(57)【要約】  【課題】軽量かつ高剛性なロボット用胴部構造体を提供する。  【解決手段】少なくとも２つの腕部接続面と少なくとも１つの腰部接続面とを有するロボット用胴部構造体であって、前記胴部構造体の前記腕部接続面と前記腰部接続面とを含む正面断面図、及び／または、側面断面図において、前記腕部接続面の下端と、前記腰部接続面の端部のうち前記下端に近接する端部とが、略直線で結ばれていることを特徴とするロボット用胴部構造体。【選択図】図６
2011206883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの腕部接続面と少なくとも１つの腰部接続面とを有するロボット用胴部構造体であって、前記胴部構造体の前記腕部接続面と前記腰部接続面とを含む正面断面図、及び／または、側面断面図において、前記腕部接続面の下端と、前記腰部接続面の端部のうち前記下端に近接する端部とが、略直線で結ばれていることを特徴とする、ロボット用胴部構造体。
【請求項２】
前記胴部構造体が、シェル構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のロボット用胴部構造体。
【請求項３】
前記胴部構造体は開口部を有しており、前記開口部に支持部材が取り付けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のロボット用胴部構造体。
【請求項４】
前記シェル構造が、繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のロボット用構造体。
【請求項５】
前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のロボット用胴部構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットや、脚式等の移動ロボットなどに用いられるロボット用胴部構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
２本の腕を有する双腕型ロボットにおいては、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、ロボットを構成する腕部や胴部等の構造体は、軽量かつ高剛性であることが求められている。
【０００３】
中でも胴部構造体は、重量物を把持する際に腕部から伝達される力に対する剛性と、多数の電装部品を収納するための容積と、これら電装部品の着脱を容易にする機能が必要である。
【０００４】
従来の双腕型ロボット用胴部構造体は、剛性を上げるために素材にアルミニウム合金などの軽合金を用い、電装部品の収納容積を確保するために、例えばロボット正面から見て略矩形または略矩形の組み合わせとなっていた。また、電装部品の着脱を容易にするために胴部構造体に開口部を設け、これに伴い不足する剛性を補強部材で補強していた（特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、胴部構造体を図１に示すような略矩形の組み合わせ、すなわち、ロボット正面から見て、胸部に相当する胴部上半部の矩形は、その幅を、大容積を確保できる程度にまで拡げた形状とし、腹部に相当する胴部下半部の矩形は、腰部接続面に小型アクチュエータ等の腰関節部品を挟み込んで取付けることができるように、その幅を、胴部上半部の矩形の幅よりも小さくした形状とすると、図２に示すように、右腕で重量物を把持した場合に、胴部上半部と下半部の境界で局所的な変形を生じてしまい、胴部構造体全体の変形量が大きくなってしまうという問題がある。胴部構造体の変形量が大きくなると、ロボットの動きが不安定になったり、重量物を把持、移載するときの位置決め精度が悪化したりしてしまう。
【０００６】
変形量を小さくするために、胴部構造体の厚みを増やしたり、素材としてアルミニウム合金などの軽合金を用いたりすると、重量が増加してしまう。また、開口部による剛性不足を補うために補強部材を取り付けたりすると、重量が大幅に増えてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６１４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題に対処し、産業用ロボットや脚式等の移動ロボットなどに用いられる、軽量で高剛性、かつ多数の電装部品を着脱可能なロボット用胴部構造体を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するための本発明は、下記（１）〜（５）のいずれかの構成を特徴とするものである。
【００１０】
（１）少なくとも２つの腕部接続面と少なくとも１つの腰部接続面とを有するロボット用胴部構造体であって、前記胴部構造体の前記腕部接続面と前記腰部接続面とを含む正面断面図、及び／または、側面断面図において、前記腕部接続面の下端と、前記腰部接続面の端部のうち前記下端に近接する端部とが、略直線で結ばれていることを特徴とする、ロボット用胴部構造体。
【００１１】
（２）前記胴部構造体が、シェル構造を有することを特徴とする、（１）に記載のロボット用胴部構造体。
【００１２】
（３）前記胴部構造体は開口部を有しており、前記開口部に支持部材が取り付けられていることを特徴とする、（１）または（２）に記載のロボット用胴部構造体。
【００１３】
（４）前記シェル構造が、繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載のロボット用構造体。
【００１４】
（５）前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする、（１）〜（４）に記載のロボット用胴部構造体。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のロボット用胴部構造体によれば、例えば重量物を把持した場合など、腕部接続面へ鉛直下方向の力が負荷された場合でも、腕部接続面から腰部接続面へ力をストレートに伝達することができるので、局所的な変形を生じることがなく、胴部構造体の変形量を小さくすることができる。
【００１６】
また、胴部構造体がシェル構造を有することで、より効率的に荷重伝達することが可能になり、素材として繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）、さらには炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという）を用いることで、さらに軽量化できる。また、電装部品を着脱するための開口部を設けても、剛性低下は僅かである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の双腕ロボット用胴部構造体の正面概略図である。
【図２】従来の双腕ロボット用胴部構造体の変形図である。
【図３】本発明の一実施形態の双腕型ロボットの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態の双腕型ロボット用胴部構造体の正面概略図である。
【図５】本発明の一実施形態の双腕型ロボット用胴部構造体の側面概略図である。
【図６】図５に示すＢ−Ｂ断面概略図である。
【図７】図４に示すＡ−Ａ断面概略図である。
【図８】本発明の別の形態の双腕型ロボットの概略図である。
【図９】本発明の別の形態の双腕型ロボット用胴部構造体の正面概略図である。
【図１０】本発明の別の形態の双腕型ロボット用胴部構造体の側面概略図である。
【図１１】図１０に示すＤ−Ｄ断面概略図である。
【図１２】図９に示すＣ−Ｃ断面概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態のロボット用胴部構造体の有限要素モデルである。
【図１４】本発明の一実施形態のロボット用胴部構造体の有限要素モデルの正面概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態のロボット用胴部構造体の有限要素モデルの変形図である。
【図１６】従来技術によるロボット用胴部構造体の有限要素モデルである。
【図１７】従来技術によるロボット用胴部構造体の有限要素モデルの正面概略図である。
【図１８】従来技術によるロボット用胴部構造体の有限要素モデルの変形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
双腕ロボット７の概略斜視図を図３に示す。双腕ロボット７の上半身は、１つの胴部構造体１、２つの腕部構造体８ａ、８ｂ、および１つの腰部構造体１２から構成されている。各構造体の動作を制御する駆動部品や各種電装部品（図示せず）が、各構造体の接続部又は内部等に取付けられている。
【００２０】
腕で重量物を把持したり、腰を回転させたりする際に、双腕ロボット７が安定して動作することが求められている。動作を担う腕部構造体８ａ、８ｂ、および腰部構造体１２は、各部の関節を稼働させるための最低限必要な駆動部品等が取付けられているため、腕部構造体８ａ、８ｂ、および腰部構造体１２の軽量化を実現できるとともに、動作の安定に寄与することができる。電装部品やバッテリなど、多くの重量物は胴部構造体１の内部等に収納されている。
【００２１】
胴部構造体１の正面概略図を図４に示す。胴部構造体１は、上方から腕部接続部１ａ、胴部中央部１ｂ、腰部接続部１ｃ、の３つの部位から構成されている。腕部接続部１ａは、左右の側面に減速機などの肩関節部品４ａ、４ｂを介して腕部構造体８ａ、８ｂ（図示しない）が固定される。肩関節部品４ａ、４ｂを精度よく固定するために、その固定面（以下、腕部接続面１０ａ、１０ｂという）は平面となっている。腕部接続面１０ａ〜１０ｂ間の距離Ｌ１１は、多くの電装部品やバッテリを胴部構造体１に収納できる程度に拡げた長さであることが好ましい。
【００２２】
腰部接続部１ｃは、減速機などの腰関節部品５を介して腰部構造体１２（図示しない）が固定される。腰関節部品５を精度よく固定するために、その固定面（以下、腰部接続面１１ａ、１１ｂという）は平面となっており、腰部接続部１ｃ全体として略矩形の形状を有している。腰部接続面１１ａ〜１１ｂ間の距離Ｌ２１は、腰関節部品５を挟み込んで固定できる程度が確保されていればよい。つまり、Ｌ１１＞Ｌ２１の関係にある。
【００２３】
腕部接続部１ａと腰部接続部１ｃとを連結する胴部中央部１ｂは、図４に示すように、腕部接続部１ａの下端から、腰部接続部１ｃの上端にかけて、略逆台形状を有している。また、図５に示すように、双腕ロボット７を側面から見た場合においても、腕部接続部１ａの下端から、腰部接続部１ｃの上端にかけて、略逆台形状を有していることが好ましい。腕部接続部１ａの奥行きＬ１２は、電装部品やバッテリを胴部構造体１に収納できる程度を確保されていればよい。また、腰部接続部１ｃの奥行きＬ２２は、腰関節部品５を挟み込んで固定できる程度が確保されていればよい。つまり、Ｌ１２とＬ２２の長さを比較すると、Ｌ１２＞Ｌ２２の関係にある。
【００２４】
図６に示すように、本発明に係る胴部構造体１は、腕部接続面１０ａ、１０ｂと腰部接続面１１ａ、１１ｂとを含む正面断面図において、腕部接続面１０ａ、１０ｂの下端１４ａ、１４ｂと、腰部接続面１１ａ、１１ｂの上端１５ａ、１５ｂのうち、ロボット右側面側の一端同士（１４ａと１５ａ）、ならびにロボット左側面側の一端同士（１４ｂと１５ｂ）が、略直線で結ばれていることが本発明では重要である。このような胴部構造体１とすることにより、重量物を腕で把持したときに、腕部接続面１０ａ、１０ｂからの力を腰部接続面１１ａ、１１ｂへストレートに伝達するので、局所的な変形を生じることがなく、胴部構造体１の変形量を小さくすることができる。
【００２５】
また、図７に示すように、本発明に係る胴部構造体１は、腕部接続面１０ｂと腰部接続面１１ｂとを含む側面断面図において、腕部接続面１０ｂの下縁１８の両端１９ａ、１９ｂと、腰部接続面１１ｂの上縁２０の両端２１ａ、２１ｂのうち、ロボット正面側の一端同士（１９ａと２１ａ）、および背面側の一端同士（１９ｂと２１ｂ）が略直線で結ばれていることが好ましい。
【００２６】
別の実施形態として、図８〜図１０に示すような双腕ロボット７１の胴部構造体１００が挙げられる。すなわち、腰関節部品５１が、胴部中央部１００ｂの腰部接続面１１０に取り付けられている構造を有する双腕ロボット７１である。
【００２７】
図１１に示すように、腕部接続面１０１ａ、１０１ｂと腰部接続面１１０とを含む正面断面図において、腕部接続面１０１ａの下端１４０ａと、腰部接続面１１０の２つの端部のうち下端１４０ａに近接する右端部１７０ａとが、略直線で結ばれており、腕部接続面１０１ｂの下端１４０ｂと、腰部接続面１１０の２つの端部のうち、下端１４０ｂに近接する左端部１７０ｂとが、略直線で結ばれている。
【００２８】
また、図１２に示すように、腕部接続面１０１ｂと腰部接続面１１０とを含む側面断面図において、腕部接続面１０１ｂの下縁１８０の両端１９０ａ、１９０ｂと、腰部接続面１１０の上縁２００の両端２１０ａ、２１０ｂのうち、ロボット正面側の一端同士（１９０ａと２１０ａ）、および背面側の一端同士（１９０ｂと２１０ｂ）が略直線で結ばれていることが好ましい。
【００２９】
本発明における略直線とは、２点間を結ぶ直線および２点間の距離の約５倍以上の曲率半径を有する曲線を含むものである。
【００３０】
なお、正面断面図および側面断面図は、腕部接続面と腰部接続面とを含む断面であれば、図６、７、１１、１２に例示する断面に限らない。
【００３１】
胴部構造体１、１００は、シェル構造を有することが好ましい。シェル構造とは、たとえば板の辺長が板厚の５倍以上である板や、球体、円筒、箱のような構造をいう。こうすることで、胴部構造体に作用する力を、シェルの面全体へ分散して伝達することができるため、歪み集中を防ぐことができる。
【００３２】
胴部構造体１、１００は、その内部に電装部品やバッテリなどを着脱できるように、開口部９、９０を有していてもよい。開口部９、９０には、電装部品などを支持可能な支持部材１３、１３０が取付けられていてもよい。本発明の胴部構造体１，１００は、腕部接続面１０ａ、１０ｂまたは、１０１ａ、１０１ｂからの力を腰部接続面１１ａ、１１ｂまたは１１０へストレートに伝達するので、開口部９、９０を有していても、胴部構造体１、１００の変形量増加はわずかである。
【００３３】
軽量化の観点から、胴部構造体１、１００は、ＦＲＰを含んでいることが好ましい。ＦＲＰは、強化繊維とマトリクス樹脂を含んで構成されている。
【００３４】
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等の少なくとも１種を用いることができるが、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。
【００３５】
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。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の具体的実施形態を、実施例を用いて説明する。なお、本発明が、実施例に記載の態様に限定されるものではない。
【００３７】
（実施例）
有限要素法を用いて本発明の効果を確認した。図１３に、本発明に係る胴部構造体１の有限要素モデルを示す。胴部構造体１を厚み３ｍｍのシェル構造とした。
【００３８】
腕部接続部１ａは、幅１００ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ５０ｍｍの直方体、腰部接続部１ｃは、奥行き５０ｍｍ、高さ２５ｍｍの矩形面、とした。腕部接続部１ａと腰部接続部１ｃとを連結する中央部１ｂは、腕部接続部１ａの下端から、腰部接続部１ｃの上端にかけて、略逆台形状を有している。
【００３９】
図１４に示す正面図に示すように、腕部接続面１０ａ〜１０ｂ間の距離（＝１００ｍｍ）は、腰部接続面１１ａ〜１１ｂ間の距離（＝５０ｍｍ）より長いため、腕部接続部１ａには多くの電装品やバッテリなどを収納でき、腰部接続部１ｃは腰関節部品５（図示しない）を挟み込んで固定できる程度が確保されている。
【００４０】
材料は、一方向炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグシート（例えば、東レ株式会社製プリプレグシート、品番Ｐ３２５３Ｆ−２０）１６枚を、擬似等方積層したＣＦＲＰを用いた。本実施例における擬似等方積層とは、胴部構造体１の鉛直上方向を０°とした場合に次の角度の順に積層したものである。
【００４１】
［４５°／０°／−４５°／９０°］２ｓ
荷重条件として、右側面の肩関節部品４ａが取り付けられる位置に、３０ｋｇｆを鉛直下方向に負荷した。
【００４２】
拘束条件として、腰部接続面１１ａ、１１ｂの腰関節部品５（図示しない）が当接する位置（図１３の太線）の変位を完全拘束した。
【００４３】
図１５に計算結果として変形図を示す。変形倍率を２００倍で示している。局所変形は発生せず、最大変形量は０．０４ｍｍと微小であった。
【００４４】
（比較例）
比較例として、図１６、１７に示すような、従来技術による胴部構造体１の有限要素モデルを示す。
【００４５】
胴部構造体１を厚み３ｍｍのシェル構造とし、腕部接続部１ａは、幅１００ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ５０ｍｍの直方体、胴部中央部１ｂは、幅５０ｍｍ、奥行き５０ｍｍ、高さ２５ｍｍの直方体、腰部接続部１ｃは、奥行き５０ｍｍ、高さ２５ｍｍの矩形面、とした。
【００４６】
材料、積層構成、荷重拘束条件は、実施例と同じとした。
【００４７】
図１８に計算結果として変形図を示す。図１１と同様に、変形倍率を２００倍で示している。腕部接続部１ａと胴部中央部１ｂとの間で大きく局所変形が発生し、最大変形量は０．１３ｍｍと大きくなった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のロボット用胴部構造体は、製造工程に用いられる固定式の双腕ロボットや、介護福祉用の脚式や車輪式の移動ロボット、重作業代替用の人型ロボットなどに応用することができ、また、その応用範囲がこれらに限られることはない。
【符号の説明】
【００４９】
１、１００  胴部構造体
１ａ、１００ａ  腕部接続部
１ｂ、１００ｂ  胴部中央部
１ｃ  腰部接続部
２  胴部上半部
３  胴部下半部
４ａ、４ｂ  肩関節部品
５、５１  腰関節部品
６  荷重
７、７１  双腕ロボット
８ａ、８ｂ  腕部構造体
９、９０  開口部
１０ａ、１０ｂ、１０１ａ、１０１ｂ  腕部接続面
１１ａ、１１ｂ、１１０  腰部接続面
１２  腰部構造体
１３、１３０  支持部材
１４ａ、１４ｂ、１４０ａ、１４０ｂ  下端
１５ａ、１５ｂ  上端
１７０ａ  右端部
１７０ｂ  左端部
１８、１８０  下縁
１９ａ、１９ｂ、１９０ａ、１９０ｂ  一端
２０、２００  上縁
２１ａ、２１ｂ、２１０ａ、２１０ｂ  一端
【図１】
2011206883.tif 000003
【図２】
2011206883.tif 000004
【図３】
2011206883.tif 000005
【図４】
2011206883.tif 000006
【図５】
2011206883.tif 000007
【図６】
2011206883.tif 000008
【図７】
2011206883.tif 000009
【図８】
2011206883.tif 000010
【図９】
2011206883.tif 000011
【図１０】
2011206883.tif 000012
【図１１】
2011206883.tif 000013
【図１２】
2011206883.tif 000014
【図１３】
2011206883.tif 000015
【図１４】
2011206883.tif 000016
【図１５】
2011206883.tif 000017
【図１６】
2011206883.tif 000018
【図１７】
2011206883.tif 000019
【図１８】
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