特開 2023-121001 自重補償機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121001

(43)【公開日】2023-08-30

(54)【発明の名称】自重補償機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/00 20060101AFI20230823BHJP

【ＦＩ】

B25J19/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024186

(22)【出願日】2022-02-18

(71)【出願人】

【識別番号】502340996

【氏名又は名称】学校法人法政大学

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】山田 泰之

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707CY23

3C707HT11

3C707HT36

3C707HT39

(57)【要約】

【課題】補償力を変更できる自重補償機構を提供する。
【解決手段】基部２と、基部２に対して回動可能な第１回動部材３と、基部２と第１回動部材３に対して回動可能な第２回動部材４と、第２回動部材４に対する第１回動部材３の回動角度に応じて第１回動部材３を付勢する付勢部５と、所定の条件下となるまで基部２に対して第２回動部材４を所定の回動位置に拘束する拘束部６と、を有する自重補償機構１。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、
前記基部に対して回動可能な第１回動部材と、
前記基部と前記第１回動部材に対して回動可能な第２回動部材と、
前記第２回動部材に対する前記第１回動部材の回動角度に応じて前記第１回動部材を付勢する付勢部と、
所定の条件下となるまで前記基部に対して前記第２回動部材を所定の回動位置に拘束する拘束部と、を有する自重補償機構。

【請求項2】

前記拘束部による拘束が、前記第１回動部材が前記第２回動部材に対して所定角度まで回動することで解除される、請求項１に記載の自重補償機構。

【請求項3】

前記拘束部による拘束が、前記第２回動部材が前記基部に所定値を超えるトルクを与えることで解除される、請求項１又は２に記載の自重補償機構。

【請求項4】

前記拘束部が、前記拘束部による拘束が行われる拘束位置と前記拘束部による拘束が解除される解除位置との間で動作可能に前記第２回動部材又は前記基部に保持される動作部を有する、請求項１～３の何れか１項に記載の自重補償機構。

【請求項5】

前記第１回動部材が前記第２回動部材に対して所定角度まで回動することで前記動作部が前記拘束位置から前記解除位置まで動作するように前記第１回動部材と前記動作部とを連結する連結部材を有する、請求項４に記載の自重補償機構。

【請求項6】

請求項１～５の何れか１項に記載の自重補償機構と、前記第１回動部材で腕を支持可能に前記基部を胴体に取り付ける取り付け部と、を有する人体補助装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は自重補償機構に関する。

【背景技術】

【0002】

装置のアーム部などの可動部の自重や、人体の腕の自重などを補償できる自重補償機構が知られている（例えば、特許文献１～４、非特許文献１～３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－７５６６４号公報

【特許文献2】特開２０１１－２４０４８７号公報

【特許文献3】特開平４－１９０９２号公報

【特許文献4】特開２０１１－１５２１７６号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】山田 泰之，森田 寿郎, 揺動スライダクランク機構を用いた機械的自重補償装置, 日本機械学会論文集C編, vol.76, No.767 (7, 2010), pp.1797-1803.

【非特許文献2】山田 泰之，長坂 俊, 森田 寿郎，機械的荷重補償装置の開発，日本機械学会論文集C編，Vol. 77, No. 777 (5, 2011), pp.422-431.

【非特許文献3】Yasuyuki Yamada, Hirokazu Arakawa, Taro Watanabe, Shunya Fukuyama, Rie Nishihama, Isao Kikutani and Taro Nakamura, TasKi: Overhead Work Assistance Device with Passive Gravity Compensation Mechanism, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol.32 No.1, February, 2020

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

自重補償機構は、補償力を変更できれば便利な場合がある。

【0006】

そこで本発明の目的は、補償力を変更できる自重補償機構を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の自重補償機構は、基部と、前記基部に対して回動可能な第１回動部材と、前記基部と前記第１回動部材に対して回動可能な第２回動部材と、前記第２回動部材に対する前記第１回動部材の回動角度に応じて前記第１回動部材を付勢する付勢部と、所定の条件下となるまで前記基部に対して前記第２回動部材を所定の回動位置に拘束する拘束部と、を有する自重補償機構である。

【0008】

本発明の自重補償機構は、上記構成において、前記拘束部による拘束が、前記第１回動部材が前記第２回動部材に対して所定角度まで回動することで解除される、自重補償機構であるのが好ましい。

【0009】

本発明の自重補償機構は、上記構成において、前記拘束部による拘束が、前記第２回動部材が前記基部に所定値を超えるトルクを与えることで解除される、自重補償機構であるのが好ましい。

【0010】

本発明の自重補償機構は、上記構成において、前記拘束部が、前記拘束部による拘束が行われる拘束位置と前記拘束部による拘束が解除される解除位置との間で動作可能に前記第２回動部材又は前記基部に保持される動作部を有する、自重補償機構であるのが好ましい。

【0011】

本発明の自重補償機構は、上記構成において、前記第１回動部材が前記第２回動部材に対して所定角度まで回動することで前記動作部が前記拘束位置から前記解除位置まで動作するように前記第１回動部材と前記動作部とを連結する連結部材を有する、自重補償機構であるのが好ましい。

【0012】

本発明の人体補助装置は、前記自重補償機構と、前記第１回動部材で腕を支持可能に前記基部を胴体に取り付ける取り付け部と、を有する人体補助装置であるのが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、補償力を変更できる自重補償機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態の自重補償機構を示す模式図である。

【図2】図１に示す状態から第１回動部材を更に下側に回動させた時の状態を示す。

【図3】図２に示す状態から第１回動部材を更に下側に回動させ、拘束部による拘束が解除された時の状態を示す。

【図4】図３に示す状態から第２回動部材が下方に回動し、付勢部による補償力が低下した時の状態を示す。

【図5】第１回動部材と拘束部の動作部とを連結する連結部材の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を例示説明する。

【0016】

図１～図２に示すように、本発明の一実施形態において、自重補償機構１は、基部２、第１回動部材３、第２回動部材４、付勢部５及び拘束部６を有する。付勢部５は、第１スライダ７と第２スライダ８で構成される揺動スライダリンク９と、ばねＳと、を有する。拘束部６は、動作部１０、不動部１１及び回り止め１２を有する。

【0017】

基部２は、取り付け部１３に取り付けられる。自重補償機構１を装置のアーム部などの可動部の自重を補償するために利用する場合、例えば、第１回動部材３で可動部を構成し、取り付け部１３で装置の本体部を構成することができる。また、第１回動部材３で可動部を構成する代わりに、第１回動部材３で可動部を支持可能な構成としてもよい。自重補償機構１を人体の腕の自重を補償するために利用する場合、例えば、第１回動部材３で腕を支持可能に取り付け部１３が基部２を胴体に取り付ける構成としてもよい。

【0018】

第１回動部材３は基部２に対して第１回動軸線Ｏ１の周りに回動可能である。自重補償機構１は、第１回動軸線Ｏ１を非鉛直に、すなわち第１回動軸線Ｏ１を鉛直方向以外の方向、例えば図示するように水平方向に沿って延びるように配置することにより、自重補償力（単に補償力ともいう）を生じさせることができる。

【0019】

第１回動部材３は第１回動中心部Ｃ１を介して第１回動軸線Ｏ１の周りに回動可能に基部２に連なる。なお第１回動中心部Ｃ１は、第１回動部材３と基部２を軸体を介して連ねる構成に限らない（例えば、弾性変形可能な弾性部を介して連ねる構成としてもよい）。

【0020】

第１回動部材３は、第１回動中心部Ｃ１から径方向に延びる第１リンク部３ａを有する。第１リンク部３ａは、第１回動軸線Ｏ１の周りに鉛直方向上側（単に上側ともいう）と鉛直方向下側（単に下側ともいう）に揺動可能である。第１リンク部３ａの径方向外側の端部である第１リンク先端３ｂは、第１リンク部３ａが上側に揺動するのに伴って上側に移動し、第１リンク部３ａが下側に揺動するのに伴って下側に移動する。

【0021】

第２回動部材４は基部２と第１回動部材３に対して第２回動軸線Ｏ２の周りに回動可能である。第２回動軸線Ｏ２は第１回動軸線Ｏ１に一致することが好ましいが、本発明の効果を得られる範囲で位置又は向きが相違していてもよい。

【0022】

第２回動部材４は、第２回動中心部Ｃ２を介して第２回動軸線Ｏ２の周りに回動可能に基部２に連なる。なお第２回動中心部Ｃ２は、第２回動部材４と基部２を軸体を介して連ねる構成に限らない。また第２回動中心部Ｃ２は、第２回動部材４を第２回動軸線Ｏ２の周りに回動可能に基部２に連ねる構成に代えて、第２回動部材４を第２回動軸線Ｏ２の周りに回動可能に（例えば第１回動中心部Ｃ１の近傍において）第１回動部材３に連ねる構成としてもよい。

【0023】

第２回動部材４は、第２回動中心部Ｃ２から径方向に上側に延びる第２リンク部４ａを有する。第２リンク部４ａは、第２回動軸線Ｏ２の周りに揺動可能である。

【0024】

付勢部５は、第２回動部材４に対する第１回動部材３の回動角度が増加すればするほど増加する補償力としての付勢力を第１回動部材３に対して当該回動角度を減少させる方向に与える。より具体的には付勢部５は、第２回動部材４に対する第１リンク部３ａの所定位置Ａ（例えば上限位置）からの下側への回動角度θが増加すればするほど増加する付勢力を第１回動部材３に対して当該回動角度θを減少させる方向に与える。

【0025】

付勢部５は、互いに摺動可能な第１スライダ７と第２スライダ８で構成される揺動スライダリンク９と、上記の付勢力を生じるばねＳと、を有する。ばねＳは、第１スライダ７と第２スライダ８を互いに摺動する方向に付勢するように、第１スライダ７と第２スライダ８の間に設けられる。

【0026】

第１スライダ７は、第３回動中心部Ｃ３を介して第３回動軸線Ｏ３の周りに回動可能に第１回動部材３に連なる。なお第３回動中心部Ｃ３は、第１スライダ７と第１回動部材３を軸体を介して連ねる構成に限らない。第３回動軸線Ｏ３は第１回動軸線Ｏ１に平行であることが好ましいが、本発明の効果を得られる範囲で向きが相違していてもよい。

【0027】

第３回動中心部Ｃ３は、第１回動軸線Ｏ１の径方向において第１回動軸線Ｏ１と第１リンク先端３ｂとの間に設けられるが、これに限らない。例えば、第１回動部材３に第１リンク部３ａに加えて第１回動中心部Ｃ１から第１リンク部３ａの反対側などに延びる他のリンク部を設け、当該他のリンク部に第３回動中心部Ｃ３を設けてもよい。

【0028】

第２スライダ８は、第４回動中心部Ｃ４を介して第４回動軸線Ｏ４の周りに回動可能に第２回動部材４に連なる。なお第４回動中心部Ｃ４は、第２スライダ８と第２回動部材４を軸体を介して連ねる構成に限らない。第４回動軸線Ｏ４は第２回動軸線Ｏ２に平行であることが好ましいが、本発明の効果を得られる範囲で向きが相違していてもよい。

【0029】

第４回動中心部Ｃ４は、第２回動軸線Ｏ２の径方向において、第２回動軸線Ｏ２と第２リンク部４ａの径方向外側の端部である第２リンク先端４ｂとの間に設けられるが、これに限らない。例えば、第２回動部材４に第２リンク部４ａに加えて第２回動中心部Ｃ２から第２リンク部４ａの反対側などに延びる他のリンク部を設け、当該他のリンク部に第４回動中心部Ｃ４を設けてもよい。

【0030】

第２スライダ８は、第４回動中心部Ｃ４から径方向に延びるスライダリンク部９ａを有する。スライダリンク部９ａは、第４回動軸線Ｏ４の周りに揺動可能である。

【0031】

第１スライダ７は、第４回動中心部Ｃ４とスライダリンク部９ａの径方向外側の端部であるスライダリンク先端９ｂとを通るスライダ軸線Ｘに沿って摺動可能にスライダリンク部９ａを保持する保持部９ｃを有する。

【0032】

スライダリンク部９ａは、保持部９ｃよりもスライダリンク先端９ｂ側の部分にねじ止め部９ｄを有する。ばねＳは、保持部９ｃとねじ止め部９ｄとによって圧縮可能であり、圧縮量に応じた（例えば所定のばね係数で）付勢力を生じる圧縮ばねとして構成される。なお、ねじ止め部９ｄをスライダリンク部９ａにおける保持部９ｃよりも第４回動中心部Ｃ４側の部分に設け、ばねＳを、保持部９ｃとねじ止め部９ｄとによって引っ張り可能であり、引っ張り量に応じた（例えば所定のばね係数で）付勢力を生じる引っ張りばねとして構成してもよい。

【0033】

第２スライダ８にスライダリンク部９ａを設け、第１スライダ７に保持部９ｃを設ける構成に代えて、第２スライダ８に保持部９ｃを設け、第１スライダ７にスライダリンク部９ａを設ける構成としてもよい。

【0034】

図１～図４に示すように、拘束部６は、所定の条件下となるまで基部２に対して第２回動部材４を図１に示す所定の回動位置（初期位置ともいう）に拘束する。

【0035】

所定の条件は特に限定されないが、例えば、拘束を解除するために使用者が拘束部６を操作する状態であってもよいし、自重補償機構１の所定の動作条件であってもよい。所定の動作条件は、例えば、第１回動部材３が第２回動部材４に対して所定角度まで回動した状態（例えば、第２回動部材４に対する第１リンク部３ａの所定位置Ａからの下側への回動角度θが、所定位置Ａからの下側への所定角度である限界角度θ１となるまで回動した状態）であってもよいし、第２回動部材４が基部２に所定値を超えるトルクを与えた状態であってもよい。

【0036】

このような拘束部６によれば、必要に応じて所定の条件下となるような解除操作を行うことにより、拘束部６による拘束を解除して、その結果、第２回動部材４を初期位置から解放、すなわち第２リンク部４ａの下側への揺動を許容することで補償力を低下させる（例えばゼロにする）ことができる。

【0037】

特に、拘束部６による拘束が、第１回動部材３が第２回動部材４に対して所定角度まで回動することで解除されるように設定すれば、第１回動部材３を第２回動部材４に対して所定角度まで回動させる動作を行うだけで、特別な解除操作を必要とせずに、拘束部６による拘束を解除して補償力を低下させることができるので便利である。

【0038】

拘束部６は動作部１０と不動部１１を有する。動作部１０は、拘束部６による拘束が行われる拘束位置と拘束部６による拘束が解除される解除位置との間で動作可能に第２回動部材４に保持される。不動部１１は動作不能に基部２に設けられる。拘束部６は、動作部１０と不動部１１との連携によって拘束を行い、動作部１０と不動部１１との連携を解除することによって拘束を解除する。

【0039】

より具体的には、動作部１０は第５回動中心部Ｃ５を介して第５回動軸線Ｏ５の周りに回動可能に第２回動部材４に連なる。なお第５回動中心部Ｃ５は、動作部１０と第２回動部材４を軸体を介して連ねる構成に限らない。

【0040】

動作部１０は第５回動中心部Ｃ５から径方向に延び、径方向外側の端部が下側に曲がるフック１０ａを有する。フック１０ａは、第５回動軸線Ｏ５の周りに上側と下側に揺動可能である。フック１０ａの径方向外側の端部であるフック先端１０ｂは、フック１０ａが上側に揺動するのに伴って上側に移動し、フック１０ａが下側に揺動するのに伴って下側に移動する。フック１０ａは、フック先端１０ｂが不動部１１に噛み合う拘束位置と、解除位置よりも上側に位置し、フック先端１０ｂが不動部１１から離れる解除位置との間で回動可能である。

【0041】

フック１０ａは、解除位置から拘束位置に向かう方向に図示しないばねによって付勢力を与えられ、当該付勢力により、図３に示すような解除位置にあるときは、図４に示すように拘束位置又は拘束位置をやや超える位置で回り止め１２に当接するまで回動させられる。回り止め１２は動作不能に第２回動部材４に設けられる。なお、このようなばねと回り止め１２を設けない構成としてもよい。

【0042】

互いに噛み合い可能なフック先端１０ｂの噛み合い面１０ｃと不動部１１の噛み合い面１１ａとの少なくとも一方の傾斜角度は、第２回動部材４が基部２に所定値を超えるトルクを与えた状態下となることでフック１０ａが回動し、その結果、拘束部６による拘束が解除されるように設定することができる。このような設定によれば、第１回動部材３を第２回動部材４に対して所定角度まで回動させる動作を行うだけで、特別な解除操作を必要とせずに、拘束部６による拘束を解除して補償力を低下させることができる。

【0043】

なお動作部１０は、回動可能なフック１０ａに限らず、例えば、摺動可能なラッチで構成してもよい。動作部１０と不動部１１は上記構成に限らず、例えば、互いに引き合う磁石で構成してもよい。

【0044】

図５に示すように、第１回動部材３が第２回動部材４に対して所定角度まで回動することで動作部１０（例えばフック１０ａ、ラッチ又は磁石）が拘束位置から解除位置まで動作するように第１回動部材３と動作部１０とを連結する連結部材１４を設けてもよい。連結部材１４は、図示するように、紐又は帯などで構成される張力部材で構成することが好ましい。この場合、例えば、連結部材１４によって第１リンク部３ａとフック１０ａを連結することができる。なお、連結部材１４を剛性部材で構成してもよい。連結部材１４によれば、拘束部６による拘束の不意の解除を抑制し、安定した解除動作を実現できる。

【0045】

拘束部６は、動作部１０を第２回動部材４に設け、不動部１１を基部２に設ける構成に代えて、動作部１０を基部２に設け、不動部１１を第２回動部材４に設ける構成としてもよい。

【0046】

なお、拘束部６は動作部１０と不動部１１を有する構成に限らない。例えば拘束部６を、動作不能に第２回動部材４に設けられ第１磁石と、動作不能に基部２に設けられ第１磁石と引き合う第２磁石とで構成してもよい。

【0047】

本発明は前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【0048】

したがって、前述した実施形態の自重補償機構１は、基部２と、基部２に対して回動可能な第１回動部材３と、基部２と第１回動部材３に対して回動可能な第２回動部材４と、第２回動部材４に対する第１回動部材３の回動角度に応じて第１回動部材３を付勢する付勢部５と、所定の条件下となるまで基部２に対して第２回動部材４を所定の回動位置に拘束する拘束部６と、を有する自重補償機構１である限り変更可能である。

【0049】

例えば、第２リンク部４ａは第２回動中心部Ｃ２から上側に延びる構成に限らず、第２回動中心部Ｃ２から下側に延びる構成としてもよい。ばねＳは圧縮ばね又は引っ張りばねに限らず、例えば空気ばね又は磁気ばねで構成してもよい。またばねＳは、変位量に応じた付勢力を生じるばねに限らず、例えば、変位量に関わらず実質的に一定の付勢力を生じる定荷重ばねで構成してもよい。また付勢部５は、揺動スライダリンク９を有する構成に限らない。自重補償機構１は、例えば第１リンク先端３ｂに回動可能に連なる、更なるリンク部材を有してもよい。

【0050】

なお、前述した実施形態の自重補償機構１は、上記構成において、拘束部６による拘束が、第１回動部材３が第２回動部材４に対して所定角度まで回動することで解除される、自重補償機構１であるのが好ましい。

【0051】

前述した実施形態の自重補償機構１は、上記構成において、拘束部６による拘束が、第２回動部材４が基部２に所定値を超えるトルクを与えることで解除される、自重補償機構１であるのが好ましい。

【0052】

前述した実施形態の自重補償機構１は、上記構成において、拘束部６が、拘束部６による拘束が行われる拘束位置と拘束部６による拘束が解除される解除位置との間で動作可能に第２回動部材４又は基部２に保持される動作部１０を有する、自重補償機構１であるのが好ましい。

【0053】

前述した実施形態の自重補償機構１は、上記構成において、第１回動部材３が第２回動部材４に対して所定角度まで回動することで動作部１０が拘束位置から解除位置まで動作するように第１回動部材３と動作部１０とを連結する連結部材１４を有する、自重補償機構１であるのが好ましい。

【符号の説明】

【0054】

１ 自重補償機構
２ 基部
３ 第１回動部材
３ａ 第１リンク部
３ｂ 第１リンク先端
４ 第２回動部材
４ａ 第２リンク部
４ｂ 第２リンク先端
５ 付勢部
６ 拘束部
７ 第１スライダ
８ 第２スライダ
９ 揺動スライダリンク
９ａ スライダリンク部
９ｂ スライダリンク先端
９ｃ 保持部
９ｄ ねじ止め部
１０ 動作部
１０ａ フック
１０ｂ フック先端
１０ｃ フック先端の噛み合い面
１１ 不動部
１１ａ 不動部の噛み合い面
１２ 回り止め
１３ 取り付け部
１４ 連結部材
Ａ 所定位置
Ｃ１ 第１回動中心部
Ｃ２ 第２回動中心部
Ｃ３ 第３回動中心部
Ｃ４ 第４回動中心部
Ｃ５ 第５回動中心部
Ｏ１ 第１回動軸線
Ｏ２ 第２回動軸線
Ｏ３ 第３回動軸線
Ｏ４ 第４回動軸線
Ｏ５ 第５回動軸線
Ｓ ばね
Ｘ スライダ軸線
θ 回動角度
θ１ 限界角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】