JPWO2011007793A1 - 荷重補償装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】作動アームの荷重補償が可能であり、安全性と耐久性に優れた荷重補償装置を提供する。【解決手段】支持体１０２に作動アーム１０４が第１枢着部１０３で支持され、第１枢着部１０３の上方に第２枢着部１０７で作動シリンダ１０５が支持され、作動シリンダ１０５のピストンロッド１０８が作動アーム１０４のの第３枢着部１０９に連結されている。補償シリンダ１１０のピストンロッド１１２が可動枠１１３に連結され、可動枠１１３を押し上げる圧縮コイルばね１１４によって補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａを上向に付勢している。作動シリンダ１０５と補償シリンダ１１０は管路１１５内で連結され、作動アーム１０４を回動させると作動シリンダ１０５のピストンの変位は補償シリンダ１１０のピストンを付勢し、作動アーム４の負荷Ｗの負荷トルクに釣り合うトルクが発生し、作動アーム１０４の角度に関係なく釣り合い状態が維持される。【選択図】図１

Description

本発明は、作動アームを備えたロボットやマニピュレータ、作業機器等の、作動アーム全体に作用する重力とバランスさせるための荷重補償装置に関する。
従来、垂直面内で回動する作動アームを備えたロボット等の荷重補償装置としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、ワイヤとこれに連結されたコイルばねを用いて作動アームの傾斜角度に拘わらず作動アーム及びこれに保持されるワーク等に作用する重力と、ばね力が釣り合うようにして荷重補償を行う装置が提案されている。
図１６は、このような従来の荷重補償装置の概略構造を示すもので、同図において、荷重補償装置Ａ１は、水平な床面に設置された支持体Ａ２に、作動アームＡ３がＯ点で水平軸回りに回動自在に支持されており、また、Ｏ点から鉛直上方に距離ｈ離れたａ点にワイヤＡ４の一方の端が連結されている。
前記ワイヤＡ４は、作動アームＡ３上のＯ点から距離ｐだけ離れたｂ点で前記ワイヤＡ４を上下から挟むように設けられた一対のガイドプーリＡ５、Ａ６を経由して屈曲されて、その他方の端が、引張コイルばねＡ７の一方の端部に連結されている。
前記引張コイルばねＡ７は、自然長（外力が作用しない状態での長さ）からａ点とｂ点の間のワイヤＡ４の長さＬSに等しい量だけ引き延ばされた状態で、その他端が作動アームＡ３上に連結されている。（なお、同図では、引張コイルばねＡ７は、説明の都合上、前記長さＬSに比べて実際より短縮して描いてある。）
ここで、作動アームＡ３は、図示していないワークを保持しており、このワークの重量と作動アームＡ３の自重とを合わせた総重量と等価な荷重Ｗが作用点Ｇに鉛直方向に作用しているものとする。
Ｏ−Ｇ間の距離をＬとすると、図１６に示すように、作動アームＡ３が水平方向Ｘから角度θ傾斜している姿勢において、荷重Ｗによって生じるＯ点回りの負荷トルクτWは下記のようになる。
τW＝ＷＬｃｏｓθ （ｅ１）
一方、自然長より長さＬSだけ引き延ばされている、引張コイルばねＡ７によりワイヤＡ４に作用する張力Ｔは、前記引張コイルばねＡ７のばね定数をｋとすると、Ｔ＝ｋＬSであるから、図１６から明らかなように、前記張力ＴによってＯ点回りに発生するばね力トルクτSは下記のようになる。
τS＝ｋＬSｈｓｉｎφ （ｅ２）
一方、
ＬSｓｉｎφ＝ｐｃｏｓθ （ｅ３）
であるから、前記（ｅ２）と（ｅ３）の式からφを消去すると、
τS＝ｋｐｈｃｏｓθ （ｅ４）
ここで、ばね力トルクτSは、負荷トルクτWと向きが反対であり、前記（ｅ１）式と（ｅ４）式の関係から、引張コイルばねＡ７のばね定数ｋを、ｋ＝ＷＬ／ｐｈとなるように選択すると、ばね力トルクτSは負荷トルクτWと、角度θに関係せずに釣り合って荷重補償が可能となる。
特許第４１４４０２１号公報 特開２００７−１１９２４９号公報
しかしながら、前述した荷重補償装置Ａ１においては、作動アームＡ３が上下に回動するごとに、作動アームＡ３を支えているワイヤＡ４が一対のガイドプーリＡ５、Ａ６間を通過して屈曲が長期に亘って繰り返されると疲労によって破断し、作動アームＡ３の落下事故を招く虞があった。
また、作動アームＡ３を支えているワイヤＡ４の直径を大きくしたり、これを屈曲案内するためのガイドプーリＡ５、Ａ６の直径を大きくすると、荷重補償を行うための前述したような装置各部の幾何学的関係が狂い、完全な補償が行えなくなるため、大きな荷重が作用する作動アームへの適用が難しかった。
そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解消し、大きな荷重が作用する作動アームの荷重補償が可能であるとともに、安全性と耐久性に優れた荷重補償装置を提供することを目的とする。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備えたものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備えたものである。
本発明の荷重補償装置は、 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、前記作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されるようにしたものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されるようにしたものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたスライダと、前記スライダに、第２枢着部を通過して軸方向にスライド自在に案内保持され、当該スライダから突出する一方の端部が前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されているとともに、前記スライダから突出する他方の端部にばね受部が設けられたガイドロッドと、前記ガイドロッド外周に伸縮自在に遊嵌され、全長が無負荷時の自然長から第２枢着部と第３枢着部間の距離に略等しい長さ分だけ圧縮された状態で、前記ばね受部と前記スライダ間に組み込まれて、前記作動アームに第１枢着部回りに加わる負荷トルクを補償する圧縮コイルばねとを備えたものである。
また、本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に支持されたスライダと、前記スライダに、第３枢着部を通過して軸方向にスライド自在に案内保持され、当該スライダから突出する一方の端部が第１枢着部から鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されているとともに、前記スライダから突出する他方の端部にばね受部が設けられたガイドロッドと、前記ガイドロッド外周に伸縮自在に遊嵌され、全長が無負荷時の自然長から第２枢着部と第３枢着部間の距離に略等しい長さ分だけ圧縮された状態で、前記ばね受部と前記スライダ間に組み込まれて、前記作動アームに第１枢着部回りに加わる負荷トルクを補償する圧縮コイルばねとを備えたものである。
本発明の荷重補償装置によれば、作動アームに作用する荷重を作動シリンダで受け、これを、作動シリンダと管路で連結された補償シリンダを介してばね部材に伝達する構造であるため、従来のワイヤと引張コイルばねを用いている荷重補償装置のように、ワイヤの摩耗や疲労による破断で作動アームの落下事故を起こす虞がなく、大きな荷重に対応できるとともに、高い安全性と耐久性が得られる。
作動シリンダと補償シリンダの間を管路で連結するので、補償シリンダとばね部材の設置場所の自由度が大きい。また、作動シリンダと補償シリンダの受圧面積比を変えることで、作動シリンダのピストンロッドに発生する引張力と伸縮変位間の見かけ上のばね定数を前記受圧面積比の２乗倍の範囲で選択できるため、荷重補償装置としての設計の自由度が大きく、広範囲な重量に対応することができる。
本発明の荷重補償装置は、作動シリンダとそのピストンロッドは、反対向きにして、ピストンロッド側を第２枢着部に、作動シリンダ側を第３枢着部に連結したレイアウトが可能であり、必要に応じて、これら双方の方式の何れかを選択できるため、設計の自由度が大きい。
本発明の荷重補償装置によれば、更に、作動アームの荷重補償に用いている作動シリンダや補償シリンダが作動アームを駆動する駆動機構を兼ねているため、別途駆動シリンダ装置等を設ける必要がなく、装置の小型化、軽量化を図ることができるとともに、保守が簡単で製作コストを削減することができる。
本発明の荷重補償装置によれば、作動アームに作用する荷重をガイドロッドを介して圧縮コイルばねで受けるようにしているため、従来の引張コイルばねとワイヤを用いている荷重補償装置のように、ワイヤの摩耗や疲労による破断で作動アームの落下事故を起こす虞がないため、高い安全性と耐久性が得られる。
ガイドロッドと圧縮コイルばねとを組み合わせて作動アームに作用する荷重を受けているため、従来のワイヤを用いている荷重補償装置と比較して、重量物を取り扱うことが可能である。
本発明の荷重補償装置は、圧縮コイルばねの取付位置の自由度が高く、作動アームに関してどちらの位置にも配置でき、設計上の自由度が高い。
本発明の荷重補償装置によれば、連結支持体が受ける負荷トルクが作動アームに加わらないため、連結支持体に更に２段目の作動アームやエンドエフェクタ等の物体を連結するような場合においても、支持体に支持された作動アームは、連結支持体前方に連結される物体の重心位置の変化に関わりなく荷重補償が可能である。
本発明に係る作動シリンダを使用した荷重補償装置の実施例１の概略図。 作動シリンダの縦断面図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例２の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例３概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例４概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例５の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例６の概略図。 実施例６の作動シリンダの支持構造の部分図。 作動シリンダと補償シリンダを一体化した荷重補償装置の模式図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例７の概略図。 実施例７の荷重補償装置の各部の幾何学的関係を示す模式図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例８の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例９の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例１０の概略斜視図。 実施例１０の荷重補償装置におけるスライダの支持構造を示す部分図。 従来の荷重補償装置の概略図。 従来の荷重補償装置の各部の幾何学的関係を示す模式図。
以下、本発明を図面の実施例を参照して説明する。
実施例１
図１は、本発明の荷重補償装置の実施例１の概略図であって、同図に示す荷重補償装置１０１は、床面に固定された支持体１０２を有している。この支持体１０２には、水平な軸１０３（第１枢着部）によって、作動アーム１０４がこの軸１０３回りに回動自在に支持されている。
また、支持体１０２の軸１０３の中心Ｏから鉛直上方に距離ｈだけ離れた位置にあるＡ点には、作動シリンダ１０５がそのヘッド側に固定されている連結ロッド１０６を介して、前記軸１０３と平行な軸１０７(第２枢着部）で回動自在に支持されている。
図２に示すように、作動シリンダ１０５のシリンダ室１０５Ａ内には、ピストンロッド１０８の一端に設けられたピストン１０８Ａがスライド自在に嵌挿されている。また、前記シリンダ室１０５Ａ周壁のロッド側の端部とヘッド側の端部にはそれぞれシリンダ室１０５Ａ内を外部と連通するためのポートＰ１、Ｐ２が設けられている。
図１に示すように、シリンダ室１０５Ａから突出しているピストンロッド１０８の端部は、軸１０３（第１枢着部）の中心であるＯ点から距離ｐだけ離れた、作動アーム１０４の長手方向途中位置Ｂ点に、軸１０３と平行な軸１０９（第３枢着部）で回動自在に連結されている。
支持体１０２の近傍には、補償シリンダ１１０が固定枠１１１上に設置されている。補償シリンダ１１０内には、ピストン１１２Ａが設けてあり、ピストンロッド１１２がシリンダ上方に突出している。
前記ピストンロッド１１２の上端は、可動枠１１３の下面に連結されている。この可動枠１１３は、ピストンロッド１１２と一体となって上下変位できるように、図示していないガイド手段を介して固定枠１１１に保持されている。また、固定枠１１１と可動枠１１３の間には、補償シリンダ１１０と並列に圧縮コイルばね１１４（ばね部材）が、自然長より所定長さ圧縮された状態で組み込まれている。
補償シリンダ１１０は、前述の作動シリンダ１０５と同様に、シリンダ室１１０Ａのロッド側の端部とヘッド側の端部にそれぞれ外部と流通するための２つのポートＰ１、Ｐ２を有していて、補償シリンダ１１０の作動流体が充填してある側のポートＰ１と作動シリンダ１０５側のポートＰ１は管路１１５で連結されている。
作動シリンダ１０５のシリンダ室１０５Ａのロッド側と、補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのロッド側、ならびに管路１１５内には作動流体が満たされている。この作動流体は、一般的には油のような非圧縮性流体が用いられている。
また、作動シリンダ１０５と補償シリンダ１１０にそれぞれ設けられているポートＰ２は、何れも大気に開放されている。
この荷重補償装置１０１において、作動アーム１０４を軸１０３の回りに回転させると、ピストンロッド１０８がシリンダ１０５内のピストン１０８Ａを移動させ、この動きは作動流体を介して補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａに伝達される。
ここで、作動シリンダ１０５のピストン１０８ＡがＬ1だけシリンダ内を移動したとき、補償シリンダ１１０側のピストン１１２Ａは、連動してＬ2だけ移動する。作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａの受圧面積をＳ1、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａの受圧面積をＳ2とすると、作動流体が非圧縮性流体とすると、作動シリンダ１０５側で流出（または流入）する作動流体の容積は、補償シリンダ側で流入（流出）する容積に等しいから、
Ｌ1Ｓ1＝Ｌ2Ｓ2 （１）
圧縮コイルばね１１４のばね定数をＫとすると、これが自然長からＬ2だけ圧縮された時に補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａに作用する力Ｆは、
Ｆ＝ＫＬ2 （２）
補償シリンダ１１０から作動流体を介して作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａに伝達される力をｆとすると、パスカルの原理により、
ｆ＝（Ｓ1／Ｓ2）Ｆ （３）
（３）式に（１）式と（２）式を適用すると、
ｆ＝（Ｓ1／Ｓ2）ＫＬ2＝（Ｓ1／Ｓ2）2 ＫＬ1 （４）
ここで、ｋ＝（Ｓ1／Ｓ2）2 Ｋ とおくと、ｆ＝ｋＬ1と表せるから、作動シリンダ１０５は見かけ上、ばね定数ｋのばねと等価とみなせる。
ここで、作動アーム１０４が図示していないワーク等を保持しており、このワークの重量と作動アーム１０４の自重とを合わせた総重量に等価な荷重ＷがＯ点から距離Ｌ離れた作用点Ｇに鉛直方向に作用している場合を考える。
ｋ＝ＷＬ／ｐｈとし、Ｌ1を軸１０７（第２枢着部）の中心位置Ａ点と軸１０９（第３枢着部）の中心位置Ｂ点間の距離Ｌｓとすると、これは、先に図１６及び図１７において説明した従来の荷重補償装置における補償原理と同じ原理により、作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく作動アーム１０４に作用する軸１０３（第１枢着部）回りに作用する負荷トルクを０とする荷重補償を実現することができる。この場合、圧縮コイルばね１１４のばね定数Ｋは次のようになる。
Ｋ＝（Ｓ2／Ｓ1）2ｋ＝（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ） （５）
（５）式から明らかなように、圧縮コイルばね１１４のばね定数Ｋは、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａと作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａの受圧面積比の２乗で変化させることができるため、ｐ、ｈ等の選択範囲を広くとれない場合にも、設計自由度を大きくできる。
なお、本実施例の荷重補償装置１０１においては、補償シリンダ１１０と圧縮コイルばね１１４とを固定枠１１１上に並列に配置し、可動枠１１３を介して補償シリンダ１１０のピストンロッド１１２と圧縮コイルばね１１４とを連結しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ピストンロッド１１２と圧縮コイルばね１１４とは同軸上に直列配置したり、圧縮コイルばね１１４を補償シリンダ１１０のヘッド側に内蔵させてピストンを直接付勢するようにしてもよい。
また、本実施例の荷重補償装置１０１においては、圧縮コイルばね１１４を用いているが、ばね部材をこれに限定するものではなく、例えば、ピストンロッド１１２を引張コイルばねに連結して、圧縮コイルばね１１４と同等の付勢力を得るようにしてもよい。
なお、作動シリンダ１０５と補償シリンダ１１０間を連結する管路１１５の途中に開閉弁やアキュムレータ等を組み込むことで、作動アーム１０４のロックやインピーダンス調整の機能を簡単に付加することができる。
実施例２
図３は、本発明に係る荷重補償装置の実施例２の概略図であって、同図に示す荷重補償装置１０１Ａは、作動シリンダ１０５’のピストンロッド１０８’側の端部外周面を軸１０７’（第２枢着部）で回動自在に支持体１０２に支持したもので、同図において、図１中の番号と同じ番号で示す部分は、前述した荷重補償装置１０１と略同一構成である。
図３に示す荷重補償装置１０１Ａは、前述した荷重補償装置１０１と荷重補償の原理は同じであるが、作動シリンダ１０５’のロッド側の端部位置を支持体１０２に軸１０７’で回転可能に支持させたことで、ピストンロッド１０８’のストロークを長くとることができ、作動アーム１０４の回動範囲を大きくとれる利点がある。
実施例３
図４に示す荷重補償装置１０１Ｂは、前述した荷重補償装置１０１Ａの補償シリンダ１１０のヘッド側ポートＰ２と、作動シリンダ１０５’のヘッド側ポートＰ２に、それぞれ駆動用作動流体を供給し、または、排出するための一対の駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂを更に追加したものであって、その他の部分については、図３に示す荷重補償装置１０１Ａと略同一構成である。
この荷重補償装置１０１Ｂは、駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂが図示していない駆動流体回路に接続されている。この駆動流体回路としては、例えば、油圧ポンプや方向切換弁等からなる周知の油圧回路等が用いられる。
この実施例のものにおいては、圧縮コイルばね１１４（ばね部材）の反発力によって、作動アーム１０４に軸１０３（第１枢着部）回りに作用している負荷トルクが補償されている状態において、一方の駆動管路１１６Ａから補償シリンダ１１０へ作動流体を供給すると、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａは押し上げられる。
その結果、シリンダ室１１０Ａのロッド側の流体はポートＰ１から押し出され、管路１１５を通って作動シリンダ１０５’のポートＰ１からシリンダ１０５’内に流入し、ピストンを押し上げるのでロッド１０８’によって作動アーム１０４は反時計回りに回動して作動アーム１０４は上昇する。
図示していないが、荷重補償装置１０１Ｂの作動シリンダ１０５’は、ヘッド側のシリンダ室内にも作動流体が満たされており、ピストンの移動によって、この作動流体は駆動管路１１６Ｂを通って駆動流体回路側に還流される。
逆に、駆動流体管路１１６Ｂを通して作動シリンダ１０５’へ作動流体を供給した場合には、作動アーム１０４は、時計回りに回動して下がり、作動シリンダ１０５’のロッド側シリンダ室内の流体は、ポートＰ１から管路１１５を通って補償シリンダ１１０のポートＰ１からシリンダ室１１０Ａのロッド側に流入する。
その結果、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａが下方に押され、ピストンロッド１１２、可動枠１１３が一体となって降下し、圧縮コイルばね１１４が更に圧縮されて反発力が高まり、その高まった反発力によって、作動アーム１０４の時計回りの回動で増加した負荷トルクを補償する。
本実施例においては、作動アーム１０４の荷重補償に用いている作動シリンダ１０５’や補償シリンダ１１０で作動アーム１０４の駆動機構を兼ねているため、別途駆動シリンダ装置等を設ける必要がない。
なお、本実例の荷重補償装置１０１Ｂにおいては、駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂの両方を図示していない駆動流体回路に接続しているが、何れか一方を省略してもよい。その場合には、管路が接続されていない作動シリンダ１０５’または補償シリンダ１１０のポートＰ２は大気中に開放しておく。
そして、補償シリンダ１１０と作動シリンダ１０５’の何れかのポートＰ２に接続されている駆動流体管路を介して、駆動用流体回路から流体を供給するか、あるいは負圧にして吸引すれば、作動アーム１０４を反時計まわり、または時計回りのいずれの方向にも回動させることができる。
実施例４
図５に示す荷重補償装置１０１Ｃは、作動シリンダ１０５’のシリンダ室１０５’Ａのヘッド側と補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのヘッド側に作動流体が満たされており、作動シリンダ１０５’のヘッド側のポートＰ２と、補償シリンダ１１０のヘッド側のポートＰ２間を管路１１５で連結し、それぞれのロッド側のポートＰ１は大気中に開放してある点を除いて、前述した図３に示す荷重補償装置１０１Ａと同一構成となっている。
本実施例の荷重補償装置１０１Ｃにおいては、作動シリンダ１０５’のピストンロッド１０８’に作用する引張荷重によって、作動シリンダ１０５’のシリンダ室１０５’Ａのヘッド側に生じる負圧を、管路１１５を通して補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのヘッド側へ伝達し、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａを下方へ吸引して圧縮コイルばね１１４（ばね部材）を収縮させるもので、作動シリンダ１０５’のピストンと補償シリンダ１１０のピストンの連係動作においては、先に説明した荷重補償装置１０１、１０１Ａと同様である。
なお、本実例の荷重補償装置１０１Ｃにおいては、作動シリンダ１０５’と補償シリンダ１１０の何れか一方のポートＰ１を駆動流体回路に連結し、他方のポートＰ１を大気中に開放するか、あるいは両方のポートＰ１を駆動流体回路に連結することにより、前述の図４に示す荷重補償装置１０１Ｂと同様に、作動アーム１０４を駆動することが可能である。
実施例５
図６は、本発明に係る荷重補償装置の更に別の実施例を示す概略側面図であって、この荷重補償装置１０１Ｄは、前述した図３の荷重補償装置１０１Ａと基本構造は共通しているが、作動アーム１０４の下方に軸１０３ａで支持体１０２に回動自在に支持された補助作動アーム１０４ａを有している。
作動アーム１０４と補助作動アーム１０４ａの先端部どうしはそれぞれ、軸１１７ａ（第４枢着部）と軸１１７ｂで連結支持体１１８に回動自在に連結されており、支持体１０２、作動アーム１０４、連結支持体１１８、及び、補助作動アーム１０４ａにより、平行リンクが構成されている。
従って、連結支持体１１８は、この平行リンクによって、作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく、常に一定の姿勢が保持されている。
連結支持体１１８には、荷Ｃを吊り下げるトロリ１１９を移動自在に案内するトロリ案内レール１２０が片持ち状態で水平に取り付けられている。この荷重補償装置１０１Ｄにおいては、連結支持体１１８には、トロリ案内レール１２０、トロリ１１９、荷Ｃの合計重量の等価な荷重Ｗ’が作用点Ｇ’に作用すると、連結支持体１１８には、前記荷重Ｗ’により、軸１１７ａ（第４枢着部）回りに負荷トルクが作用するが、支持体１０２、作動アーム１０４、連結支持体１１８、及び、補助作動アーム１０４ａからなる平行リンク機構で構成された平行運動機構によって、前記負荷トルクは、作動アーム１０４や補助作動アーム１０４ａに加わることはない。
従って、作動アーム１０４には、その自重と補助作動アーム１０４ａ、連結支持体１１８を合わせた重量と、前記荷重Ｗ’を合わせた荷重Ｗが作用点Ｇに作用するものとして、圧縮コイルばね１１４のばね定数を選択すれば、トロリ案内レール１２０上のトロリ１１９の位置に関係なく、作動アーム１０４を任意の角度でバランスさせることができる。
なお、連結支持体１１８を作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく、常に一定姿勢に保持するための平行運動機構としては、前述した平行リンク機構のみに限定するものではなく、図示は省略するが、例えば、連結支持体１１８が作動アーム１０４の角度によらずに一定の姿勢を保つように、支持体１０２と作動アーム１０４間、及び、作動アーム１０４と連結支持体１１８間にそれぞれ管路で互いに連結されて両方のピストンロッドが同期するようにした一対の液圧シリンダ装置を組み込んで平行運動機構を構成してもよい。
また、図示は省略するが、平行運動機構を、例えば、支持体１０２の軸１０３の位置と、連結支持体１１８の軸１１７ａの位置にそれぞれ同一歯数の歯付プーリを固定して、これらの歯付プーリ間にタイミングベルトを掛け渡して構成したり、また、支持体１０２と連結支持体１１８間を、作動アーム１０４と平行なワイヤで連結して構成してもよい。
また、荷重補償装置１０１Ｄにおいては、連結支持体１１８にトロリ案内レール１２０を取り付けているが、これに限らず、例えば、連結支持体１１８に２段目の作動アームを回動自在に支持させ、連結支持体１１８とこの２段目の作動アームの間にも作動シリンダを組み込んで、２段目の作動アームに作用する荷重に対しても、前述した各荷重補償装置と同じ原理で荷重補償を行えるようにしてもよい。
更に、前述した各荷重補償装置１１０、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄにおいては、第１枢着部どうしが水平な同一直線上に並ぶように複数の作動アームを並列し、それぞれの作動アームの作動シリンダを共通の補償シリンダに連結して、これらの作動アームを協働させるようにしてもよい。
この場合、各作動アーム上に底面の高さが均一でない物品を保持させると、それぞれの作動アームは、物品の底面形状に適合するように相互の上下位置調整が自動的に行われて各作動アームに物品の重量が均等に負荷され、各作動アームを荷重補償されている状態で一緒に上下動させることができる。但し荷重補償装置１０１Ｄの場合は、トロリ案内レール１２０の代わりに、連結支持体１１８に保持アームを取り付け、その上に物品を保持させればよい。
実施例６
図７は、本発明に係る荷重補償装置の更に別の実施例を示す概略斜視図であって、同図に示す荷重補償装置１０１Ｅにおいては、作動アーム１０４Ａは、支持体１０２Ａ上に、第１枢着部となるＯ点で互いに直交するＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りに回動できるように支持されている。
なお、同図において、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、作動アーム１０４ＡをＰｉｔｃｈ軸回りに揺動させるアクチュエータ、Ｍ２は、Ｒｏｌｌ軸回りに傾動させるアクチュエータ、Ｍ３は、Ｙａｗ軸回りに旋回させるアクチュエータを模式的に示している。
また、Ｏ点から鉛直上方に離間した定位置Ａ点には、図示を省略しているが、図７に示すように、作動シリンダ１２２のロッド側端部が第２枢着部を構成するジンバル機構１２１のジンバル枠１２１Ａを介して、互いに軸線の延長線がＡ点で直交する２組の軸１２１Ｂ、１２１Ｃ回りに回動可能にジンバル支持枠１２１Ｄに支持されている。ジンバル支持枠１２１Ｄは、支持体１０２Ａ上方にこれに対して相対的に固定された位置関係で設けられている。
また、作動シリンダ１２２のピストンロッド１２３の先端部は、作動アーム１０４Ａの長手方向途中位置Ｂ点に設けた第３枢着部において回動自在に連結されている。第３枢着部は、図示は省略しているが、作動アーム１０４ＡのＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りの回動に追従可能なボールジョイント等を用いて構成されている。
作動シリンダ１２２は、前述した図３の荷重補償装置１０１Ａのものと略同一構造であり、第２枢着部における連結構造のみが異なる。また、図３と同じ番号で示す部分は、荷重補償装置１０１Ａと同一構造となっている。
図７において、第１枢着部の中心Ｏ点、第２枢着部の中心Ａ点、第３枢着部の中心Ｂ点の３点は、常に垂直面内に位置しており、この垂直面内でのこれらの枢着部の配置は、図３の荷重補償装置１０１Ａにおける軸１０３、軸１０７’、軸１０９間の配置と同じ幾何学的関係になっている。
従って、作動アーム１０４Ａは、第１枢着部の中心Ｏ点回りにどのような方向に回動した位置においても、荷重補償装置１０１Ａと同じ原理によって荷重補償を行うことができ、各アクチュエータＭ１、Ｍ２、Ｍ３の負担を低減することができる。
前述した、本発明の各実施例における荷重補償装置１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅは、何れも作動シリンダを支持体に対する作動アームの回動中心である第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に第２枢着部で回動自在に支持し、一方、作動シリンダ内にピストンが嵌挿されているピストンロッドを前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結している構成となっているが、作動シリンダとそのピストンロッドは、反対向きにして、ピストンロッド側を第２枢着部に、作動シリンダ側を第３枢着部に連結したレイアウトが可能であり、必要に応じて、これら双方の方式の何れかを選択できるため、設計の自由度が大きい。
実施例１〜６の荷重補償装置１０１、１０１Ａ、１０２Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅにおいて、作動シリンダ１０５、１０５'、１２２のピストンの受圧面積Ｓ１と補償シリンダ１１０のピストン受圧面積Ｓ２とを、Ｓ１＝Ｓ２と等しくし、かつ、管路１１５を省略して両シリンダを直列に連結すると、図９に示す構成となり、作動シリンダと補償シリンダを一体化し、両シリンダ間を１本のピストンのみで接続した構成と等価である。更に、圧縮コイルばね１１４を前記一体化したシリンダに直列に配置すると以下の実施例のようにばねのみで荷重補償が可能になる。
実施例７
図１０は、本発明の荷重補償装置の実施例７を示す概略図であって、同図に示す荷重補償装置１は、床面に固定された支持体２を有している。この支持体２には、水平な軸３（第１枢着部）によって、作動アーム４がこの軸３回りに回動自在に支持されている。
また、支持体２の軸３の鉛直上方位置には、この軸３と平行な軸５（第２枢着部）回りにブロック状のスライダ６が回動自在に支持されている。前記スライダ６には図示しないガイド孔が形成されていて、このガイド孔にはガイドロッド７がその長手方向にスライド自在に案内支持されている。
なお、軸５の延長線とガイドロッド７の軸線とは直交する位置関係になっており、軸５は前記ガイド孔内には突出しない構造でスライダ６に連結されている。
ガイドロッド７の一方の端部は、作動アーム４の長手方向途中位置に、前記軸３と平行な軸８（第３枢着部）でこの軸８回りに回動自在に連結されている。また、このガイドロッド７の他方の端部にはばね受部９が設けられている。
本実施例のものにおいては、ばね受部９はガイドロッド７の他の部分よりも大径に一体に形成されていて、ばね受部９とスライダ６との間には、圧縮コイルばね１０があらかじめその自然長より、軸５と軸８の軸間距離ＬSに等しい長さだけ圧縮された状態で、ガイドロッド７に伸縮自在に組み込まれている。
なお、ばね受部９は、ガイドロッド７の他方の端部に所定長さ形成したネジに螺合するナット状の別部品として構成することにより、圧縮コイルばね１０をガイドロッド７に容易に組み付けられるとともに、圧縮長さの調整を容易に行うことができる。
同図において、作動アーム４には、その自重とこれに鉛直方向に作用する外部荷重（これは、例えば、作動アーム４がロボットのアームである場合にはその先端に作用するエンドエフェクタやワーク等の重量、クレーンのアームである場合には吊り荷の重量を意味する。）を合わせた総重量に等価な荷重Ｗが作用点Ｇの位置に鉛直方向に作用している。
図１１は、前述した荷重補償装置１の各部の幾何学的関係を模式化した図であって、同図において、Ｏ点は、軸３の中心位置であり、角度θは、作動アーム４の水平方向Ｘに対する傾斜角を表している。
また、Ａ点は、軸５の中心位置であって、Ｏ点から鉛直方向Ｙ上方に距離ｈだけ離間している。また、点Ｂは軸８の中心位置であって、これらのＡ点とＢ点間の距離が前述した距離ＬSである。
荷重Ｗが作用する作用点ＧとＯ点との間の距離をＬとすると、作動アーム４に前記荷重Ｗによって生じるＯ点回りの負荷トルクτWは下記のようになる。
τW＝ＷＬｃｏｓθ （６）
一方、前述した圧縮コイルばね１０は、Ａ点とＢ点間の距離ＬS、に等しい距離だけ圧縮されているため、そのばね定数をｋとすると、ガイドロッド７にはこの圧縮コイルばね１０の復元力ｋＬSが引張力として作用している。
その結果、前記復元力ｋＬSによって、作動アーム４にはＯ点回りに下記のばね力トルクτSが発生している。
τS＝ｋＬSｈｓｉｎφ （７）
また、図１０から明らかなように、φとθとの間には下記の関係が成立する。
ＬSｓｉｎφ＝ｐｃｏｓθ （８）
そこで、前記（２）と（３）の式からφを消去すると、
τS＝ｋｐｈｃｏｓθ （９）
ここで、ばね力トルクτSは負荷トルクτWと向きが反対であり、（６）式と（９）式の関係から、ばね定数ｋを、ｋ＝ＷＬ／ｐｈとなるように選択すると、作動アーム４の角度θに関係なく、作動アーム４に作用するＯ点回りに作用するトルクを０とする荷重補償が可能となる。
実施例８
図１２は、本発明の荷重補償装置の実施例８を示す概略図であって、同図に示す荷重補償装置１Ａは、前述した図９に示す実施例７の荷重補償装置１とは、ガイドロッド７の取り付ける向きを逆にして、圧縮コイルばね１０を作動アーム４の下方に配置した点が異なっている。
すなわち、この荷重補償装置１Ａにおいては、スライダ６が作動アーム４の長手方向途中位置に軸８（第３枢着部）によって、この軸８回りに回動自在に連結されているとともに、ガイドロッド７の一端部（ばね受け部９を設けている側と反対側の端部）が軸５（第２枢着部）で支持体２に回動自在に支持されている。
なお、図１１において、図９中の番号と同じ番号で示す部分は前述した荷重補償装置１に使用されている部分と略同一構成のものである。
図１２に示す荷重補償装置１Ａは、前述した荷重補償装置１と荷重補償の原理は同じであるが、作動アーム４の後上方に圧縮コイルばね１０やガイドロッド７が突出しないため、作動アーム４後方が使用できないか、あるいは他に使用する場合に有用である。
実施例９
図１３は、本発明の荷重補償装置の実施例９を示す概略図であって、同図に示す荷重補償装置１Ｂは、前述した図９に示す荷重補償装置１の作動アーム４の下方に平行して補助作動アーム４ａを軸３ａで支持体２に回動自在に設け、作動アーム４と補助作動アーム４ａの先端部どうしを連結支持体１１で連結してある。
前記連結支持体１１の上端部は、作動アーム４の自由端と軸１２ａ（第４枢着部）で回動自在に連結され、また、下端部は、補助作動アーム４ａの自由端と軸１２ｂで回動自在に連結されており、支持体２、作動アーム４、連結支持体１１、及び、補助作動アーム４ａによって平行リンクが構成されている。
従って、連結支持体１１は、常に直立した姿勢を保ちながら作動アーム４の運動に伴って垂直面内を平行移動するようになっている。なお、図１２において、図９中の番号と同じ番号で示す部分は、前述した荷重補償装置１に使用されている部分と略同一構成である。
本実施例の荷重補償装置１Ｂにおいては、連結支持体１１に水平な軸１３によって第２作動アーム１４が垂直面内で回動自在に連結されている。前記連結支持体１１は、作動アーム４の上方に突出しており、軸１３の鉛直上方のこの突出した部分に、軸１５によって、スライダ１６が回動自在に連結され、このスライダ１６には、ガイドロッド１７がその長手方向にスライド自在に案内支持されている。
また、ガイドロッド１７の一方の端部は、作動アーム１４の長手方向途中位置に、軸１８で回動自在に連結され、また、このガイドロッド１７の他方の端部にはばね受部１９が設けられている。
ばね受部１９とスライダ１６との間には、圧縮コイルばね２０があらかじめその自然長より、軸１５と軸１８の軸間距離等しい長さだけ圧縮された状態で、ガイドロッド１７に伸縮自在に組み込まれている。
連結支持体１１、第２作動アーム１４、スライダ１６、ガイドロッド１７、圧縮コイルばね２０等の各部は、連結支持体１１を支持体と見なした場合に前述した図９の荷重補償装置１と同じ関係の荷重補償装置を構成しており、圧縮コイルばね２０のばね定数は第２作動アーム１４の作用点Ｇ２に鉛直方向に作用する荷重Ｗ２（第２作動アーム１４の自重とこれに鉛直方向に作用する外部荷重との総和の等価荷重）に対して、前述した荷重補償装置１の場合と同様にして決めることにより、第２作動アーム１４は、任意の角度θ2でバランスさせることができる。
本実施例の荷重補償装置１Ｂでは、連結支持体１１には、第２作動アーム１４側の全荷重Ｗ２と、この荷重Ｗ２により生じる軸１３回りの負荷トルクτW’が作用するが、前述した、支持体２、作動アーム４、連結支持体１１、及び、補助作動アーム４ａによって構成されている平行リンク機構によって、前記負荷トルクτW’は、作動アーム４や補助作動アーム４ａに加わることはない。
従って、作動アーム４には、その自重と補助作動アーム４ａ、連結支持体１１を合わせた重量と、前記荷重Ｗ２を全て合わせた合計荷重に等価な荷重Ｗ１が作用点Ｇ１に作用するものとして、圧縮コイルばね１０のばね定数を選択すれば、作動アーム４は、第２作動アーム１４の角度θ2に関係なく、任意の角度θ1でバランスさせることができる。
本実施例の荷重補償装置１Ｂにおいては、作動アーム４の角度θ1によらずに連結支持体１１を一定姿勢に保ち、且つ当該連結支持体１１に負荷される負荷トルクτW’が作動アームに加わらないようにするために、平行リンク機構で構成した平行運動機構を用いているが、前記平行運動機構は補助作動アーム４ａを用いた平行リンクに限定するものではない。
図示は省略するが、例えば、連結支持体１１が作動アーム４の角度によらずに一定の姿勢を保つように支持体２と作動アーム４間、及び、作動アーム４と連結支持体１１間にそれぞれ管路で互いに連結されて両方のピストンロッドの伸縮が同期するようにした一対の液圧シリンダ装置を組み込んで平行運動機構を構成してもよい。
また、図示は省略するが、平行運動機構を、支持体２の軸３の位置と、連結支持体１１の軸１２ａの位置にそれぞれ同一歯数の歯付プーリを固定して、これらの歯付プーリ間にタイミングベルトを掛け渡して構成したり、また、支持体２と連結支持体１１間を、作動アーム４と平行なワイヤで連結して構成してもよい。
また、この実施例の荷重補償装置１Ｂにおいては、作動アーム４の先端に連結支持体を介して第２作動アーム１４を連結した２段アーム構成としているが、３段以上としてもよく、２段目以降の作動アームについても、前述したような平行リンク機構等からなる平行運動機構を組み込むことによって、各段の作動アームを角度に関係なく個別に荷重補償することが可能である。
前述した荷重補償装置１Ｂにおいては、ガイドロッド７、１７や圧縮コイルばね１０、２０を、図１０に示す荷重補償装置１と同様に、作動アーム４や第２作動アーム１４の上方に配置しているが、これに代えて、図１１に示す荷重補償装置１Ａと同様に、作動アーム４または補助作動アーム４ａ、及び第２作動アーム１４の下方にそれぞれ配置してもよい。
更に、連結支持体１１には、第２作動アーム１４を連結する代わりに、作動アーム４の前方に重心位置が前後移動するようなエンドエフェクタや、吊り荷を支持する吊りビーム等を取り付けてもよい。
実施例１０
図１４は、本発明に係る荷重補償装置の実施例１０の概略斜視図であって、同図に示す荷重補償装置１Ｃにおいては、作動アーム４Ａは、支持体２Ａ上に、第１枢着部となるＯ点で互いに直交するＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りに回動できるように支持されている。
なお、同図において、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、作動アーム４ＡをＰｉｔｃｈ軸回りに揺動させるアクチュエータ、Ｍ２は、Ｒｏｌｌ軸回りに傾動させるアクチュエータ、Ｍ３は、Ｙａｗ軸回りに旋回させるアクチュエータを模式的に示している。
また、Ｏ点から鉛直上方に離間した定位置Ａ点には、図１４では図示を省略しているが、図１５に示すように、スライダ６Ａが、第２枢着部を構成するジンバル機構２１のジンバル枠２１Ａを介して、互いに軸線の延長線がＡ点で直交する２組の軸２１Ｂ、２１Ｃ回りに回動可能にジンバル支持枠２１Ｄに支持されている。ジンバル支持枠２１Ｄは、支持体２Ａ上方にこれに対して相対的に固定された位置関係で設けられている。
スライダ６Ａ中心部には、ガイドロッド７Ａがスライド自在に貫通しており、その一方の端部は、図１３に示すように、作動アーム４Ａの長手方向途中位置Ｂ点に第３枢着部で回動自在に連結されている。第３枢着部は、図示は省略しているが、作動アーム４ＡのＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りの回動に追従可能なボールジョイント等を用いて構成されている。
ガイドロッド７Ａの他方の端部には、ばね受部９Ａが設けられている。ばね受部９Ａとスライダ６Ａとの間には、圧縮コイルばね１０Ａがあらかじめその自然長より、第２枢着部の中心位置Ａ点と第３枢着部の中心位置Ｂ点間の距離ＬSに等しい長さだけ圧縮された状態で、ガイドロッド７Ａに伸縮自在に組み込まれている。
第１枢着部の中心Ｏ点、第２枢着部の中心Ａ点、第３枢着部の中心Ｂ点の３点は、常に垂直面内に位置しており、この垂直面内でのこれらの枢着部の配置は、前述した図９及び図１０で説明した荷重補償装置１における、軸３（第１枢着部）の中心Ｏ点、軸５（第２枢着部）の中心Ａ点、軸８（第３枢着部）の中心Ｂ点の配置と同じ幾何学的関係になっている。
従って、作動アーム４Ａは、第１枢着部の中心Ｏ点回りにどのような方向に回動した位置においても、前述した荷重補償装置１と同じ原理によって荷重補償を行うことができ、各アクチュエータＭ１、Ｍ２、Ｍ３の負担を低減することができる。
なお、本実施例の荷重補償装置１Ｃにおいては、圧縮コイルばね１０Ａを作動アーム４Ａの後上方に設けているが、前述した荷重補償装置１Ａのように、ガイドロッド７Ａの取り付ける向きを逆にして、圧縮コイルばね１０Ａを作動アーム４Ａの下方に配置することも可能である。
本発明の荷重補償装置は、作動アームを備えたロボットやマニピュレータの他、簡易型ジブクレーン、更に、２段式駐輪設備の傾動式の車輪保持レールや電気スタンドのアーム、電動工具の吊下保持アーム等、種々な分野における荷重補償装置として幅広く利用可能である。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 荷重補償装置
２、２Ａ 支持体
３ 軸（第１枢着部）
３ａ 軸
４ 、４Ａ 作動アーム
４ａ 補助作動アーム
５ 軸（第２枢着部）
６、６Ａ スライダ
７、７Ａ ガイドロッド
８ 軸（第３枢着部）
９、９Ａ ばね受部
１０、１０Ａ 圧縮コイルばね
１１ 連結支持体
１２ａ 軸(第４枢着部)
１２ｂ 軸
１３ 軸
１４ 第２作動アーム
１５ 軸
１６ スライダ
１７ ガイドロッド
１８ 軸
１９ ばね受部
２０ 圧縮コイルばね
２１ ジンバル機構（第２枢着部）
２１Ａ ジンバル枠
２１Ｂ、２１Ｃ 軸
２１Ｄ ジンバル支持枠
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅ 荷重補償装置
１０２，１０２Ａ 支持体
１０３ 軸（第１枢着部）
１０３ａ 軸
１０４，１０４Ａ 作動アーム
１０４ａ 補助作動アーム
１０５、１０５’ 作動シリンダ
１０５Ａ シリンダ室
１０６ 連結ロッド
１０７、１０７’ 軸（第２枢着部）
１０８、１０８’ ピストンロッド
１０８Ａ ピストン
１０９ 軸（第３枢着部）
１１０ 補償シリンダ
１１０Ａ シリンダ室
１１１ 固定枠
１１２ ピストンロッド
１１２Ａ ピストン
１１３ 可動枠
１１４ 圧縮コイルばね（ばね部材）
１１５ 管路
１１６Ａ、１１６Ｂ 駆動用管路
１１７ａ 軸（第４枢着部）
１１７ｂ 軸
１１８ 連結支持体
１１９ トロリ
１２０ トロリ案内レール
１２１ ジンバル機構（第２枢着部）
１２１Ａ ジンバル枠
１２１Ｂ、１２１Ｃ 軸
１２１Ｄ ジンバル支持枠
１２２ 作動シリンダ
１２３ ピストンロッド
本発明は、作動アームを備えたロボットやマニピュレータ、作業機器等の、作動アーム全体に作用する重力とバランスさせるための荷重補償装置に関する。
従来、垂直面内で回動する作動アームを備えたロボット等の荷重補償装置としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、ワイヤとこれに連結されたコイルばねを用いて作動アームの傾斜角度に拘わらず作動アーム及びこれに保持されるワーク等に作用する重力と、ばね力が釣り合うようにして荷重補償を行う装置が提案されている。
図１０は、このような従来の荷重補償装置の概略構造を示すもので、同図において、荷重補償装置Ａ１は、水平な床面に設置された支持体Ａ２に、作動アームＡ３がＯ点で水平軸回りに回動自在に支持されており、また、Ｏ点から鉛直上方に距離ｈ離れたａ点にワイヤＡ４の一方の端が連結されている。
前記ワイヤＡ４は、作動アームＡ３上のＯ点から距離ｐだけ離れたｂ点で前記ワイヤＡ４を上下から挟むように設けられた一対のガイドプーリＡ５、Ａ６を経由して屈曲されて、その他方の端が、引張コイルばねＡ７の一方の端部に連結されている。
前記引張コイルばねＡ７は、自然長（外力が作用しない状態での長さ）からａ点とｂ点の間のワイヤＡ４の長さＬSに等しい量だけ引き延ばされた状態で、その他端が作動アームＡ３上に連結されている。（なお、同図では、引張コイルばねＡ７は、説明の都合上、前記長さＬSに比べて実際より短縮して描いてある。）
ここで、作動アームＡ３は、図示していないワークを保持しており、このワークの重量と作動アームＡ３の自重とを合わせた総重量と等価な荷重Ｗが作用点Ｇに鉛直方向に作用しているものとする。
Ｏ−Ｇ間の距離をＬとすると、図１１に示すように、作動アームＡ３が水平方向Ｘから角度θ傾斜している姿勢において、荷重Ｗによって生じるＯ点回りの負荷トルクτWは下記のようになる。
τW＝ＷＬｃｏｓθ （ｅ１）
一方、自然長より長さＬSだけ引き延ばされている、引張コイルばねＡ７によりワイヤＡ４に作用する張力Ｔは、図１０に示される前記引張コイルばねＡ７のばね定数をｋとすると、Ｔ＝ｋＬSであるから、図１１から明らかなように、前記張力ＴによってＯ点回りに発生するばね力トルクτSは下記のようになる。
τS＝ｋＬSｈｓｉｎφ （ｅ２）
一方、
ＬSｓｉｎφ＝ｐｃｏｓθ （ｅ３）
であるから、前記（ｅ２）と（ｅ３）の式からφを消去すると、
τS＝ｋｐｈｃｏｓθ （ｅ４）
ここで、ばね力トルクτSは、負荷トルクτWと向きが反対であり、前記（ｅ１）式と（ｅ４）式の関係から、引張コイルばねＡ７のばね定数ｋを、ｋ＝ＷＬ／ｐｈとなるように選択すると、ばね力トルクτSは負荷トルクτWと、角度θに関係せずに釣り合って荷重補償が可能となる。
特許第４１４４０２１号公報 特開２００７−１１９２４９号公報
しかしながら、前述した荷重補償装置Ａ１においては、作動アームＡ３が上下に回動するごとに、作動アームＡ３を支えているワイヤＡ４が一対のガイドプーリＡ５、Ａ６間を通過して屈曲が長期に亘って繰り返されると疲労によって破断し、作動アームＡ３の落下事故を招く虞があった。
また、作動アームＡ３を支えているワイヤＡ４の直径を大きくしたり、これを屈曲案内するためのガイドプーリＡ５、Ａ６の直径を大きくすると、荷重補償を行うための前述したような装置各部の幾何学的関係が狂い、完全な補償が行えなくなるため、大きな荷重が作用する作動アームへの適用が難しかった。
そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解消し、大きな荷重が作用する作動アームの荷重補償が可能であるとともに、安全性と耐久性に優れた荷重補償装置を提供することを目的とする。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材とを備え、第１枢着部の中心位置と第２枢着部の中心位置間の距離をｈ、第１枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離をｐ、作動アームが保持する物体の重量と当該作動アームの自重を合わせた総重量に等価な荷重をＷ、前記荷重Ｗの作動アーム上の作用点と第１枢着部の中心位置間の距離をＬ、作動シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ１、補償シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ2とするとき、前記ばね部材は、そのばね定数が（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ）であり、且つ、第２枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離がＬSのときに、自然長より（Ｓ2／Ｓ1）ＬSだけ弾性変形していることを特徴とするものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、第１枢着部の中心位置と第２枢着部の中心位置間の距離をｈ、第１枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離をｐ、作動アームが保持する物体の重量と当該作動アームの自重を合わせた総重量に等価な荷重をＷ、前記荷重Ｗの作動アーム上の作用点と第１枢着部の中心位置間の距離をＬ、作動シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ1、補償シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ2とするとき、前記ばね部材は、そのばね定数が（Ｓ2／Ｓ1）2（ＷＬ／ｐｈ）であり、且つ、第２枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離がＬSのときに、自然長より（Ｓ1／Ｓ2）ＬSだけ弾性変形していることを特徴とするものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、第１枢着部の中心位置と第２枢着部の中心位置間の距離をｈ、第１枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離をｐ、作動アームが保持する物体の重量と当該作動アームの自重を合わせた総重量に等価な荷重をＷ、前記荷重Ｗの作動アーム上の作用点と第１枢着部の中心位置間の距離をＬ、作動シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ1、補償シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ2とするとき、前記ばね部材は、そのばね定数が（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ）であり、且つ、第２枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離がＬSのときに、自然長より（Ｓ1／Ｓ2）ＬSだけ弾性変形しているとともに、前記作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されることを特徴とするものである。
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、第１枢着部の中心位置と第２枢着部の中心位置間の距離をｈ、第１枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離をｐ、作動アームが保持する物体の重量と当該作動アームの自重を合わせた総重量に等価な荷重をＷ、前記荷重Ｗの作動アーム上の作用点と第１枢着部の中心位置間の距離をＬ、作動シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ1、補償シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ2とするとき、前記ばね部材は、そのばね定数が（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ）であり、且つ、第２枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離がＬSのときに、自然長より（Ｓ1／Ｓ2）ＬSだけ弾性変形しているとともに、前記作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されることを特徴とするものである。
本発明の荷重補償装置によれば、作動アームに作用する荷重を作動シリンダで受け、これを、作動シリンダと管路で連結された補償シリンダを介してばね部材に伝達する構造であるため、従来のワイヤと引張コイルばねを用いている荷重補償装置のように、ワイヤの摩耗や疲労による破断で作動アームの落下事故を起こす虞がなく、大きな荷重に対応できるとともに、高い安全性と耐久性が得られる。
耐久性が得られる。
作動シリンダと補償シリンダの間を管路で連結するので、補償シリンダとばね部材の設置場所の自由度が大きい。また、作動シリンダと補償シリンダの受圧面積比を変えることで、作動シリンダのピストンロッドに発生する引張力と伸縮変位間の見かけ上のばね定数を前記受圧面積比の２乗倍の範囲で選択できるため、荷重補償装置としての設計の自由度が大きく、広範囲な重量に対応することができる。
本発明の荷重補償装置は、作動シリンダとそのピストンロッドは、反対向きにして、ピストンロッド側を第２枢着部に、作動シリンダ側を第３枢着部に連結したレイアウトが可能であり、必要に応じて、これら双方の方式の何れかを選択できるため、設計の自由度が大きい。
本発明の荷重補償装置によれば、更に、作動アームの荷重補償に用いている作動シリンダや補償シリンダが作動アームを駆動する駆動機構を兼ねているため、別途駆動シリンダ装置等を設ける必要がなく、装置の小型化、軽量化を図ることができるとともに、保守が簡単で製作コストを削減することができる。
本発明に係る作動シリンダを使用した荷重補償装置の実施例１の概略図。 作動シリンダの縦断面図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例２の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例３の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例４の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例５の概略図。 本発明に係る荷重補償装置の実施例６の概略図。 実施例６の作動シリンダの支持構造の部分図。 作動シリンダと補償シリンダを一体化した荷重補償装置の模式図。 従来の荷重補償装置の概略図。 従来の荷重補償装置の各部の幾何学的関係を示す模式図。
以下、本発明を図面の実施例を参照して説明する。
実施例１
図１は、本発明の荷重補償装置の実施例１の概略図であって、同図に示す荷重補償装置１０１は、床面に固定された支持体１０２を有している。この支持体１０２には、水平な軸１０３（第１枢着部）によって、作動アーム１０４がこの軸１０３回りに回動自在に支持されている。
また、支持体１０２の軸１０３の中心Ｏから鉛直上方に距離ｈだけ離れた位置にあるＡ点には、作動シリンダ１０５がそのヘッド側に固定されている連結ロッド１０６を介して、前記軸１０３と平行な軸１０７(第２枢着部）で回動自在に支持されている。
図２に示すように、作動シリンダ１０５のシリンダ室１０５Ａ内には、ピストンロッド１０８の一端に設けられたピストン１０８Ａがスライド自在に嵌挿されている。また、前記シリンダ室１０５Ａ周壁のロッド側の端部とヘッド側の端部にはそれぞれシリンダ室１０５Ａ内を外部と連通するためのポートＰ１、Ｐ２が設けられている。
図１に示すように、シリンダ室１０５Ａから突出しているピストンロッド１０８の端部は、軸１０３（第１枢着部）の中心であるＯ点から距離ｐだけ離れた、作動アーム１０４の長手方向途中位置Ｂ点に、軸１０３と平行な軸１０９（第３枢着部）で回動自在に連結されている。
支持体１０２の近傍には、補償シリンダ１１０が固定枠１１１上に設置されている。補償シリンダ１１０内には、ピストン１１２Ａが設けてあり、ピストンロッド１１２がシリンダ上方に突出している。
前記ピストンロッド１１２の上端は、可動枠１１３の下面に連結されている。この可動枠１１３は、ピストンロッド１１２と一体となって上下変位できるように、図示していないガイド手段を介して固定枠１１１に保持されている。また、固定枠１１１と可動枠１１３の間には、補償シリンダ１１０と並列に圧縮コイルばね１１４（ばね部材）が、自然長より所定長さ圧縮された状態で組み込まれている。
補償シリンダ１１０は、前述の作動シリンダ１０５と同様に、シリンダ室１１０Ａのロッド側の端部とヘッド側の端部にそれぞれ外部と流通するための２つのポートＰ１、Ｐ２を有していて、補償シリンダ１１０の作動流体が充填してある側のポートＰ１と作動シリンダ１０５側のポートＰ１は管路１１５で連結されている。
作動シリンダ１０５のシリンダ室１０５Ａのロッド側と、補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのロッド側、ならびに管路１１５内には作動流体が満たされている。この作動流体は、一般的には油のような非圧縮性流体が用いられている。
また、作動シリンダ１０５と補償シリンダ１１０にそれぞれ設けられているポートＰ２は、何れも大気に開放されている。
この荷重補償装置１０１において、作動アーム１０４を軸１０３の回りに回転させると、ピストンロッド１０８がシリンダ１０５内のピストン１０８Ａを移動させ、この動きは作動流体を介して補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａに伝達される。
ここで、作動シリンダ１０５のピストン１０８ＡがＬ1だけシリンダ内を移動したとき、補償シリンダ１１０側のピストン１１２Ａは、連動してＬ2だけ移動する。作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａの受圧面積をＳ1、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａの受圧面積をＳ2とすると、作動流体が非圧縮性流体とすると、作動シリンダ１０５側で流出（または流入）する作動流体の容積は、補償シリンダ側で流入（流出）する容積に等しいから、
Ｌ1Ｓ1＝Ｌ2Ｓ2 （１）
圧縮コイルばね１１４のばね定数をＫとすると、これが自然長からＬ2だけ圧縮された時に補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａに作用する力Ｆは、
Ｆ＝ＫＬ2 （２）
補償シリンダ１１０から作動流体を介して作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａに伝達される力をｆとすると、パスカルの原理により、
ｆ＝（Ｓ1／Ｓ2）Ｆ （３）
（３）式に（１）式と（２）式を適用すると、
ｆ＝（Ｓ1／Ｓ2）ＫＬ2＝（Ｓ1／Ｓ2）2 ＫＬ1 （４）
ここで、ｋ＝（Ｓ1／Ｓ2）2 Ｋ とおくと、ｆ＝ｋＬ1と表せるから、作動シリンダ１０５は見かけ上、ばね定数ｋのばねと等価とみなせる。
ここで、作動アーム１０４が図示していないワーク等を保持しており、このワークの重量と作動アーム１０４の自重とを合わせた総重量に等価な荷重ＷがＯ点から距離Ｌ離れた作用点Ｇに鉛直方向に作用している場合を考える。
ｋ＝ＷＬ／ｐｈとし、Ｌ1を軸１０７（第２枢着部）の中心位置Ａ点と軸１０９（第３枢着部）の中心位置Ｂ点間の距離Ｌｓとすると、これは、先に図１０及び図１１において説明した従来の荷重補償装置における補償原理と同じ原理により、作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく作動アーム１０４に作用する軸１０３（第１枢着部）回りに作用する負荷トルクを０とする荷重補償を実現することができる。この場合、圧縮コイルばね１１４のばね定数Ｋは次のようになる。
Ｋ＝（Ｓ2／Ｓ1）2ｋ＝（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ） （５）
（５）式から明らかなように、圧縮コイルばね１１４のばね定数Ｋは、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａと作動シリンダ１０５のピストン１０８Ａの受圧面積比の２乗で変化させることができるため、ｐ、ｈ等の選択範囲を広くとれない場合にも、設計自由度を大きくできる。
なお、本実施例の荷重補償装置１０１においては、補償シリンダ１１０と圧縮コイルばね１１４とを固定枠１１１上に並列に配置し、可動枠１１３を介して補償シリンダ１１０のピストンロッド１１２と圧縮コイルばね１１４とを連結しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ピストンロッド１１２と圧縮コイルばね１１４とは同軸上に直列配置したり、圧縮コイルばね１１４を補償シリンダ１１０のヘッド側に内蔵させてピストンを直接付勢するようにしてもよい。
また、本実施例の荷重補償装置１０１においては、圧縮コイルばね１１４を用いているが、ばね部材をこれに限定するものではなく、例えば、ピストンロッド１１２を引張コイルばねに連結して、圧縮コイルばね１１４と同等の付勢力を得るようにしてもよい。
なお、作動シリンダ１０５と補償シリンダ１１０間を連結する管路１１５の途中に開閉弁やアキュムレータ等を組み込むことで、作動アーム１０４のロックやインピーダンス調整の機能を簡単に付加することができる。
実施例２
図３は、本発明に係る荷重補償装置の実施例２の概略図であって、同図に示す荷重補償装置１０１Ａは、作動シリンダ１０５’のピストンロッド１０８’側の端部外周面を軸１０７’（第２枢着部）で回動自在に支持体１０２に支持したもので、同図において、図１中の番号と同じ番号で示す部分は、前述した荷重補償装置１０１と略同一構成である。
図３に示す荷重補償装置１０１Ａは、前述した荷重補償装置１０１と荷重補償の原理は同じであるが、作動シリンダ１０５’のロッド側の端部位置を支持体１０２に軸１０７’で回転可能に支持させたことで、ピストンロッド１０８’のストロークを長くとることができ、作動アーム１０４の回動範囲を大きくとれる利点がある。
実施例３
図４に示す荷重補償装置１０１Ｂは、前述した荷重補償装置１０１Ａの補償シリンダ１１０のヘッド側ポートＰ２と、作動シリンダ１０５’のヘッド側ポートＰ２に、それぞれ駆動用作動流体を供給し、または、排出するための一対の駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂを更に追加したものであって、その他の部分については、図３に示す荷重補償装置１０１Ａと略同一構成である。
この荷重補償装置１０１Ｂは、駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂが図示していない駆動流体回路に接続されている。この駆動流体回路としては、例えば、油圧ポンプや方向切換弁等からなる周知の油圧回路等が用いられる。
この実施例のものにおいては、圧縮コイルばね１１４（ばね部材）の反発力によって、作動アーム１０４に軸１０３（第１枢着部）回りに作用している負荷トルクが補償されている状態において、一方の駆動管路１１６Ａから補償シリンダ１１０へ作動流体を供給すると、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａは押し上げられる。
その結果、シリンダ室１１０Ａのロッド側の流体はポートＰ１から押し出され、管路１１５を通って作動シリンダ１０５’のポートＰ１からシリンダ１０５’内に流入し、ピストンを押し上げるのでロッド１０８’によって作動アーム１０４は反時計回りに回動して作動アーム１０４は上昇する。
図示していないが、荷重補償装置１０１Ｂの作動シリンダ１０５’は、ヘッド側のシリンダ室内にも作動流体が満たされており、ピストンの移動によって、この作動流体は駆動管路１１６Ｂを通って駆動流体回路側に還流される。
逆に、駆動流体管路１１６Ｂを通して作動シリンダ１０５’へ作動流体を供給した場合には、作動アーム１０４は、時計回りに回動して下がり、作動シリンダ１０５’のロッド側シリンダ室内の流体は、ポートＰ１から管路１１５を通って補償シリンダ１１０のポートＰ１からシリンダ室１１０Ａのロッド側に流入する。
その結果、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａが下方に押され、ピストンロッド１１２、可動枠１１３が一体となって降下し、圧縮コイルばね１１４が更に圧縮されて反発力が高まり、その高まった反発力によって、作動アーム１０４の時計回りの回動で増加した負荷トルクを補償する。
本実施例においては、作動アーム１０４の荷重補償に用いている作動シリンダ１０５’や補償シリンダ１１０で作動アーム１０４の駆動機構を兼ねているため、別途駆動シリンダ装置等を設ける必要がない。
なお、本実例の荷重補償装置１０１Ｂにおいては、駆動用管路１１６Ａ、１１６Ｂの両方を図示していない駆動流体回路に接続しているが、何れか一方を省略してもよい。その場合には、管路が接続されていない作動シリンダ１０５’または補償シリンダ１１０のポートＰ２は大気中に開放しておく。
そして、補償シリンダ１１０と作動シリンダ１０５’の何れかのポートＰ２に接続されている駆動流体管路を介して、駆動用流体回路から流体を供給するか、あるいは負圧にして吸引すれば、作動アーム１０４を反時計まわり、または時計回りのいずれの方向にも回動させることができる。
実施例４
図５に示す荷重補償装置１０１Ｃは、作動シリンダ１０５’のシリンダ室１０５’Ａのヘッド側と補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのヘッド側に作動流体が満たされており、作動シリンダ１０５’のヘッド側のポートＰ２と、補償シリンダ１１０のヘッド側のポートＰ２間を管路１１５で連結し、それぞれのロッド側のポートＰ１は大気中に開放してある点を除いて、前述した図３に示す荷重補償装置１０１Ａと同一構成となっている。
本実施例の荷重補償装置１０１Ｃにおいては、作動シリンダ１０５’のピストンロッド１０８’に作用する引張荷重によって、作動シリンダ１０５’のシリンダ室１０５’Ａのヘッド側に生じる負圧を、管路１１５を通して補償シリンダ１１０のシリンダ室１１０Ａのヘッド側へ伝達し、補償シリンダ１１０のピストン１１２Ａを下方へ吸引して圧縮コイルばね１１４（ばね部材）を収縮させるもので、作動シリンダ１０５’のピストンと補償シリンダ１１０のピストンの連係動作においては、先に説明した荷重補償装置１０１、１０１Ａと同様である。
なお、本実例の荷重補償装置１０１Ｃにおいては、作動シリンダ１０５’と補償シリンダ１１０の何れか一方のポートＰ１を駆動流体回路に連結し、他方のポートＰ１を大気中に開放するか、あるいは両方のポートＰ１を駆動流体回路に連結することにより、前述の図４に示す荷重補償装置１０１Ｂと同様に、作動アーム１０４を駆動することが可能である。
実施例５
図６は、本発明に係る荷重補償装置の更に別の実施例を示す概略側面図であって、この荷重補償装置１０１Ｄは、前述した図３の荷重補償装置１０１Ａと基本構造は共通しているが、作動アーム１０４の下方に軸１０３ａで支持体１０２に回動自在に支持された補助作動アーム１０４ａを有している。
作動アーム１０４と補助作動アーム１０４ａの先端部どうしはそれぞれ、軸１１７ａ（第４枢着部）と軸１１７ｂで連結支持体１１８に回動自在に連結されており、支持体１０２、作動アーム１０４、連結支持体１１８、及び、補助作動アーム１０４ａにより、平行リンクが構成されている。
従って、連結支持体１１８は、この平行リンクによって、作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく、常に一定の姿勢が保持されている。
連結支持体１１８には、荷Ｃを吊り下げるトロリ１１９を移動自在に案内するトロリ案内レール１２０が片持ち状態で水平に取り付けられている。この荷重補償装置１０１Ｄにおいては、連結支持体１１８には、トロリ案内レール１２０、トロリ１１９、荷Ｃの合計重量の等価な荷重Ｗ’が作用点Ｇ’に作用すると、連結支持体１１８には、前記荷重Ｗ’により、軸１１７ａ（第４枢着部）回りに負荷トルクが作用するが、支持体１０２、作動アーム１０４、連結支持体１１８、及び、補助作動アーム１０４ａからなる平行リンク機構で構成された平行運動機構によって、前記負荷トルクは、作動アーム１０４や補助作動アーム１０４ａに加わることはない。
従って、作動アーム１０４には、その自重と補助作動アーム１０４ａ、連結支持体１１８を合わせた重量と、前記荷重Ｗ’を合わせた荷重Ｗが作用点Ｇに作用するものとして、圧縮コイルばね１１４のばね定数を選択すれば、トロリ案内レール１２０上のトロリ１１９の位置に関係なく、作動アーム１０４を任意の角度でバランスさせることができる。
なお、連結支持体１１８を作動アーム１０４の傾斜角度に関係なく、常に一定姿勢に保持するための平行運動機構としては、前述した平行リンク機構のみに限定するものではなく、図示は省略するが、例えば、連結支持体１１８が作動アーム１０４の角度によらずに一定の姿勢を保つように、支持体１０２と作動アーム１０４間、及び、作動アーム１０４と連結支持体１１８間にそれぞれ管路で互いに連結されて両方のピストンロッドが同期するようにした一対の液圧シリンダ装置を組み込んで平行運動機構を構成してもよい。
また、図示は省略するが、平行運動機構を、例えば、支持体１０２の軸１０３の位置と、連結支持体１１８の軸１１７ａの位置にそれぞれ同一歯数の歯付プーリを固定して、これらの歯付プーリ間にタイミングベルトを掛け渡して構成したり、また、支持体１０２と連結支持体１１８間を、作動アーム１０４と平行なワイヤで連結して構成してもよい。
また、荷重補償装置１０１Ｄにおいては、連結支持体１１８にトロリ案内レール１２０を取り付けているが、これに限らず、例えば、連結支持体１１８に２段目の作動アームを回動自在に支持させ、連結支持体１１８とこの２段目の作動アームの間にも作動シリンダを組み込んで、２段目の作動アームに作用する荷重に対しても、前述した各荷重補償装置と同じ原理で荷重補償を行えるようにしてもよい。
更に、前述した各荷重補償装置１１０、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄにおいては、第１枢着部どうしが水平な同一直線上に並ぶように複数の作動アームを並列し、それぞれの作動アームの作動シリンダを共通の補償シリンダに連結して、これらの作動アームを協働させるようにしてもよい。
この場合、各作動アーム上に底面の高さが均一でない物品を保持させると、それぞれの作動アームは、物品の底面形状に適合するように相互の上下位置調整が自動的に行われて各作動アームに物品の重量が均等に負荷され、各作動アームを荷重補償されている状態で一緒に上下動させることができる。但し荷重補償装置１０１Ｄの場合は、トロリ案内レール１２０の代わりに、連結支持体１１８に保持アームを取り付け、その上に物品を保持させればよい。
支持体１１８に保持アームを取り付け、その上に物品を保持させればよい。
実施例６
図７は、本発明に係る荷重補償装置の更に別の実施例を示す概略斜視図であって、同図に示す荷重補償装置１０１Ｅにおいては、作動アーム１０４Ａは、支持体１０２Ａ上に、第１枢着部となるＯ点で互いに直交するＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りに回動できるように支持されている。
なお、同図において、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、作動アーム１０４ＡをＰｉｔｃｈ軸回りに揺動させるアクチュエータ、Ｍ２は、Ｒｏｌｌ軸回りに傾動させるアクチュエータ、Ｍ３は、Ｙａｗ軸回りに旋回させるアクチュエータを模式的に示している。
また、Ｏ点から鉛直上方に離間した定位置Ａ点には、図示を省略しているが、図８に示すように、作動シリンダ１２２のロッド側端部が第２枢着部を構成するジンバル機構１２１のジンバル枠１２１Ａを介して、互いに軸線の延長線がＡ点で直交する２組の軸１２１Ｂ、１２１Ｃ回りに回動可能にジンバル支持枠１２１Ｄに支持されている。ジンバル支持枠１２１Ｄは、支持体１０２Ａ上方にこれに対して相対的に固定された位置関係で設けられている。
また、作動シリンダ１２２のピストンロッド１２３の先端部は、作動アーム１０４Ａの長手方向途中位置Ｂ点に設けた第３枢着部において回動自在に連結されている。第３枢着部は、図示は省略しているが、作動アーム１０４ＡのＰｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸、Ｙａｗ軸の各軸回りの回動に追従可能なボールジョイント等を用いて構成されている。
作動シリンダ１２２は、前述した図３の荷重補償装置１０１Ａのものと略同一構造であり、第２枢着部における連結構造のみが異なる。また、図３と同じ番号で示す部分は、荷重補償装置１０１Ａと同一構造となっている。
図７において、第１枢着部の中心Ｏ点、第２枢着部の中心Ａ点、第３枢着部の中心Ｂ点の３点は、常に垂直面内に位置しており、この垂直面内でのこれらの枢着部の配置は、図３の荷重補償装置１０１Ａにおける軸１０３、軸１０７’、軸１０９間の配置と同じ幾何学的関係になっている。
従って、作動アーム１０４Ａは、第１枢着部の中心Ｏ点回りにどのような方向に回動した位置においても、荷重補償装置１０１Ａと同じ原理によって荷重補償を行うことができ、各アクチュエータＭ１、Ｍ２、Ｍ３の負担を低減することができる。
前述した、本発明の各実施例における荷重補償装置１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅは、何れも作動シリンダを支持体に対する作動アームの回動中心である第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に第２枢着部で回動自在に支持し、一方、作動シリンダ内にピストンが嵌挿されているピストンロッドを前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結している構成となっているが、作動シリンダとそのピストンロッドは、反対向きにして、ピストンロッド側を第２枢着部に、作動シリンダ側を第３枢着部に連結したレイアウトが可能であり、必要に応じて、これら双方の方式の何れかを選択できるため、設計の自由度が大きい。
実施例１〜６の荷重補償装置１０１、１０１Ａ、１０２Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅにおいて、作動シリンダ１０５、１０５’、１２２のピストンの受圧面積Ｓ１と補償シリンダ１１０のピストン受圧面積Ｓ２とを、Ｓ１＝Ｓ２と等しくし、かつ、管路１１５を省略して両シリンダを直列に連結すると、図９に示す構成となる。
本発明の荷重補償装置は、作動アームを備えたロボットやマニピュレータの他、簡易型ジブクレーン、更に、２段式駐輪設備の傾動式の車輪保持レールや電気スタンドのアーム、電動工具の吊下保持アーム等、種々な分野における荷重補償装置として幅広く利用可能である。
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅ 荷重補償装置
１０２，１０２Ａ 支持体
１０３ 軸（第１枢着部）
１０３ａ 軸
１０４，１０４Ａ 作動アーム
１０４ａ 補助作動アーム
１０５、１０５’ 作動シリンダ
１０５Ａ シリンダ室
１０６ 連結ロッド
１０７、１０７’ 軸（第２枢着部）
１０８、１０８’ ピストンロッド
１０８Ａ ピストン
１０９ 軸（第３枢着部）
１１０ 補償シリンダ
１１０Ａ シリンダ室
１１１ 固定枠
１１２ ピストンロッド
１１２Ａ ピストン
１１３ 可動枠
１１４ 圧縮コイルばね（ばね部材）
１１５ 管路
１１６Ａ、１１６Ｂ 駆動用管路
１１７ａ 軸（第４枢着部）
１１７ｂ 軸
１１８ 連結支持体
１１９ トロリ
１２０ トロリ案内レール
１２１ ジンバル機構（第２枢着部）
１２１Ａ ジンバル枠
１２１Ｂ、１２１Ｃ 軸
１２１Ｄ ジンバル支持枠
１２２ 作動シリンダ
１２３ ピストンロッド
本発明の荷重補償装置は、支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材とを備え、第１枢着部の中心位置と第２枢着部の中心位置間の距離をｈ、第１枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離をｐ、作動アームが保持する物体の重量と当該作動アームの自重を合わせた総重量に等価な荷重をＷ、前記荷重Ｗの作動アーム上の作用点と第１枢着部の中心位置間の距離をＬ、作動シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ1、補償シリンダ内のピストンの受圧面積をＳ2とするとき、前記ばね部材は、そのばね定数が（Ｓ2／Ｓ1）2 （ＷＬ／ｐｈ）であり、且つ、第２枢着部の中心位置と第３枢着部の中心位置間の距離がＬSのときに、自然長より（Ｓ2／Ｓ1）ＬSだけ弾性変形していることを特徴とするものである。
実施例１〜６の荷重補償装置１０１、１０１Ａ、１０２Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅにおいて、作動シリンダ１０５、１０５’、１２２のピストンの受圧面積Ｓ1と補償シリンダ１１０のピストン受圧面積Ｓ2とを、Ｓ1＝Ｓ2と等しくし、かつ、管路１１５を省略して両シリンダを直列に連結すると、図９に示す構成となる。

Claims (7)

  1. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動アームから離して設けられ、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備えたことを特徴とする荷重補償装置。
  2. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備えたことを特徴とする荷重補償装置。
  3. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されたピストンロッドと、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、前記作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されることを特徴とする荷重補償装置。
  4. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結された作動シリンダと、前記作動シリンダ内に嵌挿されたピストンを有し、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたピストンロッドと、前記作動シリンダと管路で連結されて前記管路を通る作動流体を介して、前記作動シリンダのピストンと連動するピストンが嵌挿された補償シリンダと、前記補償シリンダのシリンダ室内のピストンを直接、もしくは当該ピストンのピストンロッドを介して付勢し、これに連動する前記作動シリンダのピストンロッドを介して、前記作動アームに負荷される負荷トルクと釣り合う補償トルクを発生させるばね部材を備え、作動シリンダと補償シリンダの少なくとも一方は、相互に管路で連結されている側と反対側のポートが駆動用流体回路と駆動用管路を介して連結され、前記駆動用流体回路から前記ポートに連通するシリンダ室内に作動流体を給排出することにより作動アームが駆動されることを特徴とする荷重補償装置。
  5. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、第１枢着部から前記支持体の鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されたスライダと、前記スライダに、第２枢着部を通過して軸方向にスライド自在に案内保持され、当該スライダから突出する一方の端部が前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に連結されているとともに、前記スライダから突出する他方の端部にばね受部が設けられたガイドロッドと、前記ガイドロッド外周に伸縮自在に遊嵌され、全長が無負荷時の自然長から第２枢着部と第３枢着部間の距離に略等しい長さ分だけ圧縮された状態で、前記ばね受部と前記スライダ間に組み込まれて、前記作動アームに第１枢着部回りに加わる負荷トルクを補償する圧縮コイルばねとを備えたことを特徴とする荷重補償装置。
  6. 支持体と、前記支持体に一方の端部が第１枢着部で回動自在に支持された作動アームと、前記作動アームの長手方向途中位置に第３枢着部で回動自在に支持されたスライダと、前記スライダに、第３枢着部を通過して軸方向にスライド自在に案内保持され、当該スライダから突出する一方の端部が第１枢着部から鉛直上方に離間した定位置に、第２枢着部で回動自在に支持されているとともに、前記スライダから突出する他方の端部にばね受部が設けられたガイドロッドと、前記ガイドロッド外周に伸縮自在に遊嵌され、全長が無負荷時の自然長から第２枢着部と第３枢着部間の距離に略等しい長さ分だけ圧縮された状態で、前記ばね受部と前記スライダ間に組み込まれて、前記作動アームに第１枢着部回りに加わる負荷トルクを補償する圧縮コイルばねとを備えたことを特徴とする荷重補償装置。
  7. 作動アーム先端部に、連結支持体が第４枢着部で回動自在に連結されているとともに、前記作動アームと支持体との間に、当該作動アームの角度によらずに前記連結支持体を一定姿勢に保ち、且つ、当該連結支持体が受ける負荷トルクが作動アームに加わらないようにする平行運動機構を介在させたことを特徴とする請求１乃至６の何れかに記載の荷重補償装置。
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