JPH0419092A - 重力バランス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロボットなどにおいて、重力負荷の加わる揺
動する腕の重力バランスをとってアクチュエータに加わ
る負荷を低減するのに好適に利用することができる装置
に関する。

従来は、揺動する腕と台座の間に重力が作用したときに
引っ張りとなるように引っ張りばねを設けて、腕に加わ
る重力を負担させる構造として、特開昭６０−９９５８
９号公報などに開始されている方式があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の引っ張りばねによる方式では、ばねののびに比例
して力が発生し、腕の揺動角度によって揺動軸に加わる
重力トルクが大きく変化するということがあった。また
、引っ張りばねのフックの部分が長くなり、バランス機
構が大きくなったり、また、引っ張りばねのフックの部
分に応力集中が発生するためにばね本体部分で負担でき
る荷重よりも少ない荷重しか支えることができずにばね
が大型化するということがあった。また開示されている
従来技術では特定のリンク機構を用いなければならない
制限があった。

本発明の目的はこれらの問題点を解決し、揺動軸に加わ
る重力トルクを腕の揺動角度によらず０または概略Ｏと
する重力バランス装置を提供し。

かつ装置を容易に設計できる方式を提供することにある
。

〔課題を解決する手段〕

上記目的を達成するために、本発明は揺動する腕の重力
バランスをとる装置であって、腕の揺動軸の重力負荷が
加わる方向に離れた位置に設けた支持部に負荷を支える
軸の一端を連結し、該軸の他端に圧縮ばねの一端に荷重
を伝える部材を設け、揺動する腕の重力負荷を受ける前
記の圧縮ばねを前記軸が貫くように設け、さらに前記ば
ねの他端を支える部材を揺動軸を支持する部分に揺動可
能に設け、前記揺動する腕の支持部分と腕の回転中心と
の距離および、ばね他端を支える部材の腕の回転中心に
対する位置および、腕の重力負荷を支える圧縮ばねのば
ね定数を、揺動する腕の回転中心に加わる重力トルクを
Ｏに相殺または概略Ｏに相殺するように選択した装置で
ある。

また、前項において、前記揺動する腕の支持部分と腕の
回転中心との距離および、ばねの揺動可能に支持した一
端を支える部材の腕の回転中心に対する位置および、腕
の重力負荷を支える圧縮ばねのばね定数を、揺動する腕
の回転中心に加わる重力トルクをＯに相殺または概略Ｏ
に相殺するように選択することを、次式により算出する
設計方法である。

Ｔ＝（１＋　　）１・ｒ−ｃｏｓ（α＋θ）ただし、　
ｘ＝ｖ’（１’＋ｒ２＋２１　ｒｓｉｎ（α＋θ）｝、
圧縮ばねの前記軸方向の原位置における力をＦＯ１揺動
軸と圧縮ばねに連なる軸の距離を１．ばねの揺動支持す
る一端を支える部材の腕の回転中心の揺動軸に対する位
置をＰＸ＋　ｐｙ、　ｒ＝√｛ｐｘ２＋ｐｙ”｝、圧縮
ばねのばね定数をｋ、揺動腕をバランスするだめのトル
クをＴとする。

また、前記の圧縮ばねに、空気ばねを用いた、前項記載
の重力バランス装置である。

また、前記の重力バランス装置において、揺動腕の揺動
に対して動作するダンパを設けた前項記載の重力バラン
ス装置である。

また、前項の重力バランス装置及び、前項の設計方法に
よる重力バランス装置を用いて、重力負荷の加わる腕の
重力バランスをとり、前記腕を恥動するアクチュエータ
に加わる負荷を低減したロボットである。

〔作用〕 腕の揺動軸の重力負荷が加わる方向に離れた位置に設け
た支持部に負荷を支える軸の一端を連結し、該軸の他端
に、ばねの一端に荷重を伝える部材を設け、揺動する腕
の重力負荷を受ける前記圧縮ばねを前記軸が貫くように
設け、さらに前記ばねの他端を支える部材を揺動軸を支
持する部分に揺動可能に設ける。ここで前記揺動する腕
の支持部分と腕の回転中心との距離および、ばねの揺動
可能に支持した一端を支える部材の腕の回転中心に対す
る位置および、腕の重力負荷を支える圧縮ばねのばね定
数を、揺動する腕の回転中心に加わる重力トルクをＯに
相殺または概略０に相殺するように選択することを、次
式により算出する。

Ｔ＝　（１＋　−）　・１　・ｒ　−ｅｏｓ　（ａ＋θ
）ただし、Ｘ＝８／″（１２＋ｒ２＋　２１　ｒ　５ｉ
ｎ（α＋θ）｝、圧縮ばねの前記軸方向の原位置におけ
る力をＦＯ１揺動軸と圧縮ばねに連なる軸の距離を１、
ばねの揺動支持する一端を支える部材の腕の回転中心の
揺動軸に対する位置をＰＸＩ　ｐｙ、　ｒ＝ｖ’（ｐｘ
”＋ｐｙ”｝、圧縮ばねのばね定数をｋ、揺動腕をバラ
ンスするためのトルクをＴとする。上記式により各定数
を決定し、腕の重力負荷をバランスする装置を設計する
。

上述した装置によると腕の重力負荷が加わると、腕に連
結さ九た軸を介してばねに腕に加わる重力による力が伝
達され、ばねを変形させようとする。

この力はばねの弾性により支えられる。ばねの弾性力は
ばねの変位量に比例し、また前記軸と腕との成す角度も
変化するため、腕の揺動角度により重力を相殺する力が
変化するが、前記のばねの一端を揺動可能に支持する支
持位置を、腕の揺動軸に対する位置及び、ばね定数を選
択することにより重力を相殺する力を最適にすることが
できる。

これにより、揺動軸まわりに加わる揺動腕による重力ト
ルクに応じてこれを相殺するように圧縮ばねによるトル
クが働き、揺動軸まわりに加わるトルクを概略Ｏとして
、容易に揺動腕を動かすことができるようになる。

また、前述の装置をロボットの重力負荷の加わる腕に用
いて、腕の重力バランスをとることで、重力負荷の加わ
るロボットの腕を訃動するアクチュエータに加わる負荷
を低減することができる。

また、前記の圧縮ばねに空気ばねを用いても、同様の作
用を行うことができる。

また、前述の重力バランス装置１こおいて、圧縮ばねに
並列にダンパを設ける場合には、前述と同様の作用の他
に、揺動腕の振動を抑制する。

〔実施例〕

以下、図を用いて本発明を説明する。第１図に本発明の
一実施例を示す９揺動腕１は揺動軸２のまわりを揺動し
、揺動腕の先には負荷１ａが取付けられている。揺動腕
１の負荷１ａの反対側にはバランス腕１ｂが一体として
設けられており、バランス腕１ｂの揺動軸２から距１ｉ
１だけ離れた位置に回転自由なピン３を設け、該ピン３
に棒４を取り付け、揺動腕１が揺動すると棒４が引っ張
られる構造となっている。棒４の下端には、下ばね受け
４ａを設けて圧縮ばね５を受ける構造となっている。圧
縮ばね５の上端は上ばね受け６によって支えられており
、該上ばね受け６は回転軸７のまわりに回転自在に止め
られている。回転軸７は揺動軸２とともに構造体８に取
り付けられている。

以上の構成により、揺動腕１が揺動すると圧縮ばね５が
伸縮し、これによって揺動腕１の負荷１ａによる重力ト
ルクを圧縮ばね５によって負担できる。ここで、圧縮ば
ね５により揺動軸をバランスするための捧４方向の圧縮
ばねの力をＦ、揺動軸２の揺動角をθ（但し、揺動軸２
に最大重力負荷が加わる位置をθ＝Ｏとする。｝、揺動
軸２とピン３と回転軸７が作る角度をψ、揺動軸２とピ
ン３の距離を１、ピン３と回転軸７の距離をＸ、回転軸
７の揺動軸２に対する位置をＰＸＩ　Ｐ：Ｙ、圧縮ばね
５のばね定数をｋとおく。すると、揺動腕１をバランス
するためのトルクＴは次式で表される。

Ｔ＝１　　・　Ｆ−ｓｉｎψ　　　　　　　　　　　　
　−（＋）ここで、 ｔａ口α　＝ｐｘ／ｐｙ ｒ　＝Ｖ’　（ｐ　ｘ２＋　ｐ　ｙ２）　　　　　　　
　　　　（２）とおくと、余弦定理から、 ｘ’＝ｒ２＋１２＋２・１・ｒ’ｃｏｓ（π／２−α−
θ）整理して ｘ２＝ｐｘ２＋ｐｙ２＋１”＋２１・ｒ−ｓｉｎ（ｃｚ
十〇）・・（３） 圧縮ばね５の力ＦはＸに比例するから、Ｆ＝ｋ　（ｘ＋
ｘ、）　　　　　　　　　　　−４４）ここで、Ｘｏは
、ばねのセツティングにより決まる定数である。

また、正弦定理から、 ｒ　°ｃｏｓ　（ａ＋　８）　　　　　　・・・（５｝
、°、ｓｉｎψ＝　　　８ （４｝、　（５）式から、（１）式に代入して。

Ｔ＝１・Ｆ−ｓｉｎψ ＝　（１＋）　・１　・ｒ−ｃｏｓ（ｃｔ十〇）　・＝
（６）ここで。

ｘ＝ｖ’（１”＋ｒ２＋２１　ｒｓｉｎ（ｃｔ十〇））
　　−（７）である。

ところで、揺動腕１の重力負荷による揺動軸２のまわり
の重力トルクＴ１゜、、は、負荷１ａの重力をＷ、負荷
までの揺動腕の長さをＬとすると次式となる。

Ｔ１゜、、　＝　Ｗ−ｃｏｓθ・Ｌ　　　　　　　　・
・・（８）Ｔ　ｌ　＊　ｓ　ｄをＴでバランスさせるか
ら、揺動軸２のまわりの重力によるトルクＴ、１□は。

Ｔ　＊　１１：Ｔ　Ｉ　６１　ａ　　Ｔ　　　　　　　
　　　　・・・（９）（９）式は、１、ｋ、ＰＸ、　Ｐ
ｙおよびＸ、の関数であるから、これを適当に選択する
ことにより、Ｔ、ｌ□を概略Ｏにしてバランスさせるこ
とができる。

次に、本実施例の重力バランス装置の一例の諸元を表１
に示す。

表　　１ ばね定数　　　　　　ｋ＝１１７２Ｎ／ｍ腕先端荷重　
　　　　Ｗ−Ｌ＝２７Ｎｍバランス腕の長さ　　１＝７
０＋＋＋＋ｍバランス装置の　　　ｐｘ＝３２ｍ＋＋＋
揺動軸の位置　　　　ｐｙ＝１．１０ｍｍ但し、揺動腕
が水平時（最大重力トルク時）にバランス腕が水平とな
る。

表１にある諸元を用いた場合の、重力バランスの結果を
第２図に示す。負荷トルクＴａ１１が１／１０以下に低
減されていることが判る。この場合はさらに負荷トルク
Ｔ、ＩＩを低減することができるが、まわりの構造物の
関係から各寸法諸元を定めてい机 以下説明したように、適当に各定数を定めることにより
、揺動軸２まわりの揺動腕１のトルクを、揺動腕１の揺
動範囲内で概略０にすることができる。

また、圧縮ばねを用いているために、応力の集中するフ
ック部分がなく、ばねを荷重に耐えられる限界まで小さ
く設計することができ、さらに、フック部分がないため
にばねの全長を短く抑えることができ、装置全体をコン
パクトにまとめることができる。

第３図に本発明の第２の実施例を示す。

揺動腕１は揺動軸２のまわりを揺動し、揺動腕の先には
負荷１ａが取付けられている。揺動腕１の負荷１ａの側
に揺動軸２から距離１だけ離れた位置に回転自由なピン
３を設け、該ピン３に棒９を取り付け、揺動腕１が揺動
すると棒９が押し下げられる構造となっている。捧９の
中間部には、上ばね受け９ａを設けて圧縮ばね５を受け
る構造となっている。圧縮ばね５の下端は下ばね受け１
０によって支えられており、該下ばね受け１０は回転軸
１１のまわりに回転自在に止められている。

棒９は下ばね受け１０に形成された穴１０ａに挿入され
ており、揺動腕１の動きによって棒９が下ばね受け１０
の穴１０ａに出入りできる。回転軸１１は揺動軸２とと
もに構造体８に取り付けられている。以上の構成により
、前記実施例と同様に揺動腕１が揺動すると圧縮ばね５
が伸縮し、これによって揺動腕１の負荷１ａによる重力
トルクを圧縮ばね５によって負担できる。この場合も前
述した式と同様の式で重力トルクを相殺する位置関係を
求めることができる。

また、前述のように、式（９）でバランストルクを計算
できるために、目的とする装置に合わせて最適な寸法諸
元を容易に得ることができる。

さらに２以上説明した重力バランス装置を腕機構に用い
たロボット１２の概略構造を第４図に示す。本発明によ
る重力バランス装置をロボット１２の腕１に用いた場合
には、腕１を動かすアクチュエータ１３に重力による影
響がほとんど無くなるために、アクチュエータ１３の出
力を小さくできロボット１２を軽量化できる。またアク
チュエータ１３の出力を重力負荷のバランスに取られる
ことがないために、加速性能がよくなり、ロボットの性
能が向上する利点がある。

また、前記の圧縮ばね５に空気ばねを用いた場合には、
ばね定数にの選択の範囲が大きく、必要とされる性能を
有する重力バランス装置の設計が容易となる。

また、揺動腕の揺動に対して動作するダンパを設けた場
合についての実施例を第５図に示す。前記の圧縮ばね５
に並列にダンパ１４を設ける場合を示す。こｔは第１図
に示す重力バランス装置の上ばね受け６と下ばね受け４
ａのあいだにダンパ１４を設けた構造である。本構成に
よると、ダンパ１４によって揺動腕１の動きを緩衝し、
重力バランスをとったことにより、揺動腕１が僅かなト
ルクにより急激な動きをする危険や、揺動腕１の振動を
抑制することができる。もちろん、揺動軸２まわりの揺
動腕１の揺動に対して作用すればよいから、揺動軸にロ
ータリダンパなどを用いることもできる。

本発明は、ここに述べた実施例に限定されるものではな
く、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形し
て実施できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば上下に揺動する腕
の重力負荷をＯあるいは概略Ｏにバランスさせることが
可能であるために、腕機構を揺動させるトルクを低減で
きる。

また、数式でバランストルクを容易に計算できるために
、目的とする装置に合わせて最適な寸法諸元を簡単に得
ることができる。

また、釣り合い重りを設ける方法と異なり、揺動する軸
回りの慣性モーメントが大きくならないために腕の揺動
の応答性を良くすることができる。また、このバランス
装置をロボットの腕に用いた場合には、腕を動かすアク
チュエータに重力による影響を減少できるために、アク
チュエータの出力を／ＪＸさくでき、ロボットを軽量化
できる。

またアクチュエータの出力を重力負荷のバランスに取ら
れることがないために、加速性能がよくなり、ロボット
の性能が向上する効果がある。

また、前記の圧縮ばねに空気ばねを用いた場合には、ば
ね定数におよび初期設定による力ｋｘ。

の選択の範囲が大きく、必要とされる性能を有する重力
バランス装置の設計が容易となる。

また、揺動腕の揺動に対して動作するダンパを設けた場
合には、揺動腕が僅かなトルクにより急激な動きをする
危険や、揺動腕１の振動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す側面図５第２図は、
揺動腕の揺動角度と重力負荷および。 重力負荷のバランス量を示す線図、 第３図は、本発明の第２の実施例を示す側面図、第４図
は、本発明の重力バランス装置を用いたロボットの側面
図、 第５図は、本発明の第３の実施例を示す側面図である。 １・・揺動腕、１ａ・・・負荷、１ｂ・・・バランス軸
、２６．、揺動軸、３・・・ピン、４・・棒、４ａ・・
・下ばね受け、５・・・圧縮ばね、６・・・上ばね受け
、７・・・回転軸。 ８・・・構造体、９・・・棒、９ａ・・・上ばね受け、
１０・下ばね受け、１０ａ・・・穴、１１・・・回転軸
、１２・・ロボット、１３　アクチュエータ、１４−・
−ダンパ。 第 目（０，） ノｂ 第 〕 呂 ／θ ／ｌ 第 凹 腿Ｊ罹′＃Ｊ角度 晃 口 り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、揺動する腕の重力バランスをとる装置であって、前
   記腕の揺動軸の重力負荷が加わる方向に離れた位置に設
   けた支持部に負荷を支える軸の一端を連結し、前記軸の
   他端に圧縮ばねの一端に荷重を伝える部材を設け、前記
   腕の重力負荷を受ける前記の圧縮ばねを前記軸が貫くよ
   うに設け、さらに前記圧縮ばねの他端を支える部材を前
   記揺動軸を支持する部分に揺動可能に設け、前記腕の支
   持部分と前記腕の回転中心との距離および、前記圧縮ば
   ねの他端を支える部材の腕の回転中心に対する位置、お
   よび、前記腕の重力負荷を支える前記圧縮ばねのばね定
   数を、前記腕の回転中心に加わる重力トルクを０に相殺
   または概略０に相殺するように選択したことを特徴とす
   る重力バランス装置。 ２、請求項１において、前記腕の支持部分と前記腕の回
   転中心との距離および、前記圧縮ばねの揺動可能に支持
   した一端を支える部材の腕の回転中心に対する位置およ
   び、前記腕の重力負荷を支える前記圧縮ばねのばね定数
   を、前記腕の回転中心に加わる重力トルクを０に相殺ま
   たは概略０に相殺するように選択することを、次式によ
   り算出する重力バランス装置の設計方法。 Ｔ＝（１＋Ｘ＿０／Ｘ）・１・ｒ・ｃｏｓ（α＋θ）た
   だし、ｘ＝√｛１＾２＋ｒ＾２＋２１ｒｓｉｎ（α＋θ
   ）｝、前記圧縮ばねの前記軸方向の原位置における力を
   Ｆ＿０、前記揺動軸と前記圧縮ばねに連なる前記軸の距
   離を１、前記圧縮ばねの揺動支持する一端を支える部材
   の前記腕の回転中心の前記揺動軸に対する位置をｐｘ、
   ｐｙ、ｒ＝√（ｐｘ＾２＋ｐｙ＾２）、前記圧縮ばねの
   ばね定数をｋ、前記揺動腕をバランスするためのトルク
   をＴとする。 ３、前記圧縮ばねに、空気ばねを用いたことを特徴とす
   る請求項１あるいは２記載の重力バランス装置。 ４、請求項１あるいは２記載の重力バランス装置の、前
   記揺動腕の揺動に対して動作するダンパを設けたことを
   特徴とする重力バランス装置。