JP6913988B1 - 長尺アーム - Google Patents

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Abstract

軽量かつ高剛性である長尺アームを提供する。長尺アームは、重力場で片持ち梁状に支持される。長尺アームはワイヤ10と、ワイヤ20と、ロッド30と、支柱40と、張力発生手段50と、空圧発生手段60とを備える。ロッド30は、ロッド31〜33により多段テレスコピック状に形成されている。ロッド32、33先端には支柱42、43が立設されている。ワイヤ11はロッド31先端と、支柱42頂部を経て、アーム末端との間に張られている。ワイヤ12は支柱42根元と、支柱42頂部を経て、アーム末端との間に張られている。ワイヤ22は支柱42頂部と、支柱43頂部を経て、アーム末端との間に張られている。張力発生手段50は、ワイヤ10、20を牽引する。空圧発生手段60はロッド30内に圧力を作用させる。

Description

本発明は、重力場で片持ち梁状に支持される長尺アームに関するものである。
少し遠隔のところにある対象物を扱う場合、長尺アームを有するマニュピレータやロボットアーム等が用いられる(特許文献1)。長尺アームおいては、作用する自重に対し、アームを高剛性にしようとすると、アーム断面が増加したり、重量化したりする。
たとえば過酷条件下にて遠隔操作を行おうとする場合、環境下における熱、電磁場、放射線量、湿度、高濃度有害化学物質等の存在により電気系の制御が困難な場合がある。さらには防爆性の要求、空間の制限などの制限を受ける場合もある。一方で、既存の工業用ロボットアームは所謂規格部品にて構成されており、さらに作動の効率化を図るためにアクチュエータを複数備えている場合が多い。このような場合には、アームのサイズおよび仕様上、上記のような過酷条件下にて適用することができない場合がある。
特開2003−89090号公報
本願発明は、上記のような背景を鑑みてなされたものであり、過酷条件下の遠隔操作を好適に行うことができるアームを提供する。
また、本願発明は、軽量かつ高剛性であり、安全性の高い長尺アームを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、重力場で片持ち梁状に支持される長尺アームである。長尺アームは、長尺アーム本体を形成するロッドと、前記ロッドより立設された複数の支柱と、アーム先端よりN−1番目の前記支柱の根元と、N番目の前記支柱の頂部を経て、アーム末端との間に張られている第1ワイヤと、アーム先端よりN−1番目の前記支柱の頂部と、N番目の前記支柱の頂部を経て、アーム末端との間に張られている第2ワイヤと、アーム末端において前記第1ワイヤおよび第2ワイヤに張力を生成する張力発生手段と、を備える。
先端側の第1ワイヤと第2ワイヤの張力がアーム末端側のアームに働くことにより、アーム末端側のアームが複数のワイヤで支持されるワイヤの干渉駆動が作用する。それぞれのワイヤは比較的少ない牽引力により、長尺アームを支持できる。
上記発明において、好ましくは、ロッドは、アーム末端から先端に向かって断面積が減少している。
上記発明において、好ましくは、前記ロッドは、アーム末端から先端に向かって多段状に断面積が減少しており、前記複数の支柱は、各段に対応して、設けられている。
上記発明において、好ましくは、前記ロッドは、気密性を有し、内部に供給される流体の圧力が作用している。
ロッド形状と内圧により、流体圧がロッドの各支柱部で生成すべき適切なロッド伸展力を生成し、最小のロッド重量によって長尺アームを支持するロッドを構成できる。
上記発明において、好ましくは、前記ロッドは、アーム末端から先端に向かって縮径する多段テレスコピック状に形成されており、前記多段テレスコピック状のロッドは、前記圧力により伸展可能であり、前記複数の支柱は、各段に対応して、設けられている。
多段テレスコピック状ロッドは格納可能であり、搬入搬出が容易である。使用時には圧力により伸展し、ロッドを形成する。
上記発明において、好ましくは、前記張力発生手段は、前記ロッドの伸展に応じて、前記第1ワイヤおよび第2ワイヤの張力を調整可能である。
上記発明において、好ましくは、前記張力発生手段は、前記ロッドの伸展に応じて、前記第1ワイヤおよび第2ワイヤの長さを調整可能である。
上記発明において、好ましくは、前記多段テレスコピック状のロッドと、アーム末端との間に張られ、巻出し巻取速度調整可能な第3ワイヤを備える。
上記発明において、好ましくは、前記第3ワイヤは、各段に対応して、設けられている。
これにより、伸展時または格納時において、第1ワイヤおよび第2ワイヤの張力調整や長さ調整ができる。
本願発明の長尺アームは、軽量かつ高剛性であり、その結果、安全性が高い。さらに、本願発明の長尺アームは、従来用いられている水平多関節型または垂直多関節型のアームより長くすることが可能であり、かつ大きな積載荷重に耐えうることができる。さらに、本願発明の長尺アームは、関節を構成する位置に電子部品を用いなくとも長さ制御や回転を含む先端部の制御が可能である。このことにより、本願発明の長尺アームは電子系統の制御が困難と思われる過酷環境(火力発電所、原子力発電所などの高温、高線量、強電界、強磁場の環境や、防爆性が要求される環境、例えば石油・ガスのプラント設備、航空機燃料のタンク内点検)での使用に好適である。さらに、本願発明の長尺アームはロッドの構成とワイヤとこれらを繋ぐ支柱の構成により長さを変えることが容易であることから橋梁の点検についても好適である。
本願発明に係る長尺アームの全体構成図である。 本願発明に係る長尺アームのロッド接続部分の構成図である。 本願発明に係る長尺アームのロッド内部の空圧による摺動を示す図である。 本願発明に係る長尺アームのロッドの格納状態を示す図である。 本願発明に係る長尺アームの簡易モデル構成図である。 本願発明に係る長尺アームの第1リンクのつり合いを示す図である。 本願発明に係る長尺アームの第2リンクつり合いを示す図である。 本願発明に係る長尺アームのワイヤ牽引力を示す図である。 本願発明に係る長尺アームの巻取速度調整イメージ図である。 本願発明に係る長尺アームの変形例1を示す図である。 本願発明に係る長尺アームの変形例2を示す図である。 本願発明に係る長尺アームの変形例3を示す図である。 本願発明に係る長尺アームの適用例を示す図である。
図1は、本願発明の長尺アームの一実施態様の全体構成図である。本願発明の長尺アームは、重力場で片持ち梁状に支持される。
長尺アームは、第1ワイヤ11、12、13と、第2ワイヤ22、23と、ロッド31、32、33と、支柱42、43と、張力発生手段50と、空圧発生手段60とを備える。なお、本明細書において、説明のために、ワイヤ11、12、13を包括的にワイヤ10とし、ワイヤ22、23を包括的にワイヤ20として記載する場合がある。
本願発明の長尺アームは、先端からロッド31、32、33の順に繋ぎ合わされて形成される。ロッド31、32、33はアーム末端から先端に向かって多段状に断面積が減少している。その結果、ロッド31はロッド32に内包可能かつロッド32内において摺動可能であり、ロッド32はロッド33に内包可能かつロッド33内において摺動可能である。本発明において、これらの状態を「多段テレスコピック状」という。また、本明細書において、ロッド31、32、33を包括的にロッド30と記載する場合がある。
図1において、ロッド33末端はロッド30を摺動可能とするために設置されている空圧発生手段60に固定されていてもよい。空圧発生手段60は、アーム末端側の基台に設けられ、ロッド30内部に気体を供給し、ロッド30内部に圧力を作用させる。なお、本願発明において、流体は液体、流動体、および気体のいずれでもよい。本願発明の長尺アームにおいては圧搾空気を用いてロッドの伸展を行うことが好ましい。
さらに、ロッド30は中空構造であり気密性を有している。気密性を実現するために、本発明の一実施態様では、ロッド32、33のそれぞれの先端にリングシールが介挿される。
ロッド30の材質は特に特定されないが、強度や軽量性の観点から炭素繊維強化プラスチック(CFRP)が好ましい。
第1ワイヤ10は、先端側支柱根元と、隣りのアーム端部側支柱頂部を経て、アーム末端との間に張られている。たとえば、ワイヤ11はロッド31先端に固定され、支柱42頂部プーリを経て、アーム末端との間に張られている。ワイヤ12は支柱42根元プーリに固定され、支柱43頂部プーリを経て、アーム末端との間に張られている。ワイヤ13は支柱43根元プーリに固定され、末端頂部プーリを経て、アーム末端との間に張られている。本願発明において、先端側支柱根元にもプーリを設け、ワイヤを隣りのアーム端部側支柱頂部に固定し、先端側支柱根元のプーリとアーム端部側支柱頂部のプーリを経て、アーム末端に張ると、動滑車効果でワイヤ張力をこの区間のみ増加出来て好ましい。先端側支柱根元と隣りのアーム端部側支柱頂部それぞれにさらにプーリを複数設置し、その間にもワイヤを張架することでより大きなワイヤ張力の増加を図ってもよい。このとき、ワイヤ固定部は、先端側支柱根元でも隣りのアーム端部側支柱頂部でもよい。
第2ワイヤ20は、先端側支柱頂部と、隣りのアーム側支柱頂部を経て、アーム末端との間に張られている。たとえば、ワイヤ22は支柱42頂部に固定され、支柱43頂部プーリを経て、アーム末端との間に張られている。ワイヤ23は支柱43頂部に固定され、アーム末端との間に張られている。先端側支柱頂部にもプーリを設け、ワイヤを隣りのアーム端部側支柱頂部に固定し、先端側支柱頂部のプーリと先端側支柱根元プーリを経て、アーム末端に張ると、動滑車効果でワイヤ張力をこの区間のみ増加出来て好ましい。先端側支柱頂部と隣りのアーム端部側支柱頂部それぞれにさらにプーリを複数設置し、その間にもワイヤを張架することでより大きなワイヤ張力の増加を図ってもよい。このとき、ワイヤ固定部は、先端側支柱頂部でも隣りのアーム端部側支柱頂部でもよい。
張力発生手段50は、アーム末端側の基台に設けられ、ワイヤ11、12、13、ワイヤ22、23の末端を担持し牽引することで、各ワイヤの張力を生成する。具体的にはワイヤ11、12、13、ワイヤ22、23を牽引するモータにより、最適な張力が提供される。
ワイヤ11、12、13、ワイヤ22、23の最適な張力や最適な長さは、予め下記で説明する本願原理より容易に計算できる。さらに、各種センサを設けたり、カメラによりロッド姿勢を監視したりする制御を併せておこなってもよい。
図2は、本願発明に係る長尺アームのロッド接続部分の構成図である。
支柱42はロッド32先端から左右2本立設されている。支柱43はロッド33先端から左右2本立設されている。支柱43下部にはプーリ46が設けられている。支柱43上部にはプーリ47が設けられている。支柱42にも同様に下部と頭頂部にプーリが設けられていてもよい。2本立設された左右の支柱は梁軸で繋がっている。そして、この梁軸がアーム上部に張られる平行ワイヤと襷掛けワイヤの端部固定端となる。またこの梁軸はそれより先端側から張られるワイヤのガイドとしても機能する。図2で説明する実態態様ではプーリを用いている。なお直線形状を成すアームに沿って直線的に張られるワイヤが梁を通過する部分には、必ずしもプーリを使うことは必要なく、梁軸に取り付けられる単純な穴を有する位置決め装置でも十分である。
図3はロッド内部空圧イメージ図である。空圧発生手段60により、ロッド30内部には圧力Pが作用する。ロッド31末端面の面積はAである。ロッド31末端面はロッド32先端の係止面に係止される。ロッド32末端面の面積はA−Aである。ロッド32末端面はロッド33先端の係止面に係止される。必要に応じてロッド間の回転方向ズレを抑制する機構(たとえばスプラインやキー溝などの噛み合わせ)を設けておくとさらに好ましい。
ロッドは伸展・格納自在である。図4はロッドの格納状態のイメージ図である。ロッド31はロッド32に内包可能であり、ロッド32はロッド33に内包可能であり、ロッド30は格納可能である。
格納状態にあるロッド30は、空圧発生手段60により伸展する。ロッド31はロッド32内より突出し、ロッド32はロッド33内より突出し、ロッド33はベースより突出する。本願発明において、空圧発生手段60は従来用いられているものを用いることができる。
本願発明におけるロッドは、図3および4で説明するように、先端側のロッドになるにしたがって、そのロッドの直径が小さくなっていく。すなわち、先端のトラス構造から根本側のトラス構造になるにしたがって、各トラス構造の下側のロッドが支持すべき圧縮力は増えていく。その圧縮力の増加に合わせるようにしてロッドの断面積を増やすようにすることで、直径の異なる各ロッドに働く圧縮力と空圧で生じる伸縮力が、アームのどこでもバランスする構造になっている。このようにすることで、各ロッドで生成すべき軸力を必要最小限の重量で実現可能としているのが本願発明の長尺アームの特徴である。
簡易モデルを用いて、本願発明の原理について説明する。
図5には簡易モデルの構成図である。説明の便宜のため、図1の長尺アームの一部を抜き出したものである。簡易モデルは、第1〜3ロッドの3つから構成される。第1ロッドの先端をA点、第2ロッドの先端をB点、第3ロッドの先端をC点とする。B点およびC点には支柱42、43が立設されている。なお、簡易モデルでは、A点には荷重のみでモーメントは働かないためA点対応の支柱を設けていないが、A点にモーメントが働くような荷重が働く場合には対応の支柱を設けそれを支持する支柱先端に取り付けるワイヤを張る必要がある。
A点とB点支柱頂点との間にワイヤb1が張られ、ワイヤb1はアーム末端に延設されている。B点支柱頂点とC点支柱頂点との間にワイヤa2が張られ、ワイヤa2はアーム末端に延設されている。さらに、B点とC点支柱頂点との間にワイヤb2が張られ、ワイヤb2はアーム末端に延設されている。
図6に基づいて第1ロッド(ロッド31)とワイヤb1から構成される第1リンクの力の釣り合いについて説明する。
まず、A点での垂直方向の釣り合い条件からFb1を決定する。
次に、A点での水平方向の釣り合い条件からFc1を決定する。
次に、空圧による伸展力とFc1が釣り合う以下の条件式から、空圧Pを決定する。ただし、第1ロッドの内半径rはロッドの使用用途などから適当な値を与えておく。
c1=PA=Pπr
次に、図7に基づいて第2ロッド(ロッド32)とワイヤb2とB点支柱とから構成される第2リンクの力の釣り合いおよびモーメントの釣り合いについて説明する。
図7において、先端Aには、第1ロッドの重量wが作用する。
B点まわりのモーメントの釣り合いwl=Fa2hより、Fa2を決定する。このようにFa2を求めることは、ロッドBの支点において支持モーメントがゼロでもこの姿勢が保持できることを意味している。
次に、B点での垂直方向の釣り合い条件からFb2を決定する。
次に、B点での水平方向の釣り合い条件からFc2を決定する。
次に、すでに求めた空圧Pで望みの伸展力を生成する条件
c2=PA=Pπr
から断面積Aとロッドの内径の半径rを決定する。
ここで、第2ロッド末端側端面の面積はA−Aであるが、第1ロッド末端側端面を押す空圧もこの第2ロッド末端側端面にも作用し、ここにはP(A−A)+PA=PAの空圧が作用する。発明者はこの現象を空圧の干渉駆動と呼んでいる。
なお、片持ち梁状においては、先端から末端に行くにしたがってより大きなモーメントが発生する。さらに、アームが多段状である場合、先端から末端に行くにしたがって、断面が大きくなり自重が大きくなるため、より大きなモーメントが発生する。これに対応する軸力も先端から末端に行くにしたがって大きくなる。
これに対し、空圧の干渉駆動では、先端から末端に行くにしたがってより、供給する圧搾空気の圧力は変わらないが断面積が大きくなるため大きな空圧伸展力が作用する。そのため上述の計算過程で各ロッドの断面積を誘導すれば、必要最小限の自重で各ロッドで生成すべき空圧伸展力が生成でき、上記モーメントに対抗できる。
図8に基づいてワイヤに発生する張力について説明する。
次に、ワイヤb1には張力Fb1が作用する。ただし、ワイヤb1はA点とB点支柱頂点との間にて2重に張られた場合、動滑車の原理により、B点支柱頂部からアーム末端までのワイヤ1本の張力はFb1/2である。さらに、ワイヤb1は左右2本のワイヤから構成されるため、ワイヤ1本の張力はFb1/4となる。
ワイヤb2には張力Fb2が作用する。さらに、ワイヤb2は左右2本のワイヤから構成され、ワイヤ1本にはFb2/2の張力が作用する(図示)。ただし、ワイヤb2はB点とC点支柱頂点との間にて2重に張られるため、動滑車の原理により、C点支柱頂部からアーム末端の区間では、ワイヤ1本にはFb2/4の張力を生成する(図示省略)。
ワイヤa2には張力Fa2が作用するようにみえる。しかしながら、実際にはワイヤb1もこの区間で生成すべき張力の一部を負担している。したがって、実際にはワイヤa2には実際に出すべき張力Fa2よりも少ない張力で作用する。発明者はこの現象をワイヤの干渉駆動と呼んでいる。
以上のように比較的少ないワイヤ牽引力と比較的小さな空圧により、長尺アームを実現できる。また、中空ロッドを用いるため、軽量化を実現できる。
本願発明の長尺アームは、上側のワイヤに引張力、下側のロッドに圧縮力のみが作用し、支柱根元におけるモーメントはゼロである。このように、圧搾空気を供給される空圧伸展型のテレスコロッドの各ロッドの先端に支柱を立て、支柱間それぞれにワイヤを張ってせん断力と曲げモーメントをワイヤの牽引力で支持ししかも伸縮が出来るという、トラス構造を導入することによって、このような仕様を満足する現実的なアームが設計できることが明らかになった。発明者らはこのような本願片持ちアームをトラスアームと呼んでいる。
なおトラス構造とは、三角形をつなげた構造であり、各接合部には引張力と圧縮力のみが働き、曲げモーメントが各部材に発生しないのを特徴とし、大型構造物の構築に有効な構造体である。通常のトラス構造では四角いフレームの四隅を襷がけに繋ぐX型のフレームを取り付けるが、本願発明の長尺アームは水平に片持ち的に伸ばされるアームであって、先端には常に下向きの荷重しか働かない動作条件となっている。そのため、圧縮応力だけが働く下側の構造体には伸展力を出せる空圧伸展するテレスコロッドを使用し、テレスコロッドの直径の異なるロッドすべての先端の左右に支柱を立て、X型のフレームのうち牽引力を生成する一方のみにワイヤを張った、通常とは異なるトラス構造を本願発明では導入している。
ところで、本願では、ロッドを中空にし、内部に空圧を作用させているが、この空圧はロッドの軸方向とラジアル方向の力を生ずる。しかし、ロッド直径を膨らまそうとするラジアル方向の圧力はロッドの部材強度で支えられ、結果的に軸方向に伸縮可能なロッドにのみ軸力を生成し、この軸力が外部から受ける圧縮力を支える構造となっている。そのため、ロッドの部材自体には圧縮力が加わらないので、長尺アームには不可避と思われる座屈が生成しないという効果を生んでいる。
図9は巻取速度調整の一例を示す図である。長尺アームはアーム末端側に巻出し巻取速度調整手段70を有する。巻出し巻取速度調整手段70は例えば調整プーリである。調整プーリ70には、第3ワイヤ80が巻かれている。第3ワイヤ80はワイヤ81,82,83を有する。ワイヤ81先端はロッド31に固定され、ワイヤ82先端はロッド32に固定され、ワイヤ83先端はロッド33に固定されている。
ロッド30は空圧により伸展するが、他より速く伸展するロッドは巻出し巻取速度調整手段70により拘束され、ロッド31、ロッド32、ロッド33は同じ割合で伸展する。
ところで、上記原理で述べたように、本願発明では、ワイヤの干渉駆動と空圧の干渉駆動がバランスを保ちながら連動することを特徴とする。
伸展速度を調整することで、ロッド伸展中、ワイヤに最適なワイヤ牽引力やワイヤ長さを調整する。
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ロッド、ワイヤ、支柱の数は任意である。
図10は本願発明の変形例の一例(変形例1)に係る長尺アームの概略構成図である。ロッド断面は一定である。状況に応じて、アーム末端から先端に向かってロッド断面積が減少しているロッドを用いてもよい。中空であって内部に圧搾空気を与えると、空圧による伸展力が作用するため好ましいが、中空でなくとも、支柱を一定間隔で設置した上で、プーリ等を用いてワイヤを張ることにより、ロッドには曲げ応力が働かずに圧縮応力のみが働き、ワイヤが長尺アーム上部に生成すべき伸展力を生成する構造を構成できて片持ち構造の長尺アームの姿勢保持特性を向上できる。また、これらのワイヤをアーム末端部で牽引する構造にすることで、ワイヤの干渉駆動効果が得られる。本願発明の最も基本的なモデルである。
図11は本願発明の変形例2に係る長尺アームの概略構成図である。上記実施形態では、支柱根元におけるモーメントがゼロになることが前提である。したがって、ロッド31、ロッド32と支柱42、またロッド32、ロッド33と支柱43、それぞれを同一の軸周りに回動自在に結合してもよい。
図11で、ロッド31、ロッド32などを空圧で伸展するテレスコロッドで構成してもよい。その場合は、ロッドが受ける収縮力は空圧に負担させることができてロッドの構造材は圧縮荷重を受けず座屈は起きない。
ワイヤの張力制御を維持しながら、ワイヤの長さを制御することにより、ロッド姿勢を制御できる。たとえば、図示のように、ロッドに角度をつけることもできる。
図12は変形例3に係る長尺アームの概略構成図である。上記実施形態と変形例2の特徴を有する。
図12(A)は格納状態である。すなわち、ロッド31はロッド32に内包され、ロッド32はロッド33に内包されている。ロッド32は途中に回転軸36と空圧伝達部37を有している。
図12(B)は伸展状態である。空圧伝達部37によりロッド32内に圧力が作用する。ロッド31はロッド32内より突出し、ロッド32はロッド33内より突出する。
図12(C)は屈曲状態である。すなわち、ワイヤの張力制御を維持しながら、ワイヤの長さを制御することにより、回転軸36を介して、ロッド姿勢を制御できる。
次に図13を参照して、本願発明に係る長尺アームの適用について説明する。本願発明の長尺アームは上述で説明する構成を備えることにより、過酷条件下での遠隔操作に好適である。具体的には、図13にて簡易的に記載するコンビナートのタンク内で起こった事故等において、人が容易に近づくことができず、また精密な機器を操作することも不可能な環境下での物理的なアーム操作を可能とするものである。このことは本願発明に長尺アームが、テレスコピック状のロッドと、ロッドの摺動性および運動性を叶えるためのワイヤおよび支柱からなり、当該アームが前記過酷条件下にさらされるのみで、電気系システムを必要とする空圧発生手段および張力発生手段は過酷環境下から離れたところに設置することができることによる。
また、本願発明に係る長尺アームは、例えば、中空の素材の選択とワイヤで張力を保つことから、軽量性を実現できる。
また本願発明において、ワイヤ張力とロッドの重量とでバランスをとることも可能であることから、挿入箇所や内部障害物に接触しないように直径や長さを適宜設計することが可能となる。
本願発明では、アームに捻れ等の不具合が発生した場合、各ワイヤを個別に調整(特に左右のバランス)することで補正することができ、アームの姿勢を維持できる。
10,11,12,13 第1ワイヤ
20,22,23 第2ワイヤ
30,31,32,33 ロッド
36 回転軸
37 空圧伝達部
40,42,43 支柱
46,47 プーリ
50 張力発生手段
60 空圧発生手段
70 巻取速度調整手段
80,81,82,83 第3ワイヤ

Claims (9)

  1. 重力場で片持ち梁状に支持される長尺アームであって、
    長尺アーム本体を形成するロッドと、
    前記ロッドのより立設された複数の支柱と、
    アーム先端よりN−1番目の前記支柱の根元と、N番目の前記支柱の頂部を経て、アーム末端との間に張られている第1ワイヤと、
    アーム先端よりN−1番目の前記支柱の頂部と、N番目の前記支柱の頂部を経て、アーム末端との間に張られている第2ワイヤと、
    アーム末端において前記第1ワイヤおよび第2ワイヤに張力を生成する張力発生手段と、
    を備えることを特徴とする長尺アーム。
  2. 前記ロッドは、アーム末端から先端に向かって断面積が減少している
    ことを特徴とする請求項1記載の長尺アーム。
  3. 前記ロッドは、アーム末端から先端に向かって多段状に断面積が減少しており、
    前記複数の支柱は、各段に対応して、設けられている
    ことを特徴とする請求項1または2記載の長尺アーム。
  4. 前記ロッドは、気密性を有し、内部に供給される流体の圧力が作用している
    ことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の長尺アーム。
  5. 前記ロッドは、アーム末端から先端に向かって縮径する多段テレスコピック状に形成されており、
    前記多段テレスコピック状のロッドは、前記圧力により伸展可能であり、
    前記複数の支柱は、各段に対応して、設けられている
    ことを特徴とする請求項4いずれか記載の長尺アーム。
  6. 前記張力発生手段は、前記ロッドの伸展に応じて、前記第1ワイヤおよび第2ワイヤの張力を調整可能である
    ことを特徴とする請求項5記載の長尺アーム。
  7. 前記張力発生手段は、前記ロッドの伸展に応じて、前記第1ワイヤおよび第2ワイヤの長さを調整可能である
    ことを特徴とする請求項5記載の長尺アーム。
  8. 前記多段テレスコピック状のロッドと、アーム末端との間に張られ、巻出し巻取速度調整可能な第3ワイヤと、
    を備えることを特徴とする請求項5記載の長尺アーム。
  9. 前記第3ワイヤは、各段に対応して、設けられている
    ことを特徴とする請求項8記載の長尺アーム。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3534867A (en) * 1968-07-25 1970-10-20 Harnischfeger Corp Compensating boom hoist cable system for a telescopic boom for cranes or the like
JPS58173683U (ja) * 1982-05-14 1983-11-19 株式会社竹中工務店 耐風クレ−ンに於ける吊荷機構
JPH02209394A (ja) * 1989-02-09 1990-08-20 Hikoma Seisakusho Kk 多段ブーム支持機構
JPH08106811A (ja) * 1994-08-05 1996-04-23 Will Burt Co 流体式伸縮マスト
US20040129663A1 (en) * 2002-12-10 2004-07-08 Liebherr-Werk Ehingen Gmbh Telescopic boom

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US722552A (en) * 1902-11-14 1903-03-10 Emil Anderson Fire-escape.
US3638806A (en) * 1969-08-01 1972-02-01 Bliss & Laughlin Ind Portable crane with extendable boom
US4183440A (en) * 1977-03-31 1980-01-15 Auto Crane Company Extensible boom
CA1209172A (en) * 1981-10-23 1986-08-05 Peter E. Chance Robotic manipulator arm
JPH0796439B2 (ja) * 1989-02-09 1995-10-18 株式会社彦間製作所 多段ブーム支持機構
US4982853A (en) * 1989-02-09 1991-01-08 Hikoma Seisakusho Co., Ltd. Reinforcement mechanism for multi-stage telescopic boom
US5813552A (en) * 1993-12-08 1998-09-29 Ec Engineering + Consulting Spezialmaschinen Gmbh Telescopic boom with multistage hydraulic cylinder
WO2009088543A1 (en) * 2007-10-09 2009-07-16 Nited States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Robotic-movement payload lifter and manipulator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3534867A (en) * 1968-07-25 1970-10-20 Harnischfeger Corp Compensating boom hoist cable system for a telescopic boom for cranes or the like
JPS58173683U (ja) * 1982-05-14 1983-11-19 株式会社竹中工務店 耐風クレ−ンに於ける吊荷機構
JPH02209394A (ja) * 1989-02-09 1990-08-20 Hikoma Seisakusho Kk 多段ブーム支持機構
JPH08106811A (ja) * 1994-08-05 1996-04-23 Will Burt Co 流体式伸縮マスト
US20040129663A1 (en) * 2002-12-10 2004-07-08 Liebherr-Werk Ehingen Gmbh Telescopic boom

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