JP6812287B2 - 連接用アーム - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボットの多関節アームに好適に用いられる連接用アームに関する。

従来から、産業用ロボットには、地面に回転自在に立設された支持柱部に、多関節アームの基端が取り付けられており、多関節アームの先端には、エンドエフェクタが取り付けられている。多関節アームは、少なくとも２つの連接用アームを回動自在に連接させた多関節構造であり、連接された連接用アーム同士は、サーボモータ等により相対的に回動する。

このような多関節アームに用いられる連接用アームとして、たとえば、特許文献１には、以下に示す連接用アームが提案されている。この連接用アームは、アーム本体と、多関節アームの基端に連接される第１連接部と、アーム本体の他端側において、多関節アームの先端側に連接される第２連接部と、を備えている。第１および第２連接部は、アーム本体と、繊維強化樹脂により、一体的に形成されている。この連接用アームによれば、その素材が繊維強化樹脂からなるので、連接用アームの軽量化を図るとともに、その剛性を確保することができる。

特開２００９−１９０１４９号公報

しかしながら、特許文献１の連接用アームは、多関節アームとして回動自在に連接されており、連接用アームが、関節となる部分で回動および停止のタイミングで、連接用アームが振動することがある。

特に、多関節アームの基端側で発生した振動は、その先端側で大きくなる傾向があるため、この振動が、多関節アームの先端に取付けられたエンドエフェクタに伝わってしまうことがある。このような結果、発生した振動がある程度収まらないと、多関節アームは、次の動作に移ることができないため、多関節アームの動作性が損なわれることがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、連接用アームが回動した際に生じる振動を抑えることにより、多関節アームの動作性を向上させることができる連接用アームを提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る連接用アームは、産業用ロボットの多関節アームの一部となる連接用アームであって、前記連接用アームは、アーム本体と、前記アーム本体の一端側において、前記多関節アームの基端側に回動自在に連接される第１連接部と、前記アーム本体の他端側において、前記多関節アームの先端側に回動自在に連接される第２連接部と、を備えており、前記第１連接部は、繊維強化樹脂からなり、前記アーム本体および前記第２連接部は、発泡樹脂からなる芯材と、前記芯材を被覆する繊維強化樹脂からなる外皮と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、第１連接部は、繊維強化樹脂からなり、アーム本体および第２連接部は、芯材を被覆する繊維強化樹脂からなる外皮を備えているため、連接用アームの剛性を確保することができる。

さらに、アーム本体および第２連接部は、発泡樹脂からなる芯材を備えているため、連接用アームのさらなる軽量化を図ることができるばかりでなく、連接用アームが回動した際に生じる連接用アームの振動を、芯材の発泡樹脂に吸収させることができる。

また、第２連接部は、アーム本体の他端側において、多関節アームの先端側に回動自在に連接されるので、第２連接部の発泡樹脂の芯材により、多関節アームの先端に取付けられたエンドエフェクタへの振動を好適に吸収することができる。これに加えて、第１連接部において発生した振動は、アーム本体を構成する発泡樹脂からなる芯材で吸収されるため、第２連接部に第１連接部の振動が伝わり難い。

このような結果、多関節アームの先端に取付けられたエンドエフェクタに伝わる振動を抑えることにより、多関節アームの次の動作を早期に実行することができ、多関節アームの動作性を向上させることができる。

より好ましい態様としては、前記アーム本体および前記第２連接部の芯材は、連続して形成されている。この態様によれば、前記アーム本体および第２連接部が連続した芯材となっているため、第１連接部において発生した振動を、発泡樹脂からなる１つの芯材で効率的に吸収することができる。

さらに、好ましい態様としては、前記第２連接部には、前記多関節アームの先端側に連接するための金属製のリング部材が取り付けられており、前記第２連接部には、前記芯材に段付き部分を形成し、前記段付き部分を前記外皮で被覆することにより、前記段付き部分を被覆した前記外皮に前記リング部材が着座するように、前記リング部材を収容する収容凹部が形成されている。

この態様によれば、第２連接部の収容凹部に、多関節アームの先端側に連接するためのリング部材を収容しつつ、リング部材を芯材の段付き部分を被覆した外皮に着座する。この結果、リング部材が着座した表面およびその外周面の対向する位置に、外皮を介して、段付き部分の発泡樹脂を配置することができる。

このような結果、第１連接部からリング部材に向かう振動を、芯材の段付き部分の発泡樹脂で吸収することができ、リング部材に向かう振動を、リング部材から外皮を介して、芯材の段付き部分の発泡樹脂で吸収することができる。

本発明によれば、連接用アームが回動した際に生じる振動を抑えることにより、多関節アームの動作性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る連接用アームを一方側から視た模式的斜視図である。 図１に示す連接用アームを他方側から視た模式的斜視図である。 図１に示す連接用アームの平面図である。 図１に示す連接用アームに配置された芯材の位置を説明するための模式的斜視図である。 （ａ）は、図３のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ線における断面図であり、（ｃ）は、図３のＣ−Ｃ線における断面図である。 図３のＤ−Ｄ線における断面図である

以下の本発明に係る本実施形態に係る連接用アームを、図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態に係る連接用アーム１は、産業用ロボットの多関節アーム（図示せず）の一部となる連接用アームである。多関節アームの基端は、これを支持するとともに水平方向に回転自在となる支持柱部（図示せず）に取り付けられており、関節アームの先端には、エンドエフェクタ（図示せず）が取り付けられている。

図１に示すように、連接用アーム１は、アーム本体２０と、アーム本体２０の一端側において、多関節アームの基端側に回動自在に連接される第１連接部３０と、アーム本体２０の他端側において、多関節アームの先端側に回動自在に連接される第２連接部４０と、を備えている。

アーム本体２０と、第１および第２連接部３０、４０は、後述するように、繊維強化樹脂により、一体的に成形されおり、図２に示すように連接用アーム１の一方側には、肉抜き部５１が形成されている。さらに、肉抜き部５１が形成された側の連接用アーム１の縁部には、アーム本体２０と、第１および第２連接部３０、４０とを繋ぐように、連接用アーム１を周回するように、繊維強化樹脂からなる鍔部５２が形成されている。このような鍔部５２を形成することにより、連接用アーム１の剛性を高めることができる。

なお、図１および２には、便宜上、アーム本体２０と第１連接部３０との間に、境界線を描いているが、これらは、後述する繊維強化樹脂のプリプレグにより継ぎ目なく成形される。また、図５および図６に示す断面図には、第１連接部３０と鍔部５２とが、１つの部材の如く描いているが、これらは、個別の複数のプリプレグを積層することにより成形される。

アーム本体２０には、連接用アーム１の回動する回動軸Ｌ１、Ｌ２と直交する方向において、第１および第２連接部３０、４０に延在した基材部２１と、基材部２１の両側から鍔部５２に向かって延在する一対の側壁部２２、２２とが、形成されている。

第１連接部３０は、アーム本体２０の一方側において、基材部２１および一対の側壁部２２，２２に連続して一体的に形成されている。第１連接部３０には、多関節アームの基端側の構成部品（図示せず）を回動自在に軸支する、繊維強化樹脂からなる第１支持部３１が形成されている。

第１支持部３１には、多関節アームの構成部品を受け入れる第１受け孔３２が形成されている。第１受け孔３２には、第１支持部３１に一体的に形成された、繊維強化樹脂からなる受け部３３が配置されている。

受け部３３には、第１受け孔３２に連通した貫通孔３４が形成されており、多関節アームの基端側の構成部品を連接するための金属製の第１リング部材３６が、貫通孔３４の周りを囲うように、取り付けられている。

第１リング部材３６は、たとえば、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属材料からなり、後述する第２リング部材４３よりも、連接用アーム１の鍔部５２側に、接着剤を介して取付けられている。ここでは、第１リング部材３６は、接着剤を介して受け部３３に接着されているが、例えば、第１リング部材３６をインサート成形により、受け部３３に接合させてもよい。

第２連接部４０は、アーム本体２０の他方側において、基材部２１および一対の側壁部２２，２２に連続して一体的に形成されている。第２連接部４０には、多関節アームの先端側の構成部品（図示せず）を回動自在に軸支する、第２支持部４１が形成されている。

第２支持部４１には、多関節アームの先端側の構成部品を受け入れる第２受け孔４２が形成されている。第２受け孔４２には、多関節アームの先端側の構成部品を連接するための金属製の第２リング部材４３が、第２受け孔４２の周りを囲うように、取り付けられている。第２リング部材４３は、たとえば、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属材料からなり、第１リング部材３６よりも、アーム本体２０の基材部２１側に取付けられている。

この結果、図６に示すように、第１リング部材３６と第２リング部材４３とは、アーム本体２０の両側において、第１および第２連接部３０、４０の平行な回動軸Ｌ１、Ｌ２と直交する異なる平面上において、連接用アーム１に取付けられることになる。

この結果、第１リング部材３６および第２リング部材４３のうち、その一方からの振動が、その他方に伝わることを抑えるばかりでなく、後述するアーム本体２０と第２連接部４０に配置された発泡樹脂からなる芯材２５、４５で、この振動を効率良く吸収することができる。

ここで、本実施形態では、上述した如く第１連接部３０は、図５（ａ）に示すように、繊維強化樹脂からなり、複数の繊維強化樹脂層をその形状に沿って積層することにより、形成されている。

一方、図５（ｂ）に示すように、アーム本体２０は、発泡樹脂からなる芯材２５と、芯材２５を被覆する繊維強化樹脂からなる外皮２６とを備えている。アーム本体２０の芯材２５は、アーム本体２０の基材部２１および一対の側壁部２２，２２の内部に連続して形成されている。外皮２６は、芯材２５を挟むように、芯材２５の表面を被覆しており、外皮２６は、第１連接部３０に連続して形成されている。

同様に、図５（ｃ）に示すように、第２連接部４０は、発泡樹脂からなる芯材４５と、芯材４５に被覆された繊維強化樹脂からなる外皮４６とを備えている。外皮４６は、芯材４５を挟むように、芯材４５の表面を被覆している。

図４に示すように、アーム本体２０の芯材２５と、第２連接部４０の芯材４５とは、連続して形成されており、１つの発泡樹脂からなる。これにより、第１連接部３０において発生した振動を、アーム本体２０および第２連接部４０の連続した１つの発泡樹脂で、効率的に吸収することができる。

本実施形態では、図６に示すように、アーム本体２０の外皮２６と、第２連接部４０の外皮４６とは、連続して形成されている。さらに、アーム本体２０の外皮２６および第２連接部４０の外皮４６は、鍔部５２にも、連続して形成されている。これにより、連続する芯材２５，４５の端面を、繊維強化樹脂からなる鍔部５２で覆うことができる。

なお、本実施形態では、鍔部５２により、芯材２５、４５の端面を覆ったが、連接用アーム１に鍔部５２を設けない場合には、アーム本体２０の外皮２６および第２連接部４０の外皮４６で、芯材２５、４５の端面を覆ってもよい。

さらに、図４に示すように、第２連接部４０では、芯材４５に段付き部分４８が形成されている。段付き部分４８には、図５（ｃ）および図６に示すように、外皮４６が被覆されている。段付き部分４８を被覆した外皮４６の部分には、第２リング部材４３が着座するように、第２リング部材４３を収容する収容凹部４９が形成されている。

本実施形態では、第２リング部材４３の一方側の表面および外周面は、段付き部分４８を被覆した外皮４６に、接着剤を介して接着されている。しかしながら、例えば、第１リング部材３６と同様に、第２リング部材４３をインサート成形により、第２リング部材４３を外皮４６に接合してもよい。

第１連接部３０、アーム本体２０の外皮２６、および第２連接部４０の外皮４６等を構成する繊維強化樹脂の強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、玄武岩繊維、セラミックス繊維などの無機繊維；ステンレス繊維やスチール繊維などの金属繊維；アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサドール（ＰＢＯ）繊維などの有機繊維；またはボロン繊維などが挙げられる。強化繊維は、一種単独で用いられてもよく、二種以上が併用されてもよい。なかでも、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド繊維が好ましく、炭素繊維がより好ましい。これらの強化繊維は、軽量であるにも関わらず優れた機械的強度を有している。

このような強化繊維としては、長繊維または短繊維のいずれであってもよいが、所望の形状に加工された強化繊維基材として用いられることが好ましい。強化繊維基材としては、強化繊維を用いてなる織物基材、編物基材、不織布、または強化繊維を一方向に引き揃えた繊維束（ストランド）を糸で結束（縫合）してなる面材などが挙げられる。本実施形態では、また、強化繊維基材は、長繊維が織り込まれた織物基材であり、織物基材の織り方としては、平織、綾織、朱子織などが挙げられる。繊維強化基材は、一枚の繊維強化基材のみを積層せずに用いてもよく、複数枚の繊維強化基材を積層して積層繊維強化基材として用いてもよい。

合成樹脂は、強化繊維に含浸されて、強化繊維同士を結合する樹脂である。含浸させた合成樹脂によって、強化繊維同士を結着一体化させることができる。強化繊維に含浸させる合成樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれの樹脂であってもよいが、より好ましくは、熱硬化性樹脂である。

熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、シリコン系樹脂、マレイミド系樹脂、ビニルエステル系樹脂、シアン酸エステル系樹脂、またはマレイミド系樹脂とシアン酸エステル系樹脂を予備重合した樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。なかでも、エポキシ系樹脂、またはビニルエステル系樹脂が好ましい。これらの合成樹脂によれば、弾性に優れた繊維強化樹脂を形成することができ、得られる連接用アーム１の耐衝撃性を向上させることができる。また、熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤などの添加剤が含有されていてもよい。繊維強化樹脂は、シート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）により成形されてもよい。

繊維強化樹脂における熱硬化性樹脂の含有量は、２０〜８０重量％が好ましく、３０〜７０重量％がより好ましい。熱硬化性樹脂の含有量が少な過ぎると、強化繊維同士の結着性が不十分となり、連接用アーム１の機械的強度や耐衝撃性を十分に向上することができないおそれがある。また、熱硬化性樹脂の含有量が多過ぎると、連接用アーム１の機械的強度が低下して、その耐衝撃性を十分に向上させることができないおそれがある。

芯材２５、４５は、素材として発泡した合成樹脂を含んでいる。合成樹脂は、シアノ基、ヒドロキシ基（水酸基）、カルボニル基、アミノ基、エポキシ基、ハロゲン原子、オキソ基、またはフェニル基などの極性基を有していることが好ましい。極性基を有している合成樹脂を用いることによって、これを含むアーム本体２０の芯材２５と、外皮２６とを強固に一体化させ、第２連接部４０の芯材４５と、外皮４６とを強固に一体化させることができる。これにより、連接用アーム１に衝撃が加わった際に芯材２５、４５との外皮２６、４６の剥離を低減させて、連接用アーム１の耐衝撃性をより向上させることが可能となる。

芯材２５、４５に用いられる合成樹脂として、具体的には、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、熱可塑性ポリエステル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、またはポリプロピレン系樹脂などが挙げられる。なお、合成樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。なかでも、芯材２５（４５）と、外皮２６（４６）とをより強固に一体化することができることから、熱可塑性ポリエステル系樹脂またはポリアミド系樹脂が好ましく、熱可塑性ポリエステル系樹脂がより好ましい。

このような連接用アーム１は、１対の成形型（図示せず）において、加圧・加熱による成形を行うことにより製造することができる。具体的には、型締めした状態で、１対の成形型内には、連接用アーム１の形状に応じたキャビティが形成されており、型開き時の一方の成形型に、まず、鍔部５２に相当する形状に、例えば未硬化の熱硬化性樹脂が強化繊維の基材に含侵されたプリプレグを積層して、鍔部５２を賦形する。

次に、第１支持部３１および受け部３３に相当する形状に、上述したプリプレグを積層し、第１連接部３０を賦形する。次に、芯材２５、４５の形状に相当する予備発泡させた発泡樹脂を準備し、外皮２６、４６に相当するプリプレグを被覆して、アーム本体２０と第２連接部４０を賦形し、一方の成形型に配置された鍔部５２の上に配置する。

次に、一方の成形型と他方の成形型とを型締めすることにより、これらの内部に配置されたプリプレグと発泡樹脂とを加圧および加熱し、プリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を硬化させるとともに、発泡樹脂をさらに発泡させる。このようにして、連接用アーム１を製造することができる。

本実施形態によれば、第１連接部３０は、繊維強化樹脂からなり、アーム本体２０および第２連接部４０は、芯材２５、４５に被覆された繊維強化樹脂からなる外皮２６、４６を備えているため、連接用アーム１の剛性を確保することができる。

さらに、アーム本体２０および第２連接部４０は、発泡樹脂からなる芯材２５、４５を備えているため、連接用アーム１のさらなる軽量化を図ることができる。これに加えて、連接用アーム１が回動軸Ｌ１、Ｌ２の周りに回動した際に生じる連接用アーム１の振動を、発泡樹脂からなる芯材２５、４５に吸収させることができる。

さらに、第２連接部４０は、アーム本体２０の他端側において、多関節アーム（図示せず）の先端側に回動自在に連接されるので、第２連接部４０の発泡樹脂の芯材４５により、多関節アームの先端に取付けられたエンドエフェクタ（図示せず）への振動を好適に吸収することができる。これに加えて、第１連接部３０において発生した振動は、アーム本体２０を構成する発泡樹脂からなる芯材２５で吸収されるため、第２連接部４０に第１連接部３０の振動が伝わり難い。

特に、収容凹部４９において、第２リング部材４３を、芯材４５の段付き部分４８を被覆した外皮４６に着座させたので、第２リング部材４３が着座した表面およびその外周面の対向する位置に、外皮４６を介して、段付き部分４８の発泡樹脂を配置することができる。これにより、第１連接部３０から第２リング部材４３に向かう振動を、芯材４５の段付き部分４８の発泡樹脂で吸収することができ、第２リング部材４３に向かう振動を、芯材４５の段付き部分４８の発泡樹脂で吸収することができる。

このような結果、多関節アームの先端に取付けられたエンドエフェクタに伝わる振動を抑えることにより、多関節アームの次の動作を早期に実行することができ、多関節アームの動作性を向上させることができる。

以上、本発明のいくつか実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、本実施形態では、連接用アームの第１連接部および第２連接部のそれぞれに、多関節アームの構成部品を軸支するようにこれを受ける第１および第２受け孔を形成したが、連接用アームを連接して多関節アームを動作できるのであれば、この構造に限定されるものではない。

また、本実施形態では、アーム本体と第２連接部の芯材は、１つの芯材となっていたが、アーム本体および第２連接部ごとに芯材が分割され、外皮が各芯材を被覆していてもよい。

１：連接用アーム、２０：アーム本体、２１：基材部、２２：側壁部、２５：芯材、２６：外皮、３０：第１連接部、３１：第１支持部、３２：第１受け孔、３３：受け部、３４：貫通孔、３６：第１リング部材、４０：第２連接部、４１：第２支持部、４２：第２受け孔、４３：第２リング部材、４５：芯材、４６：外皮、４８：段付き部分、４９収容凹部、５１：肉抜き部、５２：鍔部、Ｌ１、Ｌ２：回動軸

Claims (2)

1. 産業用ロボットの多関節アームの一部となる連接用アームであって、
   前記連接用アームは、アーム本体と、前記アーム本体の一端側において、前記多関節アームの基端側に回動自在に連接される第１連接部と、前記アーム本体の他端側において、前記多関節アームの先端側に回動自在に連接される第２連接部と、を備えており、
   前記第１連接部は、繊維強化樹脂からなり、
   前記アーム本体および前記第２連接部は、発泡樹脂からなる芯材と、前記芯材を被覆する繊維強化樹脂からなる外皮と、を備え、
   前記第２連接部には、前記多関節アームの先端側に連接するための金属製のリング部材が取り付けられており、
   前記第２連接部には、前記芯材に段付き部分を形成し、前記段付き部分を前記外皮で被覆することにより、前記段付き部分を被覆した前記外皮に前記リング部材が着座するように、前記リング部材を収容する収容凹部が形成されていることを特徴とする連接用アーム。
2. 前記アーム本体および前記第２連接部の芯材は、連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の連接用アーム。

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