JP5773479B2

JP5773479B2 - 機械式自重補償装置

Info

Publication number: JP5773479B2
Application number: JP2011002376A
Authority: JP
Inventors: 藤本　英雄; 英雄藤本; 学之中山
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: JP2012143314A

Description

本発明は、対象物の自重を補償する機械式自重補償装置に関する。

従来、ばねの復元力を用いて対象物の自重を正確に補償する装置として、特許文献１、非特許文献１に、鉛直軸とリンク間に直立姿勢で自然長となるようにバネを張ることで、複雑な構造を用いずに姿勢に依存することなく自重トルクを補償することのできる機械式自重補償装置が、また、リハビリ支援装置への応用を目的とした自重補償装置として、非特許文献２に天井吊り下げ型の自重補償装置が、非特許文献３、非特許文献４に、車椅子使用者の上腕の自重を補償する車椅子装着型の自重補償装置がそれぞれ提案されている。また、非特許文献５では、背中に支柱を背負った形で装着する、下肢自重補償装置が提案されている。

特開２００３−１８１７８９号公報

J．L．Herder：Development of a Statically Balanced Arm Support: ARMON、Proc．of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics、1114/1120、2007． A．H．A．Stienen et al．：Freebal: dedicated gravity compensation for the upper extremities、Proc．of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics、804/808、2007．森田他：バイオメカニズム学会誌、Vol．30、No．4、200/204、 2006． B．Mastenbroek et al．：Development of a Mobile Arm Support (Armon): Design Evolution and Preliminary User Experience、Proc．of the 2007 IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics、1114/1120、 2007． S．K．Banala、S．K．Agrawal、A．Fattah、V．Krishnamoorthy、 W．Hsu、J．Scholz and K．Rudolph：Gravity Balancing Leg Orthosis and Its Performance Evaluation、IEEE Transaction on Robotics、Vol．22、No．6、 1228/1238、 2006．

しかし、上記の自重補償装置では、弾性体としてバネが使われていたため、人の体重のように大きな自重を補償する場合には、線径の太い大型のバネが必要となってしまい、これを車椅子やリハビリ支援装置に用いた場合には装置重量が重くなってしまうために持ち運びが困難になる、装置内に組み込むことが困難になる、折り畳みができなくなるために広い収納スペースを必要としてしまうといった問題点があった。

このような問題を解決し、車椅子やリハビリ支援装置に組み込んで使用することが可能な自重補償装置を構築するためには、自重補償機構を従来のものよりも格段に軽量でコンパクトにする必要があり、従来技術に見られるようなバネを弾性体に使用した自重補償機構に代わる、新たな補償力生成機構を開発する必要がある。

本発明はかかる問題に鑑みたもので、軽量でコンパクトな機械式自重補償装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、天板（１３）と、天板（１３）と平行に配置した底板（１４）と、同じ長さの第１リンク（５）、第２リンク（６）、第３リンク（７）、第４リンク（８）、第５リンク（９）、第６リンク（１０）、第７リンク（１１）、第８リンク（１２）を有し、第１リンク（５）と第３リンク（７）、第２リンク（６）と第４リンク（８）、第５リンク（９）と第７リンク（１１）、および第６リンク（１０）と前記第８リンク（１２）との端部同士を、それぞれ回転自在に固定し、底板（１４）に枢軸され、かみ合う第１ギヤ（１）と第２ギヤ（２）を有し、第１ギヤ（１）と第２ギヤ（２）に、それぞれ固定されて互いに逆方向に回転する第１リンク（５）と第２リンク（６）と、底板（１４）に枢軸され、第１リンク（５）と逆方向に回転する第６リンク（１０）と、底板（１４）に枢軸され、前記第２リンク（６）と逆方向に回転する第５リンク（９）と、天板（１３）に枢軸され、かみ合う第３ギヤ（３）と第４ギヤ（４）を有し、第３ギヤ（３）と第４ギヤ（４）に、それぞれ固定されて互いに逆方向に回転する第３リンク（７）と第４リンク（８）と、天板（１３）に枢軸され、第３リンク（７）と逆方向に回転する第８リンク（１２）と、天板（１３）に枢軸され、第４リンク（８）と逆方向に回転する第７リンク（１１）と、第１リンク（５）と第６リンク（１０）の間に第２リンク（６）上のプーリを介して張られた第１ゴム弾性体（１５）および第２ゴム弾性体（１６）と、第２リンク（６）と第５リンク（９）の間に前記第１リンク（５）上のプーリを介して張られた第３ゴム弾性体（１７）および第４ゴム弾性体（１８）と、
第３リンク（７）と第８リンク（１２）の間に第４リンク（８）上のプーリを介して張られた第５ゴム弾性体（１９）および第６ゴム弾性体（２０）と、第４リンク（８）と第７リンク（１１）の間に第３リンク（７）上のプーリを介して張られた第７ゴム弾性体（２１）および第８ゴム弾性体（２２）と、底板（１４）に垂直に組みつけられた支柱（２３）と、天板（１３）と底板（１４）間に、支柱（２３）上に配置したプーリ（２４）を介して張られた第９ゴム弾性体と、から構成され、天板（１３）を押し下げた場合に、天板（１３）は底板（１４）と平行に移動するとともに、第１リンク（５）、第４リンク（８）、第５リンク（９）、および第８リンク（１２）は一方に、第２リンク（６）、第３リンク（７）、第６リンク（１０）、および第７リンク（１１）は他方に、それぞれ同じ角度だけ回転し、第１ゴム弾性体（１５）、第２ゴム弾性体（１６）、第３ゴム弾性体（１７）、第４ゴム弾性体（１８）、第５ゴム弾性体（１９）、第６ゴム弾性体（２０）、第７ゴム弾性体（２１）、および第８ゴム弾性体（２２）は常に天板（１３）と底板（１４）と平行を保ちながら引張されることにより、任意の高さにおいて、天板（１３）に載せた重量物の自重を補償することのできる機械式自重補償装置である。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の機械式自重補償装置において、前記天板が指定位置よりも上に上がらないように前記支柱にストッパが取り付けられていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る自重補償装置の模式的な構成図である。

本発明の実施形態に係る自重補償装置は、車いす等の持ち運びを必須とする装置において、軽量でありながらも、モータ等の動力源を用いずに、人の体重程度の重量を完全に支えることのできる機械式自重補償装置であり、車椅子やリハビリ支援装置などの福祉機器に内蔵することが可能な、軽量でコンパクトな自重補償装置である。

このため、本実施形態では、天板と底板と同じ長さの８本のリンクから構成されるリンク機構と、前記リンク機構内の内側のリンクに固定され、前記底板および前記天板に枢軸された２対のギヤと、前記底板に鉛直に組みつけられた支柱と、リンク間に前記底板に平行に配置した第１のゴム弾性体と、前記天板と前記底板間に前記支柱上に配置したプーリを介して張られた第２のゴム弾性体から構成され、任意の高さにおいて、前記天板に載せた重量物の自重を補償することのできる機械式自重補償装置としている。

この自重補償装置は、前記底板と前記天板に枢軸された前記ギヤにより、前記リンク機構内の内側のリンクが左右対称に回転し、これにより、前記天板の運動は上下方向に拘束されまた前記天板は常に水平に維持される。

本装置では、前記天板が指定位置よりも上に上がらないように前記支柱にストッパが取り付けられており、これにより前記リンク機構内の各リンクは特異姿勢にならず常に同側に屈曲する。また、各リンクの長さは全て同じであるので、これにより、天板を押し下げた場合に前記リンク機構内の半数のリンクは正方向に、残る半数のリンクは逆方向にそれぞれ同じ角度だけ回転する。

その結果、異方向に回転するリンク間に水平に張られた前記ゴム弾性体１はリンク回転角θの正弦に比例する長さだけ伸張させられることになる。

また、前記天板が下降するにつれて、前記支柱上に配置したプーリを介して張られたゴム弾性体２は伸張させられる。

この結果、ゴム弾性体１、ゴム弾性体２の伸張によって生じる復元力が発生し、天板を上方に押し戻す力が生成されることになる。このとき、ゴム弾性体１とゴム弾性体２のヤング率を、補償重量、各リンクの長さ，ゴム弾性体のリンク上の取り付け位置に応じ、後述するように適切に選定することで、天板に載せた重量物の自重をちょうど支えるだけの補償力を生成することができる。

本装置において、ゴム弾性体を組み付ける際には、天板が最上点にあるときに全てのゴムが自然長になるように調節する。また、ゴムの材質を選定する際には、まず、リンク機構の構造と天板の可動域からゴム伸張量の最大値を決定し、バネ定数は決定された最大伸張量以上の最大たわみを有するゴム材を複数枚並列に並べることで所望のヤング率を有するゴム弾性体を構成する。

このように複数枚のゴム材を並列に並べることで、所望の大きなヤング率と大きな最大たわみを有するゴム弾性体を構成することで、本発明の装置では従来のバネを用いた自重補償機構に比べて軽量かつコンパクトな自重補償装置を構成することが可能となる。

以下、本実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る自重補償装置を概念的に示す図である。本実施形態の自重補償装置は天板に重量物を載せた状態で天板を押し下げた場合に、装置内のゴムが伸張し、一定の補償力を鉛直上方に天板に発生させることで、任意の高さで自重を感じさせることなく天板を昇降させることを可能にした１自由度の自重補償装置である。

本実施形態の自重補償装置は、基台となる底板１４と、底板１４に枢軸された第１ギヤ１と第２ギヤ２、第１ギヤ１と第２ギヤ２に固定されて互いに逆方向に回転する第１リンク５と第２リンク６、重量物を積載するための天板１３、天板１３に枢軸された第３ギヤ３と第４ギヤ４、第３ギヤ３と第４ギヤ４に固定されて互いに逆方向に回転する第３リンク７と第４リンク８、天板１３と底板１４に枢軸された第５リンク９と第６リンク１０および第７リンク１１と第８リンク１２、第１リンク５と第６リンク１０の間に第２リンク６上のプーリを介して張られた第１ゴム弾性体１５と第２ゴム弾性体１６、第２リンク６と第５リンク９の間に第１リンク５上のプーリを介して張られた第３ゴム弾性体１７と第４ゴム弾性体１８、第３リンク７と第８リンク１２の間に第４リンク８上のプーリを介して張られた第５ゴム弾性体１９と第６ゴム弾性体２０、第４リンク８と第７リンク１１の間に第３リンク７上のプーリを介して張られた第７ゴム弾性体２１と第８ゴム弾性体２２、底板１４に垂直に組みつけられた支柱２３、支柱２３に枢軸されたプーリ２４、底板１４と天板１３の間に張られた第９ゴム弾性体２５と、天板１３が指定位置よりも上に上がらないように支柱２３に取り付けられたストッパ２６とから構成される。

各ゴム弾性体は、天板１３が最上点、つまり、第１リンク５〜第８リンク１２が全て直立姿勢になった状態で、自然長にあるように配置される。

本実施形態の自重補償装置では、天板１３をｈだけ下方に押し下げたとき、第１リンク５〜第８リンク１２は図のように角度θだけ左右に傾く。このとき、第１リンク５の底板１４との枢着軸から距離Ｌ_１のところに張られた第１ゴム弾性体１５は底板１４と平行に

だけ伸張する。これにより、第１ゴム弾性体１５には、第１ゴム弾性体１５のヤング率をＫ_１とすると、

の弾性エネルギーが蓄積されることになる。

同様にして、第ｉリンクの天板１３もしくは底板１４との枢着点から第ｉゴム弾性体（i＝１〜８）の取り付け点までの距離をＬ_ｉとすると、第１ゴム弾性体１５〜第８ゴム弾性体２２に蓄えられる弾性エネルギーは全体で

となる。

一方、幾何学的な関係から、各リンクの長さをＬとすると、

が成り立つから、第９ゴム弾性体２５のヤング率をＫ_９とすると第９ゴム弾性体２５には

のエネルギーが蓄積されることになる。
これより、

とすることで、ゴム弾性体全体に蓄積される全エネルギーは

となる。
一方、直立姿勢からの重力エネルギーの変化は、積載物の質量をＭとして

とかけるから、条件：

を満たすようにゴム弾性体のヤング率を設定することで、重力エネルギーの変化とゴムに蓄えられる弾性エネルギーの和が０になり、その結果、任意の位置において釣り合いの状態が保たれ、正確な自重補償を実現することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

また説明を簡便にするため、上記実施形態ではゴム弾性体を９個配置した場合について説明したが、並列に配置するゴムの本数は補償重量に合わせていくらでも多くすることができる。

本発明に係る自重補償装置は、車いすやリハビリ支援装置に限らず、組立工場における作業アシスト装置や、重量の重い機械の動力補助にも利用可能である。また、ヒューマノイドロボットの駆動系の出力補助としても利用可能である。

１…第１ギヤ
２…第２ギヤ
３…第３ギヤ
４…第４ギヤ
５…第１リンク
６…第２リンク
７…第３リンク
８…第４リンク
９…第５リンク

１０…第６リンク
１１…第７リンク
１２…第８リンク
１３…天板
１４…底板
１５…第１ゴム弾性体
１６…第２ゴム弾性体
１７…第３ゴム弾性体
１８…第４ゴム弾性体
１９…第５ゴム弾性体
２０…第６ゴム弾性体
２１…第７ゴム弾性体
２２…第８ゴム弾性体
２３…支柱
２４…プーリ
２５…第９ゴム弾性体
２６…ストッパ

Claims

天板（１３）と、前記天板（１３）と平行に配置した底板（１４）と、
同じ長さの第１リンク（５）、第２リンク（６）、第３リンク（７）、第４リンク（８）、第５リンク（９）、第６リンク（１０）、第７リンク（１１）、第８リンク（１２）を有し、
前記第１リンク（５）と前記第３リンク（７）、
前記第２リンク（６）と前記第４リンク（８）、
前記第５リンク（９）と前記第７リンク（１１）、
および前記第６リンク（１０）と前記第８リンク（１２）との端部同士を、それぞれ回転自在に固定し、
前記底板（１４）に枢軸され、かみ合う第１ギヤ（１）と第２ギヤ（２）を有し、
前記第１ギヤ（１）と前記第２ギヤ（２）に、それぞれ固定されて互いに逆方向に回転する前記第１リンク（５）と前記第２リンク（６）と、
前記底板（１４）に枢軸され、前記第１リンク（５）と逆方向に回転する前記第６リンク（１０）と、
前記底板（１４）に枢軸され、前記第２リンク（６）と逆方向に回転する前記第５リンク（９）と、
前記天板（１３）に枢軸され、かみ合う第３ギヤ（３）と第４ギヤ（４）を有し、
前記第３ギヤ（３）と前記第４ギヤ（４）に、それぞれ固定されて互いに逆方向に回転する第３リンク（７）と第４リンク（８）と、
前記天板（１３）に枢軸され、前記第３リンク（７）と逆方向に回転する前記第８リンク（１２）と、
前記天板（１３）に枢軸され、前記第４リンク（８）と逆方向に回転する前記第７リンク（１１）と、
前記第１リンク（５）と前記第６リンク（１０）の間に前記第２リンク（６）上のプーリを介して張られた第１ゴム弾性体（１５）および第２ゴム弾性体（１６）と、
前記第２リンク（６）と前記第５リンク（９）の間に前記第１リンク（５）上のプーリを介して張られた第３ゴム弾性体（１７）および第４ゴム弾性体（１８）と、
前記第３リンク（７）と前記第８リンク（１２）の間に前記第４リンク（８）上のプーリを介して張られた第５ゴム弾性体（１９）および第６ゴム弾性体（２０）と、
前記第４リンク（８）と前記第７リンク（１１）の間に前記第３リンク（７）上のプーリを介して張られた第７ゴム弾性体（２１）および第８ゴム弾性体（２２）と、
前記底板（１４）に垂直に組みつけられた支柱（２３）と、
前記天板（１３）と前記底板（１４）間に、前記支柱（２３）上に配置したプーリ（２４）を介して張られた第９ゴム弾性体と、
から構成され、
前記天板（１３）を押し下げた場合に、
前記天板（１３）は前記底板（１４）と平行に移動するとともに、
前記第１リンク（５）、前記第４リンク（８）、前記第５リンク（９）、および前記第８リンク（１２）は一方に、
前記第２リンク（６）、前記第３リンク（７）、前記第６リンク（１０）、および前記第７リンク（１１）は他方に、それぞれ同じ角度だけ回転し、
前記第１ゴム弾性体（１５）、前記第２ゴム弾性体（１６）、前記第３ゴム弾性体（１７）、前記第４ゴム弾性体（１８）、前記第５ゴム弾性体（１９）、前記第６ゴム弾性体（２０）、前記第７ゴム弾性体（２１）、および前記第８ゴム弾性体（２２）は常に前記天板（１３）と前記底板（１４）と平行を保ちながら引張されることにより、
任意の高さにおいて、前記天板（１３）に載せた重量物の自重を補償することのできる機械式自重補償装置。
前記天板（１３）が指定位置よりも上に上がらないように前記支柱（２３）にストッパ（２６）が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の機械式自重補償装置。