非円形プーリ－バネ系による自重補償機構と4節平行リンク型アームへの適用

摘要

Fig.1（d）はリンク端部にカウンターウェイトを設置することで手先質量を補償している．このような機構は系の重心位置がつねに関節軸上にあるため，ベースリンク部に働くモーメントはリンク角度θに依存せずつねに一定となる．これによりベース部を強固に固定することのできない用途，例えばサスペンションを有するバギー車両上に設置された長リーチアームなどの場合に適する．一方でカウンターウェイトという新たな質量を付加することにより関節軸周りの慣性モーメントは増加することになり，大きな加減速を必要とする用途には適さない．これらの先行研究·事例を踏まえ，本論文では産業用ロボットで主流であるFig.1（b）の配置をベースとしながらも，リンクとともに回動する非円形プーリを関節部に導入することによって，関節可働範囲内で完全にバランスする機構を検討する．非円形プーリの導入によってバネカあるいはバネトルクを所望の値に変換する手法はいくつか先行研究がある．岡田は車輪型配管内移動ロボットの駆動輪を，直径の変化する走行管内内壁に一定力で押し付けるため，パンタグラフ機構とバネ·非円形プーリを組み合わせる機構を提案した．Ulrichらは平行に配置された線形バネを用いて拮抗駆動する場合の非円形プーリ外形を解析的に導出し，2自由度受動関節シリアルリンク系の自重補償が可能であることを実験的に示じた．ところがこれらの先行研究は解析の仮定を成立させるため設計上の様々な制約があり実験は原理検証の域を出ていなかった．本研究ではより実用的で設計自由度の高い数値的手法を提案しそれに基づきプーリ外形を導出する．そしで能動関節による2自由度4節平行リンク型アームに本自重補償機構を適用し，実際のマニピュレータシステムとして構成可能で，かつ必要なアクチュエータトルクを大幅に減少できることを実験で示す．