JP5937783B2

JP5937783B2 - 回動機構

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Publication number: JP5937783B2
Application number: JP2011021474A
Authority: JP
Inventors: 寿郎森田; 泰之山田
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: JP2012161846A

Description

本発明は、例えば、マニピュレータ、荷役機械、建設機械、ロボットアーム、ヒューマノイド等に用いる回動機構に関する。

物資運搬作業、土木作業、組み付け作業等では、垂直平面内で回動する作動リンクを備えた機器が広く利用されている。これらの機器の作動リンクは、水平ないし斜め上方に向けられて使用されることが多い。しかしながら、作動リンクは重力によって常に鉛直下向きの姿勢へと付勢されているので、動力を切断した場合には作動リンクが鉛直下向きの安定姿勢を目指して落下する。このため、作動リンクには常に重力にさからった駆動力を加える必要がある。駆動力を発生させる方法としては、目標の作業姿勢にサーボ機構を用いて安定化させるのが一般的であるが、作業姿勢によって作業精度や駆動効率が低下することがある。そこで、ばねやリンク機構を用いて機構的に任意の作業姿勢に安定化させて、作業精度や駆動効率を向上する技術が用いられている（特許文献１参照）。

特許第４１４４０２１号公報

しかしながら、作動リンクの安定姿勢を機構的に生成する従来技術では、ばね、特殊なリンク配置、ストッパ等の機構を利用しており、安定姿勢への付勢力の程度を運用中に変更することは容易ではない。また、この付勢力は作動リンクの姿勢変化にともなう重力項の変化とは異なる変化をする非線形な力である。このため作業姿勢によっては、作動リンクの運動の複雑化による作業精度の低下、及び不必要な付勢力の抵抗による駆動効率の悪化、という２つの問題が生じていた．

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンクに付勢力を与えることで、作動リンクがいかなる作業姿勢であっても安定姿勢となる回動機構を提供することを目的とする。

鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材と、
前記鉛直支持部材に回動可能に支持されると共に、前記鉛直支持部材に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材と、
前記鉛直支持部材に回動可能に支持される作動リンクと、
前記傾斜支持部材と前記作動リンクとを連結する弾性部を含む連結部と、
を有し、
以下の式（１）乃至式（５）を満足することを特徴とする回動機構。

ただし、
ｋは、前記弾性部の弾性率、
ｍは、前記作動リンクの重心位置にかかる質量、
ｇは、前記作動リンクの重心位置の重力加速度、
ｌは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記重心位置までの距離、
ｐは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記作動リンクと前記連結部とを連結する作用点までの距離、
ｈは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記傾斜支持部材が前記連結部を支持する基点までの距離、
θ ₁ は、前記傾斜支持部材の前記鉛直支持部材に対する角度、
αは、補償倍率、
βは、水平面に対する前記作動リンクの角度、
γは、仮想重力
である。

また、前記弾性部は、バネを含むことを特徴とする。

また、前記連結部は、一方を前記基点に支持され、他方を前記バネの一方に連結されるワイヤと、前記バネの他方を前記作動リンクに取り付ける取付部と、前記作動リンクに支持され、前記作用点を含む前記ワイヤの引張方向を変換する方向変換部材と、を有することを特徴とする。

また、前記連結部は、一方を前記作動リンクに回動可能に支持され、他方を前記バネの一方と連結される連結アームと、前記バネの他方と連結され、前記基点で前記傾斜支持部材に回動可能に支持されると共に前記連結アームを摺動可能に支持する基部と、を有することを特徴とする。

また、前記連結部は、一方を前記傾斜支持部材に回動可能に支持され、他方を前記バネの一方と連結される連結アームと、前記バネの他方と連結され、前記作用点で前記作動リンクに回動可能に支持されると共に前記連結アームを摺動可能に支持する基部と、を有することを特徴とする。

また、前記弾性部は、流体を含むことを特徴とする。

また、前記連結部は、前記傾斜支持部材に回動可能に支持される作動シリンダと、一方に前記作動シリンダ内を摺動するピストンを有し、他方で前記作動リンクに回動可能に支持される作動ロッドと、一方で流体で満たされた前記作動シリンダの一方の作動シリンダ室と連結される作動用管路と、前記作動シリンダ室とは断面積が異なり前記作動用管路の他方と連結される流体で満たされた一方の補償シリンダ室を有する補償シリンダと、一方に前記補償シリンダ内を摺動するピストンを有する補償ロッドと、前記補償ロッドの他方を支持すると共に、前記バネの一方を支持する可動部と、前記補償シリンダを支持すると共に、前記バネの他方を支持する固定部と、を有することを特徴とする。

また、前記連結部は、一方で前記他方の作動シリンダ室と連結される第１駆動用管路と、一方で前記他方の補償シリンダ室と連結される第２駆動用管路と、前記第１駆動用管路の他方と前記第２駆動用管路の他方と接続される駆動用流体回路と、を有することを特徴とする。

本発明の回動機構では，任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンクに付勢力を与えることで、作動リンクがいかなる作業姿勢であっても、作動後、所定の安定姿勢にすることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンクが鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。

第１実施形態の回動機構を示す図である。第１実施形態の回動機構を示す側面図である。第１実施形態の回動機構の幾何学関係を示す図である。第２実施形態の回動機構を示す図である。仮想重力ベクトルと重力ベクトルの関係を示す図である。 Φ傾斜した平面を示す図である。 Θ傾斜した平面を示す図である。第３実施形態の回動機構を示す図である。第４実施形態の回動機構を示す側面図である。第５実施形態の回動機構を示す側面図である。第６実施形態の回動機構を示す側面図である。第７実施形態の回動機構を示す図である。第８実施形態の回動機構を示す側面図である。第９実施形態の回動機構を示す側面図である。回動機構の直交３軸を中心とした回転運動を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態の回動機構を示す図、図２は第１実施形態の回動機構を示す側面図である。

第１実施形態の回動機構１は、鉛直方向のｘｙ平面内で回動する１リンクで形成した作動リンクに対して、任意の方向に任意の大きさの重力が作用するような仮想重力ベクトル（γ，β）を生成するものである。

回動機構１は、基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた中心Ｏを含む軸部材４と、軸部材４に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材５と、軸部材４に回動可能に支持される作動リンク６と、傾斜支持部材５と作動リンク６とを連結する連結部１０と、を有し、連結部１０は、弾性部としてのバネ１４を含む。

第１実施形態では、連結部１０は、傾斜支持部材５に設けられる基点Ａを含む基部１１と、作動リンク６に設けられる取付部１２と、一方を基部１１に支持される連結部材としてのワイヤ１３と、一方でワイヤ１３の他方と連結され、他方で取付部１２に取り付けられるバネ１４と、ワイヤ１３の引張方向を変換する作用点Ｂを含む方向変換部材１５と、を含む。なお、Ｇは重心位置である。

図３は第１実施形態の回動機構の幾何学関係を示す図である。第１実施形態の回動機構は、図１及び図２の基部１１に含まれる基点Ａを鉛直方向から角度θ₁だけ傾斜可能とし、重心位置Ｇの配置や図１及び図２の軸部材４に含まれる中心Ｏから図１及び図２の方向変換部材１５に含まれる作用点Ｂまでの距離ｐと中心Ｏから基点Ａまでの距離ｈの積を調整して、図１及び図２に示した作動リンク６に対して、水平方向からの傾き角度βの方向に、補償倍率αを任意に設定可能な大きさγの仮想重力を生成することができる。

簡単のため、垂直平面での回動のみを考える。図１のパラメータと、構成したい大きさγの仮想重力と水平方向からの傾き角度βにより決定される補償倍率αを用いて、図１及び図２に示す回動機構１に用いるバネ１４のバネ定数ｋを求めると、

となる。また、

と表せる。さらに、基点Ａの傾き角度、すなわち鉛直支持部材３に対する傾斜支持部材５の角度θ₁を

と設定すれば、

と仮想重力ベクトル（γ，β）が生成される。

途中で仮想重力の設定値を変更したい場合、基点Ａの傾き角度θ₁は直接変更し、補償倍率αは間接的に調整する。例えば、補償倍率をα₁からα₂に変更したい場合、以下の３通りの方法がある。

（１）ｐ，ｈを調整して、ｐｈの積をα₂／α₁倍する。
（２）回転中心Ｏから重心への距離ｌをα₁／α₂倍する。
（３）上記（１）と（２）の２つの方法を組み合わせる。

このように設定することで、図１及び図２に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

したがって、任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンク６に付勢力を与えることで、作動リンク６がいかなる作業姿勢であっても所定の安定姿勢に戻ることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンク６が鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。

次に、第２実施形態について説明する。

図４は、第２実施形態の回動機構を示す図、図５は仮想重力ベクトルと重力ベクトルの関係を示す図、図６はΦ傾斜した平面を示す図、図７はΘ傾斜した平面を示す図である。

第２実施形態の回動機構１は、作用点Ｂを含む作動リンク６が、ｘｙ平面よりｘ軸を軸にΘ傾いた平面内を回動し、基点Ａを含む傾斜支持部材５がｘｙ平面よりｘ軸を軸にΦ傾いているものである。

単位ベクトルの大きさを重力の大きさと同じにした座標をとると、図５に示すように、

という関係となる。式（６）をパラメータ表示すると、

の関係が成り立つ。

図４に示すような、作動リンク６がｘｙ平面よりｘ軸を軸にΘ傾いた平面内を回動し、基点Ａがｘｙ平面よりｘ軸を軸にΦ傾いている場合を考える。ただし、紙面手前回りを正とする。Θ傾いた平面をＸＹ平面と新たに定義する。

この平面内を回動する作動リンク６の釣り合いを考える。Θ傾いたＸＹ平面内での重力ベクトルgの影gΘ、図６に示すようにΦ傾いた平面内にある基部Ａから伝達されるΘ傾いたＸＹ平面内でのバネ力によるベクトルgΦ_Nと、図７に示すようにΘ傾いた平面内での仮想重力ベクトルをgΘ_H(γ’，β')とおくと、

の関係がなりたつ。

このとき、

として、仮想重力ベクトルgΘ_H(γ’，β')が設定可能となる。

このように設定することで、図４に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率と傾斜角度により決まる大きさγの仮想重力により、設定された３次元空間内の任意の位置に自然に戻ることになる。

したがって、３次元空間内で任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンク６に付勢力を与えることで、作動リンク６がいかなる作業姿勢であっても所定の安定姿勢に戻ることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンク６が鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。

次に、第３実施形態について説明する。

図８は、第３実施形態の回動機構を示す図である。第３実施形態の回動機構１は、基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた第１中心Ｏ₁を含む第１軸部材４₁と、第１軸部材４₁に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な第１傾斜支持部材５₁と、一方で第１軸部材４₁に回動可能に支持される第１作動リンク６₁と、第１傾斜支持部材５₁に対して回動可能に支持されて第１作動リンク６₁と平行なリンクを形成する平行リンク部材７と、第１作動リンク６₁の他方に設けた第２中心Ｏ₂を含む第２軸部材４₂と、一方で第１作動リンク６₁に対して回動可能に第２軸部材４₂に支持され、他方で平行リンク部材７に回動可能に支持され、第１傾斜支持部材５₁と平行に回動する第２傾斜支持部材５₂と、第２軸部材４₂に回動可能に支持される第２作動リンク６₂と、第１傾斜支持部材５₁と第１作動リンク６₁とを連結する第１連結部１０₁と、第２傾斜支持部材５₂と第２作動リンク６₂とを連結する第２連結部１０₂と、を有する。なお、Ｇ１は第１重心位置、Ｇ２は第２重心位置である。

第１連結部１０₁は、第１傾斜支持部材５₁に設けられる第１基点Ａ₁を含む第１基部１１₁と、第１作動リンク６₁に設けられる第１取付部１２₁と、一方を第１基部１１₁に支持される第１連結部材としての第１ワイヤ１３₁と、一方で第１ワイヤ１３₁の他方と連結され、他方で第１取付部１２₁に支持される第１弾性部としての第１バネ１４₁と、第１ワイヤ１３₁の引張方向を変換する第１作用点Ｂ₁を含む第１方向変換部材１５₁と、を有する。

また、第２連結部１０₂は、第２傾斜支持部材５₂に設けられる第２基点Ａ₂を含む第２基部１１₂と、第２作動リンク６₂に設けられる第２取付部１２₂と、一方を第２基部１１₂に支持される第２連結部材としての第２ワイヤ１３₂と、一方で第２ワイヤ１３₂の他方と連結され、他方で第２取付部１２₂に支持される第２弾性部としての第２バネ１４₂と、第２ワイヤ１３₂の引張方向を変換する第２作用点Ｂ₂を含む第２方向変換部材１５₂と、を有する。

第３実施形態では、２つの作動リンク６₁，６₂を連結したが、図示しない３つ以上の作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nを連結してもよい。このように複数の作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nを用いて回動機構１を構成することで、垂直平面内で回動し，先端の作動リンク６ｎ以外が平行リンク機構で直列に複数個連結された作動リンク６₁，６₂，・・・６_n-1，６_nに対して、任意の方向と任意の大きさの重力が働いているかのような仮想重力のベクトルを、最も基台２に近い基部Ａ₁の鉛直方向を基準とした傾き角度θ₁と、それぞれの作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nのそれぞれの基部Ａ₁，Ａ₂，・・・Ａ_(n-1)，Ａ_nに対する傾きに比例するように発揮されるバネ力のバネ定数の倍率と、を調整する簡単な設定により自由に生成できる。

つまり、図８に示したような複数の作動リンク６₁，６₂，・・・６_n-1，６_nは、作動後、それぞれの補償倍率と傾斜角度により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向から所定の傾き角度の位置に自然に戻ることになる。

したがって、任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nに付勢力を与えることで、作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nがいかなる作業姿勢であっても安定姿勢に戻ることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nが鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。

また、それぞれ個々の作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nの仮想重力の生成ができることにより、例えば、垂直平面内で複数連結された作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nを自由な形で平衡させることが可能となり、設計の自由度を増やすことが可能となる。

次に、第４実施形態について説明する。

図９は、第４実施形態の回動機構を示す図である。第４実施形態の回動機構１は、基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた第１中心Ｏ₁を含む第１軸部材４₁と、第１軸部材４₁に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な第１傾斜支持部材５₁と、一方で第１軸部材４₁に回動可能に支持される第１作動リンク６₁と、第１傾斜支持部材５₁に対して回動可能に支持されて第１作動リンク６₁と平行なリンクを形成する平行リンク部材７と、第１作動リンク６₁の他方に設けた第２中心Ｏ₂を含む第２軸部材４₂と、一方で第１作動リンク６₁に対して回動可能に第２軸部材４₂に支持され、他方で平行リンク部材７に回動可能に支持され、第１傾斜支持部材５₁と平行に回動するリンク支持部材としての第１リンク支持部材８₁と、第２軸部材４₂に回動可能に支持されると共に、第１リンク支持部材８₁に対して所定の角度に設定可能な第２傾斜支持部材５₂と、第２軸部材４₂に回動可能に支持される第２作動リンク６₂と、第１傾斜支持部材５₁と第１作動リンク６₁とを連結する第１連結部１０₁と、第２傾斜支持部材５₂と第２作動リンク６₂とを連結する第２連結部１０₂と、を有する。なお、Ｇ１は第１重心位置、Ｇ２は第２重心位置である。

第２連結部１０₂は、第２傾斜支持部材５₂に設けられる第２基点Ａ₂を含む第２基部１１₂と、第２作動リンク６₂に設けられる第２取付部１２₂と、一方を第２基部１１₂に支持される第２連結部材としての第２ワイヤ１３₂と、一方で第２ワイヤ１３₂の他方と連結され、他方で第２取付部１２₂に支持される第２弾性部としての第２バネ１４₂と、第２ワイヤ１３₂の引張方向を変換する第２作用点Ｂ₂を含む第２方向変換部材１５₂と、を有する。

第４実施形態では、２つの作動リンク６₁，６₂を連結したが、図示しない３つ以上の作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nを連結してもよい。このように複数の作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nを用いて回動機構１を構成することで、垂直平面内で回動し，先端の作動リンク６ｎ以外が平行リンク機構で直列に複数個連結された作動リンク６₁，６₂，・・・６_n-1，６_nに対して、任意の方向と任意の大きさの重力が働いているかのような仮想重力のベクトルを、それぞれの基部Ａ₁，Ａ₂，・・・Ａ_n-1，Ａ_nの鉛直方向を基準とした傾き角度と、それぞれの作動リンク６₁，６₂，・・・６_(n-1)，６_nのそれぞれの基部Ａ₁，Ａ₂，・・・Ａ_(n-1)，Ａ_nに対する傾きに比例するように発揮されるバネ力のバネ定数の倍率と、を調整する簡単な設定により自由に生成できる。

つまり、図９に示したような複数の作動リンク６₁，６₂，・・・６_n-1，６_nは、作動後、それぞれの補償倍率と傾斜角度により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向から所定の傾き角度の位置に自然に戻ることになる。

次に、第５実施形態及び第６実施形態について説明する。第５実施形態及び第６実施形態の回動機構１は、連結部１０の弾性部として、バネ２４を用いたものである。

図１０は、第５実施形態の回動機構を示す図である。

回動機構１は、基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた軸部材４と、軸部材４に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材５と、軸部材４に回動可能に支持される作動リンク６と、傾斜支持部材５と作動リンク６とを連結する連結部２０と、を有し、連結部２０は、弾性部としてのバネ２５を含む。

連結部２０は、傾斜支持部材５に支持される基点Ａを含む基部２１と、作動リンク６に支持される作用点Ｂを含む取付部２２と、基部２１に回動可能に支持されるスライダ２３と、一方を取付部２２に回動可能に支持され、スライダ２３に摺動可能に支持される連結部材としての連結アーム２４と、一方でスライダ２３に支持されるバネ２５と、連結アーム２４の他方に取り付けられ、バネ２５の他方を支持するバネ受け部材２６と、を含む。なお、Ｇは重心位置である。

第５実施形態の回動機構１も第１実施形態と同様に設定することで、図１０に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

したがって、３次元空間内で任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンク６に付勢力を与えることで、作動リンク６がいかなる作業姿勢であっても安定姿勢に戻ることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンク６が鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。

図１１は、第６実施形態の回動機構を示す図である。

第６実施形態の回動機構１は、第５実施形態と同様に、連結部１０の弾性部として、バネ３５を用いたものであるが、前述した図１０に示す第５実施形態の回動機構１とは、連結アーム３４の取り付ける向きを逆にして、バネ３５を作動リンク６の下方に配置した点が異なっている。

回動機構１は、基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた軸部材４と、軸部材４に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材５と、軸部材４に回動可能に支持される作動リンク６と、傾斜支持部材５と作動リンク６とを連結する連結部３０と、を有し、連結部３０は、弾性部としてのバネ３５を含む。

連結部３０は、傾斜支持部材５に回動可能に支持される基点Ａを含む基部３１と、作動リンク６に支持される作用点Ｂを含む取付部３２と、取付部３２に回動可能に支持されるスライダ３３と、一方を基部３１に回動可能に支持され、スライダ３３に摺動可能に支持される連結部材としての連結アーム３４と、一方でスライダ３３に支持されるバネ３５と、連結アーム３４の他方に取り付けられ、バネ３５の他方を支持するバネ受け部材３６と、を含む。なお、Ｇは重心位置である。

第６実施形態の回動機構１も第１実施形態と同様に設定することで、図１１に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

次に、第７実施形態〜第９実施形態について説明する。第７実施形態〜第９実施形態の回動機構１は、連結部４０に流体を用いたものである。

図１２は、第７実施形態の回動機構を示す図である。

回動機構１は、固定部としての基台２と、基台２から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材３と、鉛直支持部材３に設けた軸部材４と、軸部材４に回動可能に支持されると共に、鉛直支持部材３に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材５と、軸部材４に回動可能に支持される作動リンク６と、傾斜支持部材５と作動リンク６とを連結する連結部４０と、を有する。

連結部４０は、傾斜支持部材５に支持される基点Ａを含む基部４１と、作動リンク６に支持される作用点Ｂを含む取付部４２と、基部４１に回動可能に支持される連結部材としての作動シリンダ４３と、取付部４２に回動可能に支持され、作動シリンダ４３の作動シリンダ室４３ａ内にスライド自在に嵌挿されるピストン４４ａを有する連結部材としての作動ロッド４４と、作動シリンダ４３に連結される弾性部４５と、を含む。なお、Ｇは重心位置である。

図１２に示すように、作動シリンダ４３の作動シリンダ室４３ａには、作動ロッド４４の一端に設けられた作動ピストン４４ａがスライド自在に嵌挿されている。また、作動シリンダ室４３ａ周壁の作動ロッド４４側の端部付近と反対側の端部付近にはそれぞれ、シリンダ室４３ａ内を外部と流通するためのポートＰ１、Ｐ２が設けられている。

また、基台２には、補償シリンダ４５ａが設置されている。補償シリンダ４５ａには、一端にピストン４５ｂ₁を有する補償ロッド部４５ｂが上方に突出する向きで取り付けられている。ピストン４５ｂ₁は補償シリンダ４５ａ内の補償シリンダ室４５ａ₁にスライド自在に嵌挿されている。

補償ロッド４５ｂの他端は、可動部４５ｃに連結されている。この可動部４５ｃは、補償ロッド４５ｂ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基台２に保持されている。また、基台２と可動部４５ｃの間には、補償シリンダ４５ａと並列にバネとしての圧縮コイルばね４５ｄが後述するように、あらかじめ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４５ａは、前述した作動シリンダ４３と同様に、補償シリンダ室４５ａ₁の補償ロッド側の端部近傍と反対側の端部近傍にそれぞれ、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４５ａのポートＰ１と作動シリンダ４３ａのポートＰ１は作動用管路としての管路４５ｅによって連結されている。

作動シリンダ４３のシリンダ室４３ａの作動ロッド側内部と、補償シリンダ部４５ａの補償シリンダ室４５ａ₁の補償ロッド側内部、ならびに管路１５内には作動流体が満たされている。この作動流体としては、例えば、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４３と補償シリンダ４５ａにそれぞれ設けられているポートＰ２は、何れも大気中に開放されている。

回動機構１において、作動リンク６を軸部材４回りに上下に回動させると、これに伴って作動シリンダ４３に対して作動ロッド４４が移動する。そうすると、この作動ロッド４４の伸縮変位は管路１５を移動する作動流体を介して、補償シリンダ４５ａの補償ロッド４５ｂに伝達される。

ここで、作動シリンダ４３がＬ₁だけ伸長（収縮）としたとき、補償シリンダ４５ａと補償ロッド４５ｂの全長は、これに連動してＬ₂だけ収縮（伸長）する。作動ピストン４４ａの受圧面積をＳ₁、補償ピストン４５ｂ₁の受圧面積をＳ₂とすると、作動流体が非圧縮性流体とした場合、作動シリンダ４３側で流出（または流入）する作動流体の容積は、補償シリンダに流入（流出）する容積に等しいから、
Ｌ₁Ｓ₁＝Ｌ₂Ｓ₂ （１２）

また、圧縮コイルばね４５ｄ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ロッド４５ｂに作用する力Ｆは、
Ｆ＝ＫＬ₂ （１３）
となる。

また、補償シリンダ４５ａ側から作動流体を介して作動ロッド４４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（１４）
となる。

（３）式に（１）式と（２）式を適用すると、
ｆ＝（Ｓ₁／Ｓ₂）ＫＬ₂＝（Ｓ₁／Ｓ₂）² ＫＬ₁ （１５）
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４３は見かけ上、ばね定数ｋのばねと等価な機能を有すると考えられる。

途中で仮想重力の設定値を変更したい場合、基点Ａの傾き角度θ₁は直接変更し、補償倍率αは間接的に調整する。例えば、補償倍率をα₁からα₂に変更したい場合、シリンダの面積比Ｓ₂／Ｓ₁を（α₂／α₁）^0.5倍する方法がある。

なお、第７実施形態の回動機構１においては、補償シリンダ４５ａと圧縮コイルばね４５ｄとを基台２上に並列に配置し、可動部４５ｃを介して補償シリンダ４５ａの補償ロッド４５ｂと圧縮コイルばね４５ｄとを連結しているが、これに限定するものではなく、例えば、補償ロッド４５ｂと圧縮コイルばね４５ｄとは同軸上に直列配置したり、圧縮コイルばね４５ｄを補償シリンダ４５ａ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、第７実施形態の回動機構１においては、圧縮コイルばね４５ｄも弾性部として用いているが、これに限定するものではなく、例えば、補償ロッド４５ｂを引っ張りコイルばねに連結して、圧縮コイルばね４５ｄ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４３と補償シリンダ４５ａ間を連結する管路１５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４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。

第７実施形態の回動機構１も第１実施形態と同様に設定することで、図１２に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

図１３は、第８実施形態の回動機構を示す図である。

第８実施形態の回動機構１は、補償シリンダ４５ａのヘッド側ポートＰ２と、作動シリンダ４３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、又は、排出するための一対の駆動用管路４５ｆ₁，４５ｆ₂を追加したものである。この場合、駆動用管路４５ｆ₁，４５ｆ₂は、図示していない駆動用流体回路に接続されている。この駆動用流体回路としては、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。

第８実施形態のものにおいては、圧縮コイルばね４５ｄの反発力によって、作動リンク６に軸部材４３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、一方の駆動用管路４５ｆ₁から補償シリンダ部４５ａへ作動流体を供給すると、ピストン４５ｂ₁は押し上げられる。

その結果、補償シリンダ室４５ａ₁のロッド側の流体は押し出され、管路４５ｅを通って作動シリンダ４３のポートＰ１に流入し、作動シリンダ４３と作動ロッド４４の全長が収縮して作動リンク６は上方に回動する。

作動シリンダ４３は、作動ロッドと反対側の作動シリンダ室内にも作動流体が満たされており、作動シリンダ４３と作動ロッド４４の全長の収縮によって、この作動流体は駆動用管路４５ｆ₂を通して駆動用流体源側に還流される。

一方、駆動用管路４５ｆ₂を通して作動シリンダ４３へ作動流体を供給した場合には、作動シリンダ４３と作動ロッド４４の全長が伸長して作動リンク６は、下方へ回動する。その際、作動シリンダ４３の作動ロッド側の作動シリンダ室内の流体はポートＰ１から管路４５ｅへ押し出され、補償シリンダ４５ａのポートＰ１から補償シリンダ室４５ａ₁に流入する。

その結果、ピストン４５ｂ₁が下方に押されて，これとともに、補償ロッド部４５ｂ及び可動部４５ｃが一体となって降下し、圧縮コイルばね４５ｄが圧縮されて、その高まった反発力によって、作動リンク６の下方への回動で増加した負荷トルク分を補償する。

第８実施形態のものにおいては、作動リンク６の荷重補償に用いている作動シリンダ４３や補償シリンダ４５ａで作動リンク６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、第８実施形態の回動機構においては、駆動用管路４５ｆ₁，４５ｆ₂の両方を図示していない駆動用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４３または補償シリンダ４５ａ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４５ａと作動シリンダ４３の何れかのポートＰ２に接続されている駆動用管路を介して、駆動用流体回路から流体を供給、あるいは負圧にして吸引すれは、作動リンク６を上方または下方に回動させることができる。

第８実施形態の回動機構１も第１実施形態と同様に設定することで、図１３に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

図１４は、第９実施形態の回動機構を示す図である。

第９実施形態の回動機構１は、作動シリンダ４３の作動シリンダ室４３ａの作動ロッドとは反対側と補償シリンダ４５ａの補償シリンダ室４５ａ₁の補償ロッド４５ｂとは反対側に作動流体が満たされており、作動シリンダ４３の作動ロッド４４とは反対側のポートＰ２と、補償シリンダ４５ａの補償ロッド４５ｂとは反対側のポートＰ２間を作動用管路としての管路４５ｇ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１２に示した第７実施形態の回動機構１と同一構成となっている。

第９実施形態の回動機構１においては、作動ロッド４４に作用する引っ張り荷重によって、作動シリンダ４３の作動シリンダ室４３ａの作動ロッド４４とは反対側に生じる負圧を、管路４５ｇを通して補償シリンダ４５ａの補償シリンダ室４５ａ₁の補償ロッド４５ｂとは反対側へ伝達し、ピストン４５ｂ₁を下方へ吸引して圧縮コイルばね４５ｄを収縮させるもので、作動ロッド４４と補償ロッド４４ｂの連係動作においては、先に説明した図１２に示した第７実施形態の回動機構１と同様である。

なお、第９実施形態の回動機構１においては、作動シリンダ４３と補償シリンダ４５ａの何れか一方のポートＰ１を、駆動用管路を介して駆動用流体回路に連結し、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、駆動用管路を介して駆動用流体回路に連結することにより、前述した図１３に示す回動機構１と同様に、作動リンク６を駆動することが可能である。

第９実施形態の回動機構１も第１実施形態と同様に設定することで、図１４に示した作動リンク６は、作動後、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、水平方向からの傾き角度βの位置に自然に戻ることになる。

なお、図１２〜図１４に示した第７実施形態〜第９実施形態の基台２は、鉛直支持部材３、補償シリンダ４５ａ及び圧縮コイルばね４５ｄを一つの基台２に固定しているが、それぞれ別々の基台であってもよい。

また、図１０〜図１４に示した第５実施形態〜第９実施形態の回動機構１も図８及び図９に示したように複数のリンクを連結して用いることが可能である。

図１５は、回動機構の直交３軸を中心とした回転運動を示す図である。

前述した第１実施形態〜第９実施形態に示した回動機構１は、図１５に示すように、第１モータ５１、第２モータ５２、及び／又は第３モータ５３を有してもよい。第１モータ５１は、ｘ軸（ロール軸）周りに回転し、傾斜支持部材５、作動リンク６及び連結部１０等を回動させることが可能である。
第２モータ５２は、ｙ軸（ヨー軸）周りに回転し、鉛直支持部材３、傾斜支持部材５、作動リンク６及び連結部１０等を回動させることが可能である。第３モータ５３は、ｚ軸（ピッチ軸）周りに回転し、作動リンク６を回動させることが可能である。なお、傾斜支持部材５は、所定の角度θ₁に設定することが可能であるが、設定は他のモータを用いてもよいし、手動でもよい。

このように、モータを用いた回動機構１であっても、第１実施形態と同様に設定することで、図１５に示した作動リンク６は、作動後、モータの接続を切断すれば、補償倍率αと傾斜角度θ₁により決まる大きさγの仮想重力により、設定された３次元空間内の任意の位置に自然に戻ることになる。

したがって、３次元空間内で任意の方向に任意の大きさの重力を加えることと同等になるように、作動リンク６に付勢力を与えることで、作動リンク６がいかなる作業姿勢であっても安定姿勢に戻ることができる。また、安定姿勢近傍では、制御系が高精度になるうえに駆動効率も向上するため、結果的に機器が飛躍的に省エネになるという効果が期待できる。さらに、脱力状態においても、作動リンク６が鉛直方向に落下しないという安全上の利点も生じる。なお、補償倍率を大きく設定することにより、第３モータ５３によって回生エネルギーを発生させることも可能である。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…回動機構
２…基台
３…鉛直支持部材
４…軸部材
５…傾斜支持部材
６…作動リンク
７…平行リンク
８…リンク支持部材
１０，２０，３０，４０…連結部
１１，２１，３１，４１…基部
１２，２２，３２，４２…取付部
１３…ワイヤ（連結部材）
１４，２４，３４…バネ（弾性部）
１５…方向変更部材
２３，３３…連結アーム（連結部材）
２５，３５…バネ受け部材
４３…作動シリンダ（連結部材）
４４…作動ロッド（連結部材）
４５…弾性部

Claims

鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材と、
前記鉛直支持部材に回動可能に支持されると共に、前記鉛直支持部材に対して所定の角度に設定可能な傾斜支持部材と、
前記鉛直支持部材に回動可能に支持される作動リンクと、
前記傾斜支持部材と前記作動リンクとを連結する弾性部を含む連結部と、
を有し、
以下の式（１）乃至式（５）を満足することを特徴とする回動機構。

ただし、
ｋは、前記弾性部の弾性率、
ｍは、前記作動リンクの重心位置にかかる質量、
ｇは、前記作動リンクの重心位置の重力加速度、
ｌは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記重心位置までの距離、
ｐは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記作動リンクと前記連結部とを連結する作用点までの距離、
ｈは、前記傾斜支持部材が前記鉛直支持部材に支持される点を中心とし、前記中心から前記傾斜支持部材が前記連結部を支持する基点までの距離、
θ ₁ は、前記傾斜支持部材の前記鉛直支持部材に対する角度、
αは、補償倍率、
βは、水平面に対する前記作動リンクの角度、
γは、仮想重力
である。
前記弾性部は、バネを含むことを特徴とする請求項１に記載の回動機構。
前記連結部は、
一方を前記基点に支持され、他方を前記バネの一方に連結されるワイヤと、
前記バネの他方を前記作動リンクに取り付ける取付部と、
前記作動リンクに支持され、前記作用点を含む前記ワイヤの引張方向を変換する方向変換部材と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の回動機構。
前記連結部は、
一方を前記作動リンクに回動可能に支持され、他方を前記バネの一方と連結される連結アームと、
前記バネの他方と連結され、前記基点で前記傾斜支持部材に回動可能に支持されると共に前記連結アームを摺動可能に支持するスライダと、
を有することを特徴とする請求項２に記載の回動機構。
前記連結部は、
一方を前記傾斜支持部材に回動可能に支持され、他方を前記バネの一方と連結される連結アームと、
前記バネの他方と連結され、前記作用点で前記作動リンクに回動可能に支持されると共に前記連結アームを摺動可能に支持するスライダと、
を有することを特徴とする請求項２に記載の回動機構。
前記弾性部は、流体を含むことを特徴とする請求項２に記載の回動機構。
前記連結部は、
前記傾斜支持部材に回動可能に支持される作動シリンダと、
一方に前記作動シリンダ内を摺動する作動ピストンを有し、他方で前記作動リンクに回動可能に支持される作動ロッドと、
一方で流体で満たされた前記作動シリンダの一方の作動シリンダ室と連結される作動用管路と、
前記作動シリンダ室とは断面積が異なり前記作動用管路の他方と連結される流体で満たされた一方の補償シリンダ室を有する補償シリンダと、
一方に前記補償シリンダ内を摺動する補償ピストンを有する補償ロッドと、
前記補償ロッドの他方を支持すると共に、前記バネの一方を支持する可動部と、
前記補償シリンダを支持すると共に、前記バネの他方を支持する固定部と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の回動機構。
前記連結部は、
一方で前記他方の作動シリンダ室と連結される第１駆動用管路と、
一方で前記他方の補償シリンダ室と連結される第２駆動用管路と、
前記第１駆動用管路の他方と前記第２駆動用管路の他方と接続される駆動用流体回路と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の回動機構。