JP3917153B2 - 衝撃吸収構造を有するロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、衝突による作業者の負傷又はロボットの破損を防止するためのロボットアームに関し、さらに詳しくは、ロボットアームが作業者又は構造物にぶつかったとき、取替容易なロボットのボディの一部分が変形されて作業者とロボットの要部を保護できるようにした、衝撃吸収構造を有するロボットアームに関する。

ロボットは様々な分野で用いられている。例えば、人間が作業できないクリーンルーム、宇宙空間及び原子炉などで使用される産業用ロボット、患者又は老弱者のためのリハビリ医学用ロボット、生活に便利さと楽しみを与える生活支援用又はレーザ用ロボットなどがあり、益々われわれの生活に密接な関係を持って必要な存在として位置付けられている。

ロボットは、その基本的な役割である荷重支持能力を高めるために、剛性が高くて丈夫な構造で製作されることが一般的である。特に、ロボットアームは、荷重支持能力を高めるために、厚くて重い金属材質からなっている。したがって、ロボットアームが他の構造物又は人間と衝突すると、構造物と人間に損傷を与えるうえ、ロボットの関節部及び駆動部も致命的な損傷を被る。また、金属材質からなるロボットアームは、加工部が多くて複雑なので、加工コスト及び製造コストが高いという問題点がある。

このような理由から、予想もしなかった動作及び事故に対処するために、荷重を支持することが可能な剛性構造に加えて衝撃吸収構造を有するロボットアームが求められている。すなわち、ロボットが作業者又は他の構造物にぶつかったとき、ロボットの要部又は作業者に衝撃を与えないように撓み易いか或いは折れ易いロボットアームが必要であった。

本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、構造を支持することが可能な剛性を有し、且つ事故が予防できるように一定の衝撃に対して変形又は破損する衝撃吸収構造を有するロボットアームを提供することにある。

本発明の一様態によれば、衝撃吸収構造を有するロボットアームであって、ロボットアームの骨組を成す剛性材質の複数のビームと、前記ビームとビームとの間に取り付けられてロボットアームの形を形成し、外部衝撃を吸収する有弾性側面部材とを含み、前記側面部材は、フォーム又はハニカム構造を有し、樹脂材質からなる板材と、この板材に接合される繊維強化複合材料とを備える、衝撃吸収構造を有するロボットアームが提供される。

また、本発明の他の様態によれば、衝撃吸収構造を有するロボットアームであって、剛性材質からなる複数のブロックと、前記複数のブロックがロボットアームの形を形成するようにブロックとブロックとを連結し、一定の力により変形する連結部材とを含み、前記連結部材は、フォーム又はハニカム構造を有し、樹脂材質からなる板材と、この板材に接合される繊維強化複合材料とを備える、衝撃吸収構造を有するロボットアームが提供される。

本発明によれば、上記構成を有する側面部材又は連結部材を備えるので、ロボットアームが外部から衝撃を受けるか或いは他の構造物と衝突するときに発生する衝撃がロボットアーム自体に吸収され、ロボットの要部又はその他の構造物を保護することができるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るロボットアームの断面構造を示し、図２は図１の実施形態を変形したロボットアームの断面構造を示し、図３は本発明の他の実施形態に係るロボットアームの構造を示す。

ロボットアーム１０の周縁部における４ヶ所の角部にはビーム３０が設置され、ビーム３０とビーム３０との間には側面部材２０が結合される。ビーム３０は、ロボットアーム１０の骨組を成し、側面部材２０は、ロボットアーム１０の外形を形成する。ロボットアーム１０は、周縁部おける４ヶ所の角部を除いては側面部材２０に囲まれて外部と接触する。この側面部材２０は、フォームと複合材料からなっている。一般に、複合材料は方向によって剛性が異なるが、本実施形態では、側面部材２０付きロボットアーム１０が長手方向に高い剛性を有し、周方向に低い剛性を有する。このような構造のロボットアーム１０は、周方向に外力を受けると、図１の如く力の方向に撓みながら衝撃を吸収する。したがって、ロボットアーム１０が作業者や他の構造物などにぶつかったとき、発生した衝撃が側面部材２０に吸収されるので、作業者と構造物を衝撃から保護することができる。

図２は側面部材２０にひだ２１を形成して衝撃吸収力を増大させたロボットアームを示す。側面部材２０にひだ２１が形成された場合は、ひだ２１が形成されていない場合より面積が増大し、外力に対する変形が起こり易いので、外部衝撃をより良く吸収することができる。

上記とは異なり、剛性ボディを利用しながら外部衝撃を吸収することもできる。図３はこのようなロボットアーム１０の構造を示すもので、図３の（ａ）はブロックとブロックの分離状態を示し、図３の（ｂ）は分離されたブロックが連結部材によって結合した状態を示し、図３の（ｃ）はブロックに作用した外力によって連結部材が変形した状態を示す。

ロボットアーム１０は、複数のブロック４０からなり、連結部材４１によって結合される。ブロック４０は、図１と図２の実施形態と同様の断面構造を有するブロックであり、独立したそれぞれのブロック４０は連結部材４１によって結合される。連結部材４１は、前記側面部材２０と同様に、フォームと複合材料からなっている。

このようなロボットアーム１０の外形部分は、金属材質のブロック４０なので、衝撃によって容易く破損又は変形することはない。又、複数のブロック４０を連結する連結部材４１は、前述したように弾性力に優れるが、ブロック４０に比べて強度が低い。したがって、ブロック４０に所定の衝撃が加わると、ブロック４０に比べて相対的に強度の低い連結部材４１において図３の（ｃ）の如く変形又は破損が起こりながら衝撃を吸収することになる。結局、ブロック４０に作用する衝撃は軟質の連結部材４１が吸収するので、相対的に取替が難しくて高価なブロック４０又はロボットの関節４２を保護することができる。尚、複合材料は前述したように方向によって剛性が異なる。よって、ブロック４０への取付時にこれを考慮しなければならない。

図４は、図１と図３のロボットアームに使用される側面部材と連結部材の一製作方法を示し、図５は、側面部材と連結部材の他の製作方法を示し、図６と図７は、図４と図５で製作された部材の成形方法を示す。

側面部材と連結部材の形を形成する板材５０の材質としては、主にフォームとハニカム構造物が使用される。フォームとは、ウレタンやＰＭＩ、ＰＶＣ、ＡＢＳ、フェノールなどの樹脂を発泡して製作した多孔性構造物のことをいい、ハニカム構造物とは、紙、アラミド、フェノールなどが蜂の巣状に形成された後、樹脂が塗布されて製作された構造物のことをいう。本実施形態では板材５０の材質としてフォームを使用した場合を一例として説明した。

まず、板材５０に補助部材７０を結合させる。補助部材７０の結合方法は、図４と図５にそれぞれ示したように２つに大別される。一つは板材５０に凹部５１を設けて補助部材７０を挿入する方法であり、もう一つは板材５０に補助部材７０をそのまま取り付ける方法である。板材５０に補助部材７０が結合すると、補助部材７０が外部に露出するように裁断された複合材料６０を板材５０の外側に取り付ける。詳細には、複合材料６０を、板材５０の上下左右の側面に取り付ける。硬化した複合材料６０は加工が困難であるため、硬化していない複合材料６０を使用する。硬化していない複合材料６０の準備が出来ていなければ、図５の如く小さく切断されて硬化した複合材料６０をそれぞれ取り付けた後、外側を薄板８０で被覆して使用する。この方法は、市場で流通する複合材料６０をそのまま使用することができるため、製作コストを減らすことができるという利点がある。

次に、図６に示すように、板材５０と複合材料６０とからなるサンドイッチ構造物を金型１００に入れ、固定用ボルト或いはクランプで十分な圧力を加えて固定する。この金型１００に、ロボット構造（板材５０と複合材料６０）と金型の熱容量を考慮して熱を加える。金型１００内の板材５０と複合材料６０は、金型１００に比べて熱膨張係数が大きいため、温度が上昇すると、金型１００の内部に圧力が発生する。したがって、板材５０と複合材料６０は、加圧状態で硬化して接着される。すなわち、加圧と同時に板材５０と複合材料６０が硬化される。この際、複合材料６０の外側には図７に示すように多孔性を有する薄板６５をさらに被覆して板材５０の衝撃吸収力を倍加させることができる。このような同時硬化製作法は、金型１００から取り出した成形物を所望の形状に簡単に裁断して形態が完成するので、後処理加工が不要であって加工費が節減される。また、高剛性繊維強化複合材料６０が硬化して板材５０と接着されるので、別途の接着過程を必要としない。

尚、板材５０に補助部材７０を結合させる理由は、板材５０がフォーム又はハニカム構造物のように軟質材質からなり、この板材５０に被覆される複合材料６０の加工が難しくてその複合材料６０に別途の機械装置を設置し難いためである。したがって、所定の強度を有する加工性の良い金属又は工業用プラスチック材質の補助部材７０を板材５０に結合させると、センサや油圧装置など必要な装置の取付或いは板材５０のロボットへの結合が非常に容易になる。

尚、ロボットアームを製造するために、中空型の板材５０を使用することもできる。
以上、衝撃吸収構造を有するロボットアームに対する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは本発明の好適な実施形態を例示的に説明したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。

また、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば誰でも、本発明の技術思想の範疇から逸脱することなく様々な変形及び改良が可能であることは、明白である。

本発明の一実施形態に係るロボットアームの断面構造を示す図である。 図１の実施形態を変形したロボットアーム断面構造を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るロボットアームの構造を示す斜視図である。 図１と図３のロボットアームに使用される側面部材と連結部材の一製作方法を示す図である。 側面部材と連結部材の他の製作方法を示す図である。 図４と図５の方法で製作された部材の成形方法を示す図である。 図４と図５の方法で製作された部材の成形方法を示す図である。

符号の説明

１０ ロボットアーム
２０ 側面部材
２１ ひだ
３０ ビーム
４０ ブロック
４１ 連結部材
４２ 関節
５０ 板材
６０ 複合材料
７０ 補助部材
８０ 薄板
１００ 金型

Claims (4)

1. 衝撃吸収構造を有するロボットアームであって、
   複数のブロックと、
   前記複数のブロックがロボットアームの形を形成するようにブロックとブロックとを連結し、前記ブロックに比べて相対的に低い強度を有する弾性力のある連結部材と、
   を含み、前記連結部材は、フォーム又はハニカム構造を有し、樹脂材料からなる板材と、この板材に接合される繊維強化複合材料とを備える、衝撃吸収構造を有するロボットアーム。
2. 前記連結部材は、
   フォーム又はハニカム構造を有する樹脂材料の前記板材からなり、凹部を有するコア部材と、
   前記凹部に挿入される外部部品装着用補助部材と、
   前記補助部材を外部に露出させる開口部を有し、前記コア部材に取り付けられる、前記繊維強化複合材料からなる構造部材と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の衝撃吸収構造を有するロボットアーム。
3. 前記コア部材と前記構造部材との間に複数個の孔を有する薄板がさらに備えられることを特徴とする請求項２記載の衝撃吸収構造を有するロボットアーム。
4. 前記コア部材の前記樹脂材料、前記補助部材の材料、及び前記構造部材の前記繊維強化複合材料は、同時硬化に適した材料であることを特徴とする請求項２記載の衝撃吸収構造を有するロボットアーム。

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