(57)【要約】    【課題】軽量かつ高剛性で量産が可能な繊維強化プラスチックに適した形状を有するリンク構造体を提供することを目的とする。    【解決手段】腕部の少なくとも一端に関節部を有する繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部が設けられているリンク構造体。【選択図】図１
2010179386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
腕部の少なくとも一端に関節部を有する繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部が設けられていることを特徴とするリンク構造体。
【請求項２】
腕部の少なくとも一端に関節部を有する少なくとも１つの繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部から構成される節状取付体が設けられていることを特徴とするリンク構造体。
【請求項３】
産業用ロボットに用いられる、請求項１または２に記載のリンク構造体。
【請求項４】
サービスロボットに用いられる、請求項１または２に記載のリンク構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から構成されるリンク構造体に関し、とくに、軽量かつ高剛性であり、ロボット等に好適に用いられるリンク構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットは、動作性や制振性の向上、また駆動源の小型化等の観点から、基本となる構造部分においても軽量かつ高剛性であることが求められている。
【０００３】
従来、産業用ロボットの構造部分となる腕部には、鉄やアルミ等の金属製のパイプ構造が用いられていた。しかし軽量化等の理由から、近年ＦＲＰ製のパイプ構造が使用されてきている（特許文献１）。
【０００４】
一方、近年サービスロボットと呼ばれる分野において、人型の２足歩行ロボットや動物の動きを模擬したロボットの開発が活発に行われている。これらのロボットに用いられている駆動方式は大きく分けて２つのタイプがあり、１つは従来から使用されているもので、関節に減速機等のアクチュエーターを直接組み込むタイプである。しかし、このタイプは小型で大きな出力を得るためには大きなアクチュエーターが必要となり、ロボット全体の重量が重くなってしまうという問題があり、特に、自らエネルギーをもって移動を行うサービスロボットに影響が大きい。この問題を回避するため、もう１つのタイプとしてアクチュエーターを胴体またはそれに近い位置に設け、アクチュエーターからワイヤーを介して関節に動力を伝達するワイヤー駆動方式が開発されている。構造部分には、前者においてはモーター、アクチュエーター等、後者においてはギア、ボールねじ、ワイヤー等をリンク構造体内部に内蔵する必要があること、またそれらの部品のメンテナンスが可能であることが求められるため、金属製のパイプ構造ではなく、金属製のフレーム構造が採用されていることが一般的である。現状では、サービスロボットに用いられている構造部分の大半が金属製であり、軽量化のためには、素材にアルミ合金やマグネシウム合金等の軽合金を採用し、肉抜きをして、剛性をあげるためのリブを設ける方法などによって形状の最適化が行われている。さらに、産業用ロボットの場合はロボット自体が床に固定されているため、固定電源から容易にエネルギーを供給できるのに対して、サービスロボットの場合は、自らエネルギーをもって移動する必要があるため、より軽量化の要求が強い。
【０００５】
そこで、さらなる軽量化のため、サービスロボットの構造部分にＦＲＰを適用することが考えられるが、金属製の構造部分と同様の形状では、成形の難しさや、繊維が不連続となる部分が多くなってしまうことから、これまではＦＲＰの性能を十分に引き出すことができないでいた。関節に減速機等のアクチュエーターを直接組み込むタイプの構造部分にＦＲＰを採用している例（特許文献２）はあるが、金属とＦＲＰのハイブリッド積層構造を採用しており、重量が重く、また構造が複雑であり量産性に適していない形状を有している。また、ワイヤー駆動方式を用いたタイプの構造部分にＦＲＰを採用している例はほとんど見うけられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５５９３６号公報
【特許文献２】特開平１０−２０２５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の課題は、ワイヤー駆動方式を用いたロボットの構造部分に、軽量かつ高剛性であり、量産が可能なＦＲＰに適した形状を有するリンク構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明は、以下の構成からなる。すなわち、
（１）腕部の少なくとも一端に関節部を有する繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部が設けられていることを特徴とするリンク構造体。
（２）腕部の少なくとも一端に関節部を有する少なくとも１つの繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部から構成される節状取付体が設けられていることを特徴とするリンク構造体。
（３）産業用ロボットに用いられる、（１）または（２）に記載のリンク構造体。
（４）サービスロボットに用いられる、（１）または（２）に記載のリンク構造体。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るリンク構造体によれば、腕部の少なくとも一端に関節部を有する繊維強化プラスチックから構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック内部に、複数の節状取付部が設けられているので、節状取付部に取り付けられる駆動に必要なギア、ボールネジやモーター等の部品から荷重が伝達された場合、構造全体として曲げやねじり、特にねじりに対して高い剛性を得ることが可能となり、かつ形状が単純であるため量産が可能である、軽量なリンク構造体とすることができる。
【００１０】
本発明に係るリンク構造体を、産業用ロボット、サービスロボットなどのロボット部材に適用すれば、軽量かつ高剛性で量産が可能な構造を実現することできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るリンク構造体の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るリンク構造体の他の例を示す斜視図である。
【図３】図２に示すリンク構造体の組立構造を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るリンク構造体は、腕部の少なくとも一端に関節部を有する繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る他のリンク構造体は、腕部の少なくとも一端に関節部を有する少なくとも１つの繊維強化プラスチック成形体から構成されるリンク構造体において、腕部は関節部に設けられた回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ａおよび前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ｂを有してなり、関節部は前記面Ａおよび面Ｂの一部を延在した面から構成され、かつ繊維強化プラスチック成形体の内側に、複数の節状取付部から構成される節状取付体が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
ここでいう「腕部」とは、関節部と接続される部位のことであり、例えば、両端にある２つの関節部を接続し、関節部にかかる荷重の伝達を行ったり、内部に他部品を内蔵する等の役割を果たしたりする部位のことである。
【００１５】
また、ここでいう「回転中心軸に平行な平面と対向する面」とは、例えば、当該対向する面が平面である場合は、回転中心軸に対して平行な平面に対して平行な平面、当該対向する面が曲面である場合は、回転中心軸に対して平行な平面の法線と、当該曲面上のいずれかの点での法線が平行な場合が例示される。さらに、「回転中心軸に垂直な平面と対向する面」とは、例えば、当該対向する面が平面である場合は、回転中心軸に対して垂直な平面に対して平行な平面、当該対向する面が曲面である場合は、回転中心軸に対して垂直な平面の法線と、当該曲面上のいずれかの点での法線が平行な場合が例示される。
【００１６】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態をさらに詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態に係るリンク構造体１の斜視図を示している。
【００１８】
リンク構造体１は、繊維強化プラスチック成形体１１と、その内部に複数の節状取付部５１、５２、５３とから構成されている。繊維強化プラスチック成形体１１は、腕部２１の一端に関節部３１が配置されたものである。腕部２１は回転中心軸４１に垂直な平面と対向する面Ａと、回転中心軸４１に平行な平面と対向する面Ｂを有し、関節部３１は前記面Ａおよび面Ｂを延在させた面Ａ′および面Ｂ′を有している。
【００１９】
また、図２は本発明の別の一実施形態に係るリンク構造体２の斜視図を示しており、図３はリンク構造体２の組立構造を明らかにするための分解斜視図を示している。
【００２０】
リンク構造体２は、１組の繊維強化プラスチック成形体１２、１３と、その内部に節状取付体５０とから構成されている。繊維強化プラスチック成形体１２、１３は、腕部２２、２３の一端にそれぞれ関節部３２、３３が配置されたものである。腕部２２および２３は回転中心軸４２に垂直な平面と対向する面Ａと、回転中心軸４２に平行な平面と対向する面Ｂを有し、関節部３２および３３は腕部２２および２３の面Ａおよび面Ｂを延在させた面Ａ′および面Ｂ′から構成されている。また、節状取付体５０は、複数の節状取付部５１′、５２′、５３′が梁５４で一体化された構造体である。
【００２１】
本発明のリンク構造体１、２の構成部材である繊維強化プラスチック成形体１１、１２、１３を構成する腕部２１、２２、２３および関節部３１、３２、３３は、ＦＲＰから構成される。ＦＲＰとは、強化繊維により強化された樹脂層を指し、強化繊維としては、たとえば、炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。軽量性および剛性の面からは、とくに炭素繊維が好ましい。強化繊維の形態としては、剛性の面から一方向材が好ましいが、成形性の面からクロス材を用いることも好ましい。また、短繊維も用いることができる。樹脂層に用いるマトリックス樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。高い力学特性を求められる場合にはエポキシ樹脂が好ましく適用できる。
【００２２】
図１および図２では、腕部２１、２２、２３の一端にのみ関節部３１、３２、３３を設けているが、両端に関節部３１、３２、３３があっても良い。
【００２３】
図１において、面Ａおよび面Ｂから構成される腕部２１の断面形状は、四角形断面を有している。面Ａおよび面Ｂは必ずしも平面である必要はなく、曲面であっても良い。面Ａおよび面Ｂを曲面にすることで、剛性を向上させることも可能となる。また片側の面Ｂは必ずしも設けなくても良く、断面形状が略Ｃ字形とすることもできる。このように、腕部２１の断面形状は、求められる剛性に応じて、配置すればよい。
【００２４】
腕部２１に設けてある開口部は、後述する節状取付部５１、５２、５３に取り付けられるギア、モーター等の取付けやメンテナンスのために設けられた開口部である。剛性の面からは開口面積が小さい方が好ましく、必要に応じて数や大きさを変更すれば良い。また、開口部に応力集中が発生しないように、直線と直線が交差する角部はシャープエッジとせず、円弧等の曲線形状を設けることが好ましい。
【００２５】
関節部３１は、図示しない他の部品と連接する部分であり、腕部２１を構成する面Ａおよび面Ｂを延在させた面Ａ′および面Ｂ′から構成されている。面Ａ′には、図示しない他の部品と連接させるための開口部が設けてあり、開口部の中心軸がリンク構造体１の回転中心軸４１と一致している。面Ａ′および面Ｂ′の形状は、連接する他のリンク構造体と干渉しないように動作できる範囲において、適宜設計することができる。リンク構造体１全体としての剛性や強度を保持する観点からは、面Ａ′および面Ｂ′の両方を備えてなることが好ましい。
【００２６】
また、図２において、面Ａおよび面Ｂから構成される腕部２２、２３の断面形状は、面Ａの両側に面Ｂが配置された略Ｃ字形断面を有している。面Ａおよび面Ｂは必ずしも平面である必要はなく、曲面であっても良い。面Ａおよび面Ｂを曲面にすることで、剛性を向上させることも可能となる。
【００２７】
腕部２１と同様に、腕部２２、２３にも適宜開口部を設けることができる。剛性の面からは開口面積が小さい方が好ましく、必要に応じて数や大きさを変更すれば良い。また、開口部に応力集中が発生しないように、直線と直線が交差する角部はシャープエッジとせず、円弧等の曲線形状を設けることが好ましい。
【００２８】
関節部３２、３３は、図１における関節部３１と同様に、図示しない他の部品と連接する部分であり、腕部２２、２３を構成する面Ａおよび面Ｂを延在させた面Ａ′および面Ｂ′から構成されている。面Ａ′には、図示しない他の部品と連接させるための開口部が設けてあり、開口部の中心軸がリンク構造体２の回転中心軸４２と一致している。面Ａ′および面Ｂ′の形状は、連接する他のリンク構造体と干渉しないように動作できる範囲において、適宜設計することができる。リンク構造体２全体としての剛性や強度を保持する観点からは、面Ａ′および面Ｂ′の両方を備えてなることが好ましい。
【００２９】
繊維強化プラスチック成形体１１、１２、１３は、形状が単純であるため、腕部および関節部を一体成形することが容易にできるので、量産が可能となる。成形方法としては、例えば、プレスなどの成形法、引抜き成形法、フィラメントワインディング成形法やシートワインディング成形法を用いることによって量産ができる。このように腕部と関節部を一体成形することによって、腕部と関節部間の荷重伝達が効率良く行うことが可能となり、より高剛性なリンク構造体とすることができる。また腕部と関節部との間に強化繊維を連続的に配置することよって、さらに剛性を向上させることも可能となる。
【００３０】
本発明のリンク構造体１の構成部材である節状取付部５１、５２、５３は、駆動部品であるギア、ボールネジやモーター等を取り付けることが可能な部位であり、前述したＦＲＰまたは金属から構成される。金属としては、鉄系材料やチタン合金、またアルミニウム合金、マグネシウム合金等の軽合金を用いることができ、軽量化の観点からは、軽合金を用いることが好ましい。
【００３１】
また、本発明のリンク構造体２の構成部材である節状取付体５０は、節状取付部５１′、５２′、５３′を梁５４で連接して一体化した部材である。前述した節状取付部５１、５２、５３と同様に、ＦＲＰまたは金属から構成される。節状取付部５１′、５２′、５３′と梁５４とは、ＦＲＰであれば、一体成形または化学接合や機械接合による組立により、金属であれば一体成形、化学接合や機械接合による組立あるいは溶接等により一体化されており、特にその固定手段は限定されるものではない。剛性の面からはＦＲＰであれば一体成形、金属であれば一体成形または溶接により一体化することが好ましい。節状取付部５１′、５２′、５３′に駆動部品であるギア、ボールネジやモーター等を取り付けることができる。
【００３２】
また、節状取付部５１、５２、５３、５１′、５２′、５３′には、ワイヤーを通すための開口部が設けられていることも好ましい。開口部の大きさや数は、要求仕様に応じて適宜設定することができる。
【００３３】
以上のように構成された繊維強化プラスチック成形体および節状取付部（または節状取付体）を用いて、本発明に係るリンク構造体を組み立てることができる。
【００３４】
図１に示すリンク構造体１は、断面が略四角形である中空状の繊維強化プラスチック成形体１１を構成する腕部２１の内側に、節状取付部５１、５２、５３を固定したものである。固定方法は、接着等の化学接合、ボルト、ナット、リベットや圧入等の機械接合等の方法により固定することができる。このように固定することにより、節状取付部５１、５２、５３に取り付けられたギア、ボールネジやモーター等の部品から荷重が伝達された場合、構造全体として曲げやねじり、特にねじりに対して高い剛性を有するリンク構造体１とすることができる。
【００３５】
このように、複数の節状取付部から１つのリンク構造体１を構成することにより、節状取付部に取り付けられる駆動部品から効率良く関節部および腕部に荷重を伝達することが可能となり、軽量かつ高剛性なリンク構造体を得ることができる。
【００３６】
また、図２および図３に示すような本発明に係る他の実施態様のリンク構造体２は、断面が略Ｃ字形からなる一組の繊維強化プラスチック成形体１２、１３の内側を、節状取付体５０の面Ａの両側を挟みこむように固定したものである。複数の節状取付部５１′、５２′、５３′を梁５４で連接して一部品とした節状取付体５０を構成することにより、節状取付部５１′、５２′、５３′に取り付けられる駆動部品から効率良く関節部および腕部に荷重を伝達することが可能となり、軽量かつ高剛性なリンク構造体２を得ることができる。
【００３７】
ここで、繊維強化プラスチック成形体１２、１３は、同一形状である必要はなく、要求される剛性、強度等に応じて、適宜設計することができる。図３に示すように、節状取付体５０を挟みこむように組み立てる場合、取り付け間違いを防止する観点から、繊維強化プラスチック成形体１２、１３は同一形状の一組の繊維強化プラスチック成形体であることが好ましい。また、このように同一形状の繊維強化プラスチック成形体１２、１３を用いると、量産にかかる金型等を複数種類準備する必要がないので、在庫管理のしやすさや大量生産によるコストメリットといった効果も期待できる。
【００３８】
本発明に係るリンク構造体の適用範囲は特に限定されず、産業用ロボットやサービスロボットの構造部分に好ましく用いられる。特に、サービスロボットの腕や脚に用いられる場合、前述したようなロボットの動作性や制振性に特に有効である。ここでいう産業用ロボットとは、一般的に製造ラインで使用される溶接ロボットや組立ロボット等のことである。またサービスロボットとは、掃除などの家事、介護、救助や娯楽等に用いられるロボット全般のことである。
【符号の説明】
【００３９】
１、２：リンク構造体
１１、１２、１３：繊維強化プラスチック成形体
２１、２２、２３：腕部  
３１、３２、３３：関節部  
４１、４２：回転中心軸
５０：節状取付体
５１、５２、５３、５１′、５２′、５３′：節状取付部
５４：梁
Ａ、Ｂ、Ａ′、Ｂ′：面  
【図１】
2010179386.tif 000003
【図２】
2010179386.tif 000004
【図３】
2010179386.tif 000005