特許 7594091 アーム状構造体およびロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】アーム状構造体およびロボット

(51)【国際特許分類】

   B25J 18/00 20060101AFI20241126BHJP

   F16B 7/20 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

B25J18/00

F16B7/20 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023511161

(86)(22)【出願日】2022-03-25

(86)【国際出願番号】 JP2022014264

(87)【国際公開番号】W WO2022210329

(87)【国際公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-10-10

(31)【優先権主張番号】P 2021058980

(32)【優先日】2021-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2021074937

(32)【優先日】2021-04-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(74)【代理人】

【識別番号】100142789

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100201466

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】中山 一隆

【審査官】岩▲崎▼ 優

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０１５１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１５７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０２７１２９５０（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０９１１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４３５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８２３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２３０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－１８０５３０４（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０５２４２７２１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００－ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パイプ状の本体部と、
該本体部の少なくとも一方の端部に接合され、他部品に固定可能な取付インタフェース部とを備え、
前記本体部および前記取付インタフェース部の少なくとも一部が、連続の強化繊維を含む樹脂により構成され、
前記本体部と前記取付インタフェース部とは、一方に設けられた凹部と他方に設けられた凸部との嵌合により、前記本体部の長手軸方向および該長手軸回りの相対移動を係止された状態に接合され、
前記凹部の周辺および前記凸部の少なくとも一方が前記強化繊維を含む樹脂により構成され、
前記強化繊維の少なくとも一部の繊維の方向が、前記凹部および前記凸部のせん断方向に対し垂直な方向に配向されているアーム状構造体。

【請求項2】

前記取付インタフェース部の少なくとも一部が樹脂により構成されている請求項１に記載のアーム状構造体。

【請求項3】

前記本体部の少なくとも一部が樹脂により構成されている請求項１または請求項２に記載のアーム状構造体。

【請求項4】

前記本体部をインサート部品として前記取付インタフェース部をインサート成形した請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアーム状構造体。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアーム状構造体を少なくとも１つ備えるロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アーム状構造体およびロボットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

産業用ロボットのアームとして、軽量化を図りながら強度を保持するために、樹脂製の長尺のアーム本体の両端に取付インタフェース部を接着剤により接合した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１５１２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アーム本体と取付インタフェース部とを接着剤によって接合するだけでは、産業用ロボットのアームのように、強度や剛性が要求される用途に対する十分な接合強度を得ることが難しい場合がある。したがって、簡易な方法で、高い接合強度で接合され、強度や剛性が要求される用途にも適用できるアーム状構造体が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様は、パイプ状の本体部と、該本体部の少なくとも一方の端部に接合され、他部品に固定可能な取付インタフェース部とを備え、前記本体部および前記取付インタフェース部の少なくとも一部が、連続の強化繊維を含む樹脂により構成され、前記本体部と前記取付インタフェース部とは、一方に設けられた凹部と他方に設けられた凸部との嵌合により、前記本体部の長手軸方向および該長手軸回りの相対移動を係止された状態に接合されているアーム状構造体である。
ここでの連続の強化繊維の定義は、一般的に強化繊維の長さが１０ｍｍ以上であり、射出成形法では成形が困難な強化繊維のことと定義する。射出成形用の樹脂ペレットに含まれる強化繊維の長さは、一般的に短繊維と言われるもので１ｍｍ前後、長繊維と言われるもので２ｍｍ前後と言われている。１０ｍｍ以上の長さになると、射出成形機のスクリューに強化繊維が絡まってしまい、射出成形機を破損させる要因となってしまう。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本開示の一実施形態に係るアーム状構造体を示す正面図である。

【図2】図１のアーム状構造体を示す縦断面図である。

【図3】図１のアーム状構造体の取付インタフェース部を示す部分的に拡大した縦断面図である。

【図4】図１のアーム状構造体の本体部および取付インタフェース部を構成する強化繊維を示す斜視図である。

【図5】図１のアーム状構造体を製造するための金型の一例を示す縦断面図である。

【図6】図１のアーム状構造体の製造過程においてプリフォームに樹脂注入口を押し込んでいる状態を示す拡大縦断面図である。

【図7】図１のアーム状構造体の製造過程においてプリフォームから樹脂注入口を離した状態を示す拡大縦断面図である。

【図8】図１のアーム状構造体の第１の変形例を示す取付インタフェース部の部分的な縦断面図である。

【図9】図１のアーム状構造体の第２の変形例を示す取付インタフェース部の部分的な縦断面図である。

【図10】図１のアーム状構造体の第３の変形例を示す取付インタフェース部の部分的な縦断面図である。

【図11】図１のアーム状構造体の第４の変形例を示す取付インタフェース部の部分的な縦断面図である。

【図12】図１のアーム状構造体の第５の変形例を示す取付インタフェース部の部分的な縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示の一実施形態に係るアーム状構造体１およびロボットについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るアーム状構造体１は、例えば、ロボットアームである。
本実施形態に係るロボットは、アーム状構造体１を少なくとも１つ備えている。
本実施形態に係るアーム状構造体１は、図１および図２に示されるように、内孔２ａを有する円筒のパイプ状の本体部２と、本体部２の長手軸方向の両方の端部に接合された一対の取付インタフェース部３とを備えている。

【0008】

本体部２は、例えば、少なくとも一部が、連続の強化繊維３０を含む炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）により構成されている。
取付インタフェース部３も、少なくとも一部が、連続の強化繊維３０を含む炭素繊維強化樹脂により構成され、本体部２の内孔２ａに連絡する中空部４を有している。

【0009】

また、取付インタフェース部３には、ロボットを構成する他部品、例えば、減速機の出力軸に固定するための円環状のフランジ部５が設けられている。一対の取付インタフェース部３のフランジ部５は、本体部２の長手軸に平行な同一平面上に配置されるフランジ面５ａを備えている。

【0010】

フランジ部５は、中央に中空部４を開口させる中央孔６を有し、中央孔６の周囲に、周方向に間隔をあけて配置された複数の貫通孔７を備えている。一方のフランジ部５の中央孔６を経由してケーブル等の線条体を本体部２の内孔２ａに通し、他方のフランジ部５の中央孔６から取り出す経路に沿って線条体を配線することができる。フランジ部５はアームの外観向上のために中空部４内に設けられ、開口１１は内部に工具や人の手が入るよう、比較的大きなサイズとなっている。

【0011】

また、取付インタフェース部３は、フランジ部５に埋め込まれた平板状の金属プレート４１を備えている。
金属プレート４１は、図１から図３に示されるように、中央孔４２を有するリング板状に形成されている。金属プレート４１には、板厚方向に貫通する複数の貫通孔４３が、周方向に間隔をあけて設けられている。

【0012】

金属プレート４１は、板厚方向の一面を取付面４１ａとして、取付面４１ａ全体を露出させている。また、金属プレート４１の板厚方向の他の面は、幾つかの貫通孔４３の周囲をフランジ部５の貫通孔７内に部分的に露出させた状態で、フランジ部５を構成する樹脂によって部分的に覆われている。貫通孔４３の周囲に露出している金属プレート４１の表面は、貫通孔４３に挿入される取付ネジ（図示略）の座面として機能する。

【0013】

本体部２と一対の取付インタフェース部３とは、以下の構造により接合されている。
すなわち、本体部２は、図２および図３に示されるように、長手軸方向の両方の端部から所定距離だけ離れた位置に、径方向に貫通する貫通孔（凹部）８を備えている。貫通孔８は、円形の横断面形状を有し、各端部近傍に、周方向に間隔をあけて複数、例えば、４個ずつ設けられている。

【0014】

取付インタフェース部３には、本体部２の両方の端部の外周面を嵌合させる円筒状の嵌合部９と、嵌合部９の内面から径方向内方に突出し、本体部２の貫通孔８にぴったりと嵌合する相補的な形状の凸部１０とが設けられている。
本体部２および取付インタフェース部３を構成する樹脂内の強化繊維３０の配向方向は、図４に示されるように、強化繊維３０の少なくとも一部が貫通孔８および凸部１０におけるせん断方向に対し垂直な方向に配向されている。具体的には、強化繊維３０の少なくとも一部が、貫通孔８の内面に沿う中心軸方向および凸部１０の外周面に沿う中心軸方向に配向されていることが好ましい。

【0015】

このように構成された本実施形態に係るアーム状構造体１の製造方法について以下に説明する。
本実施形態に係るアーム状構造体１は、図５に示される金型１００を用いて、樹脂をＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法を用いて成形することにより製造される。

【0016】

金型１００は上下方向に開閉される上型１１０および下型１２０と、鉛直方向に直線移動可能に支持された円柱状の第１可動型１２５と、第１可動型１２５を貫通して水平方向に直線移動可能に支持された円柱状の第２可動型１３０とを備えている。上型１１０は、樹脂を注入するための貫通孔１１１が設けられた樹脂注入部１５０を備えている。第２可動型１３０の先端部には、本体部２の内孔２ａに隙間なく嵌合可能な嵌合凸部１３１が備えられている。

【0017】

本実施形態に係る製造方法は、まず、本体部２の両方の端部近傍に貫通孔８を形成する。また、金型１００内部には、中間基材としてプリフォーム３１が配置される。プリフォーム３１は、連続の強化繊維３０によって事前に成形された製品形状に予備賦形された状態のものである。
プリフォーム３１の強化繊維３０は、あらゆる方向に対して強い強度にするため、例えば、一方向のものを繊維の配向角度を４５度ずつずらして配置して４層重ねてもよい。また、角度を小さく刻む程、より多くの方向に対して強くすることが可能となる。

【0018】

そして、図５に示されるように、上型１１０と下型１２０とを閉鎖することにより間に形成される空間に、本体部２の一方の端部を水平方向一方向から挿入した状態に収容する。これとともに、第１可動型１２５の先端に金属プレート４１を取り付けた状態で、鉛直上方から第１可動型１２５を挿入し、本体部２とは逆方向から水平方向に第２可動型１３０を挿入して、嵌合凸部１３１を本体部２の内孔２ａに嵌合させる。

【0019】

これにより、上型１１０、下型１２０、第１可動型１２５、第２可動型１３０および本体部２の外面によって、取付インタフェース部３に相当するキャビティ１４０が形成される。

【0020】

次に、上型１１０の樹脂注入部１５０を金型１００内部に移動させ、金型１００内部に配置されているまだ柔らかいプリフォーム３１に樹脂注入部１５０の先端面を突き当てる。そして、図６に示されるように、樹脂注入部１５０をさらに金型１００内部に移動させて貫通孔８内にプリフォーム３１を押し込んで、プリフォーム３１を変形させる。その後、図７に示されるように、樹脂注入部１５０を金型１００内部から少し引き上げて樹脂注入部１５０とプリフォーム３１とを離間させ、樹脂注入部１５０に設けられた貫通孔１１１を介してキャビティ１４０内に溶融樹脂Ｐを射出することにより、本体部２の一方の端部に取付インタフェース部３を成形することができる。

【0021】

すなわち、本体部２をインサート部品として、取付インタフェース部３をインサート成形することにより、アーム状構造体１が製造される。
貫通孔１１１の位置は、図５の位置に限るものではない。樹脂内の強化繊維３０の配向を考慮して、最適な位置に配置すればよい。
また、金属プレート４１は下型１２０に取り付けた状態で取付インタフェース部３を成形してもよい。

【0022】

この取付インタフェース部３の成形過程において、キャビティ１４０内に溶融樹脂Ｐが射出されていくと、本体部２の一端部を、貫通孔８を含む長手軸方向範囲にわたって取り囲む円筒状の嵌合部９が本体部２の外周面に密着する位置に形成される。これとともに、嵌合部９の溶融樹脂Ｐの一部が、貫通孔８に流入して嵌合部９の内面から径方向内方に延びていき、貫通孔８と相補的な形状を有する円柱状の凸部１０が形成される。

【0023】

すなわち、本実施形態に係るアーム状構造体１は、溶融樹脂Ｐを射出する際に成形されていく凸部１０を本体部２に形成された貫通孔８に嵌合させている。これにより、本体部２の両方の端部に接合される一対の取付インタフェース部３を、本体部２の軸方向および周方向の相対移動を規制、すなわち、本体部２の長手軸方向および長手軸回りの相対移動を係止した状態に、本体部２に固定することができる。

【0024】

つまり、本体部２と取付インタフェース部３とは、取付インタフェース部３が成形される際に形成される凸部１０を本体部２の貫通孔（凹部）８に嵌合させることにより、本体部２の長手軸方向および長手軸回りの相対移動を係止した状態に接合される。
本体部２と取付インタフェース部３とを接着剤のみによって固定する場合と比較して、貫通孔８と凸部１０との嵌合によって、せん断方向の接合強度を向上することができる。

【0025】

そして、本体部２および取付インタフェース部３を樹脂により一体的に成形しないので、金型１００を比較的容易に構成することができる。特に、長尺の本体部２を金属製のパイプ状に構成したので、取付インタフェース部３の成形時に本体部２の全長にわたって中子を配置する必要がなく、容易に製造することができるという利点がある。

【0026】

また、本体部２の内孔２ａに嵌合する嵌合凸部１３１を有する第２可動型１３０によって、本体部２の貫通孔８を内側から閉塞するので、溶融樹脂Ｐが本体部２内に漏れ出ることを防止することができる。
また、上下方向に開閉する上型１１０および下型１２０に対して移動する第１可動型１２５および第２可動型１３０を設けた。これにより、第１可動型１２５および第２可動型１３０の経路に位置する取付インタフェース部３に内側の中空部４に連通する作業用の開口１１を形成することができる。

【0027】

また、本実施形態によれば、取付インタフェース部３を、本体部２を構成する樹脂と同じ、炭素繊維強化樹脂により構成しているので、本体部２と取付インタフェース部３との樹脂どうしの融着により、接合強度を向上することができる。
そして、少なくとも一部の強化繊維３０を、貫通孔８および凸部１０のせん断方向に対し垂直な方向に配向させることにより、凸部１０に本体部２の軸方向あるいは周方向に作用するせん断力に対する強度を大幅に向上することができる。

【0028】

なお、本実施形態においては、取付インタフェース部３をＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で成形する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。
例えば、オートクレーブを用いて、強化繊維３０に樹脂が含侵されたプリプレグと呼ばれるシート状の中間材料を使用し、加熱、加圧、真空引きしながら樹脂を硬化させるオートクレーブ法により取付インタフェース部３を成形してもよい。

【0029】

また、上型１１０を使用せず下型１２０だけを使用し、上面はフィルムパックで覆い、圧力ではなく真空吸引の力を利用して樹脂を含侵させるＶａＲＴＭ（バキューム・アシスト・レジン・トランスファー・モールディング）法を用いてもよい。
また、上型１１０および下型１２０が閉じることで、加圧しながらプリプレグやＳＭＣ（シート・モールディング・コンパウンド）基材を硬化させるプレス成形法を用いてもよい。プレス成形の一種であるＳＭＣ（シート・モールディング・コンパウンド）とは、シート状に重ねられたＳＭＣ基材を金型１００内に配置してプレス機によって加圧流動させる成形方法であり、この成形方法を用いてもよい。
いずれの場合にも、成形により凸部１０となる部分に、凸部１０に加わるせん断方向に対し垂直な方向に配向されるよう、連続の強化繊維３０を配置して成形すればよい。

【0030】

また、本実施形態においては、本体部２を炭素繊維強化樹脂により構成したが、これに限定されるものではない。本体部２の材料として、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の金属を採用してもよい。もちろん、本体部２を、強化繊維３０を含まない樹脂によって構成してもよい。また、取付インタフェース部３をアルミニウム合金やマグネシウム合金等の金属で構成し、金属インサートとして金型１００にセットし、本体部２を炭素繊維樹脂で成形してもよい。

【0031】

また、本体部２に設ける貫通孔８として、横断面円形のものを例示したが、これに代えて、任意の横断面形状のものを採用してもよい。また、横断面形状の大きさも任意でよい。貫通孔８および凸部１０の形状としては、応力集中を避けるために、角の立っていない形状であることが好ましい。
また、本体部２に設ける貫通孔８の数は１以上であればよい。本体部２に対し、凸部１０あるいは凹部１２がせん断破壊して、嵌合部９が抜けたり回ったりしないような十分な強度を確保できる数を設けることが望ましい。高い強度を確保するために、貫通孔８を複数とし、本体部２の周上に均等に配置してもよい。

【0032】

また、本実施形態においては、本体部２に設ける凹部を貫通孔８としたが、これに限定されるものではなく、図８に示されるように、本体部２の外周面から径方向内方に延びる、貫通していない凹部１２を採用してもよい。この構成により、第２可動型１３０によって貫通孔８を閉塞する必要がなく、金型１００をさらに簡易な構成にすることができる。

【0033】

凹部１２は、本体部２の外周面から径方向内方に凹んでいてもよいし、本体部２の内周面から径方向外方に凹んでいてもよい。内周面に凹部１２が設けられる場合には、取付インタフェース部３の嵌合部９は、図９に示されるように、本体部２の内周面に嵌合する円筒状に形成されればよい。

【0034】

また、凹部１２に代えて、図１０に示されるように、本体部２の外周面または内周面に径方向に延びる凸部１３を採用してもよい。この場合には、図１０に示されるように、取付インタフェース部３には、凸部１３と相補的な形状を有し凸部１３を収容する凹部１４が形成される。

【0035】

また、取付インタフェース部３の嵌合部９として、図１１に示されるように、本体部２の内周面に嵌合する内側嵌合部１５と外周面に嵌合する外側嵌合部１６の両方を有する形状のものを採用してもよい。この場合には、本体部２の貫通孔８内に形成される凸部１０が、内側嵌合部１５と外側嵌合部１６とを連結する柱状に形成される。これにより、取付インタフェース部３と本体部２とをより強固に接合することができる。

【0036】

また、図１２に示すように、本体部２や取付インタフェース部３とは異なる別の部材（金属や繊維強化樹脂など）２０をインサートとして、本体部２と一緒に金型１００にセットした後に、取付インタフェース部３を成形することにしてもよい。
また、図示しないが、本体部２の内側に金属や繊維強化樹脂製の貫通孔を備える補強部材を本体部２と一緒にインサートとした構造としてもよい。

【0037】

また、本実施形態においては、本体部２の両方の端部に取付インタフェース部３を有するアーム状構造体１を例示したが、これに代えて、一端のみに取付インタフェース部３を有するものを採用してもよい。また、アーム状構造体１の長手軸に平行なフランジ部５を有する場合を例示したが、アーム状構造体１の長手軸に交差する方向に延びるフランジ部５を有する場合に適用してもよい。また、アーム状構造体１としてロボットアームを例示したが、これに代えて、他の任意のアーム状構造体に適用してもよい。

【0038】

また、両端部の取付インタフェース部３を別工程で予め成形しておき、本体部２側の射出成形型にセットした上で、本体部２を射出成形することにより、本体部２と取付インタフェース部３とを一体化してもよい。
また、本体部２はストレートの丸パイプ形状に限定されるものではなく、両端部に向かって直径が大きくなる形状でもよく、あるいは、角パイプ形状であってもよい。

【0039】

また、炭素繊維強化樹脂からなる本体部２あるいは取付インタフェース部３には、強化繊維３０を含まない樹脂部分が存在していてもよい。
また、炭素繊維強化樹脂を例示したが、強化繊維３０としては、炭素繊維のみならず、ガラス繊維あるいはアラミド繊維等の任意の材質のものを採用してもよい。また、母材の樹脂材料も熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれでもよい。

【0040】

また、貫通孔８と凸部１０との嵌合による接合の機械的強度は、基本的にはせん断強度によって決まる。貫通孔８と凸部１０との間に隙間ができてしまうと、使用中に両者が相対移動してしまい、ロボットアームの位置決め精度を悪化させることになる。そこで、貫通孔８と凸部１０との隙間を接着剤によって埋めることにしてもよい。加熱することにより溶解して、隙間を完全に埋める接着剤等を併用してもよい。

【0041】

以上、本発明の実施形態を説明したが、後述する請求の範囲の開示範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を為し得ることは、当業者なら理解することができる。また、上記で説明した実施形態の幾つかを適宜組み合わせることや、記載の無い製造手法による実施についても、本開示の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0042】

１ アーム状構造体
２ 本体部
２ａ 内孔
３ 取付インタフェース部
８ 貫通孔（凹部）
９ 嵌合部
１０ 凸部
１２ 凹部
１３ 凸部
１４ 凹部
１５ 内側嵌合部
１６ 外側嵌合部
３０ 強化繊維
１００ 金型
１２５ 第１可動型（内型）
１３０ 第２可動型（内型）
１４０ キャビティ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】