JPS63221991A - バランス用バネ装置 - 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、回転リンクにかかる重量の影響をすべての位
置にわたって打ち消すことのできるバランス用バネ装置
に関する。

［従来の技術］ 例えば、産業用ロボットにおいては、ロボットアームを
構成しモータによって回転する回転リンクには、バネを
用いて重力のバランスをとることによりモータに与える
重力のトルクを減じるようにしたものがある。

従来のこの種バランス用バネ装置の一例を第７図に示す
（昭和５９年度精機学会秋季大会学術講演会論文集「ダ
イレクトドライブマニピュレータの特性解析」第７０３
頁〜第７０４頁参照）。図において、（１）は回転リン
ク、（２）は例えばモータのロータが連結された回転リ
ンク（１）の回転中心、（３）は回転リンク（１）のバ
ランス用バネ、（４）はバランス用バネ（３）の一端を
固定する固定部、（５）は回転リンク（１）の下端部中
央にバネ（３）の他端を取付ける取付部、（６）は回転
リンク（１）に加わる負荷である。βはリンク（１）の
回転中心（２）と固定部（４）の間の距離、にはリンク
の回転中心（２）と取付部（５）の間の距離、Ｓはバラ
ンス用バネ（３）の全長、ｓｏはバランス用バネ（３）
の自由長、Ｘはリンク回転中心（２）から回転リンク（
１）の負荷（６）までの距離である。またθは回転リン
ク（１）の回転角度、ｋはバランス用バネ（３）のバネ
定数、ｍは回転リンク（１）の負荷（６）の重量である
。なお固定部（４）はリンクの回転中心（２）の鉛直下
方にあり、またバランス用バネ（３）の出す力は、バネ
の伸び（ｓ−ｓｏ）に比例する。

上記のように構成した従来のバランス用バネ装置は、例
えば回転リンク（１）が実線の位置に停止するときは、
回転リンク（１〉の負荷（６）への重力の影響によって
回転中心（２）まわりにはトルクが発生し、一方バラン
ス用バネ（３）が縮もうとする力で、リンク回転中心（
２）のまわりには上述の重力の影響によるトルクとは逆
向きのトルクが発生する。このため逆向きのトルクは回
転リンク（１）への重力の影響を軽減する働きをする。

なおバネの固定部（４）は、リンクの回転中心（２）の
鉛直下方にあるため、回転リンク（１）への重力の影響
は、回転リンク（１）がどの位置（例えば破線の位置）
にあっても、バランス用バネ（３）により軽減される。

［発明が解決しようとする問題点コ 上記のように構成した従来のバランス用バネ装置は、バ
ネの固定部（４）からバネの取付部（５）までの距離Ｓ
と、発生するカとが比例しないバネを用いて構成されて
いるので、回転リンク（１）にがかる重力の影響は、あ
る特定の位置ではバランスがとれてもすべての位置にわ
たって打ち消すことができないため、回転リンク（１）
の位置によってモータのトルクが相違し、結果として大
きな出力のモータを使用しなければならないという問題
があった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされた
もので、回転リンクにかかる重力の影響をすべての位置
にわたって打ち消すことができるバランス用バネ装置を
得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達成するためになされたもので、
バランス用バネにバネ全長Ｓと発生する力とが比例する
バネまたはそれと同等の働きをするバネを使用するとと
もに、バランス用バネのバネ定数ｋ　をｍ　ｘ　／　ｒ
　Ｂとしたバランス用バネ装置を提供するものである。

［作用］ 本発明におけるバランス用バネは、ｋ　−５すなわちｍ
　ｘ　ｓ　／　ｒΩの力を発生するので、これにより生
ずるリンク回転中心まわりのトルクＴは、となる。一方
回転リンクの負荷の重量ｍによるリンクの回転中心まわ
りのトルクは、バランス用バネによるトルクと逆向きに
ｍｘｓｉｎθであるので、バランス用バネ装置は回転リ
ンクにかかる重力の＝　　　　７　　　− 影響をすべての位置で打ち消すことができる。

［発明の実施例コ 第１図は本発明の実施例を示す正面図である。

なお、第７図と同−又は相当部分には同じ符号を付し、
説明を省略する。（３ａ）はバネの全長Ｓと発生する力
とが比例するバランス用バネ、ｋ　はバランス用バネ（
３ａ）のバネ定数で、ｋ　　−ｍｘ／ｒｆＩの関係にあ
る。

上記のように構成した本発明の詳細な説明すれば次の通
りである。いま回転リンク（１）が実線の位置に停止す
るときは、回転リンク（１）の負荷（６）（重量　ｍ　
）への重力の影響によって回転リンク（１）の回転中心
（２）のまわりにトルクｍｘｓｉｎθが発生する。一方
、バランス用バネ（３ａ）が収縮しようとする力で、回
転中心（２）まわりには上述の重力の影響によるトルク
とは逆向きのトルクが発生する。すなわち、本発明にお
いてはバランス用バネ（３ａ）としてバネの発生する力
とバネの全長Ｓとが比例するものを使用しており、その
バネ定数１（をｍ　ｘ　／　ｒΩとしているため、バラ
ンス用バネ（３ａ）のバネ定数ｋ　は、ｍ　ｘ　ｓ　／
　ｒ　ｊｌｌの力を発生する。従って、これにより生ず
るリンクの回転中心（２）まわりのトルクＴは、 となる。従って、本発明に係るバランス用バネ装置は、
回転リンク（１）にかかる重力の影響をすべての位置で
打ち消すことができる。なおバネの固定部（４）は、リ
ンクの回転中心（２）の鉛直線上にあるため、回転リン
ク（１）への重力の影響は、回転リンク（１）がどの位
置（例えば破線の位置）にあっても、バランス用バネ（
３ａ）により打ち消される。

第２図は本発明の他の実施例を示す正面図である。（３
ｂ）はバランス用バネ、（７）はワイヤ用のガイド、（
８）はバランス用バネ（３ｂ）を取付けるためのワイヤ
、（９）はワイヤ（８）の方向が変化する点、（４ｂ）
はバランス用バネ（３ｂ）の固定部、（５）はワイヤ（
８）の回転リンク（１）への取付部、Ｓ　はワイヤ（８
）の回転リンク（１）への取付部（５）からワイ−と　
　　− 型方向変化点（９）までの距離である。バランス用バネ
（３ｂ）のバネ定数ｋ　は、回転リンク（１）が水平な
ときの回転リンク（１）の回転中心（２）まわりの重力
によるトルクをＴ　ＩｎａＸとすると、Ｔｍａｘ　／ｒ
Ｉ！　　である。またバランス用バネ（３ｂ）により　
　　　ｖ 発生する力はＴｍａｘ−８／ｒ　Ω　となるようＷ　　
　　　　ｖ　　　　ｖ に構成しである。

上記のように構成した本発明のバランス用バネ装置によ
れば、ワイヤ（８）のリンク（１）への取付部（５）と
、ワイヤ方向変化点（９）との間にあるワイヤ（８）は
、第１図に示したバランス用バネ（３ａ）と同様の作用
をすることになる。この場合、本実施例によれば、第１
図に示した実施例に比べて、バランス用バネ（３ｂ）の
寸法を設計するに際して自由度が大きく、またバランス
用バネ（３ｂ）を回転リンク（１）の下方以外の自由な
場所におくことも出来る。

第３図は本発明のさらに他の実施例を示す正面図である
。第２図ではガイド（７）を用いてワイヤ（８）の方向
を変える場合を示したが、本実施例ではガイド（７）の
かわりにプーリ（１０）を使用したものである。

第４図は本発明の別の実施例を示す正面図である。本実
施例においては、バランス用バネ（３ｂ）をワイヤ方向
変化点（９）の下方に取り付ける場合に、回転リンク（
１）がどの位置にあってもプーリからワイヤ（８）がは
ずれないようにしたもので、２つのプーリ（１０ａ）　
、　（１０ｂ）でワイヤ（８）をはさみ込むようにしで
ある。

第５図は本発明のさらに別の実施例を示す正面図である
。第２図に示した実施例においては、回転リンク（１）
の回転中心（２）に対して回転リンク（１）の負荷（６
）の存在する方向と逆側にワイヤ（８）のリンク（１）
への取付部（５）を設けているが、本実施例では回転リ
ンク（１）のリンク回転中心（２ａ）に対して、回転リ
ンク（１）の負荷（６）とワイヤ（８）のリンク（１）
への取付部（５）とを同じ側に設けたものである。しか
しながら本実施例では、ワイヤ方向変化点（９）か回転
リンク（１）の回転中心（２ａ）の鉛直上方に位置する
ようにガイド（７）を取り付けであるので、第１図に示
した実施例と同様の原理により第２図に示した実施例と
同様の作用を実現できる。

なお、以上の説明では、ワイヤの方向を変える手段とし
て、ガイドとプーリを使用する場合を示したが、ワイヤ
の方向を変え得る装置であれば他の装置であってもよい
。また、ガイドやプーリなどによりワイヤの方向を変え
る部材を複数個使用し、複数回ワイヤの方向を変えても
よく、この場合はバランス用バネの取付位置の自由度が
増すことになる。さらに実施例ではバランス用バネと回
転リンクを結ぶものとしてワイヤを用いる場合を示した
が、金属ベルトなどの他の伝達装置を用いもよい。

第６図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の他の実施例を示す
正面図及びその■−■断面図である。図において、（３
ｃ）はバランス用バネ、（１８）はバネ支持棒である。

（１９）はバネ支持棒の回転中心、（２０）はバネ支持
棒（１８〉に固定された回転軸、（２１）は軸受であり
、回転軸（２０）は軸受（２１）を介してバネ支持棒（
１８）の回転中心（１９）のまわりに回転できるように
なっている。（２２）はバネ支持棒（１８）に設けられ
たスライドガイド部、（２３）は回転リンク（１）に設
けられたスライド部で、回転リンク（１）が回転するに
従い、スライド部（２３）はスライドガイド部（２２）
に沿って滑動するようになっている。（２４）はスライ
ド部（２３）と同軸状に設けられたバネ（３Ｃ）の第１
の取付部、（２５）はバネ支持棒（１８）の一端に設け
られた第２の取付部である。すなわちバランス用バネ（
３Ｃ）の一端は第１の取付部（２４）に連結され、他端
はバネ支持棒（１８）の第２の取付部（２５）に連結さ
れている。なお、バネ（３Ｃ）の伸縮方向の軸は、バネ
支持棒（１８）の回転中心（１９）を通っている。

本実施例においては、バネ支持棒の回転中心（１９）が
第１図で示したバネ固定部（４）に相当し、またバラン
ス用バネ（３Ｃ）を長さＳｌと発生する力とが比例する
バネまたはそれと同等の働きをするバネで構成するとと
もに、そのバネ定数に、　をｍ−ｘ／ｒ　−ｇｌにした
ものであり、その他の構成は第１図に示した実施例と同
様である。

上記のように構成した本実施例においては、バランス用
バネ（３Ｃ）の伸縮方向の軸がバネ支持棒の回転中心（
１９）を通るが、このことは第１図で示したバランス用
バネ（３ａ）がバネの固定部（４）を通ることに対応す
るので、第１図に示した場合と同様のバネ力が生じ、こ
のため同様の作用が生じることになる。さらに本実施例
では、第１図に示した場合に比べてバネ設計の自由度が
とりやすくなるうえ、第３図の場合に比べてワイヤ方向
変化点が動かないため、より高精度にバランスをとるこ
とが出来る。なお、本実施例ではスライド機構よりなり
、バネ支持棒（１８）が回転リンク（１）の回転ととも
に回転するように構成されているが、同様に回転する機
構であれば他の構造であってもよい。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、距離
Ｓ（あるいはＳｌあるいはｓｗ）とバネの発生する力と
が比例するように構成され、そのバネ定数をｍ　ｘ　／
　ｒρ　（あるいはｍ　ｘ　／　ｒ　１ｌ１）としたの
で、回転リンクにかかる重力の影響をすベての位置で打
ち消すことができ、このため静止時に必要なトルクがな
くなるので、従来より小型のモータを使用できるという
顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図及び第５図はそれぞれ
本発明の別の実施例を示す正面図、第６図（ａ）　、　
（ｂ）は本発明のさらに別の実施例を示す正面図及びそ
のＩ−１断面図、第７図は従来のバランス用バネ装置の
一例を示す正面図である。 （１）・・・回転リンク、（２）・・・リンク回転中心
、（３ａ）　、（３ｂ）　、（３ｃ）−・・バランス用
バネ、（４）　−・・固定部、（５）・・・取付部、（
６）・・・回転リンクの負荷、（７）・・・ガイド、（
８）・・・ワイヤ、（９）・・・ワイヤ方向変化点、（
ｌＯ）・・・プーリ、（１８）・・・バネ支持棒、（１
９）・・・バネ支持棒の回転中心、（２０）・・・回転
軸、（２１）・・・軸受、（２２）・・・スライドガイ
ド部、（２３）・・・スライド部、（２４）・・・第１
の取付部、（２５）・・・第２の取付部。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示すものと
する。 第３図 １０．ｌｏａ、ｆｏｂ：　７’−リ 第４図 第５図 第６ （Ｇ） 図 （ｂ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転可能に配設された回転リンクと、一端がこの
   回転リンクに取付けられ他端が回転リンクの回転中心の
   鉛直線上に固定されたバランス用バネとを有し、 上記バランス用バネのバネ定数をＴｍａｘ／ｒｌ（但し
   、Ｔｍａｘは重力の影響によって回転リンクの回転中心
   まわりに生じる最大トルク、には回転リンクのバランス
   用バネの取付部から回転中心までの距離、ｌは回転リン
   クの回転中心からバランス用バネの固定部までの距離）
   に設定すると共に、このバランス用バネを回転リンクへ
   の取付部から固定部までの距離とバランス用バネの発生
   する力とが比例するように構成したことを特徴とするバ
   ランス用バネ装置。
2. （２）回転可能に配設された回転リンクと、一端が伝達
   部材を介して回転リンクに取付けられ他端が固定された
   バランス用バネと、前記伝達部材を支持し該伝達部材と
   の接触部が上記回転リンクの回転中心の鉛直線上に配置
   された支持部材とを有し、上記バランス用バネのバネ定
   数をＴｍａｘ／ｒ＿ｗｌ＿ｗ（但し、Ｔｍａｘは重力の
   影響によって回転リンクの回転中心まわりに生じる最大
   トルク、ｒ＿ｗは回転リンクの伝達部材の取付部から回
   転中心までの距離、ｌ＿ｗは回転リンクの回転中心から
   伝達部材と支持部材との接触部までの距離）に設定する
   と共に、このバランス用バネを上記伝達部材の回転リン
   クへの取付部から伝達部材と上記支持部材との接触部ま
   での距離と、上記バランス用バネの発生する力とが比例
   するように構成したことを特徴とするバランス用バネ装
   置。
3. （３）支持部材としてガイドを用いたことを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載のバランス用バネ装置。
4. （４）支持部材としてプーリを用いたことを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載のバランス用バネ装置。
5. （５）回転可能に配設された回転リンクと、この回転リ
   ンクの一端と摺動機構を介して摺動可能に連結されかつ
   その回転中心が上記回転リンクの回転中心の鉛直線上に
   配置されたバネ支持棒と、一端がこのバネ支持棒の一端
   に固定され他端が上記回転リンクのバネ支持棒との連結
   部に取付けられたバランス用バネとを有し、 上記バランス用バネのバネ定数をＴｍａｘ／ｒ＿１ｌ＿
   １（但し、Ｔｍａｘは重力の影響によって回転リンクの
   回転中心まわりに生じる最大トルク、ｒ＿１は回転リン
   クのバネ支持棒との連結部から回転中心までの距離、ｌ
   ＿１は回転リンクの回転中心からバネ支持棒の回転中心
   までの距離）に設定すると共に、該バランス用バネを回
   転リンクのバネ支持棒との連結部からバネ支持棒の回転
   中心までの距離と、このバランス用バネの発生する力と
   が比例するように構成したことを特徴とするバランス用
   バネ装置。
6. （６）前記摺動機構は、バネ支持棒の一端が溝状に切除
   されてガイド部が形成され、このガイド部に回転リンク
   に設けた連結部を嵌入してなる特許請求の範囲第５項記
   載のバランス用バネ装置。