(57)【要約】【課題】本発明の目的は、外部応力の効果的な緩和と薄い外皮構造との双方を実現できるロボットアームを提供することである。【解決手段】本発明は、外骨格フレームと、前記外骨格フレーム上を被覆し、その内部に複数の空孔が形成された柔軟性の外皮とを備え、前記空孔は、前記外皮の厚み方向と平行な方向に延在する第１の幅が前記外皮の厚み方向と垂直な方向に延在する第２の幅より大きいロボットアームである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外骨格フレームと、
前記外骨格フレーム上を被覆し、その内部に複数の空孔が形成された柔軟性の外皮とを備え、
前記空孔は、前記外皮の厚み方向と平行な方向に延在する第１の幅が前記外皮の厚み方向と垂直な方向に延在する第２の幅より大きいことを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記第１の幅は前記第２の幅の１．２倍以上であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記外皮は材質の異なる柔軟素材により構成された上層及び下層から成り、前記複数の空孔は前記上層及び下層中にそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項２記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記外皮の厚みは５ｍｍ以下であり、前記柔軟素材は圧縮弾性率が０．１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下からなる発泡樹脂、ゴムあるいはゲルであることを特徴とする請求項３記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記下層は、密度０．３ｇ／ｍ３以下のゴムスポンジであることを特徴とする請求項３または４記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記上層に形成された空孔と、前記下層に形成された空孔とは、その断面形状が異なることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記上層に設けられた複数の空孔は一端が開口されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか記載のロボットアーム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか記載のロボットアームを供えた、移動可能なロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部応力を緩和できる外皮を備えたロボットアームに関する。  
【背景技術】
【０００２】
近い将来、少子高齢化に伴う労働力不足を補うため、医療介護の分野や家庭内での軽作業、第一次産業分野での高負荷作業などに携わるサポートロボットやサービスロボットの普及が進んでいくことが予測されている。このような市場で活躍するロボットには、人とやり取りをするコミュニケーション技術、常に周辺の物の位置や状況を把握するセンサ技術、色々な形状の物を把持するハンド技術、人と同じ動作や作業を実現するマニピュレーション技術、安定して動作することができるバッテリ技術など人に貢献するための様々な要素技術が求められる。
【０００３】
そんな中でも、外部応力を緩和する手段を備えたロボットが、例えば、特許文献１及び特許文献２に提案されている。
【特許文献１】特開平９−２５４０７８号公報
【特許文献２】特開２００４−２８３９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
介護現場で物を運ぶなどの作業をするロボットの場合、ロボットアームで２Ｋｇ程度の物を持ち上げるトルクが必要であるため、ロボットアームの内部にモータや減速機などのアクチュエータが内蔵されている。それらを保持するために金属や強化樹脂などの外骨格フレームでロボットアームを構成している。ロボットアームは重量が軽いほど動作時の制御を簡略化でき、アーム径が小さいほどアームの可動域が広くなるため、円滑に作業するには軽量で小形であることが望ましい。
そのため外骨格フレーム上を被覆する外皮もできる限り薄くする必要があるが、外部から与えられる応力を緩和するためには、外皮の厚みを大きくすることが有効であると考えられている。従来の技術では、この相反する要求を解決することができない。
【０００５】
本発明の目的は、従来例では両立できなかった外部応力の効果的な緩和と薄い外皮構造との双方を実現できるロボットアームを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明は、以下の構成を備える。
請求項１記載の発明は、外骨格フレームと、前記外骨格フレーム上を被覆し、その内部に複数の空孔が形成された柔軟性の外皮とを備え、前記空孔は、前記外皮の厚み方向と平行な方向に延在する第１の幅が前記外皮の厚み方向と垂直な方向に延在する第２の幅より大きいロボットアームである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加え、前記第１の幅は前記第２の幅の１．２倍以上である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成に加え、前記外皮は材質の異なる柔軟素材により構成された上層及び下層から成り、前記複数の空孔は前記上層及び下層中にそれぞれ形成されている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成に加え、前記外皮の厚みは５ｍｍ以下であり、前記柔軟素材は圧縮弾性率が０．１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下からなる発泡樹脂、ゴムあるいはゲルである。
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明の構成に加え、前記下層は、密度０．３ｇ／ｍ３以下のゴムスポンジである。
請求項６記載の発明は、請求項３乃至５のいずれかの発明の構成に加え、前記上層に形成された空孔と、前記下層に形成された空孔とは、その断面形状が異なる。
請求項７記載の発明は、請求項３乃至６のいずれかの発明の構成に加え、前記上層に設けられた複数の空孔は一端が開口されている。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか記載のロボットアームを供えた、移動可能なロボットである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１乃至７記載の発明によれば、外皮が厚み方向に縦長の複数の空孔を備えているので、外皮に外部応力が与えられた際、空孔が変形し、応力を横方向（外皮の厚みと垂直な方向）へ分散できる。従って、薄い外皮であっても外部応力緩和の要求を満たすことができる。
請求項８記載の発明によれば、上記の効果を奏するような軽量なロボットを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態における図面では、発明の理解を容易にするため、一部の要素においては模式的に示されている。本欄における複数の実施形態では、同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【０００９】
図１には、本発明の実施形態に係るロボットアームの外皮構造を示す側断面図及び上面図が示されている。発明の理解のため、図１にはロボットアームの一部分が抜き出され、模式的に示されているが、この図面及び以下の説明を参照すれば、本発明を実施することは可能であろう。ロボットアームは公知の手法により、制御され、動作することが可能である。
【００１０】
図１に示される通り、ロボットアームの外骨格となるアルミニウム製のフレーム１上には、柔軟性の外皮２が形成されている。この外皮２は下層３及び上層４を備え、下層３と上巣４とは異なる柔軟性素材により構成されている。本実施形態では、下層３は天然ゴム系のゴムスポンジで形成され、下層４はシリコーンゴムで形成されている。下層３には複数の空孔３１が形成され、上層４には複数の空孔４１が形成されている。空孔３１、４１においては、外皮２の厚み方向と平行な方向ｄ１に延在する第１の幅が外皮の厚み方向と垂直な方向ｄ２に延在する第２の幅より大きい。すなわち、外皮２中には厚み方向に縦長の空孔が形成されている。空孔４１は上部の一端が開放されているので、凹凸形状と言うこともできる。
【００１１】
外皮２の下層３および上層４の厚み方向に縦長の複数の空孔を備えているので、外皮に外部応力が与えられた際、空孔が変形し、応力を横方向（外皮の厚みと垂直な方向）へ分散できる。さらに、空孔を形成した分、外皮２の重量が軽くなり、ロボットアームの軽量化にも寄与できる。本実施形態では、下層３および上層４のいずれにも空孔が形成された形態が示されているが、外皮２のいずれかに縦長の空孔を形成した構成であっても本発明の作用効果を奏する。
【００１２】
本実施形態では、ロボットアームの外皮２は厚さ５ｍｍ以下のゴムスポンジからなる下層３とシリコーンゴムからなる上層４の二層で形成され、下層３の空孔３１および上層４の空孔４１の縦横比は１．２以上の縦長になるように設定されている。空孔３１の断面形状は楕円形である。
【００１３】
ロボットアームの外骨格となるアルミニウム製のフレーム１は、複雑な形状をしているためアルミニウム鋳物（ＡＣ４Ｃ）にて形成され、その表面は腐食防止のための化成処理が施される。
【００１４】
化成処理されたフレーム１の表面上に厚み２ｍｍの天然ゴム系のゴムスポンジシートを適当な形状に切断し貼り付ける。ゴムスポンジシートには、縦横比が１．２以上の空孔が設けられている。
【００１５】
ここで、本実施形態における縦長の空孔を有するゴムスポンジシートの製造方法について説明する。成形用の金型に原料である天然ゴムと発泡剤や架橋剤、軟化剤などの添加剤を混入し、１５０℃の高圧下で完全硬化させない程度に硬化および発泡させる。次に、ヒートプレスにより横から圧力を加えた状態で二次硬化させ、縦長の空孔を持つゴムスポンジシートを成形する。得られたゴムスポンジシートは、比重が０．３ｇ／ｍ３で圧縮弾性率は０．１Ｐａであった。
【００１６】
次に、ゴムスポンジシートを貼り付けたフレーム１を樹脂型に配置し、柔軟なシリコーンゴム（信越化学製ＫＥ１４１６）を型に流し込んで注型した。この型表面にはあらかじめ凹凸が形成されている。本実施形態では、３種類の型表面に縦横比がそれぞれ１、１．２、２の３種類の凹凸が形成されている。このようにして厚さ３ｍｍ、空孔の深さ２ｍｍのシリコーンゴムによる上層４を形成した。得られたシリコーンゴム層は比重が１．１９ｇ／ｍ３、圧縮弾性率は０．２５ＭＰａであった。
【００１７】
ここで、比較実験のため、本実施形態に係るゴムスポンジシートとして、縦横比が１．２（実施形態１）と２（実施形態２）のものを作製し、比較例１としてゴムスポンジシートの空孔の縦横比が１のゴムスポンジシートを作製した。また、比較例２として圧縮弾性率が０．０８ＭＰａのシリコーンゲル、および比較例３として圧縮弾性率が３．５ＭＰａのポリウレタンエラストマーにより上層を形成したものを準備した。なお、比較例１乃至３の構成については本欄で明示した以外の構成については本実施形態の構成と同様である。
【００１８】
以上のような本実施形態に係る外皮及び比較例１乃至３に係る外皮で被覆されたロボットアームをロボットに取り付け、ロボットアームを動作させ衝撃エネルギーが２Ｊとなるように外皮を鉄板の衝突面に衝突させた。鉄板の衝突面の裏側の面にはロードセルを取り付け、衝突時の衝撃力を測定した。そして、外皮のない金属フレームを衝突面に直接衝突させた場合の衝撃力を１００とした場合と比較して、各形態の衝撃緩和率を求めた。その結果を表１に示す。
【００１９】
表１から明らかなように圧縮弾性率が０．２５で空孔の縦横比が１．２以上の本実施形態によれば、空孔の縦横比が１の比較例１にくらべて２倍以上の衝撃緩和が得られた。また、圧縮弾性率が０．１ＭＰａ以下および３．０ＭＰａ以上の比較例２、３も衝撃緩和効果は小さかった。従って、表１の判定欄に示されるようにロボットアームとして好適なものは実施形態１及び２に示されて構成であることが確認できた。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
本実施形態では、フレームにアルミニウム鋳物を用いたが、マグネシウム合金や繊維で強化した樹脂など軽量高剛性材料を用いてもよい。また、外皮の下層には天然ゴム系のゴムスポンジを用いたが、シリコーン系やノルボルネンゴム系など弾性の高いゴムスポンジを用いてもよい。
【００２２】
本実施形態では、外皮の上層には注形可能なシリコーンゴムを用いたが、各種エラストマーやウレタン樹脂など柔い樹脂を用いてもよい。ただし、下層のゴムスポンジがシートを切断して貼り合わせているため、継ぎ目を隠して外観を良くする為には上層には型成形可能で低コストな注形樹脂を用いることが望ましい。
【００２３】
外部応力を緩和するためには外皮の厚みは３ｍｍ以上が望ましい。なお、二層ではなくゴムスポンジのみで外皮を形成する場合、圧縮弾性率を考慮して適宜膜厚を設定する。また、圧縮弾性率が高いシリコーンゴムのみで外皮を形成した場合、比重が大きいため外皮の重量が重くなることを考慮する必要がある。
【００２４】
本実施形態によれば、外皮が厚み方向に縦長の複数の空孔を備えているので、外皮に外部応力が与えられた際、空孔が変形し、応力を横方向へ分散できる。従って、薄い外皮であっても外部応力緩和の要求を満たすことができる。さらに、外皮厚みが５ｍｍ以下の場合、外皮を構成する柔軟素材の圧縮弾性率を０．１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下とすることで、薄くて軟らかくかつ外部応力を緩和するロボットアームの外皮を得ることができる。なお、外皮に対しユーザに安心感を持たせるためには、圧縮弾性率は０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａの軟らかさが好ましい。また、外皮の下層を密度０．３ｇ／ｍ３以下のゴムスポンジで形成することにより、外皮の重量を軽くし、かつ、縦横比率が１．２以上の縦長の空孔を得ることができる。
【００２５】
本実施形態に係るロボットアームは、物を搬送するような移動可能なロボットに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態を示すロボットアームの側断面図及び上面図
【符号の説明】
【００２７】
１  フレーム
２  外皮
３  下層
３１  空孔
４  上層
４１  空孔
【図１】
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