されず(例えば、同一の板材が積層されているのであれば、第2釣合錘の値は、所与の質量の整数倍でよい)、第3釣合錘と第4釣合錘の位置調節により、当該不正確性および製造上の不正確性を解消できる。
別実施形態においては、前記複数の釣合錘は、バネ系により置き換えられうる。
例えば、前記補償力印加点は、前記回転軸に連結されていない前記ブームアームまたは前記リターンアームと前記カウンターバーの連結点に配置されており、前記第2釣合錘は、前記ローディングバーに連結された端部とは逆である前記回転軸に連結された前記ブームアームまたは前記リターンアームの自由端に接続されている。
前記補償手段は、例えば、前記負荷の値に応じた補償力を発生する牽引手段から構成されうる。当該牽引手段は、前記補償力印加点に力を加えるロッドを有するジャッキから構成されうる。前記第1釣合錘は、前記ジャックにおける前記ロッドの周囲に取り付けられていることが好ましい。
好ましくは、前記フレームは、ほぼ垂直な軸を中心に回動可能であり、これに加えてあるいは代えて、少なくとも1つの水平軸に沿って回動可能である。前記ほぼ垂直な軸を中心に、これに加えてあるいは代えて前記少なくとも1つの水平軸に沿って、前記フレームを回転させる駆動装置が設けられうる。
以下の説明および添付の図面を参照することにより、本発明がよりよく理解されるであろう。
本発明の一実施形態例に係るマニピュレータの側面図である。 図1のマニピュレータを示す図であり、マニピュレータの異なる要素に印加される力が示されている。 本発明の別実施形態例に係るマニピュレータの側面図である。 図3のマニピュレータを部分的に示す図であり、マニピュレータの異なる要素に印加される力が示されている。 本発明の別実施形態例に係るマニピュレータの側面図であり、複数の釣合錘の1つがバネによって形成されている。 本発明の別実施形態例に係るマニピュレータの側面図であり、複数の釣合錘の1つがバネによって形成されている。
図1と図2は、本発明に係るマニピュレータの一実施形態例を示している。
マニピュレータは、互いに平行に取り付けられたブームアーム1とリターンアーム3を備えている。ブームアーム1とリターンアーム3の各端部は、ローディングバー2とカウンターバー4により連結され、変形可能な平行四辺形を形成している。当該平行四辺形は、ほぼ鉛直方向とされる平面内に含まれている。
ローディングバー2の第1端部2.1は、リターンアーム3の第1端部3.1上の点Eにおいて連結されている。ローディングバー2の第2端部2.2は、取扱い対象の負荷によって印加される力の印加点Mを形成している。
ブームアーム1の第1端部1.1は、点Eと点Mの間に配置された点Gにおいて、ローディングバー2に連結されている。ブームアーム3は、ほぼ水平方向の軸を中心として、フレーム6に連結されている。水平方向の軸と平行四辺形の平面の交差点は、Oで表されている。以下の説明においては、ほぼ水平方向の回転軸もOで示される。
カウンターバー4は、第1端部4.1を通じて、点Oとブームアーム1の第2長手方向端部の間(点A)においてブームアーム1に連結され、リターンアーム3の第2長手方向端部3.2の点Cにおいて、リターンアーム3に連結されている。
ブームアーム1の第2端部は、文字Bによって表されている。
また、マニピュレータは、手段8を備えている。手段8は、無負荷状態(すなわち点Mに負荷が吊るされていない状態)と負荷が存在する状態において、平衡をとるためのものである。
平衡手段8は、第1釣合錘10と第2釣合錘12を備えている。第1釣合錘10は、点Cにおいて、カウンターバーおよびリターンアームに連結されている。第2釣合錘12は、ブームアーム1に連結されている。図示の例においては、第2釣合錘12は、点Bにおいて連結されている。
図示の例においては、複数の釣合錘は、平衡を提供する質量を有する要素によって形成されている。
さらに、平衡手段8は、負荷に応じた補償力を生成する手段(例えば、牽引手段)を備えている。図1に示されている例においては、ジャッキ14が使用されており、ロッド16が、点Cにおいて、カウンターバー4とブームアーム1に連結されている。好ましくは、第1釣合錘10は、ジャッキのロッド16の周りに取り付けられている。これにより、マニピュレータの製造が容易となり、点Cにおける第1釣合錘に固有の連結をなくすことができる。ジャッキ14は、マニピュレータの平衡に対する負荷の影響を補償する。
第1釣合錘10がジャッキとは別個の点Cに接続されているマニピュレータも、本発明の範囲に含まれる。例えば、ジャッキは、液圧または電気ジャッキであってもよく、また、補償力を提供する手段は、少なくとも1つのバネによって形成されうる。
補償力印加点Cは、本発明の範囲を逸脱しなければ、回転軸に連結されていないアーム上にあってもよい、あるいは、連結部以外のカウンターバー上にあってもよい。
別の例によれば、複数の釣合錘の少なくとも一部は、同じ平衡機能を発揮する複数のバネ系により形成されうる。図5と図6は、本発明に係るマニピュレータの一実施形態例を示している。本例においては、第2釣合錘12が、ブームアーム1に力を印加するバネ22によって形成されている。バネ22は、ブームアーム1に連結されたロッド24の周りに取り付けられている。このバネは、ロッド24の一端とマニピュレータフレームに対して回転可能に連結されてストッパを形成している箇所(不図示)の間に保持されている。ロッド24は、ストッパを形成している部分を通過しており、当該部分は、ロッド24の運動に追随する。好ましくは、ストッパを形成する部分の回転軸の位置は調節可能であり、バネの剛性に関する不確実性を克服するための調節が可能である。図示の例においては、ストッパを形成する部分は、フレームに取り付けられた要素26に回転するように連結されており、その位置を調節することにより、ストッパを形成する部分の回転軸の位置を変更できる。
第1釣合錘10は、塊体によって形成されており、その重量は、リターンアーム3に印加されている。一変形として、第1釣合錘をバネによって形成することも可能である。あるいは、第1釣合錘をバネによって形成し、第2釣合錘を塊体によって形成してもよい。
図1に示されている例においては、フレームは、地面に垂直な軸Zを中心として自由に回動するように取り付けられており、かつ、直交する2つの水平軸X、Yに沿って摺動可能である。そして、平行四辺形は、軸Zを中心として回動可能な平面内において変形する。軸Zを中心とし、水平軸X、Yに沿うこれらの連結は、マニピュレータの平衡機能に影響を及ぼさない。
好ましくは、回転や並進に伴うフレームの変位に駆動装置が使用される。
図示の例においては、フレーム6は、地面に支持されており、変形可能な平行四辺形は、フレームの上方に配置されている。フレームが例えば天井から吊るされており、変形可能な平行四辺形がフレームの下方に配置されているマニピュレータも、本発明の範囲に含まれる。
図2においては、マニピュレータの要素1、2、3、4の各重心が、それぞれG、G、G、Gで表されている。
Figure 0006324313
は、点Mにおいて負荷によって印加される力である。
Figure 0006324313
は、点Cにおいて負荷平衡手段によって印加される力である。
Figure 0006324313
は、点Bにおいて第2釣合錘によって印加される力である。
各要素1、2、3、4の重量は、それぞれ、ベクトル
Figure 0006324313
により表される。
図示の例においては、点Bは、ブームアームの軸上には位置しておらず、かつ、点GおよびGは、それぞれ当該軸からa、b、cに等しい距離に位置している。
ベクトル
Figure 0006324313
および
Figure 0006324313
は、それぞれブームアーム1およびローディングバー2に対して垂直なモジュールのベクトルを表している。
Figure 0006324313
は、水平方向の軸(点O)におけるフレームの反応を表している。
力およびモーメントの平衡式を要素1、2、3、4のそれぞれについて表すと、次式が得られる。
Figure 0006324313
ブームアームにおいて印加されたモーメントの平衡は、それぞれ(OG)上におけるBおよびG1の投影である点B’およびG1’により記述される。
Figure 0006324313
この式は、
Figure 0006324313
および
Figure 0006324313
とは無関係に、すべての位置において確かめられることにより、次式を得る。
Figure 0006324313
ローディングバーにおいて印加されるモーメントの平衡は、次式のように記述される。
Figure 0006324313
また、
Figure 0006324313
であるため、次式を得る。
Figure 0006324313
したがって、式(IV)、(V)、(VI)、および(VII)を用いることにより、次式を得る。
Figure 0006324313
この式は、すべての位置において、すなわちベクトル
Figure 0006324313
の向きとは無関係に満足されなければならず、これは、丸括弧内のベクトルはヌルであることを意味している。
Figure 0006324313
の項は、補償され得ない。しかしながら、c/(GE)<10−2であると仮定すると、この不平衡の影響は重要ではない。結果として得られる遇力は、連結された部品の重量により予め加えられる負荷に起因する回転軸の摩擦により隠されてしまうからである。
結果として、
Figure 0006324313
および
Figure 0006324313
は、次式を満足する。
Figure 0006324313
(OG)/(OA)=(GM)/(GE)である場合には、式(VIII)と式(IX)の系に対する単一の解である
Figure 0006324313
が得られる。
補償力Fvは負荷Fに依存し、負荷Fの値は一定である。この比率の等価性は、補償力印加点、回転軸、および負荷印加点のアライメントを幾何学的に表している。
この寸法比の等価性のための条件は、システムの製造にとってあまり制限的なものではない。ブームアーム1とローディングバー2のみが関係しており、かつ、マニピュレータを大型化したり製造を複雑にしたりするものではないからである。
補償力印加点Cが、連結部ではなく、ローディングバーまたはカウンターバー上に配置されている場合には、補償力印加点、回転軸、および負荷印加点のアライメントを反映する長さにおいて、同種の等価性が得られる。そして、次式が得られる。
Figure 0006324313
また、式(III)より、次式が得られる。
a=b(P/F
よって、aの値は、例えば、CADからパラメータbを計測することによって判定されうる。
bがゼロになるように、GG1がセグメントOG上に配置されている場合、aはゼロであり、かつ、点Bは点A、O、およびGと一直線上となる
第1釣合錘の値は、式(XI)においてCSTで表わされたベクトルのモジュールによって与えられる。第2釣合錘の値は、式(X)における
Figure 0006324313
のモジュールによって与えられる。本発明によれば、マニピュレータは、その製造条件に係る制限が比較的少なくなることで、より簡易に平衡状態とされる。よって、寸法上の制約を考慮して平衡されたマニピュレータを容易に製造できる。
図3と図4は、本発明の特に有利な別実施形態に係るマニピュレータを示している。
第1釣合錘10および第2釣合錘12に加え、当該マニピュレータは、第3釣合錘18と第4釣合錘20を備えている。
第3釣合錘18は、リターンアーム3の第1端部3.2に取り付けられている。第4釣合錘20は、カウンターバー4の第2端部4.2に取り付けられている。第3釣合錘と第4釣合錘の各位置は、リターンアームおよびカウンターバーの軸に沿って調節可能である。例えば、第3釣合錘と第4釣合錘の各々は、リターンアーム3とカウンターバー4に沿って螺合されており、位置の調節が容易にされている。その他の位置調整手段も考えられる(ラックとピニオンなど)。
第3釣合錘18の値と、第4釣合錘20の値および位置は、式(XI)のCST項を消去するように選択されている。したがって、Fの値とFの値の間において、アフィン変換関数ではなく、線形関数が得られる。よって、Fの値は、Fに正比例している。これらの3つのパラメータの場合には、複数の選択肢群が存在するため自由度が増し、複数の釣合錘の小型化を助けうる。
第3釣合錘と第4釣合錘の追加は、Fの値(すなわち、第2釣合錘の値)を変える効果がある。しかしながら、第2釣合錘の値は既に定められているため、第3釣合錘の位置を選択することにより、式(X)における第4釣合錘の追加を補償できる。
第3釣合錘と第4釣合錘の位置を調節する方法の一例について以下説明する。
マニピュレータの様々な部品を組み立てた後に、ブームアーム1の位置が鉛直方向について固定される。すなわち、セグメント[BG]が回転軸と鉛直方向について一直線上となるように位置決めされる。そして、ローディングバー2を平衡させるために、第4釣合錘20が軸ACに沿って移動される。
そして、ブームアーム1が解放され、第3釣合錘18が直線(EC)に沿って移動される。この操作は、最初に得られた平衡状態に影響を及ぼすものではない。当該平衡状態は
Figure 0006324313
の値に依存し、Gの位置に依存しないからである。
図示の例においては、第1釣合錘10は、自身の重量をリターンアーム3に印加し、第2釣合錘12は、自身の重量をブームアーム1に印加している。しかしながら、この構成に限定されるものではない。リターンアーム3が点Oを中心として連結される逆の構成が用いられうる。
結果として、製造が容易でありながら、改善された平衡機能を有する負荷マニピュレータが得られる。

Claims (9)

  1. 互いに平行に取り付けられ、その端部がローディングバー(2)とカウンターバー(4)によりヒンジ結合されることにより変形可能な平行四辺形を形成しているブームアーム(1)およびリターンアーム(3)と、
    前記ブームアームまたは前記リターンアームが連結され、当該ブームアームまたは当該リターンアームと交差し、フレーム(6)により支持されたほぼ水平な回転軸と、
    負荷による所与の値の力を補償する力を含む複数の力を補償力印加点(C)に印加する平衡手段(8)と、
    を備えている負荷マニピュレータであって、
    前記補償力印加点(C)は、前記ローディングバーにおいて前記負荷による力が印加される点(M)、および前記回転軸において前記変形可能な平行四辺形の面内に配置される点(O)と常に一直線上となるように、前記カウンターバー、および前記回転軸を中心として連結されていないアームの少なくとも一方に位置する点であり、
    前記平衡手段(8)は、
    無負荷状態において前記負荷マニピュレータを平衡させる第1釣合錘(10)と第2釣合錘(12)と、
    前記負荷による力の値を補償する手段と、
    を備えており、
    前記第1釣合錘(10)の重量、および前記負荷による力の値を補償する力は、前記補償力印加点(C)に印加されており、
    前記第2釣合錘(12)の重量は、前記回転軸に連結された前記ブームアーム(1)または前記リターンアーム(3)に印加されており
    第3釣合錘(18)と第4釣合錘(20)をさらに備えており、
    前記第3釣合錘(18)は、前記回転軸に連結されていない前記リターンアーム(3)により支持されており、
    前記第4釣合錘(20)は、前記カウンターバー(4)により支持されており、
    前記第3釣合錘(18)の値と、前記第4釣合錘(20)の値および位置は、前記補償力印加点(C)に印加される平衡力の値が、前記負荷により前記ローディングバー(2)に印加される力の線形関数となるように選ばれており、
    前記第3釣合錘(18)の位置は、前記第4釣合錘(20)が無負荷の前記負荷マニピュレータの平衡に与える影響を補償するように選ばれている、
    負荷マニピュレータ。
  2. 前記第3釣合錘(18)の位置は、当該第3釣合錘(18)を支持する前記リターンアーム(3)に沿って調節可能であり、
    前記第4釣合錘(20)の位置は、前記カウンターバー(4)に沿って調節可能である、請求項に記載の負荷マニピュレータ。
  3. 前記複数の釣合錘の少なくとも1つは、平衡を与える質量を有する要素である、
    請求項1または2に記載の負荷マニピュレータ。
  4. 前記複数の釣合錘の少なくとも1つは、バネ系により形成されている、
    請求項1または2に記載の負荷マニピュレータ。
  5. 前記補償力印加点(C)は、前記回転軸に連結されていない前記ブームアーム(1)または前記リターンアーム(3)と前記カウンターバー(4)の連結点に配置されており、 前記第2釣合錘(12)は、前記ローディングバー(2)に連結された端部とは逆である前記回転軸に連結された前記ブームアーム(1)または前記リターンアーム(3)の自由端に接続されている、
    請求項1からのいずれか一項に記載の負荷マニピュレータ。
  6. 互いに平行に取り付けられ、その端部がローディングバー(2)とカウンターバー(4)によりヒンジ結合されることにより変形可能な平行四辺形を形成しているブームアーム(1)およびリターンアーム(3)と、
    前記ブームアームまたは前記リターンアームが連結され、当該ブームアームまたは当該リターンアームと交差し、フレーム(6)により支持されたほぼ水平な回転軸と、
    負荷による所与の値の力を補償する力を含む複数の力を補償力印加点(C)に印加する平衡手段(8)と、
    を備えている負荷マニピュレータであって、
    前記補償力印加点(C)は、前記ローディングバーにおいて前記負荷による力が印加される点(M)、および前記回転軸において前記変形可能な平行四辺形の面内に配置される点(O)と常に一直線上となるように、前記カウンターバー、および前記回転軸を中心として連結されていないアームの少なくとも一方に位置する点であり、
    前記平衡手段(8)は、
    無負荷状態において前記負荷マニピュレータを平衡させる第1釣合錘(10)と第2釣合錘(12)と、
    前記負荷による力の値を補償する補償手段と、
    を備えており、
    前記第1釣合錘(10)の重量、および前記負荷による力の値を補償する力は、前記補償力印加点(C)に印加されており、
    前記第2釣合錘(12)の重量は、前記回転軸に連結された前記ブームアーム(1)または前記リターンアーム(3)に印加されており、
    前記補償手段は、前記負荷の値に応じた補償力を発生する牽引手段(14)を備えており
    前記牽引手段は、前記補償力印加点(C)に力を加えるロッド(16)を有するジャッキ(14)を備えている、
    荷マニピュレータ。
  7. 前記第1釣合錘(10)は、前記ジャッキ(14)における前記ロッド(16)の周囲に取り付けられている、
    請求項に記載の負荷マニピュレータ。
  8. 前記フレーム(6)は、ほぼ垂直な軸(Z)を中心に回動可能であり、これに加えてあるいは代えて、少なくとも1つの水平軸(X、Y)に沿って回動可能である、
    請求項1からのいずれか一項に記載の負荷マニピュレータ。
  9. 前記ほぼ垂直な軸(Z)を中心に、これに加えてあるいは代えて前記少なくとも1つの水平軸(X、Y)に沿って、前記フレーム(6)を回転させる駆動装置を備えている、
    請求項に記載の負荷マニピュレータ。
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