(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
腕部の両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、前記両端の関節部に設けられた２本の回転中心軸が平行であり、腕部は、前記２本の回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ｂと、一方の回転中心軸から他方の回転中心軸に向かう方向に沿う前記面Ｂの端部に接続され、前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ａを有してなり、関節部は前記回転中心軸に垂直な平面と対向するとともに前記面Ｂから延設してなる面Ｃおよび前記面Ｃと角度をもって立ち上がるフランジ面Ｄを有してなり、前記フランジ面Ｄは前記回転中心軸を中心とする円筒面Ｅと、前記円筒面Ｅの端部および前記面Ａの端部と接続する面Ｆを有しており、襟部を有する金属取付座をとりつけることができる空間が、前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に形成されるとともに、前記金属取付座が該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着されているリンク構造体の関節構造。
【請求項２】
前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に、該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着された金属取付座が取り付けられている、請求項１に記載のリンク構造体の関節構造。
【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の関節構造。
【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の関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ（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、モーターや減速機等の駆動部品からの高いトルク伝達が可能なロボット等に用いて好適なリンク構造体の関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、特に人の手や足の動きに似た動きをするロボットにおいては、一定の速度で動く時間は少なく、ほとんどの時間は加速、減速している。そして加速・減速時には、モーターや減速機等の駆動源から基本となる構造部分にトルクを伝達する必要がある。しかも、このトルクを繰り返し伝達できる構造とする必要がある。さらに、リンク構造体が通常の動作以外の想定外の動きによって、周辺に衝突したり、転倒するなどによって、通常よりも大きなトルクが発生することがある。また、今後ロボットの性能の向上にともない、より大きいトルクを伝達することがリンク構造体に求められる。
【０００３】
基本となる構造部分が金属製の場合、構造部分を金属の一体構造で作製し、直接駆動源を取り付けることが一般的である。
【０００４】
また、一方でロボットは、動作性や制振性の向上、駆動源の小型化等の観点から、基本となる構造部分は軽量かつ高剛性であることが求められている。そのため、基本となる構造部分には軽量かつ高剛性なＦＲＰが採用されてきている。ＦＲＰ製リンク構造体において、トルク伝達には金属の場合と同様に、ＦＲＰに直接、駆動源をボルト、ナット等を用いて固定した場合、必要な寸法精度を出しにくい問題や、必要な寸法精度を出すことができたとしても、繰り返し使用した場合、ＦＲＰが磨耗して、寸法精度が悪くなってしまう等の問題がある。そのため、ＦＲＰ製のリンク構造体に駆動源を取り付ける場合には、関節部分に金属を配置するなどの方法が用いられてきた（特許文献１）。
【０００５】
特許文献１では、大きいトルクを伝達するため、関節部に駆動源等を取り付ける金属取付座と、腕部に金属製の薄板を設け、それらを溶接等の方法によって接続し、金属の内側および外側をＦＲＰで覆うハイブリッド構造を取っている。しかしハイブリッド構造であるため、重量が重く、また構造が複雑となってしまう。
【特許文献１】特開平１０−２０２５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の課題は、軽量かつ高剛性であり、大きいトルク伝達が可能なＦＲＰ製リンク構造体の関節構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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）腕部の両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、前記両端の関節部に設けられた２本の回転中心軸が平行であり、腕部は、前記２本の回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ｂと、一方の回転中心軸から他方の回転中心軸に向かう方向に沿う前記面Ｂの端部に接続され、前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ａを有してなり、関節部は前記回転中心軸に垂直な平面と対向するとともに前記面Ｂから延設してなる面Ｃおよび前記面Ｃと角度をもって立ち上がるフランジ面Ｄを有してなり、前記フランジ面Ｄは前記回転中心軸を中心とする円筒面Ｅと、前記円筒面Ｅの端部および前記面Ａの端部と接続する面Ｆを有しており、襟部を有する金属取付座をとりつけることができる空間が、前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に形成されるとともに、前記金属取付座が該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着されているリンク構造体の関節構造。
【０００８】
（２）前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に、該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着された金属取付座が取り付けられている、請求項１に記載のリンク構造体の関節構造。
【０００９】
（３）産業用ロボットに用いられる、前記リンク構造体の関節構造。
【００１０】
（４）サービスロボットに用いられる、前記リンク構造体の関節構造。
である。
【発明の効果】
【００１１】
腕部の両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、前記両端の関節部に設けられた２本の回転中心軸が平行であり、腕部は、前記２本の回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ｂと、一方の回転中心軸から他方の回転中心軸に向かう方向に沿う前記面Ｂの端部に接続され、前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ａを有してなり、関節部は前記回転中心軸に垂直な平面と対向するとともに前記面Ｂから延設してなる面Ｃおよび前記面Ｃと角度をもって立ち上がるフランジ面Ｄを有してなり、前記フランジ面Ｄは前記回転中心軸を中心とする円筒面Ｅと、前記円筒面Ｅの端部および前記面Ａの端部と接続する面Ｆを有しており、襟部を有する金属取付座をとりつけることができる空間が、前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に形成されるとともに、前記金属取付座が該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着されているので、該空間に配置される金属取付座に駆動源等からトルクが入力された場合、金属取付座からＦＲＰに伝達される荷重を、ＦＲＰの面Ｃと面Ｅにおいてだけでなく、面Ｆの面外方向に受け持つことができるため、大きいトルクを伝達することが可能となる。
【００１２】
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の関節構造に適用すれば、軽量かつ高剛性であり、大きいトルクを伝達することが可能な構造を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係るリンク構造体は、腕部の両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、前記両端の関節部に設けられた２本の回転中心軸が平行であり、腕部は、前記２本の回転中心軸に垂直な平面と対向する面Ｂと、一方の回転中心軸から他方の回転中心軸に向かう方向に沿う前記面Ｂの端部に接続され、前記回転中心軸に平行な平面と対向する面Ａを有してなり、関節部は前記回転中心軸に垂直な平面と対向するとともに前記面Ｂから延設してなる面Ｃおよび前記面Ｃと角度をもって立ち上がるフランジ面Ｄを有してなり、前記フランジ面Ｄは前記回転中心軸を中心とする円筒面Ｅと、前記円筒面Ｅの端部および前記面Ａの端部と接続する面Ｆを有しており、襟部を有する金属取付座をとりつけることができる空間が、前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に形成されるとともに、前記金属取付座が該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着されていることを特徴とする。
【００１４】
ここで言う、「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す部位のことである。
【００１５】
また、ここで言う、「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】
また、本発明に係るリンク構造体の関節構造は、前記面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆに囲まれた部分に、該面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着された金属取付座を取り付けて用いることができる。金属取付座を設けることによって、駆動部品等をリンク構造体に精度よく取り付けることが可能となる。また、金属取付座をＦＲＰに配置する方法としては、接着だけでなく、ボルト、リベット等の機械的接合を併用してもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
本発明のリンク構造体はＦＲＰおよび金属から構成される。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。ＦＲＰ層の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。
【００２０】
また、本発明にかかるリンク構造体の関節構造に用いられる金属としては、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る。軽量化の観点からは、軽合金を用いることが好ましい。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係るリンク構造体の斜視図を示している。腕部４の両端には関節部５、６が配置されている。関節部５、６に設けられた２本の回転中心軸２、３が平行であり、腕部４は、２本の回転中心軸２、３に垂直な平面と対向する面Ｂと、一方の回転中心軸２から他方の回転中心軸３に向かう方向に沿う前記面Ｂの端部に接続され、回転中心軸２、３に平行な平面と対向する面Ａを有し、関節部５、６は回転中心軸２、３に垂直な平面と対向するとともに面Ｂから延設してなる面Ｃと、面Ｃから直角に立ち上がっている（９０°という角度をもって立ち上がっている）フランジ面Ｄを有しており、面Ｄは回転中心軸を中心とする円筒面Ｅと、円筒面Ｅの端部および前記面Ａの端部と接続する面Ｆを有し、面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着された金属取付座が設けられている。
【００２２】
金属取付座に駆動源等が接続され、駆動源から金属取付座にトルクが入力された場合、金属取付座からＦＲＰにトルクを伝達する必要がある。その際、金属取付座から面Ｃには接着剤を介して、トルクが伝達されるが、さらに面Ｅだけでなく、面Ｆとも接着されているため、面Ｆの面外方向にも荷重を受け持つことが可能となるため、より大きいトルクを伝達することが可能となる。なお、金属取付座を面Ｃ、面Ｅおよび面Ｆと接着させるために用いられる接着剤としては、ウレタン系やエポキシ系接着剤を用いることができるが、強度の面から構造用のエポキシ系接着剤が好ましく用いられる。
【００２３】
金属取付座が単純な円形状である場合、通常の動作で発生するトルクを伝達することは可能であるが、想定外の動きによって周辺に衝突したり、また転倒した場合には通常よりも大きいトルクが発生し、そのトルクを伝達することは困難である。単純な円形状のままで、大きいトルクを伝達するためには、面Ｃとの接着面積を増やすため、円形状の円の半径を大きくする必要があるが、その場合には、重量増加の問題や、他部品との空間の取り合い等、様々な制限がある。
【００２４】
他方、本発明のごとく、金属取付座に襟部を設ける場合は、他部品との空間の取り合いの制限も少なく、重量の増加を最小限に抑えることが可能となる。また金属取付座と面Ｃとの接着領域の増加によって伝達できるトルクが大きくなるだけでなく、面Ｆの面外方向に荷重を伝達することができるため、金属取付座と面Ｃ間の接着剤に発生する応力そのものを小さくことが可能となる。金属取付座と面Ｃ間に発生する応力が小さくなることにより、繰り返しトルクが入力された場合の耐久性も向上する。
【００２５】
図２および図３は、図１に示したリンク構造体に用いた金属取付座の斜視図である。このように、面Ｆと接着する金属取付座の襟部の厚みや面積等は、伝達する必要のあるトルクの大きさによって、適宜決定すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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】図１に示したリンク構造体の金属取付座の斜視図である。
【図３】図１に示したリンク構造体の金属取付座の斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：リンク構造体
２、３：回転中心軸
４：腕部  
５、６：関節部  
７、８：金属取付座
１０、１１、１２、１３：襟部
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ：面  
【図２】
0005217482.tif 000002
【図３】
0005217482.tif 000003
【図１】
0005217482.tif 000004