(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームを有するロボットであって、
前記ロボットアームは、第１アームに連結された第１アクチュエータと、前記第１アクチュエータを収容する第１収容部を有する関節フレームとを備え、
前記第１収容部は、樹脂Ａの硬化物により形成された基礎フレームと、前記樹脂Ａの硬化物よりも高い融解温度を有する樹脂Ｂの硬化物により形成された第１フレームとを接合して構成され、
前記第１アクチュエータは、前記第１フレームに固定されたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記ロボットアームは、前記第１アクチュエータの回転軸に対して垂直の回転軸を有し、第２アームに連結された第２アクチュエータをさらに備え、
前記関節フレームは、前記第２アクチュエータを収容する第２収容部をさらに有し、
前記第２収容部は、前記基礎フレームと、前記樹脂Ｂの硬化物により形成された第２フレームを接合して構成されるとともに、
前記第２アクチュエータは、前記第２フレームに固定されたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記樹脂Ｂの硬化物のガラス転移温度は、前記樹脂Ａの硬化物のガラス転移温度よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
【請求項４】
前記樹脂Ｂの硬化物の曲げ弾性率は、前記樹脂Ａの硬化物の曲げ弾性率よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
【請求項５】
前記樹脂Ｂの硬化物の引張破断強度は、前記樹脂Ａの硬化物の引張破断強度よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
【請求項６】
前記樹脂Ｂの硬化物の硬度は、前記樹脂Ａの硬化物の硬度よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
【請求項７】
前記基礎フレームと前記第１フレーム、または前記基礎フレームと前記第２フレームは、プリプレグを介して接合されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のロボット。
【請求項８】
第１アームに連結された第１アクチュエータを収容する第１収容部を有し、前記第１収容部は、樹脂Ａの硬化物により形成された基礎フレームと、前記樹脂Ａの硬化物よりも高い融解温度を有する樹脂Ｂの硬化物により形成された第１フレームとを接合して構成された関節フレームを備えたロボットアームを有するロボットの製造方法であって、
前記樹脂Ｂにより前記第１フレームを形成する工程と、
前記第１フレームを金型に設置し、前記樹脂Ｂの硬化物の融解温度よりも低い温度により、前記金型に前記樹脂Ａを射出成形することにより前記基礎フレームを形成する工程と、を有することを特徴とするロボットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットやサービスロボットは、一般にロボットアームを形成する材料として、鉄やアルミニウムなどの金属材の成形加工品が用いられる。一方、高速化や小型化を目的として軽量化が求められており、そのロボットの一例としては、特許文献１に記載の繊維強化プラスチック製リンク構造体の関節構造が挙げられる。この特許文献１の繊維強化プラスチック製リンク構造体の関節構造では、プラスチック及び金属との複合体によりロボットの関節を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記繊維強化プラスチック製リンク構造体の関節構造は、プラスチックと金属との複合体であり、高い加工精度が要求される部位には金属が設けられている。また、金属を含むため、軽量化には限界があるといった課題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、樹脂で形成された加工精度の高い軽量なロボットアームを備えたロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、ロボットアームを有するロボットであって、前記ロボットアームは、第１アームに連結された第１アクチュエータと、前記第１アクチュエータを収容する第１収容部を有する関節フレームとを備え、前記第１収容部は、樹脂Ａの硬化物により形成された基礎フレームと、前記樹脂Ａの硬化物よりも高い融解温度を有する樹脂Ｂの硬化物により形成された第１フレームとを接合して構成され、前記第１アクチュエータは、前記第１フレームに固定されたロボットが適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明の他の観点によれば、第１アームに連結された第１アクチュエータを収容する第１収容部を有し、前記第１収容部は、樹脂Ａの硬化物により形成された基礎フレームと、前記樹脂Ａの硬化物よりも高い融解温度を有する樹脂Ｂの硬化物により形成された第１フレームとを接合して構成された関節フレームを備えたロボットアームを有するロボットの製造方法であって、前記樹脂Ｂにより前記第１フレームを形成する工程と、前記第１フレームを金型に設置し、前記樹脂Ｂの硬化物の融解温度よりも低い温度により、前記金型に前記樹脂Ａを射出成形することにより前記基礎フレームを形成する工程と、を有することを特徴とするロボットの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ロボットのアームを構成する関節フレームを樹脂により高精度に形成することができるようになり、大幅な軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロボットアームについて説明するための説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るロボットアームの関節フレームについて説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るロボットアームの関節フレームの製造方法について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００１０】
＜１．第１実施形態＞
（１−１．ロボットアームの構成）
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るロボットアームについて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットアームについて説明するための説明図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係るロボットアームの関節フレームについて説明するための説明図である。
【００１１】
図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係るロボットアーム１は、第１アーム１０と、その先端側（エンドエフェクタ側）に連結された第２アーム３０の間に介在し、関節フレーム１００、第１アーム１０に接続された第１アクチュエータ２０、及び第２アーム３０に接続された第２アクチュエータ４０とを備える。
以下、これらの構成について詳細に説明する。なお、本実施形態におけるロボットアーム１は、１軸以上のロボットアームを有するロボットの一例を示すものであって、当該ロボットアームと類似構造を有し、複数の自由度を持つ多関節型のロボットに適用されてもよいことはいうまでもない。
【００１２】
関節フレーム１００は、基礎フレーム１０１と第１フレーム１０２、及び基礎フレーム１０１と第２フレーム１０３が接合されて構成され、接合された部分には、それぞれ第１収容部１０５及び第２収容部１０６を有する。第１収容部１０５には、第１アクチュエータ２０が収容されて第１フレーム１０２に固定され、第２収容部１０６には、第２アクチュエータ４０が収容されて第２フレーム１０３に固定される。
【００１３】
基礎フレーム１０１は、後述する樹脂Ａの硬化物により形成され、関節フレーム１００の主骨格を形成する。基礎フレーム１０１と第１フレーム１０２の接合面は、第１フレーム１０２の外周面が基礎フレーム１０１に内接するように成形される。また、基礎フレーム１０１と第２フレーム１０３の接合面は、内・外輪を有する略円（リング）形状に成形される。
【００１４】
第１フレーム１０２は、第１アクチュエータ２０の固定される面の形状に合わせて略円板形状に成形され、第１アクチュエータ２０を固定するための後述するボルト５０が挿入されるボルト穴が設けられる。
また、第１フレーム１０２と第１アクチュエータ２０をボルトで締結した際、クリープの発生により、締め付けトルクが低下することを防止する必要がある。そこで、第１フレーム１０２を形成する樹脂Ｂには、樹脂Ａよりもさらにガラス転移温度が高い、または弾性率の高い硬化物となる樹脂が用いられる。
【００１５】
第２フレーム１０３は、第２アクチュエータ４０が装着される外周形状に合わせてリング形状に成形され、第２アクチュエータ４０のフランジ部分を固定するための後述するボルト６０が挿入されるボルト穴が設けられる。
また、第２フレーム１０３の内周面は、第２アクチュエータ４０の外殻４３の外周面が内接し、略合致して装着されるように高い精度（寸法公差：０．０５ｍｍ以下）が要求される。そこで、上記のリング形状のように比較的単純な形状を単独で成形し、さらに樹脂を充填する際、成形器内部の温度、及び成形器内部にかかる圧力分布を均一にすることにより、樹脂の熱収縮時の不均一化を抑え、高精度の加工を行なうことができる。
第２フレーム１０３を形成する樹脂は、基礎フレーム１０１を形成する樹脂Ａよりもさらにガラス転移温度が高い、または弾性率の高い硬化物となる第１フレーム１０２と同様の樹脂Ｂが用いられる。
【００１６】
第１収容部１０５は、上記基礎フレーム１０１と上記第１フレーム１０２とが接合されて、その内方に形成され、第１アクチュエータ２０を収容して保持するスペースである。
【００１７】
第２収容部１０６は、上記基礎フレーム１０１と上記第２フレーム１０３とが接合されて、その内方に形成され、第２アクチュエータ４０を収容して保持するスペースである。
【００１８】
プリプレグ１０４は、炭素繊維にポリイミドあるいはポリオレフィン系の高耐熱性樹脂等を含浸させた複合材料であり、基礎フレーム１０１と第１フレーム１０２、及び基礎フレーム１０１と第２フレーム１０３との接合面に介在して互いを強固に接合する。
なお、プリプレグ１０４を介せず、樹脂Ａで形成される基礎フレーム１０１と樹脂Ｂで形成される第１フレーム１０２、及び樹脂Ａで形成される基礎フレーム１０１と樹脂Ｂで形成される第２フレーム１０３を、それぞれの樹脂の化学的結合による接着力を利用して直接接合してもよいことはいうまでもない。この場合、例えばそれぞれの接合面に互いに嵌合する凹凸面を形成することにより、さらに強固に接合することができる。
【００１９】
ボルト５０は、第１収容部１０５に収容された第１アクチュエータ２０と、第１フレーム１０２、及び第２収容部１０６に収容された第２アクチュエータ４０と、第２フレーム１０３を締結することにより、より強固に接合することができる。
【００２０】
第１アクチュエータ２０は、アクチュエータの一例であって、本体２１、出力軸２２、及び外殻２３を備える。本体２１は、モータ、シャフト、減速機、ブレーキ、及びエンコーダ等から構成され、モータ駆動時には、減速機、ブレーキ、あるいはエンコーダによりシャフトの回転角度及び回転速度等の制御が行なわれる。出力軸２２は、第１アーム１０に連結され、シャフトの回転に伴って、減速機から動力が伝達されるように構成されている。また、外殻２３は、本体２１を覆い固定するとともに、関節フレーム１００の第１収容部１０５に収容されて、第１フレーム１０２に固定される。本体２１内のモータが駆動することによって、本体２１及び外殻２３が回動し、外殻２３を固定した関節フレーム１００が連動する。この動作により関節フレーム１００から先端側（エンドエフェクタ側）に連結されたロボットアームの姿勢変更が行なわれる。
【００２１】
第２アクチュエータ４０は、アクチュエータの一例であって、本体４１、出力軸４２、及び外殻４３を備える。本体４１は、モータ、シャフト、減速機、ブレーキ、及びエンコーダ等から構成され、モータ駆動時には、減速機、ブレーキ、あるいはエンコーダによりシャフトの回転角度及び回転速度等の制御が行なわれる。出力軸４２は、第２アーム３０に連結され、シャフトの回転に伴って、減速機から動力が伝達されるように構成されている。また、外殻４３は、本体４１を覆い固定するとともに、関節フレーム１００の第２収容部１０６に収容されて、第２フレーム１０３に固定される。本体４１内のモータが駆動することによって、出力軸４２が回動し、それに連結された第２アーム３０が連動する。この動作により第２アーム３０から先端側（エンドエフェクタ側）に連結されたロボットアームの姿勢変更が行なわれる。
【００２２】
（１−２．関節フレームの製造方法）
次に、本発明における関節フレーム１００の製造方法について説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係るロボットアームの関節フレームの製造方法について説明するための説明図である。
本実施形態における関節フレームの製造方法についての一例を下記（１）〜（３）に示す。なお、本実施形態で用いた金型は、理解を容易にするため各要素を模式的に示しており、本構造により特に制約を受けるものではない。
【００２３】
（１）第１フレーム及び第２フレームの成形
第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３は、高精度の寸法が求められる。特に、第２フレーム１０３は、円筒形の第２アクチュエータ４０の外周面が、第２フレーム１０３に内接して装着されるように、第２フレーム１０３の内径寸法は、特に高精度に成形されることが要求される。このため、別の成形器を用い、各々の成形器（図示せず）に樹脂Ｂを充填・硬化させて作製する。なお、高い加工精度を確保するため、成形時には射出温度及び金型温度を一定に保つことが重要であり、成形器の大幅な温度変化を生じさせないためには、１ロットを連続して成形することが好ましい。
【００２４】
（２）第１フレーム及び第２フレームの金型への設置
次に、上述により作製された第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３を予熱する。予熱温度は、樹脂の種類にもよるが、概ね１００℃程度で余熱すればよい。その後、ポリイミドあるいはポリオレフィン系樹脂を主材とする高耐熱性のプリプレグ１０４を、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３の基礎フレーム１０１と接合される面に設置する。そして、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３を金型２００内の下型２０１の所定位置に配置し、上型２０２及びスライド型２０３を設置する。
また、プリプレグ１０４の接着力を高めるために、予め該接合される面をサンドペーパ等を用いて荒らしてもよい。プリプレグ１０４は、後段の射出成形時に金型２００の温度を上げることにより硬化して接着材の役割を果たす。
【００２５】
（３）基礎フレームの成形
上述の金型２００を射出成形機（図示せず）に設置して、所定の樹脂加熱温度、金型温度、成形圧の条件に設定し、樹脂Ａを注入ゲート２０４から注入する。樹脂Ａの注入を終え、所定の温度で所定時間放置して樹脂が固まった後、上型２０２及びスライド型２０３を取り外すことにより、基礎フレーム１０１、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３が一体化した関節フレーム１００の成形体を取り出すことができる。
例えば、樹脂Ａに、ガラス短繊維３０％含有−ポリブチレンテレフタレートを用いた場合、樹脂加熱温度：２６０℃、金型温度：８０℃、及び成形圧：１７５．５ＭＰａ（９０％）の条件において射出成形を行い、一定の保圧後、６０秒放置した後に金型の取り外しを行うと、関節フレーム１００が完成する。
【００２６】
上記のように、予め硬化物の融解温度が樹脂Ａよりも高い樹脂Ｂを用い、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３を、各々専用の成形器により高精度の成形を行なう。その後、金型２００を用いて、該金型２００の所定位置に第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３を設置して樹脂Ａを射出成形し、基礎フレーム１０１、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３を接合して一体化する。以上により、基礎フレーム１０１の成形時（樹脂Ａの射出成形時）に、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３が熱的影響を受けることなく高精度な成形を行なうことができるとともに、樹脂による軽量の関節フレーム１００の製造が可能となる。
【００２７】
（１−３．樹脂の種類及び評価）
（１）樹脂の種類について
基礎フレーム１０１を形成した樹脂Ａ、及び第１フレーム１０２、第２フレーム１０３を形成した樹脂Ｂについて説明する。使用した樹脂は下記の通りであり、表１に樹脂の構成とその特性値を示す。
（イ）ポリプロピレン（PP）
（ロ）ガラス短繊維３０％含有ポリブチレンテレフタレート（GF30％PBT）
（ハ）ガラス短繊維３０％含有ポリフェニレンサルファイド（GF 30％PPS）
（ニ）ガラス短繊維３０％含有芳香族ナイロン（GF 30％PA）
（ホ）ガラス繊維＆鉱物粒子５０％含有ポリフェニレンサルファイド
〔（GF＋MD）50％PPS〕
（ヘ）ガラス短繊維３０％含有（GF30％PEEK）
（ト）ガラス短繊維３０％含有液晶ポリマー（GF30％LCP）
【００２８】
【表１】
0005365596.tif 000002
GF：ガラス繊維，MD：鉱物粒子
【００２９】
（２）加工精度の評価について
上記製造方法により関節フレーム１００を作製し、その寸法を測定することにより加工精度についての評価を行なった。本評価に試供した基礎フレーム１０１〔樹脂Ａ〕と、第１フレーム１０２・第２フレーム１０３〔樹脂Ｂ〕の組み合わせを表２に示す。なお、樹脂Ａ及び樹脂Ｂの構成、及びその組み合わせは一例であり、これらに限定されない。
【００３０】
【表２】
0005365596.tif 000003
【００３１】
表２の組み合わせにより作製された関節フレーム１００について、特に高い加工精度が要求され、第２アクチュエータ４０が固定される第２フレーム１０３の接触面の寸法精度について検証した。長手方向の寸法Ｌ（図２）が１６０ｍｍの関節フレーム１００について、第２フレーム１０３の内径の寸法は、要求される寸法公差０．０５ｍｍ以下となっており、高精度の真円度が確保されることを確認した。
また、基礎フレーム１０１と第２フレーム１０３との接合部分における熱膨張差は８０ppm以下であり、第１アクチュエータ２０及び第２アクチュエータ４０駆動時の発熱による変形、及び接合面の接合強度の低下が生じる可能性は無視できる程度に小さいことが分かった。
【００３２】
なお、樹脂Ａとしては、例１〜３に用いた樹脂に限定されるものではなく、ポリエチレン、ナイロン６、ナイロン６６、芳香族ナイロン、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレートを用いることができる。また、樹脂Ｂとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマーの樹脂を用いることも可能である。
【００３３】
（３）クリープ発生の評価について
同様の製造方法により関節フレーム１００を作製し、第１フレーム１０２及び第１アクチュエータ２０をボルト５０により所定のトルクで締結した。その後、８０℃の雰囲気下に一定時間放置する工程を経て、各ボルト５０の締結トルクを測定することによりクリープ発生の評価を行なった。本評価に試供した基礎フレーム１０１〔樹脂Ａ〕と、第１フレーム１０２・第２フレーム１０３〔樹脂Ｂ〕の組み合わせを表３に示す。なお、樹脂Ａ及び樹脂Ｂの構成、及びその組み合わせは一例であり、これらに限定されない。
【００３４】
【表３】
0005365596.tif 000004
【００３５】
表３の組み合わせにより作製された関節フレーム１００について、特に耐クリープ性が要求される第１フレーム１０２における第１アクチュエータ２０とを締結したボルト５０の締結トルクについて検証した。
いずれの例についても、ロボットアームの動作に支障を与える程の締結トルクの大幅な低下は認められなかった。また、実際にロボットアームに組み込んで動作試験を行った際にも、第１アクチュエータ２０は強固に固定されており、締結トルクの大幅な低下は認められなかった。
例えば、第１フレーム１０２と第１アクチュエータ２０とをボルト５０により、初期トルク１．７４Ｎ・ｍで締結し、６０℃で５０日間保持したところ、残留トルクは１〜１．２Ｎ・ｍとなり、初期締結トルクの６０〜７０％を維持することができた。その後、ロボットアームの先端部を固定壁に接触させ、ロボットを動作させて、ぶつけ位置再現精度試験を行った。第１アクチュエータのモータ定格トルクの２００％に達するまで電流値を徐々に増加させ、ダイヤルゲージを用いて位置のズレ幅を検証した。その結果、５回（サンプル：ｎ＝５）の試験において最大のズレ幅は０．１５ｍｍであった。要求される仕様は０．２ｍｍ以下であることから、仕様をクリアするとともに、締結トルクの大幅な低下の要因となるクリープは発生しないことを確認した。
また基礎フレーム１０１と第１フレーム１０２との接合部分における熱膨張差は１０ppm以下であり、第１アクチュエータ２０及び第２アクチュエータ４０駆動時の発熱による変形、及び接合面の接合強度の低下は生じにくいことが分かった。このように、例３または例５の樹脂Ｂに供した芳香族ナイロンまたはポリエーテルエーテルケトンは、ガラス転移温度が高く、温度上昇による影響を受けにくいため、クリープの発生を防止する効果が高いことが分かった。また例４及び例６の樹脂Ｂは、ガラス繊維や鉱物粒子が多く含有されているために弾性率が高く、クリープの発生を防止する効果が高いことが分かった。
【００３６】
なお、例３〜６に用いた樹脂に限定されるものではなく、樹脂Ｂとしては、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド樹脂およびガラス繊維や鉱物粒子が高充填されたポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート樹脂を用いることも可能である。
【００３７】
（１−４．本実施形態による効果の一例）
以上説明したように、本実施形態に係るロボットアーム１は、ロボットアームを構成する関節フレーム１００を樹脂で高精度に形成することができるようになり、金属製のロボットアームに比べて大幅な軽量化が可能になる。
また、樹脂Ｂは、樹脂Ａの硬化物に対し、ガラス転移温度が高い、または曲げ弾性率が高い硬化物となる樹脂を選定することにより、ボルト締結時のクリープの発生を低減し、ボルトの緩みを防止する効果を得ることができる。
さらに、樹脂Ｂは、樹脂Ａの硬化物に対し、引張破断強度が大きい硬化物となる樹脂を選定することにより高強度の関節フレーム１００を成形することができ、硬度が大きい硬化物となる樹脂を選定することにより、精度の高い加工を行なうことができるようになる。
また、ポリイミドあるいはポリオレフィン系の高耐熱性樹脂を主材とするプリプレグ１０４を、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３の基礎フレーム１０１と接合される面に使用することにより、より強固に接合することが可能である。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００３９】
例えば、第１フレーム１０２と第２フレーム１０３は同じ樹脂Ｂにより成形したが、上記の知見に基づいて、異なる樹脂により成形することも可能である。また、第１フレーム１０２は円板形状に成形され、第２フレーム１０３はリング形状に成形されているが、必要に応じてその形状を変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、電動機を備えた工作機械などにも適用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  ロボットアーム
１０  第１アーム
２０  第１アクチュエータ
２１  本体
２２  出力軸
２３  外殻
３０  第２アーム
４０  第２アクチュエータ
４１  本体
４２  出力軸
４３  外殻
５０  ボルト
６０  ボルト
１００  関節フレーム
１０１  基礎フレーム
１０２  第１フレーム
１０３  第２フレーム
１０４  プリプレグ
１０５  第１収容部
１０６  第２収容部
２００  金型
２０１  下型
２０２  上型
２０３  スライド型
２０４  注入ゲート
【図１】
0005365596.tif 000005
【図２】
0005365596.tif 000006
【図３】
0005365596.tif 000007