特開 2024-141808 腕重量補償機構

(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】P2024141808

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】腕重量補償機構

(51)【国際特許分類】

   B66F 19/00 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

B66F19/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023053650

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】390000804

【氏名又は名称】白山工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100138519

【弁理士】

【氏名又は名称】奥谷 雅子

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 茂男

(57)【要約】

【課題】腕の角度に関わらず、荷重を支えることができる腕重量補償機構を提供すること。
【解決手段】ユーザＰの肩部に配置された支点６６で回転自在に支持され、一端の吊り下げ点１６にユーザＰの腕の荷重Ｗが作用し、他端の補償力作用点７２にシリンダ１００の牽引力が作用する、直線状のアーム１０であって、吊り下げ点１６と支点６６間の長さと、支点６６と補償力作用点７２間の長さとの比が一定に保たれるように伸縮可能に構成される、アーム１０と；ユーザＰに支持されるシリンダ１００とを備える、腕重量補償機構１。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザの肩部に配置された支点で回転自在に支持され、一端の吊り下げ点に前記ユーザの腕の荷重が作用し、他端の補償力作用点に荷重支持力が作用する、アームであって、前記吊り下げ点と前記支点間の長さと、前記支点と前記補償力作用点間の長さとの比が一定に保たれるように構成される、アームと；
前記ユーザに支持される荷重出力生成装置とを備える；
腕重量補償機構。

【請求項2】

前記アームの軸直交方向を拘束されつつ軸方向に配設され、一端に前記荷重が作用し、前記一端の前記軸方向の変位を比例的に縮小しながら他端側に伝える軸力機構と；
前記アームの前記他端側に配置されるラムダ機構であって、長要素の一端は前記軸力機構に接続され、該長要素の他端は前記支点に支持され、短要素の端部に前記荷重出力生成装置が連結される、ラムダ機構とを備える；
請求項１に記載の腕重量補償機構。

【請求項3】

前記軸力機構は、
前記荷重が連結され、前記軸力機構内をスライドし、内面にラックギア形成されたスライドパイプと；
前記スライドパイプのラックギアと係合して回転する二重歯車の第１ギアと；
前記軸力機構内をスライドするスライド部材であって、前記第１ギアの前記ラックギアと係合する歯車とは異なる歯車と係合する第１ラックギアと、第２ラックギアとが形成された、スライド部材と；
前記スライド部材の第２ラックギアと係合する第２ギアであって、前記軸力機構に形成された固定ラックギアと係合し、前記スライド部材の前記軸力機構内でのスライドによって回転しながら前記アームの軸方向に移動する第２ギアとを備え；
前記ラムダ機構の前記長要素の一端は前記第２ギアに接続される；
請求項２に記載の腕重量補償機構。

【請求項4】

前記軸力機構は、
前記荷重が連結され、前記軸力機構内をスライドし、ワイヤが固定されたスライドパイプと；
前記ワイヤにより片端のプーリが回転する二重プーリ機構であって、中央のプーリが前記アームの軸方向に移動する、二重プーリ機構とを備え；
前記ラムダ機構の前記長要素の一端は前記中央のプーリに接続される；
請求項２に記載の腕重量補償機構。

【請求項5】

前記支点を前記ユーザの肩部に配置するリンクを有し、該リンクは前記荷重出力生成装置と固定連結され、前記シリンダまたは前記リンクをユーザに固定する固定バンドを備える；
請求項３または請求項４に記載の腕重量補償機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、腕重量補償機構に関する。特に、簡単な構造で、腕をどのような位置にしても腕重量を支えることができる腕重量補償機構に関する。

【背景技術】

【0002】

溶接作業のように腕を空間に止めてゆっくり正確に動かすような作業や、果樹園での果樹収穫作業のように腕を空中に伸ばして長く保持するような作業では腕が疲れやすい。また、グラインダなどの重い工具を取り扱う工場での作業の場合には、工具を保持し続けることで、腕や肩に負担がかかる。このような作業を補助するために、従来から種々な装置が考案されている。従来の装置では、肩の部分に位置する回転部材と腕を支える部材を有し、回転部材のモーメントを相殺するようにして補助する機構が主体であった。

【0003】

例えば特許文献１に開示された装置は、ユーザの身体上で着用されるように構成されるハーネスと、ユーザの腕に力を付与するための腕当てと、ハーネスと腕当てとを回転可能に接続する枢軸と、腕当てに枢軸周りのモーメントを付与する弾性要素と、弾性要素に生ずる弾性力を調整するための機構（ケーブルと二重軌道滑車、ケーブルとカム）を備え、腕の位置に関わらず、腕に作用する荷重を相殺することが意図されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６８９４４６７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、このような装置では、腕を真上または真下に伸ばした状態では、腕当てにモーメントを働かす必要がなくなる。この状態では、荷重、すなわち腕で支える荷重と腕自体の重量とは、そのまま腕に軸力として作用することになり、ユーザの腕と肩とで支えることになる。すなわち、腕重量を支える機能は果たしていない。

【0006】

そこで、本発明は、腕の角度に関わらず、荷重を支えることができる腕重量補償機構を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る腕重量補償機構１は、例えば図２および図３に示すように、ユーザＰの肩部に配置された支点６６で回転自在に支持され、一端の吊り下げ点１６にユーザＰの腕の荷重Ｗが作用し、他端の補償力作用点７２にシリンダ１００の牽引力が作用する、直線状のアーム１０であって、吊り下げ点１６と支点６６間の長さと、支点６６と補償力作用点７２間の長さとの比が一定に保たれるように伸縮可能に構成される、アーム１０と、ユーザＰに支持されるシリンダ１００とを備える。

【0008】

このように構成すると、アームの吊り下げ点に作用する荷重は、長さの比で補償力作用点に作用する牽引力によりバランスする。腕の角度に関わらず、アームが吊り下げ点と支点間の長さと支点と補償力作用点間の長さとの比が一定に保たれるように伸縮するので、すなわち、吊り下げ点の軸方向変位と補償力作用点と支点との間の長さとが比例するように移動するので、アームの先端に作用する荷重も長さの比で補償力作用点に作用する牽引力によりバランスする。よって真上でも真下でも、腕の位置に関わらず荷重を支えることができる、腕重量補償機構となる。本発明の腕重量補償機構において、シリンダ１００の牽引力は、荷重支持力とすることができ、シリンダは荷重出力生成装置とすることもできる。このため、本発明の機構において牽引でなく押し出し力を使う構成とすることもできる。また、シリンダ以外の構成としては、その牽引力をハンドルの回転で変えられるようなバネとすることも可能である。さらには、本発明の機構を用いることにより、伸縮型機構ではなく、図１に記載のような折れ曲がるパンタグラフ機構でアームを構成することも可能である。

【0009】

本発明の第２の態様に係る腕重量補償機構１では、例えば図２および図３に示すように、アーム１０の軸直交方向を拘束されつつ軸方向に配設され、一端１６に荷重Ｗが作用し、一端１６の軸方向の変位を比例的に縮小しながら他端側に伝える軸力機構２０と、アーム１０の他端１８側に配置されるラムダ機構６０であって、長要素６２の一端６４は軸力機構２０に接続され、長要素６２の他端は支点６６に支持され、短要素７０の端部７２にシリンダ１００が連結される、ラムダ機構６０とを備える。

【0010】

このように構成すると、アームの一端に荷重が作用し他端側がラムダ機構により回転可能に支持されてシリンダの牽引力を受け、さらに、軸力機構により一端の軸方向変位が比例的に縮小されて他端側のシリンダによる牽引変位に変換される。このアーム先端の変位量とシリンダによる牽引変位の比例関係はアームが水平な姿勢から角度θだけ傾いた時にも成り立つので、アームの一端に働く荷重はシリンダが生成する補償力によってアームの角度θに関わらず常に補償される。そしてこの補償力はアームの軸直交方向の荷重だけでなく軸方向の荷重も相殺する効果を生成し、その効果はアームの姿勢θが±９０度までの、腕が真下あるいは真上にした姿勢であっても生成される。

【0011】

本発明の第３の態様に係る腕重量補償機構１では、例えば図２および図３に示すように、軸力機構２０は、荷重Ｗが連結され軸力機構２０内をスライドし、内面にラックギア２４が形成されたスライドパイプ２２と、スライドパイプ２２のラックギア２４と係合して回転する二重歯車の第１ギア３０と、軸力機構２０内をスライドするスライド部材４０であって、第１ギア３０のラックギア２４と係合する歯車３２とは異なる歯車３４と係合する第１ラックギア４２と、第２ラックギア４４とが形成された、スライド部材４０と、スライド部材４０の第２ラックギア４４と係合する第２ギア５０であって、軸力機構２０に形成された固定ラックギア４８と係合し、スライド部材４０の軸力機構２０内でのスライドによって回転しながらアーム１０の軸方向に移動する第２ギア５０とを備え、ラムダ機構６０の長要素６２の一端６４は第２ギア５０に接続される。

【0012】

このように構成すると、アーム先端の軸方向変位であるスライドパイプの軸方向変位は、二重歯車で減少し、減少した変位がスライド部材から第２ギアに伝えられ、第２ギアは、固定ラックと係合してアームの軸方向に移動するので、移動量はさらに半減し、その動きがラムダ機構に伝えられるためラムダ機構の変位量が減少する。そしてこの縮小比は、アームの水平からの傾きが変動しても変動しない。アーム先端に働く荷重とシリンダが牽引する牽引力とは縮小比の逆数の関係となり、縮小比と牽引力を調整することで、アームの姿勢に関わらず荷重を支えることができる。

【0013】

本発明の第４の態様に係る腕重量補償機構２では、例えば図２、図４および図５に示すように、軸力機構は、荷重Ｗが連結され、軸力機構内をスライドし、ワイヤ１４２が固定１２４されたスライドパイプ１２２と、ワイヤ１４２により片端のプーリ１３０が回転する二重プーリ機構１２０であって、中央のプーリ１５０がアーム１０の軸方向に移動する、二重プーリ機構１２０とを備え、ラムダ機構６０の長要素６２の一端６４は中央のプーリ１５０に接続される。

【0014】

このように構成すると、アーム先端の軸方向変位は、二重プーリ機構で比例的に縮小され、その移動量がラムダ機構の長要素の一端に伝えられる。この縮小比は、アームの水平からの傾きが変動しても変動しない。アーム先端に働く荷重とシリンダが牽引する牽引力とは縮小比の逆数の関係となり、縮小比と牽引力を調整することで、アームの姿勢に関わらず荷重を支えることができる。

【0015】

本発明の第５の態様に係る腕重量補償機構１、２では、例えば図２に示すように、支点６６をユーザＰの肩部に配置するリンク８０を有し、リンク８０はシリンダ１００と固定連結され、シリンダ１００またはリンク８０をユーザＰに固定する固定バンド１１０を備える。このように構成すると、支点を配置するリンクまたはリンクと固定連結されたシリンダを固定バンドでユーザに固定するので、腕重量補償機構はユーザにしっかりと支持される。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、腕重量補償機構は、腕の荷重を擦り下げる吊り下げ点と支点間の長さと支点と補償力作用点間の長さとの比が一定に保たれるように伸縮するので、軸直交方向の荷重だけでなく軸方向の荷重も相殺することが可能であり、腕の角度に関わらず荷重を支えることができる腕重量補償機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の原理を説明するためのパンタグラフ型機構を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態としての腕重量補償機構をユーザに装着した模式図であり、（ａ）は、腕を水平方向に伸ばしたところ、（ｂ）は腕を下げたところを示す。

【図3】軸力機構として、ギアとラックギアを用いた一例を説明する模式図である。

【図4】軸力機構として、二重プーリ機構を用いた一例を説明する模式図である。

【図5】二重プーリ機構の機能を説明するための概略図である。

【図6】連通管型機構の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

先ず、図１を参照して、本発明の基本的な原理をパンタグラフ型機構５００を用いて説明する。パンタグラフ型機構５００は、リンクの長さの比がａである２つのパンタグラフ５４０、５５０が支点５３０で回転自在に支持されている機構である。図中の上下方向の荷重が端点５１０に作用すると、反対側の端点５２０ではａ倍の力でバランスする。この効果は、このように両端部５１０と５２０が水平に近い姿勢で荷重の方向とほぼ直交するような動作状態では、いわゆる梃子の原理と同じと言える。しかし、このパンタグラフ機構では、図中の上下方向だけではなく、水平方向の力が端点５１０に作用する場合も、反対側の端点５２０では、同様にａ倍の力でバランスする。すなわち、パンタグラフ型機構５００では、両端部５１０と５２０に働く軸方向（図中の水平方向）に直交する方向の力だけでなく、軸方向の力もバランスすることができ、このような効果は梃子では実現できないものである。本発明は、パンタグラフ型機構５００のような機構を用いることで、腕の角度に関わらず、荷重を支えることができる腕重量補償機構を提供する。

【0019】

続いて図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。図２を用いて、腕重量補償機構１、２の概要を説明する。なお後述するように、腕重量補償機構１は軸力機構２０としてギアとラックギアを用いたもので、腕重量補償機構２は軸力機構１２０として二重プーリ機構を用いたものである。

【0020】

腕重量補償機構１、２は、バンド１２でユーザＰの腕を保持し、バンド１２を支持するためのロープ１４を先端から吊下するアーム１０を有する。アーム１０を支点６６回りに回転可能に支持するラムダ機構６０をユーザＰの肩側に有し、ラムダ機構６０は、リンク８０を介してユーザＰの肩に載置される。またシリンダ１００をユーザＰの背中側に配置し、シリンダ１００のピストン（不図示）からピストンワイヤ９０でラムダ機構６０を引くことにより荷重を支える。

【0021】

図２（ａ）のように、腕を水平方向に伸ばした状態では、バンド１２で支持する荷重がアーム１０の一端１６に作用し、アーム１０にはリンク８０での回転可能な支点６６回りにモーメントが発生し、このモーメントをラムダ機構６０を介して、シリンダ１００からピストンワイヤ９０を通じてバランスすることにより、腕の荷重を支える腕重量補償機構１、２となる。

【0022】

シリンダ１００が、固定バンド１１０でユーザＰに固定される。そして、リンク８０は、鉛直軸回りに回動自在に支持される。ユーザＰの腕が前から横方向に回動したとしても、アーム１０は、その動きに追従して常に腕の上に位置する。リンク８０およびシリンダ１００の何れかが、あるいは、両方が、固定バンド１１０でユーザＰに固定され、リンク８０がユーザＰの肩に載置され、腕重量補償機構１、２がユーザＰと一体となり、荷重ＷをユーザＰの身体で支持できる。

【0023】

図２（ｂ）のように、腕を下げ、アーム１０が下に角度θだけ傾けられた場合には、支点６６から腕の荷重を支える端部１６までの水平距離がcosθ分だけ短くなるため、腕を持ち上げる補償力も減少させる必要がある。このような傾き角度θに対して、腕重量補償機構１、２では、ラムダ機構６０も同じ角度θだけ傾斜するので、図３を参照して後述するように、シリンダ１００の牽引力を伝えるピストンワイヤ９０からラムダ機構６０の支点６６までの距離もcosθ分だけ減少することで対応できる。このため、腕からの荷重Ｗは、アーム１０が真下から真上に至るすべての角度θの範囲で、常にシリンダ１００の牽引力で補償することができる。

【0024】

図３に腕重量補償機構１の軸力機構２０とラムダ機構６０を説明する断面概念図を示す。腕重量補償機構１は、直線状のアーム１０の先端１６に腕吊りロープ１４が連結され、その先にバンド１２が連結される。バンド１２でユーザＰの腕を拘束することにより、腕重量補償機構１に腕からの荷重Ｗが作用する。アーム１０では軸力機構２０の内側で軸方向にスライドするラックギア２４が形成されている。ラックギア２４には、二重歯車である第１ギア３０の大径歯車３２が係合する。第１ギア３０の小径歯車３４には、スライド部材４０の第１ラックギア４２が係合する。

【0025】

スライド部材４０は、軸力機構２０内をスライドする部材であって、先端１６寄りに第１ラックギア４２が、アーム１０の他端１８寄りに第２ラックギア４４が形成される。第２ラックギア４４には、第２ギア５０が係合する。すなわち、第１ギア３０の回転により、スライド部材４０が軸力機構２０内をスライドすることにより第２ギア５０が第２ラックギア４４により回転する。

【0026】

第２ギア５０は、第２ラックギア４４と反対側でアーム１０に形成された固定ラックギア４８と係合する。すなわち、第２ラックギア４４のスライドにより回転すると、第２ギア５０は固定ラックギア４８との間で、アーム１０の軸方向に移動する。この移動を確実にするため、アーム１０には軸方向の溝５４が形成され、第２ギア５０の軸心５２は、溝５４を貫通し、溝５４に沿って移動するように構成される。

【0027】

軸心５２には、ラムダ機構６０の長要素の一端６４が回転自在に結合される。ラムダ機構６０とは、Ｅｖａｎｓ機構とも呼ばれるもので、他端（支点）６６が固定部に回転自在に支持された長要素６２の途中６８に回転自在に結合された短要素７０を有し、長要素６２と短要素７０との他の端部６４、７２がアーム１０に回転可能に接続されるように、長要素６２と短要素７０とを組み合わせた機構である。

【0028】

ラムダ機構６０では、長要素６２の他端が支点６６としてリンク８０上の固定部に回転可能に支持される。すなわち、上下左右方向の動きは拘束され、回転は可能な状態とされる。また、ラムダ機構６０の短要素７０の他端７２には、ピストンワイヤ９０が連結される。図２に示すように、ピストンワイヤ９０は、シリンダ１００のピストンに結合される。ピストンワイヤ９０の動きを滑らかにするために、例えばリンク８０にローラ８２を設けてもよい。軸力機構２０には、ラックギア２４を有するスライドパイプ２２、ラックギア４２とラックギア４４を有するスライド部材４０がスライド可能に保持され、第１ギア３０、第２ギア５０が回転自在に支持されている。図３に示すように、スライドパイプ２２の動きを滑らかにするためのローラ２６等、動きを補助するための構成をさらに有していてもよい。

【0029】

上記のような構成を有する軸力機構２０を備える腕重量補償機構１の作用について説明する。腕重量補償機構１では、軸力機構２０内をスライドするスライドパイプ２２の先端（一端１６）に腕からの荷重Ｗを支持する腕吊りロープ１４が連結される。荷重を支えるためのバンド１２の位置を変化させることができるので、腕を伸ばしたり縮めたりして腕重量補償機構１を用いることができる。荷重Ｗのアーム１０の長手直交方向に作用する力により生ずるモーメントは、ラムダ機構６０の支点６６回りに生ずることになる。そこで、シリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して短要素７０の端部７２に作用する力で、支点６６周りのモーメントを生じさせることでバランスさせることができる。ここで、ユーザＰが腕を伸ばしたり縮めたりして軸力機構２０の長さが変わっても、支点６６と先端１６間の長さと支点６６と端部７２間との長さの比が一定に保たれることにより、バランスも保たれる。ここで、支点６６と先端１６間の長さとは、アーム１０の軸方向の長さであり、および、支点６６と端部７２間の長さとは端部に作用するシリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して作用する力の方向に直交方向での支点６６と端部との間の長さである。また、支点６６と先端１６間の長さと支点６６と端部７２間との長さの比が一定に保たれるとは、双方の長さの比がバランスが保たれる程度に実質的に一定であればよく、厳密に一定でなくてもよい。

【0030】

詳細には、荷重Ｗにアーム１０の腕吊りロープが連結される位置１６からラムダ機構６０の他端６６までの長手方向での距離Ｌを乗じて求められるモーメントと、ラムダ機構６０の他端６６からピストンワイヤ９０あるいはその延長線上に引いた垂線の長さｌにシリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して短要素７０の端部７２に作用する力を乗じて求められるモーメントとをバランスさせる。すなわち、シリンダ１００からの力は、（長手方向の距離Ｌ）／（直交方向の長さｌ）倍だけ荷重Ｗより大きくなる。

【0031】

アーム１０に作用する荷重Ｗの長手方向成分の力は、軸力機構２０を介して、ラムダ機構６０の一端６４に作用し、ラムダ機構６０にてシリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して短要素７０の端部７２に作用する力でバランスさせられる。すなわち、軸力機構２０の第２ギア５０が溝５４に沿って移動する力がラムダ機構６０の長要素６２の一端６４に作用し、他端６６回りのモーメントを生じさせ、このモーメントをシリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して短要素７０の端部７２に作用する力でバランスさせることができる。このモーメントをバランスさせる機構は、アーム１０と直交する方向に働く荷重を支えるモーメントをバランスさせるものと同様である。よって、アーム１０に作用する軸直交方向の力も軸方向の力も、シリンダ１００からの力でバランスさせることができる。

【0032】

軸力機構２０では、スライドパイプ２２が距離ｘだけ軸方向に縮むと、その動きはラックギア２４の軸方向（図３で左方向）の動きとなり、第１ギア３０の大径歯車３２の歯数と小径歯車３４の歯数の比（ｐ１とする）で減少して、スライド部材４０に伝えられる。スライド部材４０の第２ラックギア４４は、軸力機構２０で回転自在に支持される第２ギア５０を介して、軸力機構２０で固定されているラックギア４８と係合している。そのため第２ギア５０の軸心５２の動きは半減する。よって、軸力機構２０では、スライドパイプ２２の軸方向の移動量ｘは、ｐ１×０．５の比で減じられて、ラムダ機構６０の一端６４の動き（図３では右方向）となる。そしてラムダ機構６０では図３に示す様な、端部７２から一端６４までと他端６６までとの距離がほぼ等しい姿勢では、端部７２から一端６４の距離が延びると、端部７２から他端６６までの距離はほぼ同じ量だけ縮む。その結果、端部７２から他端６６までの距離はほぼｐ１×0.5×ｘだけ短くなる。

【0033】

モーメントをバランスさせる際には、シリンダ１００の力は、荷重Ｗの（長手方向の距離Ｌ）／（直交方向の長さｌ）倍であったので、この比率と同様あるいは近似した比率となることが好ましい。すなわち、軸力機構２０での軸方向の移動量の比率は、一定に保たれる支点６６と先端１６間の長さと支点６６と端部７２間との長さの比と同等あるいは近似した比率とする。例えば、第１ギア３０の大径歯車３２の歯数と小径歯車３４の端数の比ｐ１を１／２とした場合、ラムダ機構６０の端部７２から他端６６までの距離の変化とアーム１０の先端１６の変位の１：４の比率となる。すなわち、腕重量補償機構１では、荷重とシリンダで発生する力との比率は、１：４となる。なお、この比率は、適宜変更可能である。

【0034】

このように、軸力機構２０を備え、さらに軸力機構２０にはラムダ機構６０が備えられているので、シリンダ１００の力により軸方向力も相殺することが可能となり、腕の角度に関わらず荷重を支えることができる腕重量補償機構１となる。

【0035】

図４に腕重量補償機構２と二重プーリ機構１２０を用いた軸力機構を説明する断面概念図を示す。軸力機構は、軸力機構内を軸方向にスライドするスライドパイプ１２２を備え、スライドパイプ１２２の先端１６で腕吊りロープ１４の先にバンド１２が連結される（図２参照）。この場合にも、アーム１０の先端１６と称することもあるのは、腕重量補償機構１と同様である。腕重量補償機構２は、軸力機構として二重プーリ機構１２０を備える点で、腕重量補償機構１と異なる。そこで、重複した説明は省略して、二重プーリ機構１２０について説明する。図５に二重プーリ機構１２０の機能を説明する概略図を示す。二重プーリ機構１２０はプーリ１６０とプーリ１３０の間にある二重プーリ１５０の大きな半径ｒ_１のプーリ１５２に左右のプーリ１６０、１３０から張られる上側のワイヤ１７２、１４２が巻かれて固定され、小さい半径ｒ_２のプーリ１５４には左右のプーリ１６０、１３０から張られる下側のワイヤ１７４、１４４が巻かれて固定されたものである。

【0036】

二重プーリ機構１２０において、アーム先端１６が図５で右にΔＬだけ動くとワイヤ固定点１２４で固定されたワイヤ１４２が一緒に動くことにより、二重プーリの大径プーリ１５２は時計回りに回転するが、大径プーリ１５２から手繰り出される上側のワイヤ１４２の量より小径プーリ１５４が巻き込む下側のワイヤ１４４の巻き込み量の方が少なく、同時に、この二重プーリ１５０の時計回りの回転で、ワイヤ１７２は大口径プーリ１５２にワイヤ１４２が手繰り出された分だけ巻かれ、ワイヤ１７４はワイヤ１４４が巻き込まれただけ手繰り出るので、二重プーリ１５０は左に移動する。その移動量をｘとし、二重プーリ１５０が回転する回転角をθｘとすると、
ｒ_１・θ_ｘ＝ΔＬ＋ｘ （１）
ｒ_２・θ_ｘ＝ΔＬ－ｘ （２）
であり（１）＋（２）から
（ｒ_１＋ｒ_２）θ_ｘ＝２ΔＬ
∴θ_ｘ＝｛２／（ｒ_１＋ｒ_２）｝ΔL （３）
また、（１）／（２）から
ｒ_１（ΔＬ－ｘ）＝ｒ_２（ΔＬ＋ｘ） （４）
（ｒ_１＋ｒ_２）ｘ＝（ｒ_１－ｒ₂）ΔL （５）
∴ｘ＝｛（ｒ_１－ｒ₂）／（ｒ_１＋ｒ_２）｝ΔL （６）
である。

【0037】

さらに、二重プーリ１５０の軸心１５６にはラムダ機構６０の長辺の一端６４が繋がっているため、二重プーリ１５０の軸心１５６が左にｘ動くとき、ラムダ機構６０が図５の様に長辺６２と短辺７０がほぼ直交する姿勢にあるときは、ラムダ機構６０の下端の支点６６は下側にほぼ同じ量ｘだけ動こうとする。なお、実際には、支点６６はラック８０に支持されているため、その分だけ他端６４、７２が上方に動く。このため、アーム端部１６のΔＬの動きと、ラムダ機構６０の支点６６の動きΔｌには
Δｌ／ΔＬ＝｛（ｒ_１－ｒ₂）／（ｒ_１＋ｒ_２）｝＝ξ （７）
の関係が成り立つ。このように、この動きの比率を以降、縮小比ξと呼ぶ。

【0038】

ここで、二重プーリ１５０の半径比ｒ_２／ｒ_１＝aと縮小比ξの関係は（７）式から
ξ＝（１－ａ）／（１＋ａ） （８）
であり、以下の式も誘導できる。
a＝（１－ξ）／（１＋ξ） （９）

【0039】

このことから、本装置の二重プーリ構造１２０の設計は、腕を支えるアーム先端１６までの距離Lと、ラムダ機構６０の長さｌの比が求まったら、この比に合わせて縮小比ξを、
ｌ／Ｌ＝Δｌ／ΔＬ＝ξ （１０）
と誘導し、これを（９）式に代入して、二重プーリ１５０の半径比ｒ_２／ｒ_１＝ａを求めれば良いことが分かる。

【0040】

たとえば、支点６６からアーム先端１６までの長さＬと、支点６６からシリンダ１００で牽引するワイヤ９０の作用点であるラムダ機構６０の短辺７０の端部７２までの長さｌの縮小比をξ＝１／１０としたい場合は、二重プーリ１５０の半径比ｒ_２／ｒ_１＝aは（９）式から、
ａ＝０．９／１．１＝０．８２ （１１）
と導ける。

【0041】

このように構成することにより、腕重量補償機構２は、腕を伸ばしたり縮めたりして用いることができる。荷重Ｗのアーム１０の長手直交方向に作用する力により生ずるモーメントは、ラムダ機構６０の支点６６回りに生ずることになるが、シリンダ１００からピストンワイヤ９０を介して短要素７０の端部７２に作用する力でバランスさせることができる。また、二重プーリ機構１２０の軸力機構での軸方向力も、ラムダ機構６０を介してバランスすることが可能となり、腕の角度に関わらず荷重を支えることができる腕重量補償機構２となる。

【0042】

本発明における機構としては、例えば、図６に示すような連通管型機構７００を用いてもよい。連通管型機構７００は、小径のシリンダ７２０と大径のシリンダ７３０が剛に接続された本体７１０にそれぞれピストン７５０および７６０が挿入される。小径のシリンダ７２０と大径のシリンダ７３０とは直接は接続せず、たとえば図６に示すようにシリンダ８００側に流体が充填されて、バイパス管７４０を介して小径シリンダ７２０の８１０と接続される。また大径シリンダの８２０はバイパス管８３０を介して小径シリンダ８１０と接続される。シリンダ７２０とシリンダ７３０とは、任意の角度で接続されている。このように構成するとピストン７６０の変位は、ピストン７５０に対し、シリンダ７６０とシリンダ７５０の断面積比で縮小される。図６で小シリンダと大シリンダの面積比が1：aとしているので、ピストン７５０の動きは、（１／a）に縮小されてピストン７６０の動きになる。

【0043】

本発明による機構としては、これまで説明した機構以外の機構を用いてもよい。また、図３、４、５に示した軸力機構は、典型例を示したものである。例えば、図３に示す軸力機構２０の第１ギア３０を二重歯車にしなくてもよい等、直交方向および軸方向の荷重を伝達できるようにしつつ改変することは可能であり、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に従い定まる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本願は発明の腕重量補償機構によれば、腕の角度に関わらず荷重を支えることができる腕重量補償機構を提供することができ、溶接作業のように腕を空間に止めてゆっくり正確に動かすような作業、果樹園での果樹収穫作業のように腕を空中に伸ばして長く保持するような作業、グラインダなどの重い工具を取り扱う工場での作業等の従来は作業者に大きな負担の掛かった作業において、作業者の負担を軽減でき、作業の効率と安全性を高めることができる。

【符号の説明】

【0045】

１、２ 腕重量補償機構
１０ アーム
１２ バンド
１４ 腕吊りロープ
１６ （アームの）一端
１８ （アームの）他端
２０ 軸力機構
２２ スライドパイプ
２４ ラックギア
２８ 軸力機構カバー
３０ 第１ギア
３２ 大径歯車
３４ 小径歯車
４０ スライド部材
４２ 第１ラックギア
４４ 第２ラックギア
４８ 固定ラックギア
５０ 第２ギア
５２ 軸心
５４ 溝
６０ ラムダ機構
６２ 長要素
６４ （長要素の）一端
６６ 支点（長要素の他端）
６８ （長要素と短要素と）結合点
７０ 短要素
７２ （短要素の）端部
８０ リンク
８２ ローラ
９０ ピストンワイヤ
１００ シリンダ
１０２ カバー
１１０ 固定バンド
１２０ 二重プーリ機構
１２４ ワイヤ固定点
１３０ 片端のプーリ
１４２、１４４ ワイヤ
１５０ 中央のプーリ（二重プーリ）
１５２ 大径プーリ
１５４ 小径プーリ
１７２、１７４ ワイヤ
５００ パンタグラフ型機構
７００ 連通管型機構
Ｐ ユーザ
Ｗ 荷重

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】