JP7365100B2 - ロボットアーム、ロボットアームインサート射出成形用金型及びロボットアームインサート射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）製の筒体を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形して成るロボットアームに関する。

一般に例えばレーザー加工等に用いる工業用ロボットは１／１００ｍｍ程度の先端精度が必要であり、そのためには高い剛性が必要であった。これに対して近年、少子高齢化の進展と共に人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作する工業用ロボットの必要性が高まって来ている。この様な工業用ロボットには従来の工業用ロボットの様な高い剛性は必要ではなくむしろ省エネルギーの観点や地球環境保全の観点等から、軽量化が強く望まれている。その一つの手段としてロボットアームの本体部分をＦＲＰ製筒体に代替させることが検討されてきた。その際、使用する強化繊維にも種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が検討されているが、この中で特に、比強度、比弾性率の面で優れた炭素繊維を強化繊維とするＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）が有力とされている。

この本体部分をＦＲＰ製筒体としてなるロボットアームは本体部分に機能部分を装着して各種機能を果たすことが可能となるようにする必要がある。このＦＲＰ製筒体からなる本体部分への機能部分の装着には、ＦＲＰ製筒体の捩り強度とバランスが採れた接合法が必要とされている。

特許文献１にはＦＲＰ製円筒体の端部に金属製の継ぎ手が圧入される機械装置部品において、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、金属製継ぎ手の圧入接合操作に伴うＦＲＰ製円筒体端部からの損傷の発生を防止し、かつ、その部分の劣化進行も防止し得る構造を提供することを課題としてＦＲＰ製円筒体と、該ＦＲＰ製円筒体の端部に圧入された金属製継ぎ手との機械装置部品であって、ＦＲＰ製円筒体の端面から軸方向にスリット加工が施されていることを特徴とする機械装置部品が開示された。

特開2006-103032号公報

しかし特許文献１に開示された機械装置部品はＦＲＰ製円筒体の端部に金属製継ぎ手を圧入してなるものであり、金属製継ぎ手を用いるという点で未だ軽量化が不十分であるという問題がある。
しかも人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作するロボットに剛性が過剰な金属製継ぎ手を用いることは危険を伴い用途に対する適性を欠くという問題がある。
本発明は以上の従来技術における問題点に鑑み、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、本体部分をＦＲＰ製筒体としてなるロボットアームの本体部分に機能部分を装着して充分に軽量でしかも人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作するロボットアームとして安全性が高いロボットアーム、ロボットアームインサート射出成形用金型及びロボットアームインサート射出成形方法を提供することにある。

すなわち本発明に係るロボットアームは、ＦＲＰ製筒体を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形して成り、前記熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂からなる機能部が前記ＦＲＰ製筒体の外径側に成形されて成ることを特徴とする。

また本発明のロボットアームインサート射出成形用金型は、ＦＲＰ製筒体を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形するための金型であり、ＦＲＰ製筒体内側を支持する中子と熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で成形する金型部とより成る。

さらに本発明のロボットアームインサート射出成形方法は本発明のロボットアームインサート射出成形用金型を用いて行うロボットアームインサート射出成形方法であり、ＦＲＰ製筒体内側を中子によって支持して熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で射出成形することを特徴とする。

ＦＲＰ製筒体としては、とくに強化繊維が少なくとも比強度、比弾性率に優れた炭素繊維を含むものであることが、高い強度や捩りトルク伝達特性発現の点から好ましい。

本発明のロボットアームによれば、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、充分に軽量でしかも人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作する機械装置として安全性が高いロボットアームとすることができる。また本発明のロボットアームインサート射出成形用金型及びロボットアームインサート射出成形方法によれば、本発明のロボットアームを生産性高く生産することができる。、

図１本発明の一実施の形態のロボットアームの斜視図である。 図１のロボットアームの部分断面図である。 図２の部分断面図と同一部分について上下方向を反転させて示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態のロボットアームであり、図２の部分断面図と同一部分について上下方向を反転させて示す他の斜視図である。 本発明の他の実施の形態のロボットアームの部分断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態のロボットアームの部分断面図である。 図６に示す実施の形態のロボットアームの部分切り欠き斜視図である。 図６に示す実施の形態のロボットアームの他の部分切り欠き斜視図である。 図６に示す実施の形態のロボットアームのさらに他の部分切り欠き斜視図である。 図６に示す実施の形態のロボットアームの別の部分切り欠き斜視図である。 本実施の形態のロボットアームインサート射出成形用金型の（ａ）上面図、（ｂ）側面図である。 本発明のロボットアームを実際に製造するための型構造の横断面図である。 図１２に示す型構造の別の横断面図である。 図１２に示す型構造の側面図である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のロボットアーム１を示す。
ロボットアーム１はＦＲＰ製筒体の一態様であるＦＲＰ製円筒体２を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形して成り、熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂からなる機能部３ａ、３ｂがＦＲＰ製円筒体２両端の外径側に成形されて成る。機能部３ａ、３ｂは例えば図示しない動作部、把持部、関節部等との継ぎ手として機能する。

図２、図３に示す様に本実施の形態のロボットアーム１ではＦＲＰ製円筒体２が貫通孔４を有し、機能部３ａ、３ｂが射出成形されると同時に貫通孔４に熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂が充填された係止部５が形成されて成る。

本実施の形態では貫通孔４はＦＲＰ製円筒体２の内側から外側に貫通するネジ穴とされ、機能部３ａ、３ｂの射出成形にあたっては熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂がＦＲＰ製円筒体２内側を支持する中子６外面６ａにせき止められる態様で貫通孔４に熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂が充填された係止部５が形成される。

図４は本発明の他の実施の形態のロボットアーム１を示す。本実施の形態のロボットアーム１は補強体２１を有する点で前述の実施の形態と異なる。補強体２１は予め別工程で金属製の環状片２１ａと取付部２１ｂとを一体成形してなる。
取付部２１ｂには機能部３ａ、３ｂを図示しない別の部材に装着するための装着ねじ部２２が設けられている。
この様に金属製の環状片２１ａと取付部２１ｂとを一体成形する結果、装着ねじ部２２近傍には特には構造的な脆弱部は形成されず、取付部２１ｂの強度が向上される。
補強体２１は環状片２１ａ内側とＦＲＰ製筒体２外側面に所定の間隙２４が形成されるように配置され、その状態で上述の実施の形態同様にＦＲＰ製筒体２を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形することによって、補強体２１をインサートして保持した態様で機能部３ａ、３ｂが形成される。
取付部２１ｂは機能部３ａ、３ｂを図示しない別の部材に装着する際の別部材に対する装着面２１ｃが形成されている。

図５は本発明の他の実施の形態のロボットアーム１を示す。本実施の形態のロボットアーム１はＦＲＰ製円筒体２の内側に熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂内側片７を有してなる。本実施の形態のロボットアーム１は係る複合樹脂内側片７を具えることによってＦＲＰ製円筒体２外側を機能部３ａ、３ｂが回転する回り止めが可能となり、機能部３ａ、３ｂによるＦＲＰ製円筒体２に対するグリップ力が向上し、さらにＦＲＰ製円筒体２と機能部３ａ、３ｂとの熱膨張差でグリップ力が低下することを防止することができる。

図６は本発明のさらに他の実施の形態のロボットアーム１を示す。本実施の形態のロボットアーム１はＦＲＰ製円筒体２の内側に複合樹脂内側片７の溶融温度以上の溶融温度を有する内筒体８が装着されてなる。内筒体８はそのＦＲＰ製円筒体２の内側との当接面８ａに溝８ｂが形成され、溝８ｂが貫通孔４のＦＲＰ製円筒体２の内側開口と連通する態様で内筒体８がＦＲＰ製円筒体２の内側に装着される。

その結果本実施の形態のロボットアーム１は溝８ｂ内側に熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂内側片７を有する。

図７、図８、図９、図１０は以上の実施の形態によって得られたロボットアーム１の部分切り欠き斜視図である。
各図に示す様にＦＲＰ製円筒体２の内側に装着される内筒体８は環状に形成され、この内筒体８に、ＦＲＰ製円筒体２の内側との当接面８ａに溝８ｂが環状に形成され、その結果、得られるロボットアーム１には環状の複合樹脂内側片７が形成される。

以上の各実施の形態のロボットアーム１は本発明の実施の形態のＦＲＰ製円筒体２を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形するための金型を用いて製作される。
図１１に示す様に本実施の形態のロボットアームインサート射出成形用金型９はＦＲＰ製円筒体２内側を支持する中子６と熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂をＦＲＰ製円筒体２の外径側で成形する金型部１０ａ，ｂ，ｃとより成る。金型部１０ａは樹脂射出孔１１を具え、係る樹脂射出孔１１から射出される熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂によって金型部１０ａ，ｂ，ｃ内側にてＦＲＰ製円筒体２両端の外径側に機能部３ａ、３ｂが成形される。

図５に示す他の実施の形態のロボットアームインサート射出成形用金型９は砂型である中子６の端部に凹部６ｄを形成し、中子６ｂと中子６ｃによって支持された中子６とを型合わせした状態でＦＲＰ製円筒体２の内側から外側に貫通する貫通孔４に連通する凹部６ｄが形成される。なお中子６ｃはその基端部６ｆにおいてボルト６ｅによってロボットアームインサート射出成形用金型９に対し固定されており、この中子６ｃを介して中子６に対する支持力が付与されている。なお、中子６は本実施の形態では砂型とされており、樹脂成形後破壊して除去することができる。また中子６ｃはその直径が環状の複合樹脂内側片７の直径よりも小にされており、また本実施の形態では中子６ｂの直径よりも小にされている。この中子６ｃは樹脂成形後ボルト６ｅをロボットアームインサート射出成形用金型９から取り外し、基端部６ｆと共に引き抜かれる。

図６に示す実施の形態のロボットアームインサート射出成形用金型９では中子６の端部に凹部６ｄ２を形成し、この凹部６ｄ２に内筒体収納部１２が形成される。内筒体収納部１２には、内筒体８が収納される。内筒体８はＦＲＰ製円筒体２内側との当接面に溝８ｂが形成され、溝８ｂが貫通孔４のＦＲＰ製円筒体２の内側開口と連通する態様でＦＲＰ製円筒体２の内側に装着されている。

以上の本発明のロボットアームインサート射出成形用金型を用いて本発明のロボットアームインサート射出成形方法によればＦＲＰ製円筒体２内側を中子６によって支持して熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂をＦＲＰ製円筒体２の外径側で金型部１０ａ，ｂ，ｃにて射出成形する。

その際、中子６にはＦＲＰ製円筒体２の内側から外側に貫通する貫通孔４に連通する凹部６ｄが形成されており、熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂をＦＲＰ製円筒体２の外径側で射出成形する際に同時に貫通孔４及び凹部６ｄに複合樹脂を充填する。

本発明の他の実施の形態のロボットアームインサート射出成形方法によればＦＲＰ製円筒体２の内側に内筒体８を装着し、中子６には内筒体８を収納する内筒体収納部１２を形成し、内筒体収納部１２に収納される内筒体８外側面に形成された溝８ｂがＦＲＰ製円筒体２の内側から外側に貫通する貫通孔４のＦＲＰ製円筒体２の内側開口と連通する態様で内筒体８がＦＲＰ製円筒体２の内側に装着されるように中子６を配置する。

内筒体８の剛性をＦＲＰ製円筒体２以上とし、必要に応じてアルミ合金等の軽金属を使用する。
その場合内筒体８はＦＲＰ製円筒体２内側に装着され、ロボットアーム１が人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作する機械装置に用いられてもその硬度や剛性が周囲の人間を害する危険は生じない。

本発明のロボットアームインサート射出成形方法に用いる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリスルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミドなどがある。樹脂材料が熱可塑性樹脂を主成分とするものとすることによって射出成形後立体形状へと変形させ、繊維を複合させる場合の取り扱い性が向上し、生産性が向上する。なお、主成分とは樹脂材料を構成する成分の中で、その割合が最も多い成分である。

なお以上の実施の形態ではＦＲＰ製円筒体２を用いる場合を説明したが、ＦＲＰ製筒体は円筒体に限られず実施の態様によって楕円筒体、角筒の角頂部を面取りする態様等を採用することができる。

図１２～図１４には本発明のロボットアーム１を実際に製造するための型構造１３を示す。
型構造１３によって製造される図５に示す実施の形態のロボットアーム１はＦＲＰ製円筒体２の内側に熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂内側片７を有してなる。ロボットアーム１は係る複合樹脂内側片７を具えることによってＦＲＰ製円筒体２外側を機能部３ａ、３ｂが回転する回り止めが可能となり、機能部３ａ、３ｂによるＦＲＰ製円筒体２に対するグリップ力が向上し、さらにＦＲＰ製円筒体２と機能部３ａ、３ｂとの熱膨張差でグリップ力が低下することを防止することができる。

型構造１３はＦＲＰ製円筒体２内側を支持する中子である傾斜コア６と熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂をＦＲＰ製円筒体２の外径側で成形する金型部１０ａ，ｂとより成る。金型部１０ａは樹脂射出孔１１を具え、係る樹脂射出孔１１から射出される熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂によって金型部１０ａ，ｂ内側にてＦＲＰ製円筒体２両端の外径側に機能部３ａ、３ｂが成形される。

傾斜コア６は進退動するロッド１４を有し、このロッド１４の先端部に装着されたプレート１５がロッド１４の進退動に伴い傾斜コア６先端部の傾斜機能部１６の内側を進退する。この傾斜機能部１６はその最先端部１６ａが外側に拡開可能な円環状にされ、最大に拡開した状態で円環状の外側面がＦＲＰ製円筒体２内側面に当接可能にされてなる。
したがってロッド１４の伸長に伴いプレート１５は傾斜機能部１６内側を先端方向に進行し、傾斜機能部１６の最先端部にプレート１５が到達すると傾斜機能部１６の円環状の最先端部１６ａが外側に最大に拡開した状態でその外側面がＦＲＰ製円筒体２内側面に当接する。これによって傾斜機能部１６の外側面とＦＲＰ製円筒体２内側面間に複合樹脂が射出されるキャビティである凹部６ｄが形成される。

一方、凹部６ｄに複合樹脂が射出されて固化した後は、ロッド１４の退行に伴いプレート１５は傾斜機能部１６内側を先端方向とは反対方向に退行し、これに伴い傾斜機能部１６の円環状の最先端部が外側に最大に拡開した状態から内側に閉じていき、凹部６ｄ内で固化した複合樹脂と干渉しない位置まで閉じられる。その状態で傾斜コア６全体を特には干渉する部分無く、ＦＲＰ製円筒体２外側に引き出すことができる。

１・・・ロボットアーム、２・・・ＦＲＰ製円筒体、３ａ、３ｂ・・・機能部、４・・・貫通孔、６・・・中子、９・・・ロボットアームインサート射出成形用金型、１０ａ，ｂ，ｃ・・・金型部、１２・・・内筒体収納部、８・・・内筒体、２１・・・補強体、２１ａ・・・環状片、２１ｂ・・・取付部、２２・・・装着ねじ部、２４・・・間隙。

Claims (12)

1. 熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂からなる機能部がＦＲＰ製筒体の外径側に取り付けられ、前記ＦＲＰ製筒体が貫通孔を有し、前記貫通孔に前記熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂が充填されており、前記ＦＲＰ製筒体の内側に前記熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂内側片が形成されており、その複合樹脂内側片の溶融温度以上の溶融温度を有する内筒体が前記ＦＲＰ製筒体の内側に装着され、前記内筒体の前記ＦＲＰ製筒体内側面との当接面に溝が形成され、前記溝が前記貫通孔の開口と連通する態様で前記内筒体が装着されてなることを特徴とするロボットアーム。
2. 前記機能部が前記熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂と補強体とからなり、前記補強体が一体な金属製の環状片と取付部とよりなる請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記取付部には前記機能部を別部材に装着するための装着ねじ部が設けられている請求項２に記載のロボットアーム。
4. 前記取付部には前記機能部を別の部材に装着する際の別部材に対する装着面が形成されている請求項２記載のロボットアーム。
5. 前記内筒体は環状に形成され、この内筒体に、前記溝が環状に形成され、前記複合樹脂内側片が環状に形成されてなる請求項１に記載のロボットアーム。
6. ＦＲＰ製筒体を熱可塑性樹脂と繊維を複合した樹脂でインサート射出成形するための金型であり、ＦＲＰ製筒体内側を支持する中子と熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で成形する金型部とより成るロボットアームインサート射出成形用金型において、進退動するロッドを有する傾斜コアを備え、前記ロッドの進退動に伴い前記傾斜コア先端部の傾斜機能部の内側を進退するプレートが前記ロッドの先端部に装着され、前記傾斜機能部はその最先端部が外側に拡開可能な円環状にされ、最大に拡開した状態で円環状の外側面がＦＲＰ製円筒体内側面に当接可能にされてなることを特徴とするロボットアームインサート射出成形用金型。
7. 前記中子には前記ＦＲＰ製筒体の内側から外側に貫通する貫通孔に連通する凹部が形成される請求項６に記載のロボットアームインサート射出成形用金型。
8. 前記中子には前記ＦＲＰ製筒体の内側に装着された内筒体を収納する内筒体収納部が形成され、前記内筒体収納部に収納される前記内筒体はそのＦＲＰ製筒体の内側当接面に溝が形成され、前記溝が前記貫通孔開口と連通する態様で前記内筒体が装着されるように前記中子が配置されてなる請求項７に記載のロボットアームインサート射出成形用金型。
9. ＦＲＰ製筒体内側を支持する中子と熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で成形する金型部とより成るロボットアームインサート射出成形用金型を用いて行うロボットアームインサート射出成形方法であり、ＦＲＰ製筒体内側を中子によって支持して熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で射出成形することを特徴とするロボットアームインサート射出成形方法。
10. 前記中子には前記ＦＲＰ製筒体の内側から外側に貫通する貫通孔に連通する凹部が形成され、熱可塑性樹脂と繊維を複合した複合樹脂を前記ＦＲＰ製筒体の外径側で射出成形する際に前記貫通孔及び前記凹部に前記複合樹脂を充填する請求項９に記載のロボットアームインサート射出成形方法。
11. ＦＲＰ製筒体の内側に内筒体を装着し、前記中子には前記内筒体を収納する内筒体収納部を形成し、前記内筒体収納部に収納される前記内筒体のＦＲＰ製筒体内側当接面に形成された溝が前記ＦＲＰ製筒体の内側から外側に貫通する貫通孔開口と連通する態様で前記内筒体が装着されるように前記中子を配置する請求項１０に記載のロボットアームインサート射出成形方法。
12. 前記内筒体の剛性を前記ＦＲＰ製筒体以上とする請求項１１に記載のロボットアームインサート射出成形方法。

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